CN103313381B - 一种无线通信发射基站同步方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种无线通信发射基站同步方法，利用到达时间差（TDOA）算法和标准时间同步相结合的收发基站同步技术和实施方式。通过引入TDOA技术可将来自不同参考节点的时间相减后去掉由于时钟未对准以及时钟漂移等引起的随机时延，降低了接收端与各个发射基站的时钟同步要求；通过对各个发射基站发播策略的时分复用（TDMA）多址控制，再使用标准脉冲信号1pps去锁定发射机发射时刻，减少了系统的时间同步中不确定因素，从而实现了基站间的时间同步。

Description

一种无线通信发射基站同步方法
技术领域
本发明涉及无线电技术领域与时频技术领域的交叉学科,更具体的说，涉及一种适用于室内无线通信系统的同步方法。
背景技术
随着科学技术的发展和人类社会的进步，人们对空间信息尤其是室内信息的获取需求与日俱增，无线通信技术出现解决了无法或不便布线环境下信息的快速获取，提高了系统的便携性和可用性，而发射基站间的同步问题是室内无线通信系统必须解决的问题，所谓发射基站之间的同步是发射基站间收发时刻可测可控，保证收发终端同频同相。
目前，室内无线通信系统基站同步技术研究在国内外学术界研究的热点，引起了国内外知名高校、科研院所以及公司的广泛重视。传统的基站同步方法主要有溯源标准时间和频率、IEEE1588 时钟同步方案等。采用溯源标准时间和频率的方法同步精度最高，但同步设备终端非常昂贵；而采用IEEE1588 同步协议可达到100ns 的同步精度，但对于室内通信应用系统，其同步精度控制在1m 以内（<3ns），显然采用IEEE1588 同步方案无法满足室内精密通信的要求。并且室内环境复杂，障碍物多，多径密集，使得收发基站之间的时频难以同步，导致无法准确恢复数据，因此，收发基站之间的时频同步在室内无线通信系统占据着至关重要的作用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是实现一种室内无线通信发射基站之间时基同步及时序控制的技术和具体实现方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种无线通信发射基站同步方法，设有移动设备和至少两个发射基站，
发射基站的时钟基准由同一频率源信号通过频率分配放大器分成相应输出端，输送至每个发射基站；
由一个脉冲分配单元统一分配脉冲信号至各个发射基站，各发射基站以统一的脉冲信号作为触发参考，各个发射端在一个脉冲信号时间内以时分复用方式发射本站的信息内容至移动设备。
移动设备在tU,i时刻接收到发射基站i在tS,i时刻发射的信号，移动设备在tU,j时刻接收到基站j在tS,j时刻发射的信号;
发射基站i、发射基站j和移动设备的时间与标准时间的偏差分别为ΔtGPS,Si,ΔtGPS,Sj,ΔtGPS,U；
基站i所发射信号到达移动设备的时间为TOA：(tU,i+ΔtGPS,U)-(tS,i+ΔtGPS,S,j)
基站j所发射信号到达移动设备的时间为TOA：(tU,j+ΔtGPS,U,j)-(tS,j+ΔtGPS,S,j)
则基站i、基站j所发射信号到达移动设备的时间差TDOA可表示公式A：(ti-tj)=((tU,i+ΔtGPS,U)-(tS,i+ΔtGPS,S,i))-((tU,i+ΔtGPS,U)-(tS,j+ΔtGPS,S,j));
若发射基站i与发射基站j发射信号采用等间隔发射，即ts,j+ts,j为常数T，可表示公式B：(ti-tj)=(tU,j+tU,i)+T+(ΔtGPS,S,i-ΔtGPS,S,j);
所述的移动设备接收的信号送入与相关器i，并与相应同步训练序列进行相关计算，当相关值达到最大值时说明发射基站i信号同步，该时刻就是发射基站i起始信号的到达移动设备的时刻，此时启动定时器开始计数，之后将信号送入相关器j，当相关值达到最大值时说明发射基站j信号同步，该时刻就发射基站j起始信号的到达时刻，这时计数器关闭，此时计数器的读数为N，则N* Ts就是发射基站i和发射基站j之间信息到达时刻的差值,其中Ts 是采样点之间的时间间隔，
则N* Ts-T=(ti-tj)=((tU,j-tU,i)+T+(ΔtGPS,S,i-ΔtGPS,S,j)
则得出(ΔtGPS,S,i-ΔtGPS,S,j)数值；
则下一次发射基站i与发射基站j发射间隔时间增加/减少(ΔtGPS,S,i-ΔtGPS,S,j)时间。
所述的发射基站发射本站信息后结束后至下一个发射基站开始发射信息之间存在时隙。
所述的频率源输出标准10MHz信号，且频率源根据输出端输送至每个发射基站的电缆线的长度不同，根据输出传输时间损耗，延迟部分输出端信号发出时间，使频率源信号同时输送到每个发射基站。
本发明利用到达时间差（TDOA）算法和标准时间同步相结合的收发基站同步技术和实施方式。通过引入TDOA技术可将来自不同参考节点的时间相减后去掉由于时钟未对准以及时钟漂移等引起的随机时延，降低了接收端与各个发射基站的时钟同步要求；通过对各个发射基站发播策略的时分复用（TDMA）多址控制，再使用标准脉冲信号1pps去锁定发射机发射时刻，减少了系统的时间同步中不确定因素，从而实现了基站间的时间同步。
附图说明
下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1 为以四个发射基站为例的系统拓扑结构；
图2为TDOA算法示意图；
图3为各基站时间基准同步控制的实现框图；
图4为参考脉冲信号的分配及统一的示意图；
图5为发射时序控制图；
图6 发射同步框图；
图7为 两个发射站之间TDOA值的硬件实现框图；
图8为 TDOA测算算法设计流程；
图9为基站同步电路设计RTL图；
图10发射时序控制Modelsim仿真图。
具体实施方式
本发明适用于室内无线发射基站之间的时序控制，用于保证各个发射端之间时间基准的同步以及发射端时分模式的实现。
利用本发明无线通信发射基站同步方法的系统需设有至少两个发射基站和一个移动设备，参见图1可知，本案以设置4个同发射基站为例具体说明。
1、统一频率源信号
如图3所示，发射基站的时钟基准由同一频率源信号提供，利用标准10MHz 频率源信号作为外部时钟源，再将10MHz 频率源信号通过频率分配放大器分成4路稳定的10MHz信号，分别作为4个发射基站的时钟基准，在此基础上对各站的时钟进行频率合成，最后生成所需要的时钟频率源，为各基站提供统一的时钟源。
由于各个电缆线的长度不同，引入的时间损耗也不同，因此有必要首先对各个长度的电缆线带来的时间延迟进行精确的测定，从而在最后的时差计算中分别扣除各站时延。
2、统一的脉冲信号
各个发射基站发射的起始时刻必须是基于统一的参考时刻，即各站在统一的参考时刻到来后，再分别延迟不同的时间开始发射本站的信息内容，参见图4可知，这里统一的参考时刻是由一个脉冲分配单元统一分配，脉冲分配单元将1PPS的脉冲信号得到4路一致的秒信号发送至各个发射基站，各发射基站以统一的脉冲信号作为触发参考，各个发射端在一个脉冲信号时间内以时分复用方式发射本站的信息内容至移动设备。
在各个基站得到统一的触发参考时刻后，以时分复用发播策略控制信号发送，这样可避免各站信号之间的干扰，使 4个发射基站发射信号的时间依次错开，各站在统一的参考时刻到来后分别延迟不同的时间开始发射本站的信息内容，各站发射信息的时间互不重叠交叉，其中统一的参考时刻采用标准的1PPS秒脉冲信号，具体的说，各站控制延迟不同的时间后开始发射本站的信息内容。如图5所示的一个发射循环周期的示意图，假如每个发射站发射的信号为一个帧，则在时分方式下，基于统一的参考时刻，四个发射基站依次发射4帧信息，发射基站s1先开始发射帧1， 发射基站s2延迟T开始发射帧2， 发射基站s3延迟2T开始发射帧3，发射基站s4延迟3T开始发射帧4。每两个帧之间留有一定的时隙t防止相互间的突发干扰，两帧之间的时间间隔由一帧信息的时间长度以及加入的时隙长短决定。
由上述1、2两部分方案，使系统如图6所示，各发射基站间的工作时序和时间能够统一，实现各发射基站之间的时间频率同步。这样各发射基站即保持时间和频率同步，利用标准时间频率源10MHz为输入基准频率，10MHz信号经倍频器倍频输出264MHz频率信号，264MHz频率信号输入给频率分配放大器同时输出给四台发射机作为各个发射机的参考时钟频率；使用标准秒脉冲信号1pps为每个发射机发射触发信号。
3、利用TDOA技术
利用到达时间差（TDOA）算法和标准时间同步相结合的收发基站同步技术和实施方式。通过引入TDOA技术可将来自不同参考节点的时间相减后去掉由于时钟未对准以及时钟漂移等引起的随机时延，降低了接收端与各个发射基站的时钟同步要求；通过对各个发射基站发播策略的时分复用（TDMA）多址控制，再使用标准脉冲信号1pps去锁定发射机发射时刻，减少了系统的时间同步中不确定因素，从而实现了基站间的时间同步。
如图2所示，假设tU,i为移动设备接收到发射基站i在tS,i时刻发射信号的钟面时刻，tU,j为接收到发射基站j在tS,j时刻发出的信号的钟面时刻。其中分别表示发射基站i、发射基站j、移动设备的时间与外部标准时间的偏差（与GPS标准时的偏差），则：
发射基站i所发射信号到达移动设备的时间为TOA： (tU,i+ΔtGPS,U)-(tS,i+ΔtGPS,S,j)
发射基站j所发射信号到达移动设备的时间为TOA：(tU,j+ΔtGPS,U,j)-(tS,j+ΔtGPS,S,j)
则发射基站i、发射基站j所发射信号到达移动设备的时间差（TDOA）可表示为公式A：
(ti-tj)=((tU,i+ΔtGPS,U)-(tS,i+ΔtGPS,S,i))-((tU,i+ΔtGPS,U)-(tS,j+ΔtGPS,S,j))
若发射基站i与发射基站j发射信号采用等间隔发射，即ts,j+ts,j为常数T，则A式可表示为公式B：
(ti-tj)=(tU,j+tU,i)+T+(ΔtGPS,S,i-ΔtGPS,S,j)
从式（B）可以看出，要精确测定发射基站i，发射基站j所发射的信号到达移动设备之间的时间差，需准确测得各发射基站与标准时间之间偏差(ΔtGPS,S,i-ΔtGPS,S,j)和接收机接收到各基站所发射信号的时刻之差(tU,j+tU,i)。其中(tU,j+tU,i)可从信号体制设计、接收同步算法等方面来确定，因此确定(ΔtGPS,S,i-ΔtGPS,S,j)就显得尤为重要，即保持各发射站间的时间频率严格同步，保持各发射站间的时间频率严格同步是实现系统精确定位和通信的前提和基础。
如图7、8所示，可确定ti-tj的数字，即通过移动设备接收的信号送入与相关器i，并与相应同步训练序列进行相关计算，当相关值达到最大值时说明发射基站i信号同步，该时刻就是发射基站i起始信号的到达移动设备的时刻，此时启动定时器开始计数，之后将信号送入相关器j，当相关值达到最大值时说明发射基站j信号同步，该时刻就发射基站j起始信号的到达时刻，这时计数器关闭，此时计数器的读数为N，若Ts 是采样点之间的时间间隔，则N* Ts就是发射基站i和发射基站j之间信息到达时刻的差值,其中Ts 是采样点之间的时间间隔，N* Ts-T就是所求的发射基站i和发射基站j的TDOA值，即
N* Ts-T=(ti-tj)=((tU,j-tU,i)+T+(ΔtGPS,S,i-ΔtGPS,S,j)
就此可得出(ΔtGPS,S,i-ΔtGPS,S,j)；
则下一次发射基站i与发射基站j发射间隔时间增加/减少(ΔtGPS,S,i-ΔtGPS,S,j)，从而保证发射基站之间的同步。
4、发射基站同步硬件实施
可编程门阵列(FPGA)技术凭其设计灵活性好、集成度高等优势，不仅成为数字系统设计中的关键技术．而且在专用集成电路（ASIC）的设计中扮演了重要角色。本发明利用Xilinx 的 Virtex-4 系列芯片对发射同步进行了硬件实现，并给出了发射同步FPGA实现与仿真结果。图9给出发射站同步电路设计的RTL图，发射站同步控制模块产生四路控制信号分别控制分布在室内不同位置的四台发射机；图10发射时序控制Modelsim仿真图，图中reset为复位信号，pps为秒脉冲信号，d_ready为数据准备好信号，信号高电平有效，为了便于仿真测试，d_ready取高电平。clk_in为输入时钟，tx1_ctr、tx2_ctr、tx3_ctr、tx3_ctr为发射站发射时序控制信号。从图中可以清晰看出，仿真结果与设计要求是一致的、相符的。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种无线通信发射基站同步方法，设有移动设备和至少两个发射基站，其特征在于：
发射基站的时钟基准由同一频率源信号通过频率分配放大器分成相应输出端，输送至每个发射基站；
由一个脉冲分配单元统一分配脉冲信号至各个发射基站，各发射基站以统一的脉冲信号作为触发参考，各个发射端在一个脉冲信号时间内以时分复用方式发射本站的信息内容至移动设备；
移动设备在tU,i时刻接收到发射基站i在tS,i时刻发射的信号，移动设备在tU,j时刻接收到基站j在tS,j时刻发射的信号；
发射基站i、发射基站j和移动设备的时间与标准时间的偏差分别为ΔtGPS,Si,ΔtGPS,Sj,ΔtGPS,U；
基站i所发射信号到达移动设备的时间为TOA：(tU，i+ΔtGPS，U)-(tS，i+ΔtGPS，S，i)基站j所发射信号到达移动设备的时间为TOA：(tU，j+ΔtGPS，U)-(tS，j+ΔtGPS，S，j)则基站i、基站j所发射信号到达移动设备的时间差TDOA可表示公式A：(ti-tj)＝((tU，i+ΔtGPS，U)-(tS，i+ΔtGPS，S，i))-((tU，j+ΔtGPS，U)-(tS，j+ΔtGPS，S，j))；
若发射基站i与发射基站j发射信号采用等间隔发射，即ts,i-ts,j为常数T，可表示公式B：(ti-tj)＝(tU,j-tU,i)+T+(ΔtGPS,S,i-ΔtGPS,S,j)；
所述的移动设备接收的信号送入与相关器i，并与相应同步训练序列进行相关计算，当相关值达到最大值时说明发射基站i信号同步，该时刻就是发射基站i起始信号的到达移动设备的时刻，此时启动定时器开始计数，之后将信号送入相关器j，当相关值达到最大值时说明发射基站j信号同步，该时刻就发射基站j起始信号的到达时刻，这时计数器关闭，此时计数器的读数为N，则N*Ts就是发射基站i和发射基站j之间信息到达时刻的差值,其中Ts是采样点之间的时间间隔，
则N*Ts-T＝(ti-tj)＝(tU,j-tU,i)+T+(ΔtGPS,S,i-ΔtGPS,S,j)
则得出(ΔtGPS,S,i-ΔtGPS,S,j)；
则下一次发射基站i与发射基站j发射间隔时间增加/减少(ΔtGPS,S,i-ΔtGPS,S,j)；
所述的发射基站发射本站信息后结束后至下一个发射基站开始发射信息之间存在时隙。
2.根据权利要求1所述的无线通信发射基站同步方法，其特征在于：所述的频率源输出标准10MHz信号，且频率源根据输出端输送至每个发射基站的电缆线的长度不同，根据输出传输时间损耗，延迟部分输出端信号发出时间，使频率源信号同时输送到每个发射基站。
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Denomination of invention: A synchronization method of wireless communication transmitting base station

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Denomination of invention: A synchronization method for wireless communication transmission base stations

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