DE10104539A1

DE10104539A1 - Verfahren zum Betrieb einer Basisstation in einem Funkkommunikationssystem

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Publication number: DE10104539A1
Application number: DE10104539A
Authority: DE
Inventors: Oliver Cyranka
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-02-01
Filing date: 2001-02-01
Publication date: 2002-08-29

Abstract

Zur Synchronisation einer Basisstation mit einer Netzwerkeinrichtung, in der eine Referenzzeit eines Funkkommunikationssystems verfügbar ist, wird eine Laufzeit zwischen der Basisstation und der Netzwerkeinrichtung bestimmt, es wird die Referenzzeit zwischen der Netzwerkeinrichtung und der Basisstation übertragen und es wird eine Basisstationssystemzeit aus der Laufzeit und der Referenzzeit berechnet.

Description

Funkkommunikationssysteme dienen der Übertragung von Informa tionen, Sprache oder Daten, mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen über eine Funkschnittstelle, auch Luftschnittstelle genannt, zwischen einer sendenden und einer empfangenden Funkstation. Ein Beispiel für ein Funkkommunikationssystem ist das bekannte GSM-Mobilfunknetz, dessen Architektur zum Beispiel in B. Walke, "Mobilfunknetze und ihre Protokolle", Band 1, Teubner-Verlag Stuttgart, 1998, Seite 139 bis 151 und Seite 299 bis 303, beschrieben ist. Dabei ist zur Übertragung eines Teilnehmersignals jeweils ein durch einen schmalbandi gen Frequenzbereich und einen Zeitschlitz gebildeter Kanal vorgesehen. Da sich ein Teilnehmersignal in einem Kanal in Frequenz und Zeit von den übrigen Teilnehmersignalen unter scheidet, kann die empfangende Funkstation eine Detektion der Daten des Teilnehmersignals vornehmen. In neueren Funkkommu nikationssystemen, wie zum Beispiel dem UMTS-System, werden die einzelnen Teilnehmer darüber hinaus durch unterschiedli che Spreizcodes unterschieden.

Ein Funkkommunikationssystem, zum Beispiel ein GSM- Mobilfunknetz, umfasst eine Vielzahl von Mobilvermittlungs stellen, die untereinander vernetzt sind, bzw., die den Zu gang zu einem Festnetz herstellen. Ferner sind diese Mobil vermittlungsstellen mit jeweils einer Basisstationssteuerung verbunden. Die Basisstationssteuerung ermöglicht eine Verbin dung zu mindestens einer Basisstation und nimmt die Verwal tung der funktechnischen Ressourcen der angeschlossenen Ba sisstationen vor. Eine solche Basisstation ist eine Funksta tion, die über eine Funkschnittstelle, auch Luftschnittstelle oder terrestrisches Interface genannt, eine Nachrichtenver bindung zu Mobilstationen aufbauen kann.

Zur Übertragung von paketvermittelten Daten kann die Basis stationssteuerung darüber hinaus mit einem Paketdatendienst knoten (Serving GPRS Support Node) verbunden sein, der den Zugang zu einem Festdatennetz herstellt. Für die paketvermit telten Daten dient die Mobilvermittlungsstelle der Signali sierung. Ein Operations- und Wartungszentrum realisiert Kon troll- und Wartungsfunktionen für das Mobilfunknetz bzw. für Teile davon.

In vielen Funkkommunikationssystemen, zum Beispiel dem GSM- System, laufen verschiedene Basisstationen unsynchron. Die Basis der Zeitzählung in jeder der Basisstationen bezüglich der Luftschnittstelle ist die Nummer eines Zeitrahmens, in dem jeweils mehrere, zum Beispiel acht, Zeitschlitze für meh rere Kanäle zusammengefasst werden. Die Zählung der Zeitrah mennummer beginnt mit dem Hochlauf der Basisstation und ist daher für verschiedene Basisstationen in ein- und demselben Funkkommunikationssystem unterschiedlich.

Für verschiedene neuere Anwendungen wird hingegen eine Syn chronität der Basisstationen bezüglich der Luftschnittstellen benötigt. So ist in dem Funkkommunikationssystem Edge Com pact, das eine Fortentwicklung des GSM-Systems darstellt, für mehrere Quellen nur ein gemeinsamer Rundfunkkanal BCCH vorge sehen, mit dessen Hilfe sich eine Mobilstation auf das Funk kommunikationsnetz synchronisiert. Da in diesem Fall ein Ge spräch von der Mobilstation über eine von mehreren Basissta tionen abgewickelt wird, der Rundfunkkanal jedoch nur von ei ner der Basisstationen ausgesendet wird, müssen alle betei ligten Basisstationen synchron sein.

Eine weitere Anwendung, für die die Basisstationen eines Funkkommunikationssystems synchron sein sollten, ist die Po sitionsbestimmung einer Mobilstation durch Messung der Lauf zeiten zu mehreren benachbarten Basisstationen.

Es wurde vorgeschlagen (siehe zum Beispiel 3-Carrier Compact Proposal, Kap. 3, Rev. 1.0, TDoc SMG2 EDGE 152/99 ETSI SMG2 Working session on EDGE, May 17-19, 1999, Paris, France) verschiedene Basisstationen zum Beispiel durch Verwendung ei nes GPS (Global Positioning System)-Empfängers an jeder Ba sisstation durch ein absolutes Zeitmaß abzugleichen. Dieses erfordert ein Umrüsten der Basisstationen. Weiterhin ist nachteilig, dass der Empfang des GPS-Signals nicht an jedem Basisstationsstandort sichergestellt ist. Dieses ist zum Bei spiel schwierig bei Installationen in Gebäudeinnenräumen oder in Bahntunnels.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer Basisstation in einem Funkkommunikations system anzugeben, bei dem eine Synchronisation der Basissta tion in dem Funkkommunikationsnetz sichergestellt wird, ohne auf ein ausserhalb des Funkkommunikationsnetzes zur Verfügung stehendes Zeitnormal zurückzugreifen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung erge ben sich aus den Unteransprüchen.

In dem Verfahren zum Betrieb einer Basisstation in einem Funkkommunikationssystem wird zur Synchronisation der Basis station mit einer Netzwerkeinrichtung, in der eine Referenz zeit des Funkkommunikationssystems verfügbar ist, eine Lauf zeit zwischen der Basisstation und der Netzwerkeinrichtung bestimmt. Die Referenzzeit wird zwischen der Netzwerkeinrich tung und der Basisstation übertragen. Eine Basisstationssys temzeit wird dann aus der Laufzeit und der Referenzzeit be rechnet. Die Basisstationssystemzeit ergibt sich als Summe aus der Laufzeit und der Referenzzeit. Damit ist die Basis stationssystemzeit synchron mit der Referenzzeit.

Das Verfahren ist in allen Funkkommunikationsystemen anwend bar, in denen eine Basisstation und eine Netzwerkeinrichtung mit einer Referenzzeit vorgesehen sind, insbesondere im GSM- System, GPRS-System, EDGE-System, EDGE COMPACT-System, UMTS- Netz oder einem IP-Netz. Im Fall eines UMTS-Netzes ist es vorteilhaft, das Verfahren bei synchronen Übertragungsstre cken einzusetzen, da sich hierbei die Laufzeit am genauesten bestimmen läßt. Die Genauigkeit des Verfahrens bei Anwendung in einem IP-Netz hängt davon ab, wie groß der Jitter der ein zelnen Pakete ist. Als Netzwerkeinrichtung ist insbesondere eine Mobilvermittlungsstation, eine Transkodiereinheit (Transcoding and Rate Adaptation Unit), der von einer Mobil vermittlungsstelle die Referenzzeit übertragen wird oder ein Paketdatendienstknoten (Serving GPRS Support Node) geeignet.

Die Bestimmung der Laufzeit erfolgt vorzugsweise durch Mes sung einer Umlaufzeit von der Netzwerkeinrichtung zur Basis station und von der Basisstation zurück zur Netzwerkeinrich tung. Die Laufzeit ergibt sich durch einen konstanten Faktor aus der Umlaufzeit. Üblicherweise ergibt sich die Laufzeit als ein halb der Umlaufzeit. Sollten Unsymmetrien der verwen deten Hardwarekomponenten zu einem Unterschied der Übertra gung zwischen der Netzwerkeinrichtung zu der -Basisstation und zwischen der Basisstation und der Netzwerkeinrichtung führen, so ist der genaue Faktor, durch den sich die Laufzeit aus der Umlaufzeit ergibt, durch Messungen bestimmbar und stellt eine feste Systemkonstante dar.

Zur Messung der Umlaufzeit liegt es im Rahmen der Erfindung, dass die Netzwerkeinrichtung in einem Zeitrahmen ein erstes Datenpaket an die Basisstation sendet, wobei das Datenpaket mindestens eine Information über den Zeitrahmen und die Refe renzzeit enthält. Die Basisstation sendet nach Empfang des ersten Datenpakets ein zweites Datenpaket an die Netzwerkein richtung, wobei das zweite Datenpaket mindestens eine Infor mation über den Zeitrahmen enthält. Die Netzwerkeinrichtung bestimmt die Umlaufzeit aus dem zeitlichen Abstand zwischen dem Absenden des ersten Datenpakets und dem Empfang des zweiten Datenpakets. Die Umlaufzeit wird von der Netzwerkeinrich tung an die Basisstation übertragen.

Zur Erhöhung der Genauigkeit ist es vorteilhaft, die Umlauf zeit mehrfach zu bestimmen und einen Mittelwert der Umlauf zeit aus den jeweils bestimmten Werten zu bilden. Der Mittel wert der Umlaufzeit wird von der Netzwerkeinrichtung an die Basisstation übertragen.

Eine vorgegebene Genauigkeit der Umlaufzeit wird in kürzerer Zeit dadurch erzielt, dass die Umlaufzeit in mehreren Kanälen bestimmt wird und ein Mittelwert aus den erhaltenen Werten gebildet wird.

Vorzugsweise wird beim Hochfahren einer Basisstation die Laufzeit durch mehrfache Messung der Umlaufzeit bestimmt. Die Basisstationssystemzeit wird aus der Laufzeit und der Refe renzzeit berechnet. Eine aktuelle Basisstationssystemzeit wird dann durch Weiterzählen der Basisstationssystemzeit ge mäß einem internen Takt erzeugt.

Um die Synchronität der Basisstation mit dem Funkkommunikati onssystem auch dann sicherzustellen, wenn der durch einen Os zillator vorgegebene interne Takt der Basisstation schwankt, wird während des Betriebs der Basisstation ein Sollwert der Basisstationssystemzeit durch Bestimmung der Laufzeit zwi schen der Basisstation und der Netzwerkeinrichtung, durch Ü bertragung der Referenzzeit von der Netzwerkeinrichtung zur Basisstation und Berechnung aus der Laufzeit und der Refe renzzeit bestimmt. Eine Differenz zwischen der aktuellen Ba sisstationszeit und dem Sollwert der Basisstationszeit wird zur Regelung des Oszillators verwendet.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an hand von Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch die Messung einer Umlaufzeit zwi schen einer Netzwerkeinrichtung und einer Basisstation.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus einem Funkkommunikations system mit mehreren Basisstationen, einer Basisstationssteue rung, einer Transkodiereinheit, einer Mobilvermittlungsstelle und einem Paketdatendienstknoten.

Zur Bestimmung einer Laufzeit zwischen einer Netzwerkeinrich tung NE, zum Beispiel einer Mobilvermittlungsstelle, einer Transkodiereinheit oder einem Paketdatendienstknoten, und ei ner Basisstation BTS sendet die Netzwerkeinrichtung NE in ei nem Zeitrahmen ZR1 ein Datenpaket, das eine Referenzzeit Tsys und eine fortlaufende Sequenznummer Sn = x, x = 1, 2, . . ., ent hält (siehe Fig. 1). Die Referenzzeit ist zum Beispiel aus einer Zeitrahmennummer und einer Zeit innerhalb des aktuellen Zeitrahmens in Mikrosekunden zusammengesetzt. Der Versand des Datenpakets erfolgt zum Beispiel in einem Format ähnlich dem aus dem GSM-System bekannten TRAU-Rahmenformat, das zum Bei spiel im GSM-Standard GSM 08.60, Version 7.2.0, Release 1998 und GSM 08.61, Version 7.2.1, Release 1998 beschrieben ist.

Nach einer Laufzeit Tdl erreicht der Zeitrahmen ZR1 die Ba sisstation BTS, die sodann einen rückgesendeten Zeitrahmen ZR2 an die Netzwerkeinrichtung NE sendet. Der rückgesendete Zeitrahmen ZR2 enthält ein Datenpaket mit derselben Sequenz nummer Sn = x wie der Zeitrahmen ZR1. Der rückgesendete Zeit rahmen ZR2 erreicht nach einer Laufzeit Tul die Netzwerkein richtung NE.

Der rückgesendete Zeitrahmen ZR2 wird anhand der Sequenznum mer Sn = x von der Netzwerkeinrichtung identifiziert und dem Zeitrahmen ZR1 zugeordnet. Die Netzwerkeinrichtung bestimmt aus dem zeitlichen Abstand zwischen Absenden des Zeitrahmens ZR1 und Empfangen des rückgesendeten Zeitrahmens ZR2 eine Um laufzeit Tu. In den nachfolgenden Zeitrahmen zur Synchronisa tion der Basisstation BTS wird in dem Zeitrahmen ZR1 zusätzlich zu der Referenzzeit Tsys und der Sequenznummer Sn = x die Umlauf Zeit Tu gesendet.

Zur Verbesserung der Genauigkeit des Wertes der Umlaufzeit Tu werden mehrere derartige Messungen durchgeführt und aus den einzelnen Werten Tu(n) ein Mittelwert Tu(Sn) gemäß der fol genden Formel

gebildet. Der Mittelwert Tu(Sn) wird in einem Datenpaket zu sammen mit der Referenzzeit Tsys und der Sequenznummer Sn an die Basisstation gesendet.

In der Basisstation BTS wird eine Basisstationssystemzeit T_btsI aus der übertragenen Referenzzeit Tsys und der halben Umlaufzeit Tu(Sn) berechnet:

Dabei wird die Annahme gemacht, dass die Laufzeit Tdl von der Netzwerkeinrichtung NE zur Basisstation BTS und die Laufzeit Tul von der Basisstation BTS zur Netzwerkeinrichtung NE im wesentlichen gleich sind. Eine aktuelle Basisstationssystem zeit T_bts wird ausgehend von der Basisstationsystemzeit T_btsI durch Hochzählen nach einem internen Takt, der durch einen Oszillator vorgegeben ist, erzeugt.

Sollte die Annahme, dass die Laufzeit zwischen der Netzwerk einrichtung NE und der Basisstation BTS gleich der halben Um laufzeit Tu ist auf Grund von Unsymmetrien des Funkkommunika tionssystems nicht zutreffend sein, so wird durch eine Mes sung die Laufzeit Tdl von der Netzwerkeinrichtung NE zur Ba sisstation BTS und die Laufzeit Tul von der Basisstation BTS zur Netzwerkeinrichtung NE einmalig bei der Installation der Basisstation BTS mit anderen Hilfsmitteln gemessen. Das Ver hältnis Tul/Tdl ist eine feste Systemkonstante, die fortan zur Berechnung der Basisstationssystemzeit T_btsI verwendet wird.

Der Jitter für die Verbindung zwischen der Netzwerkeinrich tung und der Basisstation wird durch die Mittelwertbildung der Messwerte ausgeglichen. Die Genauigkeit der Zeitmessung für die Übertragung zwischen der Netzwerkeinrichtung und der Basisstation BTS liegt in der Größenordnung von maximal 125 µs. Daher liegt die Genauigkeit der Messung der Umlauf zeit Tu im Bereich von 250 µs. Durch N-fache Mittelwertbil dung lässt sich der Messfehler gemäß

senken.

Nimmt man eine Periode des Zeitrahmens ZR1 von 20 ms an, so ergibt sich eine Zeitrahmenrate r von

Um den Messfehler auf maximal 2,5 µsec zu verringern, werden daher 10.000 Messungen benötigt. Dieses ist nach 200 Sekunden gegeben.

Werden beim Hochlaufen der Basisstation BTS alle Kanäle, zum Beispiel 16 Kanäle auf einer Trägerfrequenz bei GSM, zur Be stimmung der Umlaufzeit verwendet, so dauert die Synchronisa tion nur noch

Nach dem Hochlaufen der Basisstation BTS wird ein Kanal dafür reserviert, weiterhin während des Betriebs die Umlaufzeit Tu(Sn) zu messen. Auf diesem Kanal wird der Zeitrahmen ZR1 mit dem Datenpaket, das die Sequenznummer Sn = x, die Referenz zeit Tsys und den Mittelwert der Umlaufzeit Tu(Sn) enthält, weiterhin an die Basisstation gesendet, welche wie beschrie ben mit dem rückgesendeten Zeitrahmen ZR2 antwortet. Mit Hil fe dieser Informationen werden in der Basisstation BTS perio disch die Differenz zwischen der aktuellen Basisstation systemzeit T_bts und dem Sollwert der Basisstationssystemzeit T_btsI gebildet. Diese Differenz wird zur Regelung des Oszil lators verwendet. Dabei wird ausgenutzt, dass die Abweichung Δf_bts der Oszillatorfrequenz f_bts von der Sollfrequenz f_btsI pro portional zur Differenz zwischen der aktuellen Basisstations systemzeit T_bts und dem Sollwert der Basisstationssystemzeit T_btsI ist:

Durch die kontinuierliche Regelung des Oszillators, der den internen Takt der Basisstation BTS vorgibt, wird auch die Frequenzsynchronität der Basisstation BTS im Funkkommunikati onssystem gewährleistet.

Erfolgt der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Funkkommunikationssystem (siehe Fig. 2), das mehrere Basis stationen BTS1, BTS2, BTS3, eine Basisstationssteuerung BSC, eine Transkodiereinheit TRAU, eine Mobilvermittlungsstelle MSC und einen Paketdatendienstknoten SGSN enthält, wobei die Basisstationen BTS1, BTS2, BTS3 mit der Basisstationssteue rung BSC über eine A_bis-Schnittstelle verbunden sind, die Ba sisstationssteuerung BSC über eine A_sub-Schnittstelle mit der Transkodiereinheit TRAU verbunden ist, die Transkodiereinheit TRAU über eine A-Schnittstelle mit der Mobilvermittlungsstel le MSC verbunden ist, und die Basisstationssteuerung BSC über eine G_B-Schnittstelle mit dem Paketdatendienstknoten SGSN verbunden ist, der über eine der Signalisierung dienende G_S- Schnittstelle mit der Mobilvermittlungsstelle MSC verbunden ist, wobei die Mobilvermittlungsstelle dem Zugang zum Fest netz PSTN und der Paketdatendienstknoten SGSN den Zugang zu einem Festdatennetz PDN realisieren, so kann die Messung der Umlaufzeit sowohl zwischen der Mobilvermittlungsstelle MSC und den Basisstationen BTS1, BTS2, BTS3 als auch zwischen der Transkodiereinheit TRAU oder dem Paketdatendienstknoten SGSN und den Basisstationen BTS1, BTS2, BTS3 erfolgen. In der Mo bilvermittlungsstelle MSC steht eine Referenzzeit des Funk kommunikationssystems zur Verfügung. Erfolgt die Messung von der Transkodiereinheit TRAU, so wird die Referenzzeit von der Mobilvermittlungsstation MSC an die Transkodiereinheit TRAU übertragen, so dass sie auch dort zur Verfügung steht. Er folgt die Messung zwischen dem Paketdatendienstknoten SGSN und den Basisstationen BTS1, BTS2, BTS3, so wird die Refe renzzeit von dem Paketdatendienstknoten SGSN abgeleitet.

Claims

1. Verfahren zum Betrieb einer Basisstation in einem Funkkom munikationssystem,
bei dem zur Synchronisation der Basisstation mit einer Netz werkeinrichtung, in der eine Referenzzeit verfügbar ist,
eine Laufzeit zwischen der Basisstation und der Netzwerk einrichtung bestimmt wird,
die Referenzzeit zwischen der Netzwerkeinrichtung und der Basisstation übertragen wird und
eine Basisstationssystemzeit aus der Laufzeit und der Re ferenzzeit berechnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Laufzeit durch Messung einer Umlaufzeit von der Netzwerkeinrichtung zu der Basisstation und von der Basissta tion zurück zu der Netzwerkeinrichtung bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2,
bei dem die Netzwerkeinrichtung an die Basisstation in ei nem Zeitrahmen ein erstes Datenpaket sendet, das mindes tens eine Information über den Zeitrahmen und die Refe renzzeit enthält,
bei dem die Basisstation nach Empfang des ersten Datenpa kets an die Netzwerkeinrichtung ein zweites Datenpaket sendet, das mindestens eine Information über den Zeitrah men enthält,
bei dem die Netzwerkeinrichtung die Umlaufzeit aus dem zeitlichen Abstand zwischen dem Absenden des ersten Daten pakets und dem Empfang des zweiten Datenpakets bestimmt.

4. Verfahren nach Anspruch 3,
bei dem die Umlauf Zeit mehrfach bestimmt wird und die Netzwerkeinrichtung einen aktuellen Mittelwert der Umlauf zeit aus den jeweils bestimmten Werten bildet,
bei dem eine Information über den jeweils aktuellen Mit telwert der Umlaufzeit von der Netzwerkeinrichtung an die Basisstation übertragen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die Laufzeit durch Messung der Umlaufzeit in mehreren Kanälen und Mittelwertbildung bestimmt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
bei dem beim Hochfahren der Basisstation die Laufzeit durch mehrfache Messung der Umlaufzeit und Mittelwertbil dung bestimmt wird,
bei dem aus der Laufzeit und der Referenzzeit die Basis stationssystemzeit bestimmt wird,
bei dem eine aktuelle Basisstationssystemzeit durch Wei terzählen der Basisstationssystemzeit gemäß einem internen Takt erzeugt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6,
bei dem der interne Takt der Basisstation durch einen Os zillator vorgegeben wird,
bei dem während des Betriebs der Basisstation ein Sollwert der Basisstationssystemzeit durch Bestimmung der Laufzeit zwischen der Basisstation und der Netzwerkeinrichtung, durch Übertragung der Referenzzeit von der Netzwerkein richtung zur Basisstation und durch Berechnung aus der Laufzeit und der Referenzzeit bestimmt wird,
bei dem eine Differenz zwischen der aktuellen Basisstati onszeit und dem Sollwert der Basisstationszeit zur Rege lung des Oszillators verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Laufzeit zwischen der Basisstation und einer Mo bilvermittlungsstelle bestimmt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Laufzeit zwischen der Basisstation und einer Transkodiereinheit bestimmt wird, wobei die Transkodierein heit mit einer Mobilvermittlungsstelle verbunden ist, und zwischen der Mobilvermittlungsstelle und der Transkodierein heit die Referenzzeit übertragen wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Laufzeit zwischen der Basisstation und einem Pa ketdatendienstknoten bestimmt wird.