CN1505419A - 蜂窝式通信系统、其中同步基站的方法、及其程序产品 - Google Patents

Abstract

一种在蜂窝式通信系统中同步基站的方法，其中基站发送包含同步序列(s，t)的数据帧，该方法包括以下步骤：在从基准基站发送来的数据帧中包含第一(s)与第二(t)同步序列，该第一(s)与第二(t)同步序列在从基准基站发送来的数据帧中具有固定的相互位置，以及基于从基准基站发送来的数据帧中第一(s)与第二(t)同步序列的相互位置，同步所述从属基站的定时。

Description

蜂窝式通信系统、其中同步基站的方法、及其程序产品

技术领域

本发明涉及蜂窝式通信系统中同步基站的技术。

采用TDD(Time Division Duplex，时分双工)发射方案的通信系统广为人知，尤其是用于数字式蜂窝通信系统。

图1描述了上述通信系统所采用的帧结构。它包括几个时隙，TS0，……TS6，其中有些时隙，如时隙TS0，TS3，TS4，TS5和TS6用来发射下行方向上(基站到移动终端)的数据，而其他时隙，如时隙TS1与TS2用来发射上行方向上(移动终端到基站)的数据。

在业务活跃时隙(traffic active slot)，如TS0，数据以码元D的序列的形式发射。时隙TS0还包括中间训练序列(midamble sequence)t与保护期(guard period)GP2，其中中间训练序列t包含使信号能被估算的导频码元(pilot symbol)。

在上述系统中，同一个时隙内可以有几个移动终端或基站发射或接收数据。各连接通过码分多址或CDMA(Code Division Mulitple Access，码分多址)进行区分。

因为上行方向与下行方向可以使用同一频率，所以必须保证基站的同步。这是因为，如果不如此，在给定相邻小区中以大功率在上行信道进行发射的第一移动终端可能干扰附近从下行信道接收数据的第二移动终端。一般而言，加在相邻基站间的同步约束为几微秒。

背景技术

在已知同步方法中(如参看EP-A-1 195 924)，提供了初始阶段，如在设置网络或新基站期间，其中由网络提供粗同步(approximatesynchronization)，更确切地是由控制几个相邻基站的射频接入控制器RNC提供。细同步(fine synchronization)由相邻基站间的射频接口定期地产生。该细同步的主要目的在于更正相邻基站间序列时钟(sequencing clock)的任何差值。为此目的，保留了某些时隙用来发射和接收同步信号，具体而言，在帧结构中提供了下行导频时隙DwPTS、上行导频时隙UpPTS与保护时隙GP1。

专用于同步的时隙主要包括同步序列或同步码s与保护期GP。

在已知方法中，通过将接收到的序列与被发射的序列的复制序列进行相关，就可获得同步。所述相关在时间窗上产生，该时间窗的长度由粗同步的精确度容限(margin of accuracy)给出。这样，当基站收到同步序列并在此时间窗内检测到相关峰值(correlation peak)时，该基站就能与相邻基站正确同步。

该现有方法主要缺点是稳定性低，并且定时偏移的计算精度差。

发明内容

所以本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，同时为数字式蜂窝通信系统提供较好的基站同步方案。

根据本发明，通过具备在所附权利要求中列出的特征的方法，就能够达到上述目的，该权利要求是本文描述的不可或缺的部分。本发明还有关一种相应的通信系统与一种相应的计算机程序产品，该计算机程序产品可直接载入数字计算机的内存，并包含软件代码部分，该软件代码部分用来当该产品在计算机上运行时施展本发明的方法。

附图说明

本发明进一步的目的、特征与优点将通过下列详细描述与附图变得显而易见，所述详细描述与附图是用来作为非限定性例子的，其中：

图1，在上文中已部分提及，该图显示了在时分双工(TDD)数字式蜂窝通信系统中所使用的射频帧的基本图例；

图2显示本发明的方法的实施例的基本图例；

图3、4与5显示本发明的方法与依现有技术的方法的性能的比较图例。

具体实施方式

本发明当前优选实施例的基本原理是差值方法，该差值方法使用两个导频信道，具体而言，同步码s与中间训练序列t在帧结构中具有固定的相互位置，即具有固定的时间差值。

在描述本发明的优选实施例时，将泛泛地参引TDD数字式蜂窝通信系统(为已知类型，所以未在附图中显示)，该系统包括多个基站，用来支持多个移动终端的通信。每个基站的操作由基站控制器BSC以已知方式进行管理。

下文中，将考虑两个基站，并分别称其为“基准”基站与“从属”基站。具体而言，从属基站被定义为用来与所选择的基准基站进行同步的基站。

此处公开的方法最好用在同步过程的初始阶段，其中从属基站不支持业务并且在帧时间段上进行测量。同时还假设基准基站已知，即已“分配”给从属基站。

于是从属基站便能够在图1所示的帧结构中解码基准基站的同步码s与中间训练序列t。

当前，这一步骤的实现是通过在所选数目N_F的连续帧上反复进行已知的相关处理，并随后通过使用全部收集到的帧的测量值来提取用于两个导频信道的一个单独的平均测量值，该帧包括同步码s与中间训练序列t。

此时，从属基站计算与两个导频信道相应的最佳相关峰值的位置中所有可能的差值。

在这些差值中，从属基站检验是否存在至少一个预期差值，代表帧结构上同步码s与中间训练序列t位置间的距离，如长为544码片(chip)。

从预期差值，从属基站计算同步码s的位置与中间训练序列t的位置，从而得到参数T_OFF(Frame_Offset_Slave，从属帧偏移)，此参数为从属基站收到的基准基站的帧定时与从属基站自身的帧定时之间的时间差。

从测定的值T_OFF中基站控制器(BSC)计算实际定时偏移ΔT_sync(时间校正)，该值表示从属基站帧边界与基准基站帧边界之间的定时偏移。

通过考虑从属基站与基准基站间的传播延迟T_delay，从T_OFF得到实际定时偏移ΔT_sync。T_delay以已知方法得到，并且通常ΔT_sync＝T_OFF-T_delay。

参照TD-SCDMA(Synchronous Time Division Code Division MultipleAccess，同步时分码分多址)无线系统，此处公开的差值方法使用了两个同步序列：

同步序列或同步码SYNC；

基本中间训练码。

P-CCPCH信道(Primary Common Control Physical Channel，主要公共控制物理信道)的中间训练序列t被当作基本中间训练码的移位形式进行计算，中间训练序列在帧的第一时隙TS0中发送。

在基本中间训练码的所有可能的移位形式中，与P-CCPCH信道相关的中间训练序列总是保持与图1所示的TD-SCDMA帧结构中的相同。

从属基站进行的操作就是与同步序列s相关，以及和与P-CCPCH信道有关的中间训练序列相关。

通过在帧时间周期(6400码片)处理收到的信号，实现相关操作。

基准基站的同步码向量s定义为：

S＝[S₁，S₂，...S_j...，S₆₄]                     (1)

其中S_j为复数QPSK码元。

基本中间训练码向量定义为：

m＝[m₁，m₂，...m_i...，m₁₂₈]                    (2)

P-CCPCH的中间训练序列向量的表达式如下：

t＝[t₁，t₂，...t_i...，t₁₄₄]                    (3)

其中m_i与t_i为集合{+1，-1，+j，-j}中的复数码元。

与由从属基站所收到的、与基准基站信号有关的复数向量的表达式如下：

y＝[y₁，y₂，....，y₆₄₀₀]                     (4)

相应地，所接收的具有同步码s和中间训练序列码t的数据帧的相关向量的表达式如下：

corr_w( y， s)＝∑(y_w+n-1)·(s_n ^*)

其中在n＝1，...，64上求和，

并且                                         (5)

Corr_w( y， t)＝∑(y_w+n-1)·(t_n ^*)

其中在n＝1，...，144上求和，

同样，w∈[1，6400]并且所考虑的运算是在复数域上，其中s_n ^*与t_n ^*分别为s_n与t_n的复数共轭。

同步码s的相关幅值||corr_w( y， s)||与中间训练序列t的相关幅值||corr_w( y， t)||被用来检测这两个同步序列的最佳相关峰值的位置。

在N_F个连续帧上应用的差值方法允许将从属基站同步到基准基站，该差值方法描述如下：

从属基站接收数据帧并分别计算同步码s与中间训练序列码t的一组6400个相关幅值(即6400个值)(第i个测量值，I＝1，...N_F)。

从属基站在第i个缓冲器 b _i ^sync中存储同步码s的相关结果(即6400个幅值)，并在第i个缓冲器 b _i ^ts存储中间训练序列码 t的相关结果(即6400个幅值)。

然后，从属基站将存储在缓冲器中的元素相加，从而得到平均测量值，即

${\underset{\‾}{b}}^{\mathrm{sync}}=\left(\mathrm{\Σ}{\underset{\‾}{b}}_i^{\mathrm{sync}}\right)/N_F,{\underset{\‾}{b}}^{\mathrm{ts}}=\left(\mathrm{\Σ}{\underset{\‾}{b}}_i^{\mathrm{ts}}\right)/N_F---\left(6\right)$

其中在n＝1，...，N_F上求和。

同步码s与中间训练序列码t的最佳相关峰值的位置值(降序排列)分别为：

  p ^sync＝[p₁，p₂，...p_i，...p_Nsync]       i∈[1，N_sync]

                                              (7)

  p ^ts＝[p₁，p₂，...p_j，...p_Nts]          j∈[1，N_ts]

其中值N_sync与N_ts分别为同步码s与中间训练序列码t的最佳相关峰值的数目。

随后，从属基站构建包含所有可能差值的差值矩阵，如下所示：

$\underset{\‾}{d}=\left[\begin{array}{c}{d}_{\mathrm{1,1}}{d}_{1,2...............}{d}_{1,\mathrm{Nts}}\\ d_{2,1}{d}_{2,2..............}{d}_{2,\mathrm{Nts}}\\ ................\\ d_{\mathrm{Nsync},1}{d}_{\mathrm{Nsync},2...}{d}_{\mathrm{Nsync},\mathrm{Nts}}\end{array}\right]---\left(8\right)$

其中， $d_{i,j}=p_i^{\mathrm{sync}}-p_j^{\mathrm{ts}}$ 表示同步码s的第i个最佳相关峰值位置与中间训练序列码t的第j个最佳相关峰值位置之间的一般差值(generic difference)，如图2所示。

增加最佳相关峰值的数目，就能提高稳定性与精确度性能。

通过查看矩阵元素，从属基站检验是否存在至少一个差值，该差值等于P-CCPCH信道的同步码s与中间训练序列t间的距离(所考虑的例子中为544码片)。

只要有值等于544码片，则从属基站进行新的测量周期，即重复测量周期。

如果存在多于一个差值等于544码片，则从属基站挑选(从所有差值中)使相关信号所含功率(power cobtent)最大的差值(对应于中间训练序列t的最大峰值)。

从预期差值 d，从属基站计算同步码s在时间内的位置，并最终计算值T_OFF与ΔT_sync，以便从属基站将自身的定时偏移同步到基准基站。

与只使用一个同步序列的现有方法相比，刚才描述的TDD通信系统中无线同步基站的方法具有明显优势。

通过使用在帧中具有固定位置的两个同步序列，可以在检测最佳相关峰值位置时相互参照，这就导致了定时偏移计算中更高的稳定性与准确性。

图3到图5显示了一些比较结果。

具体而言，为突出本发明的方法的性能评估，引入了如下参数：

-差值成功率

-同步成功率

差值成功率参数对应于从所有求得的差值中取得预期差值 d(即544码片)的概率。该概率表示如下：

$d_{\mathrm{ij}}=544\}=\frac{N_{d_{\mathrm{ij}}=544}}{N},i\∈\[1,N_{\mathrm{sync}}\],j\∈\[1,N_{\mathrm{ts}}\]---\left(9\right)$

其中，

为至少一个差值d_ij(在所有可能差值中)对应于预期差值(即544码片)，而N为其中进行差值成功率值计算的测量的次数(如1000)；

对每次测量，如果存在多于一个差值

则所选差值对应于中间训练序列t的最大峰值，该最大峰值使相关信号所含功率最大。

实验结果表明，当对固定数目N_F个帧增加最佳相关峰值的个数N_sync与N_ts时，以差值成功率值表示的性能也得到了改善。

图3显示通过选择N_F＝10而获得的性能改善。

同步成功率参数对应于只要至少一个差值正确(即等于544码片)时，匹配从属基站所接收的同步码s的预期位置的概率。

未考虑传播延迟时，同步码s的预期位置位于从帧边界开始的896码片处。于是，此概率表达式如下：

$\mathrm{Prob}\{p_i=896/d_{i,j}=544\}=\frac{N_{p_i=896,d_{i,j}=544}}{N_{d_{i,j}=544}},i\∈\[1,N_{\mathrm{sync}}\],j\∈\[1,N_{\mathrm{ts}}\]---\left(10\right)$

其中

为只要至少一个差值d_ij对应于预期值(即544码片)，最佳相关峰值的位置值中有一个位置正确的次数(即896码片)；

为至少一个差值d_ij(在所有可能差值中)对应于预期值(即544码片)的次数。

为说明和描述此处所描述的方案的优点与长处，与先前讨论现有技术时所描述的方法就同步成功率值进行了比较，现有技术的方法即只采用一个同步序列的相关。

该现有方法以后称为SYNC方法。

例如，与唯一的同步码s相关后，通过主峰值位置，可将取得同步码s的预期位置的概率计算为同步成功率。

所述概率，以Prob{p＝896}表示，其表达式如下：

$\mathrm{Prob}\{p=896\}=\frac{N_{p=896}}{N}---\left(11\right)$

其中，N_p＝896为主相关峰值位置与预期值(距帧边界896码片)相符的次数；N是测量的次数(例如1000)，以该数为基础计算Prob{p＝896}的值。

图4与图5显示SYNC方法与此处公开的差值方法在稳定性方面的性能比较，分别对应于下面所示的表1与表2，在N_F值固定(＝10)的条件下，增加相关最佳峰值数目N_sync与N_tso在图中画出了同步成功率与载波/干扰比C/I的值。

         N_F＝10，N_sync＝N_ts＝1

C/I(dB)	差值方法	SYNC方法
			-7.94	99.2	57.8
-3.97	99.2	69.8
			0.015	99.2	79.5
4.01	99.3	89.3
			8.01	99.4	94.6
12.01	99.5	97.6

        N_F＝10，N_sync＝N_ts＝3，5，10

C/I(dB)	差值方法	SYNC方法
			-7.94	99.6	57.8
-3.97	99.6	69.8
			0.015	99.6	79.5
4.01	99.7	89.3
			8.01	99.7	94.6

12.01

99.8

97.6

值得着重指出的是，一旦N_sync与N_ts等于3，则稳定性接近值100％。该结果也适用于N_sync与N_ts等于5，10。若考虑帧数N_F的不同值，也能获得同样的趋势。

另外，通过考虑与此初始同步阶段对应的最大测量误差|t_e|_max，本发明的差值方法所获得的准确性方面的性能要比SYNC方法好得多。

下面的表3显示对固定值的N_sync和N_ts(＝1)与固定值的N_F(＝10)来说，最大测量误差值|t_e|_max与一组C/I值的关系。因为在这些情况下保持了该结果，所以考虑|t_e|_max时未增加N_ts与N_F值。

               N_F＝10，N_sync＝N_ts＝1

C/I(dB)	|te|max(码片)“差值方法”	|te|max(码片)“SYNC方法”
			-7.94	1	5425
-3.97	1	5342
			0.015	1	4994
4.01	1	4994
			8.01	1	4994
12.01	1	4994

在不影响本发明基本原理的前提下，也可以对前面作为示例讨论的细节与实施例进行大幅度的修改，而不脱离所附权利要求所界定的本发明的范围。

例如，此处描述的方案可应用于所有TD-SCDMA系统，如TSM(TD-SCDMASystem for Mobile Communication，对移动通信的TD-SCDMA系统)或TDD-LCR(TDD Low Chip Rate，TDD低码片率)，其中存在两个同步序列，即在帧结构中具有两个固定位置的导频信道。

Claims (12)

1.一种在蜂窝式通信系统中同步基站的方法，其中所述基站发送包含同步序列(s，t)的数据帧，该方法包括以下步骤：

在系统的第一从属基站上检测从第二基准基站发送来的至少一个同步序列(s，t)，以及

基于所述至少一个同步序列(s，t)，将所述从属基站的定时同步到所述基准基站的定时，

该方法的其特征在于其包括以下步骤：

在从所述基准基站发送来的所述数据帧中包含第一(s)与第二(t)同步序列，该第一(s)与第二(t)同步序列在从所述基准基站发送来的所述数据帧中具有固定的相互位置，以及

基于从所述基准基站发送来的所述数据帧中所述第一(s)与第二(t)同步序列的所述相互位置，同步所述从属基站的定时。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于第一(s)与第二(t)同步序列分别为从所述基准基站发送的同步码(s)与中间训练序列(t)。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

在所述从属基站，在一定数量(N_F)的帧上检测所述第一(s)与第二(t)同步序列，以获得各个的检测值；

处理从所述数量(N_F)的帧上检测到的所述值，以获得所述相互位置的最佳值，以及

基于所述相互位置的所述最佳值，同步所述从属基站的定时。

4.如权利要求1到3所述的方法，其特征在于包括以下步骤：通过生成各个的相关峰值，在所述从属基站上检测所述第一(s)与第二(t)同步序列。

5.如权利要求3和4所述的方法，其特征在于包括以下步骤：为所述各个的相关峰值生成所述数量(N_F)的帧上的平均值；以及存储该相关结果，同步码s在第i个缓冲器 b _i ^sync中，中间训练序列码 t在第i个缓冲器 b _i ^ts中，

${\underset{\‾}{b}}^{\mathrm{sync}}=\left(\underset{i=1}{\overset{\mathrm{NF}}{\mathrm{\Σ}}}{\underset{\‾}{b}}_i^{\mathrm{sync}}\right)/N_F{\underset{\‾}{b}}^{\mathrm{ts}}=\left(\underset{i=1}{\overset{\mathrm{NF}}{\mathrm{\Σ}}}{\underset{\‾}{b}}_i^{\mathrm{ts}}\right)/N_F$

6.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

在所述第一(s)与第二(t)同步序列的所述相关峰值(p_i ^sync，p_j ^ts)中，确定所有可能的差值( d)；

从所述可能的差值得到预期差值( d)；

从所述预期差值( d)确定所述第一(s)与第二(t)同步序列中至少一个的位置，以及

基于所述第一(s)与第二(t)同步序列中至少一个的所述位置，将所述从属基站与所述基准基站同步。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：构建包含所有所述可能差值的差值矩阵( d)，其中该矩阵i，j元素 $(d_{i,j}=p_i^{\mathrm{sync}}-p_j^{\mathrm{ts}})$ 表示同步码(s)的第i个最佳相关峰值与中间训练序列码(t)的第j个最佳相关峰值之间位置的差值。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

验证在所述差值矩阵( d)中，存在至少一个差值等于预定距离，该距离表示所述同步码(s)与所述训练序列码在帧结构上的相互位置，以及

如果没有值等于所述预定距离，则在从属基站上进行新一轮测量周期，以及

如果存在多于一个的差值等于所述预定距离，则挑选使相关信号所含功率最大的差值。

9.如任何上述权利要求所述的方法，其特征在于：同步所述从属基站的定时是通过确定从属基站帧边界与基准基站帧边界之间的实际定时偏移(ΔT_sync)来完成的。

10.如权利要求1或9所述的方法，其特征在于所述实际定时偏移(ΔT_sync)是通过考虑所述从属基站与所述基准基站间的传播延迟而确定的。

11.一种蜂窝式通信系统，包括多个基站，所述多个基站至少包括第一基站与第二基站，并分别被配置为如所述基准基站与所述从属基站一样以权利要求1到10中任何一项所述的方法操作。

12.一种计算机程序产品，可直接装载入数字式计算机内存，并包含软件代码，该软件代码在此产品在计算机上运行时执行权利要求1到10中任何一项所述的方法。

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