CN1731704A

CN1731704A - 时分双工同步码分多址基站间空中帧同步的方法和装置

Info

Publication number: CN1731704A
Application number: CN 200510086203
Authority: CN
Inventors: 钟爽莉; 张建新
Original assignee: ZTE Corp
Current assignee: ZTE Corp
Priority date: 2005-08-03
Filing date: 2005-08-03
Publication date: 2006-02-08
Anticipated expiration: 2025-08-03
Also published as: CN100461652C

Abstract

本发明公开了一种时分双工同步码分多址基站间空中帧同步的方法和装置，本发明采用全球定位系统作为统一参考源，各基站系统根据全球定位系统提供的时间信息得出帧号，从而保证各基站的小区系统帧号的一致；各基站系统的控制时钟板还通过松耦合的锁相方式与全球定位系统的秒脉冲定时信号保持频率与相位上的同步。本发明不需要无线网络控制器的参与，由基站自行实现同频同相及帧号时间相同，站点之间可以不互相依赖，从而使锁定时间很短，没有频率和相位的累积误差。

Description

时分双工同步码分多址基站间空中帧同步的方法和装置

技术领域

本发明涉及电信领域，特别是涉及时分双工同步码分多址基站间帧同步的方法和装置。

背景技术

在第三代移动通信中，3GPP(3^rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划)对时钟同步提出了较高的要求，尤其在时分双工系统中，提出了接力切换的概念，它适用于同步CDMA(Code Division MultipleAccess，码分多址)移动通信系统，是TD-SCDMA(Time Division Duplex-Synchronous Code Division Multiplex Access，时分双工同步码分多址)移动通信系统的核心技术之一。使用该方法可以在使用不同载频的TD-SCDMA基站之间，实现不中断通信、不丢失信息的越区切换。要做到接力切换，不仅要求RNC(Radio Network Control，无线网络控制)与Node B(基站子系统)之间同步，还要求各Node B之间的时钟与相位一致，并且时刻也是一致的，即空中口的帧号计数一致。只有这样，才能满足系统的要求。为此在规范《3GPP TS25 402》中提出了对于一个同步小区其SFN(Cell System FrameNumber counter，小区系统帧号计数)应与BFN(Node B Frame Numbercounter，基站子系统帧号计数)一致，而BFN是由各站点产生的，故各站点的BFN都与SFN要保持同步，即数值是一样的。只有这样相邻小区才可以做到接力切换。

对于Node B之间的同步，协议中提出了两种同步方式，一种是空中同步。另一种是站点间提供同步接口。对于空中同步首先需要一个带GPS(Global Positioning System，全球定位系统)的主站，它能够提供绝对的时钟参考。然后RNC根据主站的SFN，依次算出与其它站的差别，再命令各站点依次调整。每个站点要经过四个步骤的调整。预同步、频率调整、初始相位调整、同步阶段准备。当中每一步要反复多次。而且要保证所有的站点都同步后，才可进入全网同步。这样势必有大量的握手信息，计算判断。从而造成同步慢，启动时间慢。过分依赖主站以及同步精度较低等问题。另外还有RNC与Node B之间传输的延时也给实现带来了较大的困难。而对于站点间的同步接口，协议中提出由一个带GPS的主站产生一个标准的同步信号，并采用RS485信号标准，将此信号依次传递再生。这在同一机房内的站点是可行的。但是当站点间的距离较远时，传输较易受到干扰以及延时的因素，并不是很可靠。另外当传递的数目增加时，再生累积的误差也越大。影响了时钟的精度及SFN的可靠性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种时分双工同步码分多址基站间空中帧同步的方法和装置，解决现有同步技术需要RNC参与、产生大量的握手信息、传输延时易累积误差、系统可靠性差以及互相影响的技术问题。

为达到上述目的，本发明提供了一种时分双工同步码分多址基站间空中帧同步的方法，其特点在于，采用全球定位系统作为统一参考源，各基站系统根据全球定位系统提供的时间信息得出帧号，从而保证各基站的小区系统帧号的一致；各基站系统的控制时钟板还通过松耦合的锁相方式与全球定位系统的秒脉冲定时信号保持频率与相位上的同步。

上述的方法，其特点在于，进一步包括如下步骤：

步骤一，各基站系统上电，全球定位系统自动进行卫星跟踪；

步骤二，判断卫星跟踪是否成功，是则转步骤三，否则转回步骤二；

步骤三，各基站系统从全球定位系统得到所述时间信息和所述秒脉冲定时信号；

步骤四，各基站系统定时获取所述时间信息，通过计算得出帧号并与硬件计数的帧号进行比较，如不一致则进行告警；各基站系统启动所述松耦合的锁相环实现环路滤波器的锁相算法，根据所述秒脉冲定时信号同步频率与相位。

上述的方法，其特点在于，所述松耦合的锁相环包括：恒温晶振、数模转换芯片、中央处理器和可编程门阵列，并由所述中央处理器来实现所述环路滤波器的锁相算法。

上述的方法，其特点在于，所述步骤二中，如果全球定位系统跟踪上四颗卫星，则卫星跟踪成功。

上述的方法，其特点在于，各基站系统按照预定的时间间隔获取所述时间信息。

为了更好的实现本发明的目的，本发明还提供了一种时分双工同步码分多址基站间空中帧同步的装置，其特点在于，各基站系统的控制时钟板都通过接口连接一全球定位系统卡，所述全球定位系统卡连接有天线，各基站系统采用全球定位系统作为统一参考源，根据全球定位系统提供的时间信息得出帧号，从而保证各基站的小区系统帧号的一致；各基站系统的控制时钟板还通过松耦合的锁相方式与全球定位系统的秒脉冲定时信号保持频率与相位上的同步。

上述的装置，其特点在于，所述松耦合的锁相环包括：恒温晶振、数模转换芯片、中央处理器和可编程门阵列，并且通过所述中央处理器来实现环路滤波器的锁相算法。

上述的装置，其特点在于，所述接口为RS232接口。

上述的装置，其特点在于，所述全球定位系统卡按照预定的时间间隔向所述控制时钟板发送所述时间信息。

本发明的技术效果在于：

本发明采用GPS做为统一参考源，不需要RNC的参与，由NodeB自行实现同频同相及帧号时间相同，从而能够有效解决现有技术中存在的实现起来难、同步慢、系统可靠性差以及互相影响的问题；本发明站点之间可以不互相依赖，从而使锁定时间很短，没有频率和相位的累积误差；本发明实现起来比较容易，出现问题也很容易定位；GPS卡也是通用的一种设备，无需额外的要求，使得这种方法和装置移植起来很容易。

下面结合附图进一步详细说明本发明的具体实施例。

附图说明

图1是Node B基站与GPS的连接示意图；

图2是帧同步的示意图；

图3是系统控制时钟板上实现帧号一致的时序图；

图4是两个站点的系统控制时钟板上实现帧号一致的时序图；

图5是系统控制时钟板上实现与GPS同频同相的原理框图；

图6是系统控制时钟板上实现与GPS同频同相的时序图；

图7是全同步的步骤流程图。

具体实施方式

本发明是一种实现Node B各站点完全同频同相，以及SFN帧完全一致的方法和装置，采用GPS做为统一参考源，不需要RNC的参与，由NodeB自行实现同频同相及帧号时间相同。站点之间可以不互相依赖。从而使锁定时间很短，没有频率和相位的累积误差。实现起来比较容易，出现问题也很容易定位。GPS卡也是通用的一种设备，无需额外的要求。使得这种方法和装置移植起来很容易。

本发明的核心是根据GPS提供的接口信号，通常包括两种：一是秒脉冲1PPS(1 pulses per second，1秒脉冲定时信号)，另一个是标准串口。一方面系统控制时钟板通过串口通信可以得到GPS的TOD(time of day，年月日时分秒信息)。并根据TOD算出此刻的GPS time。然后利用公式得出该秒的帧号。由于各站点的参考源都是GPS，从而可以做到帧号是一样。另一方面系统控制时钟板还需通过松耦合的锁相方式与GPS的PPS保持频率与相位上的同步。其工作过程是：Node B系统上电后，GPS自动进行卫星跟踪。当跟踪上后，输出精确的秒脉冲信号和TOD时间。系统控制时钟板上有恒温晶振、DA(Digital to Analog数模转换)芯片、CPU(Central Processing Unit，中央处理器)以及FPGA(Field Programable Gate Array，可编程门阵列)构成的松耦合的锁相环，利用CPU来实现环路滤波器的锁相算法。从而保证与1PPS信号保持频率与相位上的一致。TD-SCDMA的SFN是每10ms产生一个帧号。系统控制时钟板利用锁定的时钟分频产生10ms信号，并在每个10ms信号的上升沿的时候计数得到帧号。当GPS锁定后，系统控制时钟板通过串口通信查到GPS time(GPS时刻)。算出SFN后，在下一个秒脉冲信号到来时，将新的帧号生效。然后系统控制时钟板的帧号再根据10ms时钟依次累加。

图1是Node B基站10与GPS的连接示意图。GPS卡11通过馈线与天线12相连。GPS卡11的工作电源由基站10提供。上电后，GPS卡11就可以自动进行卫星跟踪，同时系统控制时钟板13通过RS232口与GPS卡进行通信，查询GPS当前的工作状态。同时控制GPS的工作模式，以及秒脉冲的输出。当GPS跟踪上4颗卫星后，此时系统控制时钟板认为GPS工作正常了。将其设为位置保持模式，并让GPS卡11定时发回TOD时间以及相关工作状态。此时输出的1PPS秒脉冲信号是精确的了。

图2是空中帧同步的示意图，不同的Node B基站，其帧号及时隙都要同步。这样才可以使邻近小区不同的UE在发送接收消息时信号不会交迭。

图3是系统控制时钟板上实现帧号一致的时序图。系统控制时钟板上的恒温晶振通过分频产生周期为10ms的帧时钟。在每个时钟的上升沿来的时候帧号计数器加1，这就是SFN。它的范围是0-4095。由于各站点无法同时上电，故帧号肯定是无法一致的。需要GPS来使各站点的帧号一致。系统控制时钟板在GPS锁定卫星的情况下，发送周期(如10秒)查询TOD命令。则GPS卡每隔10秒(间隔时间可以根据需要设定，此处以10秒为例)则向系统控制板发送该秒的GPS time。因为帧号以10ms为周期的，而1秒内有100个帧号，因此SFN＝(GPS time×100)mod4096，而GPS times的值为0-604799，GPS time以星期为周期进行计时，604800＝60×60×7×24。它的周期是1024个星期。但由于604800mod4096不是一个整数，故对于同一时刻但不同周的Gps time其帧号是不同的，故还需要计算当前的GPS time的周数。根据国际上的规定，GPS的WEEK是这样定义的：1980年1月5日24点或1月6日凌晨，GPS time为0，并从那时开始计时。GPS week的周期为0-1023。因此要先查到GPS week，再查到当前秒的GPS time。

如果没有GPS time，也可以通过UTC时间来转换。即根据当前的年月日时分秒，与GPS绝对时间1980年1月5日24点或1月6日凌晨相比，算出GPS week，以及GPS time。并将相应的闰秒算上。因此最后

SFN＝{〔(604800×GPS week)+GPS time〕×100}mod4096GPS卡每隔10秒向系统控制时钟板发送TOD时间，考虑到传输的延时及相关处理，一般是在几百微秒，故在秒脉冲上升沿过后的T1时刻，系统控制时钟板可以接收到TOD。CPU开始计算SFN帧号。在T2时刻计算完后，则可以向硬件置起始帧号了。此时将CPU写入控制信号。在该秒内的帧号是完全一样的。为了与其它站点的帧号一样，硬件在下一个秒脉冲信号的上升沿来的时候让新的帧号再生效，此时帧号应加上100。由于帧号周期是10ms，置帧号时为了不影响到其它的帧号，在硬件上将需要处理置位信号，使它在一个帧号周期内。将CPU的控制信号变为一个4ms左右的窄脉冲。在T3时刻完成新帧号的置数，在T4时刻按照新的帧号进行累加计数。这样以GPS为绝对时刻，加上相关的处理，即使不同时间上电，仍可以保证所有的帧号是完全一致的。另外由于其它因素造成帧号不一致时，也可以通过后台的网管系统发起帧号同步的命令。则重新根据新的TOD进行帧号的计算。

在图4是两个站点的情况，每个站点通过锁GPS的1PPS信号，再生出系统内的1S信号，由于是松耦合的锁相方式，1S信号会在GPS的1PPS信号的左右缓慢地来回漂动。而各系统的帧时钟信号是与各自的1S信号的上沿对齐的。当两站点的帧时钟信号的上沿位于1PPS的两侧时，如果以1PPS的上沿来置位帧号时，必然会造成两站点的帧号差1，故帧号置位信号必须应该在以1PPS信号为中心的有一定宽度信号。宽度大于3us并小于帧时钟的半个周期。在这里做的是4ms的宽度。

图5、图6是系统控制时钟板上实现与GPS同频同相的原理框图及时序图，虽然置初始帧号可以保证各站点的起始计数完全一样，但是由于计数的时钟是各Node B系统自行产生的，如果不同步，会影响到随后的计数，而且站点相互之间的时隙也会干扰。因此各Node B基站的时钟及相位一定要与GPS同步，从而保证各站点间的频率和相位是一致的。

GPS的的秒脉冲信号经过线路接口部分进入系统控时钟板，单板上的恒温晶振(频率可为10MHz)经过分频产生1S信号，这两个信号都进入单板的FPGA，进行鉴频鉴相。输出的相位误差数据再到CPU进行分析计算，然后将计算的结果调整DA芯片，从而控制OCXO(Oven Control Crystal Oscillator，恒温晶体振荡器)的输出频率。

这里的关键是CPU的锁相算法，它不仅要求同频，还需要做到同相，即要求锁定后与GPS保持频率一致，相位对齐。根据TD-SCDMA的协议要求，两个站点间的相位差不能大于3us。

CPU采用松耦合的锁相算法。一方面监控频率的变化，另一方面监控相位的变化。由于Δf＝dφ/dt，频率的变化是相位对时间的微分。通过累计相位的误差，算出变化的频率值，然后调整DA后，使频率与GPS保持一致。对于相位的一致，在开始快捕时，通过逻辑的控制，用GPS的上沿来清零一次本地产生1S信号的计数器，使二者的时钟上升沿在初始时刻是对齐的，随后再进行频率和相位的跟踪。对于当频率基本一致，而相位缓慢朝一个方向漂动时，仍需要回调。算法中时刻监控相位的变化，一旦相位超出范围时(如500ns)，软件可以发起让相位同步的命令，使硬件的计数器清零，从而使相位再次对齐。软件也可以上报告警，由后台定时发起相位对齐命令。这样就可以保证与GPS的相位差不超过500ns。OCXO产生的1S信号与GPS的秒脉冲信号做到同频同相后，然后用此1S信号作为同步清零信号和10MHz(或61.44MHz，与10MHz同步)再分频产生系统所需的其它时钟，如10ms信号，chip时钟等。这样各站点的10ms信号的上升沿基本是一致的。从而防止了时隙的交叉。如图中站点1和站点2的每个时隙是基本对齐的。

图7是全同步的软件流程框图。如图所示，包括如下步骤：

步骤510，开始，Node B系统上电，GPS自动进行卫星跟踪；

步骤520，判断GPS是否跟上四颗卫星，是则执行步骤530和步骤570，否则返回步骤520；

步骤530，设置GPS卡相关工作模式，启动CPU的锁相环程序，开始跟踪GPS的秒脉冲；

步骤540，判断锁相环是否与GPS秒脉冲同频同相，是则执行步骤550，否则执行步骤560；

步骤550，同步正确，返回步骤540。

步骤560，进行告警，返回步骤540。

步骤570，定时获取TOD时间，计算帧号，并将帧号给硬件进行自动计数；

步骤580，判断硬件计数的帧号是否与TOD算出的帧号一致，是则执行步骤590，否则返回步骤570。

步骤590，同步正确，返回步骤580。

以上过程可进一步描述为：Node B系统上电后，GPS自动进行卫星跟踪。当跟踪上后，就可以输出精确的秒脉冲信号和TOD时间。此时系统控制时钟板一方面设置GPS为位置保持模式，启动CPU的锁相环程序。开始跟踪GPS的秒脉冲，使产生的1S信号与GPS信号频率与相位一致。并定时读取相位值及计算频率值来判断是否锁定GPS秒脉冲。另一方面可以定时获取TOD时间，然后算出该秒内的SFN，并根据需求置给硬件的帧号计数器。同时软件也可读取硬件计数的帧号，并与根据TOD算出的帧号相比，当不一致时，可以给出告警，或根据命令置位新的帧号。

综上所述，本发明主要是为了满足TD-SCDMA在接力切换时对切换站点的时钟及信号的相关要求，也可以避免站点间的同频干扰。本发明的实现是通过利用GPS的信号在时钟相位上一致，同时根据TOD时间算出绝对的SFN。从而可以使所有的站点的SFN都保持一样。本发明一方面使用简便的方法就可以达不同站点间的同频同相及同帧号的目的，无需RNC的参与，同步时间短。另一方面可以做到精度高，无延时累积误差等。同时方法简单便于移植。出现问题易于发现，维护很方便。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；凡是依本发明所作的等效变化与修改，都被本发明的专利范围所涵盖。

Claims

1、一种时分双工同步码分多址基站间空中帧同步的方法，其特征在于，采用全球定位系统作为统一参考源，各基站系统根据全球定位系统提供的时间信息得出帧号，从而保证各基站的小区系统帧号的一致；各基站系统的控制时钟板还通过松耦合的锁相方式与全球定位系统的秒脉冲定时信号保持频率与相位上的同步。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括如下步骤：

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述松耦合的锁相环包括：恒温晶振、数模转换芯片、中央处理器和可编程门阵列，并由所述中央处理器来实现所述环路滤波器的锁相算法。

4、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤二中，如果全球定位系统跟踪上四颗卫星，则卫星跟踪成功。

5、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，各基站系统按照预定的时间间隔获取所述时间信息。

6、一种时分双工同步码分多址基站间空中帧同步的装置，其特征在于，各基站系统的控制时钟板都通过接口连接一全球定位系统卡，所述全球定位系统卡连接有天线，各基站系统采用全球定位系统作为统一参考源，根据全球定位系统提供的时间信息得出帧号，从而保证各基站的小区系统帧号的一致；各基站系统的控制时钟板还通过松耦合的锁相方式与全球定位系统的秒脉冲定时信号保持频率与相位上的同步。

7、根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述松耦合的锁相环包括：恒温晶振、数模转换芯片、中央处理器和可编程门阵列，并且通过所述中央处理器来实现环路滤波器的锁相算法。

8、根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述接口为RS232接口。

9、根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述全球定位系统卡按照预定的时间间隔向所述控制时钟板发送所述时间信息。