CN1382329A

CN1382329A - 移动通信系统中使基站同步的方法

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Publication number: CN1382329A
Application number: CN00814640.3A
Authority: CN
Inventors: A·P·胡尔伯特; S·W·瓦勒斯; G·A·哈尔斯; R·W·科恩
Original assignee: Roke Manor Research Ltd
Current assignee: Nokia Technologies Oy
Priority date: 1999-08-24
Filing date: 2000-08-11
Publication date: 2002-11-27
Anticipated expiration: 2020-08-11
Also published as: EP1206849B1; GB2386801B; EP1206849A1; GB0314794D0; DE60024276D1; ES2250168T3; WO2001015340A1; GB2386801A; WO2001015340A8; JP2003507957A; US7110781B1; CN1210894C

Abstract

这里描述的是一种在电信系统中的多个基站(300)之间提供同步的方法,它包括在各个小区(320)中提供随机接入信道。本地基站(300)利用本地小区中的随机接入信道将同步信号发送到相邻基站。对各个基站,计算从相邻基站接收的同步信号与本地同步信号之间的时差。各组时差或者被用来自发地使本地基站同步,或者被集中到无线网络控制器(RNC)中,并且从RNC将一组校正值分发到各基站。

Description

移动通信系统中使基站同步的方法

本发明涉及移动电信系统中的改进或与之相关的改进，更具体地说，涉及电信系统内的基站的同步。

UMTS地面无线电接入时分双工(UTRA TDD)模式是基于码分多址(CDMA)与混合时分多址(TDMA)的组合。如本领域的技术人员会理解的，UMTS是通用移动电信系统的首字母缩写。

UTRA TDD模式中的可靠操作，结合组合的TD-CDMA多址方案，需要覆盖的电信系统内基站之间同步。况且，该模式还要求为附属于各基站的移动台提供位置信息。为了使系统容量最大化，也需要基站之间的同步。为此，必须在时隙、帧和多帧的这些级上获得基站的同步，其中多帧是重复的若干帧周期。

使基站同步的一种已知机制是为各个基站配备全球定位系统(GPS)接收机。但是，这并不总是适合的或者甚至是不可能的；例如，采用的区域可能被高大建筑物挡住GPS卫星群。由于种种原因，需要其他使基站同步的替代机制。

在一替代机制中，在回程网络上使基站同步；该网络使基站能将移动通信切换到公众电话网或互联网中。但是，如果根据分组协议[例如，网际协议(IP)或异步转移模式(ATM)]来实现这种机制，则同步只可能达到粗略的精度。

因此，本发明的目的在于消除或者至少减轻基站的同步问题。

根据本发明的第一方面，提供一种在电信系统中的多个基站之间提供同步的方法，对于每个基站，存在其中至少有一个移动台的电信小区，并且对于每个基站，该方法包括如下步骤：提供至少一个用于该电信小区的信道；传输步骤，其中所述至少一个信道被用于同步信号的传输，所述传输是从电信系统内的第一基站到传输范围内的那些其余基站；以及第一计算步骤，其中，计算来自第一基站的时钟脉冲与传输范围内的其他基站发送的时钟脉冲之间的时差。

最好该方法还具有如下步骤：报告步骤，其中所述多个基站中每个基站把在时差计算步骤中计算的时差报告给无线网络控制器；第二计算步骤，其中，根据所报告的时差计算对应于各基站的同步调整量；以及调整步骤，其中，向各基站分别发送相应的同步调整量并且相应地调整相关的基站时钟。

最好是，所述多个基站中的每一个可以根据从现有的其余基站接收的信息自发地动作，从而调整该基站的时钟定时。

用来传输同步信号的信道最好是随机接入信道(RACH)，它在频带内为与移动台通信而提供的频率上发送。随机接入信道最好包括每个TDMA帧的单个时隙。更为可取的是，RACH被分配给从移动台发起通信的传输。最好是，通过请求用于上行链路的资源单元(时隙和CDMA码组合)来发起通信。

该方法最好还包括安排步骤，其中，根据安排分配用于基站同步的各个RACH时隙的应用。

更可取的是，该方法还包括抑制步骤，其中该基站利用第二信道来抑制RACH时隙中的移动台通信，使同步传输能发送到其他基站。该第二信道最好是广播控制信道(BCCH)。

根据本发明的第二方面，提供一种为构成电信系统一部分的电信小区内移动台的定位的方法，电信小区包括基站和至少一个移动台，所述方法包括如下步骤：确定至少三个基站的位置；安排各个基站利用随机接入信道的同步测量；从移动台发送信号；在所述三个基站的每一个中接收所发送的信号；将所接收的信号与各个基站中的定时信号比较；以及利用各个基站上的比较来确定移动台的位置。

为了更好地理解本发明，现在仅以举例的方式参照以下附图：

图1表示UTRA TDD模式的示意图。

图2表示一个TDMA帧的示意图。

图3表示电信小区的网络的示意图。

图4表示来自基站的信号之间的时差的示意图。

在图1中，说明UTRA TDD模式。在频率、时间(帧102内)和编码的某种组合上以突发形式发送信息。帧102被划分为时隙104，各时隙对于单个信息的突发而言刚好足够长。利用正交码(CDMA)使信息传输复用。在特定时隙内发送的信息根据这些码来划分：因此，各个突发包含多个独立时隙与代码的组合，称为资源单元106。

UTRA TDD模式采用称为时分-码分多址(TD-CDMA)的方案。该方案提供了随机接入信道(RACH)，该信道是每个TDMA帧102的单个时隙104。RACH被分配给从移动台发起通信的传输，通常通过请求用于上行链路的资源单元106来发起通信。RACH可用于基站间同步以及移动台位置定位。

TDMA帧如图2所示。显然，每个TDMA帧200包含多个时隙210；在TDD模式中，如图所示有15个时隙。

图3说明典型的蜂窝部署。每个基站300具有相关小区320。相邻基站300之间的距离大约是从任何基站到位于其小区边界的移动台310的距离的两倍。在市区部署中，这通常会导致12dB左右的路径损耗，到相邻基站300比到小区边缘的移动台310损耗要大。一方面，在同一位置上，基站300具有超过移动台310的高增益的优点。另一方面，通常所构造的基站天线具有“下倾角”，旨在减少小区间干扰。这些相反的影向大小相近，并且往往抵消，令12dB表示路径损耗的增量的合理估算值。

图4说明如何根据同步信号推导出本地基站‘a’与相邻基站‘b’和‘c’之间的时差d_i，j。加阴影的时隙表示可以承载同步信号的RACH。上面的方框区域表示在基点‘a’的时差：从上到下的各行表示：a)基站自己的信号；b)来自基站‘b’的延迟信号；以及c)来自基站‘c’的延迟信号。同样地，下方框区域表示在基点‘b’的时差。没有对应于基站‘c’的行-这是‘c’超出‘b’发出的信号的范围的情况。

在本发明的第一实施例中，设有符合UTRA TDD模式的基站。该基站利用RACH与传输范围内的其他基站同步。该基站被设计为“窃取”RACH时隙，以用于在适合的时间向其他基站传输。在本讨论中，假定所有小区中采用相同的时隙来进行RACH操作；虽然这种假设是有利的，但是对于本发明的操作并非必不可少。根据如下标准可以确定基站应该窃取RACH时隙的时间：

第一，相邻基站不能窃取同一帧中的RACH时隙。

第二，必须足够频繁地窃取RACH时隙，以便整个基站网络同步维持在所需的精度。

最后，RACH时隙窃取的时间安排可以或者由无线网络控制器(RNC)在中心确定，或者根据驻留在基站中的时序发生器确定。在后一种情况中，以这样的方式设计时序发生器，使得在相邻小区中RACH窃取的时间安排不重合。如果采用RNC，则它可以根据此标准来建立时间安排。这些时间安排可以相隔规则的、伪随机的或者约束随机的间隔。

当基站具有为即将发生的RACH窃取指定的安排时，在适当的时间，它对附属于该基站的所有移动台进行广播传输(最好在它的广播控制信道BCCH上进行)，以便向这些移动台发出这样的指示：在即将安排窃取的RACH时隙中，RACH不可供移动台传输使用。这将清理用于小区间同步的窃取的RACH时隙。

当窃取RACH时，安排窃取基站抑制附属于该窃取基站的移动台，这会防止RACH信道上不必要的冲突。但是，如至此所描述的，相邻基站将不抑制它们各自的附属移动台进行RACH传输。这些RACH传输会受到功率控制，并且相邻基站应该有可能从窃取RACH时隙的基站接收传输，以及从它们自己的附属移动台接收任何RACH传输。但是，在由RNC安排所窃取的RACH时隙的情况下，有可能任选地利用为RACH时隙窃取所描述的相同过程，安排相邻基站抑制来自它们移动台的RACH传输。

这样，除了来自远处站的干扰以外，对同步传输的干扰可以基本被消除。如果不采用这种选择，则在RACH时隙中对同步传输的接收的干扰可能阻止其接收。但是，如果给出统计的RACH业务量，则应该接收到高比例的这种测量结果。

在本发明的第二实施例中，采用“窃取”用于同步的RACH时隙的另一种方法。在此方法中，在基站的整个网络中安排RACH时隙，以便以规则的固定间隔分配给同步。在这些分配的RACH时隙中，任何移动台都不进行RACH传输，并且不需要指示移动台不进行RACH传输，因为它们能够为它们自身确定这类时间。但是，基站会定期地发送简单的二进制信号，以便指示这种工作方式采用：在所有基站都具有相关的GPS接收器的网络中，这种传输是不必要的。因此，在分配的RACH时隙中，所有基站或者接听同步传输，或者进行同步传输。从一个选择的RACH时隙到下一个选择的RACH时隙，进行同步传输的基站子集会改变。有必要确保传输的扩展是这样的，使得在任何给定的所选RACH时隙中、在任何给定的基站都只接收到一个主要同步信号。这些子集的计划可以根据类似于动态信道指配(DCA)的方案手动地或者自动地执行。

在UTRA TDD内，在时隙内发送突发，而每个突发被细分成2560个码片，这些码片被划分成两个数据字段、即一个中同步信号字段以及保护时段。中同步信号字段包含训练序列。因为基站是静态的且具有精确的频率参考，所以有可能对整个时隙执行相关。相关利用训练序列，所以除保护时段之外的同步突发被安排成没有数据字段，而有效地成为完全的中同步信号。整个时隙相关提供大约34dB的处理增益。这种高处理增益用于补偿对相邻小区增加的路径损耗。

假定每个基站向其相邻基站发送和从其接收同步突发，则可以汇聚网络范围的同步所需的所有信息。可以用两种截然不同的方式、分布式或集中式其中之一来使用它。

本发明的第一和第二实施例详述了可以使用RACH时隙的方法。根据分布式或集中式的方法可以实现任一实施例。

在分布式方法中，每个基站根据它接收的信息自发地动作，以便以这样的方式调整其时钟定时：假如所有其他基站以同样的方式操作，则它们就获得同步。

在集中式方法中，所有基站将它们的结果报告给RNC，RNC则计算一组调整量，并且将这些调整量分别发送到相关基站。实质上，各个基站测量相对于其本身定时的每个接收的同步突发的定时。这可被看作相对于它要进行传输的时间的收到的突发的定时。每个基站配备有与同步码匹配的匹配滤波器。当接收到突发时，通常有几个离散路径。最早的有效路径会被采用以提供定时，因为若有一个的话，则这最可能对应于视线路径。以下讨论涉及在粗略程度的同步之后的集中式同步过程。

假设这里有N个基站的部署。令变量L(i，j)＝L(j，i)表示能接听到彼此的同步传输的那些基站。如果基站i可以接听到基站j的传输，而基站j可以接听到基站i的传输，则L(i，j)＝L(j，i)＝1。否则L(i，j)＝L(j，i)＝0。应当指出，对于所有i，L(i，i)＝0。所有相对定时被汇聚在RNC。如果基站i听到基站j的传输但延迟了d_i，j，而基站j听到基站i的传输但延迟为d_i，j，则RNC按如下公式计算时差：

δ_{i, j} = \frac{d_{i, j} - d_{j, i}}{2}

以及

δ_{j, i} = \frac{d_{j, i} - d_{i, j}}{2} = - δ_{i, j}

再次参考图4，显然L(a，b)＝L(b，a)＝1且L(a，c)＝L(c，a)＝1，但是L(b，c)＝L(c，b)＝0。图4还说明如何推导出时差d_i，j。因此，δ_i，j是基站i的时间相对于基站j的时间提前的时间，并且除去了由插入距离产生的任何时间延迟。

假设基站i会按要计算的补偿量C_i延迟。按照这种补偿，基站i和j之间的新定时误差将由如下公式给出：

δ_i，j′＝δ_i，j-C_i+C_j

如果所有的测量值都完全精确和一致，则可以简单地求出这些公式，使得对于所有i和所有j，δ_i，j′≡0。

但是，若给定测量误差，则最好求出最小误差平方和，即

Σ_{i = 1}^{N} Σ_{j = 1}^{N} L (i, j) δ_{i, j}^{' 2}

应该被最小化。扩展此式得到：

Σ_{i = 1}^{N} Σ_{j = 1}^{N} L (i, j) {δ_{i, j}^{2} + C_{i}^{2} + C_{j}^{2} + 2 (δ_{i, j} \cdot C_{j} - δ_{i, j} \cdot C_{i} - C_{i} \cdot C_{j})}

令

为能听到基站i的同步传输、且基站i能听到其同步传输的基站的数目。则可将误差平方和表示为：

2 Σ_{i = 1}^{N} M (i) C_{i}^{2} + Σ_{i = 1}^{N} Σ_{j = 1}^{N} L (i, j) δ_{i, j}^{2} - 4 Σ_{i = 1}^{N} C_{i} Σ_{j = 1}^{N} L (i, j) δ_{i, j} - 2 Σ_{i = 1}^{2} Σ_{j = 1}^{N} L (i, j) C_{j}

现在对C_i求导，并使之等于零。得到：

4 M (i) C_{i} - 4 Σ_{j = 1}^{N} L (i, j) δ_{i, j} - 4 Σ_{j = 1}^{N} L (i, j) C_{j} = 0

因此

M (i) C_{i} - Σ_{j = 1}^{N} L (i, j) C_{j} = Σ_{j = 1}^{N} L (i, j) δ_{i, j}

可以用矩阵符号将此式表示为：

(diag(M)-L)C＝D其中diag(M)是具有沿对角线的元素M(i)，i∈{1…N}的对角矩阵，

L是具有元素L(i，j)的矩阵，

C是具有元素C_i的向量，以及

D是具有如下元素的向量

D_{i} = Σ_{j = 1}^{n} L (i, j) δ_{i, j} = Σ_{j = 1}^{M (i)} δ_{i, S_{j} (i)}

其中S_i(i)，j∈{1...M(i)}是基站i分别可以向其发送和从其接收同步传输的基站的下标集。

令A＝(diag(M)-L)

该矩阵是奇异的，即没有逆矩阵。这反映了这样的事实：任何公共值可以被加到所有补偿值C_i上，而不会影响误差平方和。要施加于这些补偿值的合理约束是：它们的和应该为零，以便使整体漂移最小。因此，得到附加的公式：

Σ_{i = 1}^{N} C_{i} = 0

通过将一行1添加到A中的任何一行而构成A’，就可以将此反映在矩阵方程中。

现在可以解此方程，得到补偿值。但是，可以注意到，若从根本上讲，A(以及所得到的A’)变化得不很快，因为它只是基站连通性的函数。因此，计算仅需极少更新的A’的逆矩阵可能会更有效率。因此得到：

C＝(A’)^-1.D

有了这些补偿值C_i，电信系统中的各个基站就可以与各个其他基站同步。除满足UTRA TDD模式的要求外，同步在确定移动台位置方面也很重要。

移动台可能需要在其小区内被定位，特别是当用户打紧急电话时或只是为了确保移动台跨入相邻小区时切换清晰。位置测量可以根据延迟测量值来完成。为了获得明确的位置，在测量中必须涉及到最少三个基站。这是因为必须确定二维空间加上时间。为了执行这种定位，所涉及的基站必须同步，或者至少高精确度地知道它们相互的时差。前述的周期性更新可能无法为位置查找提供足够精确的同步。

根据本发明的第三实施例，请求移动台定位会启动一组所涉及的基站之间的同步测量值。在可以进行此操作之前，必须确定涉及哪些基站。确定该组测量值的最简单(虽然效率最低)的方法是，假定该移动台所属的基站和与该基站相邻的基站列表都被涉及。

更为有效的方法是，安排该移动台监视相邻基站的BCCH信道的信号强度，并且报告提供最强信号的两个(或更多)基站的地址。或者，移动台可以仅仅报告实际BCCH信号强度和正在接收的基站，或者RNC可以确定要涉及的基站。BCCH信号强度可以通过对适当的训练序列相关来测量。应当理解，无论如何执行这些测量，都是要支持切换判决处理。

一旦确定了所涉及的基站组，就可以为各个基站建立同步测量的安排。该过程与上述关于普通同步描述的相同。也是指示移动台在适当的时间、最好利用与先前为基站间传输定义的相同突发结构、以全功率在RACH上进行传输。用于此传输的时间应该接近于用于基站间同步传输的传输时间，以便使时钟漂移的影响降至最小。但是，移动台传输可以在基站间同步传输之前、之后或者与之交替。在最佳实施例中，RNC选择关于移动台进行其传输的时间安排。这将由移动台所属的基站在适当的信令信道上发送到该移动台。不排除其他的安排方式。RNC还将指示所涉及的基站、最好在它们的BCCH信道中向它们的附属移动台发送信号，即在该特定的RACH时隙中没有随机接入传输。

或者，该RNC指令可以只限制在该移动台所属的基站。这种限制的理论基础是：移动台以全功率传输，这样就可以容易地达到位于它自己的小区中央的基站，而且具有足够功率使RACH接收成为可能。但是，到其他基站的范围通常比距尝试在那些其他基站的小区内的RACH上发送的任何移动台的范围大。因为这些小区将采用功率控制，所以各种训练序列之间的处理增益有可能便于同时接收。

这三个(或更多)基站将各从该移动台接收信号，并将接收时间与它们自己的定时比较。假定知道这些基站的位置，则这将提供为该移动台定位所需的所有信息。

按照支持定位所需的各种传输中任何一种，可以发现，或者基站间同步传输或者来自移动台的传输并未被充分接收。RNC可以按照需要安排重复传输，以便或者便于位置的计算或者提高其精度。

迄今为止，同步的讨论仅仅涵盖已经实现粗略同步之后的精确同步。

利用RNC进行控制，可以以直接的方式得到初始的粗略同步。当网络投入使用时，可以人工干预的方式或在RNC的控制下依次激活这些基站。要激活的第一个基站成为临时定时主装置，它在其RACH信道上进行周期性的同步突发传输。后续激活的其他基站仅在它们接收到同步突发之后才被允许发送信号。这样，该网络会变成全局性同步。如果个别基站出现故障或维修之后需要再同步，例如，同样该基站要从至少一个其他基站接收到RACH同步突发之后才被允许发送信号。然后，它在根据该初始突发对其定时进行粗略更新之后，可以进行它自己的RACH突发传输。

因为RACH时隙在帧内的固定位置上，所以上述方法实现时隙和帧同步。通过多种方式可以实现多帧同步。最简单和最佳的方法是使为同步“窃取”的RACH时隙始终包含在第一帧中或多帧内任何固定的任意编号的帧中。

上述说明并未排除结合配备GPS接收机的基站。在此情况中，对那些基站的补偿值C_i被设置成等于零，并且取消补偿值之和等于零的这种约束。这样，同步方案会使所涉及的所有基站都直接或间接地与GPS同步。

Claims

1.一种在电信系统中的多个基站之间提供同步的方法，所述电信系统包括多个小区，所述多个小区中的每一个具有所述多个基站其中之一和至少一个移动台，所述方法包括以下步骤：

a)提供至少一个信道供所述多个小区使用；

b)在所述至少一个信道中的给定的一个信道中传输同步信号，所述传输是从所述电信系统内第一基站到传输范围内的那些其余基站；以及

c)计算来自所述第一基站的时钟脉冲与传输范围内的其他基站所发送的时钟脉冲之间的时差。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于还具有以下步骤：

d)对于所述多个基站中的每一个，将步骤c)中计算的所述时差报告给无线网络控制器；

e)根据所报告的时差计算对应于各个基站的同步调整量；

f)把步骤e)中计算的相应的同步调整量分别通知各个基站；以及

g)根据所述相应的同步调整量，调整各个基站的时钟脉冲。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于还具有以下步骤：

h)所述第一基站通过调整所述第一基站的时钟脉冲以使时差最小，按步骤c)中计算的所述时差自发地动作。

4.如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于：所述给定的信道是在频带内为与移动台通信提供的频率上发送的随机接入信道。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述随机接入信道包括每个TDMA(时分多址)帧的一个时隙。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述随机接入信道被分配给上行链路传输，以便发起通信。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：通过请求用于上行链路的资源单元来发起通信。

8.如权利要求5、6或7所述的方法，其特征在于还具有以下步骤：

i)根据安排，为基站同步分配各个随机接入信道时隙的使用。

9.如权利要求5、6或7中任何一个所述的方法，其特征在于还具有如下步骤：

j)利用所述至少一个信道中的第二个信道来抑制在所述随机接入信道时隙中的上行链路通信，从而使同步传输能从所述第一基站传输到其他基站。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述第二信道是广播控制信道。

11.如权利要求4至10中任何一个所述的方法，其特征在于：所使用的所述随机接入信道时隙始终包含在多个多帧内的固定编号的帧中，以便使所述多个基站在多帧中同步。

12.一种为构成电信系统的一部分的电信小区内的移动台定位的方法，所述电信小区包括基站和至少一个移动台，所述方法包括以下步骤：

确定至少三个基站的位置；

安排利用随机接入信道对各个基站的同步测量；

从所述移动台发送信号；

在所述三个基站的每一个中接收所述发送的信号；

把所接收的信号与各个所述基站中的定时信号比较；以及

利用各个基站中的比较结果确定所述移动台的位置。

13.一种在电信系统中的多个基站之间提供同步的方法，所述方法基本上如参考附图在上文中所描述的那样。

14.一种为构成电信系统的一部分的电信小区内的移动台定位的方法，所述方法基本上如参考附图在上文中所描述的那样。