-
TECHNISCHES
GEBIET
-
Die
Erfindung betrifft im Allgemeinen Synchronisation in einem Kommunikationssystem,
und insbesondere Synchronisation von Basisstationen innerhalb von
Kommunikationssystemen mit zumindest einer zentralen Station und
einer Vielzahl an Basisstationen.
-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
-
Eine
Synchronisationsanordnung des Typs ist in der WO-94/10768 offenbart,
die eine Anordnung in Mobiltelekommunikationssystemen zum Bereitstellen
von Synchronisation der Sender der Basisstationen beschreibt.
-
In
einigen Kommunikationssystemen, speziell in zellularen Funktelefonsystemen,
ist eine absolute zeitliche Koordinierung zwischen der Basisstation
bzw. dem -standort und einer Teilnehmereinheit für einen effektiven Betrieb
des Systems wesentlich. Insbesondere ist dies in einem digitalen
zellularen Codemultiplex(CDMA: „code division multiple access") Funksystem zwingend
erforderlich, weil eine funktionsfähige Basisstation in dem System
innerhalb von +/– 3 μs der Global
Positioning System- (GPS) Zeit synchronisiert werden muss. Als eine
Folge hiervon sind die Basisstationen mit einer großen Genauigkeit
zueinander synchronisiert. Es ist wesentlich, die Genauigkeitsanforderung
zu erfüllen, weil
Abweichungen bei Zeitkoordinierung und Synchronisation die Leistungsfähigkeit
eines CDMA-Funksystems verschlechtern, was von den das System verwendenden
Teilnehmern als schlechter Service wahrgenommen wird. Die Anforderung
ist unerlässlich,
nicht nur was eine Kommunikation zwischen einer einzelnen Basisstation
und einer personenbezogenen Station betrifft, sondern besonders, wenn
zwei oder mehr Basisstationen mit einer personenbezogenen Station
kommunizieren. Dies ist sehr richtig, da personenbezogene CDMA-Stationen
zum Diversity-Empfang von Übertragungen
von zumindest zwei Basisstationen fähig sind, und fähig sind, Empfangsentscheidungen
entweder auf einer oder beiden der Übertragungen zu treffen. Zum
Erfüllen dieses
Zwecks ist es offensichtlich, dass die beiden ein Signal übertragenden
Basisstationen zeitlich absolut synchronisiert sind, damit die Teilnehmereinheit beide Übertragungen
zur gleichen Zeit empfangen und einen Empfang wie erforderlich durchführen kann.
-
Eine
typische Lösung
zum Erreichen der festgelegten Synchronisation zur GPS-Systemzeit besteht
darin, einen GPS-Empfänger
an jeder Basisstation anzuordnen und die Signalausgaben vom GPS-Empfänger zum
Synchronisieren der Basisstations-Zeitkoordinierung einzusetzen.
Im GPS-System können jedoch
mehrere Fehler auftreten. GPS kann beispielsweise entweder zwangsweise
oder auf Grund von Wartung außer
Betrieb gehen, der GPS-Empfänger
an einer Basisstation kann fehlerhaft bzw. gestört werden, der GPS-Empfänger an
einer Basisstation kann gewartet werden oder es kann eine Antennen-
oder eine Kabelstörung
an einer Basisstation auftreten. Außerdem kann es Länder geben,
die das GPS-Signal nicht empfangen können oder dürfen. Daher ist irgendein Backup-
bzw. Sicherungsverfahren für
derartige Situationen erforderlich.
-
Unterschiedliche
Verfahren haben sich als Methoden entwickelt, die Synchronisation
in Fällen abzusichern,
in denen eine GPS-Synchronisation nicht möglich ist.
-
Als
Erstes können
hochgenaue bzw. Präzisionstaktgeber
oder -oszillatoren (beispielsweise ein Rubidium-Taktgeber) an Basisstationen bzw. -standorten
installiert werden. Dieses Verfahren erhöht die Komplexität der Basisstationen
in Form einer erhöhten
Anzahl an Einheiten. Es stockt auch wesentlich die Kosten einer
Basisstation auf, was zusammen mit der Tatsache, dass das Verfahren
nur eine begrenzte Genauigkeit und folglich eine begrenzte Backup-Zeit erreicht,
bedeutet, dass das Verfahren nicht effizient ist.
-
Als
Zweites kann ein zentraler hochgenauer bzw. Präzisionsoszillator eingesetzt
werden. In diesem Fall müssen
Einrichtungen zum Transportieren der Synchronisations- und Zeitkoordinierungsinformationen
von einem zentralen Standort – oder
von einer Anzahl zentraler Standorte – an entfernt liegende Standorte
entwickelt werden. Es kann schwierig und kostspielig sein, derartige
Einrichtungen aufzubauen, und es erhöht sicherlich stark die Systemkomplexität und den
zum Warten des Systems erforderlichen Aufwand.
-
Als
Drittes ist es möglich,
externe an Basisstationen empfangene Signale als Referenzsignale oder
als Signale zu verwenden, auf die die Basisstationen synchronisiert
werden. Derartige externe Signale können von den terrestrischen Übertragungsnetzwerken
empfangene Signale oder andere aus der Luft empfangene Signale sein
(anders als das GPS-Signal). Diese Signale sind jedoch weder genau
noch stabil genug und können
als solche nicht verwendet werden. Werden Systeme gebaut, um die Signale auf
Grundlage des Standorts zu charakterisieren, tragen diese Systeme
immer zur Komplexität und
den Kosten des Systems bei. Und es bestehen immer zumindest die
zusätzlichen
Kosten, die vom Hinzufügen
zusätzlicher
Einheiten (Empfänger)
in den Basisstationen herrühren.
-
Als
Letztes können
verschiedene verstreute Netzwerkelemente wie Basisstationen Bitmuster über das
terrestrische Übertragungsnetzwerk
zu einem zentralen Standort (beispielsweise eine Mobilvermittlungsstelle
MSC) senden. Der zentrale Standort kann auch Bitmuster zu den verstreuten
Netzwerkelementen senden. An der Empfangsseite wird das Bitmuster
zurückgeschleift.
Durch Vergleichen des gesendeten und des empfangenen Bitmusters
und der Verzögerungen
zwischen den Zeiten ihres Sendens und Empfangens sind die Netzwerkelemente zum
Anpassen ihrer Zeitkoordinierung und zum Verbleiben in Synchronisation
fähig.
-
AUFGABEN UND
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Dementsprechend
ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine zuverlässige Synchronisationsredundanz
für eine
verlängerte
Zeitdauer bereitzustellen, wobei gleichzeitig der Systementwurf
und -betrieb so einfach wie möglich
und so kosteneffizient wie möglich
beibehalten wird.
-
Kurz
beschrieben umfasst die Erfindung eine Zeitsteuerungseinheit und
ein Verfahren zum Charakterisieren – Lernen – des Verhaltens eines lokalen Oszillators
einzeln an jeder Basisstation. Die Charakterisierung erfolgt getrennt
an jeder Basisstation. Das Kommunikationssystem hat an die Einrichtung
zum lokalen Lernen des Verhaltens jedes Oszillators gekoppelt eine
Einrichtung – an
jeder Basisstation – zum
Speichern der während
der Charakterisierungszeit gesammelten Informationen und eine Einrichtung
zum Verwenden dieser gespeicherten Informationen an einer Basisstation,
um den lokalen Oszillator zu steuern, wenn der lokale Oszillator
als die Synchronisationsquelle an dieser Basisstation verwendet wird.
Daher stellt die Erfindung ein Redundanz-Synchronisationsverfahren zur Verwendung
eines lokalen Oszillators an jeder Basisstation auf eine kontrollierte
Art und Weise bereit, wobei die zum Steuern des lokalen Oszillators
verwendeten Informationen die Informationen sind, die vorher über das
Verhalten dieses speziellen Oszillators gesammelt wurden.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
1 stellt allgemein ein Kommunikationssystem
wie etwa ein digitales CDMA-Funktelefonsystem dar.
-
2 stellt allgemein ein Blockschaltbild
einer Zeitsteuerungseinheit in einer Basisstation dar.
-
AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
-
1 stellt allgemein ein Kommunikationssystem
gemäß dem Stand
der Technik mit einer Vielzahl an Basisstationen bzw. -standorten 101, 102, 103, 104 und
einem zentralen Standort dar, der eine Mobilvermittlungsstelle MSC
sein kann. Eine Kommunikation zwischen (nicht gezeigten) Mobilstationen
und Basisstationen erfolgt durch die Luft. Das Kommunikationssystem
kann jedes zellulare Funktelefonsystem sein, d. h. analog, digital,
Frequenzmultiplex (FDMA), Zeitmultiplex (TDMA), Codemultiplex (CDMA).
Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist das Kommunikationssystem ein digitales zellulares CDMA-Funktelefonsystem,
das auf die GPS-Systemzeit synchronisiert ist. Daher empfängt jede
Basisstation eine Synchronisationssignal von einem GPS-Satellit 100.
Die Erfindung liegt in den zellularen Basisstationen bzw. -standorten 101 bis 104,
die zum Empfangen primärer
Synchronisationssignale 105 bis 108 von der primären Synchronisationsquelle 100 fähig sind.
-
2 stellt eine Zeitsteuerungseinheit
gemäß der Erfindung
dar. Die Zeitsteuerungseinheit befindet sich in jeder der Basisstationen
bzw. -standorte 101 bis 104. Die Einheit umfasst
zwei Taktsignal-Generatoren: einen primären Taktsignal-Generator 200 und
einen sekundären
Taktsignal-Generator 207. Die primäre Synchronisationsquelle des
primären
Taktsignal-Generator 200 und daher der gesamten Zeitsteuerungseinheit
ist der GPS-Empfänger 206,
der das externe hochgenaue Synchronisationssignal 105 bis 108 vom
GPS-Satellit empfängt.
Vom GPS-Empfänger 206 wird
das hochgenaue Synchronisationssignal 218 als ein erstes
Referenzsignal an einen primären
Taktsignal-Generator 200 angelegt, der ein primäres Takt-
und Synchronisationssignal 210 erzeugt. Daher verwendet
der primäre
Taktsignal-Generator 200 zum Erzeugen aller für den Betrieb
der Station bzw. des Standorts notwendigen Takt- und Synchronisationssignale
das hochgenaue GPS-Synchronisationssignal 218.
Die sekundäre
Synchronisationsquelle des sekundären Takt-Generator 207 ist ein
lokaler Oszillator 202, der ein sekundäres Synchronisationssignal 208 erzeugt,
das als ein zweites Referenzsignal an den sekundären Takt-Generator 207 angelegt
wird. Der sekundäre
Takt-Generator erzeugt ein sekundäres Takt- und Synchronisationssignal 212.
-
Weitere
umfasst die Zeitsteuerungseinheit eine Vergleichseinrichtung/Steuerung 201,
die mit den Ausgaben der Taktsignal-Generatoren 200 und 207 verbunden
ist. Die Vergleichseinrichtung/Steuerung vergleicht das primäre Taktsignal 210 und
das sekundäre
Taktsignal 212, trifft basierend sowohl auf den Signalen
als auch auf in einem Speicher 203 gespeicherten Informationen
eine Entscheidung und gibt ein erstes Steuersignal 215 für eine erste
Steuerungslogik sowie ein zweites Steuersignal 216 für eine zweite
Steuerungslogik 205 aus. Durch Steuerung der ersten Steuerungslogik 204 mittels
des ersten Steuersignals 215 und der zweiten Steuerungslogik 205 mittels
des zweiten Steuersignals 216 wählt die Vergleichseinrichtung/Steuerung 201 aus,
ob die primären
Takt- und Synchronisationssignale 210 vom primären Taktsignal-Generator 200 oder
die sekundären
Takt- und Synchronisationssignale 212 vom sekundären Taktsignal-Generator 212 an
der Basisstation verwendet werden.
-
In
der anfänglichen
Phase der Lebensdauer jeder Basisstation wird die Zeitsteuerungseinheit
und der GPS-Empfänger 206 an
jeder Basisstation auf die Art und Weise initialisiert, dass die
primären
Takt- und Synchronisationssignale 210 vom primären Taktsignal-Generator 200 korrekt übertragen
werden, um den genauen Betrieb jeder Basisstation zu ermöglichen.
Genau zum gleichen Zeit wird auch der lokale Oszillator 202 an
jeder Basisstation initialisiert. Der lokale Oszillator überträgt das sekundäre Synchronisationssignal 208 an
den sekundären
Taktsignal-Generator 207, der damit beginnt, die Takt-
und Synchronisationssignale 212 zu erzeugen. Die primären Takt-
und Synchronisationssignale 210 vom primären Taktsignal-Generator 210 und
die entsprechenden Signale 212 vom sekundären Taktsignal-
Generator 207 werden von der Vergleichseinrichtung/Steuerung 201 empfangen.
-
Die
Vergleichseinrichtung/Steuerung vergleicht die empfangenen Signale 210 und 212.
Werden Unterschiede bei den Signalen festgestellt, übergibt
die Vergleichseinrichtung/Steuerung 201 ein Anpassungssignal 217 an
den lokalen Oszillator 202. Als Reaktion auf das Anpassungssignal
passt der lokale Oszillator 202 das sekundäre Synchronisationssignal 208 an,
was dann zu einer Veränderung
der sekundären
Takt- und Synchronisationssignale 212 vom sekundären Taktsignal-Generator 200 führen wird.
Die Vergleichseinrichtung/Steuerung 201 übergibt
die Anpassungssignale 217 so lange, wie es dauert, die
sekundären
Takt- und Synchronisationssignale 212 identisch zu den
primären
Takt- und Synchronisationssignalen 210 zu machen. Über die
gesamte Zeit, die es dauert, die Takt- und Synchronisationssignalen 212 anzupassen,
verwendet die Vergleichseinrichtung/Steuerung 201 das erste
und das zweite Steuersignal 215, 216 und Steuerungslogiken 204, 205,
um sicherzustellen, dass nur die primären Takt- und Synchronisationssignale 210 an
der Basisstation weiter verteilt werden, aber nicht die sekundären Takt-
und Synchronisationssignale 212 vom sekundären Taktsignal-Generator 202.
-
Der
primäre
Taktsignal-Generator 200 und der sekundäre Taktsignal-Generator 207 können physikalisch
als eine Einheit implementiert sein. Bei diesen logischen Darstellungen
sind sie aus Gründen der
Klarheit als getrennte Einheiten gezeigt.
-
Mit
fortlaufender Zeit kann sich das Verhalten des lokalen Oszillators 202 verändern. Dies
kann auf der Alterung des Oszillators und Veränderungen der Bedingungen einer
Basisstation beruhen, wie etwa Veränderungen der Temperatur, Luftfeuchtigkeit, usw.
Als eine Folge verschiedener Veränderungen und
der Alterung verändert
sich das sekundäre
Synchronisationssignal 208 entsprechend, und auch die sekundären Takt-
und Synchronisationssignale 212 werden abweichen. Dies
wird jedoch von der Vergleichseinrichtung/Steuerung 201 bemerkt,
die die primären 210 und
sekundären 212 Takt- und Synchronisationssignale
die ganze Zeit über
vergleicht. Als ein Ergebnis: jedes Mal, wenn ein Bedarf besteht, übergibt
die Vergleichseinrichtung/Steuerung 201 das Anpassungssignal 217,
um zu erreichen, dass die sekundären
Takt- und Synchronisationssignale 212 mit den primären Synchronisationssignalen 210 übereinstimmen.
-
Die
Vergleichseinrichtung/Steuerung 201 vergleicht nicht nur
die Takt- und Synchronisationssignale 210 und 212 und
passt den lokalen Oszillator 202 mit dem Anpassungssignal 217 entsprechend an,
sondern sie speichert auch alle relevanten Informationen über die
an den lokal Oszillator 202 übergebenen Anpassungen 217 ab.
Alle gespeicherten Informationen können Umgebungsinformationen
(Temperatur, Luftfeuchtigkeit, usw.), die Werte des sekundären Synchronisationssignal 208 und
die Werte des sekundären
Takt- und Synchronisationssignal 212 vor und nach Übergeben
des Anpassungssignals 217, den Anpassungssignalwert und
die Übergabezeit
des Anpassungssignals enthalten. Die Informationen werden in einem
für diesen
Zweck reservierten Speicherbereich 203 gespeichert. Auf
diese Weise hat die Vergleichseinrichtung/Steuerung 201 immer die
neuesten Informationen über
das Verhalten des lokalen Oszillators bezüglich Umgebungsveränderungen
und über
das im Speicher, was unternommen wurde, um das sekundäre Synchronisationssignal 208 genau
zu halten. Basierend auf den gespeicherten Informationen aus der
Vergangenheit ist die Steuerung 201 in der Lage, das Verhalten
des lokalen Oszillators in der Zukunft zu schätzen, falls sich einer oder
mehrere der vorstehend erwähnten
Parameter verändern.
-
Wann
immer eine Störung
im primären
Takt- und Synchronisationssignal 210 auftritt, erkennt
die Vergleichseinrichtung/Steuerung 201 die Situation und
verwendet das erste und das zweite Steuersignal 215, 216 sowie
die erste und die zweite Steuerungslogik 204, 205,
um die Verteilung von sekundären Takt-
und Synchronisationssignalen 212 zu aktivieren, und um
die Verteilung von primären
Takt- und Synchronisationssignalen 210 zu deaktivieren.
Es ist bemerkenswert, dass die sekundären Takt- und Synchronisationssignale 212 die
ganze Zeit über
verfügbar
waren und das Umschalten, sie zu verwenden, daher für den Rest
der Basisstation transparent erfolgt.
-
Werden
die sekundären
Takt- und Synchronisationssignale 212 an die Basisstation
verteilt, werden die Informationen im Speicher 203, die
vorher über
das Verhalten und die Beschaffenheit des lokalen Oszillators gesammelt
wurden, von der Vergleichseinrichtung/Steuerung 201 nun über die
Leitung 214 aus dem Speicher gelesen und zum Bilden eines
Anpassungssignals 217 an den lokalen Oszillator verwendet.
-
Dieses
Verfahren des individuellen Speicherns des Verhaltens jedes lokalen
Oszillators macht es möglich,
das sekundäre
Synchronisationssignal individuell, genau auf jede Basisstation
abzugleichen, und rechtfertigt das Verfahren als eine gute Langzeit-Backup-Lösung.
-
Das
sekundäre
Synchronisationssignal 208 vom lokalen Oszillator 202 wird
so lange wie nötig verwendet.
Nachdem die primären
Takt- und Synchronisationssignale 210 wieder verfügbar sind,
verwendet die Vergleichseinrichtung/Steuerung 201 die Steuersignale 215 und 216 sowie
Steuerungslogiken 204 und 205, um die Verteilung
von primären
Takt- und Synchronisationssignalen zu aktivieren, und um die Verteilung
von sekundären
Takt- und Synchronisationssignalen zu deaktivieren. Von hier an
fährt der Betrieb
normal fort; die primären
Takt- und Synchronisationssignale 210 werden verwendet,
die Vergleichseinrichtung/Steuerung 201 vergleicht die
primären
und sekundären
Takt- und Synchronisationssignale und übergibt Anpassungssignale 217 an
den lokalen Oszillator, wobei die notwendigen Informationen über die
Anpassungen und die Umgebung gespeichert werden.
-
Es
ist möglich
und eine Option, mehr als einen lokalen Oszillator pro Basisstation
zu verwenden, der mit der ähnlichen
Charakterisierungslogik kombiniert ist, um dem System mehr Redundanz
hinzuzufügen.
-
Das
vorgeschlagene Verfahren und die Vorrichtung weisen im Vergleich
mit den Zeitsteuerungssystemen gemäß dem Stand der Technik viele
Vorteile auf. Für
die Synchronisation werden keine externen Anordnungen benötigt, es
besteht kein Bedarf zum Empfangen anderer Signale als dem GPS-Signal,
das in einem CDMA-System ohnehin empfangen wird. Es besteht auch
kein Bedarf zum Einrichten von zusätzlichen Sendern, Empfängern oder
Antennen oder von Signalisierungsprotokollen über dem terrestrischen Übertragungsnetzwerk.
Das Verfahren ist sehr kosteneffizient, der Preis der für seine Implementierung
erforderlichen Hardware und der Entwurfs- bzw. Entwicklungsarbeit für die Vergleichseinrichtungs-Software wird sicherlich
niedriger sein als der Preis zusätzlicher
Empfänger
oder Sender an jeder Station. Aus Sicht des Betreibers ist dieses
viel einfacher und billiger zu bewerkstelligen als Verfahren, die
terrestrische Übertragungsnetzwerke
einsetzen. An Stelle von z. B. teuren Rubidium-Taktgebern können billige
Oszillatoren verwendet werden.
-
Des
weiteren kann jede Basisstation, d. h. jeder Lokale Oszillator,
als Einzelteil behandelt werden. Daher kann sogar mit dem sekundären Synchronisationssignal
eine hohe Genauigkeit erhalten werden. Die Beschränkung der
Genauigkeit ist nur die zum Lernen und Speichern des Verhaltens
des Lokalen Oszillators verwendete Logik und die Größe des zum
Speichern der Anpassungsdaten des Lokalen Oszillators verwendeten
Speichers. Das Verfahren bietet Redundanz, nicht nur für Fälle, in
dem das GPS-Signal
nicht global verfügbar
ist, sondern auch für
Fälle,
in denen in einer GPS-Empfängerantenne eines
oder mehrerer Standorte oder in der Verkabelung der Antenne eine
Störung
bzw. ein Fehler auftritt, oder in denen eine Störung im GPS-Empfänger selbst
oder im primären
Taktsignal-Generator auftritt. Das vorgeschlagene Verfahren ist
völlig
unabhängig vom
verwendeten terrestrischen Übertragungsverfahren.
Es ist sehr bald nach der Basisstationsinstallation verfügbar. Nachdem
die Basisstation installiert, eingeschaltet und teilweise initialisiert
wurde, können die
primären
Takt- und Synchronisationssignale bereits geliefert werden und die
Vergleichseinrichtung/Steuerung kann mit einem Speichern der Anpassungsdaten
beginnen. Daher arbeitet das Verfahren sogar an einer alleinstehenden
Basisstationen. Das ist aus dem Gesichtspunkt ein wichtiger Aspekt, wenn neue
Basisstationen in Verwendung genommen werden, und sie bereits installiert
und in Betrieb genommen werden, bevor sie an das terrestrische Übertragungsnetzwerk
und den Rest der Infrastruktur angeschlossen werden.
-
Während die
Erfindung insbesondere unter Bezugnahme auf ihre bevorzugten Ausführungsbeispiele
gezeigt und beschrieben wurde, ist es für den Fachmann verständlich,
dass dabei verschiedene Veränderungen
in Form und Details durchgeführt werden
können,
ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen.