DE60020137T2

DE60020137T2 - Kommunikationssystem

Info

Publication number: DE60020137T2
Application number: DE60020137T
Authority: DE
Inventors: Erik Dahlback; Roozbeh Atarius
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1999-09-16
Filing date: 2000-08-21
Publication date: 2006-02-23
Anticipated expiration: 2020-08-22
Also published as: CN1375149A; ATE295650T1; DE60020137D1; AU7903200A; WO2001020862A1; JP2003509965A; GB2354403B; GB9921978D0; US6757527B1; EP1214822B1; EP1214822A1; GB2354403A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Kommunikationssysteme und speziell auf Funkfrequenzkommunikationssysteme, in denen mobile Stationen mit Basisstationen kommunizieren.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In einem Kommunikationssystem mit Basisstationen und mobilen Stationen, die mit den Basisstationen kommunizieren, enthalten die mobilen Stationen Referenzoszillatoren, die verwendet werden, um von Basisstationen empfangene Übertragungen zu dekodieren und um Signale an die Basisstationen zu senden. Der Referenzoszillator der mobilen Station stellt der mobilen Station eine lokale Frequenz zur Verfügung, die theoretisch mit der Netzwerkfrequenz synchronisiert werden sollte und ihr gleich sein sollte. Es ist jedoch, wegen der Ungenauigkeiten in den Kristalloszillatoren, die gewöhnlich verwendet werden, für die mobile Station notwendig, ihre lokale Frequenz so zu aktualisieren, dass sie mit der Netzwerkfrequenz synchronisiert ist.
Gewöhnlich werden komplexe Algorithmen verwendet, die nur mit hohen Rauschabständen des Eingangsnetzwerksignals arbeiten können. Der Hauptgrund der Oszillatorinstabilität ist die Änderung der Temperatur und daher können Temperatur kompensierte Hochgenauigkeitskristalloszillatoren zur Verfügung gestellt werden. Eine solche Lösung wird als teuer angesehen.
Zusätzlich zur Anfangsfrequenzsynchronisation muss eine synchronisierte mobile Station, wegen der Varianz der lokalen Frequenz mit der Temperatur, ihre lokale Frequenz an die Netzwerkfrequenz anpassen. Während die mobile Station in einem aktiven Modus ist und mit der Basisstation kommuniziert, hat die mobile Station konstanten Zugriff zu Frequenz- und Zeitreferenzinformation vom Netzwerk und kann dies verwenden, um die erforderlichen Anpassungen an die lokale Frequenz vorzunehmen. Wenn eine mobile Station jedoch im Leermodus ist, ist ein Zugriff auf Netzwerkinformation begrenzt. Im Leermodus wird die mobile Station gelegentlich aktiviert, um Rufsignale vom Netzwerk zu empfangen. Um Batterieenergie zu sparen, muss die mobile Station nur für eine kurze Zeit aktiv werden. Es ist daher notwendig, dass die Frequenz- und Zeitreferenzabschätzung in einer kurzen Zeit ausgeführt wird. Es können jedoch große Schätzfehler auftauchen, wenn sich große Variationen von Frequenzen mit kleinen Störabständen und kurzen Abschätzungsperioden kombinieren.
In dem vorgeschlagenen IMT 2000 System, das auf einem Breitband CDMA System (W-CDMA) basiert, ist eine Systemzeitabgrenzungs-Referenzsynchronisation erforderlich. Synchronisation mit einer Zeitreferenz ist von der Genauigkeit der lokalen Kristallfrequenz abhängig, und daher synchronisiert eine mobile Station mit einem Netzwerk zu Beginn durch Suchen nach einem Symbol, dem so genannten Langcode-Maskensymbol (LCMS), das im Rundrufkanal (BCCH) übertragen wird. Das empfangene Signal wird durch angepasste Filter gefiltert und Höchstwerte in der Ausgabe dieser Filter liefern den Ort des LCMS. Wenn der lokale Oszillator jedoch ungenau ist, z.B. ± 10ppm, kann die Frequenzabweichung zwischen dem lokalen Kristall und der Referenz bis mehr oder weniger als 20kHz betragen. Dies liegt daran, dass die Trägerfrequenz 2GHz beträgt. Da die Symbolrate im BCCH 16 kHz beträgt, rotiert das Symbol 450° (360° × 10ppm × 2 GHz/16kHz) während der Symboldauer. Eine solche starke Rotation hat einen ernsthaften Verlust der Signalenergie an den Höchstwerten der Ausgabe der angepassten Filter zur Folge. Daher wird das LCMS in eine Anzahl von Sequenzen aufgeteilt, z.B. 4, die getrennt gesucht werden und die Ergebnisse der Anpassfilter werden nicht zusammenhängend summiert. Das LCMS auf diese Weise aufzuteilen, reduziert die Symbolrotation für diesen Teil des LCMS. Jedoch kann die Aufteilung des LCMS in vier Segmente auch den Störabstand verschlechtern und kann Probleme verursachen, wenn das volle LCMS erkannt wird. Die Breitband CDMA Spezifikation (3^rd Generation Partnerschaftsprojekt- (3GPP) Dokument TS25.201, V2.1.0) beschreibt dieses System im Detail.
In einem Beispiel der Frequenzsynchronisation, dem globalen Kommunikationssystem (GSM), überträgt das System Synchronisationsinformation von Basisstationen an mobile Stationen in Form eines Frequenzkorrekturbündels (FCB) und Synchronisationsbündels (SB). Der FCB besteht aus einer reinen Sinuskurve, die erkannt werden muss, und die eine mobile Station verwendet, um eine grobe Zeitsynchronisation mit dem Netzwerk zu erhalten und um ebenso die lokale Frequenz zu aktualisieren. Der SB wird acht Bursts nach dem FCB übertragen und so erlaubt die Erkennung des FCB, dass die Position des SB bestimmt wird. Der FCB kann auch dazu verwendet werden, um eine Grobeinstellung der Referenzfrequenz zu liefern, während der SB zur Feineinstellung verwendet wird. Dieses Verfahren wird im GSM System verwendet, dessen Beschreibung in "The GSM system for mobile communications – Das GSM System für Mobilkommunikation", von Mouly und Pautet, gefunden werden kann.
Dort werden eine Reihe von Algorithmen zur Anfangssynchronisation einer mobilen Station mit einem GSM Netzwerk verwendet. Da das FCB eine reine Sinuskurve ist, wird gewöhnlich ein Frequenzauswahlfilter verwendet, um die Störung außerhalb der Frequenzzone des Interesses zu unterdrücken, um den Störabstand zu verbessern. Diese Verbesserung hängt von der Bandbreite des Filters ab. Je enger die Bandbreite, desto besser ist der Störabstand. Die Ungenauigkeit des lokalen Kristalls (z.B. 10ppm) kann jedoch die Frequenz des empfangenen FCB beeinflussen. Diese Frequenz kann mit der Abweichung von +/- 9kHz interpretiert werden, wenn die Trägerfrequenz 900MHz ist. Daher sollte die Grenzfrequenz des Filters größer als 9kHz sein. Im Falle einer Trägerfrequenz von 1800MHz oder 1900MHz, in den GSM Systemen 1800 und 1900, müsste die Grenzfrequenz des Filters auf 18 oder 19kHz ansteigen. Die Begrenzung der Grenzfrequenz auf Grund der Ungenauigkeit des Kristalloszillators reduziert daher die Verbesserung des Störabstands und reduziert daher die Wahrscheinlichkeit einer schnellen Synchronisation.
EP 0858169 und US 5,856,766 veröffentlichen die Anwendung eines Korrekturfaktors zur Anpassung eines Zeitintervalls oder einer Synthesizerfrequenz. In beiden Fällen hängt die Anpassung von der Messung der aktuellen Temperatur ab.
Es ist daher wünschenswert, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, in der Synchronisation der lokalen Referenzfrequenz mit der Netzwerkfrequenz schnell und mit minimalem Energieverbrauch erreicht werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Synchronisation einer lokalen Referenzfrequenz in einer mobilen Station zur Verfügung gestellt, wobei das Verfahren die Messung einer aktuellen Umgebungsbedingung der mobilen Station enthält und gespeicherte Daten verwendet, die eine Varianz der lokalen Referenz mit bekannten Umgebungsbedingungen anzeigen, um das Verfahren zu bestimmen, wodurch die lokale Referenzfrequenz synchronisiert wird.
Entsprechend einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Kommunikation mit einem drahtlosen Netzwerk zur Verfügung gestellt, das eine Netzwerkreferenzfrequenz besitzt, wobei die Vorrichtung einen lokalen Oszillator zur Erzeugung eines Signals mit einer lokalen Referenzfrequenz enthält, eine Speichervorrichtung zur Speicherung von Daten, die die Varianz der lokalen Referenzfrequenz mit Änderungen in einer bekannten Umgebungsbedingung der Vorrichtung anzeigen, Kontrollmittel zur Aktualisierung der lokalen Frequenz und Messmittel zur Messung der Umgebungsbedingung der Vorrichtung und die Lieferung dieser Messung an die Kontrollmittel, worin die Kontrollmittel in der Lage sind, die in der Speichervorrichtung gespeicherten Daten abzufragen, die von der empfangenen Messung angezeigt werden und die lokale Referenzfrequenz im Einklang mit einem Aktualisierungsverfahren zu aktualisieren, das durch die abgefragten Daten bestimmt wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm, das eine mobile Station darstellt, die im Einklang mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung arbeiten kann;
2 stellt eine erste Frequenzsynchronisiereinrichtung der mobilen Station in 1 in größerem Detail dar; und
3 stellt eine zweite Frequenzsynchronisiereinrichtung zur Verwendung in der mobilen Station der 1 in größerem Detail dar.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm, das eine mobile Station 1 darstellt, die im Einklang mit der vorliegenden Erfindung arbeiten kann. Die mobile Station 1 enthält einen Referenzoszillator 2, einen Kontroller 4 und eine Frequenzsynchronisationseinrichtung 8. Die Referenzsynchronisationseinrichtung empfängt vom Netzwerk ein Eingangssignal 10 und aktualisiert, unter der Kontrolle des Kontrollers 4, den Referenzoszillator mit Hilfe eines Ausgabesignals 11. Auf diese Weise ist der Kontroller 4 in der Lage, die Referenzoszillatorfrequenz zu aktualisieren um sie mit dem Netzwerkeingangssignal 10 zu synchronisieren.
Die mobile Station 1 enthält auch eine Referenzoszillatordatenspeichereinheit 6 und eine Temperaturmessvorrichtung 7. Die Datenspeichereinheit 6 wird dazu verwendet, Kalibrierungsdaten zu speichern, die sich auf die bekannten Ungenauigkeiten des Referenzoszillators über einen Temperaturbereich beziehen. Die Messungen werden bevorzugt aktualisiert, um die statistischen Ungenauigkeiten der gespeicherten Daten zu reduzieren. Die gespeicherte Information kann immer dann aktualisiert werden, wenn Referenzinformation vom Netzwerk zur Verfügung steht. Auf diese Weise kann der Kristalloszillator selbst kalibrierend sein.
Der Kontroller 4 empfängt Temperaturinformation von der Temperaturmessvorrichtung 7. Der Kontroller verwendet die Temperaturinformation, um sich auf die in der Datenspeichereinheit 6 gespeicherten Kalibrierungsdaten zu beziehen, um Daten zu erhalten, die die aktuelle Varianz der Frequenz des lokalen Oszillators anzeigen. Der Kontroller 4 kann dann die Algorithmen für die Anfangsfrequenz und die Aufrechterhaltung der Frequenz und/oder die Zeitreferenzsynchronisation mit der Netzwerkfrequenz/Zeitreferenz auf der Basis der Kalibrierungsinformation modifizieren. Diese Modifikation erlaubt der mobilen Station 1, mit kleineren Störabständen zu arbeiten oder einen weniger komplexen Algorithmus zu verwenden, oder in der Lage zu sein, eine von einem bestehendem Algorithmus produzierte Abschätzung zu verifizieren.
Daher ermöglicht ein Verfahren, das die vorliegende Erfindung verwirklicht, der mobilen Station festzustellen, wie weit der Frequenzoszillator kompensiert werden muss, um mit der Netzwerkfrequenz synchron zu sein. Z.B., wenn die gespeicherten Daten anzeigen, dass der Kristall wahrscheinlich ernsthaft ungenau sein wird, dann sollte ein komplexerer und robuster Algorithmus für die Frequenzkorrektur verwendet werden. Wenn jedoch die Daten anzeigen, dass der Kristall nur um einen kleinen Betrag von der geforderten Frequenz abweicht, dann kann ein vereinfachter, und damit schnellerer, Algorithmus verwendet werden.
In dem oben beschriebenen Breitband CDMA System (W-CDMA) kann die Verwendung der gespeicherten Referenzoszillatorkalibrierungsdaten eine reduzierte Genauigkeit erzeugen, und die Erkennung des partiellen LCMS kann durch die Erkennung des gesamten LCMS ersetzt werden, um eine potentielle Symbolrotation zu reduzieren. Ein für W-CDMA Anwendungen geeignetes System wird in der 2 gezeigt. Die Frequenzsynchronisationsvorrichtung 8 enthält eine Serie von angepassten Filtern 12, 14, 16 und 18, von denen jeder eine entsprechende Ausgabe produziert. Der Kontroller 4 ist tätig, um die Ausgaben der angepassten Filter zu schalten, indem er entsprechende Schalter 20, 22, 24 und 26 zwischen nicht zusammenhängender Durchschnittsbildung und zusammenhängender Durchschnittsbildung verwendet. Für die nicht zusammenhängende Durchschnittsbildung werden die Signale vom den Multipliern 28, 30, 32 und 34 quadriert, die quadrierten Signale von einem Addierer 36 addiert und das Signal als ein Kontrollsignal 11 ausgegeben. In der nicht zusammenhängenden Durchschnittsbildungstechnik wir die Ausgabe einfach direkt übertragen, um die Zeitbegrenzungen zu erhalten. Für die zusammenhängende Durchschnittsbildung wird die Summe der Ausgabesignale der angepassten Filter vom Addierer 36 gebildet, und das Resultat wird quadriert, bevor es als ein Kontrollsignal ausgegeben wird.
Die Umschaltung zwischen zusammenhängender und nicht zusammenhängender Durchschnittsbildung hängt von der Genauigkeit des Oszillators ab. Z.B., wenn die Genauigkeit 10ppm ist, was außerhalb eines gewünschten vorher ausgewählten Varianzbereichs liegt, dann werden die Schalter 20, 22, 24 und 26 auf die Position A für nicht zusammenhängende Durchschnittsbildung gesetzt. Wenn der Oszillator jedoch innerhalb des vorher ausgewählten Bereichs liegt, d.h. er liegt innerhalb des Bereichs der in der Datenspeichereinheit gespeicherten Kalibrierungsdaten, dann werden die Schalter auf Position B verschoben, um eine zusammenhängende Durchschnittsbildung zu liefern. Auf diese Weise kann der Frequenzsynthesizer ein geeignetes Kontrollsignal, abhängig von der aktuellen Varianz des Oszillators, zur Verfügung stellen.
Eine mobile Station enthält, z.B. im oben beschriebenen GSM System, eine wie in 3 gezeigte, Frequenzsynchronisationsvorrichtung zur Frequenzsynchronisation. Die Synchronisationsvorrichtung enthält einen Filter 42, der eine kontrollierbare Grenzfrequenz besitzt, um den Störabstand der Vorrichtung zu verbessern. Eine FCB Erkennungseinheit 44 und eine FCB Abschätzungseinheit 46 empfangen die Filterausgabe und sind tätig, um ein Kontrollsignal für den Referenzoszillator zu liefern. Wenn der Kontroller 4 festlegt, z.B. durch Messung der Temperatur, dass der Referenzoszillator innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs aus dem Spezifikationswertebereich liegt, kann die Grenzfrequenz des Filters 42 reduziert werden. Durch die Reduktion der Grenzfrequenz des Filters 42 kann der Störanstand des Systems verbessert werden. Wenn der Oszillator außerhalb des Bereiches liegt, dann kann die Grenzfrequenz angehoben werden.
Eine inaktive mobile Station wird gewöhnlich Batterieenergie durch Eintritt in den Leerlaufmodus sparen. In einem Leerlaufmodus arbeitet die mobile Station für einen kleinen Zeitabschnitt, um festzustellen, ob sie gerufen wurde, oder nicht. Während dieser begrenzten Zeit muss die mobile Station die Netzwerkreferenzfrequenz abschätzen und mit ihrer eigenen lokalen Frequenz vergleichen. Eine solche Frequenzaktualisierung ist erforderlich, da die Frequenz des lokalen Oszillators von der Frequenz des Netzwerks wegdriften wird. Durch die Verwendung des Oszillatorkalibrierungssystems der vorliegenden Erfindung können die Abschätzungen der Netzwerkfrequenz evaluiert werden und mit den gespeicherten Daten verglichen werden, um festzustellen, wie weit die Oszillatorfrequenz vom gewünschten Wert entfernt ist.

Claims

Ein Verfahren zur Synchronisation einer lokalen Referenzfrequenz in einer mobilen Station, wobei das Verfahren die Messung einer aktuellen Umgebungsbedingung der mobilen Station enthält, gekennzeichnet durch das Speichern von Daten, die die Varianz der lokalen Frequenz unter bekannten Umgebungsbedingungen anzeigen und durch die Verwendung der gespeicherten Daten, um das Verfahren zu bestimmen, wodurch die lokale Referenzfrequenz synchronisiert wird.
Ein wie in Anspruch 1 beanspruchtes Verfahren, worin die gemessene aktuelle Umgebungsbedingung verwendet wird, um Daten, die in einer Speichervorrichtung (6) in der mobilen Station gespeichert sind, abzufragen, welche Daten sich auf die Varianz der lokalen Referenzfrequenz der mobilen Station über einen Bereich von bekannten Umgebungsbedingungen beziehen, wobei das Verfahren weiterhin den Vergleich der abgefragten Daten mit einem vorbestimmten Wertebereich enthält, und falls die abgefragten Daten außerhalb des vorbestimmten Wertebereichs sind, die Synchronisation der lokalen Referenzfrequenz unter Verwendung eines ersten Verfahrens vornimmt, oder falls die abgefragten Daten innerhalb des vorbestimmten Wertebereichs sind, die Synchronisation der lokalen Referenzfrequenz unter Verwendung eines zweiten Verfahrens vornimmt.
Ein wie in Anspruch 2 beanspruchtes Verfahren, worin die lokale Referenzfrequenz mit einer Breitband CDMA Netzwerkreferenzfrequenz synchronisiert wird und worin das erste Verfahren ein nicht kohärentes, einen Durchschnitt bildendes Verfahren ist und das zweite Verfahren ein kohärentes, einen Durchschnitt bildendes Verfahren ist.
Ein wie in Anspruch 2 beanspruchtes Verfahren, worin die lokale Referenzfrequenz mit einer GSM Netzwerkreferenzfrequenz synchronisiert wird, und worin das erste Verfahren das Filtern eines Eingangsnetzwerksignals mit einem Filter enthält, der eine erste Bandpassbreite besitzt, und das zweite Verfahren das Filtern eines Eingangsnetzwerksignals mit einem Filter enthält, der eine zweite Bandpassbreite besitzt, wobei die zweite Bandpassbreite kleiner ist als die erste Bandpassbreite.
Eine Vorrichtung zur Kommunikation mit einem drahtlosen Netzwerk, das eine Netzwerkreferenzfrequenz besitzt, wobei die Vorrichtung einen lokalen Oszillator (2) zur Erzeugung eines Signals mit einer lokalen Referenzfrequenz besitzt, Kontrollmittel (4) zur Aktualisierung der lokalen Frequenz und Messmittel (7) zur Messung einer aktuellen Umgebungsbedingung der Vorrichtung, um eine aktuelle Umgebungsbedingungsmessung zu erzeugen und zur Anlieferung der aktuellen Umgebungsbedingungsmessung an die Kontrollmittel (4), gekennzeichnet durch eine Speichervorrichtung (6) zur Speicherung von Daten, die die Varianz der lokalen Referenzfrequenz unter bekannten Umgebungsbedingungen der Vorrichtung anzeigen und darin, dass die Kontrollmittel (4) in der Lage sind Daten, die in der Speichervorrichtung gespeichert sind, abzufragen, welche Daten der aktuellen Umgebungsbedingungsmessung entsprechen, und um die lokale Referenzfrequenz im Einklang mit einem durch die abgefragten Daten bestimmten Aktualisierungsverfahren zu aktualisieren.
Eine wie in Anspruch 5 beanspruchte Vorrichtung, worin die Kontrollmittel (4) erste (28, 30, 32, 34, 36, 40) und zweite (36, 38) Aktualisierungsmittel enthalten und in der Lage sind, die ersten Aktualisierungsmittel auszuwählen, wenn die abgefragten Daten außerhalb eines vorbestimmten Wertebereichs liegen und die zweiten Aktualisierungsmittel auszuwählen, wenn die abgefragten Daten innerhalb des vorbestimmten Wertebereichs liegen, wobei die ersten und zweiten Aktualisierungsmittel in der Lage sind, die lokale Referenzfrequenz im Einklang mit entsprechenden Verfahren zu aktualisieren.
Eine wie in Anspruch 6 beanspruchte Vorrichtung, zur Verwendung in einem Breitband CDA Kommunikationssystem, die weiterhin eine Serie von vier aufeinander abgestimmten Filtern (12, 14, 16, 18) enthält, wobei jeder Filter außer dem ersten als seine Eingabe, die Ausgabe des vorhergehenden Filters in der Serie empfängt, wobei der erste Filter (12) in der Serie eine Netzwerkreferenzsignalfrequenz (10) als seine Eingabe empfängt, wobei jeder Filter (12, 14, 16, 18) eine entsprechende Ausgabe liefert, worin die ersten Aktualisierungsmittel (20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 40) in der Lage sind, ein nicht kohärentes Durchschnittssignal aus den Ausgaben der angepassten Filter zu erzeugen, und die zweiten Aktualisierungsmittel (20, 22, 24, 26, 36, 38) in der Lage sind, eine kohärente Durchschnittsausgabe aus den Filterausgaben zu erzeugen.
Eine wie in Anspruch 6 beanspruchte Vorrichtung, zur Verwendung in einem GSM Kommunikationsnetzwerk, worin die ersten Aktualisierungsmittel einen ersten Filter (42) enthalten, der verbunden ist, um ein Eingangsnetzwerksignal (10) zu empfangen, wobei der erste Filter (42) einen erste Bandpassbreite besitzt, und die zweiten Aktualisierungsmittel einen zweiten Filter (42) enthalten, der verbunden ist, um ein Eingabenetzwerksignal (10) zu empfangen, wobei der zweite Filter (42) eine zweite Bandpassbreite besitzt, die kleiner ist als die erste Bandpassbreite, und worin die Ausgaben des ersten und zweiten Filters mit einem GSM Frequenzkorrektur- Burstkalkulator (46) und Detektormitteln (44) verbunden sind.