CN1072871C - 在通信系统中用以提供基站同步化的装置和方法 - Google Patents

在通信系统中用以提供基站同步化的装置和方法 Download PDF

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Abstract

在使用全球定位系统(GPS)保持基站同步化的高度精确的通信系统中，当GPS信号不存在时，该通信系统使用替换信号，如WWVB、劳兰G和MSF信号提供基站的冗余同步。为了获得由GPS信号提供的同步精度，在GPS信号不存在时，该通信系统利用GPS信号表征替换的信号，以使基站的同步化对基站是透明的。GPS信号用于表征替换的信号还使该表征的替换信号提供与GPS信号相同的精度。

Description

在通信系统中用以提供基站同步化的 装置和方法
本发明涉及通信系统，具体涉及在通信系统中基站的同步化。
一些通信系统，特别是码分多址(CDMA)数字蜂窝无线电话系统要求全功能的基站在±3μs的全球定位系统(GPS)时间内同步化。在GPS故障情况下，允许一个±10μs的同步窗口。本方法提供所要求的同步化是通过使用GPS卫星网络和一个GPS接收机实现的。在GPS故障情况下，目前的解决方法是用铷振荡器提供冗余。
使用铷振荡器作为冗余对于有限数量的故障保护是一种昂贵的可选择的方法。典型的铷振荡器将保持先前同步的基站工作最少19小时，假定如下：同步化时间(最小)=(10μs-3μs)/振荡器精度
            =7μs/l×10-10
            =19小时这个最短时间是以极高的费用得到的，约每个振荡器需4000美元。为了保持CDMA基站之间所要求的同步化，中央时钟源必须分配到该网络中的所有基站。使用“自由振荡”振荡器将使基站由于公差而漂移从而失去同步。使用中央时钟源的最大困难是在整个网络中分配具有一个恒定的和可预计的传播延迟的信号。
因此需要在更长的时间期间提供可靠的冗余并同时保持经济的系统设计的装置和方法。
根据本发明，提供了一种对通信系统中的基站提供同步化的装置，其特征在于该装置包括：一个第一时钟接收器，用于从一个基站外部的源接收第一时钟信号，该第一时钟信号具有一个具有第一稳定度的第一频率并在能获得时用于同步；一个第二时钟提供器，用于提供一个具有第二稳定度的第二频率的第二时钟信号，其中第二稳定度比第一稳定度低；一个时钟表征器，用于利用第一时钟信号来表征第二时钟信号的第二稳定度以产生表征信息；以及一个同产信号发生器，与时钟表征器相连，用于当第一时钟信号不存在时采用第二时钟信号和表征信息来产生一个同步信号。
根据本发明，还提供了在使用一个提供同步化的装置的通信系统中的基站，包括一个第一时钟接收器，用于从该基站外部的源接收第一时钟信号，该第一时钟信号具有一个具有第一稳定度的时钟速率；一个第二时钟接收器，用于接收一个具有第二稳定度的第二时钟速率的第二时钟信号，其中第二稳定度比第一稳定度差；一个时钟稳定度增强器，通过在一段时间内比较第一时钟速率和第二时钟速率，产生表征信息，利用第一时钟速率来提高第二时钟信号的时钟速率的稳定度；以及一个同步信号发生器，当第一时钟信号不存在时，通过采用第二时钟信号和表征信息一来产生同步信号。
根据本发明，还提供了一种在基站之间要求同步化的蜂窝无线电话系统，这些基站利用具有一个已知时钟速率的全球定位系统(GPS)信号互相起始同步化，该蜂窝无线电话系统包括：一个第一基站，使用用以接收GPS信号的GPS接收器和用以接收由LF发射机发送的低频(LF)信号的低频信号接收装置，所述LF信号具有比所述GPS信号的所述已知时钟速率低的一个时钟速率；一个第二基站，使用用以接收GPS信号的第二GPS接收器和用以接收由所述LF发射机发送的所述LF信号的第二低频信号接收器；一个LF信号表征器，在每个基站，利用每个接收的GPS信号产生一个具有时间变换的时钟速率信号来表征每个接收的LF信号；一个基站同步器，应用具有时间变换的时钟速率的所述信号来提供在所述基站之间的所要求的同步化。
根据本发明，还提供了一种提供同步的装置，包括一个接收器，用于从该装置外部的源接收第一时钟信号；一个本地振荡器，用以提供第二时钟信号；一个微处理器，用于对第一时钟信号进行数字滤波以去除第一时钟信号的误差以及用于确定第二时钟信号相对第一时钟信号随时间的变化；以及一个时钟调节器，用于，当第一时钟信号不存在时，基于所确定出的随时间变化来调节第二时钟信号。
图1概括地描绘可有利地采用本发明的一个CDMA数字蜂窝无线电话系统。
图2以方框图的形式概括地描绘了本发明的一个CDMA同步控制器。
图3更详细地概括描绘了根据本发明的GPS时间寄存器。
本发明提供通过接收低频(LF)频带标准和导航广播如特别是WWWB，劳兰-C(LORAN-C)和MSF的一种冗余蜂窝基站同步化系统。由于LF广播的大复盖区，整个蜂窝网络可以使用一个中央时钟源，减轻了与异步冗余方案相关的限制，例如“自由振荡”的铷振荡器的限制。在大多数的情况下，系统时钟可以根据接收的，比由铷振荡器产生的更精确和稳定的LF广播来合成，而费用为铷振荡器的一小部分。本发明使用一个可操作的(operational)GPS接收机，通过测量信号的相位和相位及频率随时间变化来表征可代替的时钟源，如WWVB，劳兰-C和MSF。根据这个特征，为使可代替的时钟源可用，本发明需要确定最佳滤波器参数和相移。本发明不仅给单一的基站提供同步化，而且还在通信系统的基站之间提供同步化。
本发明在于蜂窝基站115-116能够从几个潜在的同步源120-122接收第一时钟信号106-108和第二时钟信号110-113。主要的时钟源是GPS接收机100-101。冗余信号源分为两类：LF广播和跨接线(Spanline)时钟。图1概括地描绘要有利地采用本发明的一个CDMA数字蜂窝无线电话系统。在另一个实施例中，蜂窝无线电话系统可以是一个时分多址(TDMA)蜂窝无线电话系统，或者甚至是要求同步的一个寻呼系统。如在图1所示，示出低频(LF)发射机121-122和发送信号到基站115-116的GPS卫星120。在基站115-116中，使用一个公共硬件平台(Platform)从发射机接收信号106-108、110-113，因此以最少的费用提供高度的可靠性。本发明从这些信号源合成一个高稳定的系统时钟，产生一个同步选通脉冲和保持GPS时间。
每个基站115-116连接到GPS接收机100-101。GPS接收机100-101接收GPS信号106-108，该GPS信号106-108代表到系统的第一时钟速率并由基站115-116用于同步。信号106-108有一个第一时钟速率，在优选的实施例中该速率为每秒一个周期。甚低频(VLF)接收机也接到每个基站115-116，该接收机接收由LF发射机121-122发送的精确的定时信号110-113。信号110-113具有第二时钟速率，在优选的实施例中该速率的周期在40ms到100ms的范围内。但是，这些信号110-113它们自己是不能用的，因为从LF发射机121-122到基站115-116的传播延迟(TX1、TX2、TY1、TY2)是未知的。因此，GPS信号106-108提供了比LF信号110-113更高的同步精度。根据本发明，基站115-116从一个选定的LF发射机121-122接收信号并确定用于同步的GPS信号106-108的时钟速率，使用第一时钟速率来表征信号110-113的第二时钟速率，以及在GPS信号106-108不存在时，使用已表征的信号110-113用于同步。在优选的实施例中，信号110-113的特性产生具有时间变换的(time-trasferred)时钟速率的信号。基站115-116使用具有时间变换的时钟速率的信号提供与GPS信号106-108的精度一样的同步精度。此外，这个方法可无限地保持网络同步，正如在该网络内的每个基站115-116可与相同的LF发射机121-122同步那样。
图2以方框图的形式概括地描绘本发明的一个CDMA同步控制器。在优选的实施例中，由本发明提供两个时钟信号用于基站同步。第一信号是高频时钟信号218，而第二信号是同步基准信号216，具有时钟速率为19.6608MHz和2秒周期。
压控晶体振荡器(VCXO,210)产生时钟信号218。时钟信号218送入GPS时间寄存器214。现在参见图3，图3更详细地概括描绘了本发明的GPS时间寄存器214。当时钟信号进入GPS时间寄存器214时，使用同步计数器304被数字地分频，以产生基准信号216。微处理器(μP,206)通过在它的预加载输入端写入所需的计数器值开始使计数器304同步，在优选的实施例中微处理器是MC68302。在从GPS接收机100-101收到所需的选通脉冲时，计数器304被初始化到该值上。使用一个边缘检测器300用于使GPS接收机100-101选通脉冲与时钟信号218同步。
在完成该初始计数器304同步之后，通过监视任何计数器相对于GPS接收器100-101选通脉冲的漂移来保持同步。这是通过在收到GPS接收机100-101选通脉冲时在同步寄存器308中记录计数器304的值实现的。在每个GPS选通脉冲之后，μP206读出寄存器308的内容并将这个值与它的初始同步的值比较。然后μP206将对VCXO210的输出频率进行任何必要的调节，以便把测量的同步差错减到最小。VCXO210的输出频率由μP206通过将希望的数字值写入一个数/模变换器(D/A,208)进行控制。D/A208在VCXO210的控制输入端产生一个DC电压，它产生与这个控制电压成比例的一个输出频率。μP206提供一个数字滤波器来衰减由GPS接收机100-101接收的相位变化，以便从VCXO210产生稳定的时钟频率输出。
在频率锁定的情况下，VCXO210的频率恒定地保持同步，GPS时间寄存器214表征选择的冗余同步源。这是使用双端口FIFO存储器306来安排从LF接收机121-122接收的标记选通脉冲时间实现的。FIFO306用来防止在支持从各个LF源来的选通脉冲定时过程中处理器潜在的问题。当收到从LF接收机121-122来的每个选通脉冲时，FIFO306记录计数器304的内容。μP206读出FIFO3-06的时间标记信息并确定接收的LF选通脉冲的相位和周期。使用边缘检测器302使LF接收机121-122的选通脉冲与时钟信号218同步。
在GPS网络故障情况下，μP206将计数器304的内容与由LF接收机121-122接收的、存储在FIFO306中的内容进行比较。μP206将通过更新D/A208的数字值调节VCXO210的频率，以保持适当的相位关系。移动交换中心(MSC,123)命令网络中的所有基站115-116使用相同的LF发射机，例如LF发射机122，作为经过跨接线接口124的同步源。这样就消除了由于多个同步源之间的频率偏差引起的任何漂移。
提供一个锁频环(FLL)以使用恢复的跨接线时钟作为潜在的冗余同步源。在这个替换的实施例中，跨接线时钟可代表具有第二时钟速率的第二时钟信号。FLL由基准多路复用器200、定标器202、相位检测器204、μP206、D/A208、VCXO210和环路除法器212组成。多路复用器200是数字多路复用器，它选择所需的频率基准源。预定标器202是数字除法器，用以将基准信号216的商为一个值，其整数倍将产生所需的时钟信号218。相位检测器204测量基准信号216和时钟信号218之间的相位差，并且产生与由μP206读出的测量差成比例的一个数字值。μP206提供一个数字滤波器以满足环路稳定度要求并减少出现在恢复的跨接线时钟上的抖动。数字滤波器的输出送到D/A208,D/A208控制VCXO210的输出频率。VCXO210的输出送到环路除法器212以结束该环路。除法器212用数字方法将时钟信号218的频率分频为与预定标器202输出相同的频率。
在LF射频频带内的传输主要靠地面波而不受电离层变化的影响。因此，LF射频(30KHz到300KHz)随时间只呈现较小的相位变化。为此，LF频段主要用于标准时间和导航广播。很多LF广播(劳兰C,WWVB)可用于中央同步源。
劳兰C(远程导航)是一个潜在的LF同步源，或许是在全世界提供北半球的大部分地区复盖的五十多个发射机中最有用的一个。利用劳兰C载频(100KHz)作为锁频环的基准，可以实现具有精度为1×10-12的系统时钟。劳兰C提供额外的冗余在于它是一个时分多路复用的系统，而且使用单个LF接收机121-122可监视多个发射机。
据此，本领域的普通技术人员可以知道，根据本发明已经提供的装置和方法，可提供完全满足上面提出的目的和优点的在通信系统中基站的同步化。
本发明是以特定实施例进行叙述的，很明显根据前面的叙述，还可作出许多变种和改型及变化，这对本领域的普通技术人员是显而易见的。因此，在所附的权利要求中包含了所有这样的变种、改型和变化。

Claims (10)

1．一种对通信系统中的基站提供同步化的装置，其特征在于包括：
一个第一时钟接收器，用于从一个基站外部的源接收第一时钟信号，该第一时钟信号具有一个具有第一稳定度的第一频率并在能获得时用于同步；
一个时钟提供器，用于提供一个具有第二稳定度的第二频率的第二时钟信号，其中第二稳定度比第一稳定度低；
一个时钟表征器，用于利用第一时钟信号来表征第二时钟信号的第二稳定度以产生表征信息；以及
一个同步信号发生器，与时钟表征器相连，用于当第一时钟信号不存在时采用第二时钟信号和表征信息来产生一个同步信号。
2．根据权利要求1的装置，其特征在于，所述第一时钟信号比未表征的第二时钟信号提供更高的同步精度。
3．根据权利要求1的装置，该装置的特征在于提供通信系统的基站之间的同步化。
4．在使用一个提供同步化的装置的通信系统中的基站，其特征在于包括：
一个第一时钟接收器，用于从该基站外部的源接收第一时钟信号，该第一时钟信号具有一个具有第一稳定度的时钟速率；
一个第二时钟接收器，用于接收一个具有第二稳定度的第二时钟速率的第二时钟信号，其中第二稳定度比第一稳定度差；
一个时钟稳定度增强器，通过在一段时间内比较第一时钟速率和第二时钟速率并产生表征信息，利用第一时钟速率来提高第二时钟信号的时钟速率的稳定度；以及
一个同步信号发生器，当第一时钟信号不存在时，通过采用第二时钟信号和表征信息一来产生同步信号。
5．根据权利要求4的基站，其特征在于，所述第一时钟信号是全球定位系统(GPS)的时钟信号。
6．根据权利要求4的基站，其特征在于，所述第二时钟信号是远程导航(LORAN)的时钟信号。
7．一种在基站之间要求同步化的蜂窝无线电话系统，这些基站利用具有一个已知时钟速率的全球定位系统(GPS)信号互相起始同步化，该蜂窝无线电话系统的特征在于包括：
一个第一基站，使用用以接收GPS信号的GPS接收器和用以接收由LF发射机发送的低频(LF)信号的低频信号接收器，所述LF信号具有比所述GPS信号的所述已知时钟速率低的一个时钟速率；
一个第二基站，使用用以接收GPS信号的第二GPS接收器和用以接收由所述LF发射机发送的所述LF信号的第二低频信号接收器；
一个LF信号表征器，在每个基站，利用每个接收的GPS信号产生一个具有时间变换的时钟速率信号来表征每个接收的LF信号；
一个基站同步器，当所述GPS信号被去除时，应用具有时间变换的时钟速率的所述信号来提供在所述基站之间的所要求的同步化。
8．根据权利要求7的蜂窝无线电话系统，其特征在于，所述GPS信号比未表征的LF信号提供更高的同步精度。
9．根据权利要求8的蜂窝无线电话系统，其特征在于，所述的基站同步器还包括使用具有一个时间变换的时钟速率的所述信号来提供如所述GPS信号一样的同步精度的同步增强器。
10．一种提供同步化的装置，包括：
一个接收器，用于从该装置外部的源接收第一时钟信号；
一个本地振荡器，用以提供第二时钟信号；
一个微处理器，用于对第一时钟信号进行数字滤波以去除第一时钟信号的误差以及用于确定第二时钟信号相对第一时钟信号随时间的变化；以及
一个时钟调节器，用于，当第一时钟信号不存在时，基于所确定出的随时间变化来调节第二时钟信号。
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