DE19818325A1 - Verfahren zum Betreiben eines Funk-Kommunikationssystems - Google Patents

Abstract

In einem Funk-Kommunikationssystem wird über die Verbindung zwischen einer Basisstationssteuerung und einer Basisstation ein Signal übertragen, das zurück zum jeweiligen Sender gespiegelt wird. Anschließend wird eine Bestimmung der Signallaufzeit für das Signal durchgeführt und eine Synchronisation der Basisstation bezüglich der Funktverbindung in Abhängigkeit von der Signallaufzeit durchgeführt. Eine derartige Rahmensynchronisation verringert insbesondere in Mobillfunksystemen mit TDD-Teilnehmerseparierung die Interferenzen zwischen den Mobil- und Basisstationen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Funk-Kommunikationssystems, insbesondere eines Mobilfunk­ systems mit TDD-Teilnehmerseparierung.

In Funk-Kommunikationssystemen werden Informationen (bei­ spielsweise Sprache, Bildinformationen oder andere Daten) mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen über eine Funkschnitt­ stelle zwischen sendender und empfangender Funkstation (Ba­ sisstation bzw. Mobilstation) übertragen. Das Abstrahlen der elektromagnetischen Wellen erfolgt dabei mit Trägerfrequen­ zen, die in dem für das jeweilige System vorgesehenen Fre­ quenzband liegen. Für zukünftige Mobilfunksysteme mit CDMA- oder TD/CDMA-Übertragungsverfahren über die Funkschnitt­ steile, beispielsweise das UMTS (Universal Mobile Telecommu­ nication System) oder andere Systeme der 3. Generation sind Frequenzen im Frequenzband von ca. 2000 MHz vorgesehen.

Zur Teilnehmerseparierung wird z. B. beim GSM-Mobilfunksystem ein Zeitlagenmultiplex (TDMA) Verfahren zur Unterscheidung der Signalquellen verwendet. In einem Zeitschlitz wird ein Funkblock übertragen, der empfangsseitig getrennt von anderen Funkblöcken auswertbar ist. Eine besondere Ausprägung des Zeitlagenmultiplex (TDMA) ist ein TDD-Übertragungsverfahren (time division duplex), bei dem in einem gemeinsamen Fre­ quenzkanal die Übertragung sowohl in Aufwärtsrichtung, d. h. von der Mobilstation zur Basisstation, als auch in Abwärts­ richtung, d. h. von der Basisstation zur Mobilstation, er­ folgt.

Für die dritte Mobilfunkgeneration sind TDD-Übertragungsver­ fahren vorgesehen, siehe dazu z. B. DE 198 10 813 oder DE 198 08 948, die ein kombiniertes TD/CDMA-Übertragungsverfahren nutzen. Die bisher gemachten Überlegungen zum TDD-Übertra­ gungsverfahren verkennen die Probleme der gegenseitigen Stö­ rungen unterschiedlicher Basisstationen und Mobilstationen, die im gleichen Frequenzband betrieben werden. Für zwei be­ nachbarte Zellen Z1 und Z2 mit Basisstationen BS und Mobil­ stationen MS nach Fig. 1 ergeben sich für eine Mobilstation MS, die Signale der ihr zugeordneten Basisstation BS emp­ fängt, besonders starke Interferenzen von einer Mobilstation MS, die sich nahebei in der Nachbarzelle befindet. Dieser Fall ist besonders an den Zellgrenzen kritisch, wobei bei einer homogener Verteilung der Mobilstationen dieser Fall sehr oft auftritt.

So ergeben sich nach Fig. 2 Interferenzen für die Konstella­ tion, daß sich der Sendefall TX einer Mobilstation MS mit dem Empfangsfall RX der anderen Mobilstation MS überlappt. Ein Unschaltpunkt SP trennt dabei den Sende- TX und den Empfangs­ fall RX. Für eine rahmenweise Übertragung, wobei ein Rahmen fr mehrere Zeitschlitze umfaßt, sind die Interferenzen pro­ portional mit der Verschiebung des Rahmenbeginns zwischen beiden Zellen Z1, Z2. Starke Interferenzen verursachen Ver­ luste bei der spektralen Effizienz des Funk-Kommunikations­ systems.

Aus dem im Deutschland betriebenen Mobilfunknetz C-Netz ist es allgemein bekannt, eine Phasensynchronisation durch Ab­ stimmen der Basisstation in Abhängigkeit von Aussendungen einer Master-Basisstation und den geografischen Positionen der Basisstationen durchzuführen. Der Aufwand ist entspre­ chend groß und steigt bei einer Verdichtung des Funknetzes weiter an. Aus dem Mobilfunknetz nach dem Standard IS-95 ist es bekannt, jede Basisstation BS mit einem GPS-Empfänger auszurüsten und somit das Netz zu synchronisieren. Sobald eine Basisstation Indoor installiert wird, kann sie auf diese Weise nicht synchronisiert werden, da der Funkkontakt zum GPS-Satelliten fehlt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Synchronisation der Funkverbindungen zu ermöglichen, auch wenn die Basissta­ tion innerhalb von Häusern installiert ist. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

In einem Funk-Kommunikationssystem mit mehreren Basissta­ tionssteuerungen, die eine netzseitige Verbindung zwischen Basisstationen und zumindest einer Mobilvermittlungsstelle herstellen, wobei die Basisstationen mittels Funkverbindungen eine Nachrichtenübertragung zu Mobilstationen ermöglichen, wird über die Verbindung zwischen einer Basisstationssteue­ rung und einer Basisstation ein Signal übertragen, das zurück zum jeweiligen Sender gespiegelt wird. Anschließend wird eine Bestimmung der Signallaufzeit für das Signal durchgeführt und eine Synchronisation der Basisstation bezüglich der Funkver­ bindung in Abhängigkeit von der Signallaufzeit durchgeführt.

Die Synchronisation ist damit unabhängig von einem Funkkon­ takt zwischen unterschiedlichen Basisstationen. Auch wird kein GPS-Empfänger in der Basisstation benötigt. Da die Syn­ chronisation über netzseitige Verbindungen erfolgt, die in jedem Fall zur Verfügung stehen, kann eine Synchronisation der Funkübertragung unabhängig von der Umgebung der Basis­ station vorgenommen werden.

Die Spiegelung (loop-back Modus einer kommunikationstechni­ schen Vorrichtung) ist ein Meßverfahren, das ein empfangenes Signal nach kurzer feststehender Verzögerung im Empfänger an den Sender über die gleiche Verbindung zurücküberträgt. Der Empfänger erkennt anhand des Signals, z. B. durch ein spe­ zielles Synchronisationswort, die Bestimmung des Signals und reflektiert es an einem Port zurück zum Sender. Mit wenig Aufwand kann ohne daß Vorhandensein einer Zeitnormale die Signallaufzeit bestimmt werden. Sender und Empfänger sind für das Verfahren zwei Komponenten im Netz, deren Verbindung aus­ sagekräftige Meßwerte bezüglich der netzseitigen Signallaufzeit zuläßt, die den Zeitpunkt der Funkübertragung der Basissta­ tion beeinflußt. Bei baumartig strukturierten Netzen kann das Verfahren für unterschiedliche Wegstrecken der Verbindungen wiederholt werden, so daß sich eine zusammengesetzte Signal­ laufzeit ergibt.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Sender die Basisstationssteuerung, die erste individuelle Synchronisationswerte für mehrere Basisstationen bestimmt. Somit kann die Basisstationssteuerung die Synchronisation bereits bei der Nachrichtenübertragung zu den Basisstationen herstellen. Damit brauchen die Basisstationen nicht selbst synchronisiert werden. Alternativ ist es möglich, daß der Sender die Basisstation ist, die einen ersten Synchronisa­ tionswert bestimmt. In diesem Fall synchronisiert sich jede Basisstation selbst. Es ist jedoch anzumerken, daß der Sen­ der, der die Signallaufzeit bestimmt, nicht mit der Einrich­ tung übereinstimmen muß, die die Synchronisation vornimmt. So kann beispielsweise die Basisstationssteuerung die Signal­ laufzeit bestimmen und individuelle Synchronisationswerte den Basisstationen signalisieren, die diese daraufhin einstellen.

Die Signallaufzeit ist nicht nur durch die Kabellängen, die von der Basisstationssteuerung zu den Basisstationen unter­ schiedlich ist, sondern auch durch diverse elektronische Ein­ richtungen, wie z. B. Repeater, beeinflußt. Die Summe dieser Einflüsse wird durch die Signallaufzeitmessung erfaßt. Für die Aufrechterhaltung der Synchronisation wird berücksich­ tigt, daß bei Veränderungen der Verbindung zwischen den Kom­ ponenten und bei Veränderungen an den Komponenten, die u. U. eine veränderte Verzögerung des Signals mit sich bringen, die Signallaufzeitmessung wiederholt wird. Die Verzögerungen während des Betriebes dürfen nur in einem gewissen Toleranz­ bereich schwanken.

Vorteilhafterweise erfolgt die Nachrichtenübertragung der Funkverbindungen rahmenweise, wobei die Synchronisation den Rahmenbeginn einstellt. Es ist also im Gegensatz zu den bisher eingesetzten Mobilfunksystemen keine Phasen- oder Chipsynchronisation nötig, sondern lediglich eine Synchro­ nisation des Rahmenbeginns, um beispielsweise in Funk-Kom­ munikationssystemen mit einem TDD-Teilnehmerseparierungsver­ fahren die Interferenzen zwischen Sende- und Empfangsfall zu reduzieren.

Nach einer vorteilhaften Ausprägung der Erfindung ist im Funk-Kommunikationssystem zumindest eine Synchronisations­ instanz vorgesehen. Die Synchronisationsinstanz überträgt an Basisstationssteuerungen, Basisstationen und/oder Mobilver­ mittlungsstellen ein Signal, das zurück zur Synchronisations­ instanz gespiegelt wird. Es wird daraufhin eine Bestimmung dieser zweiten Signallaufzeit durchgeführt und eine Synchro­ nisation der Basisstationssteuerungen, Basisstationen und/­ oder Mobilvermittlungsstellen zusätzlich in Abhängigkeit von der zweiten Signallaufzeit durchgeführt. Damit wird erreicht, daß auch über den Bereich einer Basisstationssteuerung hin­ aus, das Netz synchronisiert ist. Indem eine hierarchische Synchronisation von einer zentralen Komponente bis zu den Basisstationen durchgeführt wird, ist schrittweise das gesam­ te Netz oder zumindest ein ausreichend großer Teilbereich des Netzes synchronisiert.

Eine alternative Realisierungsmöglichkeit sieht eine Einrich­ tung zur Bestimmung einer Zeitnormalen in den Basisstations­ steuerungen oder anderen Netzkomponenten vor, so daß die Syn­ chronisation zusätzlich in Abhängigkeit von der Zeitnormalen durchgeführt wird. Der Mehraufwand für die Einrichtung, die beispielsweise in GPS-Empfänger sein kann, ist vertretbar, da nur ein geringer Teil der Netzkomponenten derartig ausge­ rüstet werden muß. Selbst bei Indoor-eingesetzten Basissta­ tionen kann zumindest ein GPS-Empfänger pro Basisstations­ system derart montiert werden, daß eine freie Sichtverbindung zum Satelliten vorliegt. Die Zeitnormale kann jedoch auch über eine hochgenaue Uhr o. ä. erzeugt werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spiels bezugnehmend auf zeichnerische Darstellungen näher erläutert.

Dabei zeigen

Fig. 1 und 2 ein Interferenzszenario zwischen zwei benach­ barten Zellen, in denen ein TDD-Übertragungsver­ fahren das gleiche Frequenzband nutzt,

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Mobilfunksystems,

Fig. 4 und 5 eine schematische Darstellung der Verbindungen zwischen Basisstationscontroller und Basisstationen,

Fig. 6 eine schematische Darstellung der unterschiedlichen Verzögerungen bei der Nachrichtenübertragung,

Fig. 7 eine Darstellung des Spiegelungsverfahrens,

Fig. 8 und 9 eine schematische Darstellung der Synchronisation über ein Basisstationssystem hinaus, und

Fig. 10 ein Ablaufdiagramm der Synchronisation.

Das in Fig. 3 dargestellte Mobilfunksystem als Beispiel eines Funk-Kommunikationssystems besteht aus einer Vielzahl von Mo­ bilvermittlungsstellen MSC, die untereinander vernetzt sind bzw. den Zugang zu einem Festnetz PSTN herstellen. Weiterhin sind diese Mobilvermittlungsstellen MSC mit jeweils zumindest einem Basisstationscontroller BSC verbunden. Jeder Basissta­ tionscontroller BSC ermöglicht wiederum eine Verbindung zu zumindest einer Basisstation BS. Eine solche Basisstation BS kann über eine Funkschnittstelle eine Verbindung zu weiteren Funkstationen, z. B. Mobilstationen MS oder anderweitigen mo­ bilen und stationären Endgeräten aufbauen. Durch jede Basis­ station BS wird zumindest eine Funkzelle Z gebildet. Bei einer Sektorisierung oder bei hierarchischen Zellstrukturen werden pro Basisstation BS auch mehrere Funkzellen Z ver­ sorgt.

In Fig. 3 sind beispielhaft Verbindungen V1, V2, Vk zur Über­ tragung von Nutzinformationen und Signalisierungsinforma­ tionen zwischen Mobilstationen MS und einer Basisstation BS dargestellt.

Ein Operations- und Wartungszentrum OMC realisiert Kon­ troll- und Wartungsfunktionen für das Mobilfunksystem bzw. für Teile davon. Die Funktionalität dieser Struktur ist auf andere Funk-Kommunikationssysteme übertragbar, in denen die Erfin­ dung zum Einsatz kommen kann, insbesondere für Teilnehmer­ zugangsnetze mit drahtlosem Teilnehmeranschluß. Auch Basis­ stationen, die als Heimbasisstationen im privaten Bereich eingesetzt sind, ohne von der Funknetzplanung betroffen zu sein, können Verbindungen zu Mobilstationen MS aufbauen. Diese Heimbasisstationen sind an ein Festnetz angeschlossen. Die Heimbasisstationen sind nicht direkt mit einem Basis­ stastionscontroller BSC des Mobilfunknetzes verbunden, dafür jedoch mit anderen Netzkomponenten, so daß eine äquivalente Synchronisation möglich ist.

Die Rahmenstruktur der Funkübertragung ist aus der parallelen deutschen Patentanmeldung der Siemens AG vom 21.4.1998 mit den Hn. Traynard und Schindler als Erfinder bekannt. Ein TDD- Teilnehmerseparierungsverfahren, das für asymmetrische Daten­ dienste vorgesehen ist, läßt sich in Funk-Kommunikations­ systemen der 3. Generation insbesondere für mikrozellulare und Indoor-Anwendungen vorteilhaft implementieren.

Die Basisstationen BS1 bis BS3 eines Basisstationssystems sind mit einem Basisstationscontroller BSC über eine Ring­ struktur Fig. 4 oder eine sternförmige Struktur Fig. 5 ver­ bunden. Die Verbindungen sind den geografischen und örtlichen Gegebenheiten angepaßt, die sich gemäß Fig. 6 durch unter­ schiedliche Kabellängen der Verbindungen und durch weitere Einrichtungen, z. B. einen Verstärker R (Repeater), unter­ scheiden. Daraus ergeben sich unterschiedliche Signallauf­ zeiten, die für die Nachrichtenübertragung über die Funk­ schnittstelle zu einem ungleichmäßigen Rahmenbeginn führen.

Der Rahmenbeginn wird durch Synchronisationswerte s1 bis s3 individuell eingestellt. Die Synchronisation kann dabei be­ reits im Basisstationscontroller BSC durch entsprechendes individuelles Verzögern der Weiterleitung von Rahmen an die Basisstationen BS1 bis BS3 oder erst in den Basisstationen BS1 bis BS3 herbeigeführt werden. Im letzteren Fall werden den Basisstationen BS1 bis BS3 die Synchronisationswerte s1 bis s3 signalisiert, sofern sie diese nicht selbst bestimmt haben.

Die Bestimmung der Synchronisationswerte s1 bis s3 erfolgt - siehe Fig. 7 - mit einem Spiegelungsverfahren, bei dem ein Sender ein Signal s, das ein Rahmensynchronisationswort FSW1 eines PCM30-Rahmens ist, sendet. Es können jedoch auch andere geeignete Signale verwendet werden. Das Signal s wird beim Empfänger empfangen, als Spiegelungssignal erkannt und zurück zum Sender gespiegelt, wobei die Verzögerung beim Empfänger nur einen vorbekannten oder bei allen Empfängern ähnlichen Wert ausmacht. Damit ist es dem Sender möglich, die doppelte Signallaufzeit 2tau zu bestimmen. Die doppelte Signallaufzeit 2tau als Maß der Verzögerung der Signalübertragung im Netz bildet den Ausgangspunkt für die Bestimmung des Synchronisa­ tionswertes s1.

Ist der Sender der Basisstationscontroller BSC, so wird die längste Signallaufzeit taumax=2tau/2 als Basis für die Be­ stimmung der individuellen Synchronisationswerte s_i = s1 bis s3 für die Basisstation i entsprechend s_i=taumax-tau_i ge­ nutzt.

Für die Übertragung von Nutzdaten n, deren PCM30-Rahmen wiederum ein Synchronisationswort ESW enthalten, wird die Synchronisation durch Einstellen einer individuellen Ver­ zögerung bei dem Basisstationscontroller BSC oder bei den Basisstationen BS1 bis BS3 hergestellt. Es wird das Ein­ treffen des Synchronisationswort FSW erkannt und daraufhin der Rahmen vor dem Senden über die Funkschnittstelle jeweils individuell verzögert. Die jeweils andere Komponente hat dann einen festen und vorbekannten Verzögerungswert für die PCM30- Rahmen zu gewährleisten. Diese Synchronisation wird während der Inbetriebnahme der Basisstationen BS1 bis BS3 und bei Be­ darf auch zyklisch wiederkehrend während des Betriebs durch­ geführt.

Zur Synchronisation der Nachrichtenübertragung über die Gren­ zen der Funkversorgung eines Basisstationssystems hinaus wer­ den die Verfahren nach Fig. 8 oder 9 eingesetzt. Dies gilt auch netzübergreifend für unabhängig oder kooperierend be­ triebene Funk-Kommunikationssysteme.

Nach Fig. 8 wird eine Synchronisationsinstanz SYNC in einer Mobilvermittelungsstelle MSC implementiert; allgemeiner aus­ gedrückt in einer zentralen Komponente, über die die Nach­ richtenübertragung zu mehreren Basisstationscontrollern BSC durchgeführt wird. Wiederum werden durch eine Spiegelungs­ messung die Signallaufzeiten von dieser zentralen Komponente SYNC zu den Basisstationscontrollern BSC bestimmt, wodurch auch diese unterschiedlichen Verschiebungen des Rahmenbe­ ginns bei der Synchronisation berücksichtigt werden können. Bei einer Anzahl von Basisstationscontrollern BSC oder Basis­ stationen BS1 bis BS5 wird eine zusätzliche Verzögerung ein­ gestellt.

Alternativ oder zusätzlich dazu ist in einigen Komponenten, nach Fig. 9 in den Basisstationscontrollern BSC, eine Ein­ richtung UTC zur Bestimmung einer Zeitnormalen vorgesehen. Die Zeitnormale wird von einen GPS-Empfänger abgeleitet. Der Basisstationscontroller BSC wird in Abhängigkeit von der Zeitnormalen synchronisiert. Mittels dieser Zeitnormalen, in Zusammenhang mit dem Spiegelungsverfahren, und durch das Herausrechnung der Laufzeiten kann eingestellt werden, daß alle Basisstationen BS1 bis BS3 rahmensynchronisiert sind, wodurch die Interferenzen und die damit verbundenen Einbußen bei der spektralen Effizienz des Funk-Kommunikationssystem verringert werden. Dies gilt insbesondere bei unabhängig voneinander betriebenen Funk-Kommunikationssystemen.

Fig. 10 zeigt noch einmal einen Ablauf der Synchronisation. Beginnend mit dem Senden eines Signals sy von einer Synchro­ nisationsinstanz SYNC an einen Basisstationscontrolier BSC und der Spiegelung sy' zurück zur Synchronisationsinstanz SYNC kann eine zweite Signallaufzeit sytau für diese Verbin­ dung bestimmt und bei der Synchronisation des Basisstations­ controllers BSC verwendet werden.

Daraufhin wird zwischen dem Basisstationscontroller BSC und der Basisstation BS ein Signal s übertragen und zurück zum Basisstationscontroller BSC gespiegelt s', worauf dieser die Signallaufzeit, d. h. den doppelten Wert 2tau, und daraus einen ersten Synchronisationswert s1 bestimmt.

Nach Variante a) wird bereits im Basisstationscontroller BSC eine Synchronisation der Nachrichtenübertragung der Nutzdaten n zur Basisstation BS und damit auch der Funkübertragung durchgeführt. Nach Variante b) wird der Synchronisationswert s1 der Basisstation BS signalisiert, worauf diese die über­ tragenen Nutzdaten n für die anschließende Funkübertragung synchronisiert.

Claims (8)

1. Verfahren zum Betreiben eines Funk-Kommunikationssystems, bei dem

• - mehrere Basisstationen (BS1 bis BS5) vorgesehen sind, die mittels Funkverbindungen eine Nachrichtenübertragung zu Mobilstationen (MS) ermöglichen,
• - mehrere Basisstationssteuerungen (BSC) eine netzseitige Verbindung zwischen den Basisstationen (BS1 bis BS5) und zumindest einer Mobilvermittlungsstelle (MSC) herstellen,
• - über die Verbindung zwischen einer Basisstationssteuerung (BSC) und einer Basisstation (BS1) ein Signal (s, s') über­ tragen wird, das zurück zum jeweiligen Sender (BS, BSC) gespiegelt wird,
• - eine Bestimmung der Signallaufzeit (2tau) für das Signal (s, s') durchgeführt wird, und
• - eine Synchronisation der Basisstationen (BS1 bis BS5) be­ züglich der Funkverbindung in Abhängigkeit von der Signal­ laufzeit (2tau) durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Sender die Basisstationssteuerung (BSC) ist, die erste individuelle Synchronisationswerte (s1 bis s3) für mehrere Basisstationen (BS1 bis BS3) bestimmt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Basisstationssteuerung (BSC) die Synchronisation bereits bei der Nachrichtenübertragung zu den Basisstationen her­ stellt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Sender die Basisstation (BS1) ist, die einen ersten Syn­ chronisationswert (s1) bestimmt.

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Nachrichtenübertragung der Funkverbindungen rahmenweise erfolgt und die Synchronisation den Rahmenbeginn einstellt.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem

• - im Funk-Kommunikationssystem zumindest eine Synchronisa­ tionsinstanz (SYNC) vorgesehen ist, die an Basisstations­ steuerungen (BSC), Basisstationen (BS1 bis BS7) und/oder Mobilvermittlungsstellen (MSC) ein Signal (sy, sy') über­ trägt, das zurück zur Synchronisationsinstanz (SYNC) ge­ spiegelt wird,
• - eine Bestimmung einer zweiten Signallaufzeit (sytau) für dieses Signal (sy, sy') durchgeführt wird, und
• - eine Synchronisation der Basisstationssteuerungen (BSC), Basisstation (BS1 bis BS5) und/oder Mobilvermittlungs­ stellen (MSC) zusätzlich in Abhängigkeit von der zweiten Signallaufzeit (sytau) durchgeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem
die Basisstationssteuerungen (BSC) eine Einrichtung (UTC) zur Bestimmung einer Zeitnormalen vorsehen, und
die Synchronisation zusätzlich in Abhängigkeit von der Zeit­ normalen durchgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Nachrichtenübertragung mittels eines TDD-Teilnehmerse­ parierungsverfahrens erfolgt.