CN101416556B

CN101416556B - 用于在蜂窝电信系统中随机接入的方法、用户设备和无线电基站

Info

Publication number: CN101416556B
Application number: CN2006800541167A
Authority: CN
Inventors: E·达尔曼; J·哈尔特森
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 2006-04-07
Filing date: 2006-04-07
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2026-04-07
Also published as: WO2007117186A1; US20090161599A1; CN101416556A; EP2005777A1; US9363778B2

Abstract

本发明涉及蜂窝通信系统中的随机接入过程，并且涉及适于执行该过程的用户设备(UE)和节点B。随机接入的一个问题是，用于接收随机接入请求(RA请求)的时隙具有很长的未用的保护部分。当UE传送RA请求时，到接收节点B的距离是未知的，并且保护部分的目的是解决传播延迟。缺点是，随机接入信道的使用效率低，导致UE接入网络的延迟很长。本发明利用以下方法解决该问题，在该方法中，确定UE的位置，并在传输RA请求之前计算UE与节点B之间的距离和传播延迟，以及将传输的定时提前该传播延迟。

Description

用于在蜂窝电信系统中随机接入的方法、用户设备和无线电基站

发明技术领域

本发明涉及一种蜂窝通信系统，更特别地，本发明涉及一种用于随机接入过程的方法并涉及一种适于执行该过程的用户设备。

相关技术描述

为了在加电之后登记，用户设备—在进一步的描述中被称为UE(也叫做移动终端)必须接入蜂窝网络。最初，UE将会扫描频带以查找将揭示网络标识和附加网络信息的广播控制信道(BCCH)。UE将会经由BCCH在频率和时间上同步到网络。接着，UE将必须在上行链路中发送消息以向网络通知它的存在。因此，需要随机接入过程。物理随机接入信道(PRACH)被定义，其中UE能够在物理随机接入信道上发送随机接入(RA-)请求消息。由于网络不能控制这些最初的上行链路传输，所以根据定义PRACH是由小区内所有UE共享的基于连接的信道。在BCCH消息中指示PRACH的结构，例如频率、时间并且可能有编码。

图1是由第一节点B NB1服务的小区的视图，并且另外公开了该小区内的两个UE 11。在加电时，小区内的任何UE 11将会查找第一节点B NB1的BCCH，并在第一节点B NB1所支持的PRACH上接收信息。通过接收类似BCCH的下行链路信道，UE 11能够获得到第一节点B NB1的粗略的下行链路定时。

然而，由于到第一节点B NB1的距离d是未知的，所以在第一节点B NB1处的传输与UE 11中的接收之间存在未知的传播延迟。同样的延迟也会出现在上行链路中。因此存在往返延迟不确定性。小区边缘上的UE的往返延迟比接近第一节点B NB1的UE 11的往返延迟更大。因此，UE 11发送的RA请求的接收相对于上行链路业务和控制信道的定时可能会延迟。因此，PRACH时隙包括保护时段(guard period)，该保护时段是为了解决延迟不确定性。图2a是PRACH时隙以及在其内发送的两个RA请求的时间图。从接近第一节点B NB1的UE 11发送的RA请求将会在时隙的开始到达，而从在小区边界处的UE 11发送的RA请求将会正好在时隙结束之前完成。

一旦已经接收到RA请求，第一节点B NB1就能够通过比较其传输实例(instance)与RA请求接收实例来估计传播往返延迟。然后，它将会在下行链路控制信道上使用时间校准(time alignment TA)消息来指示UE11提前其传输，以使得接收将会与其它UE 11所使用的其它上行链路信道对准。一旦UE 11在上行链路上同步，则在时隙系统中的时隙或子帧之间只需要很小的保护时段来解决漂移和减少下行链路内TA消息的数量。

随机接入过程不仅仅在加电时使用。处于空闲模式的UE 11通常被锁定到下行链路控制信道。然而，由于节省功率的原因，在空闲模式下，它将不会发送上行链路传输。因此，第一节点B NB1没有要发送的TA信息，并且UE 11失去其上行链路同步。当需要进行呼叫时，UE 11将会再次经由PRACH来接入网络，以便首先进行时间同步。

美国专利申请公布US2002/0131379(D1)涉及一种CDMA通信系统，其中上行链路传输和下行链路传输共享相同物理频率信道。这也称为TDD(时分双工)系统。D1在其背景技术部分讨论了在TDD系统中校正上行链路传输定时的必要性，以便避免上行链路传输干扰下行链路传输。D1还公开了UE 11在向网络登记之前根据路径损耗来计算到节点B的距离，所述路径损耗进而取决于下行链路传输衰减。在估计了到节点B的距离之后，UE移动UpPTS(上行链路导频时隙)信号的传输点，以使得节点B能够在UpPTS的起始边界点接收UpPTS信号。

D1还公开了节点B接收UpPTS信号并确定是否已经正好在其UpPTS周期接收到UpPTS信号。如果存在时间差，则节点B通过前向物理接入信道(FPACH)向UE 11发送传输点校正值。当通过FPACH接收到传输点校正值时，UE 11就在根据所接收到的传输点校正值而校正的传输点来传送RACH消息(RA请求)。也就是，UE利用通过FPACH接收到的传输点校正值来确定RACH消息的传输点。

大多数蜂窝系统基于FDD(频分双工)，而不管诸如FDMA、TDMA、CDMA或OFDM之类的多个接入技术。在FDD系统中，RA-请求是第一上行链路传输，节点B能够对其进行测量，以估计与上行链路时隙的时间校准所需的校正。

当与在上行链路中具有RA请求的FDD附着过程比较时，TDD附着过程能够被视为两步骤过程，第一步骤是用于时间校正目的的UpPTS信号传输，而第二步骤是包括RA信息的RA请求传输。这两个步骤合起来对应于FDD系统中的随机接入过程。

在UE 11中基于路径损耗估计的时间校正的问题在于，路径损耗不是主要归因于UE 11与节点B之间的距离。对路径损耗更多的影响有出现障碍(例如在UE 11与节点B之间的路径中的树)以及在发射机和接收机链中任何另外的损耗。另外，诸如下雨和下雪之类的天气对衰减有很大的影响。所有这些使得根据信号衰减做出的任何距离预测都不可靠，以致于就时间校准而言可能导致更差而不是更好的性能。

发明概述

本发明的目的是提供一种用于提高随机接入信道效率的可替换方案。

对该问题的解决方案是一种用于用户设备的方法，其中，用户设备从第一节点B同步到下行链路广播信道。UE接收关于第一节点B地理位置的信息，并从至少3个定位节点接收同步信号以及定位节点的地理位置的信息。通过三角测量来确定用户设备位置。计算用户设备与第一节点B之间的传播延迟，将随机接入请求传输的定时提前，以补偿传播延迟。

在本发明的一个实施例中，定位节点包括包含第一节点B的节点B。

本发明还包括适于执行本发明方法的用户设备(UE)和无线电基站。

本发明具有如下优点：PRACH时隙是随机接入请求本身的长度，较小的用于解决任何量化误差的保护部分、以及较小的延迟误算。与现有技术的PRACH时隙相比，减小了保护时段。由于降低了定时不确定性，所以可以在保持节点B中的检测性能的同时缩短随机接入序列。保护时段和随机接入请求的减小引起PRACH时隙总体缩减。随机接入信道被更为高效地使用。随机接入时隙能够被更频繁地重复。这还具有另外的优点：用户设备接入网络的延迟降低。

附图描述

图1是由节点B服务的小区的视图，其中，在该小区内有两个UE。

图2是随机接入时间窗结构的图解。

图3是本发明方法的流程图。

图4是本发明方法的实施例的流程图。

图5a和图5b示出节点B地理位置的二维平面图。

图6是UE结构的框图。

图7是接入时间窗和接入突发结构的时间图。

图8是在相同频率载波上本发明和传统PRACH结构的时间图。

优选实施例的描述

本发明包括一种涉及将由蜂窝网络中的UE(用户设备)执行的随机接入过程的方法。为了将UE的存在通知给蜂窝网络，在UE加电时执行随机接入过程。在随机接入过程期间，UE向被选择用于接收RA请求的节点B NB1(参见图1)发送RA请求(随机接入请求)。在本发明过程开始之前，第一节点B NB1与UE 11相距未知的距离。

图3是将由UE 11执行的本发明一般方法的流程图。最初，UE 11加电，S1。接着，在步骤S2中，UE 11扫描频带，以查找强的BCCH(广播控制信道)，并且锁定到最强的BCCH。在该例子中，假定第一节点B NB1提供最强的BCCH。在后续的步骤S3中，UE 11将其定时同步到BCCH的定时。BCCH被划分成时隙，时隙进一步被分为帧。这种结构提供了用于同步的基础。此外，检测关于BCCH的信息，以查找关于上行链路物理随机接入信道(PRACH)的结构的信息，例如，可用于RA请求传输的时隙。

在后续的步骤S4中，UE 11接收关于至少第一节点B NB1的地理位置的信息。

接着，从至少三个时间同步的定位节点接收同步信号，参见第五步骤S5。在第六步骤S6中接收关于这三个定位节点的位置的信息。

在第七步骤S7中，根据接收到的时间同步信号以及定位节点的位置来计算UE 11与第一节点B NB1之间的距离。

在后续的步骤S8中，计算往返延迟Δτ。

在后续的且最后的步骤S9中，UE 11在相对于其到BCCH的同步以及可用于PRACH的时隙提前往返延迟Δτ的时间处传送接入突发。

在图3所图示的方法的一种实施方式中，定位节点是GPS(全球定位系统)卫星。GPS卫星是时间同步的，并且传送同步信号及其位置。

第一节点B NB1的位置被广播，并且UE 11在第四步骤S4中接收关于BCCH的定位信息。也存在用于接收第一节点B NB1位置的其它替换方案，如将在下面进一步描述的那样。

在图3的可替换实施中，定位节点是节点B。这需要对相邻节点B进行时间同步。同步准确度是期望TA(时间校准)估计准确度的数量级。更精确的同步将会带来更准确的TA，这允许更短的剩余保护时间来解决任何剩余的定时不确定性。例如，如果希望TA估计具有1μs的准确度，则应该以至少1μs的准确度来对节点B进行同步。在图4中图示了可替换的实施方式。除了第三步骤S32被修改之外，前四个步骤S1-S4和最后三个步骤S7-S9与图3中的相同。与BCCH的同步包括检测包括在BCCH中的同步信号。

除了从第一节点B接收BCCH之外，UE 11还重复与第二和第三节点B的BCCH的同步过程，参见步骤S52-S92。在步骤S4和S72中，UE 11在这三个节点B各自的BCCH上接收所有这三个节点B的位置。可替换地，仅仅在节点B各自的BCCH上广播节点B的标识，并且UE从数据库获取(retrieve)它们的位置。在图3或图4的过程开始之前，经由PC接口将数据库下载到UE中。可替换地，可以经由无线电信道从蜂窝网络将数据库下载到UE 11中。可替换地，节点B的位置可以被包含在其BCCH消息中。

第一节点B NB1在本说明书中是UE 11向其发送UE 11的RA请求的节点B的名称。当然，从三个节点B收集同步信号的次序可以改变，这样第一节点B NB1无需是UE要与之同步的第一个节点B。

为了计算第一节点B NB1与UE 11之间的距离，在步骤S7中，需要确定UE 11的位置。在节点B提供同步信号的情况下，确定它们的相对位置以及相对的UE 11位置就足够了。图5是节点B地理位置的二维平面图，并且示出了对UE 11的位置的计算。在图5a中，两个节点BNB1、NB2的位置被指出，并且节点B NB1、NB2之间的双曲线CV1指示两个节点B NB1、NB2之间的具体时差。已经测量了这两个节点B NB1、NB2之间的该具体时差的UE 11能够被放置在沿着曲线CV1的任何地方。

图5b与图5a相同，只是增加了第三节点B NB3和第二双曲线CV2，所述第二双曲线CV2指示UE 11所测量的第一节点B NB1与第三节点B NB3之间的第二具体时差。两个曲线CV1、CV2的交差点是UE11的位置。可以根据第二节点B NB2与第三节点B NB3之间的第三时差来绘出第三曲线CV3。这将会提高位置估计的准确度。

用于确定终端位置的相同原理被用在GPS系统中，除了GPS卫星在大气中而不是在地球上。为此，从第四卫星接收同步信号是有益的。另外，从第四节点B接收同步信号可以改进UE 11的位置估计-尤其是在前三个节点BNB1-NB3以线结构设置而不是以三角形设置的情况下。对于多于两个节点B的情况，也可以有利地执行图4中的环S62-S92。

一旦在步骤S7中确定了UE 11与第一节点B NB1之间的距离d，就在步骤S8中通过：

Δτ = \frac{2 d}{v}

来计算传播往返延迟Δτ，其中，v是光速。

当传送接入突发时，如在步骤S9中所公开的，UE 11将会把其上行链路定时相对于所接收的下行链路信道定时提前Δτ。

能够周期性地重新计算该距离确定，并且UE 11能够使用该信息来不断地更新其上行链路定时。这将会防止节点B在下行链路中发送TA消息来控制UE11的上行链路定时，也可以在用户数据传输期间。

本发明的另一方面是一种适于执行本发明方法的UE 11设备。图6是对于本发明而言必要的UE 11结构的框图。如所理解的那样，图6并不表示UE 11的完整结构；而是仅仅包括了与本发明相关的部分。该结构包括天线60、具有来自天线60的输入的接收机61、和具有到天线60的输出的发射机62。控制器63控制接收机61和发射机62的操作，例如，控制用于接收和传送的信道。控制器63通常由具有相应软件的CPU来实现。UE 11的结构到目前为止与现有技术中的UE 11相同。但是，对于本发明来说特有的是距离计算器64，该距离计算器64具有来自控制器的输入和到TA控制器65的输出。距离计算器64适于计算到第一节点B NB1的距离d。根据是经由GPS卫星还是经由节点B来接收同步信号，就其功能而言存在两个实施例。

在节点B提供同步信号的情况下，距离计算器64从控制器63接收关于三个不同节点B NB1-NB3之间的时差的信息以及它们各自的位置或者可替换地标识。如果仅仅接收到节点B的标识，则距离计算器包括节点B位置数据库，节点B的标识能够通过该位置数据库映射到节点B位置。然后根据三角测量原理来计算UE 11的位置。距离计算器还根据UE与节点B之间的距离d来计算往返延迟Δτ。

TA控制器65从距离计算器64接收关于往返传播延迟的信息，并且控制发射机62将其传输定时相对于其下行链路定时提前Δτ。

可替换地，UE 11适于借助于GPS接收机66来执行传播延迟。在这个实施例中，存在从GPS接收机66到距离计算器64的关于UE 11位置的信息的输入。距离计算器64从控制器63接收关于第一节点B NB1的位置的信息，或者可替换地，接收第一节点B 11的标识并从内部数据库获取其位置。距离计算器64还计算距离d以及相应的传播延迟。

图7是可以利用本发明方法来实施的PRACH时隙TS1和RA请求B1的基础结构的时间图。帧内的保护时段GP几乎消除。仅仅留下小的保护时段GP来处理往返传播延迟Δτ估计中的任何误差。RA请求B1占用PRACH时隙TS1的大约95-99％，PRACH时隙TS1的剩余部分是保护时段GP。这可以与GSM系统相比较，在GSM系统中，接入突发具有325μs的持续时间，占577μs时隙周期的56％。它还可以与针对超3G的提议相比较，在超3G中，接入突发具有400μs的持续时间，并且占500μs时隙周期的80％。除了保护时段GP减小之外，本发明还引起随机接入突发的减少。由于定时不确定性大大降低，所以节点B检测器能够在较低SNR的条件下工作，且同时保持以假警报和丢失检测率表示的相同性能。

图8是第一PRACH结构R1的时间频率图，所述第一PRACH结构R1在指定频带处由时隙TS1组成，并且有规律地重复。用于其他信道的其它时隙散布在第一PRACH时隙TS1之间。只有被安排用于执行本发明方法的UE才可以使用该先进型的PRACH R1。还可能存在不能执行本发明方法的UE 11。因此，相同的频率还承载第二PRACH结构R2，该结构R2将由不具备执行本发明方法能力的UE 11使用。第一PRACH结构R1的时隙TS1比第二传统PRACHR2的时隙更短。第一PRACH R1的时隙比传统PRACH R2的时隙重复得更频繁。从而先进型UE 11的接入延迟降低。在这个例子中，第二PRACH结构R2的部分时隙与第一PRACH结构R1的时隙重合。结果是，先进型UE所传送的RA请求与传统UE所传送的RA请求在第二PRACH结构R2的至少一部分中竞争。

可替换地，第一和第二PRACH R1、R2的时隙长度相同，而根据本发明方法在第一PRACH R1上传送的RA请求的持续时间比在第二传统PRACH R2上传送的RA请求的持续时间更长。

为了实现本发明，第一节点B NB1需要适合于在第一时隙TS1内接收RA请求，所述第一时隙TS1仅仅容纳5％的保护空间(guard space)或更少。这是在所建立的链路上通信的过程中按照常规接收突发的方式。如果不是所有的UE都能够根据本发明将随机接入传输提前，则节点B NB1需要支持第一和第二类型的PRACH。此外，节点B应当广播其地理位置。当启动新的节点B NB1时，必须将该数据输入存储器。此外，BCCH应该包括用于节点B NB1位置信息的字段。对于现有系统，能够使用节点B所广播的小区标识。当然，这必须被应用于网络中的所有节点B(NB1-NB3)，所述网络旨在能够充当第一节点B NB1。在这种情况下，在UE中需要数据库以用于将小区标识映射到节点B的位置。

尽管以FDD模式的系统给出本发明的实施的例子，并且FDD模式是旨在用于实施的主要模式，但是并不妨碍在TDD模式的系统中实施本发明。此外，能够在基于各种类型接入技术(即，FDMA、TDMA、CDMA或OFDMA技术)的系统中实施本发明。在这些类型的系统中，在重复的时隙TS1内构造PRACH，在所述时隙内允许UE 11传送RA请求。另外，在硬切换的情况下，专用于某一UE 11传送第一接入突发的信道被编组成时间窗，特别地是，这些可用于接入突发。在该说明书中，用于无线电基站的术语节点B是3GPP内的标准化术语。本发明的应用决不局限于3GPP标准化的蜂窝系统。

Claims

1.一种用于蜂窝通信系统中的用户设备(11)的方法，包括步骤：

扫描(S2)通信系统的无线电信道，以查找可用的下行链路广播信道；

同步(S3，S32)到第一基站(NB 1)的下行链路广播信道；

在第一基站(NB1)的时隙的随机接入信道(R1，R2)上传送(S9)随机接入请求(B1)；其特征在于包括进一步的步骤：

接收(S4)指示第一基站位置的参数；

从至少三个时间同步的定位节点接收(S5，S32，S62)同步信号；

接收(S6，S72)关于所述定位节点的位置的信息；

确定(S7)用户设备(11)与第一基站(NB1)之间的距离；

在传送步骤之前基于确定的距离计算(S8)用户设备与第一基站(NB1)之间的传播延迟；

将随机接入请求的所述传送的定时提前(S9)所述传播延迟。

2.根据权利要求1的方法，其中，将关于定位节点的位置的信息与同步信号一起接收。

3.根据权利要求1的方法，其中在传送步骤之前，从加载在用户设备中的数据库获取关于定位节点的位置的信息。

4.根据权利要求1或2的方法，其中定位节点包括GPS卫星。

5.根据权利要求4的方法，其中，在第一基站的广播信道上接收第一基站(NB1)位置参数。

6.根据权利要求4的方法，其中，在第一基站的广播信道上接收第一基站(NB1)标识，并且在传送步骤之前从下载到用户设备中的数据库获取第一基站的位置。

7.根据权利要求1、2或3的方法，其中定位节点包括所述第一基站(NB1)以及第二和第三基站(NB2，NB3)。

8.根据权利要求1的方法，其中相对于与下行链路广播信道的同步进行所述提前步骤。

9.根据权利要求1的方法，其中将随机接入信道(R1)划分成预定义周期的时隙，并且随机接入请求(B1)占时隙周期的95％或更多。

10.一种用于蜂窝通信系统的用户设备(11)，包括：

接收机(61)，被安排用于同步到第一基站(NB1)所传送的广播信道，并且在用户设备处于空闲模式时接收关于上行链路随机接入信道(R1，R2)结构的信息，

发射机(62)，与接收的广播信道时间同步，并且被安排用于在所述随机接入信道(R1，R2)上向所述第一基站传送随机接入请求(B1)，其特征在于，还包括：

距离计算器(64)，被安排用于

经由输入端从GPS接收机接收关于所述用户设备(11)的地理位置的信息，并且接收用于标识所述第一基站(NB1)的地理位置的信息，

或者可替换地，

至少接收经由所述接收机从第一基站(NB1)和至少两个其它基站(NB2，NB3)接收的同步信号中的互差连同用于标识所述三个或更多基站(NB1-NB3)的位置的信息，并且用于

基于用户设备和所述第一基站之间的距离计算用户设备(11)与所述第一基站(NB1)之间的传播延迟；

时间校准控制器(65)，具有来自距离计算器(64)的输入和到发射机(62)的输出，并且被安排用于将所述随机接入请求(B1)的传输定时提前，以补偿到所述第一基站的传播延迟。

11.根据权利要求10的用户设备，还包括控制器，所述控制器控制接收机(61)、距离计算器(64)和发射机(62)的操作。

12.根据权利要求10的用户设备，其中距离计算器被连接到，或包括用于存储基站位置的数据库，并且进一步被安排为通过参考基站的标识来获取基站的位置。