CN1522077A - 无线通信系统中实现同步与测距的方法及其实施装置 - Google Patents

Abstract

无线通信系统中实现同步与测距的方法及其实施装置，属于无线通信领域。为提高系统的同步精度和运行稳定度，本发明采用的技术方案是：基站在下行方向以标称间隔发送带有基站时间戳的同步消息帧，和上行信道分配消息，终端收到所述的上行信道分配消息，发送测距请求消息帧；基站接收测距请求消息帧，将收到的测距请求消息帧的到达时刻与所记录的时刻作比较，得出终端的时间偏移调整值并要求终端调整自己的时标计数器，终端调整自己的时标计数器比基站早一个时延。本发明主要适用于无线通信系统中进行发送终端基站间测距、定时和精确同步的场合。

Description

无线通信系统中实现同步与测距的方法及其实施装置

                          技术领域

本发明属于无线通信领域，尤其涉及一种点到多点无线通信系统的空中同步与测距机制的实现方法及其实施装置。

                          背景技术

中国专利申请，申请号01137971.5在2002年4月24日公开了在时分复用移动无线通信的同步时隙期间传送同步信号的方法，采用的是从最大功率到最小功率确定延迟的方法，中国专利申请，申请号00805498.3在2002年4月24日公开了用于通信系统中有效同步的方法，采用的是相同周期长度的重复序列的方法进行同步，中国专利专利号96193602.9国际公布WO97/32446英1997.9.4，公开了减小无线通信系统中过量时间延迟的仪器及方法，采用的是过渡基站的方法。上述申请或专利存在或者是同步精度不够准确或者是结构复杂的不足。

                          发明内容

在点到多点无线通信系统中，当采用频分双工(FDD)和时分多址(TDMA)的工作方式时，一个主要的技术实现的挑战是补偿大的时延，有时候时延会比上行发送突发时间大好几个数量级。为了补偿大的时延，终端必须能够准确地进行发送定时，使它们能够在指定微时隙的起始时刻到达基站。因而，每个终端需要下面的两条信息：

a.基站发送给所有终端的全局时钟参考；

b.基站在测距过程中为每个终端计算的定时偏移。

为完成上述任务，并克服现有技术的不足，本发明提供一种实现点到多点无线通信系统的基站和终端之间的定时同步和确定定时偏移的方法及其实施装置，以提高系统的同步精度和运行稳定度。

本发明的技术方案是：

无线通信系统中实现同步与测距的方法，包括下列步骤：

基站在下行方向以标称间隔发送带有基站时间戳的同步消息帧；

在所述的基站在下行方向以标称间隔发送带有基站时间戳的同步消息帧时，在由汇聚子层到物理子层时，把基站时标计数器当时的计数状态填入同步消息帧的时间戳域；

终端收到同步消息帧后，用同步消息帧中时间戳域的数值代替终端的时标计数器中的数值；

基站发送上行信道分配消息，其中要求终端的测距请求在大于两倍时延的基站的预计t时刻到达基站，基站记录该时刻；

终端收到所述的上行信道分配消息，在终端的t时刻发送测距请求消息帧；

基站接收测距请求消息帧，将收到的测距请求消息帧的到达时刻与所述的记录的时刻作比较，得出终端的时间偏移调整值即两倍时延，基站发测距响应消息给终端，要求终端调整自己的时标计数器即减去两倍的时延。

所述的标称间隔是10毫秒。

所述的终端不断地判断是否在所述的标称间隔内收到所述的同步消息帧来判定是否与所述的基站保持在MAC层的同步，否则须重新建立同步。

无线通信系统中实现同步与测距的方法的实施装置包括基站和终端，所述的基站包括同步消息发送周期计时器、同步消息帧插入控制发送逻辑、时标计数器、复接逻辑、上行MAC帧解析、寄存器、减法器，所述的同步消息发送周期计时器的周期指示信号、同步消息帧域值固定部分、时标计数器对标称频率进行计数的计数值作为同步消息帧插入控制发送逻辑的输入，同步消息帧插入控制发送逻辑根据输入组成同步消息帧通过复接逻辑下行发送，所述的上行MAC帧解析对上行流进行解析并输出到所述的寄存器，所述的时标计数器的值输入到寄存器，所述减法器的输入是所述寄存器的输出和到达时刻的值，其输出的时间偏移值由其它下行帧发送时序控制逻辑和复接逻辑发出；

所述的终端包括下行流解析、控制单元、加法器和写控制逻辑，下行流分析从下行流中分拣出同步消息和其中的时间戳值并输出到控制单元，控制单元将时间戳值和延时参数调整值输出到加法器相加，加法器在写控制逻辑的输出控制下将相加得出的值输出到时标计数器，写控制逻辑将来自控制单元的控制要求和来自下行流解析的控制要求进行组合并通过加法器输出到时标计数器。

所述的时标计数器是32位时标计数器。

为了补偿大的时延，终端必须能够准确地进行发送定时。

本发明采用的测距机制，可以使终端比基站早一个时延，因而使基站感觉不到由于每个终端距离不同造成的延时，从而提高系统的同步精度和运行稳定度。

良好的同步和测距机制会大大提高上行突发的同步头长度、大大降低不同端站的上行突发相互覆盖的几率，提高带宽的利用率。

采用本发明所述方法和装置，满足点到多点无线通信系统对系统同步的要求，达到了预期的效果，同时由于不倚赖过多的其他设备，结构简单，可以大大降低成本，提高产品的竞争力。

                      附图说明

图1是基站部分的硬件实现原理框图

图2是终端部分的硬件实现原理框图

图3是系统初始同步和测距流程图

                      具体实施方式

无线通信系统中实现同步与测距的方法，由基站和终端实现，包括下列步骤，通过在下行方向以标称间隔发送定时同步消息，基站创建一个全局时钟参考。消息中包含一个时间戳，准确地标识出何时基站发送消息。终端必须将消息接收的实际时间与时间戳进行比较，由此调整本地时钟参考。这里假定物理层引入的时延是相对固定的。物理层时延的任何变化必须在物理层开销中的保护时间中加以解决。

同步消息的标称间隔为10ms。这使得终端在迅速获得全局时钟参考时，下行开销可以很小。

终端不断的判断是否在规定时间间隔内接收到同步消息来判定是否与基站保持在MAC层的同步。否则须重新建立同步。

测距调整每个终端的时间偏移，使得从基站的角度来看终端就在相距很近的地方。终端必须将初始时间偏移设置为内部固定时延，等效于使终端位于基站附近。

在实际工作时，基站和终端在保持同步的基础上进行测距，所以在具体实现时同步和测距不可分的。

本发明所述的点到多点无线通信系统的空中同步与测距机制的实现装置由以下几部分组成：

A.基站部分：同步消息发送周期计时器用来控制同步消息的发送周期，它的周期指示信号发给同步消息帧插入控制发送逻辑，在这里，同步消息帧指的是同步消息帧的域值保持不变的部分，它作为同步消息帧插入控制发送逻辑的输入，还有一个32位的时标计数器对一个标称频率进行计数，其计数值作为同步消息帧插入控制发送逻辑的输入，同步消息帧插入控制发送逻辑根据输入定时组成同步消息帧通过复接逻辑下行发送；上行MAC帧解析对上行流进行解析，当检测到有测距请求消息到达，测距请求到达时刻寄存器根据上行MAC帧解析的输出记录32位时标计数器的值，减法器的输入是预计时刻值和测距请求到达时刻的值，输出是时间偏移值。

B.终端部分：下行流作为下行流解析的输入，下行流解析的输出作为同步消息和时间戳的输入，同步消息和时间戳的输出指向控制单元和加法器，延时参数调整值由控制单元设置，延时参数调整值作为加法器的输入，写控制逻辑根据控制单元和下行流解析的输出决定输出状态，写控制逻辑的输出作为复接器的输入，复接器对32位时标计数器的重置的值＝时间戳+延时参数调整值，32位时标计数器的计数频率是与基站同频的标称频率。

以上装置在可编程逻辑电路中实现。

本发明所述点到多点无线通信系统的空中同步与测距机制的实现方法如下：

第一步：端站周期性的发送带基站时间戳的同步消息。由该消息需要硬件处理，在由汇聚子层到物理子层时，把当时32比特时标计数器的计数状态，填入同步消息帧的时间戳域。

第二步：终端收到同步消息帧后，由硬件处理，用同步消息帧中时间戳域的数值代替终端的32位时标计数器。在这一时刻，终端时标计数器的值比基站时钟计数器已经延了一个传播时延和处理时间。

第三步：基站发送上行信道分配消息，其中要求终端的测距请求在基站的t时刻到达基站，基站记录该时间。同时注意给测距请求分配的发送间隔要大于两倍的最大空中传输时延与处理时间。这是由于此时终端的时标计数器的值比基站要晚一个时延，终端在它的t时刻(基站的t时刻+时延)发送，又经过一个时延后到达基站。这样实际到达基站时间比基站的t时刻要晚两个时延。所以给测距请求分配的发送间隔要大于两倍的时延。

第四步：终端收到该上行信道分配消息，在终端的t时刻发送测距请求消息。

第五步：基站接收测距请求。测距请求帧本身没有时间戳域，需要硬件处理，将收到该帧的时刻与原来要求终端的到达时刻t作比较，得出终端的时间偏移调整值即两倍时延，基站发测距响应消息给终端，要求终端调整自己的时标计数器即减去两倍的时延。

第七步：在终端的时标计数器值调整后，它的时钟实际上比基站早一个时延。这样如基站在上行信道分配帧中要求终端发送的数据在t2时刻到达基站，终端根据该上行信道分配帧的指示，在它自己的t2时刻发送，这些数据在基站的t2时刻到达。

通过这样的方式，就可以使基站感觉不到由于每个终端距离不同造成的延时。

下面结合附图和具体实施方式对技术方案的实施作进一步的详细描述：

图1是基站部分的硬件实现原理框图。在基站部分，同步消息帧插入控制发送逻辑是核心部分，同步消息帧发送周期计时器在发送时刻到来时通知同步消息帧插入控制发送逻辑，同步消息帧插入控制发送逻辑将同步消息帧固定部分和32位时标计数器的值组成下行同步消息帧发送给复接逻辑，由复接逻辑发送出去。

图2是终端部分的硬件实现原理框图。终端的下行流分析从下行流中分拣出同步消息和其中的时间戳值，同步消息供控制单元检测是否与基站保持MAC子层的同步，控制单元从下行流解析得到基站发来的测距应答消息，并从中得到延时参数调整值，加法器会将时间戳值和延时参数调整值相加，用得出的值在写控制逻辑的控制下完成对32位时标计数器的计数值的修正，写控制逻辑对控制单元来的控制要求和下行流解析来的控制要求进行组合完成对32位时标计数器的计数值的调整，控制单元来的控制要求用于初始同步时控制参数的调整，下行流解析来的控制要求用于正常运行状态下控制参数的调整。这样，在消息处理和传播延时固定的前提下，终端的32位时标计数器和基站的32位时标计数器的相对稳定的同步关系。

终端的控制单元通过上行上行MAC帧发送控制逻辑在指定的时标计数器值表示的时间段内将(此时终端的时标计数器的计数值和基站的时标计数器的计数值相比已经包含了一个单方向延时，因为通过同步消息下传到终端，其时间戳值作为终端的32位时标计数器的初始值时，已经引入了一个方向的延时)测距请求消息发送给基站，基站记录收到测距请求消息的时刻，基站将其指定端站测距请求到达的时刻与实际到达时刻相减得到此终端的时间偏移值通过下行发给此终端的测距应答消息传递给终端，而终端则将此时间偏移值作为它的延时参数调整值，将同步消息的时间戳值和延时参数调整值相加来调整32位时标计数器，使得所有终端和基站在空间上保持相同的距离。

图3是系统初始同步和测距流程图，终端等待可用的UCD(上行信道描述消息)在接收到UCD后，交软件处理，初始化终端的上行信道参数，同时等待同步消息，终端收到了同步消息之后进行时标计数器值的调整(提取上行时隙时钟)，之后，终端等待基站发送的上行信道分配消息，终端根据上行信道分配消息的指示开始初始测距，如果测距成功则进入终端初始化，否则返回等待可用UCD状态。

此外，当信号丢失或进行初始化过程时，终端需要搜索下行信道并与基站建立同步。终端应保存其运行参数并首先从其存储的运行参数中恢复与下行信道的同步，如果不行则终端不断搜寻所有的下行信道直到获得有效的下行信号。

Claims (6)

1.无线通信系统中实现同步与测距的方法，其特征是，包括下列步骤：

基站在下行方向以标称间隔发送带有基站时间戳的同步消息帧；

终端收到同步消息帧后，用同步消息帧中时间戳域的数值代替终端的时标计数器中的数值；

基站发送上行信道分配消息，其中要求终端的测距请求在大于两倍的时延的基站的预计t时刻到达基站，记录该时刻；

终端收到所述的上行信道分配消息，在终端的t时刻发送测距请求消息帧；

基站接收测距请求消息帧，将收到的测距请求消息帧的到达时刻与所述的记录的时刻作比较，得出终端的时间偏移调整值即两倍时延，基站发测距响应消息给终端，要求终端调整自己的时标计数器即减去两倍的时延。

2.根据权利要求1所述的无线通信系统中实现同步与测距的方法，其特征是，在所述的基站在下行方向以标称间隔发送带有基站时间戳的同步消息帧时，在由汇聚子层到物理子层时，把基站时标计数器当时的计数状态填入同步消息帧的时间戳域。

3.根据权利要求1所述的无线通信系统中实现同步与测距的方法，其特征是，所述的标称间隔是10毫秒。

4.根据权利要求1所述的无线通信系统中实现同步与测距的方法，其特征是，所述的终端不断地判断是否在所述的标称间隔内收到所述的同步消息帧来判定是否与所述的基站保持在MAC层的同步，否则须重新建立同步。

5.实现权利要求1所述方法的装置包括基站和终端，其特征是：

所述的基站包括同步消息发送周期计时器、同步消息帧插入控制发送逻辑、时标计数器、复接逻辑、上行MAC帧解析、寄存器、减法器，所述的同步消息发送周期计时器的周期指示信号、同步消息帧域值固定部分、时标计数器对标称频率进行计数的计数值作为同步消息帧插入控制发送逻辑的输入，同步消息帧插入控制发送逻辑根据输入组成同步消息帧通过复接逻辑下行发送，所述的上行MAC帧解析对上行流进行解析并输出到所述的寄存器，所述的时标计数器的值输入到寄存器，所述减法器的输入是所述寄存器的输出和到达时刻的值，输出是时间偏移值；

所述的终端包括下行流解析、控制单元、加法器和写控制逻辑，下行流分析从下行流中分拣出同步消息和其中的时间戳值并输出到控制单元，控制单元将时间戳值和延时参数调整值输出到加法器相加，加法器在写控制逻辑的输出控制下将相加得出的值输出到时标计数器，写控制逻辑将来自控制单元的控制要求和来自下行流解析的控制要求进行组合并通过加法器输出到时标计数器。

6.根据权利要求5所述的实现权利要求1所述方法的装置，其特征是，所述的时标计数器是32位时标计数器。

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