CN1432217A - 用于移动系统的时间同步 - Google Patents

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Abstract

一种通信网络中的移动终端在处于深休眠模式时保持时间同步的方法，所述移动终端具有高速和低速时钟，该方法包括：当开始进入深休眠模式时，执行一个初始测量来建立高速和低速时钟间的频率关系，进入深休眠模式，并停用所述高速时钟，基于寻呼块的到达时间，通过低速时钟的时间来更新所述相关。

Description

用于移动系统的时间同步
发明领域
本发明涉及用于移动系统的时间同步。特别但并不局限于涉及一种方法，该方法用于使移动终端如移动电话，特别是GSM电话与网络同步，以及当该移动终端处于一种深休眠模式时保持该同步。
发明背景
一个GSM终端通常具有两个时钟源。它们是在13MHz的一个高速时钟源以及一个32KHz石英振荡器。该高速13MHz时钟源在该终端正常使用过程中，以及当该终端与一基站通信时被使用。该终端能进入(除掉电外)的最低电流状态被称为深休眠。在深休眠中，该终端能通过关闭其组件的硬件块以及通过关闭产生该高速13MHz时钟(CLK_REF)的石英振荡器，通过不驱动任何使用该CLK_REF设备来保存电源。当进入深休眠状态时，电源从该CLK_REF源被消除。低速时钟(CLK_32KHz)被用来记住在CLK_REF被关闭的周期期间的时间。
在GSM型系统中的软件是基于层的。底层，也就是层1，涉及初始信号处理，在信号信道上映射等等。CLK_32KHz的使用允许GSM型系统的层1与网络保持同步。它也允许安装一计时器来对层1事件以及其他事件将该电话从深休眠中唤醒。该计时器记住处于使用CLK_32KHz的深休眠模式的时间。因此，CLK_32KHz被保持同步是很重要的。
在进入深休眠前，执行一测量以建立CLK_32KHz和CLK_REF间的频率关系。这允许由CLK_32KHz保持的时间被转换成CLK_REF时间，以便该电话能与该网络保持同步。这种测量必须执行，因为由于所说的石英振荡器漂移、抖动和CLK_32KHz的倾斜，CLK_32KHz和CLK_REF间的关系是经常改变的，CLK_REF是一基准频率；其频率被间歇地调整来匹配网络传输的频率，因此CLK_REF基本保持稳定。
该测量方法的一个问题是用以获得两个时钟间的精确关系的执行测量所需的持续时间，即请求获得多个CLK_REF周期数的32KHz时钟的时间。请求用于该测量以获得时钟间的精确关系的时间总量远大于该系统需要被唤醒来读取寻呼块，比如从网络的实际时间。至少请求500ms测量持续时间(通常约800ms)来获得必要的精确性以唤醒和读取寻呼块。然而，花费500ms执行测量通常消耗过多的电流。
围绕这个问题，一种当前的方法，除读取该寻呼块外，首先读取另一个信令信道(SCH)短脉冲序列，其允许更多的定时误差。SCH是一种特殊化的信令信道，其机能对本领域的普通技术人员来说是公知的。该技术的使用允许该测量时间被减少到约40毫秒。然而，尽早唤醒来读取SCH短脉冲序列的必要性以及读取该短脉冲序列的耗电量，相反地，也影响整个耗用电流。
本发明试图提供一种具有减少功耗的改进了的时间同步方法。
发明概述
根据本发明，在第一方面，提供一种保持电信系统，移动终端的时间同步的方法，所述的移动终端具有一个低速时钟和一个高速时钟，其中该低速时钟，通过测量从远程站的信号短脉冲序列的到达时间，至少部分地与所述远程站的时钟保持同步。
根据本发明，在第二方面，提供一种具有高速和低速时钟，处于深休眠模式中的移动终端保持时间同步的方法，包括：执行一个初始测量来建立该高速和低速时钟间的频率关系，进入深休眠模式，唤醒该终端并且测量在该移动终端的网络高速时钟和低速时钟之间的定时相关峰值偏移，以及使用该相关峰值偏移值来校正该低速时钟的频率漂移。
优选地，该方法包括将部分相关峰值偏移归因于所述低速时钟的频率漂移上，将这个值平均到所述时间漂移偏移，得出一较正值以较正全部的频率漂移。
初始化测量可经过一相当长的周期来建立该高速和低速时钟间的相关。
另外，一个初始化测量可通过该低速时钟执行，而与高速时钟无关，并通过该远程站测量同步信道短脉冲序列(如在GSM系统中的SCH短脉冲序列)的到达时间来执行。
在本发明的实施例中，一个初始的、长的测量可被采用来建立该移动终端的高速和低速时钟间的频率相关。该相关根据与该基站或其他外部终端的时钟有关的网络短脉冲序列(即寻呼块)的到达时间被更新。在休眠前和休眠后接收的短脉冲序列间的时差被用来更新高速到低速时钟频率相关。该更新最好通过瞬时地平均一小部分该时差到频率相关中来实现。
因此，使用本发明的方法，网络定时被用来确定一个移动终端的低速时钟的漂移，当该移动终端在寻呼块周期期间内处于一种休眠模式。
优选地，如果一终端唤醒，然后由于任何理由不能解码一寻呼块，它后退以读取该信号信道SCH。如果它能解码该SCH，那么小区定时能被更新，在读取该寻呼块的下一尝试更容易成功。
有利地，如果该SCH不能被解码，那么该移动终端继续尝试读取其后的SCH以及寻呼块。如果寻呼块解码误差太多，那么它被认为该移动终端已经不能使用这个小区，获得一个小区的过程再次开始。获得小区和信道的过程是公知的。在进入一个新获得的小区的深休眠模式前，根据本发明，一种方法将通过采用一个新的长测量再次从起始处开始。
本发明进一步提供电信网的一种移动终端，该终端包括一高速时钟和一低速时钟，以及用于通过测量和利用来自一外部站的信号短脉冲序列的到达时间保持低速时钟同步的方法。
附图的简单说明
现在将仅通过例子，参考附图来描述本发明的实施例，其中：
图1表示在具有一个基站的无线通信中的一个移动终端；
图2表示来自一个移动终端中的一个低速时钟和一个高速时钟的时钟脉冲；
图3表示一系列的寻呼短脉冲序列；以及
图4表示寻呼短脉冲序列的一种情况。
优选实施例的详细说明
参考图1，一个通信网络N包括多个移动终端(例如，蜂窝式电话)，其中之一如1所示。该移动终端包括处理电路2以及一高速时钟CLK_REF3，其工作在13MHz。该终端还包括深休眠模块4，其包括低速时钟5，为CLK_32KHz。
在蜂窝系统中，基站7处于每个小区的中心，并用公知的方式与每个移动站通信，因此数据能以一种公知的方式通过该移动站被传输和接收。这可以是语音通信、数据通信、视频通信、信令信息或任何其他的传输等等。该基站包括处理装置8和时钟9。当该移动终端1正在与基站7进行活动通信时，那么该高速时钟3被用于定时目的，并且被锁定到该网络(或至少是该终端从其接收数据的基站)。该基站传送许多类型的信号，包括同步信道SCH、寻呼信道PCH以及其他。
在GSM中，PCH是在预定时间时隙由该基站发送的寻呼信道，以便启动移动终端呼叫或数据传送。SCH是由允许在相应的小区上移动站的初始精确同步的基站广播的同步信道。它包括用于那个特定小区的帧数以及复帧数。该SCH短脉冲序列包括比正常短脉冲序列如PCH短脉冲序列(26比特)更宽的中间部分(64比特)，允许该移动站捕捉该短脉冲序列，即使它不完全同步(通常移动站捕捉漂移达到+/-20比特的SCH短脉冲序列，同时它能捕捉仅漂移+/-5比特的一正常短脉冲序列)。因此SCH已经由用于在服务小区和相邻小区上的初始同步的GSM标准体系所定义。
SCH和PCH是专用于GSM，以及可能的其他系统，但大多数无线通信系统利用类似的寻呼信道和同步信道的概念。本发明也适用于这些。
一个终端能进入的最低耗用电流状态(除断电外)被称为深休眠。当处于深休眠模式时，一个GSM电话断开高速时钟源并使用低速时钟源CLK_32KHz5，以便大大地减少功耗。32KHz石英振荡器是自由运行并且不被锁定到该电话从其接收数据的系统。CLK_32KHz的使用允许层1与网络保持同步。它也允许安装计时器以便对层1事件和EXEC事件来将该电话从深休眠中唤醒。
在进入深休眠模式前，执行一个初始测量以建立CLK_32KHz和CLK_REF间的频率关系。如图2所示，这可包括在一预定的32KHz时钟的周期数P2中预定测量13MHz时钟的周期数P1。该图是示意性的。实际上，在每个CLK_32KHz周期内有比所表示出的更多的CLK_REF周期数。对此所请求的以便获得足够准确性的时间将由环境和技术而定。通常花费至少500ms。这由如抖动、上升/下降的锐度、对温度漂移的灵敏度以及其他考虑而定。
在现有技术方法中，13MHz晶体通过接收信号被调整。这是由所期望接收的短脉冲序列和实际接收的短脉冲序列间的频率或相比特旋转比较来完成。然后通过计算在该移动终端中的两个时钟间的周期比，使用某些硬件逻辑来测量32KHz时钟的漂移。
在本发明中，如图2所描述的，采用一初始测量以建立CLK_32KHz和CLK_REF间的初始频率关系。这对时间漂移偏移提供一个启动源(seed)。然后移动电话1进入称为“空闲”模式的一种深休眠模式。当该电话唤醒时，从该基站7读取寻呼短脉冲序列(PCH)。这能够计算该基站和该移动终端间的定时相关峰值偏移。这可通过测量寻呼块(或者称为网络脉冲序列)的到达时间来完成。然后休眠前和休眠后所接收的短脉冲序列间的定时差值被用来将CLK_REF更新为CLK_32KHz频率相关。该更新最好是通过瞬时地将一小部分定时差值平均到该频率相关中来完成。因此，当该终端在一个寻呼块周期间休眠时，从该网络(或基站)本身导出的定时被用来确定CLK_32KHz的漂移。
现在将更详细地描述本发明的特征。
在本发明的实施例中，移动终端的低速时钟的漂移，是基于该基站的高速时钟(13MHz)9，按PCH块到达的时间，在该移动终端的低速时钟已经由初始测量被准确地调整后被测量。
在该移动终端执行完一初始测量来获得相对于其内部的13MHz时钟的32KHz的漂移(如约500到800ms，通常是600ms的时间周期期间)后，该终端进入一空闲模式。在这种模式中，该移动终端在DRX周期期间内运行其低速时钟，以及仅在工作周期期间运行其高速时钟。该低速时钟的漂移使用来自该基站的信令分组(寻呼块)的到达时间来测量。
在GSM中，DRX是断续接收模式(Discontinous ReceptionMode)。DRX周期在GSM和其他电话系统中是公知的，一个DRX周期是一个复帧，其通常是235ms。一个寻呼块(PCH)通常约为20ms。该DRX_period等于该寻呼块间的复帧数。因此DRX2＝2X复帧数，DRX9＝9复帧等等。
现在参考图3，(示意性地)表示出了来自基站的PCH分组短脉冲序列。实际上，每个分组10表示四个分组短脉冲序列的平均值。通常在GSM系统中，四个短脉冲序列以一个寻呼块发送。如果当一个PCH分组被发送时平均时间为T0，那么在整个短脉冲序列被接收的(到来时间-T0A)平均时间为T1。分组10a和10b表示四个短脉冲序列的后续分组。这些将被继续。由于该系统现在处于锁定模式(locked mode)，因此每个短脉冲序列的到达的平均时间是通过使用32KHz时钟来确定的。
如果同步很好，那么ToA值将保持在0。然而，因为许多原因，该T0A值将改变，包括
●在从一个分组到另一分组的多路径分布中的变化
●在处理器中的估计误差
●32KHz时钟的漂移或该移动终端的移动性
通过平均该To0A′s，那么最后的结果(该32KHz时钟的漂移或该移动终端的移动性)成为最主要的。因此，最好(但不是必要的)平均多个短脉冲序列。四个短脉冲序列组(如组10b)的每个的到达的平均时间与四个短脉冲序列的最后一组(如组10a)的到达的平均时间相比。因此，在该图中ToA Current与ToA Previous比较。
然后一个适当的公式被用来较正该32KHz时钟的漂移。该公式可采用对本领域技术人员来说显而易见的多种形式。一个(非限定的)例子描述如下。
当接收到下一短脉冲序列组时，它们的到达时间与在前组的到达时间比较，然后再次较正该漂移。当该移动终端处于空闲模式时这一过程继续。
用于校正该32KHz时钟的漂移的一个公式是：
Drift_32＝1/alpha*deltaT/T_32(deltaT以及T_32均在四分之一比特中。
同时alpha＝5*(DRX_period/2秒)
T_32是由该32KHz时钟在后续的ToA’s间所花费的时间。
DeltaT等于ToA但夹在通常为-4到+4的四分之一比特的范围内。DeltaT也被用来较正层1计时器计数器。
如果T_32小于DRX_period/2，那么放弃该测量。
因此，对于DRX9，alpha＝5以及对DRX2，alpha＝22。
系数alpha被用来仅将部分(如一小部分)定时差值考虑到该频率相关中。
漂移系数(drift_coefficient)是为给定的32KHz周期数提供13MHz周期数的分数比，那么，
drift_coefficient＝drift_coefficient×(1-drift_32)
现在深休眠模式能与更新的漂移系数一起被处理，并且基本上允许32KHz时钟的漂移。
用以前的技术，必须增加另外的SCH。现在能消除这些不必要的SCH短脉冲序列。只要消除该SCH，无论该32KHz时钟的准确性如何，在总的定时误差上(包括多径、迁移率、时钟漂移、剪取以及舍入误差，及硬件不确定性)就有更高的限制；所接收的信号通常需要被保持在两个寻呼块间的[-5，+5]比特中间。
时间校正算法必须通过寻呼块方法保持同步。这表示首先在每个服务小区信令分组(+/-比特的剪取)后完成时间调整，其次来自该基站的信号被保持在[-5，+5]比特范围内。
无论所选择的估计32KHz的算法如何，但必须记住上面所描述的算法仅是可使用的几个中的一个，因此由于以下原因可出现误差(用比特)；
[-4，+4]假若严重的多路径分布(如陡的地形)
[-0.6，+0.6]由于时钟漂移以及移动性
[-0.3，+0.3]由于舍入误差
[-0.3，+0.3]由于当转换从/到32KHz时钟时在硬件中的抖动。
我们发现有十一种相关正由该移动终端的信号处理器执行。因此，这能获得如上所述的[-4，+4]比特转换，以及在每个边界上的另外的一比特。这远小于来自一SCH短脉冲序列，因此具有一种精确的算法来估计该ToA值是很重要的。
首先在一信令分组中定义该短脉冲序列位置是很重要的，然后测量其到达的时间。在已经执行相关后，获得最大相关峰值的位置。在本发明的一个实施例中，能量窗的中央被定义为在一信令分组中短脉冲序列的位置。在其他实施例中，可做出不同的测量。然而，通过使用该能量窗的中央，只要检测到不止一条路径(如直达和延迟路径)，那么该移动终端能在他们间同步。这导致一更稳定的时间基准。同时降低舍入误差，通常从+/-0.5到+/-0.3比特。
另一特征是选择平均多个单个的ToA’s以获得一信令分组的整个的ToA。如前描述，在优选实施例中，平均四个单个的ToA’s。然而，高于或低于这些的将被平均。这种平均在快速衰落情形中好于通过一个SCH短脉冲序列的时间跟踪。通过考虑用于每个短脉冲序列的信噪比或任何其他的质量指标，取平均值计算相比当前的方法仍然被提高。在一个例子中
ToA＝sum(SNRi*ToAi)/sum[SNRi]I＝1，4
在应用时间校正(对在当前层1中的SCH，用+/-1比特代替+/-0.5比特)，确保该移动终端时间基准的顺利更新前，该ToA值可首先被剪取(deltaT)。
该deltaT值在考虑用于32KHz漂移估计、确保该32KHz漂移系数(限定到每电流块低于一个四分之一比特)的平滑更新前可进一步被滤掉。
如果移动终端不能解码寻呼块，或如果有下行链路信令故障，那么它能反向尝试读取后续SCH分组。这可能发生，比如在过多的多路径情形下，如果这些分组超出它们被期望的常规窗(normal window)，或在可能导致该32KHz时钟漂移太快的过度的温度变化下。对DRX9来说，该漂移必须大于每秒0.2ppm。
下行链路信令故障的定义是由GSM特定的。
如果该SCH在这样一种尝试下解码，那么该小区定时可被更新，并且在读取该寻呼块的下一尝试更可能成功。另外，如果SCH不解码，那么该移动终端继续尝试读取SCH以及寻呼块。如果寻呼块解码误差太多，那么该小区被认为被丢失，并且必须再次开始获得一小区的过程。在新获得的小区上进入深休眠模式前，该过程必须从采用一个新的长测量来确定CLK_REF和CLK_32KHz间关系的开始处开始。
在一个实施例中，允许漂移不准确估计和32KHz时钟的移动性误差为+/-0.6比特。被用来估计来自该ToA’s的漂移的算法最好应当保持这些误差在+/-0.6比特的范围内。
伴随一移动终端移动性，产生一个问题。如果一终端正移离或移向该基站，那么这将对时钟频率产生某些影响，当然多普勒效应开始起作用。在径向速度为每小时250km时，每两秒是+/-0.15四分之一比特，那么该移动性将呈现为一32KHz漂移。然后，这将在本发明的实施例中自动地被校正。
下述表1表示对DRX9的一种最坏情形下平均参数的调整。
                             表1
      Alpha 能被校正的最大石英振荡器漂移 32KHz估计的准确性
3     每分钟+/-18ppm     +/-1比特
5     每分钟+/-12ppm     +/-0.6比特
10     每分钟+/-6ppm     +/-0.3比特
(alpha＝10，DRX4)     (每分钟+/-25ppm)     (+/-0.3比特)
从(1/alpha)*(deltaT＝3.69us)/(T_32＝2s)扣除能被较正的最大石英振荡器漂移。那个值被乘以(60s/T_32＝2s)以提供每分钟的漂移。如果温度变化有时高于这些，那么能尝试使用SCH解码的恢复机制。
考虑32KHz估计的准确性，已经考虑到最坏的情形，即
陡的地形分布，具有-4比特延迟路径，
2种极端情况；情况1，该移动终端在该直达路径上是同步的，然后突然转向该延迟路径，以及情况2，这种相反的情形发生。
图4示意性地表示一种情况，其中在分组11a和11b间，该终端在延迟路径和直达路径间转换。该图表示如果该移动终端能正确地接收分组11b(-4比特的ToA)，那么它恢复时间基准的三个分组并且在32KHz时钟漂移估计上的误差被保持在一个低值(-0.6比特)。那个误差漂移迅速回到0(如在第7分组上的-0.4比特，在第9分组上的-0.2比特等等)。
在本发明的实施例中，一个初始测量被当作32KHz时钟而不是该移动终端的13MHz时钟的漂移。各种方法可用于这些。在一种方法中，通过硬件深休眠模块，执行约1秒的初始测量，这足以获得两个四分之一比特准确性。
在第二可选方案中，一组多个SCH’s(在一个实施例中为10)可被用来平均该估计的初始32KHz漂移。
这些或其他方法的选择可随功耗和对本领域人员来说显而易见的其他考虑而定。第一种选择可能是，假定层1计时器不工作消耗约30mW是当前的GSM无线电。否则，将约为50mW。第二种选择可能是包括约10×2mW＝20mW的功耗。
然而，选择1可能优先，因此所采用的时间是500ms而不是1秒，执行该测量当在选择模式中(因此在功耗方面这两种方法可能相当接近)。
在本发明的实施例中，不必要的FCH和SCH窗被消除。与当前可用设计相比，估计可实现待机时间提高了28％或更多。
在上述实施例中，通过测量在预定CLK_32KHz周期数中CLK_REF的周期数，CLK-32KHz最初与CLK_REF同步。另外，这两个时钟可完全独立。这可通过初始使用CLK_32KHz来测量SCH短脉冲序列的ToA’s来实现。然后在深休眠模式前初始同步CLK_32KHz。该32KHz时钟应当足够准确来捕获SCH短脉冲序列(130ppm)。

Claims (21)

1.一种维持通信网络中的移动终端时间同步的方法，所述移动终端具有一低速时钟和一高速时钟；其中通过利用来自所述远程站的信号短脉冲序列的到达时间，至少部分地将所述低速时钟与所述远程站的时钟维持同步。
2.如权利要求1所述的方法，包括：执行一初始测量以建立所述低速时钟与所述网络间的初始同步，进入深休眠模式，使用由所述低速时钟测量的、来自所述网络中远程站的寻呼块的到达时间来较正所述低速时钟的频率漂移。
3.如权利要求1所述的方法，包括：执行一初始测量以建立所述移动终端的高速和低速时钟间的频率关系，进入深休眠模式，基于由所述低速时钟测量的、来自所述网络中的远程站的寻呼块的到达时间来更新所述关系，以较正所述低速时钟的频率漂移。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述初始测量包括在预定的低速时钟的周期数内测量所述移动终端的高速时钟的周期数。
5.如权利要求1所述的方法，其中寻呼块的到达时间被用来测量网络高速时钟和所述移动终端的低速时钟间的定时相关峰值偏移，其中所述相关峰值偏移值被用来较正所述低速时钟的频率漂移。
6.如权利要求5所述的方法，其中部分相关峰值偏移是由于所述低速时钟的频率漂移而产生，所述方法进一步包括将这部分平均到时间漂移偏移上，并导出一个较正值来校正整个的频率漂移。
7.如权利要求5所述的方法，包括使用网络短脉冲序列间的定时差值，通过瞬时地将一小部分定时差值平均到所述频率相关性中来更新所述终端的低速和高速时钟相关性。
8.如在前权利要求所述的方法，其中，在至少500ms的一个周期上完成一次初始测量来建立所述低速时钟的初始同步。
9.如在前权利要求中所述的方法，其中，在移动电话系统中，如果一个移动终端不能为定时相关解码寻呼块，那么它利用辅助的恢复机制。
10.如在前任何一个权利要求中所述的方法，其中，在移动电话系统中，如果检测到下行链线路信号故障，则使用一辅助的恢复机制。
11.如权利要求9或10所述的方法，其中所述恢复机制包括读取一个SCH，以及如果所述终端能解码该SCH，那么更新所述低速时钟的定时。
12.如权利要求11所述的方法，其中如果所述SCH不能被解码，那么所述移动电话启动用于再次获得一个小区的过程以及启动一次另外的初始测量来建立高速和低速时钟间的关系。
13.如权利要求2到10中任意之一所述的方法，其中一个信令短脉冲序列的全部到达时间通过平均多个单个的到达时间被导出。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述平均值取自四个短脉冲序列。
15.如权利要求2到14中任何一个权利要求所述的方法，其中在将时间校正应用到所述到达时间值前，剪取所述到达时间值。
16.如在前任何一个权利要求所述的方法，其中所述终端是蜂窝电话系统的一个移动终端，所述低速时钟具有32KHz的标称速率，所述高速时钟具有13Mhz的标称速率。
17.一种在深休眠模式中使移动终端保持时间同步的方法，所述移动终端具有高速和低速时钟，所述方法包括：执行一个初始测量来建立所述高速和低速时钟间的频率关系，进入深休眠模式，唤醒所述终端，以及测量网络高速时钟和所述移动终端的低速时钟间的定时相关峰值偏移，使用所述相关峰值偏移来较正所述低速时钟的频率漂移。
18.一种电信网络的移动终端，所述终端包括一高速时钟和一低速时钟，以及用于通过测量和利用来自外部站的信号短脉冲序列的到达时间来使所述低速时钟保持同步的装置。
19.如权利要求18所述的移动终端，包括用于测量来自所述外部站的寻呼块的到达时间的装置，以及用于使用所述到来时间来较正所述低速时钟的频率漂移的装置。
20.一种保持移动终端的时间同步的方法，基本上如上所述并参考附图所述。
21.一种移动终端，基本上如一种保持移动终端的时间同步的方法，基本上如上并参考附图所述。
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