CN101036322A - 无线电信系统中的上行链路同步 - Google Patents

Abstract

用于在无线电话网络中同步无线信号传输时间的方法和移动台(MS)。所述MS测量第n帧的帧接收时间，并且获得有关第n帧的传输时间和接收时间之间的偏移的信息。然后，所述MS使用定时偏移信息和测量的帧接收时间计算移动台上第n数据帧的传输时间。对于之后的第m帧，如果已收到新定时偏移信息，所述MS使用新信息和测量的第m数据帧的接收时间计算第m数据帧的传输时间。如果未收到新信息，所述MS根据第n和第m帧接收时间之间的差、第n和第m帧之间的帧数以及在第n帧获得的定时偏移信息计算传输时间。

Description

无线电信系统中的上行链路同步

相关申请

本申请要求2004年8月9日提交的美国临时专利申请60/600001的权益，通过引用将其结合到本文中。

背景技术

本发明涉及移动无线电信系统。更具体而非限定地说，本发明涉及在每个移动台调整上行链路传输定时以使能基站的同步接收的方法。

在移动无线电信系统中，从移动台传输的传播延迟因每个移动台(MS)至接收基站(BS)的距离不同而有所不同。在许多系统中，如全球移动通信系统(GSM)，通过为每个MS提供传输定时、公知为定时提前(TA)值中的定期调整来同步BS接收的信号。在其它系统中，特别是频分双工码分多址系统，如宽带CDMA(WCDMA)，在芯片级不采取措施同步上行链路传输，但保持帧级上的粗同步。然而，在一些CDMA系统中，如中国开发的时分双工同步CDMA(TD-SCDMA)系统，通过为每个移动台使用定期传输时间调整来同步上行链路上的传输。TD-SCDMA系统使用特殊代码设计为在BS信号接收时间左右的特定时间窗口内保留正交性对抗多径回音，并且因此可以从上行链路中受益。一般来说，上行链路同步是任何TDD系统的要求，与其多路接入方法无关。

如上所述，先有系统已尝试通过定期传输调整至每个MS以调整其传输定时来解决同步BS接收的信号的问题。对于会话中的第一上行链路传输，传输定时根据下行链路上的接收定时确定。在一些系统如GSM中，在下行链路上使用预定义的时隙接收时间偏移。在其它系统如TD-SCDMA系统中，下行链路时隙上接收的功率用于确定传输时间和接收时间之间的偏移。第一上行链路传输的定时控制可称为开环定时控制。一旦MS开始传输，BS会监视每个MS传输的信号的接收时间。如果对于指定MS出现相对要求接收时间的重大偏差，则发送调整传输时间的命令至该MS。此定时控制可称为闭环定时控制。

现有的解决方案有几个缺点。第一个缺点是它们需要定期向MS发送控制命令以确保上行链路同步。在包含大型小区和/或大量高移动性MS的移动无线电信系统中，这会导致信令负载的急剧增长。具有在每个MS调整传输定时同时最小化来自BS的传输时间更新的必要性的方法是有利的。第二个缺点是在开环定时控制阶段中进行的初始传输定时预估不够准确。具有提高开环定时控制阶段中传输时间初始估算的准确性的在每个MS调整传输定时的方法是有利的。本发明即提供这样的方法。

发明内容

一方面，本发明涉及在移动台上调整无线信号传输时间以使基站能从多个移动台同步接收无线信号的方法。所述方法用于解决移动台和基站之间的不同传播延迟，步骤如下：在移动台上测量第n数据帧的帧接收时间；获得有关第n帧传输时间与第n帧接收时间之间的偏移的定时偏移信息；以及由移动台使用定时偏移信息和在移动台上测量的第n数据帧的帧接收时间计算移动台上第n数据帧的传输时间。对于第n数据帧之后的第m数据帧，移动台确定是否已从基站接收关于传输时间和接收时间之间的偏移的新信息。如果已收到新定时偏移信息，则移动台使用新定时偏移信息和在移动台上测量的第m数据帧的帧接收时间计算移动台上第m数据帧的传输时间。但是，如果未收到新定时偏移信息，则移动台根据第n数据帧的接收时间和第m数据帧的接收时间之间测量的帧接收时间变化、第n数据帧和第m数据帧之间的数据帧数以及在第n数据帧获得的定时偏移信息计算移动台上第m数据帧的传输时间。

另一方面，本发明涉及将移动台上的无线信号传输时间同步到基站上的无线信号接收时间以解决移动台和基站之间的不同传播延迟的方法。所述方法包括以下步骤：在移动台上测量数据帧的帧接收时间；确定位置坐标对移动台和基站是否可用；并且，如果位置坐标对移动台和基站可用，则使用位置坐标计算数据帧的传播延迟。然后，移动台使用计算的数据帧传播延迟和测量的数据帧接收时间计算移动台上数据帧的传输时间。

在又一个方面，本发明涉及在无线电话网络中与基站通信的移动台。所述移动台包括用于在移动台上测量第n数据帧的帧接收时间的部件；用于从基站获得有关第n帧传输时间与第n帧接收时间之间的偏移信息的部件；以及用于使用定时偏移信息和在移动台上测量的第n数据帧的帧接收时间计算移动台上第n数据帧的传输时间的部件。所述移动台还包括用于确定是否已从基站为第n数据帧之后的第m数据收到有关传输时间与接收时间之间的偏移的新信息，如是，则使用新定时偏移信息和在移动台上测量的第m数据帧的帧接收时间计算移动台上第m数据帧的传输时间的部件。所述移动台还包括响应未收到新定时偏移信息的确定，根据第n数据帧的接收时间和第m数据帧的接收时间之间的已测量帧接收时间变化、第n数据帧和第m数据帧之间的数据帧数量以及在第n数据帧获得的定时偏移信息计算移动台上第m数据帧的传输时间的部件。

附图说明

在以下部分将参照附图中说明的示范实施例描述本发明，其中：

图1(现有技术)是保持上行链路同步的传统方法的流程图；以及

图2是根据本发明的优选实施例保持上行链路同步的流程图。

具体实施方式

根据本发明的教导，同步上行链路传输的改进方法在每个MS调整上行链路传输定时，同时最小化来自BS的传输时间更新的必要性。

本发明还改进了开环定时控制阶段中的传输时间初始估算。本发明的其它优点是，它使得多个基站的接收时间差可用，这在寻找传输MS的位置时很有用。本发明适用于包含由基站提供服务的具有不同MS-BS距离的多个移动台的无线通信系统。从BS传输到MS和从MS传输到BS的物理层信号具有时隙或帧结构，即信号被分到各个时隙中。由BS传输的信号在MS上的接收时间可表示如下：

t_R，M(n)+δ(n)＝t_T，B(n)+t_P(n)，            (1)

其中t表示时间间隔，如信号传输时间，下标“B”和“M”分别表示BS和MS；下标“T”和“R”分别表示传输和接收。变量“n”表示对应于第n传输的时隙的时间间隔。因此，t_R，M(n)表示MS上对应于第n时隙的信号的接收时间。量t_P(n)是传输第n时隙时BS和MS之间的传播延迟，并且与BS和MS之间的距离成比例。在接下来的说明中，第n时隙是在过去某个时间接收的时隙，并且是收到传播延迟估算的最后一个时隙。量δ(n)表示对应于因MS和BS时钟之间不良同步而产生的第n时隙的偏置值。本文中描述的所有时间单元均参考BS的时钟。

同样，由MS传输的信号在BS上的接收时间可表示如下：

t_R，B(n)＝t_T，M(n)+t_P(n)+δ(n).             (2)

为了保持所有MS之间的上行链路同步，对于所有MS，对于每个时隙，BS上传输和接收时间之间的差应该是相同的。也就是说，

t_R，B(n)-t_T，B(n)＝λ，对所有n              (3)

由于连续时隙之间传输时间的差相同，以上特性意味着BS上连续时隙的接收时间也应该相同。也就是说，对于过去的时隙n和当前的时隙m，

t_R，B(m)-t_R，B(n)＝Δ·(m-n)＝t_T，B(m)-t_T，B(n)，对所有m＞n    (4)

根据(1)和(2)，时隙n在MS上的传输时间可表示为：

t_T，M(n)＝t_R，M(n)+(t_R，B(n)-t_T，B(n))-2t_P(n)，

        ＝t_R，M(n)+λ-2t_P(n).                    (5)

量(t_R，B(n)-t_T，B(n))＝λ是已知的系统参数，因此唯一未知的就是传播延迟t_P(n)。在现有技术中，传播延迟t_p(n)的估算

由BS通过发送参数λ-2t_p(n)的估算(也称为提前定时(TA))隐含地发送到MS。在传统系统中，如果此TA参数未更新，MS上之后时隙m＞n的传输时间指定为：

$t_{T,M}\left(m\right)=t_{R,M}\left(m\right)+\mathrm{\λ}-2{\hat{t}}_P\left(n\right),---\left(6\right)$

也就是说，MS使用先前接收的传播延迟估算。

图1是保持上行链路同步的传统方法的流程图。变量n代表在过去某个时间接收的时隙，并且是收到传播延迟估算的最后一个时隙。变量m代表正在计算传输时间的当前时隙。在步骤11，该方法估算MS上帧1的接收时间t_R，M(1)，并且n设置为等于1。在步骤12，该方法使用RSS测量值计算传播延迟t_P(1)，或将传播延迟设置为默认值。在步骤13，MS上帧m的传输时间设置如下：

t_T，M(m)＝t_R，M(m)+(t_R，B(m)-t_T，B(m))-2t_P(1).

在步骤14，下一时隙的时隙编号m随后增加为m+1。在步骤15，确定是否收到第m时隙的传播延迟的新估算t_P(m)。如是，该方法移至步骤16，通过将n设置为等于m更新收到传播延迟的最新估算的时隙。然后，该方法移至步骤17并且使用更新的传播延迟和以下等式计算MS上帧m的传输时间t_T，M(m)：

t_T，M(m)＝t_R，M(m)+(t_R，B(m)-t_T，B(m))-2t_P(n)。

但是，如果在步骤15确定未收到传播延迟的新估算t_P(m)，则n不变，并且该方法直接移至步骤17，使用来自帧n的旧传播延迟计算MS上帧m的传输时间。然后，该方法返回步骤14并且将m增加为m+1。该方法为每个帧重复该过程。注意，如果未收到传播延迟的新估算，则步骤17中的计算导致与先前计算的相同t_T，M(m)，因此如果未收到传播延迟的更新估算，则系统继续将相同t_T，M(m)用于后续帧。

另一方面，本发明在未从网络收到新传播延迟时估算一个，并且使用新的估算传播延迟计算MS上帧m的新传输时间t_T，M(m)。因此，不是继续将相同的t_T，M(m)用于后续帧，本发明通过估算传播延迟变化根据从网络收到先前更新的时间得出特定帧的传输时间。根据上述等式(1)和(4)，可以看到从帧n到帧m的传播延迟变化(即t_P(m)-t_P(n))，由下式给出：

t_P(m)-t_P(n)＝(t_R，M(m)-t_R，M(n))+(δ(m)-δ(n))-(m-n)·Δ，(7)

其中Δ为基站上连续时隙的接收(或传输)时间差。

根据等式(5)和(7)，MS上时隙m的正确传输时间可表示为：

t_T，M(m)＝t_R，M(m)+λ-2(t_P(n)+(t_R，M(m)-t_R，M(n))

         +(δ(m)-δ(n))-(m-n)·Δ)，

        ＝-t_R，M(m)+2t_R，M(n)+λ-2[t_P(n)+(δ(m)-δ(n))-(m-n)·Δ].

                                                              (8)

相应地，在已收到时隙n的传播延迟的最新更新时，用于产生时隙m的传输时间的算法可表示为：

$t_{T,M}\left(m\right)=-t_{R,M}\left(m\right)+{2t}_{R,M}\left(n\right)+\mathrm{\λ}-2[{\hat{t}}_P\left(n\right)-(m-n)\·\mathrm{\Δ}],---\left(9\right)$

其中等式右侧的所有量已知。应该注意，如果从网络收到时隙m的传播延迟的更新估算(即n＝m)，以上表达式使用上述等式(6)中给出的现有技术算法减少至传输时间，即：

$t_{T,M}\left(m\right)=t_{R,M}\left(m\right)+\mathrm{\λ}-2{\hat{t}}_P\left(m\right),---\left(9a\right)$

除非使用时隙m的更新传播延迟。如果未从网络收到时隙m的传播延迟的更新估算，等式(9)可以写为以下形式：

$t_{T,M}\left(m\right)=t_{R,M}\left(m\right)+\mathrm{\λ}-2[{\hat{t}}_P\left(n\right)+\{t_{R,M}\left(m\right)-t_{R,M}\left(n\right)\}-(m-n)\·\mathrm{\Δ}].---\left(9b\right)$

从此等式形式可以轻松看到，通过计算MS上第m时隙和第n时隙的接收时间之间的差，然后减去第m时隙和第n时隙之间的已知时间差，更新第n时隙的估算传播延迟以用于第m进隙。

对比等式(8)和(9)，潜在误差的来源是量(δ(m)-δ(n))，以及传播延迟估算 中的误差。传播延迟估算 在BS上计算，因此期望其准确性能满足BS的要求。这样，此估算中的误差不予考虑。如下所示，量(δ(m)-δ(n))对传输时间的影响微不足道。

通常，使用自动频率控制(AFC)单元将MS锁定在BS的载波频率上，并且因此维持与BS时钟参考极为相近的时间和频率同步。但是，相对于BS，MS中的时钟频率有某种变化。该变化取决于标准中指定的容差，但通常最多是瞬时几百赫兹。如果时钟之间的频率偏移保持恒定，或总是具有相同的符号，则在许多帧期间内定时会出现漂移。例如，对于WCDMA，200Hz恒定偏移的定时漂移率约为每毫秒5×10^-4码片。因此，一帧期间内的漂移是微不足道的，尽管长时间如一秒钟内的漂移可能是半个码片。但是，实际上，MS时钟频率在真实BS频率附近漂移，因为AFC环路会尽力追踪BS时钟频率。这样，频率偏移的符号会变化，差值随着时间消除而不是向一个方向逐步增大。因此，长期漂移无关紧要。

这样，量(δ(m)-δ(n))极小，即使经过大量帧m-n。应该注意，本文中提到的BS或MS时钟泛指在BS和MS上生成载波频率的整个时钟生成电路。还假定符号定时使用相同的时钟来源生成，因此定时和频率误差同时与BS和MS相关。

根据本发明的另一个方面，第一帧传播延迟的初始估算可能得自MS和BS的位置估算，如果这些可用。例如，在具有GPS接收器的MS中，在初始会话以进行上行链路传输时可以知道MS的位置。根据下行链路上的广播控制传输，或根据先前的点对点事务中对MS可用的信息，BS坐标也已知，传播延迟可以估算为MS和BS之间的距离除以光速。尽管由于缺乏视距传播此估算可能不准确，但预期远比使用网络提供的默认值或如TD-CSDMA的现有技术中指定使用接收的信号强度(RSS)测量值准确。

图2是说明本发明的方法的优选实施例的步骤的流程图。在步骤21，该方法估算MS上帧t的接收定时t_R，M(1)，并且n设置为等于1。在步骤22，确定MS和BS的位置坐标是否可用。如否，该方法移至步骤23并且使用RSS测量值计算传播延迟t_p(1)，或将传播延迟设置为默认值。在步骤24，MS上帧m的传输时间设置如下：t_T，M(m)＝t_R，M(m)+(t_R，B(m)-t_T，B(m))-2t_P(1)。但是，如果在步骤22确定MS和BS的位置坐标可用，则该方法在移至步骤24之前在步骤25使用MS和BS的位置计算传播延迟t_P(1)。

然后，该方法移至步骤26，时隙编号m增加为m+1。在步骤27，确定是否收到传播延迟的新估算t_P(m)。如是，该方法移至步骤28，将n设置为等于m。然后，该方法移至步骤29。但是，如果在步骤27确定未收到传播延迟的新估算t_P(m)，则n不变，并且该方法直接移至步骤29。在步骤29，MS上帧m的传输时间设置如下：

$t_{T,M}\left(m\right)=t_{R,M}\left(m\right)+\mathrm{\λ}-2[{\hat{t}}_P\left(n\right)+\{t_{R,M}\left(m\right)-t_{R,M}\left(n\right)\}-(m-n)\·\mathrm{\Δ}].$

然后，该方法返回步骤26并且将m增加为m+1。然后，该方法为每个帧重复该过程，以此确保在收到新传播延迟估算时使用它，或根据从收到旧传播延迟估算时起接收的帧数量更新旧传播延迟估算。

获得传输时间的本发明方法大大减少了系统必须使用最新传播延迟更新MS的频率。理论上，只需要初始更新，之后无更新必要。但是，为了稳定性，可能希望发送未来的更新以防MS上错误接收时间估算的影响。

本领域的技术人员知道，本应用的创新理念可随着广泛的应用修改和变化。因此，申请专利的主题内容的范围不应限于以上论述的任何特定示范理论，而是由所附权利要求书所限定。

Claims (10)

1.一种调整移动台上的无线信号传输时间以使基站能从多个移动台同步接收无线信号的方法，所述方法用于解决移动台和基站之间的不同传播延迟，所述方法包括以下步骤：

测量移动台上第n数据帧的帧接收时间；

获得有关第n帧的传输时间和第n帧的接收时间之间的偏移的定时偏移信息；

由移动台使用定时偏移信息和在移动台上测量的第n数据帧的帧接收时间计算移动台上第n数据帧的传输时间；

对于第n数据帧之后的第m数据帧，由移动台确定是否已从基站接收关于传输和接收时间之间的偏移的新信息；

如果已接收到新定时偏移信息，由移动台使用新定时偏移信息和在移动台上测量的第m数据帧的帧接收时间计算移动台上第m数据帧的传输时间；以及

如果未收到新定时偏移信息，由移动台根据第n数据帧的接收时间和第m数据帧的接收时间之间测量的帧接收时间变化、第n数据帧和第m数据帧之间的数据帧数量以及在第n数据帧获得的定时偏移信息计算移动台上第m数据帧的传输时间。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述获得定时偏移信息的步骤包括以下步骤：

确定移动台和基站的位置坐标是否可用；以及

如果移动台和基站的位置坐标可用，则使用位置坐标计算移动台和基站之间的传播延迟，并且根据传播延迟计算定时偏移信息。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述获得定时偏移信息的步骤包括从基站接收定时偏移信息。

4.如权利要求1所述的方法，其中，所述由移动台计算移动台上第n数据帧的传输时间的步骤使用以下等式：

t_T，M(n)＝t_R，M(n)+(t_R，B(n)-t_T，B(n))-2t_P(1)，

其中：

T和R分别指传输和接收；

B和M分别指基站和移动台；以及

t_P(1)指为第一数据帧计算的传播延迟。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述计算移动台上第m数据帧的传输时间的步骤包括使用以下等式计算移动台上第m数据帧的传输时间：

$t_{T,M}\left(m\right)=t_{R,M}\left(m\right)+\mathrm{\λ}-2[{\hat{t}}_P\left(n\right)+\{t_{R,M}\left(m\right)-t_{R,M}\left(n\right)\}-(m-n)\·\mathrm{\Δ}],$

其中：

T和R分别指传输和接收；

M指移动台；

λ指量(t_R，B(n)-t_T，B(n))，它是已知的系统参数；

指第n数据帧的传播延迟估算；以及

Δ为基站上连续时隙的接收(或传输)时间差。

6.一种将移动台上的无线信号传输时间同步到基站上的无线信号接收时间以解决移动台和基站之间的不同传播延迟的方法，所述方法包括以下步骤：

测量移动台上数据帧的帧接收时间；

确定移动台和基站的位置坐标是否可用；

如果移动台和基站的位置坐标可用，则使用位置坐标计算移动台上的传播延迟；以及

由移动台使用计算的数据帧传播延迟和测量的数据帧接收时间计算移动台上数据帧的传输时间。

7.如权利要求6所述的方法，其中，如果移动台和基站的位置坐标不可用，则所述方法还包括使用接收的信号强度测量值计算数据帧的传播延迟。

8.如权利要求6所述的方法，还包括使用以下等式计算移动台上未来数据帧m的传输时间t_T，M(m)：

t_T，M(m)＝t_R，M(m)+(t_R，B(m)-t_T，B(m))-2t_P(1)，

其中：

T和R分别指传输和接收；

B和M分别指基站和移动台；以及

t_P(1)指为第一数据帧计算的传播延迟。

9.如权利要求8所述的方法，还包括以下步骤：

增加到下一个数据帧，m+1；

确定是否已接收到传播延迟的新估算t_P(m)；以及

如果已接收到传播延迟的新估算t_P(m)，则使用传播延迟的新估算计算m+1数据帧的新传输时间。

10.一种用于无线电话网络中与基站通信的移动台，所述移动台包括：

用于在移动台测量第n数据帧的帧接收时间的部件；

用于从基站获得有关第n帧的传输时间和第n帧的接收时间之间的偏移的信息的部件；

用于使用定时偏移信息和在移动台上测量的第n数据帧的帧接收时间计算移动台上第n数据帧的传输时间的部件；

用于由移动台为第n数据帧之后的第m数据帧确定是否已从基站接收关于传输和接收时间之间的偏移的新信息的部件；

响应已接收到新定时偏移信息的确定，用于使用新定时偏移信息和在移动台上测量的第m数据帧的帧接收时间计算移动台上第m数据帧的传输时间的部件；以及

响应未接收到新定时偏移信息的确定，用于根据第n数据帧的接收时间和第m数据帧的接收时间之间测量的帧接收时间变化、第n数据帧和第m数据帧之间的数据帧数量以及在第n数据帧获得的定时偏移信息计算移动台上第m数据帧的传输时间的部件。

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