2. 南方电网科学研究院有限责任公司, 广州 510080
基于分时长期演进（TD-LTE）4G无线通信技术，研究了TD-LTE帧同步工作机制，将绝对时间与TD-LTE系统同步帧结构映射，提出了一种基于TD-LTE帧同步的电网时间同步方法，设计了时延补偿机制，以修正无线传播多路径造成的时延偏差，提高授时精度。通过搭建试验平台实测分析，验证了该方法的可行性，无线授时系统的时间同步精度可达亚微秒量级，可满足配电网各类业务需求。
2. China Southern Power Grid Science Research Institute Company Limited, Guangzhou 510080, China
The operation and maintenance, state monitoring and failure location of all kinds of power grid distribution network service and equipment terminal depend on the precise time synchronization. In view of time division long term evolution (TD-LTE) 4G wireless network communication technology, a TD-LTE frame synchronization mechanism was studied, which uses map absolute time and TD-LTE system synchronization frame structure, and proposes a power grid time synchronization method based on TD-LTE frame synchronization. Meanwhile, a time delay compensation mechanism was designed to revise delay caused by radio propagation multi-path for improving the accuracy of timing system. Finally, the feasibility of the method proposed was verified by simulation and analysis. It is shown that the time synchronization precision of wireless time service system can reach to sub-microsecond level, which can satisfy all kinds of distribution network service demands.
电力系统中配电网各类业务和设备终端的运行维护、状态监测、故障定位等工作都依赖于精确的时间同步，整个系统都必须在统一的时间基准下工作.长期以来，我国电力系统定时信息的方式主要依赖美国的全球定位系统 (GPS，global positioning system)，随着智能电网技术的发展，达到亚微秒级同步精度的授时协议IEEE1588已成为智能电网授时国际标准IEC61850的基础[1-2]. Chang等[3]提出了一种基于GPS获取定时信息并进行信息分发的方案；Zhang等[4]分析了不同条件下同步的最优配置方式；Li等[5]则提出了一种电网中高能效的混合同步算法.上述导航定位卫星和有线通信虽能为电力系统提供精准授时，但其自身都存在局限性，在许多场景下，室内无法保证卫星信号的可靠接收，而有线授时方式所带来的光缆敷设和维护成本一直居高不下.
笔者基于4G国际标准，提出了一种基于分时长期演进 (TD-LTE，time division long term evolution) 帧同步的电网时间同步方法，并设计了时延补偿机制，以修正无线传播多路径造成的时延偏差，提高授时精度.实测验证了该方法的可行性，无线授时精度可达亚微秒量级.空口无线授时技术为配电网业务终端授时提供了一条全新途径，其较之卫星通信更易于快速灵活部署，也能大幅减少配网敷设大量光缆所带来的巨额开销，可作为现有配电网业务终端授时方式的有效补充和备份.
1 问题模型 1.1 系统基本模型TD-LTE空口无线授时的基本模型如图 1所示，它主要由接入网、回程网和骨干网等部分组成[6].接入网的主要设备是基站，回程网和骨干网的传输网络可在电力系统现有光纤通信网络的基础上构建，骨干网主要由TD-LTE的核心网设备和路由器/交换机等组成.基于TD-LTE的授时信号从基站的空口发出，由此在基站无线信号覆盖范围内的机房设备和各类终端都可得LTE的授时信号.
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图 1 基于TD-LTE的电力系统授时模型 |
电力系统的不同设备装置对时钟同步精度的要求各异，其精度等级大致可分为4类：1) 电力系统中的线路行波故障测距装置、雷电定位设备和电子式互感器的合并单元等，对时钟同步的精度要求达到μs级；2) 系统中的故障录波器、事件顺序记录仪 (SOE，sequence of events) 和各类电气测控单元等远程终端 (RTU，remote terminal unit) 设备，对时钟同步的精度要求在ms级；3) 系统中各种配电设备、安全保护设备和变压器终端设备等类型的自动化装置，对时钟同步的精度要求在10 ms级；4) 各种用电监测终端仪表、电能量和负荷采集装置、调度中心的各种仪表等对时钟要求不太高的设备，对时钟同步的精度要求可在s级.由上面的分析可见，要使TD-LTE授时系统满足电力系统的各种同步时钟等级要求，其精度应达到μs级.如果同步精度达到ms级，则也可满足大多数应用需求.
2 TD-LTE空口授时与精度估计 2.1 TD-LTE空口授时方案TD-LTE空口授时的基本思想是，利用TD-LTE网络本身的时间同步机制，通过空口以定时发送时间报文数据业务，同时通过修改物理广播信道 (PBCH，physical broadcast channel) 主信息块 (MIB，master information block) 信息空闲位做秒脉冲标志位的方式，实现TD-LTE网络为电力系统不同设备装置提供无线授时.
如图 2所示，基站的秒脉冲信号 (1秒脉冲)(PPS，pulse per second) 是通过卫星或精密时钟同步协议 (PTP，precision time synchronization protocol) 进行网络同步得到的信号，精度很高 (GPS/北斗同步精度达到200 ns，PTP同步精度达到1.5 μs).目前基站的物理广播信道有14 bit的信息，还有10位空闲bit.利用其中1 bit作为秒脉冲标志位，定义为PpsF. 1 PPS上升沿后的4个无线帧的PpsF设置为“1”，其余无线帧的PpsF设置为“0”，终端 (UE，user equipment) 通过PpsF标志位可识别出第1个无线帧边界，作为1 PPS的上升沿.
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图 2 基站侧1 PPS信号的产生与终端的时钟恢复 |
UE在和基站同步过程中，首先完成帧边界的同步，然后解调物理广播信道的信息，找出第1个无线帧，恢复出1 PPS信号，并从基站得到发射提前量参数，利用该参数补偿信道传输的时延.
TD-LTE采用3个主同步信号序列 (PSS，primary synchronization signal) 表示组内的小区ID识别，168个辅同步信号序列 (SSS，secondary synchronization signal) 用来表示组识别.这也是TD-LTE系统为小区搜索特别设计的2个物理信号. 图 3所示为时分双工 (TDD，time division duplexing) 方式下PSS和SSS的时域结构.
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图 3 PSS和SSS在无线帧的位置 |
图 3显示了同步信号周期性传输的特点，每个10 ms无线帧传输2次. PSS位于每个无线帧时隙2和时隙12上的第3个符号上，而SSS总是比PSS早3个符号，位于PSS之前的1个时隙的最后1个符号.而在频分双工 (FDD，frequency division duplexing) 小区内，PSS总是位于每个无线帧第1和第11个时隙的最后1个正交频分复用 (OFDM，orthogonal frequency division multiplexing) 符号上. SSS位于PSS之前. SSS的确切位置取决于小区所选择的循环前缀 (CP，cyclic prefix) 类型的长度，采用常规的CP时，每时隙包含7个OFDM符号. SSS位于时隙1和时隙11的第7个符号，采用扩展的CP时，每时隙包含6个OFDM符号. SSS位于时隙1和时隙11的第6个符号.
在TD-LTE系统中小区其他信道的配置和操作信息同样由PBCH携带. PBCH传送的系统广播信息包括：下行系统带宽、系统帧号 (SFN，system frame number) 子帧号、物理混合自动重传指示信道 (PHICH，physical hybrid automatic repeat request indicator channel) 指示信息、天线配置信息等.其中天线信息映射在循环冗余校验 (CRC，cyclic redundancy check) 的掩码中. MIB的大小只有14 bit，每隔40 ms重复1次.终端可以通过4次中的任一次接收解调出PBCH.
在随机接入过程中，基站通过测量接收到的前导码来确定终端补偿的时间提前量 (TA，timing advanced) 值，并通过随机接入响应 (RAR，random access response) 的timing advance command字段 (11位的定时调整命令TA发送给UE，范围为TA=0, 1, 2, …, 1 282).上行同步的粒度用NTA指示，NTA=16TA=0.52 μs.在随机接入状态中，虽然UE与基站取得了上行同步，但上行信号到达基站的时间可能随时变化.因此UE需要不断地更新上行定时提前量，以保持上行同步. TD-LTE系统中，基站基于测量对应UE的上行传输来确定每个UE的TA值.因此，只要UE有上行传输，基站就可用来估计TA值.
协议中规定基站根据物理上行链路控制信道 (PUCCH，physical uplink control channel)、物理上行共享信道 (PUSCH，physical uplink shared channel)、信道探测参考信号 (SRS，sounding reference signal) 进行TA测量.终端会接收到6 bit的TA命令，它的取值范围为0~63.时间提前量可表示为NTA, new=NTA, old+16(TA-31).其中NTA, old为最近1次的时间提前量，NTA, new为新的定时提前量，16(TA-31) 为定时调整量.
2.2 定时误差对OFDM系统性能的影响在接收端，为了正确地解调数据，要找到OFDM符号的N个样点进行快速傅里叶变换 (FFT，fast Fourier transformation).定时估计通过OFDM符号的起始位置，使FFT窗口起始点对准OFDM符号的起始点，从而使FFT窗口包含当前OFDM符号的N个样点，实现正确的解调.如果定时估计不准确，FFT窗口的起始位置不在当前OFDM符号的第1个样点上，那么FFT窗口就会包含相邻2个OFDM符号的样点，如图 4所示.
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图 4 定时同步与循环前缀关系 |
如图 4所示，正确的FFT窗口起始点应为OFDM符号循环前缀后的第1个样值.
1) 情况1为FFT窗口起始位置落在循环前缀内.可以看出，截取的信号并不含其他OFDM符号的信息，因而不会产生符号间干扰.错误判入循环前缀的信息和被错误截去的有用数据信息是相同的，因此FFT窗口仍然包括当前OFDM符号的N个样点，只是相对于正确的信号作了1个循环移位.根据傅里叶变换的性质，FFT输出的结果仅相当于使各个子载波产生1个相位偏转，而不会破坏子载波之间的正交性.位于循环前缀内的定时误差使接收端有用信号在子载波上的相位旋转了-2πθk/N，且相位旋转与定时偏差θ和子载波的位置有关.此时并没有引入符号间干扰 (ISI，inter symbol interference)，这体现了循环前缀对OFDM符号的保护作用.
2) 情况2为FFT窗口起始位置落在数据区内，则FFT窗口中就会包含相邻2个符号的内容，引起ISI.滞后的定时误差不仅使得有用信号在子载波上相位旋转了2πθk/N，还产生了ISI干扰项，使接收端解调性能下降.
2.3 误差补偿与同步精度分析TD-LTE系统同步精度主要包括终端侦听同步阶段估计误差和基站测量对终端补偿误差的TA.各同步阶段的延时偏差如图 5所示.
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图 5 各同步阶段延时偏差 |
第1阶段UE初始阶段，通过小区搜索，侦听基站的起始位置，在这个过程中，假设下行侦听所带来的时间偏差为Δt1.
第2阶段基站通过测量接收到的前导码来确定NTA值，假设这部分带来的时间偏差为Δt2.
第3阶段当UE进入无线资源控制_连接 (RRC_CONNECTED，radio resource control_connected) 态，基站根据PUCCH/PUSCH/SRS进行TA测量，调整NTA.假设这部分带来的时间偏差为Δt3，上行接入时间如图 5所示.
通过这3阶段的同步过程，总的时间偏差可表示为Δt=Δt1+Δt2+Δt3.
信噪比 (SNR，signal noise ratio) 记为S，按照S=0结果来看，Δt形成的同方向平均延时为Δt=1.32+3.14+1.23=5.96 TS=0.194 μs. TS为LTE中最小的时间单元，为一个符号采样间隔，约为32.55 ns.
由此可知，只要定时起始位置不超过CP长度，就不会产生码间干扰，LTE系统要求基站和终端之间的帧边界时间同步精度要小于CP长度，144 TS (按照普通CP算)=4.687 5×10-6=4.69 μs，通过分析，系统能满足该要求.
终端从空口恢复出秒脉冲后，会经过时钟单元驯服后再输出.时钟单元包含高稳定恒温晶体钟和驯服控制电路.驯服控制会对输入信号进行滤波，做长期统计，优化时钟信号，输出稳定的10 MHz时钟和1 PPS秒脉冲信号.驯服单元对输入的1 PPS精度会有很大的改善，精度能优化1倍以上.当输入源丢失或不稳定时，还能进入守时状态，守时性能达到55 μs/h.
如上所述，TD-LTE无线授时系统的同步抗精度主要包括基站同步精度和空口同步精度.经过分析，在保证通信正常的条件下，同步精度优于1.5+5=6.5 μs.同步信号经过终端的时钟单元驯服后，还可进一步改善同步精度.分析可知，无线授时系统的时间同步精度可满足配电网的要求.
2.4 同步精度仿真笔者对侦听同步TA估计、物理随机接入信道 (PRACH，physical random access channel) TA估计、SRS TA估计进行了仿真，仿真条件如表 1所示.
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表 1 仿真条件 |
图 6给出了通过侦听同步TA估计误差的仿真结果.
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图 6 侦听同步TA估计误差仿真结果 |
从上述仿真可得表 2所示的结果.
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表 2 侦听同步TA估计误差 |
在不同SNR下，对应的TA估计值有所不同，当PBCH误码率为1%时，SNR为-4，TA的平均偏差为1.49 TS，最大偏差为7 TS. PRACH估计仿真结果如表 3所示.
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表 3 PRACH同步TA估计误差 |
SRS TA估计仿真结果如图 7所示.
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图 7 SRS测量TA估计误差结果 |
从上述仿真可得表 4所示的结果.
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表 4 SRS测量TA估计误差 |
终端从空口恢复出秒脉冲后，会经过时钟单元驯服后再输出.时钟单元包含高稳定恒温晶体钟和驯服控制电路.驯服控制会对输入信号进行滤波，做长期统计，优化时钟信号，输出稳定的10 MHz时钟和1 PPS秒脉冲信号.驯服单元对输入的1 PPS精度会有很大的改善.当输入源丢失或不稳定时，还能进入守时状态，守时性能达到55 μs/h.
如上所述，TD-LTE无线授时系统的同步精度主要包括基站同步精度和空口同步精度.经过分析，在保证通信正常条件下，同步精度优于1.5+5＝6.5 μs.同步信号经过终端的时钟单元驯服后，还可进一步改善同步精度.从分析结果看出，无线授时系统的时间同步精度可满足配电网的要求.
3 实验与结果分析通过对TD-LTE基站设备和终端设备进行设计更改，对搭建的试验平台进行了技术验证.试验平台包括完整的TD-LTE系统，时间服务器通过网络时间协议 (NTP，network time protocol) 给终端广播时间信息，基站和终端利用帧信号的同步和标识完成高精度同步.终端输出同步信号后，接入时间测试仪进行精度测试.如图 8所示.
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图 8 TD-LTE无线授时技术验证测试平台 |
基于上述试验平台，使用时间测试仪对输出的1 PPS秒脉冲进行精度测试，测试时间持续5 h，测试样本19 804个，以验证平台输出时间同步精度小于1 μs，标准方差为87.52 ns. 图 9给出了测试仪表上时间同步精度测试结果截屏图. 图 10给出了精度验证试验平台的实物图.
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图 9 时间同步精度测试结果 |
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图 10 精度验证试验平台 |
实验测试结果表明，系统的授时精度在1 μs以内，与理论分析的结果接近，基站到终端的授时精度偏差小于±100 ns，与仿真结果也很接近.
4 结束语研究了TD-LTE帧同步工作机制，提出了一种基于TD-LTE帧同步的电网时间同步方法，并设计了时延补偿机制，以修正无线传播多路径造成的时延偏差.实测验证了该方法的可行性，无线授时精度可达亚微秒量级，满足配电网各类业务需求.空口无线授时技术为配电网业务终端授时提供了一条全新途径，可作为现有配电网业务终端授时方式的有效补充，适合智能电网发展对设备同步的要求.
| [1] | John D M. The next generation grid-energy infrastructure of the future[J]. IEEE Power and Energy Magazine, 2009(3/4): 26–32. |
| [2] | Dedominicis C M, Ferrari P, Flammini A, et al. On use of IEEE1588 in existing IEC61850-based SASs:curbehavior and future challenges[J]. IEEE Transaction on Insmentation and Measurement, 2011, 60(9): 3070–3081. doi: 10.1109/TIM.2011.2158159 |
| [3] | Chang Chiuping, King Chungta, Chan Chenmin. On reference node deployment for precise clock synchronization in smart power grid[C]//IEEE Ninth International Conference on Dependable, Autonomic and Secure Computing (DASC). Sydney:IEEE, 2011, 12:465-472. |
| [4] | Zhang Wuyang, Shi Songjie, Lu Yan, et al. Study on the configuration scheme of time synchronization system in the substation[C]//2016 China International Conference on Electricity Distribution (CICED). Xi'an:[s. n.], 2016, 8. |
| [5] | Li Fen, He Guanghui, Wang Xu. An improved hybrid time synchronization approach in wireless sensor networks for smart grid application[C]//2015 IEEE 17th International Conference on High Performance Computing and Communications (HPCC). New York:IEEE, 2015, 8:798-801. |
| [6] |
李小文, 罗佳. TD-LTE自适应辅同步信号检测算法与仿真实现[J]. 计算机应用研究, 2012, 29(10): 3932–3934.
Li Xiaowen, Luo Jia. Simulation and realization on adaptive secondary synchronization signal detection in TD-LTE system[J]. Application Research of Computer, 2012, 29(10): 3932–3934. doi: 10.3969/j.issn.1001-3695.2012.10.088 |