CN1373945A - 基站的频率同步 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及蜂窝电话网网络部分,它包括:一个基站(102),该基站(102)包括一个本地时钟(330);一个经过异步数据传输连接(312)连接到基站(102)的网络单元(300),该网络单元(300)包括一个基准时钟(302);该基准时钟(302)包括生成(306)时间戳信号的装置,以及将时间戳信号(308)经过异步数据传输连接(312),从网络单元(300)发送(310)至基站(102)的装置;基站(102)包括接收(314)经过异步数据传输连接(312)发送的时间戳信号(308)的装置,以及在已接收的时间戳信号(308)基础上,计算(316)基站(102)的本地时钟时间(332)和基准时钟(302)时间(304)的偏差量的装置。基站还包括在至少一个计算出的偏差(318)基础上,为本地时钟(330)生成(322)速度校正因数(324)的装置;通过应用速度校正因数(324)来校正(326)本地时钟(330)运行的装置;以及一个频率合成器(212),它通过使用经速度校正因数(324)校正后的本地时钟(330)来生成基站(102)所需的频率。

Description

基站的频率同步
技术领域
本发明涉及了在蜂窝电话网网络部分中执行基站的频率同步。
背景技术
蜂窝电话网基站要求精确时钟信号以保证高的频率稳定性和空中接口的精确定时。GSM技术规范要求空中接口相对准确度为5×10-8，在皮蜂窝环境下应用的基站中可以放宽至10-7。这个高的准确度是通过将时钟信号以脉冲序列形式通过国内电话主线，通过GSM基础结构，例如移动交换中心(MSC)或基站控制器(BSC)，传递至基站而实现。
国内基准时钟二十四小时以内的相对频率稳定性为10-11。但是通往基站的长传输链引起时钟信号的抖动和漂移。基站在其2MBit/sPCM(脉冲编码调制)Abis接口上依赖于1.5×10-8准确度。基站内的变码器具有锁相于PCM时钟脉冲的16MHz时钟(可细分至2MHz)，2MHz以上的抖动和漂移被滤掉，信号被平均的时间超过大约15分钟。通过这种方式“净化”后的2MHz时钟信号准确度得到提高，并用作基站控制器功能(BCF)内的26MHz时钟的基准时钟。无线接口的所有频率和定时最终都由这个26MHz时钟得到。
向基站提供精确时钟的现有方法依赖于已存在的联系固定网络与基站的连续性传输链。但如果部分传输链通过无计时网络时就将出现问题，新的室内蜂窝电话网面临的情况正是如此。这些网络中通常没有BSC，BSC的功能实体分布在IP(因特网协议)网络，或内联网内。IP网络因为异步运行，且传输次数非常多变并无法预见，所以没有被计时。
这个问题的一个技术解决方案是为一个网络单元装备一个高精密时钟，而且时钟信号通过同步线路，如ISDN(综合业务数字网)或HDSL(高比特率数字用户线)传输线分配给基站。
但是，室内蜂窝电话网的目标是要通过将基站和异步网络直接连接，以充分利用办公环境内已有的网络敷设电缆。
提供额外电缆以传递时钟信号违备了使用内联网的主要原因：充分利用已有网络。有额外电缆时，根本没有连接基站和LAN(局域网)的必要。基站可以通过同步的、仅需一个简单对绞电缆的HDSL传输直接连接到网络。
基站可使用的时钟多种多样。非常昂贵的时钟需要恒温环境(恒温器保存)，其提供的准确度甚至可以接近国内基准时钟的准确度。为增进系统的费用效率，昂贵的、恒温器保存的时钟应尽可能避免使用，尤其在基站中。
发明内容
本发明的一个目的在于提供可以解决上述问题的设备。该设备如下所述是蜂窝电话网的网络部分，它包括：一个基站，该基站包括一个本地时钟；一个经过异步数据传输连接连接到基站的网络单元，该网络单元包括一个基准时钟；基准时钟包括生成时间戳信号的装置，以及将时间戳信号经过异步数据传输连接从网络单元发送至基站的装置；基站包括接收经过异步数据传输连接发送的时间戳信号的装置，以及在已接收的时间戳信号基础上，计算基站的本地时钟时间和基准时钟时间偏差量的装置。基站还包括在至少一个计算出的偏差基础上，为本地时钟生成速度校正因数的装置；用速度校正因数来校正本地时钟运行的装置；和一个频率合成器，它通过使用经速度校正因数校正后的本地时钟来生成基站所需的频率。
本发明还涉及在蜂窝电话网中执行基站频率同步的方法。该方法包括的步骤为：在蜂窝电话网网络单元内保持一个基准时钟；在基准时钟内生成一个时间戳信号；将时间戳信号经过异步数据传输连接，从网络单元传递至基站；在传递的时间戳信号的基础上，计算基站本地时钟时间和基准时钟时间的偏差量。该方法还包括以下步骤，在至少一个计算出的偏差的基础上，为本地时钟生成速度校正因数；利用速度校正因数来校正本地时钟的运行；通过使用经速度校正因数校正后的本地时钟，来生成基站所需的频率。
本发明的优选实施例在相关权利要求中公开。
本发明的基本构思是在时间戳提供的时间数据基础上控制基站时钟的运行。
本发明的方法和设备提供了一些优点。基站不需要昂贵的时钟，这减少了基站的建造费用。另外，传输时间戳信号无需同步数据传输连接，异步数据传输连接即可。本方法运行时，时延变动的稳定性而非传输延时的时长是必需的。
附图说明
下文将结合具体实施例，并参照附图详细描述本发明。在附图中：
图1示出蜂窝电话网结构实例；
图2示出收发信机结构；
图3示出本发明的蜂窝电话网结构实例；
图4以流程图示出本发明的方法的措施。
具体实现方式
图1描述了蜂窝电话网的典型结构。图1仅包括了描述本发明的必需部分，尽管对于本领域技术人员来说，传统蜂窝电话网显然还包括其它功能和结构，但这些都不需要在本文件深入探讨。本实例示出了应用TDMA(时分多址)的GSM蜂窝电话网，但本发明并不仅限于此。
蜂窝电话网通常包括固定网络基础结构，即网络部分，以及用户终端150，例如固定终端、车载终端和移动终端。一个用户终端可以是，例如一个可通过附加插件装置连接到便携式计算机的标准移动电话，这就可以应用于，比如说为分组的排序和处理进行的分组传输。
网络部分包括基站100。若干基站100由与其相连的一个基站控制器以集中方式控制。基站100包括收发信机114。基站100通常包括1到16个收发信机114。一个收发信机向一个TDMA帧，即通常向8个时隙，提供无线电容量。
基站100包括一个控制器118，以控制收发信机114和复用器116的运行。复用器116安排业务量并控制多个收发信机114通向单独传输连接160的信道。基站100的收发信机114与向用户终端150提供双向无线电连接170的天线装置112连接。在双向无线电连接170中传送的帧的结构被具体限定，这种连接被称为空中接口。
图2示出了收发信机114的详细结构。接收机200包括一个阻塞理想频带以外频率的滤波器。信号因此转变为中频或直接转化为基带，并以这种形式在模数转换器202内被抽样和量化。均衡器204补偿干扰，比如多径传播引起的干扰。解调器206从均衡后的信号中获得一个比特流，该比特流被传递至去复用器208。去复用器208根据不同的时隙将比特流分离入各分离逻辑信道。信道编解码器216将各分离逻辑信道的比特流解码，即确定一个比特流是将被传送至控制器214的信令数据，还是将被传送240至基站控制器102的语音编译码器122的语音。信道编解码器216还完成纠错。控制器214通过控制不同单元，来执行内部控制功能。突发形成器228为从信道编解码器传送来的数据加一个训练序列和尾随脉冲。复用器226为每个突发指定一个时隙。调制器224将数字信号调制为一个射频载波。这是一个模拟运算，因此为执行它必须有一个数模转换器222。发送机220包括一个限制带宽的滤波器。另外，发送机220控制传输的输出功率。合成器212为不同单元安排所需的频率。合成器212包括一个时钟，在本发明中该时钟由另一网络单元控制，例如由基站控制器102控制。合成器212通过使用比如一个压控振荡器生成所需的频率。
如图2所示，收发信机的结构可以细分为射频部分230和包括软件的数字信号处理器232。射频部分20包括接收机200、发送机220和合成器212。包括软件的数字信号处理器232包括均衡器204、解调器206、去复用器208、信道编解码器216、控制器214、突发形成器228、复用器226和调制器224。模数转换器202是模拟无线电信号转换为数字信号所必需的，相应地，数模转换器222是数字信号转换为模拟信号所必需的。
基站控制器102包括一个交换域120和一个控制器124。交换域120用于交换语音与数据以及连接信令电路。基站100和基站控制器102形成基站系统，该系统此外还包括语音编解码器122。语音编解码器122使公众电话交换网和无线网间不同的数字语音编码模式兼容，例如从64kbit/s固定网络形式到另一蜂窝电话网形式(比如13kbit/s)，或相反。语音编解码器112通常距离移动交换中心132尽可能近，因为这允许语音在语音编解码器122和基站控制器102之间以蜂窝电话网形式传递，从而节省传输容量。控制器124执行呼叫控制、移动性管理、统计数据和信令搜集。
图1示出了如何在用户终端150和公众电话网终端136之间建立电路交换传输连接。本图中，一条线示出了数据怎样通过系统，通过空中接口，从天线112到收发信机114，经复用器116复用后通过传输连接160到交换域120，在交换域120内已建立和通向语音编解码器122的输出端的连接，而后通过建在移动交换中心132内的连接到连接在公众电话交换网134上的终端136。基站100内的控制器118控制执行传输的复用器118，而基站控制器102内的控制器124则控制交换域，以保证正确交换。
本发明特别适合应用于办公室内的蜂窝电话网。基站100在这种情况下被称为办公室基站。安装在办公室内的蜂窝电话网提供的主要好处是，允许建筑物内部的电信网被免费应用于提供基站100和基站控制器102之间的传输连接160。电信网可以是，例如IP网(因特网协议)或ATM网(异步传送方式)。比如，当IP网被使用时，每个网络单元都有一个单独的IP地址，使数据包可以据此寻址。电信网当然也可以是将公司各地理分隔的办公室连接起来的较大公司内部网，即内联网。
如上所述，室内蜂窝电话网并不必须具有称为基站控制器的网络单元。相反，基站控制器提供的功能可以由经过异步数据传输连接连接在一起的网络单元分散执行，例如当控制器由两部计算机组成，这两部计算机可以共同提供基站在电信网内的正常功能，并提供电信业务所需的管理。
根据本发明，蜂窝电话网的网络单元，如基站控制器102，发送时间戳，基站直接接收时间戳，且每个基站生成自己的基准频率。
另一技术方案是由一个被修改后应用在专用于蜂窝电话网的LAN内的LAN节点单元，如集线器、桥接器、路由器或交换机，发送时间戳，基站直接接收时间信号，且每个基站生成自己的基准频率。特别地，集线器提供了话务中较少发生争用的好处，从而使时间信号发送功能更值得信赖。
基站可以装备较便宜的时钟。较昂贵的时钟在各单元发送时间戳时可能需要，但无论怎样其需要量很小。
关于发送时间戳的网络单元转而由何处可以接收到精确基准的选择有多种：
它可以接收国内基准时钟生成的时钟信号，国内基准时钟通过A-接口，即通向MSC 132的接口，在蜂窝电话网内是“可见”的。然后，输入的时钟脉冲以与现有基站采用的技术相似的方式被平均。这样，时间戳发送单元内的时钟至少可以达到1×10-8的准确度。
国内基准时钟也可能通过其它一些电信线路“看到”，例如通向因特网服务商的一个E1/T1连接。
时间戳发送单元可以有一个内置独立时钟，尤其当通过IP网的准确度损失大于此处的预期，或国内基准时钟不可见时(例如一个设有A-接口的独立室内蜂窝电话网)。一个准确度达1×10-9的时钟可能是必须的，例如一个原子钟，或GPS(全球定位系统)钟，在这种情况下GPS接收机的天线可能不得不位于建筑物之外。
如果时间戳发送单元易于通过电缆连接独立时钟，例如这些单元共贮于一个装备间，每个室内蜂窝电话网系统或建筑物有一个独立时钟可能就足够了。
另一种可能的技术方案是将一个外部基站空中传递的时钟信号直接作为基准时钟。在此情况下，时间戳发送单元可以采用本方法空中同步其时钟的频率。
上述技术方案有一个优点，那就是既然基站并不一定要位于网络单元附近，一个传递时间戳的网络单元就可以服务于多个基站。
图3示出了本发明的蜂窝电话网内网络部分结构实例。右边有虚线的矩形图示出了适合于本发明的基站102的结构。基站102包括一个本地时钟330。
左边有虚线的矩形图示出了经过异步数据传输连接312连接到基站102的网络单元300。该网络单元300包括一个基准时钟302。异步数据传输连接312实际上同图1所示的数据传输连接160相同。
基准时钟包括生成306一个时间戳信号的装置，以及通过异步数据传输连接312，将时间戳信号308从网络单元300发送310至基站102的装置。
时间戳接收单元，即基站102，周期性请求336描述时间信号生成时连续两点之间区别的时间信号。请求决定因而是分散的。另一种可能是时间戳发送单元，即网络单元300，无需特别的时间戳请求336，自动发送时间戳312。
基站102包括接收314通过异步数据传输连接312发送来的时间戳信号308的装置，以及在接收的时间戳信号308基站上，计算316基站102的本地时钟时间332和基准时钟302时间304的偏差量的装置。
时间戳信号308自然地也用作改变基站102的本地时钟时间332，使其和基准时钟302时间相一致。这是本方法的运行所必需的，否则就无需同步时钟，因为蜂窝网内不同基站的传输通常是异步的。
基站102还包括在至少一个计算出的偏差318的基础上为本地时钟330生成302一个速度校正因数324的装置；通过使用速度校正因数324来校正本地时钟330运行的装置；和一个通过使用经速度校正因数324校正后的本地时钟330来生成基站102所需频率的频率合成器212。
因此，速度校正因数324说明怎样在未来校正本地时钟330运行以使其运行更为准确。换句话说，本地时钟330的时间并不是随时被改变的，但时钟的运行速度一直受控制。本地时钟130要在至少50-100小时内保持所需的准确度。在本地时钟330内，一个差动电压控制机制被用于改变时钟的速度。速度校正因数324从本地时钟330的实际速度和与接收到的时间戳312相应的基准时钟312速度之间的差别中获得。
在优选实施例中，速度校正因数324表明何时本地时钟330的电源电压改变，所以时钟速度的实际校正是由差动控制电压完成。差动电压的运用约有80％是准确的，因为电压的相对变动非常小，而且电压和时钟速度间的关系并不是完全线性的。迭代提供了精确校正时钟的装置；5-10次迭代就足够了。一个迭代进程的总时间大大短于差动电压控制电路特征改变的典型时标(大约为一年)。所以，速度校正因数324补偿本地时钟330特性中的逐步变化。因此，速度校正因数324以一年一次以上可以更好地被调节。
时间戳每24小时可在低业务量时段(如夜里)被请求一次。这正是一个应用于以下计算的实例。根据内联网的特定延时可变特性在网络单元300中，由业务人员设定。
时间戳在IP网内被延时，但对于本方法，这些时延的可变性是相关量。对于2×10-8的目标准确度，时延可变性必须少于2毫秒。
在优选实施例中，基站102包括计算通过异步数据传输连接312发送来的时间戳信号的传输延时变动，比较偏差和预定限制，并在偏差超过预定限制时推断本地时钟准确度未达所需水平的装置320。该限制比如说可以是以上提及的2毫秒。如果时钟的准确度达到所需准确度，无需采取措施，但如果未达到，那么例如监控蜂窝电话系统的管理系统内的警报器338就会起动。
已达成的协议，比如网络时间协议(NTP)，可能被用于传输时间戳。时间戳发射单元充当NTP服务器，时间戳接收单元充当NTP用户。NTP测量传输延时，并在一个持续2秒的迭代过程内校正时间戳。协议并不一定要像NTP一样以IP为基础，但应当也直接建立在以太网络链路层的上部。
时间戳的较高速率并不能提高本方法的准确度。但比如每小时一个时间戳的速率允许时间戳接收单元估计时延可变性，并且确认是达到了以上提及的限制还是生成警报。
本发明可以大量减少办公室系统内昂贵时钟的数量，因为若干基站可从同一个时间戳发送单元接收基准频率。这种情况的一个实例是，在一个建筑物内有一个网络单元(甚至可以是一个基站)使用外部网络作为基准时钟。这个基准网络单元向建筑内部的其它基站发送时间戳。在一个建筑物内部，IP时延可变性相当低。但对于分布广的内联网，时延可变性变得相当高。因此，需要不止一个时间戳发送单元。
本发明网络部分的一些部分可以由在处理器内运行的软件的装置更好地完成。本发明网络部分的一些部分同样也可以像一个硬件技术方案一样被完成，例如通过应用asic(专用集成电路)或分离逻辑。
本发明也可以描述为图4示出的方法。该方法由方框400开始。方框402内是在蜂窝电话网络部分保持基准时钟。方框404内是在基准时钟内生成一个时间戳信号。方框406内是将时间戳信号经过异步数据传输连接由网络单元传递至基站。方框408内是在传送的时间戳信号基础上计算基站本地时钟时间和基准时钟时间的偏差量。方框410内是从至少一个计算出的偏差为本地时钟生成速度校正因数。方框412是应用速度校正因数校正本地时钟的运行。方框414内是应用经过速度校正因数校正后的本地时钟生成基站所需的频率。本方法在方框416结束。
尽管本发明根据一个结合附图的实例描述如上，但其显然并不仅限于本例，而可以在所附权利要求中揭示的发明思想的很多方面有所变动。

Claims (10)

1.一种蜂窝电话网网络部分，包括：
一个基站(102)，该基站(102)包括一个本地时钟(330)；
一个经过异步数据传输连接(310)连接到基站(102)的网络单元(300)，该网络单元(300)包括一个基准时钟(302)；
该基准时钟(302)包括生成(306)时间戳信号的装置，以及将时间戳信号(308)经过异步数据传输连接(312)，从网络单元(300)发送(310)至基站(102)的装置；
基站(102)包括接收(314)经过异步数据传输连接(312)发送的时间戳信号(308)的装置，和在已接收的时间戳信号(308)基础上，计算(316)基站(102)中的本地时钟时间(332)和基准时钟(302)时间(304)的偏差量的装置；
其特征在于
基站(102)还包括在至少一个计算出的偏差(318)基础上，为本地时钟(330)生成(322)一个速度校正因数(324)的装置；用速度校正因数(324)来校正(326)本地时钟(330)运行的装置；和一个频率合成器(212)，它通过使用经速度校正因数(324)校正后的本地时钟(330)来生成基站(102)所需的频率。
2.根据权利要求1所述的网络部分，其特征在于，速度校正因数(324)指示何时本地时钟(330)的电源电压改变。
3.根据权利要求2所述的网络部分，其特征在于，速度校正因素(324)补偿本地时钟(330)特性中的逐步变化。
4.根据权利要求3所述的网络部分，其特征在于，速度校正因数(324)一年一次以上地被调节。
5.根据权利要求4所述的网络部分，其特征在于，基站(102)包括计算通过异步数据传输连接(312)发送来的时间戳信号(324)的传输延时偏差，比较偏差和预定限制，并在偏差超过预定限制时推断本地时钟准确度未达所需水平的装置(320)。
6.一种在蜂窝电话网中执行基站频率同步的方法，包括以下步骤：
(402)在蜂窝电话网网络单元内保持一个基准时钟；
(404)在基准时钟内生成一个时间戳信号；
(406)将该时间戳信号经过异步数据传输连接，从网络单元传送至基站；
(408)在传送的时间戳信号基础上，计算基站本地时钟时间和基准时钟时间的偏差量；
其特征在于
(410)在至少一个计算出的偏差基础上，为本地时钟生成时间校正因数；
(412)利用时间校正因数来校正本地时钟的运行；
(414)通过使用经速度校正因数校正后的本地时钟，来生成基站所需的频率。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，速度校正因数指示何时基站本地时钟的电源电压改变。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，速度校正因数补偿本地时钟特性中的逐步变化。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在一年一次以上地执行校正。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，计算经异步数据传输连接发送的时间戳信号的传输延时偏差，将该偏差与预定限制相比较，如果偏差超过预定限制，则推断基站本地时钟的准确度未达所需的水平。
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