DE60033294T2

DE60033294T2 - System und verfahren zur synchronization von basisstationen in zellularen- oder pcs netzwerken

Info

Publication number: DE60033294T2
Application number: DE60033294T
Authority: DE
Inventors: S. Samir San Diego SOLIMAN
Original assignee: Qualcomm Inc
Current assignee: Qualcomm Inc
Priority date: 1999-09-17
Filing date: 2000-09-14
Publication date: 2007-10-25
Anticipated expiration: 2020-09-15
Also published as: KR100771410B1; CN1375138A; BR0014021A; DE60033294D1; WO2001020818A1; JP2003509953A; JP4550342B2; CN1150696C; EP1212852A1; AU7586500A; KR20020026387A; ATE353498T1; EP1212852B1; ES2278633T3; TW545005B; HK1048022A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf drahtlose Kommunikation. Genauer gesagt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine neue und verbesserte Vorrichtung und ein neues und verbessertes Verfahren zur Synchronisation von Basisstationen in einem drahtlosen bzw. schnurlosen Kommunikationssystem.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Die Verwendung von CDMA (Code Division Multiple Access) Modulationstechniken ist nur eine von mehreren Techniken zur Ermöglichung von Kommunikationen, in denen eine große Anzahl von Systembenutzern beteiligt sind. Obwohl andere Techniken, wie TDMA (Time Division Multiple Access) und GSM, FDMA (Frequency Division Multiple Access) und AM Modulationssysteme wie ACSSB (Amplitude Companded Single Sideband) bekannt sind, weist CDMA signifikante Vorteile gegenüber diesen anderen Modulationstechniken auf. Der Einsatz von CDMA-Techniken in einem Kommunikationssystem mit mehrfachem Zugang (Vielfach-Zugriff) (Multiple Access Communication System) ist im U.S. Patent No. 4,901,307, bezeichnet mit „SPREAD SPECTRUM MULTIPLE ACCESS COMMUNICATION SYSTEM USING SATELLITE OR TERRESTRIAL REPEATERS" und U.S. Patent No. 5,103,459, bezeichnet mit „SYSTEM AND METHOD FOR GENERATING SIGNAL WAVEFORMS IN A CDMA CELLULAR TELEPHONE SYSTEM" offenbart, die beide dem Rechtsinhaber der vorliegenden Erfindung übertragen sind. Das Verfahren zur Bereitstellung von CDMA-Mobilkommunikationen wurde in den Vereinigten Staaten von der Telecommunications Industry Association in TIA/EIA/IS-95-A, bezeichnet mit „Mobile Station-Base Station Compatibility Standard for Dual-Mode Wideband Spread Spectrum Cellular System", hierin als IS-95 bezeichnet, standardisiert.
In dem IS-95 Standard und in U.S. Patent No. 5,103,459 sind die Basisstationen mit dem GPS (Global Positioning System)-Signal synchronisiert. Die Timingsynchronisation ermöglicht eine schnellere Akquisition und höhere Zuverlässigkeit bei Übergabevorgängen. Das Erreichen der Timingsynchronisation durch Mittel des GPS-Signals ist gemäß dem Stand der Technik, wohlbekannt. Zwei Texte, die Methoden zum Erhalt der Timingsynchronisation durch Mittel des GPS-Signals beschreiben, sind J.J. Spilker, „GPS Signal Structure and Performance Characteristics", abgedruckt in Global Positioning System, ION, Vol. 1 und Hoffmann-Wekllenhof, Lichtenegger, Collins, „GPS Theory and Practice", Springer-Verlag.
Common-view ist der Gebrauch speziell angeordneter Messungen von Simultanansichten, die den Satellitenerhebungswinkel zwischen Stationspaaren maximieren. Diese akkurate Methode des Zeittransfers beinhaltet die Beteiligung von ungefähr 50 internationalen Laboratorien. Die Entwicklung der Common-view-Ablaufpläne liegt seit Juli 1986 in der Verantwortung des Bureau des Poids et Mesures (BIPM), in Sevre, Frankreich. Der Common-view-Ablaufplan dem die USNO folgt, ist in Datei GPSD2 aufgeführt. Die Korrekturen, die von der USNO beinahe in Echtzeit geliefert werden, können in Datei GPSCV gefunden werden. Es sollte jedoch beachtet werden, dass das Common-view-Verfahren einen Preis fordert. Es benötigt eine strikte Einhaltung exakt derselben, gleichzeitigen Beobachtungen an beiden Orten, eine Anforderung, die nicht einfach, außer an Messlaboratorien, zu erfüllen ist. Der Einsatz von Common-view funktioniert, wenn die selektive Verfügbarkeit nicht die Verschlechterung der Ephemeriden (Bahndaten von Satelliten) beinhaltet, ist aber sogar noch weniger stabil, als wenn die selektive Verfügbarkeit nicht angewendet würde.
Das Verfahren um die USNO MC mit verschiedenen entfernten Standorten zu verbinden, ist das PTRS (Precise Time Reference Station). Da Common-view eine strikte Einhaltung benötigt, benutzen wir ein Glättungsverfahren alter Satellitenbeobachtungen für die operative Zeitsendung zu unserer PTRS. Eine gefilterte lineare Lösung, die auf Satellitenbeobachtungen alle 13 Minuten basieren, erlaubt eine Schätzung der verfügbaren Präzision und ist viel weniger empfindlich auf die langsamen Abweichungsänderungen in den Beobachtungen individueller Satelliten. Diese Prozedur wurde als der „Melting-pot" bekannt. Das Melting-pot-Verfahren ist wahrscheinlich etwas weniger akkurat als der Common-view, ist aber robuster und erlaubt eine definitive Messung der Ungenauigkeit, die aus allen Beobachtungen abgeleitet wurde. Die Implementierung einer selektiven Verfügbarkeit und einer vollständigen Konstellation, ungefähr 90 Satellitenbeobachtungen am Tag, über alle Satellitenbeobachtungen während eines Tages, mit einem stabilen Taktsignal gemittelt, erlaubt immer noch eine sehr hohe Präzision des gefilterten Mittelwertes, mit hoher Zuverlässigkeit.
Zurück zum Betrieb von Mobilfunknetzen: Die Übergabe bzw. Handoff kann grundsätzlich in zwei Kategorien, harte Übergabe und weiche Übergabe, unterteilt werden. Bei einer harten Übergabe bricht die Mobilstation ihre Kommunikationsverbindung mit der Herkunftsbasisstation ab, wenn eine Mobilstation eine Herkunftsbasisstation verlässt und zu einer Zielbasisstation eintritt, und baut danach eine neue Kommunikationsverbindung mit der Zielbasisstation auf. Bei weicher Übergabe komplettiert die Mobilstation eine Kommunikationsverbindung mit der Zielbasisstation bevor sie ihre Kommunikationsverbindung mit der Herkunftsbasisstation abbricht. Dadurch ist bei der weichen Übergabe die Mobilstation redundant, sowohl mit der Herkunftsbasisstation, als auch mit der Zielbasisstation für eine gewisse Zeitspanne in Verbindung.
Bei weichen Übergaben ist es wesentlich unwahrscheinlicher Gespräche zu verlieren als bei harten Übergaben. Zusätzlich dazu kann eine Mobilstation wiederholte Übergabeanfragen infolge kleiner Änderungen der Umgebung stellen, wenn sich eine Mobilstation in der Nähe einer Grenze einer von einer Basisstation abgedeckten Zone befindet. Dieses Problem, welches als Ping-Pong-Effekt bezeichnet wird, wird ebenfalls in hohem Maß durch die weiche Übergabe reduziert. Ein beispielhafter Prozess der Ausführung einer weichen Übergabe wird detailliert in U.S. Patent No. 5,101,501, bezeichnet mit „METHOD AND SYSTEM FOR PROVIDING A SOFT HANDOFF IN COMMUNICATIONS IN A CDMA CELLULAR TELEPHONE SYSTEM" beschrieben, welches dem Rechtsinhaber der vorliegenden Erfindung übertragen wurde.
In IS-95 wird ein Kandidat für eine Basisstation durch den Phasenversatz bzw. Phase offset der Pseudorausch- (bzw. pseudonoise [PN]) sequenz seines Pilotkanals gekennzeichnet. Wenn die Mobilstation versucht, die Stärke des Pilotsignals von einem Kandidaten für eine Basisstation zu finden, führt sie einen Korrelationsvorgang durch, in dem das gefilterte empfangene Signal mit einem Satz von PN (Pseudonoise bzw. Pseudorauschen) Versatzhypothesen korreliert wird. Das Verfahren und die Vorrichtung zur Ausführung des Korrelationsvorgangs wird detailliert in U.S. Patent No. 5,644,591, bezeichnet mit „METHOD AND APPARATUS FOR PERFORMING SEARCH ACQUISITION IN A CDMA COMMUNICATION SYSTEM" beschrieben, das dem Rechtsinhaber der vorliegenden Erfindung übertragen wurde.
In den Vereinigten Staaten wird diese Basisstationssynchronisation in CDMA-Systemen durch die Ausstattung jeder Basisstation mit einem GPS (Global Positioning System) Empfänger erreicht. Es gibt jedoch Fälle, in denen eine Basisstation nicht in der Lage sein kann, das GPS-Signal zu empfangen. In Unterführungen und Tunnels wird das GPS-Signal beispielsweise bis zu einem Grad abgeschwächt, der dessen Einsatz zur Timingsynchronisation von Basisstationen oder Mikrobasisstationen unmöglich macht. Zusätzlich dazu gibt es nationale Richtlinien, welche die Abhängigkeit von GPS-Signalen zum Betrieb kritischer Einrichtungen ablehnen.
Eine Lösung zur Bereitstellung zentralisierter Synchronisation in Abwesenheit eines verfügbaren GPS-Signals wird in U.S. Patent No. 5,872,774, bezeichnet mit „MOBILE STATION ASSISTED TIMING SYNCHRONIZATION IN A CDMA COMMUNICATION SYSTEM", das dem Rechtsinhaber der vorliegenden Erfindung übertragen wurde, beschrieben. Zusätzlich dazu beschreibt die vorliegende Erfindung ein Verfahren und System zur Bereitstellung einer Timingsynchronisation, bei der keine Basisstationen von einem zentralisierten Timingsignal abhängen. Die Slave-Basisstation erreicht die Synchronisation mit der Referenzbasisstation durch Nachrichten bzw. Mitteilungen, die von einer Mobilstation in der weichen Übergaberegion zwischen der Referenzbasisstation und der Slave-Basisstation, geschickt und empfangen werden. Zuerst wird die Umlaufverzögerung zwischen der Mobilstation und der Referenzbasisstation von der Referenzbasisstation gemessen. Als nächstes sucht die Slave-Basisstation bis sie das Signal, das als zurück gekommenes Verbindungssignal, bzw. reverse link signal bezeichnet wird, das von der Mobilstation gesendet wird, akquiriert. Als Reaktion auf die Akquisition des zurück gekommenen Verbindungssignals passt die Slave-Basisstation ihr Timing an, sodass die Mobilstation ihr Signal, das als Vorwärts-Verbindungssignal, d.h. Rückwärtsverbindungssignal bzw. forward link signal bezeichnet wird, akquirieren kann. Dieser Schritt kann unnötig sein, wenn der Timingfehler in der Slave-Basisstation nicht schwerwiegend ist.
Sobald die Mobilstation das Signal von der Slave-Basisstation akquiriert, misst und meldet sie die Differenz zwischen der Zeit, die ein Signal benötigt, von der Referenzbasisstation zu ihr zu kommen und der Zeit, die ein Signal benötigt, von der Slave-Basisstation zu ihr zu kommen. Die letzte notwendige Messung ist eine Messung der Slave-Basisstation, von der Zeitdifferenz zwischen der Zeit zu der sie das zurück gekommene Verbindungssignal von der Mobilstation empfangen hat und der Zeit, zu der sie ein Signal zu der Mobilstation gesendet hat.
Eine Reihe von Berechnungen werden auf der Grundlage der gemessenen Zeitwerte durchgeführt, um die Zeitdifferenz zwischen der Slave-Basisstation zu bestimmen und eine Anpassung des Timings der Slave-Basisstation wird in Übereinstimmung damit durchgeführt. Bemerkenswert ist, dass alle genannten Messungen während des normalen Betriebes eines IS-95 CDMA Kommunikationssystems durchgeführt werden.
Zusätzliche Verfahren und Vorrichtungen zur Synchronisation von Basisstationen in einem schnurlosen Kommunikationssystem sind in dem ebenfalls schwebenden U.S. Patentanmeldung Nr. 09/206,037, bezeichnet mit „Method and Apparatus for Providing Wireless Communications System Synchronization" beschrieben, das dem Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung übertragen wurde. Die Anmelderin beschreibt ein Verfahren, durch die ein schnurloses Kommunikationssystem sich selbst ständig, ohne eine externe Referenz, synchronisiert.
Wenn der Verkehr im Netzwerk unzureichend ist um die Synchronisation durch den Einsatz von Übergabe Mitteilungen aufrecht zu erhalten, müssen andere Methoden eingesetzt werden. Ein Ansatz beinhaltet die Erstellung direkter Messungen des Timings zwischen Basisstationen. Dies wird durch einen von zwei Wegen erreicht. Die Basis kann ihre Sendungen auf allen Sektoren für ein kurzes Intervall unterbrechen, während dessen sie Vorwärts-Verbindungssignale von anderen Basisstationen erhält. Wenn das Wissen über die Orte der anderen Basisstationen gegeben ist, können Zeitfehler, relativ zu allen anderen Basisstationen abgeleitet werden. Alternativ dazu sendet eine Basisstation ein kurzes Signal mit hoher Leistung in das Mobilsendeband. Diese Ankunftszeit dieses Signals wird von den umgebenden Basisstationen gemessen und die Zeitfehler zwischen Basisstationspaaren werden berechnet.
In einigen Fällen kann eine Basisstation hinreichend von allen anderen Basisstationen im Netzwerk isoliert sein, sodass eine direkte Messung von Basis zu Basis nicht möglich ist. In diesem Fall wird eine feste Dummy-Station an einem Ort in der Übergaberegion, zwischen der isolierten Zelle und einer anderen Zelle im Netzwerk platziert. Die feste Dummy-Station führt entweder Messungen von Basisstation-Pilots auf ein Kommando der Basis hin durch und meldet die Timinginformation, oder sendet eine stoßartige Sendung bzw. burst transmission zu einer bestimmten Zeit aus, die von den Basisstationen gemessen wird.
Eine alternative Methode zur Synchronisation von Basisstationen, die nicht in der Lage sind GPS-Signale zu empfangen, wird in der U.S. Patentanmeldung Nr. 09/360,491 beschrieben, das dem Rechtsinhaber der vorliegenden Erfindung übertragen wurde. Der synchronisierte Timing- und Frequenzgenerator umfasst eine Mutterstation bzw. parent station, welche die Systemzeit und Frequenzwerte aufrecht erhält, eine erste Zeit-/Frequenzsendeeinheit, die den Systemzeitwert von der ersten Mutter(master)station erhält und korrigierte Systemzeit- und Frequenzwerte generiert und eine erste Tochter(slave)station, mit der die erste Zeit- /Frequenzsendeeinheit direkt die korrigierte Systemzeit und die korrigierten Frequenzwerte kommuniziert. Diese Hirarchie aus Mutterstation-Zeittransfereinheit-Tochterstation-Mutterstation kann für so viele Stationen wiederholt werden wie in einem gegebenen schnurlosen Netzwerk eingesetzt werden. Die korrigierten Systemzeitwerte können durch den Einsatz einer Anpassung generiert werden, die einen lokal frei laufenden Taktgeber an einer Tochterstation beschleunigt oder verzögert.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel zielt die vorliegende Erfindung auf eine erste Zeit-/Frequenzsendeeinheit ab, die an eine erste Tochterbasisstation in einem sequentiellen Zeit- und Frequenzsynchronisationssystem gekoppelt ist. Die erste Zeit-/Frequenzsendeeinheit schließt einen Empfänger, der einen Pilotsignalsatz bzw. pilot signal set, einen Demodulator, der eine SYNC Mitteilung eines SYNC Kanalsignals von der Mutterbasisstation demoduliert ein, bestimmt die Systemzeit der Einheit aus der SYNC Mitteilung, rückt die Systemzeit der Einheit um einen vorbestimmten Betrag vor, welcher der Propagationsverzögerung zwischen der Mutterstation und der ersten Zeit-/Frequenzsendeeinheit entspricht, um die absolute Systemzeit zu erhalten. Die erste Zeit-/Frequenzsendeeinheit benutzt dann die absolute Systemzeit um eine periodische Pulsabfolge mit gut definierten Kanten zu generieren, die dazu eingesetzt werden, das Timing der Signale, die von der ersten Tochterstation gesendet werden, zu steuern. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt die Periode der Pulsabfolge ein gerades Vielfaches einer Sekunde und die SYNC Mitteilung und der SYNC Kanal entsprechen der SYNC Mitteilung und dem SYNC Kanal, die in dem IS-95A Standard definiert sind. Der Generator, der in der ersten Zeit-/Frequenzsendeeinheit eingesetzt wird, um die periodische Pulsabfolge zu generieren, kann eine Anpassung beinhalten, die eine Zeitdifferenz zwischen dem Ausgang des frei laufenden lokalen Taktgebers an der ersten Tochterbasisstation und der absoluten Systemzeit, die von der ersten Zeit-/Sendeeinheit bestimmt wird und verzögert den Ausgang des frei laufenden Taktgebers, um den Ausgang des frei laufenden Taktgebers mit der absoluten Systemzeit, die von der ersten Zeitsendeeinheit bestimmt wird, zu synchronisieren.
Sobald das Timing der ersten Tochterbasisstation wie zuvor beschrieben synchronisiert wurde, setzt die erste Tochterbasisstation die absolute Systemzeit ein, die von der ersten Zeit-/Frequenzsendeeinheit bestimmt wird, um die Zeitsynchronisation von Signalen zu steuern, die von der ersten Tochterbasisstation gesendet wurden. Zusätzlich dazu beginnt die erste Tochterbasisstation ihre eigene SYNC Mitteilung auf seinem SYNC Kanal, in Übereinstimmung mit der absoluten Systemzeit (wie sie von der ersten Zeit-/Frequenzsendeeinheit bestimmt wurde), zu einer weiteren Tochterbasisstation zu senden und dabei die erste Tochterbasisstation veranlasst, eine weitere (zweite) Mutterbasisstation zu werden. Der zuvor beschriebene Prozess wird dann von einer zweiten Zeit-/Frequenzsendeeinheit, die an die zweite Tochterbasisstation gekoppelt ist, wiederholt, um die absolute Systemzeit, die von der zweiten Tochterstation eingesetzt wird, mit der der ersten und zweiten Mutterstationen zu synchronisieren. Der Prozess wird vorzugsweise für alle weiteren Basisstationen in einem Kommunikationssystem wiederholt mit der Folge, dass alle derartigen Basisstationen mit einer allgemeinen absoluten Systemzeit synchronisiert sind.
Im IS-95 Kommunikationssystem wird eine "over head" message d.h. eine allgemeine Mitteilung (die SYNC Kanal Mitteilung) auf dem Sync Kanal gesendet. IS-95 Basisstationen senden eine Sync Kanal Mitteilung mit dem folgenden Format:

MSG_TYPE: Message Type, bzw. Mitteilungsart. Die Basisstation soll dieses Feld auf '00000001' setzen
P_REV: Protocol revision level, bzw. Protokoll-Revisionsniveau. Die Basisstation soll dieses Feld auf '00000010' setzen.
MIN_P_REV: Minimum protocol revision level, bzw. minimales Protokoll-Revisionsniveau. Nur Mobilstationen, die Revisionsnummern unterstützen, die größer oder gleich diesem Feld sind, greifen auf das System zu.
SID: System-Identifikation. Die Basisstation soll dieses Feld auf die System-Identifikationsnummer für dieses Mobilfunksystem setzen (siehe 6.6.5.2).
NID: Netzwerk-Identifikation. Dieses Feld dient als eine Unter-Identifizierung eines Systems, die vom Betreiber des SID definiert wird. Die Basisstation soll dieses Feld auf die Netzwerk-Identifikationsnummer für dieses Netzwerk setzen (siehe 6.6.5.2).
PILOT_PN: Pilot PN sequence offset index, bzw. Pilot PN Sequenz-Versatzindex. Die Basisstation soll dieses Feld auf den Pilot PN Sequenz-Versatz für diese Basisstation, in Einheiten von 64 PN Chips, setzen.

LC_STATE: Long code state, bzw. Long-Code-Zustand Die Basisstation soll dieses Feld zu dem Zeitpunkt auf den langen Code-Zustand setzen, der von dem SYS_TIME Feld dieser Mitteilung vorgegeben wird.
SYS_TIME: System time, bzw. Systemzeit. Die Basisstation soll dieses Feld auf die Systemzeit wie aus vier Sync Kanal Überrahmen, bzw. superframes (320ms) nach dem Ende des letzten Überrahmens setzen, der irgendeinen Teil dieser Sync Kanal Mitteilung enthält, abzüglich dem Pilot PN Sequenz-Versatz in Einheiten von 80ms.
LP_SEC: Die Anzahl an Schaltsekunden, die seit dem Start der Systemzeit eingetreten sind. Die Basisstation soll dieses Feld auf die Anzahl an Schaltsekunden setzen, die seit dem Start der Systemzeit, ab der Zeit, die von dem SYS_TIME Feld dieser Mitteilung gegeben ist, eingetreten sind.
LTM_OFF: Offset of local time from System Time, bzw. Versatz der lokalen Zeit von der Systemzeit. Die derzeitige lokale Tageszeit entspricht der SYS_TIME – LP_SEC + LTM_OFF. Die Basisstation soll dieses Feld auf den zweiten komplementären Versatz der lokalen Zeit von der Systemzeit, in Einheiten von 30 Minuten, setzen.

DAYLT: Daylight savings time indicator, bzw. Zeitindikator für Sommerzeit. Wenn die Sommerzeit gilt, soll die Basisstation dieses Feld auf '1' setzen. Ansonsten soll die Basisstation dieses Feld auf '0' setzen.
PRAT: Paging Channel data rate, bzw. Rundruf-Kanaldatenrate bzw. Geschwindigkeit. Die Basisstation soll dieses Feld auf den PRAT Feldwert setzen, welcher der Datenrate entspricht, die von den Rundruf- oder Paging-Kanälen im System eingesetzt werden.
RESERVED: Reservierte Bits. Die Basisstation soll dieses Feld auf '000' setzen.

Eine der wichtigsten Informationen, die in der Sync Mitteilung enthalten ist, ist die Systemzeit (SYS_TIME), die mit einem zentralisierten Timingsignal synchronisiert wird. Andere digitale schnurlose Kommunikationssysteme wie GSM übertragen auf ähnliche Art und Weise eine Anzeige der Systemzeit an die entfernten Stationen durch eine allgemeine Mitteilung.
Vor kurzem ordnete die FCC an, dass Mobiltelefone Energieinformationen bereitstellen müssen, die Ortsinformationen aufweisen, welche an Notfalldienste, trotz einer Unfähigkeit des Benutzers zu kommunizieren, übermittelt werden können. Eine Lösung auf diese Anforderung ist die Bereitstellung eines GPS-Empfängers in jedem Mobiltelefon.
Die vorliegende Erfindung nutzt den erwarteten Einbau von GPS-Empfängern in Mobiltelefonen um die Synchronisation mit Basisstationen zu ermöglichen, die nicht in der Lage sind ein GPS-Signal zu empfangen.
Die PCT Publikation Nr. WO99/44306 von Motorola Inc. offenbart ein schnurloses Kommunikationssystem und ein Verfahren zur Bereitstellung einer Identität einer ersten und zweiten Basisempfangs- und Sendestation zu einer Mobilstation. Auf der Identität basierend wird ein erstes Signal von der ersten Basisempfangs- und Sendestation und ein zweites Signal von einer zweiten Basisempfangsstation, von der Mobilstation verfolgt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt ein neues und verbessertes System und Verfahren zur Synchronisation von Basisstationen in jeglichen digitalen Kommunikationssystemen dar. Das Verfahren benutzt eine schnurlose Mobilstation mit GPS Fähigkeiten, die in die schnurlose Mobilstation integriert sind. Die entscheidende Lösung der GPS-Gleichungen produziert die Position des Telefons und einen Bias-Term. Sowohl die berechnete Position als auch der Bias-Term werden dazu benutzt, den Versatz zwischen dem schnurlosen mobilen lokalen Taktgeber und der kalkulierten GPS-Zeit zu bestimmen. Dieser Versatz wird dann dazu benutzt, das Timing in der Basisstation durch eine Rückführung der Korrekturen und Ortsinformationen der Mobilstation zu der Basisstation, zu korrigieren. Mehrere dieser Messungen können auch dazu eingesetzt werden, die Frequenzfehler in der Basisstation zu korrigieren. Das Verfahren kann auch dazu eingesetzt werden, das Basisstationstiming in existierenden Netzwerken zu kalibrieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Der Zweck, die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus den detaillierten Beschreibungen, die nachfolgend fortgesetzt werden, ersichtlicher werden, wenn sie in Verbindung mit den Zeichnungen eingesehen werden, in denen die gleichen Referenzzeichen Entsprechendes identifizieren und in denen:
1 ein Flussdiagramm ist, welches das Verfahren der Synchronisation von Basisstationen in der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 ein Blockdiagramm der Elemente des Systems der vorliegenden Erfindung ist;
3 ein Blockdiagramm der Basisstation der vorliegenden Erfindung ist; und
4 ein Blockdiagramm der Mobilstation der vorliegenden Erfindung ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Diese Erfindung beschreibt eine Vorrichtung, die dabei hilft, die Synchronisation zwischen den Elementen eines Kommunikationssystems (Basisstationen) aufrecht zu halten. Sie besteht aus einem GPS-Empfänger und einer schnurlosen Zwei-Wegeeinheit (die als ein Dual-Mode-GPS-Empfänger und ein Zwei-Wege-Kommunikationsmodul konstruiert sein könnte). Wenn sich die Einheit im Kommunikationsmodus befindet, akquiriert und verfolgt sie die Systemzeit. Die Einheit ist auch derart programmiert, periodisch zu der GPS-Frequenz zurück zu kommen..
1 ist ein Flussdiagramm, welches das Verfahren zur Synchronisation von Basisstationen der vorliegenden Erfindung darstellt. In Block 100 empfängt die Mobilstation die Systemzeit der Basisstation. In dem exemplarischen Ausführungsbeispiel eines CDMA Kommunikationssystems akquiriert die Mobilstation zuerst den Pilotkanal der Basisstation, um die Synchronisation mit der Basisstation zu erreichen. Nach der Akquisition des Pilotkanals demoduliert die Mobilstation den Sync-Kanal und empfängt eine Sync-Kanal-Mitteilung, welche die Systemzeit anzeigt.
In Block 102 empfängt die Mobilstation das GPS-Signal. Die Mobilstation kann Timinginformation von der Basisstation nutzen, um die Akquisition von GPS-Satelliten zu ermöglichen. Ein exemplarisches Verfahren zum Einsatz von Timinginformationen von einer Basisstation zur Ermöglichung der Akquisition eines GPS-Signals wird detailliert in U.S. Patentanmeldung Nr. 09/040,501, bezeichnet mit „System and Method for Determining the Position of a Wireless CDMA Transceiver", und in U.S. Patentanmeldung Nr. 09/149,428, bezeichnet mit „Method and Apparatus for Increasing the Sensitivity of a Global Positioning Satellite Receiver" beschrieben, die beide dem Rechtsinhaber der vorliegenden Erfindung übertragen sind.
In dem exemplarischen Ausführungsbeispiel kalkuliert die Einheit ihre Position und den damit verbundenen Zeit-Bias, wenn die Einheit mindestens vier Satelliten akquiriert hat. Der Zeit-Bias ist eine Messung des Versatzes zwischen der wahren GPS-Zeit und der Systemzeit, wie sie von der Kommunikationseinheit bestimmt wurde.
Ein codiertes GPS-Signal wird von einem bestimmten GPS-Satelliten gesendet und von einem GPS-Sensor empfangen, an dem die Zeit, zu der eine bestimmte GPS-Signalphase detektiert wird, von Einheiten im Empfänger, die als Code-Korrelatoren, bzw. code correlators bezeichnet werden, bestimmt wird. Die Verfahren, die zur Durchführung dieser Messung eingesetzt werden, sind als Stand der Technik wohlbekannt. Wichtig zur Bestimmung der Navigationsparameter sind der Signalweg und die Sendezeit von dem GPS-Satelliten bis die GPS-Codephase detektiert ist.
Der Signalweg startet an der Antenne des GPS-Satelliten, geht durch die Ionosphäre und Troposphäre, wo er verzögert wird und endet schließlich an der Antenne des GPS-Empfängers. Von der Antenne des GPS-Empfängers geht das Signal durch eine Reihe analoger Elektronik (z.B. Vorverstärker, Verstärker, Frequenzkonverter usw.). Dies ist ein Signalweg, wie er für alle GPS-Satellitensignale üblich ist. Schließlich wird das Signal in verschiedene Code-Korrelatoren eingespeist. Nach der Ausführung der notwendigen Korrelationsoperationen an den, von den vier Satelliten empfangenen, Signalen ist der GPS-Empfänger in der Lage, seinen Ort und seine Systemzeit zu bestimmen.
In Block 104 berechnet die Mobilstation die Differenz zwischen der Basisstations-Systemzeit und der GPS-Zeit. Bei Kenntnis der Sendezeit der Codierphase kann man die gemessene Empfangszeit dazu benutzen, unbekannte, aber für die Navigation wichtige, Bereiche zu bestimmen. Bei Kenntnis von vier dieser Bereiche, ist der Empfänger dazu in der Lage, seine Position in drei Dimensionen (x, y und z) und die absolute GPS-Zeit zu bestimmen. Die Mobilstation berechnet dann ein Zeitfehlersignal, das die Differenz zwischen dem Timing, wie es von der Basisstation angegeben wird und der kalkulierten, absoluten GPS-Zeit (Δt) darstellt, die eine Funktion der Distanz zwischen der Basisstation und dem Telefon plus jeglichem Umweg, Zeitversatz zwischen der Basisstation-Systemzeit und der wahren GPS-Zeit und Hardware-Verzögerung im Telefon, ist.
In Block 106 sendet die Mobilstation eine Mitteilung an die Basisstation, die ihre Koordinaten und die kalkulierte Zeitdifferenz zwischen dem Zeitpunkt der bedienenden Basisstation und der GPS-Zeit, anzeigt.
In Block 108 berechnet die Basisstation einen Timinganpassfaktor, um ihren internen Taktgeber mit der GPS-Zeit zu synchronisieren. Bei Kenntnis der Position der bedienenden Basisstation (x_bs, y_bs, z_bs) und der kalkulierten Position des Telefons (x, y, z), bestimmt die Basisstation eine Korrektur zu ihrem inneren Taktgeber (∂t) zu:
In Block 110 passt die Basisstation ihre internen Taktgeber in Übereinstimmung mit einer Korrektur an ihre internen Taktgeber (∂t) an und zu diesem Zeitpunkt ist die Basisstation mit der GPS-Zeit synchronisiert.
2 stellt die Elemente dar, die dazu notwendig sind, den Synchronisationsvorgang der vorliegenden Erfindung durchzuführen. In dem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist die Basisstation 200 eine CDMA-Basisstation. Die Basisstation 200 überträgt ihr Pilotsignal und ihre Sync-Mitteilung auf dem Vorwärts-Verbindungssignal 210 an Mobilstationen in dem von ihr abgedeckten Bereich. Die Mobilstation 204 empfängt das Vorwärts-Verbindungssignal 210 durch den Mobilstationsempfänger 208. In der exemplarischen Ausführungsbeispiel akquiriert die Mobilstation 204 als erstes das Pilotkanalsignal und demoduliert dann den Sync-Kanal, um die Sync-Mitteilung zu empfangen, welche die Basisstations-Systemzeit beinhaltet.
Die GPS-Satelliten 202 übertragen das GPS-Timingsignal, das durch die Mobilstation 204 durch den GPS-Empfänger 206 empfangen wird. In dem exemplarischen Ausführungsbeispiel bestimmt die Mobilstation 204 ihren Ort und ihre absolute GPS-Zeit nach der Akquisition des Signals von vier GPS-Satelliten 202. Die Mobilstation 204 sendet dann eine Mitteilung auf dem zurück gekommenen Verbindungssignal 212, welche die berechneten Ortskoordinaten und die Zeit anzeigt.
3 stellt eine vereinfachte Version der Basisstation 200 dar. In dem exemplarischen Ausführungsbeispiel sendet die Basisstation 200 drei verschiedene Datentypen einschließlich Pilotsymbolen, Sync-Kanal-Mitteilungsdaten und Verkehrskanaldaten. Pilotsignale werden vom Pilotmodulator 304 generiert und zum Kombinierer 312 geleitet. Die Sync-Mitteilung ist vom Mitteilungs- bzw. Nachrichtengenerator 310 für den Sync-Modulator 306 vorgesehen. Das modulierte Sync-Kanal-Signal ist für einen Kombinierer 312 vorgesehen. Zuletzt werden die Verkehrskanäle in Verkehrsmodulatoren 308 generiert und zum Kombinierer 312 geleitet.
In dem exemplarischen Ausführungsbeispiel eines CDMA-Systems werden der Pilotkanal, Sync-Kanal und die Verkehrskanäle im Code-Raum durch den Einsatz verschiedener, voneinander unabhängiger bzw. orthogonaler Verteilungssequenzen voneinander unterschieden. In alternativen Ausführungsbeispielen können die Kanäle in Zeitabschnitten oder in ihrer Frequenz unterschieden werden. Darüber hinaus benötigt die vorliegende Erfindung keinen Pilotkanal für ihren Betrieb, obwohl er in CDMA-Systemen sehr wertvoll ist.
Der Kombinierer 312 kombiniert den Pilotkanal, den Sync-Kanal und den Verkehrskanal und liefert das kombinierte Signal an den Sender, bzw. Transmitter 314. Der Sender 314 konvertiert das Signal aufwärts und filtert und verstärkt es für dessen Ausstrahlung über die Antenne 316.
Die Signale werden an der Mobilstation 204 an der Antenne 400 empfangen und an die HF-Schnittstelle bzw. RF-Schnittstelle (Interface) 404 durch den Duplexer 402 geliefert. Die RF-Schnittstelle 404 konvertiert das empfangene Signal abwärts und filtert und verstärkt es. In dem exemplarischen Ausführungsbeispiel konvertiert die RF-Schnittstelle 404 das empfangene Signal, entweder in Übereinstimmung mit der Zellulare- oder PCS-Trägerfrequenz, oder in Übereinstimmung mit der GPS-Trägerfrequenz, abwärts. Der Betrieb der RF-Schnittstelle 404 wird von Signalen vom Steuerprozessor 418 geleitet. In diesem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die Mobilstation 204 nicht gleichzeitig das GPS-Signal und das Vorwärts-Verbindungssignal von der Basisstation 200 empfangen. Daher muss die Mobilstation in dem exemplarischen Ausführungsbeispiel, nach dem Empfang der Sync-Kanal-Mitteilung die Zeitdauer verfolgen, die zwischen dem Empfang der Sync-Mitteilung von der Basisstation 200 und dem Zeitpunkt, an dem sie die Timinganzeige von den GPS-Satelliten 202 empfängt, vergeht.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel beinhaltet die Mobilstation 204 zwei seperate RF-Schnittstellen, eine zum abwärts Konvertieren, Filtern und Verstärken des Vorwärts-Verbindungssignals von der Basisstation 200 und eine zum Empfang des GPS-Signals von den Satelliten 202. In diesem Fall können die Sync-Kanal-Mitteilung und das GPS-Timing gleichzeitig empfangen und direkt verglichen werden.
In dem exemplarischen Ausführungsbeispiel gibt der Steuerprozessor, wenn die Mobilstation 204 die System-Timinginformation von der Basisstation 200 empfangen soll, ein Steuersignal an die RF-Schnittstelle 404 aus und weist diese an das empfangene Signal in Übereinstimmung mit der Trägerfrequenz der PCS oder der Mobilfunk-Basisstation 200 abwärts zu konvertieren.
Zusätzlich gibt der Steuerprozessor ein Signal an den Schalter 410 aus und weist diesen an, den Ausgang der RF-Schnittstelle 404 an den Demodulator 412 auszugeben. In dem exemplarischen Ausführungsbeispiel beinhaltet der Demodulator 412 einen Pilotkanal-Demodulator 414 und einen Sync-Kanal-Demodulator 416. In dem exemplarischen Ausführungsbeispiel akquiriert die Mobilstation zu Beginn das Vorwärtssignal von der Basisstation 200 durch die Akquisition des Pilotkanals. Nach der Akquisition des Pilotkanals demoduliert die Mobilstation 204 die Sync-Kanal-Mitteilung im Sync-Kanal-Demodulator 416 und gibt die Sync-Mitteilung an den Steuerprozessor aus.
Nach dem Empfang der Sync-Mitteilung, welche die Systemzeit der Basisstation 200 anzeigt, startet der Steuerprozessor einen Timer (nicht gezeigt), um das Zeitintervall zwischen dem Empfang der Sync-Mitteilung und dem Zeitpunkt, zu dem er die absolute GPS-Zeit berechnet, zu verfolgen. Der Steurprozessor 418 sendet ein Steuersignal an die RF-Schnittstelle 404, die als Reaktion darauf das empfangene Signal in Übereinstimmung mit der GPS-Trägerfrequenz, abwärts konvertiert. Der Steuerprozessor sendet auch ein Signal zu dem Schalter 410 und weist diesen damit an, den Ausgang der RF-Schnittstelle 404 an den GPS-Demodulator 420 auszugeben. Der GPS-Demodulator 420 demoduliert das empfangene Signal und gibt das Signal an den Steuerprozessor aus, der den Ort der Mobilstation 204 und die absolute GPS-Zeit berechnet.
Der Steuerprozessor 418 sendet ein Signal, das die Ortskoordinaten (x, y, z) und die Zeitdifferenz (Δt) anzeigt, an den Mitteilungsgenerator bzw. message generator 422. Der Mitteilungsgenerator 422 generiert eine Mitteilung, welche die kalkulierten Ortskoordinaten (x, y, z) und die Zeitdifferenz (Δt) beinhaltet. Die Mitteilung wird an den Modulator 424 ausgegeben. In dem exemplarischen Ausführungsbeispiel moduliert der Modulator 424 die Mitteilung, um sie zur Sendung auf dem Verkehrskanal auszugeben. In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die Mitteilung auch als Teil eines Zugangstests, bzw. Access Probe, gesendet werden.
Das modulierte Mitteilungssignal, welches die kalkulierten Ortskoordinaten (x, y, z) und die Zeitdifferenz (Δt) enthält, wird aufwärts konvertiert, gefiltert und vom Sender 426 verstärkt und durch den Duplexer 402, zur Sendung durch die Antenne 400 ausgegeben.
Das Mitteilungssignal wird in der Antenne 318 von der Basisstation 200 empfangen und an den Empfänger 320 ausgegeben. Der Empfänger 320 konvertiert das empfangene Signal abwärts, filtert und verstärkt es und gibt das empfangene Signal an den Demodulator 322 aus. Das demodulierte Signal wird an den Demultiplexer 324 ausgegeben, der den Mitteilungsteil, welcher die kalkulierten Ortskoordinaten (x, y, z) und die Zeitdifferenz (Δt) beinhaltet, extrahiert.
Die Mitteilung wird an den Steuerprozessor 326 ausgegeben. Der Steuerprozessor 326 berechnet, wie zuvor beschrieben, eine Zeitkorrektur (δt) und passt das Timing des Timingelementes 300 an. In dem exemplarischen Ausführungsbeispiel moduliert der Modulator 302 die Daten zum Senden, in Übereinstimmung mit den Timingsignalen vom Timingelement 300.
Weil die Frequenzfehler einfach Timingfehler über ein gegebenes Zeitintervall darstellen, können die Frequenzfehler im Timingelement 300 auch durch die Durchführung einer Vielzahl von Timinganpassungen über gegebenen Zeitintervallen, korrigiert werden. Zusätzlich kann die vorliegende Erfindung dazu benutzt werden, das Timing der Basisstation 200 und das Timing in existierenden Netzwerken, durch die Durchführung der zuvor beschriebenen Korrekturen, zu kalibrieren und die GPS-Empfänger der Basisstation in Übereinstimmung mit diesem Prozess anzupassen.
Die vorstehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele soll, um einen Fachmann zu befähigen, die vorliegende Erfindung herzustellen oder einzusetzen. Die verschiedenen Modifikationen zu diesen Ausführungsbeispielen werden für den Fachmann offensichtlich sein und die generellen, hierin definierten Prinzipien, können auf andere Ausführungsbeispiele ohne erfinderischen Einsatz angewandt werden.
Daher ist die vorliegende Erfindung nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern sollte in Übereinstimmung mit dem weitesten Bereich, der hierin offenbarten Prinzipien und neuen Merkmale, angewandt werden.

Claims

Ein Verfahren zum Einstellen bzw. Anpassen des Timings einer Basisstation, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Empfangen eines zentralisierten Timingsignals an der Mobilstation; Akquirieren eines Signals anzeigend für die Systemzeit der Basisstation an der Mobilstation; Berechnen eines Fehlers zwischen dem zentralisierten Timingsignal und der Systemzeit der Basisstation; Senden des berechneten Fehlers und von Mobilstationskoordinaten von der Mobilstation zu der Basisstation; Berechnen an der Basisstation eines Timinganpassfaktors basierend auf dem berechneten Zeitfehler, den Mobilstationskoordinaten und den Basisstationskoordinaten; und Anpassen der Systemzeit der Basisstation gemäß dem berechneten Fehler und des Timinganpassfaktors.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das zentralisierte Timingsignal ein GPS bzw. Global Positioning Signal ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt des Empfangens eines zentralisierten Timingsignals an der Mobilstation folgende Schritte aufweist: Akquirieren des GPS-Signals von vier Satelliten; und Berechnen des Ortes und der absoluten Zeit gemäß des GPS-Signals von den vier Satelliten.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, wobei das Verfahren weiterhin folgenden Schritt aufweist: Berechnen der Ausbreitungsverzögerung zwischen der Mobilstation und der Basisstation.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt des Berechnens der Ausbreitungsverzögerung ausgeführt wird gemäß des Ortes bzw. der Position der Mobilstation und des Ortes der Basisstation.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Mobilstation eine entfernte Station ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Basisstation eine CDMA-Basisstation ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt des Akquirierens eines Signals anzeigend für die Systemzeit der Basisstation an der Mobilstation Folgendes aufweist: Demodulieren einer Sync-Nachricht; und Extrahieren einer Anzeige der Systemzeit aus der Sync-Nachricht.
Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin den Schritt des Sendens eines Signals anzeigend für den Zeitfehler von der Mobilstation zu der Basisstation aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt des Sendens des Signals von der Mobilstation ausgeführt wird durch Senden des Signals auf einem Verkehrskanal.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt des Sendens des Signals von der Mobilstation ausgeführt wird durch Senden des Signals auf einem Zugriff- bzw. Accesskanal.
Ein System zum Anpassen des Timings einer Basisstation (200), wobei das System Folgendes aufweist: eine Mobilstation (204) zum Empfangen eines zentralisierten Timingsignals, zum Akquirieren eines Signals anzeigend für die Systemzeit der Basisstation (200) an der Mobilstation (204); wobei die Mobilstation (200) Mittel aufweist zum Berechnen (104) eines Fehlers zwischen dem zentralisierten Timingsignal und der Systemzeit der Basisstation (200); Mittel zum Senden (106) des berechneten Fehlers und von Mobilstationskoordinaten von der Mobilstation (204) zu der Basisstation (200); Mittel zum Berechnen (108) an der Basisstation (200) eines Timinganpassfaktors basierend auf dem berechneten Zeitfehler, den Mobilstationskoordinaten und den Basisstationskoordinaten; und wobei die Basisstation Mittel aufweist zum Anpassen (110) der Systemzeit der Basisstation gemäß dem berechneten Fehler und dem Timinganpassfaktor.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das zentralisierte Timingsignal ein GPS bzw. Global Positioning Signal ist.
System nach Anspruch 13, wobei die Mobilstation (204) Mittel aufweist zum Akquirieren des GPS-Signals von vier Satelliten und zum Berechnen des Ortes und der absoluten Zeit gemäß dem GPS-Signal von den vier Satelliten.
System nach Anspruch 12 oder 14, wobei die Basisstation (200) Mittel aufweist zum Berechnen der Ausbreitungsverzögerung zwischen der Mobilstation und der Basisstation.
System nach Anspruch 15, wobei die Basisstation (200) die Ausbreitungsverzögerung gemäß dem Ort der Mobilstation (204) und dem Ort der Basisstation (200) berechnet.
System nach Anspruch 12, wobei die Mobilstation (204) eine entfernte Station ist.
System nach Anspruch 12, wobei die Basisstation eine CDMA-Basisstation ist.
System nach Anspruch 18, wobei die Mobilstation (204) zum Demodulieren einer Sync-Nachricht dient und zum Extrahieren einer Anzeige der Systemzeit von der Sync-Nachricht.
System nach Anspruch 12, wobei die Mobilstation (204) weiterhin zum Senden eines Signals anzeigend für den Zeitfehler von der entfernten Station zu der Basisstation (200) dient.
System nach Anspruch 20, wobei die Mobilstation (204) das Signal auf einem Verkehrskanal sendet.
System nach Anspruch 20, wobei die Mobilstation (204) das Signal auf einem Zugriffskanal sendet.