CN1175333A - 利用全球定位系统的联播的再同步改善 - Google Patents

Abstract

在一种多站点射频联播发送系统中,由于多相位调制解调器从多个相位中的任意一个相位恢复时钟信号,从一个控制点经由站点间通信链路(L1,L2,等)向各个射频发送机站点提供的数据呈现随机时间延迟偏移。各个调制解调器的输出数据码流被暂时存储在各站点的存储缓冲器中以便对同时的射频发送信号进行暂时同步。在每个站点上,存储缓冲器利用一个万用“再同步”电路在连续的基础上周期地再同步以保持最佳的联播系统性能。从利用每个联播系统站点上的GPS(全球定位卫星)接收机捕获的一个公共卫星基准信号分别得到的用于执行周期性“再同步”操作所要求的一个9600bps数据时钟基准信号和一个低频数据“选通”(定时)信号。再同步操作是在连续的基础上分别由每个联播系统站点和利用从接收的GPS信号得到的再同步基准信号音分配的多站点广播数据流周期性地执行。

Description

利用全球定位系统的联播的再同步改善

         交叉参考相关申请和专利

本申请在某种程度上涉及于1992年12月15日授权给Rose等人的名称为“公共业务中继联播系统”的普通转让美国专利5172396和于1990年2月20日授权给Hall等人的名称为“无线中继故障检测系统”的美国专利4903321。本申请还在某种程度上涉及下列普通转让的未决申请：于1992年1月22日提交的(Attorney Docket Number 46-444；ClientReference No.45-MR-664)，发明人为Brown等人，申请号为07/824123，名称为“PST联播系统定时的自校正”的美国专利申请和于1992年6月30日提交的(Attorney Docket Number 46-549；Client Reference No.45-MR-771)，发明人为Thomas A.Brown，申请号为07/906438，名称为“数字中继的联播无线通信系统的控制信道定时检测和自校正”的美国专利申请。上述各专利和申请的公开信息一并援引在这里以供参考。

                        发明领域

本发明涉及射频(RF)信号发送系统，特别是涉及通过两个或多个分别设置的RF发送机提供相同信息的同时发送的“联播”系统。更具体地讲，本发明涉及用于在每个发送机站点产生联播定时的“再同步”(重新同步)基准信号以保持各个发送的相关性的改进的方法和设备。

                         发明的背景和概要

众所周知，由于FCC的功率限制、地理的和/或其它的因素，有时不可能利用单个的发送站点对大的要求的覆盖区提供一种满足要求的覆盖。例如，政府机构一般使用陆地移动无线通信系统，提供总部与在政府机构的整个管辖范围漫游的各种移动的和便携的无线用户之间的通信。在某些情况下，该管辖范围的地理区域是如此之大，以至于不可能由单个陆上RF发送站点覆盖。即使单个的发送站点的有效辐射功率足够地大，能覆盖整个区域，但是，由于VHF传输的“站点的线路”(line-of-site)特性和/或由于妨碍该单个发送站点与覆盖区内的各个边缘位置之间的地理上的障碍(例如，山、桥、建筑物、和地球的曲率)，处于边远或边缘区域的用户可能仅接收质量不均匀的服务。

扩展覆盖区的一种已知的方式是设置多个“联播”的发送站点。为了简化移动无线站的操作和节省无线频谱，这种“联播”的各个RF发送站点将都在基本上相同的无线频率上基本相同的时间发送基本相同的信号。这种“联播”消除了如通常那样例如在蜂窝系统和“多站点”的RF通信系统的一个RF发送站点的覆盖区到另外一个RF发送站点执行“过区切换”相联系的控制额外开销和其它的复杂性。所谓“联播”数字中继RF中继器系统通常是公知的。下面是描述现有技术的RF发送联播的各个方面和相关问题的一个文件表(该表不意味着全部包括了)：

美国专利5172396，授予Rose等人；

美国专利4903321，授予Hall等人；

美国专利4696052，授予Breeden；

美国专利4696051，授予Breeden；

美国专利5245634，授予Averbuch；

美国专利5287550，授予Fennell等人；

美国专利4782499，授予Clendening；

美国专利5052028，授予Zwack；

美国专利4570256，授予Thro；

美国专利4516296，授予Krinock；

美国专利4475246，授予Batlivala等人；

美国专利4317220，授予Martin；

美国专利4972410，授予Cohen等人；

美国专利4608699，授予Batlivala等人；

美国专利4918437，授予Jasinski等人；

美国专利4578815，授予Persinotti；

美国专利5003617，授予Epsom等人；

美国专利4939746，授予Childress；

美国专利4903262，授予Dissosway等人；

美国专利4926496，授予Cole等人；

美国专利4968966，授予Jasinski等人；

美国专利3902161，授予Kiowaski等人；

美国专利4218654，授予Ogawa等人；

美国专利4255815，授予Osborn；

美国专利4411007，授予Rodman等人；

美国专利4414661，授予Karlstrom；

美国专利4472802，授予Pin等人；

美国专利4597105，授予Freeburg；和

日本专利公开No.61-107826。

于1992年12月15日授权给Rose等人的名称为“公共业务中继联播系统”的美国专利5172396公开了具有包括RF发送定时同步特征的控制站点和远端站点结构的中继无线联播系统，这些特征与目前优选的示例性实施例有关。此外，于1990年2月20日授权给Hall人等的名称为“无线中继故障检测系统”的美国专利4903321公开了具有包括故障及呼叫测试和故障检测特征的射频中继器站点结构的中继的无线中继器系统，这些特征某种程度上与本发明有关。这两个专利都普通转让给本发明的受让人并都被援引于此以供参考。

因此，虽然联播在扩展覆盖区上与其它技术比较提供各种优点，但也引入其自身必须面对的特别复杂的设置。为了说明，请参照图1，该图是示例性的三站点联播数字中继陆地移动射频通信系统10的示意图。系统10包括三个联播发送站点S1、S2和S3。站点S1的发送覆盖覆盖区A1，和类似地，站点S2和S3的发送覆盖相应的覆盖区A2和A3。经相应的通信链路(L1-L3)连接到每个站点S1、S2和S3的中心控制点C实时地传送基本相同的信令(包括数字控制信道信令和相关的定时消息)，用于各个站点的发送。

在所有站点上的每个射频信道利用幅度、相位和时延校正的信息进行调制。为了达到这一点，必须在主控制点站点与所有其它联播发送站点之间借助于高质量、状态稳定的干线通信系统安排(例如，无线、微波或光纤)提供时间、相位和幅度稳定的通信链路。基于这种考虑，商业上的有线公共载波不能提供联播所要求的那种稳定程度；而相反，用于与无线、微波或光纤的干线分配通路相结合的专用的、用户控制的、话音/数据级的同步复用最有效地提供所需的通信电路和用于联播的稳定性。

示例性的系统10最好是由在商品名EDACS下的Ericsson-GE MobileCommunications Inc.(EGE)公司销售那类型的数字干线联播通信系统。这个系统提供了一个数字射频控制信道和多个射频工作信道。在这样一个数字干线系统中，在覆盖区A1-A3的一个(或多个)覆盖区中的一个示例性移动无线单元M，当它并没有在工作信道上与其它单元实际进行有效通信时，连续地监视一个“带外”数字控制信道。移动单元M可以通过在“带内”控制信道上发送信道分配请求消息请求通信。当接收到这样的信道分配请求(和假设至少有一个工作信道可以用于暂时分配给移动单元M和希望与移动单元M进行通信的其它单元)，控制点通过使控制信道分配消息由每个站点S1-S3通过带外控制信道发送作响应。在联播系统10中，信道分配消息通过相同带外控制信道频率由每个发送站点S1-S3同时进行发送(以至于该移动单元M和由信道分配消息“呼叫”的其它移动单元将接收该消息，无论在A1-A3的哪个覆盖区内它们都将被确定位置)。移动单元M(和其它被叫移动单元)通过改变频率到一个射频工作信道响应该接收的带外中继控制信道分配消息和在该工作信道上进行通信。一旦工作信道的通信结束，移动单元M(和其它被叫移动单元)返回监视带外控制信道，以便监视发送给它们的其它消息。

再参照图1，假设移动单元M位于覆盖区A2和A3彼此重叠的重叠区X内。在这个重叠区X中，移动单元M将接收(或许在大约相等的信号强度电平上)站点S2的带外控制信道发送和还接收站点S3的带外控制信道发送。联播系统10被适当地设计，以至于这种来自站点S2和S3的带外控制信道发送是在基本相同的频率上的，从而没有差拍或其它干扰出现。类似地，控制点C通过链路L1-L3传送由每个站点S1-S3发送的基本相同的带外控制信道消息。

但是，如果带外控制信道不精确地彼此同步，则可能出现问题。位于重叠区X的收发信机接收彼此延迟，即使一个小的时间周期(例如，多于半个比特周期，或者对于9600波特操作约52μs)的带外控制信道同步信号，也可能导致丢失比特和/或暂时失去同步、比特恢复、和差错检测能力。

由于电磁波传播的有限速速度，在高数据传输速率的联播系统中(射频信号“仅”以约每微秒300米的速度传播)必须考虑延迟。有可能(和通常是必须)调节站点发送机的相对有效辐射功率电平，使得跨越重叠区X的距离保持小于一个期望的最大距离，因此，由于该站点和在重叠区中的一个接收机之间不同的射频通路长度引起的跨越重叠区的射频传播延迟时间的差最小化。然而，即使利用这种优化，但仍然已经发现(由于通过不同射频路径长度引起的不同的附加延迟)，必须遵守±5μs最大系统不同延迟的稳定性，以保证收发信机在重叠区X中的任何位置都将接收到对应于在相互52μs内的数字信号的比特边沿。

幸运地是，一般通过各种已知技术可能减小延迟时间差到μs数量级。例如，在现有技术中众所周知的，引入与某些或全部站点间链路L1-L3相符的可调整的延迟网络(和相位均衡网络)补偿固有的不同链路延迟时间(例如见，授予Krinock的美国专利4516269和授予Breeden的美国专利4696051和4696052)。常规的微波和光纤链路信道呈现的幅度、相位和延迟特性在长时间周期(例如，数月)中是非常稳定的，使得这种附加延迟一旦调定，保证在同一时间输入到所有站点间链路L1-L3的信号将在几乎完全相同的时间到达各链路的另外一端。相同或附加的延迟可以被用于补偿在站点S1-S3上的信号处理设备引入的不同的、恒定的延迟时间，通过不同的站点提供信号的同时相干传输。例如，上述Rose等人的专利申请描述了一种技术，其中通过一个或多个特定的站点间链路信道将附加的频率和定时信息提供给每个站点，以便消除可能由使用常规的多电平、多相位协议类型的调制解调器引起的定时模糊。以这种方式，上述联播系统在一个特定建立的通信通路上的数据传输的开始时强迫相干，因此校正由站点间通信链路的调制解调器产生的任何多比特模糊。

简言之，现在参照图2，该图一般地描述了按照上述Rose等人专利所公开的类型的Ericsson-GE(EGE)多站点联播发送系统，位于控制点站点C的“主”再同步(再同步信号)电路100产生基准边缘/信号音，例如，在2400Hz和300Hz，通过站点间通信链路(L1-L3)的一个专用信道上被发送到每个发送站点(S1-S3)。被这些基准信号校准的数字和话音数据也经控制点C和各发送站点(S1-S3)之间的通信链路L1-L2进行发送。较低(300Hz)信号音被用作“选通”基准(用于在发送站点广播数据缓冲器的读出定时)和较高(2400Hz)信号音被用作数据时钟频率基准。在联播系统中的每个发送站点(S1-S2)包括一个“通用”(即，公共硬件)再同步电路，用于从各音调中恢复各基准边缘。通过周期性“再同步”操作的执行，在每个联播系统站点上的通用再同步电路再同步经站点间链路接收的广播数据到这些基准边缘上。因此，正如上面已经描述的那样，要求用于这些基准信号音的信号通路(常规地经站点间链路提供)是高质量和相位非常稳定，因为在这些信号上的任何变化还噪声都对整个联播系统的性能起到不利的影响。

因此，众所周知，为了校正任何控制信道的定时误差，在一个路由的基础上周期性地再同步每个发送站点的控制信道可以出现在联播系统10中。另外，1992年1月22日提交的，发明人为Brown等人的申请号为07/824123的上述美国专利申请公开了一些附加技术(这些技术已经被公用了一年多和因此对于本申请是现有技术)，周期性地“冲击”(kicking)站点调制解调器，以便保证该调制解调器利用分布的公共时钟信号，和如果一个例行执行的工作信道“测试呼叫”(例如，如在颁发给Hall等人的美国专利4903321所描述的)失败，对一个联播系统的正在工作的信道“重新训练”通信链路和相关的站点调制解调器。

相对于上面描述的EGE联播系统，申请人在当前的说明书中已经公开了用于在每个站点产生再同步音的一种改进的方法和设备，这种方法和设备增加整个联播系统的同步定时的可靠性和大大地简化了联播系统同步的过程。更具体地讲，系统性能的改善是通过在每个发送站点提供全球定位卫星(GPS)接收机作为用于产生周期地“再同步”操作所需的精确、稳定频率的基准音实现的。传统上用于导航目的的GPS系统是时间上同步的一系列卫星和连续地发送互相同步的时间、数据、和位置信息。虽然，利用GPS提供绝对定时的蜂窝无线电话系统业已公知，但这样一些系统存在着使这些系统昂贵和不可靠的(例如，见颁发给Averbuch的美国专利5345634)许多固有的问题。按照本发明，利用GPS系统的广播信号结合在每个联播站点上的特定再同步电路装置，实现一种改进的多站点射频联播系统，该系统克服了以前的GPS同步系统的许多缺点。

按照本发明，再同步基准信号不经由站点互连链路(L1、L2等)随着广播信号传送到各发送站点。代之以，每个联播站点包括一个“万用的”(通用)EGE联播系统“再同步”电路，和联播数据再同步是在例行程序的基础上由每个系统站点单独和独立地周期性执行的。在一个优选示例性实施例中，分别在每个联播站点利用在每个站点上的GPS接收机捕获的全球定位卫星(GPS)广播发送导出一个稳定、精确的9600bps数据时钟基准和较低频率的“选通”信号(例如，如上所述的300Hz)。控制点站点(C)包括一个万用的EGE“再同步”电路和该电路不再作为一个“主”电路来使用。在每个站点的“再同步”电路利用GPS得到的基准信号音同步联播数据的射频广播。因此，在站点互连链路的专用稳定的信道不再需要分配“再同步”基准信号音。此外，由于EGE“再同步”操作将强迫同步到正确的联播系统定时上，只要执行一个“再同步”操作(只要潜在变化是在“选通”信号定时窗口内)，没有任何链路潜在的测量或校正的情况下，在站点互连链路上的任何变化都被自动校正。常规非EGE的商业联播系统，如果类似地装备以GPS接收机，则将要求潜在变化的算术计算和/或链路定时参数的存储。再有，按照本发明在安排上利用GPS接收机与EGE万用“再同步”电路相组合产生用于再同步电路的“再同步”基准音和在每个站点自动同步数据广播，通过减小定时抖动和需要基准音极性的同步检查，进一步改善联播操作。

由于细调谐一个特定多站点联播系统的安排经常要求在偏移“正常”相等定时的一个或多个站点进行特别调整广播定时，必须因此提供产生这样的定时偏移的方法。按照由本发明提供的另外一个方面，该GPS接收机利用一个延迟单元，该延迟单元提供以0.5μs步长的±125μs的可调信号延迟和该延迟单元可经RS-232口接入。因此，利用本发明实现一个附加的优点，即可以经RS-232链路远地实现联播系统的细调谐的定时调整。附图的简单说明

通过参照各附图阅读了下面的提供的优选示例性实施例的详细描述，本发明的这些和其它特点和优点将更完全理解了，各附图中相同标号始终表示相同的部件：

图1是简化的示例性多站点射频通信联播系统的一般示意性说明；

图2是本发明操作可能特别适合的一类Ericsson-GE多站点射频联播通信系统的中心点控制C和远端收发信机站点S1和S2的一般示意性方框图；

图3是在每个站点利用GPS接收机改善再同步基准信号产生的改进的多站点射频联播通信系统的示例性安排的一般示意性方框图。

                     本发明的详细描述

在下面的描述中，是出于解释而不是限制的目的，描述各个具体的细节，诸如特定的电路、各电路部件、接口、技术等，以便提供本发明的详尽的理解。但是，对于本专业的技术人员来讲本发明可以以不同于这些具体的细节的其它实施例进行实施将是十分明显的。在另外的一些情况下，省略了公知方法和编程的步骤、装置、和电路的详细描述，这样不会以不必要的细节模糊本发明的描述。

如上所述的Ericsson-GE联播系统的基本结构表示在图1和图2，也就是说，它包括中央控制点C和多个发送站点S1，…，Sn。虽然仅两个(远端)发送站点S1-S2被表示在图2和图3中，但对本专业的技术人员将十分明显，参与联播的数个远端站点同样经由相同的微波、光纤、电缆或陆线通信链路L1-Ln与控制点C通信。再有，本发明不限于仅利用微波或线链路，而可以利用诸如无线电波之类的任何其它类型合适的通信链路。

在一种多站点射频联播的RF发送系统中，由于在每个站点多相位链路调制解调器(MC、M1、M2、等)从多个相位中的任意一个相位恢复时钟信号，所以从控制点C到各RF发送机站点(S1、S2等)经站点间通信链路(L1、L2等)提供的数据呈现随机时间延迟偏移。各调制解调器的数据流输出在各站点被暂时存储在与每个站点的调制解调器相连的存储缓冲器M1、M2等中。从控制点C经各链路信道提供给每个站点的定时信息在每个站点上初始设置存储缓冲器的输出定时，消除发送定时的模糊。在连续的基础上，按照上面所描述的通过专用链路信道从控制点C连续提供到每个站点的一对基准频率音，在每个站点的再同步电路周期性地再同步存储缓冲器的输出定时。

现在参照图3，对按照本发明的改进的多站点射频通信联播系统的示例性实施例进行讨论。在所有站点(包括控制点C)的GPS接收机301、301a和301b提供从经卫星300的公共GPS定时信号广播中捕获的基准信号。在每个站点的信号音产生器电路302、302a、302b利用接收的GPS定时基准信号音产生高频9600bps的数据时钟基准信号音和低频数据“选通”(定时)信号音，这些信号音由万用再同步电路303、303a、303b用于执行周期性的再同步操作。按照本发明，只要选择的频率是数据流的帧定时的整数约数(即，数据帧周期被选通频率周期除)和9600的一个约数(例如，利用100Hz提供10ms的选通周期；60Hz提供16.6的选通周期；等等)，则可使用大大地低于例如300Hz的一个选通信号频率。选通频率最好根据所期望的系统链路潜在变化进行选择。

再同步基准信号音不经站点间通信链路从指定的控制点发送到各个站点，像上面讨论的EGE联播系统那样。因此对于再同步信号不要求附加的相位稳定的延迟补偿信道。而代之以，再同步操作是分别由在每个联播系统站点上的万用再同步电路303、303a、303b利用由信号音产生器电路302、302a、302b从接收的GPS信号得到的再同步基准信号音，在连续的基础上周期性地执行的。因此，重新定时的(重新同步的)数据在连续的基础上被提供到用于联播射频发送的每个站点的各个信道发送机304、304a、304b。此外，由于一种再同步操作强迫数据流同步到正确的联播系统定时上，每当执行再同步操作时，任何站点间互连链路的潜在变化(在“选通”信号定时窗口内)都将被自动校正。再有，用于提供再同步的这种改进的安排减小了定时抖动和不需要对基准信号音极性的同步检查。

还如图3描述的，GPS接收机301、301a、301b包括一个延迟单元，提供以0.5μs递增步幅长±125μs的可调信号延迟和延迟是经一个RS-232端口可控的。从而，由本发明取得的一个附加的优点在于该联播系统的细调定时调整可以经RS-232链路在远地进行。

虽然本发明已经结合目前被认为是最实际和优选的实施例进行描述的，但是应当理解，本发明将不限于所描述的实施例，而相反，本发明将试图覆盖包括在后附的权利要求书的精神和范围内的各种修改和等效的安排。

Claims (8)

1.在具有向多个射频发送机站点提供以定时数据帧组成的高速数据流的一个中心站点，和每个所述发送机站点包括用于接收和存储所述高速数据信号流的多相位调制解调器和数据存储缓冲器类型的联播射频(RF)通信系统中，在每个所述发送机站点接收的所述数据信号具有相对于在另一个所述发送机站点接收的所述数据信号的时间模糊，每个所述发送机站点还包括用于从所述高速数据信号流通过一个公共射频信道周期性地再同步和相干地联播信息的装置，该系统包括：

一个全球定位卫星(GPS)定时基准广播信号接收机；

一个再同步信号音产生器，所述信号音产生器提供同步到由所述GPS接收机接收的广播GPS定时基准信号的一对基准频率音；和

响应于所述一对基准信号音的一个万用再同步电路，所述万用再同步电路同步从所述接收的和存储的高速数据信号流的所述缓冲器装置读出，实现由所述多个射频站点的同时发送。

2.权利要求1的联播通信系统，其中所述再同步信号音产生器产生一个9600Hz数据时钟基准信号和一个低频数据选通信号音。

3.按照权利要求2的联播通信系统，其中所述低频数据选通信号音是所述联播系统的数据流帧定时的整数约数和9600的约数。

4.按照权利要求2的联播通信系统，其中所述低频数据选通信号音是300Hz。

5.在具有提供高速数据信号到多个射频发送机站点的中心站点类型的联播射频(RF)通信系统中，在每个所述发送机站点接收的所述数据信号具有相对于在另一个所述发送机站点接收的所述数据信号的时间模糊，在每个所述发送机站点用于通过从所述高速数据信号流的公共射频信道信息同步和相干联播的改进装置，该通信系统包括：

用于从GPS系统的广播发送中接收和提取一个定时基准信号的接收机装置；

用于产生同步到所述GPS信号上的一对再同步基准频率信号音的再同步信号音产生装置；

用于接收和存储所述高速数据信号流的存储缓冲器装置；和

响应于所述一对基准信号音，在连续的基础上利用至少所述再同步基准频率信号音之一周期性地再同步所述高速信号流的读出信号的万用再同步电路装置。

6.在具有多个空间上分离的在基本相同射频频率上发送基本相同的射频信号的射频发送机的联播射频通信系统中，每个所述射频发送机具有一个相关的GPS接收机，一种周期地再同步从每个所述射频发送机发送的射频信号的方法包括步骤：

(a)在每个所述射频发送机的一个缓冲器中暂时存储要发送的射频信号数据；

(b)产生同步到所述GPS信号的一对再同步基准信号音；

(c)在所述多个发送机的每一个发送机，在连续的基础上，时时地和以响应于所述一对基准信号音的速率，周期地再同步在所述缓冲器的要被发送的射频信号数据的读出信号。

7.在包括通过数据链路连接在空间相分离的多个射频发送机的一个控制点类型的射频(RF)联播系统中，在所述控制点上可使用同步到接收的全球定位卫星(GPS)信号广播的时钟信号，一种从所述多个发送机提供基本上同时的高速数字数据发送的改进方法，所述改进方法包括以下步骤：

响应于所述控制点可用的所述时钟信号的定时，从所述控制点到所述多个发送机通过所述数据链路分配所述高速数字数据，所述高速数据的所述分配包括在所述多个发送机的每一个发送机接收和在缓冲器中存储所述高速数据的步骤：

在每个所述发送机从GPS广播接收定时基准信号；

在每个所述发送机产生同步到所述接收的GPS基准信号的定时/频率信号；

在每个所述发送机响应于所述产生的定时/频率信号产生一个另外的时钟信号；

在所述多个发送机的每一个发送机，时时地和以响应于所述定时/频率信号和所述另外的时钟信号的速率同步所述从缓冲器读出的所述高速数字数据；和

通过射频信道发送所述读出的已同步数据。

8.按照权利要求7的方法，其中所述同步步骤包括以响应于所述定时/频率信号的速率在连续的基础上周期地再同步从存储在所述缓冲器读出的所述存储的高速数字数据。

Images