CN1836386B - 用于同步被划分成无线电小区的无线电通信系统的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于同步被划分成无线电小区的无线电通信系统，其中每个无线电小区具有一个用于无线电覆盖多个配属于无线电小区的移动站的基站。根据本发明，除了自身的无线电小区的移动站信号，基站还接收来自毗邻的无线电小区的移动站信号。所述基站依照移动站信号来确定移动站的数量，并且将这个数量与预定的阈值进行比较。在低于所述阈值时，使用用于同步基站和所配属的移动站的第一同步方法，该第一同步方法对应无线电通信系统的所配属的传输标准。在超出所述阈值时，使用用于同步基站和所配置的移动站的第二同步方法。

Description

用于同步被划分成无线电小区的无线电通信系统的方法

本发明涉及一种依照权利要求1的前序部分的、用于同步被划分成无线电小区的无线电通信系统的方法。

在蜂窝式无线电通信系统中，由于必要的载频复用，在毗邻的无线电小区中导致作为所谓“Cochannel-Interference”的同信道干扰。为了减少这种干扰，将可用的载频分配到各个的载频部分资源。因而借助于所谓的“频率重用Frequency-Reuse”规划，将每个载频部分资源分别这样固定地分配给无线电小区，从而在无线电小区中在考虑无线电小区的最小空间距离的情况下仅仅导致最小的同信道干扰。

载频或其传输资源的这种固定分配特别地因而在以下情况中是不利的，即在毗邻的无线电小区内出现不均匀分布的用户数量。无线电小区之一的、所考察的需要无线电覆盖提高的用户数量的基站因而对传输资源有提高的要求。如果接着出现传输资源的缺失，那么在所考察的无线电小区中请求新的数据传输的用户就被拒绝。

相应地，当用户数量提高时出现在无线电通信系统内的同信道干扰，所述同信道干扰由于具有确定的频率重用因数(“频率重用因数”)的“频率重用”规划而可以仅仅有限地受影响。

传输资源的提高，这例如在大型集会时通过后续引入其他基站来实施，由于同信道干扰的增加而不能随便地采用简单的装置来实现。必要时必须再次实施花费大的“频率重用”规划。

尤其是对于未来一代的蜂窝式结构的移动无线电网络，应用所谓的“正交频分复用”、简称“OFDM”传输技术是非常重要的。这种OFDM移动无线电网络例如为了视频传输而要求较高的数据速率，所述较高数据速率能够借助于OFDM传输技术来传输。在此，为了传输用户数据流，相互并行地同时使用多个所谓的子载频。通过多个具有一般相同的带宽的无线电传输信道来实现带宽更宽的传输信道。这种OFDM可以再次依赖于要实施的关于同信道干扰的“频率重用”规划加以构建。

宽带无线电传输信道是“时间弥散的”，并且遭受频率选择的衰减，从而在接收侧典型地需要复杂的校正。在OFDM传输中，无线电传输信道被划分成多个更窄的子信道，从而在每一个子信道上经历“平坦衰减”而不是频率选择衰减，由此使得非常简单的、典型的“单输出(single-tap)”校正称为可能。

在最简单的情况下，给这些无线电传输信道中的每一个信道分别配属相同的调制方案并由此配属相同的传输比特率。在此，所配属的传输比特率依赖于各个无线电传输信道的干扰加以确定。相较于在具有较高干扰的无线电传输信道中所应用的调制方法，在具有较小干扰的无线电传输信道上应用更高级别的调制方法。由此能够例如在考虑误码率的情况下，针对每个无线电传输信道实施具有所要求的业务质量的传输。这种OFDM多载波方法在基带中有线传输的情况下是已知的，也称为“离散多音频传送discrete multitone transmission”，简称为“DMT”。

在图3中，对于所有移动无线电系统代表性地示出依照现有技术的蜂窝OFDM无线电通信系统。三个毗邻的无线电小区FZ1至FZ3分别具有所配属的基站BTS01至BTS03。基站BTS01至BTS03中每个单独的基站服务多个分别配属于无线电小区FZ1至FZ3的移动站T01至T12。在此，根据频率重用规划，给第一无线电小区FZ1的第一基站BTS01分配总共四个载频f9至f12，给第二无线电小区FZ2的第二基站BTS02分配总共四个载频f1至f4，给第三无线电小区FZ3的第三基站BTS03分配总共四个载频f5至f8，专门用于数据传输。

在称作“下行链路”DL的从基站到移动站的连接方向上，载频f1至f12中的每一个载频具有七个时隙TS1至TS7作为传输资源，而在称作“上行链路”UL的从移动站到基站的连接方向上，载频f1至f12中的每一个载频具有五个时隙TS1至TS5作为传输资源。示例性地，空闲的未使用的时隙配属于载频f2、f7和f11，并且用字母“F”表示。

在图4中概括地示出在图3中所述的无线电小区FZ1至FZ3的对应于现有技术的同步情况。

所述各个基站BTS01至BTS03相互既不是频率同步的又不是时间同步的。垂直地，针对每一个单独的基站BTS01至BTS03，分别示出基站特定的载频偏差Delta01至Delta03。这些载频偏差Delta01至Delta03对每个单独的基站BTS01至BTS03是由基站的各电气组件、例如基站专用的本地振荡器所引起的。因为移动站T01至T012被分别同步到所配属的基站BTS01至BTS03，所以基站BTS01至BTS03和相应所配属的移动站T01至T012彼此分别具有载频偏差Delta01至Delta03。

根据US 5,872,774，已知一种“从属基站”到“参考基站”的同步。在此，所述“从属基站”经由移动站接收“参考基站”的消息，所述移动站处在所述的两个基站之间在所谓的“软切换区”中。在应用“往返延迟”测量的情况下，实现“从属基站”的同步。

根据WO 00/35117 A2已知一种同步，其中在所考察的基站上直接测量在毗邻基站之间的时间差。根据预先已知的基站位置坐标来确定和消除相对的时间差。针对以下情况，即在所考察的基站上不能够直接测量毗邻基站的基站信号，为了转交所述基站信号而使用“固定的移动站fixed mobile”，所述“固定的移动站”配置在所谓的“软切换区”。

本发明所基于的任务是，这样实现蜂窝式无线电通信系统、特别是OFDM无线电传输系统，从而在关注最小同信道干扰情况下，用户既在高通信量时、又在低通信量时以最佳地利用无线电传输资源的方式被无线电覆盖。

本发明的任务通过权利要求1的特征来解决。有利的改进方案在从属权利要求中加以说明。

根据本发明，在基站方面确定多个有效移动站的数目，并且将其与至少一个预定的阈值进行比较。依赖于所述的一个阈值或多个阈值，选择或使用第一同步方法或第二同步方法。

下面代表性地和示范性地以一个预定的阈值为出发点。

在有效移动站数量较少时，亦即在低于预定阈值时，使用第一同步方法，所述第一同步方法根据配属于无线电通信系统的传输标准加以构建。例如，在UMTS无线电通信系统中，依照所配属的UMTS标准来实现基站和移动站的同步。

在有效移动站数量较多时，亦即在超出预定的阈值时，使用下文描述的第二同步方法。

在第一同步方法中，以与第二同步方法相比较少的有效移动站数量为出发点，从而在这种情况下存在对于传输同步信息而言足够的传输容量。

通过在有效移动站数量较少时使用第一同步方法，保证所需的同步的精确度。

通过第二同步方法，以简单的方式在蜂窝式无线电通信系统中实现时间同步和频率同步。因为第二同步方法放弃传输附加的用于同步的信令信息，其中所述信令信息迄今必须在基站和移动站之间在较高的协议层上加以交换，所以可用于实施有用数据传输的无线电传输资源保持空闲。

在第二同步方法中，特别有利地使得以下情况成为可能，即特别毗邻的基站使用储备的无线电传输资源，其中所述储备被公共地配属给用于数据传输的基站。由此使得特别有效的无线电资源管理成为可能。在单个的无线电小区中引入或实现可用无线电传输资源的动态利用。

在第二同步方法中，根据当前通信量负荷，分别最佳地配置可用的无线电传输资源，其中特别有利地对不均匀分布的用户占据进行均衡。

在第二同步方法中，在一个优选的实施方案中，在考虑在要选择的无线电传输资源上的干扰状况的情况下，实现无线电传输资源的分配。由此可能的是，例如只要在选择的时隙中的干扰状况允许，两个相邻的基站同时共同地使用载频的时隙作为无线电传输资源，以便无线电覆盖移动站，其中所述相邻的基站中的每个单独的基站分别无线电覆盖配属给它的移动站。

无线电传输资源例如通过公共配属的载频的时隙来确定。

通过第二同步方法，在单个的无线电小区中实现可用的无线电传输资源的动态利用，其中所述的第二同步方法通过在接收侧的信号处理和对基站或移动站的同步状态的后续调整加以实施。根据当前的通信量负荷，始终最佳地配置可用的无线电传输资源。特别有利的是，在此对在毗邻无线电小区中不均匀分布的用户占据进行均衡。

第二同步方法使得能够在基站侧和/或在移动站侧应用干扰抑制方法，因为干扰抑制方法尤其是对于相互同步的有用信号和干扰信号是最佳的。

第二同步方法使得例如在大型集会时以简单的方式加入另外的基站成为可能，或者由此使得伴随的无线电小区数量的改变成为可能。

不仅在第一同步方法中而且在第二同步方法中，加入的基站如此动态地选择无线电传输资源，从而使对毗邻无线电小区的干扰或对分别配属于所述毗邻无线电小区的移动站的同信道干扰最小化。

根据本发明的方法特别优选地在OFDM无线电通信系统中加以使用，其中所述OFDM无线电通信系统特别优选地应用于具有较高数据速率的业务。

根据本发明的方法包括应用基于多个阈值的选择或同步方法。例如通过两个阈值确定阈值范围，由此实现“平缓”的选择或在同步方法之间的切换。

借助于相应配置的阈值范围，例如能够在选择同步方法时应用必要时关于时间所实施的滞后函数(Hysterese-Funktion)。

特别有利地，减少偶尔会较差接收的移动站对选择同步方法的影响。

下面借助附图详细说明第二同步方法。

图1示出具有本发明的第二同步的OFDM无线电通信系统，

图2示出从图1的基站方面所实施的根据本发明的第二同步，

图3示出在说明书引言中代表性地描述的、根据现有技术的蜂窝式OFDM无线电通信系统，和

图4示出在说明书引言中所描述的、根据现有技术的同步情况。

图1针对其他的移动无线电系统代表性地示出具有根据本发明的第二同步的OFDM无线电通信系统。

三个毗邻的无线电小区FZ1至FZ3分别具有一个所配属的基站BTS1至BTS3。基站BTS01至BTS03中每个单个的基站服务多个分别配属于无线电小区FZ1至FZ3的移动站T11至T33。在此，将总共四个移动站T11至T14分配给第一基站BTS1以进行无线电覆盖，而将总共五个基站T21至T25分配给第二基站BTS2以进行无线电覆盖。将总共三个移动站T31至T33分配给第三基站BTS3以进行无线电覆盖。

所有三个基站BTS1至BTS3为传输用户数据同等地使用共同的载频资源，所述载频资源总共具有十二个载频f1至f12。在称作“下行链路”DL的从基站到移动站的连接方向上，载频f1至f12中的每一个载频具有七个时隙TS1至TS7作为传输资源，而在称作“上行链路”UL的从移动站到基站的连接方向上，载频f1至f12中的每一个载频具有五个时隙TS1至TS5作为传输资源。示例性地，空闲的未使用的时隙配属于载频f2、f8和f12，并且用字母“F”表示。

与图3相比，在这里通过根据本发明的第二同步取消载频f1至f12到基站或无线电小区的唯一的分配。

针对第二和第三无线电小区FZ2和FZ3代表性地，下面详细说明根据本发明的第二同步方法。在此，在这里“同步”应理解为既是载频的时隙在时间上的同步，又是载频的频率同步。

第一无线电小区FZ1的第一基站BTS1在上行链路UL中除了接收配属给它的移动站T11至T14的信号，还接收附加的来自毗邻的无线电小区FZ2和FZ3的移动站的信号。这种接收自动地进行，无须附加地监控另外的频带。

例如，第一基站BTS1在上行链路中还接收第二无线电小区FZ2的移动站T21和T22的信号和第三无线电小区FZ3的移动站T31和T32的信号。基于所接收的毗邻的无线电小区FZ2和FZ3的移动站信号，第一基站BTS1确定第一时间偏差和第一频率偏差，并且从这些值中推导出适当地时间同步值和频率同步值，第一基站BTS1最终同步到所述同步值上。在下面的图2中将示范性地对此进行说明。

对于所有移动站代表性地，注意到，在下行链路DL中第一无线电小区FZ1的第三移动站T13除了接收自身无线电小区FZ1的基站BTS1的信号，还接收毗邻的无线电小区FZ2和FZ3的基站BTS2和BTS3的信号。基于所接收的基站信号，第三移动站T13，则确定第二时间偏差和第二频率偏差，并且从这些值中推导出适当的时间同步值和频率同步值，移动站T13最终同步到所述同步值。

根据本发明的第二同步方法例如以帧方式加以重复，由此按时间上的平均值得到精确的、自组织的时间同步和频率同步。

通过第二同步方法，特别有利地实现特别灵活和自适应实现的无线电资源管理，因为所有基站能够访问公共的无线电传输资源储备。在此，例如在考虑最小同信道干扰的情况下实现载频的选择。传输资源到移动站的分配完全通过各个移动站分别配属的基站来实施。

通过所取消的载频对基站或无线电小区的唯一的分配使得以下情况称为可能，即例如当在时隙TS5中干扰状况允许时，用于无线电覆盖移动站T14的基站BTS1和用于无线电覆盖移动站T32的基站BTS3同时使用载频f5的时隙TS5。这个干扰状况例如受在基站上的扇形化的接收和/或发射天线影响、或受无线电信号的传播特性影响、或受在用户之间的空间距离等影响。

在扇形化中，用于发射或用于接收无线电信号的基站例如具有三个天线装置，这些装置中的每一个天线装置无线电覆盖张角为120°的扇区。由此实现无线电信号的空间分离或区分，并且依照扇区张角的选择来实现干扰状况的改善。

对于不均匀的无线电小区负荷的情况，三个基站中的每个基站根据需要完全或部分地访问载频的无线电资源，由此当在单个的无线电小区中同时突出的超负荷时避免在单个的无线电小区中的瓶颈。根据本发明的第二同步方法独立地加以实施，并且既不需要花费大的信令也不需要花费大的GPS时间同步。

图2基于图1示出在基站BTS1方面所实施的第二同步方法。

竖直地，针对每个单独的移动站分别示出移动站特定的载频偏差。所考察的第一基站BTS1在上行方向上接收由移动站T21、T22、T12、T13、T11、T31和T32所发射的信号，并且由此确定同步值d1，所述同步值d1在这里示范性地作为平均值通过阴影线的矩形来示出。基站BTS1相应地在正的同步值d1方向上校正其同步。相应的也适用于另外的基站BTS2和BTS3。

可与此相比较地，实现在这里未详细说明的各个移动站的同步。

如果在所谓的蜂窝式无线电通信系统中单独地或相互组合地使用TDMA/FDMA多址方法，并且为了进行传输使用所谓的时分双工传输模式(TDD-Mode)，那么在基站上所接收的信号r(t)包括所有无线电小区的以FDMA多址方法同时发射的移动站的多个信号的叠加。

每个基站根据所接收的信号r(t)得到位于毗邻无线电小区中的移动站的叠加的0FDM符号的平均的接收时间点。

借助于相邻的、以OFDM符号长度N的间距排列的采样值的校正，形成针对采样值k的量度λ(k)，它的值也在OFMA符号长度为N的FDMA上行链路情况下具有周期性的值。

有：

$\mathrm{\λ}\left(k\right)={\mathrm{\Σ}}_{m=0}^{M-1}r(k+m)r^{*}(k+m+N)$

在此，M表示窗长度，通过所述窗长度以减少噪声为目的来对量度值取平均。这通常与所谓“保护间隙”的长度是相同的。可能地，为了改善检测特性而选择偏差的校正过的值的间距N的长度和窗口长度M。

替代在各个基站上的移动站信号分量的平均的时间偏差，量度的绝对值|λ(k)|假定为这样的值，该值是与从这个小区所接收的移动站的信号的功率和成比例的。由于这个原因，根据计算量度值来寻找最大的量度绝对值|λ(k)|，并且将最大绝对值的位置继续用作各个基站的时间偏移量的估计值。所述量度值在保留的剩余的载频偏差的情况下是复数，因此根据在量度最大值中所测量的、载频偏差的较小值的相位，能够确定在OFDM符号中所接收的信号的平均的载频偏差的近似值。

有利地，为了分开不同移动站的FDMA信号，在频域中对所接收的信号进行分析，因为这些信号配属于不同的子载波。载频偏差在这种情况下分别根据在每个子载波上所接收的OFDM符号的相位旋转加以实现。

在此，根据在具有时间下标n和n+1的两个连续的0FDM符号的子载波之间的、部分载频k的传输因数H(n，k)在时间间隔T_s中的相位改变，得到部分载频的频率偏差δf(k)。因此有：

$\mathrm{\δf}\left(k\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\∠\left\{\frac{H(n+1,k)}{H(n,k)}\right\}\frac{1}{T_s}$

根据毗邻无线电小区的在频域中估计之后存在的载频偏差值，在依照估计的质量进行评估之后确定从相邻无线电小区所接收的移动站的例如平均的载频偏差。

根据在所接收的配属于同一基站的移动站的OFDM符号之间的相位旋转，分别确定时间偏差。根据在频域中估计之后存在的时间偏差值，在依照估计的质量进行评估之后确定从相邻无线电小区所接收的移动站的例如平均的时间偏差。

借助于所确定的时间偏差和载频偏差，每个基站分别根据所确定的值来调整自身的载频和自身的发射时间点。在适当的调整回路环路滤波器的设计中，这个过程自动地导致收敛的估计。

针对根据本发明的第二同步方法，对于在TDD无线电通信系统中新出现的基站而言要求以下步骤：

-监听上行链路和下行链路以确定TDD帧结构，

-确定所有的所测量的接收时间点的、绝对的发射时间点，以及

-按照前面所述的模式来分析信号。

每个基站在上行链路方面确定在无线电小区中有效的移动站的有用功率，以及确定每个子载波的来自毗邻无线电小区的同信道干扰功率。

基于这些信息，每个基站作出独立的关于要占据的带宽的决定。选择具有最小干扰功率的那一个子载波。在此，基站依赖于可达到的信道质量作出自适应的关于要占据的子载波的位置和数量以及要应用的物理传输参数的决定，以便能够最佳地无线电覆盖位于无线电小区内的移动站。干涉小区的组织是不必要的。

这种多址避免无线电小区内的干扰和在毗邻无线电小区的移动站之间的干扰。所应用的多址方法的居于支配地位小区的自组织的优化被实施。在考虑无线电传输信道特性的情况下和在考虑在蜂窝式环境中瞬时干扰状况的情况下实现这种优化。

Claims (12)

1.用于同步被划分成无线电小区的无线电通信系统的方法，

-其中借助于时分多址方法来传输数据，和其中每个无线电小区具有一个用于无线电覆盖多个配属于所述无线电小区的移动站的基站，

-其中基站除了接收自身的无线电小区的移动站信号，还接收来自毗邻无线电小区的移动站信号，

-其中所述基站依照所述移动站信号确定移动站数量，并且将这个移动站数量与至少一个预定的阈值进行比较，

-其中在所述移动站数量低于所述的至少一个阈值时使用用于同步所述基站和所配属的移动站的第一同步方法，所述的第一同步方法对应所述无线电通信系统所配属的传输标准，

-其中在所述移动站数量超出所述的至少一个阈值时使用用于同步所述基站和所配属的移动站的第二同步方法，在所述的第二同步方法中基站根据所接收的移动站信号确定所述基站据此进行同步的时间同步值和频率同步值，

其特征在于，

-在超出所述的至少一个阈值时，移动站除了接收自身无线电小区的基站信号，还接收来自毗邻无线电小区的基站信号，

-所述移动站根据所接收的基站信号确定所述移动站据此进行同步的时间同步值和频率同步值。

2.按照权利要求1的方法，其特征在于，

毗邻无线电小区的基站使用储备的无线电传输资源，所述储备公共地配属于用于数据传输的所述基站。

3.按照权利要求1或2的方法，其特征在于，

在第二同步方法中，所述基站使用公共配属的载频的时隙作为无线电传输资源。

4.按照权利要求1或2的方法，其特征在于，在第二同步方法中，至少两个毗邻的基站(BTS1、BTS3)同时且共同地使用载频(f5)的时隙(TS5)以无线电覆盖各自所配属的移动站(T14、T32)，并且所述时隙(TS5)在考虑在所述时隙(TS5)中的干扰状况的情况下从公共配属的无线电传输资源中被选择。

5.按照权利要求1或2的方法，其特征在于，在第二同步方法中，不仅所述基站、而且所述移动站都调整用户专门所使用的载频和时隙发射时间点。

6.按照权利要求1或2的方法，其特征在于，在所述基站和/或所述移动站上借助于干扰抑制方法使同信道干扰最小化。

7.按照权利要求1或2的方法，其特征在于，在基站侧如此地配置无线电传输资源，使得在毗邻无线电小区上的同信道干扰被最小化。

8.按照权利要求1或2的方法，其特征在于，在所述无线电通信系统中使用OFDM无线电传输方法。

9.按照权利要求1或2的方法，其特征在于，在所述无线电通信系统中使用TDD或FDD无线电传输方法。

10.按照权利要求1或2的方法，其特征在于，在第二同步方法中，通过校正来确定时间偏差，并且通过在变换到频域之后求出连续符号的相位旋转来确定频率偏差。

11.按照权利要求1或2的方法，其特征在于，实施第二同步方法，无需附加的借助于在基站和所配属的移动站之间的较高的协议层的信令。

12.按照权利要求1或2的方法，其特征在于，借助于由阈值范围确定的关于时间的滞后函数来选择所述的同步方法。

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