CN103503529A - 基站同步 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信系统中的时钟同步数据的传输和接收。根据本发明，用于传输时钟同步数据的设备（12）获取无线通信系统时钟（11）的至少一个时间参考（TR），经由无线通信系统的空中接口（17）控制无线通信系统时钟（11）的频率参考（FR）的传输，以及经由关联于无线通信系统的传送网络（10）来提供时间参考的传输，同时基站（18）接收频率参考（FR），将自身的振荡器锁定到频率参考的频率，从传送网络（10）接收时间参考（TR），以及基于时间参考来调整由振荡器所控制的定时。

Description

基站同步

技术领域

本发明总体上涉及无线通信系统。更具体地，本发明涉及一种用于向无线通信系统的基站传输时钟同步数据的方法、设备和计算机程序产品，以及一种从无线通信系统的时钟同步设备接收时钟同步数据的基站中的方法，以及一种无线通信系统的基站。

背景技术

就无线通信系统包括的节点数量而言，无线通信系统的大小在最近几年快速地增长。在其中这个趋势特别强烈的一种类型的通信系统是蜂窝系统。

对于这个增长，一个原因是一些系统节点，诸如基站的大小的减小。基站如今能够相当小并且覆盖一个小区域。这允许了系统中的极大灵活度，但是也对它们提出了高要求。

随着基站大小的减小，存在一种愿望使基站尽可能地简单，以便于保持成本降低。然而，基站仍然必须具有一流的功能。

在其中这很明显的一个领域是时钟和定时的问题。

无线通信系统中使用的基站需要稳定的频率参考，以便能够以合理的比特率与移动基站进行通信。取决于新的终端用户特征，对于更高比特率的需求随着时间在增长，其中新的终端用户特征要求向移动站传送大量的数据，以及从移动站传送大量的数据。

这导致了对更多带宽和更高频率的要求，其强调了对于确切定时的需要。

这个确切定时在许多实例中能够使用振荡器来获取，在温度调节设备，诸如烤箱的帮助下，振荡器被加热并且保持在特定的温度。

又一个解决方案是使用全球定位系统（GPS）接收器，用于本地振荡器的时间和频率同步。

GPS的使用例如描述在US7,606,541中。

稳定的振荡器是昂贵的，并且需要设备中的体积/空间。对振荡器加温将首先需要用于保持某个温度所要求的附加布置，附加布置增加了成本和复杂度。然而，它还将汲取额外的能量，这甚至进一步地提高了成本。取决于时间采样积分和振荡器加温，直到能够生成稳定频率的时间进一步地是相当长的，这意味着在获取所要求的精确度之前，可能丢失有价值的时间。

当在GPS的帮助下解决同步时，明显的缺陷是GPS信号不总是可用的，典型地在室内系统中不可用。此外，这里存在对用于接收GPS信号的附加接收器的需求。

如能够看出的，因此存在对于获取基站的准确定时的备选方式的需求。

发明内容

本发明因此指向提供一种获取基站的准确定时的备选方式。

本发明的一个目的因此是提供一种获取基站的准确定时的备选方式。

根据本发明的第一方面，这个目的通过一种用于向无线通信系统的基站传输时钟同步数据的方法来完成。该方法包括：

获取无线通信系统时钟的至少一个时间参考，

经由该无线通信系统的空中接口来传输该无线通信系统时钟的频率参考，以及

经由关联于该无线通信系统的传送网络来传输该至少一个时间参考。

根据本发明的第二方面，该目的通过一种用于向无线通信系统的基站传输时钟同步数据的设备来完成。这个设备包括：

时间参考获取单元，用于获取无线通信系统时钟的至少一个时间参考，以及

传输控制单元，被配置为

控制经由该无线通信系统的空中接口的、该无线通信系统时钟的频率参考的传输，以及

提供经由关联于该无线通信系统的传送网络的、该至少一个时间参考的传输。

根据本发明的第三方面，上面所提到的目的通过一种用于向无线通信系统的基站传输时钟同步数据的计算机程序产品来完成，该计算机程序产品包括计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质包括一组指令，该组指令促使时钟同步设备的同步处理模块：

获取无线通信系统时钟的至少一个时间参考，

控制经由该无线通信系统的空中接口的、该无线通信系统时钟的频率参考的传输，以及

提供经由关联于该无线通信系统的传送网络的、该至少一个时间参考的传输。

在本发明的一种变化形式中，该方法可以进一步包括，获取该无线通信系统时钟的该频率参考，并且该设备可以包括频率参考获取单元，用于获取该无线通信系统时钟的该频率参考。

在本发明的另一种变化形式中，多于一个时间参考被传输。

在本发明的又一种变化形式中，使用该无线通信系统的无线通信接口传输该频率参考。为了这个目的，该设备的传输控制单元可以连接到该无线通信系统的无线通信接口，并且被配置为控制该无线通信系统的无线通信接口传输该频率参考。

根据本发明的第四方面，上面所提到的目的通过一种在基站中用于从无线通信系统的时钟同步设备接收时钟同步数据的方法来实现。该方法包括：

经由该基站的天线接收频率参考，

将振荡器锁定到该频率参考的频率，

经由关联于该无线通信系统的传送网络来接收至少一个时间参考，以及

基于该时间参考调整由该振荡器所控制的定时。

根据本发明的第五方面，该目的通过一种无线通信系统的基站来实现。这个基站包括：

至少一个天线，

参考信号接收器，

振荡器，

由该振荡器操作的时间计数器，

振荡器锁定单元，被配置为经由该参考信号接收器从该天线接收频率参考，并且将该振荡器锁定到该频率参考的频率，

定时调整单元，被配置为从关联于该无线通信系统的传送网络接收至少一个时间参考，并且基于该时间参考来调整该时间计数器的该定时。

在本发明的进一步的变化形式中，后者的方法包括，通过该传送网络估计该时间参考的延迟，以及还基于所估计的延迟来调整该定时。在这个相同的方面中，该基站的该定时调整单元进一步被配置为，通过该传送网络估计该时间参考的延迟以及还基于所估计的延迟调整该定时。

可以基于至少一个先前所接收的时间参考的接收时间来估计该延迟。

在该方法中所执行的该估计还可以包括，对多个时间参考的该延迟取平均，其中在该定时的该调整中所使用的该估计的延迟是经平均的时间延迟。这意味着该基站的该定时调整单元可以进一步被配置为，对多个时间参考的该延迟取平均，其中在该定时的该调整中所使用的所估计的延迟是经平均的时间延迟。

可以最终经由具有低于400MHz频率的载波提供该频率参考。

本发明具有许多优点。通过本发明，有可能使用较低精确的振荡器来获取时间和频率稳定性两者。这允许了更简单、更小并且更经济的基站设计。本地基站振荡器因此不是必须具有长期稳定性质并且因此能够是低成本的。因为不需要特殊的加热布置，此外能量消耗也少了。

应当强调，当使用在本说明书中时，术语“包括/包括的”用来指定所陈述的特征、整数、步骤或组件的存在，但不排除存在附加的一个或多个其他特征、整数、步骤、组件或它们的群组。

附图说明

本发明现在将关于附图进行更详细地描述，其中：

图1示意性地示出了一个无线通信系统，无线通信系统包括连接到同步处理设备的系统时钟以及多个基站，多个基站经由传送网络以及经由进一步的无线接口与同步处理设备进行通信，

图2示出了基站的一种变化形式的方框示意图，

图3示出了在同步处理设备中执行的、用于传输时钟同步数据的方法的流程图，

图4示出了在基站中执行的、用于接收时钟同步数据的方法的流程图，以及

图5示意性地示出了包括计算机程序代码的计算机程序产品，该计算机程序代码具有执行同步处理设备的功能的指令。

具体实施方式

在下述的描述中，为了解释而非限制的目的，阐述了具体的细节，诸如特定的架构、接口、技术等，以便提供对本发明的全面理解。然而，对本领域的技术人员将明显的是，本发明可以实行在脱离这些具体细节的其他实施例中。在其他实例中，省略了公知的设备、电路和方法的详细描述，以便于不以不必要的细节使本发明的描述晦涩难懂。

本发明关注无线通信系统中基站振荡器的同步处理。

一个这样的无线通信系统示意性地在图1中示出。

无线通信系统在这里可以是蜂窝通信系统或移动通信系统，诸如长期演进（LTE）、通用移动电信系统（UMTS）或全球移动通信系统（GSM）。作为一种变化形式，系统可以是时分双工（TDD）系统。这些系统仅是本发明能够实施在其中的系统的少数几个示例，并且应当意识到，本发明也能够很好地实施在其他类型的系统中，诸如基于无线局域网（WLAN）的系统。

示例性无线通信系统10包括多个基站，其中第一基站18是具有振荡器的基站，该振荡器将根据本发明的原理进行同步。此外，这里存在第二和第三基站19和20，其中第二和第三基站19和20可以是，或者可以不是与第一基站18相同的类型，即根据本发明来执行同步。

在该无线通信系统中，此外存在中心时间源或无线通信系统时钟11，其可以是保持非常精确的时间的原子钟。这个中心时间源11连接有用于传输时钟同步数据的设备12。这个设备将在下文称为时钟同步设备12。时钟同步设备12包括同步处理模块16，依次地，该模块又包括多个单元。这里存在频率获取单元13、时间参考获取单元14和传输控制单元15。这里时间参考获取单元14和频率参考获取单元13两者均连接到中心时钟11，以及连接到传输控制单元15。依次地，传输控制单元15又连接到传送网络10，以及连接到关联于无线通信系统的无线接口17。在这个示例中，这个无线接口是也与移动站进行通信的另一个基站。这里应当意识到，该无线接口可以是另一种类型的接口，诸如分离的无线发射器，该时钟同步设备12可以具有唯一的接入去往该无线发射器。它因此可以是它自身不对去往移动站的规律无线通信进行关注的发射器。

传送网络10在这里是关联于无线通信系统的传送网络。这意味着它可以是无线通信系统的一部分。作为一种备选，它可以是一个传送网络，无线通信系统的设备具有去往该传送网络的接入。作为另一种备选，这个网络可以与其他系统共享。传送网络10在这里可以是基于分组的数据通信网络，例如，传输控制协议/网际协议（TCP/IP）网络。

图2示出了第一基站18的方框示意图。这个基站18包括连接到参考信号接收器24的第一天线22，依次地，该接收器24又连接到振荡器锁定单元28。依次地，振荡器锁定单元28经由滤波器30连接到振荡器32。振荡器32提供一个频率，该频率被发送给缩放单元26，还发送给时间计数器34和无线电路38。缩放单元26连接到振荡器锁定单元28，并且时间计数器34也连接到无线电路38，该无线电路连接到第二天线40。此外，时间计数器34在这里连接到定时调整单元36，定时调整单元36被提供具有去往该传送网络的接口（未示出）。

如上面所提到的，在无线通信系统中，存在朝向增加的比特率、更高的频谱和更小的基站的趋势，该趋势对这样的基站中所提供的时间保持单元的时间保持能力提出了更苛刻的要求，该时间保持单元可以是振荡器、时间计数器和时钟。这与保持基站尽可能地小且廉价的需求相结合，诸如例如为了提供可以室内放置的微微基站或者甚至毫微微基站。

这意味着，有必要在基站中使用便宜并且因此较不确切的振荡器。然而，这些振荡器应当仍然能够保持确切的时间。

本发明基于标准的基于分组的数据通信网络被用于传输时间参考的概念，同时频率参考使用无线接口来传输。本发明背后的中心思想因此是通过空中传输稳定的频率参考，无线节点能够将该稳定的频率参考使用为频率参考，同时时间同步数据通过基于分组的数据通信网络来传输。

现在将也对图3以及图4作出参考以再更详细一些地描述该系统的功能，图3示出了正在同步处理设备中执行的用于传输时钟同步数据的方法的流程图，图4示出了正在第一基站中执行的用于接收时钟同步数据的方法的流程图。

时钟同步设备12被提供用于无线通信系统中的同步基站，并且因此用于同步第一基站18。为了完成这一点，步骤42，频率参考获取单元13连接到无线通信系统时钟11并且获取频率参考，该频率参考可以是由系统时钟11所使用的频率。该频率参考也可以是该频率的缩放版本，或者放大或者缩小。步骤44，时间参考获取单元14也连接到系统时钟11并且获取时间参考。这些参考然后被提供给传输控制单元15。依次地，传输控制单元15又连接到或者已经连接到关联于该无线通信系统的无线接口17，无线接口17在这个实施例中是关联的基站。步骤46，频率参考获取单元13和传输控制单元15可以在这里确定该无线接口然后经由无线系统空中接口，无线地将频率参考FR传输给该系统的各设备。这个传输在这里可以是频率参考FR的连续传输。传输控制单元15在这里可以提供频率参考获取单元13与关联的无线接口17之间的通信链路，无线接口的振荡器经由该通信链路被调谐到系统时钟的该频率或系统时钟的该频率的缩放版本。频率获取单元可以因此控制关联的无线接口，以传输频率参考FR。无线接口也可以采用极其稳定的振荡器。所使用的频率在这里可以是载波或子载波。选择所使用的频率使得它容易穿透如墙壁等的障碍，并且所使用的频率可以比由普通无线基站系统所使用的频率低得多。在本发明的一个示例性变化形式中，该载波可以是具有低于400MHz的频率的载波。作为进一步的示例，它可以是长波载波，该长波载波可以在40-200kHz的范围中。然而，应当意识到，本发明不限于这些频率，而是可以使用其他频率，例如GSM频率。因此，从这能够得出无线接口17可以被设置以传输频率参考。

传输控制单元15也连接到传送网络10，并且经由传送网络10传输一个或多个时间参考TR。这些时间参考可以作为用户数据报协议（UDP）分组或TCP分组来传输。此外，时间参考TR可以作为打了时间戳的数据分组而被提供，这意味着时间参考获取单元14可以是一个打时间戳的单元，该单元将系统时钟11的时间戳放到由传输控制单元15经由传送网络10所发送的数据分组。

在第一基站18中，步骤50，频率参考FR由参考信号接收器24经由第一天线22接收并且转发给频率锁定单元28。频率锁定单元28，其可以是相位检测器，也接收振荡器32的频率，在频率参考与振荡器频率不同的情况下，振荡器32的频率可以由缩放单元26放大或缩小。相位检测器28然后检测这些频率之间在相位上的差异，并且基于该差异提供控制信号，该控制信号由滤波器30滤波。这个控制信号具有将振荡器频率调整到频率参考FR的频率的功能。以这种方式，步骤52，振荡器频率由振荡器锁定单元28锁定到频率参考。这个经调整的频率然后被用于操作无线通信单元38，以及用于操作时间计数器34，时间计数器34也是本地时钟。

即使以这种方式调整了频率，其导致本地时钟不具有任何时间漂移，但是时间可能仍然偏移于正确时间。为了解决这一点，步骤54，定时调整单元36经由传送网络10接收一个或多个时间参考TR。该一个或多个时间参考然后用于调整时间计数器34的定时，时间计数器34的定时由振荡器32控制。以这种方式，步骤58，由振荡器32所控制的定时基于所接收的时间参考TR进行调整。

分组穿过传送网络10需要花费时间，并且此外这个时间在各个网络节点之间是不同的。该时间在意图针对同一节点的分组之间也不同。这意味着一个分组的时间戳将会反映过去的时间，而不是当前的时间。这还意味着可能有必要确定通过网络的延迟，该延迟的确定可以基于分组到达的时间与它具有的时间戳之间的差异。此外，这还可以通过将多个这样的差异取平均来完成，并且可以将该平均值应用到所接收的时间参考，并且更具体地，可以将这些平均时间应用到所接收的分组的时间戳。传送网络延迟的估计可以更具体地使用如IEEE标准IEEE1588中所描述的精确时间协议（PTP）来执行。因此，步骤55，定时调整单元36可以估计传送网络延迟TND，并且，步骤56，通过用传送网络延迟TND来调整时间参考TR，以形成经调整的时间参考ATR。这个经调整的时间参考ATR然后可以由定时调整单元36用于调整时间计数器34的定时，并且因此用于调整振荡器的定时。

如能够看出的，中心参考发射器可以向无线通信系统中的所有节点发送连续的参考信号，其中一个、若干个或所有的节点在这里包括一个接收器，该接收器检测该参考信号并且将它的本地振荡器锁定。使用传送网络的同步，经常表示为IP-Sync，然后仅被用来同步时间，同时频率稳定性由来自无线接口17的参考信号来保证，因此无线接口17是参考频率发射器。

以这种方式，使用较低精确的振荡器来获取时间和频率两者的稳定性是可能的。这允许了更简单、更小并且更经济的基站设计。本地基站振荡器因此不是必须具有长期稳定的性质，并且因此能够是低成本的。相比于稳定振荡器，此外还快速地获取正确的定时。因为不需要特殊的加热布置，此外能量消耗也少。

使用低参考频率，诸如LW频率，具有若干优点。这确保了无线通信系统中的普通通信不受频率参考的干扰。另一个优点是低频率信号更容易穿透墙壁和窗户。这意味着当基站在建筑物中被放置在室内时，并且基站甚至可能被放置在地下室中时，也有可能获取频率参考。

参考信号能够是未调制的载波、用单个音调信号或甚至若干个音调调制的载波。也有可能提供计数器值，这些计数器值能够用于初始的、粗略的时间同步（对于空中时间传播延迟未补偿）。

在上面所描述的实施例中，存在分离的天线和参考信号接收器。这里应当意识到，作为一种备选，也有可能为了这个目的使用常见的无线接收器38和天线40。

在上面所描述的系统中，仅存在一个用来传送频率参考的无线接口。应当意识到，频率参考能够使用若干不同的无线接口来传送，以便于能够到达无线通信网络的所有节点。

这也意味着基站可以能够从若干个源接收频率参考。此外，这些源还可以使用不同的频率。基站然后可以选择这些源中的一个，例如，从其基站具有对频率参考的最佳接收的一个源。基站可以然后将关于所选择的频率参考通知给时钟同步。时钟同步设备可以然后通知基站关于将被用来获取正确频率的缩放因数，用该正确频率来调整本地振荡器。

还应当意识到，有可能从基站中省略滤波器，以及省略缩放单元。还有可能在参考信号接收器与振荡器锁定单元之间添加另一个缩放单元。由时钟同步设备所使用的无线接口可以备选地被提供带有自身的稳定振荡器，在该情况下，频率获取单元可以省略。

第一基站的定时调整单元以及时钟同步设备的同步处理模块，可以具有优势来以带有关联的程序存储器的处理器的形式而被提供，该程序存储器包括用于执行其功能的计算机程序代码。应当意识到，它们也可以以硬件的形式而被提供，如同例如以专用集成电路（ASIC）或数字信号处理器（DSP）的形式。计算机程序代码也可以被提供为计算机可读存储介质上的一组计算机程序代码指令，例如以数据载体的形式，如CD ROM盘或记忆棒，该计算机程序代码指令当加载到上面所提到的程序存储器并且由处理器运行时，将实施上面所描述的定时调整单元和同步处理模块的功能。

一个带有计算机编程代码62的采用CD ROM盘60形式的这种计算机可读存储介质在图5中示意性地示出。

尽管已经连同当前考虑为是最实用并且最优选的实施例描述了本发明，但是将理解，本发明不限于所公开的这些实施例，而是相反地，本发明意图覆盖各种修改和等价布置。因此，本发明仅将由下述权利要求来限定。

Claims (17)

1.一种用于向无线通信系统的基站（18）传输时钟同步数据（FR、TR）的方法，包括步骤：

获取（44）无线通信系统时钟（11）的至少一个时间参考（TR），

经由所述无线通信系统的空中接口来传输（46）所述无线通信系统时钟（11）的频率参考，以及

经由关联于所述无线通信系统的传送网络（10）来传输（48）所述至少一个时间参考。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括获取（42）所述无线通信系统时钟（11）的所述频率参考（FR）。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中传输至少一个时间参考的所述步骤包括传输多于一个时间参考。

4.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中使用所述无线通信系统的无线通信接口（17）来执行传输频率参考的所述步骤。

5.根据权利要求4所述的方法，其中使用具有低于400MHZ频率的载波来提供所述频率参考。

6.一种用于向无线通信系统的基站（18）传输时钟同步数据的设备（12），包括：

时间参考获取单元（14），用于获取无线通信系统时钟（11）的至少一个时间参考（TR），以及

传输控制单元（15），被配置为控制所述无线通信系统时钟（11）的频率参考经由所述无线通信系统的空中接口的传输，并且提供所述至少一个时间参考经由关联于所述无线通信系统的传送网络（10）的传输。

7.根据权利要求6所述的设备，进一步包括频率参考获取单元（13），用于获取所述无线通信系统时钟的所述频率参考（FR）。

8.根据权利要求6或7所述的设备，其中所述传输控制单元连接到所述无线通信系统的无线通信接口（17），并且被配置为控制所述无线通信系统的无线通信接口（17）以传输所述频率参考。

9.一种用于向无线通信系统的基站传输时钟同步数据的计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机可读存储介质（60），所述计算机可读存储介质（60）包括一组指令（62），该组指令（62）促使时钟同步设备（12）的同步处理模块（16）：

获取无线通信系统时钟（11）的至少一个时间参考（TR），

控制所述无线通信系统时钟的频率参考经由所述无线通信系统的空中接口的传输，以及

提供所述至少一个时间参考经由关联于所述无线通信系统的传送网络（10）的传输。

10.一种在基站（18）中用于从无线通信系统的时钟同步设备（12）接收时钟同步数据（FR、TR）的方法，包括步骤：

经由所述基站的天线（22）接收（50）频率参考（FR），

将振荡器（32）锁定（52）到所述频率参考的频率，

经由关联于所述无线通信系统的传送网络（10）接收（54）至少一个时间参考（TS），以及

基于所述时间参考调整（58）由所述振荡器控制的定时。

11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括通过所述传送网络估计（55）所述时间参考的延迟，并且还基于估计的延迟来调整所述定时。

12.根据权利要求11所述的方法，其中基于至少一个先前所接收的时间参考的接收时间来估计所述延迟。

13.根据权利要求11或12所述的方法，进一步包括对多个时间参考的所述延迟取平均，其中在所述定时的所述调整中所使用的所述估计的延迟是经平均的时间延迟。

14.根据权利要求10-13中任一项所述的方法，其中经由具有低于400MHZ频率的载波来接收所述频率参考。

15.一种无线通信系统的基站（18），包括：

至少一个天线（22），

参考信号接收器（24），

振荡器（32），

由所述振荡器操作的时间计数器（34），

振荡器锁定单元（28），被配置为经由所述参考信号接收器从所述天线接收频率参考（FR），并且将所述振荡器锁定到所述频率参考的频率，

定时调整单元（36），被配置为从关联于所述无线通信系统的传送网络（10）接收至少一个时间参考（TR），并且基于所述时间参考来调整所述时间计数器的所述定时。

16.根据权利要求15所述的基站，其中所述定时调整单元进一步被配置为通过所述传送网络估计所述时间参考的延迟，并且还基于估计的延迟来调整所述定时。

17.根据权利要求16所述的基站，其中所述定时调整单元进一步被配置为对多个时间参考的所述延迟取平均，其中在所述定时的所述调整中所使用的所述估计的延迟是经平均的时间延迟。

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