CN1373962A - 用于同步移动通信网的基站的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

为了同步基站(BS1,BS2),尤其是为了实现无缝切换,将时间信息(ZI1,ZI2)从时间信息服务器(VE)经局域网(LAN)传送(有时根据请求)至所述基站(BS1,BS2)。由于无缝切换涉及的基站(BS1,BS2)通常彼此相邻,而且在所述局域网(LAN)中,当各基站彼此相邻时,在所述时间信息服务器(VE)和基站之间的时间信息(ZI1,ZI2)的相应传播时间和/或传播时间波动只有细微的差别,所以,特别是对于无缝切换,本发明能达到高精度的同步。

Description

用于同步移动通信网的基站的方法和装置
在许多通信系统中，可以用作不同目的、譬如用于传送语音、视频、传真、多媒体、信息、文本、程序和/或测量数据的终端已越来越多地不再使用有线连接。与这些移动终端的连接通常由所说的基站来完成，所述基站与通信网络相连并能通过空气接口与所述移动终端相连。在下文中，所述移动终端应理解为所说的那些无绳终端。
用户数据通常在由时钟预定的时帧内通过空气接口在移动终端和基站之间进行交换，在下文中，时帧也称为无线时帧。
在基站周围的区域中，能够在某个移动终端与该基站之间建立起预定质量的无线连接，这个区域也称为该基站的无线小区。为了供给具有连接能力的更大的区域，通常分布若干基站来覆盖所供给的区域，这样它们的无线小区便构成了一个覆盖整个区域的无线网络。这样，在这种无线网络中注册的移动终端便能在位于该无线网络的无线作用距离内的基站之间以任何希望的方式切换。当存在连接时，一个移动终端从第一基站“转到”第二基站的过程也称为“切换”。通常，在该连接过程中，这种切换应尽可能避免发生任何明显的连接中断。这也称为“无缝切换”。
但是，要执行无缝切换，前提是所涉及的基站必须针对所述空气接口彼此同步。例如，在无线时帧中嵌入需要经DECT空气接口传送的用户数据，而在无缝切换所涉及的那些基站中，这些无线时帧的起点彼此之间的差别不能超过2μs。
从该意义上讲，基站同步应理解为不同基站的无线时帧的同步，根据这些无线时帧与移动终端交换用户数据。
在公开文献WO96/38990中阐述了一种移动通信系统，其中，每个基站均经ISDN标准的S0接口与一个专用交换分机相连。在此，在现用传输协议的物理层上经所述S0接口将一个参考时钟从所述专用交换分机传送至这些基站。根据该参考时钟对这些基站中的时钟发生器进行同步，所述参考时钟由所有这些基站以相同的方式接收。
但是，随着通信系统联网的增加、语音与数据综合业务的增加、以及移动终端对复杂业务特征的使用的增加，人们发现经S0接口连接基站太不灵活。尤其是，在现用传输协议的物理层上传输所述参考时钟会导致缺乏灵活性，这是因为需要为此在所述专用交换分机和基站之间建立连续的层1连接。
本发明的一个目的是要阐述一种比现有技术更灵活的方法，用于同步移动通信网的基站，特别是用于无缝切换。另一个目的是阐述一种用于实现该方法的装置。
用具有权利要求1所述特征的方法和具有权利要求15所述特征的装置来实现该目的。
优选实施方案和本发明的改进在从属权利要求中定义。
为了使移动通信网的基站在其空气接口方面同步，通过局域网将诸如来自时间信息服务器的时同信息传送给所述的基站。这些基站通过按接收到的时间信息调校各自的时间标准来实现彼此同步。
所述局域网通常也称为LAN，它能够用各种方法实现，例如可以具有如下形式：以太网，令牌环，令牌总线或FDDI。即使是在复杂的移动通信网中本发明也能毫不费力地使基站同步。特别是，能够容易地将基站集成在本地计算机网络中，其中能够将已有的网络基础结构用于同步。从移动通信网的基站到局域网的连接还特别有利于越来越多的语音和数据通信综合业务。
本发明的一个主要观点是：通过局域网传输时间信息特别适用于同步基站，以实现无缝切换。实质上，由于只有相邻的基站参与切换过程，所以，在切换时也只有相邻基站的无线时帧彼此需要在“切换”时间点时高精确地同步。现在，本发明能实现相邻基站的彼此高精度同步，这是由于在彼此相邻的基站中，时间信息到达相应基站的传播时间和传播时间波动都只有细微的差别。
根据本发明的一个优选实施方案，通过重新调整基站的时钟发送器的时钟频率或和/相位来对该时钟发送器进行调整。为了避免所述时钟频率和/或相位突然发生变化，可以通过积分元件向所述时钟发送器传递相应的控制信号。还可以用加入或省去几个时钟脉冲来修正时钟发送器的误差，以作为此方法的另一种替代方法。
根据本发明的一个改进方案，可以由基站通过所述局域网从时间信息服务器请求时间信息。在此可以利用一些已知的网络协议作出该请求，如：所谓的网络时间协议(NTP)或数字时间同步协议(DTSS)。
为了提高所得到的时间信息的精度，可以对在请求时间信息和收到时间信息之间的时差进行测量，以便据此确定出从所述时间信息服务器到相关基站的时间信息的传播时间估计值。
假设所述请求的传播时间与所述时间信息的传播时间大致相等，那么该时间信息的传播时间就等于所测得的时差的一半。通过从在多次询问中所测量的时差或由它导出的量的平均值中确定出估计值，可以提高时间信息传播时间的估计值的精度。还可以利用该方法对经所述局域网传送的数据的传播时间波动进行补偿。而且还考虑用所确定的时间信息的传播时间估计值来修正所述的时钟发送器。
基站请求时间信息的频度可依据不同的判据。例如：可以依据该基站的时钟发送器的精度，依据所测得的在请求时间信息和收到时间信息之间的时差的变化范围，和/或依据在所述时钟发送器以前的调整中所确定的时钟发送器误差水平。优选地，所述时钟发送器的精度越低，以及所测得的时差和所确定的时钟发送器误差水平的变化范围越大，则请求时间信息就可以越频繁。
根据本发明的另一优选实施方案，经所述局域网接收的数据流可以缓存于按先进先出原理(FIFO)工作的输入缓冲存储器中，利用所述时钟发送器确定的时钟从该存储器中读出数据流的数据单元，以用于进一步处理。然后，根据所述输入缓冲存储器的填充状态重新调整该时钟发送器的时钟频率。假使经所述局域网接收的数据流至少时间平均地以数据流发射机的时钟发送器所预定的数据速率发射，那么便能时间平均地使所述基站的时钟发送器与所述数据流发射机的时钟发送器同步。为了补偿所述数据流的数据单元在短时间内的传播时间波动，根据所述填充状态得出的时钟频率控制信号可以经积分元件被传送给所述时钟发送器。
经所述局域网接收并要被发送给移动终端的通信数据的数据流-如：语音数据-最好能用于时钟频率控制。由于通信数据、尤其是语音数据在通信连接存在期间经常是恰好以一个取决于通信数据发射机的时钟的传输速率而被传输的，所以，借助接收到的通信数据或语音数据能够非常精确地稳定所述时钟发送器的时钟频率。
下面还将参照附图对本发明的一个实施例作更详细的阐述。
在本例中，在每个图示的情况中：
图1所示为含有两个基站的移动通信网，这两个基站经局域网与一个交换设备相连，以及
图2所示为与局域网相连的两个基站之一的详细示意图。
图1示意地示出一个含有交换设备VE以及两个基站BS1和BS2的移动通信网，所述交换设备与固定网FN相连，所述基站经局域网LAN与交换设备VE相连。在本实施例中，所述基站BS1和BS2为DECT形式的基站(欧洲数字无绳电话)。经所述基站BS1建立起到移动终端EG1的无线连接，而通往移动终端EG2的无线连接则经过所述的基站BS2。所述移动终端EG1还通过无线连接与同基站BS1相邻的基站BS2相连，以准备把基站BS1的连接控制转交给基站BS2(切换)。在本实施例中，每条所述的无线连接均用闪电符号表示。
所述交换设备VE经固定网接口FNS与固定网FN相连，而且还经网络接口NS与局域网LAN相连。所述交换设备VE还包括：一个中央控制器ZS，该控制器与所述网络接口FNS和NS相连并含有一个实时时钟RTC；以及一个GPS(全球定位系统)接收机GPS，用于接收来自卫星SAT的世界时间信息。通过按有规律的时间间隔发送最新时间信息ZI，由所述GPS接收机对实时时钟RTC进行调整。
所述局域网LAN支持面向包的数据传输，该局域网可以是以太网、令牌环、令牌总线或FDDI等形式。另外，除通信设备之外，还能将数据处理装置(未示出)与该局域网LAN相连。在本实施例中，所述局域网LAN不仅用于传送所有通信数据，而且还用于在所述交换设备VE和基站BS1、BS2之间传送所有控制数据。由于局域网能够非常方便地进行扩展和增加通信和/或数据处理装置，所以，用这种方法实现的移动通信网能够非常灵活地满足各种不同的需求。
在本实施例中，通信数据KD1和KD2-如语音数据-经所述固定网FN到移动终端EG1和EG2之间的连接从该固定网FN传送至交换设备VE。在该交换设备VE中，所述中央控制器ZS给经所述固定网接口FNS接收到的通信数据KD1、KD2均装设一个用于识别局域网LAN中的基站BS1和BS2的地址信息，并经网络接口NS将该通信数据传送至局域网LAN。所述基站BS1和BS2从局域网LAN接收带有其地址的各自的通信数据；即：基站BS1接收通信数据KD1，基站BS2接收通信数据KD2。然后，所述基站BS1和BS2将接收到的、随后被嵌入DECT时帧的通信数据KD1和KD2分别以无线方式发送给所述移动终端EG1和EG2。
为了在存在连接期同允许移动终端(在本例中为EG1)在两个相邻的基站(在本例中为BS1和BS2)之间进行“无缝切换”，根据所述DECT标准，这两个基站必须保证±10-3％的频率精度。而且，在所述基站BS1和BS2的DECT时帧-基于该时帧向移动终端传送数据-彼此之间必须同步，容差为2μs。为了使所述基站BS1和BS2彼此同步，这两个基站BS1和BS2都要恰好与中央时钟发送装置同步，在本例中是与所述交换设备中VE中的实时时钟RTC同步。在此，经所述局域网LAN实现该同步。为此，基站BS1和BS2经所述局域网LAN并例如根据所谓的网络时间协议(NTP)分别向交换设备VE发送时间请求信号ZA1或ZA2。由所接收到的时间请求信号ZA1、ZA2促使所述交换设备VE分别向实时时钟RTC请求最新时间信息ZI1或ZI2，然后给该信息装设用于识别相应基站BS1或BS2的地址信息，并经所述局域网LAN被一同发送给相应的被寻址基站BS1或BS2。因此，所述交换设备VE在该局域网中满足时间信息服务器的功能。
图2更详细地示出所述基站BS1的示意图。作为其它功能性元件，经网络接口NS与所述局域网LAN相连的基站BS1还包含有：一个接收装置EE，一个输入缓冲存储器EP，一个时钟发送器ZTG，一个时钟调整装置ZJ，一个频率控制器FS，以及一个DECT无线部分DECT。所述时钟调整装置ZJ本身还含有：一个内部时钟CLK，一个传播时间确定装置LB，一个传播时间校正装置LK和一个积分元件IG。为了清楚起见，本示意图中并未示出基站BS1的其他功能性元件，这不会直接影响对本发明的理解。所实现的功能性元件也可以是在该基站BS1的系统处理器中运行的软件模块。
所述时钟发送器ZTG不仅提供比特时钟BT，而且还提供与之同步的帧时钟RT。所述比特时钟BT的频率和所述帧时钟RT的频率在本例中是可控的。所述比特时钟BT代表了基站BS1中控制过程的基本时间标准，而所述帧时钟RT则为所述DECT时帧提供时间标准。在本实施例中，将该比特时钟BT提供给所述时钟调整装置ZJ、输入缓冲存储器EP以及DECT无线部分DECT。特别是，在所述时钟调整装置ZJ中，所述比特时钟BT用于向内部时钟CLK提供计时脉冲。而且，不仅为所述DECT无线部分DECT提供该比特时钟BT，还为其提供所述帧时钟RT，该时钟给定了由所述DECT无线部分DECT发射的DECT时帧的时间模式。
为了使所述时钟发送器ZTG与交换设备VE中的时间标准同步，所述时钟调整装置ZJ经网络接口NS和局域网LAN向交换设备VE发送时间请求信号ZA1。在本例中，借助所述内部时钟CLK对时间请求信号ZA1的发送时间点进行登记和存储。如上所述，该时间请求信号ZA1促使交换设备VE经局域网LAN向基站BS1发送所述时间信息ZI1。该时间信息ZI1通过所述基站BS1的网络接口NS传递给接收装置EE，在该处将时间信息ZI1从经局域网LAN接收并含有所述通信数据KD1的数据流中取出。提取出的时间信息ZI1从所述接收装置EE传递给时钟调整装置ZJ，该装置利用内部时钟CLK确定出所述时间信息ZI1的接收时间点，并分析处理该时间信息ZI1的时间信息内容。然后，所述传播时间确定装置LB将时间信息ZI1在局域网LAN中的传播时间估测成位于所确定的时间信息ZI1的接收时间点与所存储的、所述时间请求信号ZA1的发送时间点之间的时差的一半。
为了提高所述传播时间的确定精度和补偿短时间内的传播时间波动，将得到的传播时间值与前面确定的传播时间值一同求平均。最好得出浮动的平均值。如果需要，还可以在所述传播时间的确定过程中引入该时间信息ZI1的时间标志。
接着，由所述传播时间校正装置LK以先前确定的时间信息ZI1的传播时间来校正由所述时间信息ZI1的时间信息内容所指示的时间。然后，将该校正时间与所述内部时钟CLK在时间信息ZI1的接收时间点时所指示的时间进行比较。随后，为了控制所述时钟发生器ZTG的时钟频率，根据该比较结果形成一个频率控制信号FRS。该频率控制信号FRS经所述时间积分元件IG从时钟调整装置ZJ发出，而积分元件IG的时间常数被设计成能补偿存在于所述局域网LAN中的典型传播时间波动。
如果所述内部时钟CLK与交换设备VE的实时时钟RTC之间存在相当大的差异，则所述时钟调整装置ZJ可以优选地以很短的时间间隔向交换设备VE请求时间信息。
在每次接收时间信息之间的时间间隔内，借助同样经局域网LAN接收的通信数据KD1来稳定所述时钟发送器ZTG的时钟频率。为此，从所述接收装置EE将该通信数据KD1提供给输入缓冲存储器EP的输入端。该存储器具有先进先出的存储形式，这样，将暂时存储的数据从中读出时会按与其存入时相同的时间顺序进行。该先进先出存储器通常也称为“FIFO”。根据从所述时钟发送器ZTG提供的比特时钟BT将已暂时存储在所述输入缓冲存储器EP中的通信数据KD1从该缓存器中读出，并送至所述DECT无线部分DECT。最后，再从这里将该通信数据KD1用无线方式传送至移动终端EG1。
通常，通信数据、尤其是语音数据是以恒定的数据速率从交换设备发送至终端，该数据速率严格地以所述交换设备的时钟为基准。尽管以恒定数据速率传送的通信数据可能会经历这种传播时间波动，但这些通信数据至少是时间平均地以相同的数据速率到达所述接收机的。因此，可以将已接收的通信数据的数据速率时间平均值用于使这种通信数据的接收机和所述发射机中的时钟同步。
在本实施例中，从所述交换设备VE以恒定数据速率发送的通信数据KD1、KD2还被所述基站BS1、BS2用来在每次询问时间信息的时间间隔内稳定自身时钟发送器ZTG的时钟频率。为此，在基站BS1中按规则的时间间隔测定当前的填充状态，也即该输入缓冲存储器EP最多能填充通信数据KD1的极限，并将其以填充状态信息FI的形式传送给所述频率控制器FS。该频率控制器FS根据所述填充状态信息FI构成频率控制信号FRS，该信号FRS经积分元件IG发出，并与由所述时钟调整装置ZJ生成的频率控制信号相结合，以控制所述时钟发送器ZTG的时钟频率。在所述频率控制器FS中的积分元件IG的时间常数被设计成能补偿存在于所述局域网LAN中的通信数据KD1的典型传播时间波动。例如，为了构成浮动的平均值，所述频率控制器FS和时钟调整装置ZJ中的积分元件IG可以实现为数字电路。如果所述输入缓冲存储器的填充状态高于平均值，所述频率控制器FS则产生一个频率控制信号FRS，以提高所述时钟发生器ZTG的时钟频率，但是，如果该输入缓冲存储器FS的填充状态低于平均值，则产生一个用于降低该时钟频率的频率控制信号。从所述时钟调整装置ZJ和频率控制器FS发出的这些频率控制信号FRS在被提供给时钟发送器ZTG之前均可与预定的加权系数相结合。在本例中，时钟调整装置ZJ产生的频率控制信号FRS的加权系数大于频率控制器FS产生的频率控制信号的加权系数。由于借助所述输入缓冲存储器EP的填充状态能对时钟发送器ZTG的时钟频率进行辅助的稳定，所以也可以使用不带任何复杂温度稳定的、相对低成本的石英晶体振荡器来作为该时钟发送器ZTG，这样，即使在每次的时间询问之间的时间间隔较长也能保证同步。
即使经局域网LAN传输所述时间信息ZI1、ZI2以及通信数据KD1、KD2不是时间透明的，但本发明也能使相邻基站BS1和BS2具有足够的同步精度以用于无缝切换过程。尤其是对于相邻基站，由于时间信息ZI1、ZI2和通信数据KD1、KD2的传播时间和传播时间波动只有细微的差别，所以得到了如此高的同步精度。
在本实施例中，也可以通过使用多个频率控制机构以及用所述积分元件IG补偿传播时间波动来提高所述同步精度。
为了在相当大的局域网LAN中也能保证无缝切换过程所需的、所述基站BS1和BS2之间的同步精度，可以如此地配置诸如中继器和/或路由器等局域网LAN的网元，使得连接在所述交换设备VE和相应基站BS1或BS2之间的、以及连接在所述基站BS1和BS2之间的网元的数量均不超过各自预定的数量。

Claims (23)

1.用于同步移动通信网的基站(BS1，BS2)的方法，其中
a)经局域网(LAN)把时间信息(ZI1，ZI2)传送给所述基站(BS1，BS2)，
b)借助所述时间信息(ZI1，ZI2)的接收时间点和时间信息内容来调整接收时间信息(ZI1，ZI2)的各基站(BS1，BS2)的时钟发送器(ZTG)，并且
c)利用所述时钟发送器(ZTG)的信号(RT，BT)来控制各基站(BS1，BS2)的、与发射无线时帧有关的功能流程。
2.根据权利要求1的方法，
其特征在于，
通过重新调整时钟频率和/或相位来调整基站(BS1，BS2)的所述时钟发送器(ZTG)。
3.根据权利要求1或2的方法，
其特征在于，
通过去掉或加入时钟脉冲来调整基站(BS1，BS2)的所述时钟发送器(ZTG)。
4.根据上述权利要求之一的方法，
其特征在于，
由基站(BS1，BS2)通过所述局域网(LAN)向时间信息服务器(VE)请求时间信息(ZI1，ZI2)。
5.根据权利要求4的方法，
其特征在于，
请求和传送所述时间信息(ZI1，ZI2)均依据标准网络协议进行。
6.根据权利要求4或5的方法，
其特征在于，
对所述时间信息(ZI1，ZI2)的请求和接收之间的时差进行测量，
借助测得的该时差求出所述时间信息(ZI1，ZI2)从时间信息服务器(VE)到基站(BS1，BS2)的传播时间估计值，并且
利用求出的所述时间信息(ZI1，ZI2)的传播时间估计值来调整所述时钟发送器(ZTG)。
7.根据权利要求6的方法，
其特征在于，
用所述基站(BS1，BS2)中的时钟发送器(ZTG)来测量所述时差。
8.根据权利要求6或7的方法，
其特征在于，
对多个测得的时差或由此导出的量求平均值，以确定所述时间信息(ZI1，ZI2)的传播时间估计值。
9.根据权利要求4～8之一的方法，
其特征在于，
由基站(BS1，BS2)经所述局域网(LAN)以规则的时间间隔请求时间信息(ZI1，ZI2)。
10.根据权利要求6～8之一的方法，
其特征在于，
基站(BS1，BS2)经所述局域网(LAN)请求时间信息(ZI1，ZI2)所按的时间间隔依赖于测得的时差的变化程度。
11.根据上述权利要求之一的方法，
其特征在于，
经所述局域网(LAN)从基站(BS1，BS2)接收的数据流(KD1，KD2)被缓存在按先进先出原理工作的输入缓冲存储器(EP)中，以所述时钟发送器(ZTG)所确定的时钟(BT)将该数据流(KD1，KD2)的数据单元从所述存储器读出，以用于进一步处理，
测定所述输入缓冲存储器(EP)的填充状态，以及
根据所述测定的填充状态重新调整所述时钟发送器(ZTG)的时钟频率。
12.根据权利要求11的方法，
其特征在于，
所述需缓存于输入缓冲存储器(EP)中的数据流包含了经局域网(LAN)接收并要发送给移动终端(EG1，EG2)的通信数据(KD1，KD2)。
13.根据权利要求11或12的方法，
其特征在于，
借助接收的时间信息(ZI1，ZI2)调整所述时钟发送器(ZTG)要优先于借助测定的填充状态所作的调整。
14.根据上述权利要求之一的方法，
其特征在于，
基站(BS1，BS2)经局域网(LAN)从多个时间信息服务器接收时间信息，并将其用于调整所述时钟发送器(ZTG)。
15.用于同步移动通信网的基站(BS1，BS2)的装置，其中，所述基站(BS1，BS2)与局域网(LAN)相连，而且
分别具有用于借助经局域网(LAN)传送的时间信息(ZI1，ZI2)来同步各基站的时间标准的工具。
16.根据权利要求15的装置，
其特征在于，
与所述局域网相连的时间信息服务器(VE)有一个时间发送装置(RTC)，用于经局域网(LAN)向所述基站(BS1，BS2)发送时间信息(ZI1，ZI2)，
所述基站(BS1，BS2)均包括：
-一个时钟发送器(ZTG)，
-一个时间信息接收装置(EE)，用于从经局域网(LAN)接收的数据流中提取出时间信息(ZI1，ZI2)，
-一个时钟调整装置(ZJ)，用于借助所接收的时间信息(ZI1，ZI2)的接收时间点和时间信息内容来调整所述时钟发送器(ZTG)，以及
-一个控制装置(DECT)，用于借助所述时钟发送器(ZTG)的信号(RT，BT)来在时间控制与发射无线时帧有关的功能流程。
17.根据权利要求16的装置，
其特征在于，
所述时间信息服务器(VE)有一个卫星导航接收装置(GPS)，用于接收世界时间信息以及借助所接收的世界时间信息为该时间信息服务器(VE)预设时间标准。
18.根据权利要求16或17的装置，
其特征在于，
所述基站(BS1，BS2)均有一个时间询问装置(ZJ)，用于通过局域网(LAN)请求时间信息(ZI1，ZI2)。
19.根据权利要求18的装置，
其特征在于，
所述基站(BS1，BS2)均包括：一个时间测量装置(CLK)，用于测量在请求与接收时间信息(ZI1，ZI2)之间的时差；一个传播时间确定装置(LB)，用于借助所测的时差来确定所述时间信息(ZI1，ZI2)从时间信息服务器(VE)到相应基站(BS1，BS2)的传播时间估计值，以及
一个传播时间校正装置(LK)，用于以其所估测的传播时间来校正所述时间信息(ZI1，ZI2)。
20.根据权利要求19的装置，
其特征在于，
所述时间测量装置(CLK)被实施为一种借助所述时钟发送器(ZTG)的信号(BT)进行计数的计数器。
21.根据权利要求16～20之一的装置，
其特征在于，
所述基站(BS1，BS2)均包含：一个输入缓冲存储器(EP)，用于缓存经所述局域网(LAN)接收的数据流(KD1，KD2)；
一个填充状态测定装置，用于测定所述输入缓冲存储器(EP)的填充状态；以及一个时钟频率控制装置(FS)，用于根据所测定的填充状态重新调整所述时钟发送器(ZTG)的时钟频率。
22.根据权利要求16～21之一的装置，
其特征在于，
所述基站(BS1，BS2)均包含一个PPL电路，用于控制所述时钟发送器(ZTG)的时钟频率。
23.根据权利要求15～22之一的装置，
其特征在于，
基站(BS1，BS2)在所述局域网(LAN)中彼此相邻。
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