CN1159263A - 对通信系统中的基站单独进行同步的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

用来产生基站的定时信号的方法，每个基站接收用作第一参考信号的外部高精确信号(218)。为确保基站在任何条件下的同步，本方法包含如下步骤：将基本时钟信号(210)与辅助时钟信号(212)进行比较以产生一个调整信号(217)；当响应所述的调整信号(217)时，调整辅助时钟信号(212)的相位和频率；把调整信号信息存储在存储器(203)中；当有外部高精确信号时，选择基本时钟信号(210)作为定时信号，当没有外部信号时，选择辅助时钟信号(212)作为定时信号。

Description

对通信系统中的基站单独进行同步的装置和方法
本发明一般涉及通信系统中的同步问题，特别涉及至少包括一个中心站和许多基站的通信系统中基站的同步问题。
在某些通信系统中，特别是蜂窝无线电话系统中，为了系统的有效运行，在基站和用户单元之间的绝对定时是个基本问题。特别是在码分多址(CDMA)数字蜂窝无线系统中更是必须遵循的，因为该系统中操作的基站必须同步在全球定位系统(GPS)时间的+/-3μs之内。由于这个原因，各基站应以很高的精确度互相同步。达到精度要求是最基本的，因为定时和同步的偏差将使CDMA无线系统的性能恶化，这将使得使用此系统的用户经历一次劣质的服务。这个要求不仅对于单个基站和个人站之间的通信是关键的，尤其是当两个或更多的基站与一个个人站之间通信时更为重要。这是很严格的，因为CDMA个人站能合成接收从至少两个基站来的发射信号并能对一个还是两个发送信号作出接收决定。显然，为达到此目的发送信号的两个基站在时间上是要绝对同步的，因此用户单元可以同时接收两个发送信号并且当需要时执行接收。
为了达到对GPS系统时间的确定的同步，典型的解决办法是，在每个基站上安排一个GPS接收器和利用GPS接收器输出的信号来同步基站定时。但是在GPS系统中可能发生几种故障。例如，GPS会由于被迫或因维护而不工作，基站上的GPS接收器可能出现故障，基站上的接收器可能正在维护或在基站上可能有天线或电缆的故障。此外还可能有些国家不能或不允许接收GPS信号。因此需要某种用于这些情况的替代方法。
在技术上已开发出不同的同步方法，它们可在GPS同步不可能的情况备用。
首先，可以在基站加高精确时钟或振荡器(如铷钟)。这种方法因增加了单元数而增加了基站的复杂度。这也大大增加了基站的费用，这一点连同此法只能达到有限精度及有限的后备时间表明此法不很有效。
其次，可以采用一个中心高精度振荡器。在这种情况下必须开发一种将从一个中心站或从几个中心站来的同步信息携带到远端站的方法。构造这种装置可能是困难而昂贵的，并且必定会大大增加系统的复杂性和维护系统所需要的工作。
第三，可以用在基站上接收到的外部信号来作为参考信号或作为将基站同步到它上面的信号。这种外部信号可以是从地面上的发射网络上接收到的信号或者是从空间接收到的另外的信号(另外的GPS信号)。但是这些信号不精确也不够稳定，不能这样来用。如果系统以特别的方式来作基站的基本信号，那么这些系统总是增加系统的复杂性和价格。而且总有由于在基站增加了单元(接收器)而带来了最起码的额外的费用。
最后，不同的如基站那样的分散的网络单元可以在地面发射网络上向中心站(例如移动交换中心MSC)发送比特图型，中心站也可以向分散的网络单元发射比特图型，比特图型又从接收端被环回。网络单元比较发送和接收的比特图型及其发送与接收时间之间的延迟，就可以调整网络单元的定时并保持同步。
因此，本发明的目的是在更长的时间间隔内提供可靠的同步冗余技术，同时又维持系统的设计和运行尽可能简单并尽可能价廉。
简而言之，本发明包含定时单元和用来表征和查明单独的每个基站的本地振荡器的状态的方法。在每个基站都要单独表征这种状态。连到用于查明每个本地振荡器状态的装置上的通信系统，在每个基站上都有一个用于存储在表征时间内收集的信息的装置，当本地振荡器是用作该基站的同步源时，系统还有一个用这些所存储的信息来控制基站的本地振荡器的装置。因此，本发明提供了一个在每个基站用受控的方法来使用本地振荡器的冗余同步方法，用来控制本地振荡器的信息是先前收集到的同一个振荡器的状态的信息。
图1一般地描述一个象CDMA数字无线电电话系统那样的通信系统。
图2是一般地描述在基站中定时单元的方框图。
图1总的描述一个包括多个基站101，102，103，104以及一个可以是移动交换中心MSC的中心站的现有技术的通信系统。在移动站(未画出)和基站之间通过空间通信。通信系统可以是任何一种蜂窝无线电话系统，就是说可以是模拟的；数字的，频分多址(FDMA)，时分多址(TDMA)或码分多址(CDMA)的。在优选的实施方式中，通信系统是同步到GPS系统时间上的CDMA数字蜂窝无线电话系统。因此，每个基站从GPS卫星100上接收同步信号。本发明在于能从基本的同步源100上接收基本同步信号105-108的蜂窝基站101-104上。
图2描述根据本发明的定时单元。定时单元在每个基站101-104上。此单元包括二个时钟信号产生器：基本时钟信号产生器200和辅助时钟信号产生器207。基本时钟信号产生器200的、同时也是整个定时单元的基本同步源是从GPS卫星接收外部高精确同步信号105-108的GPS接收器206。从GPS接收器206上来的高精确同步信号218作为第一参考信号加到产生基本时钟和同步信号210的基本时钟信号产生器200上。因此，基本时钟信号产生器200利用高精确GPS同步信号218来产生基站运行所需要的时钟及同步信号。辅助时钟产生器207的辅助同步源是产生辅助同步信号208并把它作为第二参考信号加到辅助时钟产生器207上的本地振荡器202。辅助时钟产生器产生辅助时钟及同步信号212。
更进一步说，定时单元包括连到时钟信号产生器200和207的输出端上的比较器/控制器201。比较器/控制器比较基本时钟信号210和辅助时钟信号212，根据所述的两个信号及存储在存储器203中的信息来作出判决并输出第一控制信号215给第一控制逻辑，输出第二控制信号216给第二控制逻辑205。比较器/控制器201用第一控制信号215来控制第一控制逻辑204用第二控制信号216来控制第二控制逻辑205，从而选择基站是采用从基本时钟信号产生器200来的基本时钟和同步信号210还是采用从辅助时钟信号产生器207来的辅助时钟信号及同步信号212。
在每个基站使用期限的初始阶段，每个基站上的定时单元和GPS接收器206是这样来初始化的，从基本时钟信号产生器200来的基本时钟和同步信号210被正确地传送以便使每个基站能正确工作。就在同时每个基站的本地振荡器202也被初始化了。本地振荡器把辅助同步信号208发送到产生时钟和同步信号212的辅助时钟信号产生器207上。比较器/控制器201接收由基本时钟信号产生器200产生的基本时钟和同步信号210和由辅助时钟信号产生器207产生的相应的信号212。
比较器/控制器比较接收到的信号210和212。当在这两个信号中发现差别时，比较器/控制器201给出调整信号217加到本地振荡器202上。本地振荡器响应调整信号而调整辅助同步信号208，这将导致调整3由辅助时钟信号产生器207来的辅助时钟和同步信号212。一直到比较器/控制器201使辅助时钟和同步信号212与基本时钟及同步信号210相同为止比较器都给出调整信号217。在比较器/控制器201调整时钟和同步信号212的整个时间内都用第一和第二控制信号215，216和控制逻辑204，205来保证只把基本时钟和同步信号210进一步分配到基站上，而不把由辅助时钟信号产生器202来的辅助时钟和同步信号分配到基站上。
基本时钟信号产生器200和辅助时钟信号产生器207实际上可以安装在一个单元上。为了明了起见，在逻辑描述中把它们表示成分开的单元。
经过一段时间后，本地振荡器202的性能会变化。这可能是由于振荡器的老化和基站条件的变化，如温度、湿度等的变化。由于不同的变化和老化，导致辅助同步信号208将相应地发生变化而辅助时钟和同步信号212也将偏离。但是这将被一直对基本210和辅助212时钟和同步信号进行比较的比较器/控制器201发现。结果，只要是需要时，比较器/控制器201就给出调整信号217以使辅整助时钟和同步信号212与基本同步信号210相匹配。
比较器/控制器201不仅比较时钟和同步信号210和212并用调整信号217来相应地调整本地振荡器202，而且还把给本地振荡器202的有关调整信号217的所有的相关的信息记忆下来。存储的所有信息可以包含环境信息(温度、湿度等)，辅助同步信号208和辅助时钟及同步信号212在给出调整信号之前和之后的值，调整信号的值和给出调整信号的时间。信息存在用于此目的的存储体203中。以此方式比较器/控制器201总是存储下有关本地振荡器性能的、关于环境改变的、和关于为保持辅助同步信号208正确作了些什么的最新信息。控制器根据过去存储的信息就能估计本地振荡器将来的性能，是否前述的一个或几个参数已改变。
一旦基本时钟和同步信号210出现故障，比较器/控制器201识别出这种情况就用第一和第二控制信号215，216以及第一和第二控制逻辑204，205分配给辅助时钟和同步信号212并使基本时钟和同步信号210的分配无效。值得注意的是辅助时钟和同步信号212随时都可用，因此基站切换去使用它们对基站的其余部分是透明的。
当辅助时钟和同步信号212分配到基站上时，比较器/控制器201通过214线从存储器中读取早先收集的在存储器203中的有关本地振荡器的状态和性质的信息，用来形成调整信号217加到本地振荡器上。
这种单独地存储每个本地振荡器的状态的方法，使单独地、准确地在每个基站调谐辅助同步信号成为可能，从而证明此法为一个好的长时间后备方案。
由本地振荡器202来的辅助同步信号208只要需要就使用它。在基本时钟和同步信号210又可用了以后，比较器/控制器201用控制信号215和216以及控制逻辑204和205来分配基本时钟和同步信号到基站上并去掉辅助时钟和同步信号。此后，工作又正常继续下去了；使用基本时钟和同步信号210，比较器/控制器比较基本和辅助时钟和同步信号并给出调整信号217加到本地振荡器上，记忆有关调整和环境的需要的信息。
为了增加系统的冗余度，在基站中使用不止一个本振荡器是可能的并是可选的。
与现有技术的定时系统相比，这里所提出的方法和装置具有很多优点。不需要用于同步的外部电路，除了在CDMA系统中必须接收的信号外不需要接收其他信号。同时也不需要安排额外的发送器，接收器或天线，或是在地面传输网络中的信令规约。本方法是很廉价的，为实现它而需要的硬件价格以及比较器的软件设计工作肯定低于基站的额外的接收器或发送器的价格。从运营者的角度来看，此法比使用地面传输网络要容易和便宜得多。可以不用昂贵的铷钟而采用廉价的振荡器。
更进一步可以把每个基站即每个本地振荡器看成独立的。从而即使采用辅助同步信号也能得到很高的精确度。精度的限制只在于用来认识和记忆本地振荡器的状态的逻辑和用来记忆本地振荡器调整数据的存储整器的空间。不仅对GPS信号不是全球可用的情况，而用也对一处或多处GPS接收器天线有故障，或由天线出来的电缆中有故障，或GPS接收器本身有故障，或在基本时钟信号产生器中有故障的情况下，本方法也都能给出冗余度。所提出的方法与使用的地传输方法完全无关。在基站安装好后立即就能使用。在基站安装好后，加上电并部分初始化后，基本时钟和同步信号就已经送出了，比较器/控制器就能开始记忆调整数据。因此，即使是在弧立的基站，此方法也能工作。一种好的见解认为，当一个新基站投入使用时，最好在将它连到地面传输网络和底层结构的其余部分之前把它的安装和授权搞好。
尽管已参照优选实施方式具体表示和说明了本发明，本领域的技术人员可以理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以在形式和细节上做出不同的改变。

Claims (12)

1.用来在包括多个基站(101-104)的通信系统中产生基站定时信号的方法，每个基站接收一个外部高精确信号(218)用做基本时钟信号产生器(200)的第一参考信号，其特征在于方法包括以下步骤；
比较由基本时钟信号产生器(200)来的基本时钟信号(210)和由辅助时钟信号产生器(207)来的辅助时钟信号(212)；
产生一个正比于所述的时钟信号之间的差别的调整信号(217)；
响应所说的调整信号(217)来调整辅助时钟信号(212)的相位和频率以使它锁定在基本时钟信号上；
将调整信号信息存储在存储器(203)中；
当有外部高精确信号时，选择基本时钟信号(210)作为定时信号；
当没有外部高精确信号时，选择辅助时钟信号(212)作为定时信号并根据存储在存储器(203)中的先前的调整信号来产生新的调整信号。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，由本地振荡器(202)来产生用于辅助时钟信号产生器的辅助参考信号。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于，调整步骤包括把调整信号加到本地振荡器(202)上来调整它的相位和频率。
4.根据权利要求1的方法，其特征在于，环境的信息也包括在调整信号信息中。
5.根据权利要求2的方法，其特征在于，调整信号信息包括本地振荡器(202)的特性，所说的信息在有外部高精确信号时形成。
6.根据权利要求5的方法，其特征在于，本地振荡器(202)的特性是基于本地振荡器对调整信号的响应。
7.根据权利要求1的方法其特征在于，所说的产生步骤包括作为对外部精确信号故障的响应，产生第一控制信号(215)和第二控制信号(216)的步骤。
8.根据权利要求2方法，其特征在于，所说的选择步骤是作为对第二控制信号(216)的响应，选择辅助时钟信号(212)作为定时信号，而作为对第一控制信号的响应，不选基本时钟信号作为定时信号。
9.用来在通信系统中产生基站(101-104)的定时信号的定时单元，基站能提供一个锁定在外部高精确信号(218)上的基本同步信号，其特征在于，所述的定时单元包括：
一个用来将基本同步信号(210)与辅助同步信号(212)进行比较并提供正比于所述的同步信号之间差别的调整信号(217)；
连接到比较器(201)上的用来提供辅助同步信号(212)的辅助时钟信号产生器(207)，所述信号的相位和频率用所述的调整信号来调整；
用来当有外部高精确信号(218)时选择基本同步信号(210)作为定时信号，和当没有外部高精确信号时选择辅助同步信号(212)作为定时信号的控制器(201)；
所述的控制器(201)也查明辅助时钟产生器(207)的性能并把此性能作为调整信号信息存储整在存储器(203)中，并且当外部高精确信号有故障时，根据先前存储在存储器(203)中的调整信号信息来产生新的调整信号。
10.根据权利要求9的定时单元，其特征在于，辅助时钟信号产生装置包括连到辅助时钟信号产生器(207)上的本地振荡器(202)，所述本地振荡器信号的相位和频率可用调整信号(217)来调整。
11.根据权利要求10的定时单元，其特征在于，控制器(201)收集本地振荡器对不同的包括调整信号和环境因素的参数的响应的数据，并且根据这些数据来推测本地振荡器的特性。
12.根据权利要求9的定时单元，其特征在于，单元还包括：
作为对由控制器来的第一控制信号(215)的响应把基本同步信号(210)连到定时单元的输出端的第一逻辑(204)；
作为对由控制器来的第二控制信号(216)的响应，把辅助同步信号(212)连到定时单元的输出端的第二逻辑(205)。
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