CN102870477A

CN102870477A - 通信系统中的上行链路时间同步

Info

Publication number: CN102870477A
Application number: CN2011800185286A
Authority: CN
Inventors: 亚胡达·Y·卢斯; 格雷戈里·M·阿加米; 文森特·M·夏夏
Original assignee: Motorola Mobility LLC
Current assignee: Google Technology Holdings LLC
Priority date: 2010-04-12
Filing date: 2011-03-15
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2031-03-15
Also published as: US8213406B2; EP2559301A1; EP2559301B1; CN102870477B; KR20120127675A; WO2011129939A1; KR101455490B1; US20110249550A1

Abstract

一种用于通信系统中的上行链路时间同步的装置和方法，包括从用户设备(108)接收上行链路数据的第一步骤(602)。下一步骤(604)包括连同时间戳一起存储上行链路数据的时间误差。下一步骤(620)包括对时间误差进行积分以提供累加的时间误差。下一步骤(606，626)包括在累加的数据的时间戳满足定时条件时将累加的时间误差转储。下一步骤(610)包括见累加时间误差与阈值进行比较。下一步骤(616)包括如果累加的时间误差超过阈值，则向用户设备(108)调度时间提前。

Description

通信系统中的上行链路时间同步

技术领域

本发明涉及无线通信系统，具体地，涉及用于无线通信系统中的上行链路时间同步的机制。

背景技术

长期演进(LTE)通信标准使用正交频分多址(OFDMA)协议。在OFDMA系统中，为每个用户设备(UE)分配物理信道中的频率子信道和时隙，用于其与基站、接入点或演进NodeB(eNodeB)的通信。在OFDMA系统中保持时间和频率同步很重要。如果失去频率同步，则也失去了分配给其它UE的各种子载波之间的正交性，这导致UE之间的干扰。如果存在时间误差，则系统性能将由于接收到的信号星座旋转而降低。因此，在LTE中要求每个UE与UE被连接到的eNodeB保持时间和频率同步。具体地，必须在循环前缀窗口的边界内(对于LTE而言约五微秒)在适当的时间在eNodeB基站处接收来自UE的所有上行链路信令。这对于LTE的多用户多输入多输出(MU-MIMO)实施方式而言是特别关键的。

为了保持上行链路时间同步，eNodeB首先需要测量来自每个UE的上行链路信令的延迟。具体地，eNodeB能够测量来自每个UE的定时误差或延迟，诸如当UE相对于其与eNodeB的距离移动时，这将耗尽某些UE的被设计为在循环前缀窗口中的延迟扩展免疫性。可以在诸如物理上行链路共享信道(PUSCH)的上行链路参考信号信道上进行实际的定时测量。在检测到上行链路定时误差时，那么eNodeB能够向每个UE发送具有期望的时间提前(Time Advance)的校正消息。

出现了问题，PUSCH信道对每个UE而言是唯一的，并且并不始终被调度为承载数据，并且即使当其承载数据时，定时误差测量也可能有太多噪声且不可靠。常规的低通滤波器解决方案能够去除噪声。然而，针对诸如视频流的高速业务，能够以每一毫秒子帧的频率来调度PUSCH，但是对于诸如PING的低速业务而言，其可能只是每一千毫秒激活一次。因此，PUSCH测量可能是不可靠的，并且使用常规的低通滤波器解决方案将不能同时支持低速和高速数据服务。另外，在媒体接入控制(MAC)层同步努力之后，在物理信道中可能存在残余同步误差。这要求eNodeB中的进一步的定时补偿。此外，虽然对于OFDM信号而言基于循环前缀(CP)相关的定时和频率误差估计方法是众所周知的，但这些技术不能应用于OFDMA系统，尤其是其中多个用户在PUSCH中具有不能彼此区分的其自身的定时和频率误差的eNodeB接收机。

因此，所需要的是一种用以校正多个UE的上行链路定时误差的技术。如果可以在有噪声环境中实现这一点将是更有益的。如果使用不可靠的PUSCH信号的上行链路定时测量来实现这一点也将是有益的。

附图说明

在所附权利要求中具体指出了本发明。然而，通过结合附图来参考以下详细描述，本发明的其它特征将变得更加显而易见，并且将最好地理解本发明，在附图中：

图1示出了根据本发明的支持OFDMA的无线通信系统的概观框图；

图2示出了对于不同的通信设备而言目前能够存在于LTE通信系统中的上行链路同步误差的图形表示；

图3示出了根据本发明的对于不同用户配置的状态机操作的图形表示；

图4示出了根据本发明的仿真的数据业务的图形表示；

图5图示了根据本发明，展示了时间误差的改善的仿真结果；以及

图6是图示了根据本发明的方法的流程图。

具体实施方式

本发明提供了用于校正多个UE的上行链路定时误差的框架。本发明还允许eNodeB可靠地估计时间提前调整，即使当PUSCH信道具有强噪声时，以及即使用户在低速和高速数据服务之间切换。本发明可应用于混合MU-MIMO、单用户(SU-MIMO)和单输入多输出(SIMIO)实施方式。

图1是根据本发明的诸如LTE的OFDMA无线通信系统的框图描述。然而，应认识到本发明还可应用于诸如IEEE 802.16WiMAX系统的其它OFDMA系统。目前，诸如开放移动联盟、3GPP(第3代合作伙伴计划)、3GPP2(第3代合作伙伴计划2)和IEEE(电气和电子工程师协会)802的标准团体正在开发用于此类无线电信系统的标准规范。通信系统表示在可以基于不同的无线技术的分组数据接入网络中可操作的系统。例如，随后的描述能够应用于采用诸如IEEE 802.11、802.16或802.20的无线技术的基于IEEE 802.xx的接入网络，其被修改以实现本发明的实施例。

参考图1，示出了eNodeB 100的框图，其适合于支持本发明的优选实施例的发明构思。本领域的技术人员将认识到图1并非描述系统进行操作所需的所有网络设备，而是只有与本文中的实施例的描述特别相关的那些系统部件和逻辑实体。例如，eNodeB、接入点或基站可以包括一个或多个设备，诸如无线区域网络站(其包括接入点、媒体接入控制器、AP控制器或交换机)、基站收发站、基站控制器(其包括MAC服务数据单元(SDU))、分组控制功能、分组控制单元或无线电网络控制器。然而，在图1中并未具体地示出这些其它设备中的任何一个。

替代地，eNodeB 100在图1中被描述为包括被耦合到收发信机102的处理器104。通常，诸如处理器和收发信机的部件是众所周知的。例如，已知eNodeB处理单元包括但不限于诸如微处理器、微控制器、存储器设备、专用集成电路以及逻辑电路的基本部件。此类部件通常适合于实现已经使用高级设计语言或描述来表达、使用计算机指令来表达、使用消息发送流程图来表达或使用逻辑流程图来表达的算法或协议。

因此，给定算法、逻辑流程、消息发送/信令流或协议规范，本领域的技术人员了解可用来实现执行给定逻辑的eNodeB处理器的许多设计和开发技术。因此，eNodeB 100表示根据本文中的描述已被适用于实现本发明的各种实施例的已知装置。此外，本领域的技术人员将认识到可以在各种物理部件之中中和之间实现本发明的方面，并且没有一个必须局限于单平台实施方式。例如，可以在上列设备中的任何一个中或者在这些部件间分布式地实现本发明的eNodeB方面。此外，能够以分立部件或集成部件形式来实现eNodeB 100内的各种部件，因此最终结构仅仅是基于一般设计考虑。本发明的设想是能够以软件、固件或硬件来实现本发明的操作要求，在软件处理器(或数字信号处理器(DSP))中实现功能仅仅是优选的选择。

eNodeB 100使用无线接口用于与多个移动站或用户设备(UE1…UEn)108、112的通信。出于说明的目的，由于eNodeB 100是基于LTE的，所以无线接口分别对应于前向链路和反向链路，每个链路包括在本发明的各种实施例的实施方式中使用的一组信道和子信道。

已知用户设备或远程单元平台指的是多种消费者电子平台，诸如但不限于移动站、订户设备、移动节点、接入终端、终端设备、游戏设备、个人计算机以及个人数字助理，在本文中全部称为UE。具体地，每个UE 108、110包括被耦合到收发信机、天线、键盘、扬声器、麦克风以及显示器的处理器，由于在本领域中已知因此未示出。

已知UE包括但不限于诸如微处理器、DSP、微控制器、存储器设备、专用集成电路或逻辑电路的基本部件。此类UE通常适合于实现已经使用高级设计语言或描述来表达、使用计算机指令来表达、使用消息发送/信令流程图来表达或使用逻辑流程图来表达的算法或协议。因此，给定算法、逻辑流程、消息发送/信令流、呼叫流或协议规范，本领域的技术人员了解可用来实现执行给定逻辑的用户设备的许多设计和开发技术。

每个UE 108、110分别向eNodeB 100的收发信机102提供上行链路信号112。这些上行链路信号中的每一个可能由于MS环境变化、移动性、定时漂移等呈现出不同的时间延迟误差。由于这些上行链路信号112全部可以在同一频率PUSCH上传送，所以它们不可被eNodeB100的处理器104分离。根据LTE，上行链路信号由CP及其后面的从每个UE处理器输出的N采样块组成。

图2图示用于各种UE的上行链路信号的聚合上行链路定时误差，其中，每个UE的信号以不同的定时误差到达eNodeB。对于每个UE的时间误差可以通过其与eNodeB处的参考时间线的定时差异来估计。在常规数据通信期间，假设上行链路定时误差在CP长度内是合理的。eNodeB的作用是监视/更新由于每个MS的环境变化而引起的定时偏移。基于测量的定时误差，eNodeB能够命令每个UE相应地调整其上行链路传送时间。然而，如前所述，噪声、数据速率和UE移动性引入误差。同样如前所述，诸如无限冲激响应低通滤波器的滤波器能够在存在基本上均匀的数据速率的情况下处理噪声问题。然而，此类滤波器不能处理诸如PING数据的不连续数据，其中，来自UE的预期信号在大多数时间仅仅是噪声，并且实际数据非常少且以很长的间隔出现。在这种情况下，此滤波器不会在其输出端处生成足够的信号能量以确定定时误差。

根据本发明，eNodeB处理器使用高级时间戳技术以及以下用以累加时间误差的方法来实现新型的积分和转储状态机：

y_{M} = Σ_{n = 1}^{M} {x (n) + W (n) F (x (n), x (k - 1))}

其中，y_M是一旦在M个可编程采样上执行了积分则被转储的状态机的输出。输入采样数据x(n)是对于PUSCH内的用户n的参考信号频率误差。每当媒体接入控制器(MAC)调度器正在向物理信道发送新的解码请求时，MAC将把其计数为下一个x(n)采样。当积分完成时(n＝M)，状态机将其结果重置(转储)，为下一个积分循环做准备。

W(n)是加权函数，其针对编码速度和存储器空间节省进行了优化。存储用于M个采样的x(n)将占用大量的存储器空间和大量的时间以沿着缓冲器扫描所有值。函数W(n)简单地通过仅仅如下将有效数据累加来节省存储器和时间：

应注意的是x(n)与先前的x(n-1)之间的时间戳差不是恒定的，因为其可以由于调度器的判定而改变。当x(n)有遗漏时，由于在上行链路上坏的循环冗余校验(CRC)或业务缺乏，这将导致积分中遗漏的采样或空洞。根据本发明，可以使用高级填充函数F{x(n),x(k-1)}来估计这些空洞(遗漏采样)。具体地，此函数将在k+1与n-1之间对遗漏的采样进行内插，其中，k是MAC寄存的最后一个有效采样，并且通过以下函数来填充最新的有效采样：

其中，T_sp是为了最佳性能凭经验确定的可编程时间戳。具体地，当采样数据x(n)具有新的好的CRC时，其时间误差测量结果被连同时间戳Ts(n)一起存储在eNodeB存储器中。当添加了新的采样数据时，测试先前数据的龄期。如果先前数据的旧时间戳比当前时间戳旧了T_sp，则丢弃旧数据。在实际试验中，T_sp被优化成两秒。另外，如果旧时间戳大于当前时间戳，则这指示回绕条件，并且旧数据被丢弃(回绕表示时间间隙过长)。如果旧数据被丢弃，则所有先前的数据也被丢弃。否则，累加器使用y_M公式来添加新值。

累加器将Tk的总时间段内的M个采样累加，其必须慢到足以节省空中的开销业务，但是短到足以跟上以300km/小时的速度行驶的用户。Tk是为了最佳结果而凭经验确定的。在试验中，使用M＝500msec作为默认。在Tk之后，并且如果需要，eNodeB将向该UE发送时间提前校正消息。通常，每个时间提前校正消息将使UE接收机操作冻结大约50msec。

除非绝对必要，否则不期望每500msec具有时间提前校正。为了防止这一点，将累加信号y_M与累加阈值Th相比较，这将消除仅对累加信号足够强的那些情况不必要的时间提前校正消息。针对不同的UE配置将累加阈值选择为：

图3图示用于四个不同用户配置：MU-MIMO、秩1和2的SU-MIMO以及SIMO的累加积分和转储函数。针对MU-MIMO，在一个示例中(MU-MIMO用户1)，累加积分和转储始终累加负(或正)值，并且当累加器穿过阈值L2时触发转储，并且在另一示例中(MU-MIMO用户2)，累加积分和转储能够累加正值或负值，并且在累加器穿过阈值L2或L3中的任一个时触发转储。针对秩1或秩2的上行链路SU-MIMO用户(SU-MIMO用户3)，累加正值或负值的任何一个存在两倍多的测量结果，因此当累加器穿过阈值L1或L4中的任一个时要触发转储需要两倍高的阈值。针对SIMIO用户(用户4)，累加器将在转储之前、甚至在达到阈值L3之后针对整个总时间段(Tk)继续进行积分。

示例

仿真数据显示本发明执行得非常良好。事实上，其与现有技术相比在估计定时误差方面是优越的。为了评估提出的本发明的技术性能，已经使用图4的数据执行了仿真，图4在顶部处示出了两个宽间距PING业务事件的原始数据，在其之间仅具有噪声，后面是满缓冲器业务，坏(CRC)的一个实例导致遗漏数据。如在底部所示，本发明提供了有噪声和遗漏区域的填充，其随后被如上所述地滤波。在所示的示例中，将遗漏数据线性地内插为实际上行链路数据之间的单个值。然而，应认识到的是可以使用其它更均匀的填充函数。针对现有技术(CP相关)技术来比较本发明，执行仿真不同种类的数据业务的仿真，包括满缓冲器业务、视频业务、(互联网)web业务以及ping业务。

图5示出使用使用各种数据业务模型对于图4的底部的数据的仿真结果。基于该结果，可以看到本发明提出的技术在所有条件下都很好地工作。具体地，仿真结果显示现有技术在UE速度超过120kph时对于web服务具有超过4.43μs的平均定时误差，并且当UE速度超过30kph时对于ping业务具有超过6.26μs的定时误差。相比之下，对于本发明的结果显示在所有情况下，甚至在200kph的速度下，定时误差在1.36μs以下。这证明了相比于现有技术而言在时间误差减小方面的好于三倍的改善。

图6示出了图示根据本发明的用于通信系统中的上行链路时间同步的方法的流程图。可以设想这种方法主要在诸如eNodeB处理器的网络实体中执行。第一步骤600包括从UE接收上行链路传输的eNodeB收发信机。优选地，这包括eNodeB收发信机从多个UE中的每一个接收物理上行链路共享信道(PUSCH)，其中，媒体接入控制器(MAC)从物理信道602接收已解码的上行链路数据。

下一步骤604包括MAC对数据执行循环冗余校验(CRC)以检查好的数据，其中，如果CRC失败，则返回至步骤600以等待来自该UE的更多的上行链路数据。否则，将数据的时间误差连同时间戳一起存储在eNodeB存储器中，并发送以便在时间上积分。例如，可以通过比较上行链路传输定时与eNodeB中的基线，来估计时间误差。

下一步骤606包括检查累加和积分数据的第一个和最后存储的时间戳之间的时间长度不超过最大时间窗Tsp。在达到最大时间窗长度或时段时，如下文将详述的，该方法以转储函数进行。否则，将UL数据x(n)添加620到积分累加器。

下一步骤622包括检查在先前子帧中接收到的最后分组是否包含有效数据(即不是遗漏的UL数据或者数据具有坏的CRC)。如果该最后的数据存在问题，则在积分中将存在空洞，在这种情况下，该方法如前所述地用内插数据来替换624该最后的无效数据。否则，该方法检查626累加数据的第一个和最后存储的时间戳之间的时间长度是否超过最小时间窗或收集时段T_k。如果不是，则收集600更多的数据。如果是这样，则将积分转储。

当累加数据的时间戳超过最大时间窗T_sp606或超过最小收集时段T_k 626时，发生转储函数。在先前情况下，该方法设置608累加器y_M=M(x(n))，其中，M是积分中的采样的数目。在任一情况下，该方法然后用采样的数目M对积分时间误差进行归一化610。然后将归一化时间误差与阈值T_h进行比较。如果该比较得出绝对时间误差小于阈值，则不需要时间提前校正，并且能够使累加器和校正窗口重置618。如果该比较得出正时间误差大于阈值T_h，则MAC SDU产生612为1的时间提前，并且在使累加器和收集窗口重置618之前向UE调度616时间提前校正。如果该比较得出负时间误差小于阈值-T_h，则MAC SDU产生614为-1的时间提前，并在使累加器和收集窗口重置618之前向UE调度616时间提前校正。UE响应于来自MAC SDU的调度的时间提前校正来校正其上行链路传输定时。

应注意的是根据MAC规范(3GPP TS 36.321章节5.2)，定义了其中无论发送UL数据时的状况如何UE必须接收定时对准命令的定时对准窗口。本发明完全忽视这一点，并且在定时对准窗口被设置成无穷大的情况下有效的。因此，在实践中，MAC启动定时器(短于定时对准窗口以允许TAC(定时对准命令)的传输)。如果到定时器到期的时间未发送定时对准命令，则生成TAC。这可以被简单地包括到本发明中，如果将定时器到期视为被直接发送到步骤608的0误差输入，或者能够将其作为0误差输入来处理。

应注意的是由于本发明具有需要在其上面发送定时对准命令的相对短的良好定义的窗口，所以不需要如上所述地对累加器重置。替代地，可以将定时对准窗口定义成是T_sp时间。如果在>T_k且<T_sp的时间之间接收到UL传输且归一化值小于阈值，其中当前算法仅仅使累加器重置，则可选算法能够继续累加直至满足阈值T_h或达到T_sp。如果达到T_sp，则能够发送TAC，而无论阈值如何(通常为0，因为先前未满足该阈值)。

可选地，在实际上接收到足够的数据点(即，非常少的间隙)的情况下，能够实现置信度量，能够发送实际归一化校正而不是上述+1或-1限制。然而，如果存在低置信度(即，太多间隙)，则可以如上所述地使用+1或-1限制。

有利地，本发明对于满缓冲器以及零散数据业务服务两者改善了性能。另外，本发明在以高速度(例如超过90km/小时)驾驶时支持高速数据和低速数据混合器。本发明提供了在每用户的时间提前调整处理方面的节省，这转换成处理资源的节省。本发明在与高数据速率服务组合时对于上行链路低数据服务(诸如ping)提供了更好的性能。

虽然参考LTE无线通信系统中的基站描述了本发明的优选实施例，但应认识到上文所述的本发明构思同样适用于其中通信单元的同步存在问题的任何OFDMA无线通信系统。

本文所示和所述的顺序和方法能够按照与所述的那些不同的顺序执行。在图中描述的特定顺序、函数和操作仅仅说明本发明的一个或多个实施例，并且其它实施方式对于本领域的技术人员来说将是显而易见的。附图意图是图示本领域的技术人员能够理解并适当执行的本发明的各种实施方式。运算以实现相同目的的任何布置可以代替所示的特定实施例。

Claims

1.一种用于通信系统中上行链路时间同步的方法，所述方法包括：

从用户设备(108)接收(602)上行链路数据；

将所述上行链路数据的时间误差连同时间戳一起存储(604)；

在累加器中对所述时间误差进行积分(620)，以提供累加时间误差；

在累加数据的所述时间戳满足定时条件时，将所述累加时间误差转储(606，626)；

将所述累加时间误差与阈值进行比较(610)；以及

如果所述累加时间误差超过所述阈值，则向所述用户设备调度(108)时间提前。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述累加时间误差是：

y_{M} = Σ_{n = 1}^{M} {x (n) + W (n) F (x (n), x (k - 1))};

其中，x(n)是采样n的时间误差，k是所述最后一个有效采样，M是所述累加采样的总数，W是加权函数，并且F是用于遗漏数据的填充函数。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述积分的步骤包括：使用加权函数来去除无效数据。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述加权函数是

其中，n是最后一个采样且k是所述最后一个有效采样。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述积分的步骤包括：在遗漏数据中填充。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，用于遗漏数据的所述填充函数是：

其中，n是最后一个采样，k是所述最后一个有效采样，并且T_sp是最大时间窗。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述比较的步骤包括：通过所述采样数目来对所述累加时间误差进行归一化。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，针对不同的给定UE配置，将比较的阈值选为：

其中，M是所述累加采样的数目。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，在转储的步骤中，所述定时条件是所述累加数据的所述时间戳的所述长度超过最小时间窗。

10.一种操作用于通信系统中用户设备(108)上行链路同步的eNodeB基站(100)，所述基站(100)包括：

收发信机(102)，所述收发信机(102)操作用于接收(602)用户设备上行链路数据传输；以及

处理器(104)，所述处理器(104)被耦合到所述收发信机(102)，所述处理器(104)操作用于：将所述上行链路数据的时间误差连同时间戳一起存储(604)；在累加器中对所述时间误差进行积分(620)，以提供累加时间误差；在累加数据的所述时间戳满足定时条件时将所述累加时间误差转储(606，626)；将所述累加时间误差与阈值进行比较(610)；以及，如果所述累加时间误差超过所述阈值，则调度(616)将由所述收发信机(102)发送到所述用户设备(108)的时间提前。