JP2015115931A - 無線通信システム、基地局および無線端末 - Google Patents
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Abstract
【課題】送受信タイミングの切替えが不要で、通常の運用状態を維持したまま、フレームタイミングのずれを許容範囲に保つことが可能な無線通信システム、基地局および無線端末を提供する。【解決手段】本発明にかかる無線通信システム110の代表的な構成は、GPS同期を行う基地局100と、GPS受信部を搭載した無線端末102とを含み、基地局100は、通常は、GPS衛星104から受信する時刻情報に対してフレームタイミングの同期を行うGPS同期を行い、GPS衛星104が不可視となった場合には、無線端末102に補正情報要求通知を送信し、補正情報要求通知を受信した無線端末102は、GPS衛星104から受信した時刻情報と基地局100から受信したフレームタイミングとのオフセット量から補正情報を生成して基地局100に送信し、基地局100は補正情報に基づいてフレームタイミングの同期を行うことを特徴とする。【選択図】図1
Description
本発明は、GPS衛星から時刻情報を受信してフレームタイミングの同期を行う無線通信システム、基地局および無線端末に関する。
PHS(Personal Handy phone System)では、基地局は、GPS衛星やISDN回線、光回線から供給されるクロックを受信することにより継続的に同期を行っている。GPSユニットが搭載された基地局では、GPS衛星から受信したクロックである1PPS(Pulse Per Second)信号を基準としてフレームタイミングの同期(GPS同期)を行っている。フレームタイミングの同期は、電圧制御発振器(以下、内部発振器と称する)に対する制御電圧を調整することによって行う。
GPS衛星不可視等により1PPS信号(時刻情報)を受信できず、GPS同期ができない場合、従来の基地局では、ホールドオーバー回路により動作クロックを維持し、フレームタイミングを維持する制御を行っている(ホールドオーバー制御)。
例えば、特許文献1のクロック同期装置では、GPS同期ができなくなった場合、高精度発振器(内部発振器)からの内部信号源クロック(動作クロック)を維持してホールドオーバー制御を行うことが説明されている。
また、従来の基地局では、ホールドオーバー制御を所定時間行った後には、周辺の基地局から制御信号を受信して周辺基地局のフレームタイミングを取得し、このフレームタイミングに基づいて自局のフレームタイミングの同期を行っていた(エア同期)。エア同期開始後にさらに周辺基地局の制御信号を喪失した場合にも、ホールドオーバー制御に移行していた。ホールドオーバー制御を所定時間行った後に周辺基地局の制御信号または1PPS信号のいずれも取得できない場合には、基地局のシステムを停止している。
基地局は、通常時において、周辺基地局が送信動作しているときに送信動作を行い、周辺基地局が受信動作しているときに受信動作を行っている。しかし、基地局がエア同期を行う際には、周辺基地局の制御信号を受信できるように、周辺基地局が送信動作しているときに受信動作(端末動作)を行う必要がある。例えば1フレームの中に複数の送信スロットと受信スロットが存在している状態において、エア同期を行う基地局が、少なくとも1つの送信スロットを受信スロットに切替えるという送受信タイミングの切替えをしなければならない。
しかしながら、上記のように基地局がホールドオーバー制御を行っても、内部発振器の周波数にずれがあるため、フレームタイミングのずれは次第に大きくなってしまう。
特許文献1のように高精度発振器を内部発振器として使用しても、この周波数のずれを完全に除去することはできない。なぜならば、この「周波数のずれ」とは、フレームタイミングのずれが大きくならないように制御電圧を制御しているときの内部発振器の理想的な周波数に対し、制御電圧を一定に保持しているときの内部発振器の周波数がずれていることを意味するものだからである。
このため長時間にわたってホールドオーバー制御を行うことはできず、所定時間(例えば5分)後には上記のようにエア同期に移行したり、基地局を停止したりする必要がある。
一方、基地局がエア同期に移行すると、上記のように送受信タイミングの切替えが必要となり、その分、基地局と無線端末の間の無線通信の通信容量が制限され、通常の運用状態を維持できなくなってしまう。
本発明は、このような課題に鑑み、送受信タイミングの切替えが不要で、通常の運用状態を維持したまま、フレームタイミングのずれを許容範囲に保つことが可能な無線通信システム、基地局および無線端末を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明にかかる無線通信システムの代表的な構成は、GPS同期を行う基地局と、GPS受信部を搭載した無線端末とを含む無線通信システムにおいて、基地局は、通常は、GPS衛星から受信する時刻情報に対してフレームタイミングの同期を行うGPS同期を行い、GPS衛星が不可視となった場合には、基地局は、無線端末に補正情報要求通知を送信し、補正情報要求通知を受信した無線端末は、GPS受信部によってGPS衛星から受信した時刻情報と基地局から受信したフレームタイミングとのオフセット量から補正情報を生成して基地局に送信し、基地局は補正情報に基づいてフレームタイミングの同期を行うことを特徴とする。
上記課題を解決するために、本発明にかかる基地局の代表的な構成は、GPS同期を行う基地局において、通常はGPS衛星から受信する時刻情報に対してフレームタイミングの同期を行うGPS同期を行い、GPS衛星が不可視となった場合には無線端末に補正情報要求通知を送信し、補正情報要求通知を受信した無線端末がGPS衛星から受信した時刻情報と基地局から受信したフレームタイミングとのオフセット量から生成した補正情報を無線端末から受信し、補正情報に基づいてフレームタイミングの同期を行うことを特徴とする。
上記課題を解決するために、本発明にかかる無線端末の代表的な構成は、GPS受信部を搭載した無線端末において、基地局から受信した補正情報要求通知に応じて、GPS受信部によってGPS衛星から受信した時刻情報と基地局から受信したフレームタイミングとのオフセット量から補正情報を生成し、基地局に送信することを特徴とする。
本発明によれば、送受信タイミングの切替えが不要で、通常の運用状態を維持したまま、フレームタイミングのずれを許容範囲に保つことが可能な無線通信システム、基地局および無線端末を提供することができる。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
図1は無線通信システム110の構成を例示する機能ブロック図である。無線通信システム110は、基地局100と、無線端末102とを含んでいる。図1では、無線通信システム110が基地局100および無線端末102を1つずつ含む場合を例示しているが、実際にはさらに多数の基地局および無線端末から構成されている。
基地局100は、無線端末102と無線通信を行い、他の不図示の無線端末やサーバーに対する通信サービスを提供する。無線端末102は、ユーザーが保有するものであってもよいし、通信事業者が保有するものであってもよい。無線端末102はGPS受信部を搭載していて、GPS衛星104から時刻情報を受信可能となっている。
基地局100は、自局の通信エリア内の無線端末を位置登録する際に、無線端末のGPS受信部の有無情報も登録する。すなわち、無線端末102は、エリア内の多数の無線端末のうちGPS受信部を有する無線端末の一つを示している。
基地局100は、GPS受信部120と、無線通信部122と、ベースバンド部124と、制御部126と、内部発振器128と、フレームクロック信号生成部130と、通信制御部132と、を備えている。以下、基地局100の構成要素についてそれぞれ説明する。
GPS受信部120は、無線通信アンテナを介してGPS衛星104より1PPS信号(時刻情報)を再生可能となっている。無線通信部122は、無線通信アンテナを介して無線端末102と無線通信可能となっている。
ベースバンド部124は、無線通信部122が受信したベースバンド信号をアナログ/デジタル変換し、チャネルデコード等の処理を行って受信信号として制御部126へ伝達したり、制御部126の生成信号をデジタル/アナログ変換、アップコンバート、増幅等して、搬送帯域の送信信号として無線通信部122へ伝達したりする。
制御部126は、PLL(Phase Lock Loop)等を含み、内部発振器128の制御電圧を与えている。制御部126は、GPS受信部120の受信信号(GPS衛星104から再生した1PPS信号すなわち時刻情報)、またはベースバンド部124を介して入力された無線通信部122の受信信号(無線端末102の補正情報)に基づいて、内部発振器128の制御電圧を制御する。ホールドオーバー制御時には、制御部126は、内部発振器128の制御電圧を一定に保持するように構成されている。また、制御部126は、後述する補正情報要求通知を生成する機能も有している。
内部発振器128は、制御部126の制御電圧によって周波数(クロック速度)が可変な発振回路であり、基地局100のシステムの動作クロックを生成する。フレームクロック信号生成部130は、内部発振器128が生成した動作クロックとGPS受信部120の受信信号に基づいてフレームクロック信号を生成し、このフレームクロック信号を通信制御部132に入力すると共に制御部126にフィードバックする。通信制御部132はフレームクロック信号にもとづいて無線通信の送受信の制御を行う。
なお、基地局100のシステムの動作クロックは高周波であり、フレームクロックは低周波であって、フレームクロックに対する動作クロックのカウント数は一定である(変動させない)。
以下、無線通信システム110の具体的な動作について説明する。基地局100は、通常はGPS衛星104から受信する時刻情報に対してフレームタイミングの同期を行うGPS同期を行っている。
GPS同期時の基地局100の動作について説明すると、まず、GPS衛星104からの時刻情報をGPS受信部120が受信して制御部126に出力する。制御部126は、フレームクロックとGPS衛星104から受信した時刻情報(1PPS信号のクロック)にずれがある場合には、制御電圧を調整して内部発振器128の動作クロックを加減速して、フレームタイミングの同期を行う。なお同期はフレームタイミングの一致ではなく、システム運用開始時のフレームタイミングのずれ(理想のオフセット量)を維持するように同期を行う。
ここで、GPS衛星104が不可視となった場合には時刻情報を喪失するため、基地局100はGPS同期ができなくなってしまう。そのため、基地局100がホールドオーバー制御を開始し、制御部126は内部発振器128の制御電圧を一定に保持する。
図2は、ホールドオーバー制御時のフレームタイミングのずれを示す概念図である。この図は、左から右に向かう時間軸で示している。
1段目に示されているのは、GPS衛星104から基地局100が受信した時刻情報すなわち1PPS信号である。1PPS信号では、1秒間隔でパルス200が並んでいる。
2段目に示されているのは、GPS同期時のフレームクロック信号のフレーム202である。フレーム202は、1PPS信号に対して、理想のオフセット量に近い一定のオフセット量を有していて、このオフセット量が維持される。このような状態を継続できることが最も好ましい。また、1フレームは例えば5msecに設定される。
一方、3段目に示されているのは、ホールドオーバー制御時のフレームクロック信号のフレーム204である。フレーム204は、ホールドオーバー制御開始時には、1PPS信号に対して理想のオフセット量に近いオフセット量を有している。しかし、時間が経過するとオフセット量が拡大し、さらなるフレームタイミングのずれαが発生してしまう。
これは、従来技術で説明したようにホールドオーバー制御時には、内部発振器128の周波数にずれがあるために発生するものである。フレームタイミングのずれαは時間の経過と共に次第に大きくなってしまう。
そのため、基地局100は、所定のタイミングで無線端末102に補正情報要求通知を送信する。具体的には、制御部126が補正情報要求通知を生成し、制御信号とともにベースバンド部124および無線通信部122を介して無線端末102に送信する。
補正情報要求通知を送信する「所定のタイミング」とは、ホールドオーバー制御の保持可能時間が終了する直前の時間帯に設定してもよいし、ホールドオーバー制御開始と同時に設定してもよい。いずれにしても、ホールドオーバー制御の保持時間中に無線端末102からの補正情報を得られるようにして、ホールドオーバー制御が終了してから補正情報に基づく内部発振器128の制御をするまでに時間差が生じさせないことが好ましい。
補正情報要求通知を受信した無線端末102は、補正情報を生成する。補正情報とは、自身が搭載しているGPS受信部によってGPS衛星104から受信した時刻情報と基地局100から受信した制御信号のフレームタイミングとのオフセット量である。
図3は、無線端末102のオフセット量計測について説明する概念図である。無線端末102は、図示するように、GPS衛星104から受信した時刻情報のパルス210と、基地局100から受信した制御信号のフレーム212とのオフセット量を計測し、補正情報を生成する。
この無線端末102は生成した補正情報を基地局100に送信する。無線端末102は、このようにオフセット量を計測して補正情報を生成して基地局100に送信するように従来の無線端末に対して機能および通信プロトコルを新たに追加する必要がある。従来の無線端末もGPS受信部は搭載しているものが多いため、主にソフトウェア面の追加で充足する。
基地局100は、無線通信部122によって無線端末102が送信した補正情報を受信する。受信した補正情報は、ベースバンド部124を介して制御部126に入力される。基地局100の制御部126は、この補正情報に基づいてフレームタイミングの同期を行う。なお、この時推定された端末までの遅延時間(距離)が無視できない場合は受信した情報に遅延時間を加味する。
図4は、補正情報に基づいてフレームタイミングの同期を行う基地局100の制御部126の動作について説明する概念図である。この図4では、図3に示したオフセット量(すなわち無線端末102が計測したオフセット量)が理想のオフセット量に対してどの程度のずれを有しているか場合分けしている。
したがって、図4の1PPS信号のパルス210は、図3で示したものと同じものである。また、図4のフレーム214,216,218,220は、図3のフレーム212と同じフレームであるが、上記のように理想のオフセット量に対するずれが応じて場合分けしているため、それぞれ別の符号を付して区別している。すなわち、図4において、フレーム214,216,218,220は、1PPS信号のパルス210に対して、それぞれ時間的な間隔を有しているが、この間隔が図3に示したオフセット量に相当する。
両矢印230は、理想のオフセット量を示している。両矢印240は、オフセット量のずれの調整目標範囲を示している。両矢印250は、無線通信システム110が許容できるオフセット量のずれの許容範囲を示している。
基地局100の制御部126は、まず、無線端末102から受信した補正情報により、自局の制御信号のフレームが理想のオフセット量に対してどの程度ずれているかを認識する。そのオフセット量のずれが調整目標範囲に収まっていれば、制御電圧を維持して内部発振器128の周波数を維持する。一方、オフセット量のずれが無線通信システム110の調整目標範囲を外れ許容範囲に収まっている場合は、制御電圧を変化させて内部発振器128の周波数を変化させる。
例えば、フレーム214の場合、オフセット量のずれが調整目標範囲を外れているため、制御部126は制御電圧を大きくして内部発振器128の周波数を大きくする。これにより、フレームクロックのクロック速度が加速するため、オフセット量のずれが小さくなる。
フレーム216およびフレーム220の場合、オフセット量のずれが調整目標範囲に収まっているため、制御部126は制御電圧を維持して内部発振器128の周波数を維持する。
フレーム218の場合、オフセット量のずれが調整目標範囲を外れているため、制御部126は制御電圧を小さくして内部発振器128の周波数を小さくする。これにより、フレームクロックのクロック速度が減速するため、オフセット量のずれが小さくなる。
なお、オフセット量のずれが、すでに無線通信システム110の許容範囲から逸脱している場合には、無線通信システム110が停止してしまう。上述したように、ホールドオーバー制御開始後から時間が経過したり、あるいはホールドオーバー制御が終了してから時間が経過したりすることは避けなければならない。そのため、オフセット量のずれが拡大する前に、基地局100が補正情報を取得して速やかに内部発振器128の制御をできるように設定しておく必要がある。
図5は、複数の無線端末302a,302b,302cから補正情報を取得する無線通信システム310を示す概念図である。無線通信システム310は、基地局300と、GPS衛星104と、複数の無線端末302a,302b,302cとを備えている。複数の無線端末302a,302b,302cは、いずれも基地局300の通信エリア320の中に位置登録されている。
基地局300は、図1に示した基地局100と同一の構成を有するため、重複した説明を省略する。ただし、基地局300の不図示の制御部は、基地局100の制御部126において、以下に述べる機能を追加している点で異なっている。複数の無線端末302a,302b,302cは、いずれも無線端末102と同一の構成および機能を有している。
矢印350は、基地局300が無線端末302aから無線端末302bへ、無線端末302bから無線端末302cへと補正情報を取得する無線端末を巡回させていくことを示している。
図6は、複数の無線端末302a,302b,302cから補正情報を取得する無線通信システム310の動作を示すシーケンス図である。この図6は、基地局300と複数の無線端末302a,302b,302cの各動作について、上から下に向かう時系列順に示している。以下、図5および図6を参照しながら、無線通信システム310の動作について説明する。
まず、通常の基地局300は、GPS衛星104から時刻情報を受信してGPS同期を行っている(ステップS100)。また、複数の無線端末302a,302b,302cは、基地局300に位置登録される際、GPS受信部を搭載しているかどうかの情報も基地局300に送信する(ステップS102)。
このような通常の動作をしている状況下、基地局300から見てGPS衛星104が不可視となったとする(ステップS104)。そうすると、基地局300は、ホールドオーバー制御を開始する(ステップS106)。なお、GPS同期およびホールドオーバー制御は、無線通信システム110の説明で上記したため、重複する説明を省略する。
ホールドオーバー制御を開始後、所定のタイミングで基地局300は、まず無線端末302aに補正情報要求通知を送信する(ステップS108)。「所定のタイミング」とは、上述したように、ホールドオーバー制御開始と同時でもよいし、ホールドオーバー制御終了時でもよいが、オフセット量のずれが過度に拡大しない程度のタイミングにする。
補正情報要求通知を受信した無線端末302aは、GPS受信部によってGPS衛星104から受信した時刻情報と基地局300から受信した制御信号のフレームタイミングとのオフセット量の計測を実施し、補正情報を生成する(ステップS110)。
その後、無線端末302aは、生成した補正情報を基地局300に送信する(ステップS112)。基地局300は、受信した補正情報に基づいて、制御電圧を変化させて内部発振器(不図示)の周波数を変化させる制御を行う(ステップS114)。
なお、無線端末302a,302b,302cのオフセット量の計測は、図3および図4で説明したものと同様である。また、補正情報に基づく内部発振器の制御は、図4で説明したものと同様である。
次に、基地局300は、無線端末302bに補正情報要求通知を送信する(ステップS116)。補正情報要求通知を受信した無線端末302bは、GPS受信部によってGPS衛星104から受信した時刻情報と基地局300から受信した制御信号のフレームタイミングとのオフセット量の計測を実施し、補正情報を生成する(ステップS118)。無線端末302bは、生成した補正情報を基地局300に送信する(ステップS120)。基地局300は、受信した補正情報に基づいて、制御電圧を変化させて内部発振器(不図示)の周波数を変化させる制御を行う(ステップS122)。
次に、基地局300は、無線端末302cに補正情報要求通知を送信する(ステップS124)。補正情報要求通知を受信した無線端末302cは、GPS受信部によってGPS衛星104から受信した時刻情報と基地局300から受信した制御信号のフレームタイミングとのオフセット量の計測を実施し、補正情報を生成する(ステップS126)。無線端末302cは、生成した補正情報を基地局300に送信する(ステップS128)。基地局300は、受信した補正情報に基づいて、制御電圧を変化させて内部発振器(不図示)の周波数を変化させる制御を行う(ステップS130)。
以後、無線通信システム310は、ステップS108〜ステップ130の動作を繰り返す。そして、GPS衛星を捕捉できた場合(ステップS132)、再び基地局300は、GPS同期を再開する(ステップS134)。
このような無線通信システム310によれば、一つの無線端末に負荷が集中させないようにすることができ、複数の無線端末302a,302b,302cの各々のバッテリーセービングを図ることができる。なお、基地局300の通信エリア320が広く、基地局300が遠くの無線端末から補正情報を取得する場合には、伝搬遅延を考慮してRSSI等をもとに遅延量を推定したり、複数の無線端末からの補正情報の平均を取ったりして伝搬遅延による誤差を緩和することが可能である。
以上のように、上記実施形態の無線通信システム110,310は、送受信タイミングの切替えが不要で、通常の運用状態が維持したまま、フレームタイミングのずれを許容範囲に保つことができる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
本発明は、GPS衛星から時刻情報を受信してフレームタイミングの同期を行う無線通信システム、基地局および無線端末として利用可能である。
104…GPS衛星、120…GPS受信部、122…無線通信部、124…ベースバンド部、126…制御部、128…内部発振器、130…フレームクロック信号生成部、132…通信制御部、320…通信エリア、350…矢印、100,300…基地局、110,310…無線通信システム、200,210…パルス、102,302a,302b,302c…無線端末、202,204,212,214,216,218,220…フレーム、230,240,250…両矢印
Claims (3)
- GPS同期を行う基地局と、GPS受信部を搭載した無線端末とを含む無線通信システムにおいて、
前記基地局は、通常は、GPS衛星から受信する時刻情報に対してフレームタイミングの同期を行うGPS同期を行い、
GPS衛星が不可視となった場合には、前記基地局は、前記無線端末に補正情報要求通知を送信し、
前記補正情報要求通知を受信した前記無線端末は、前記GPS受信部によってGPS衛星から受信した時刻情報と前記基地局から受信したフレームタイミングとのオフセット量から補正情報を生成して前記基地局に送信し、
前記基地局は前記補正情報に基づいてフレームタイミングの同期を行うことを特徴とする無線通信システム。 - GPS同期を行う基地局において、
通常はGPS衛星から受信する時刻情報に対してフレームタイミングの同期を行うGPS同期を行い、
GPS衛星が不可視となった場合には前記無線端末に補正情報要求通知を送信し、
前記補正情報要求通知を受信した前記無線端末がGPS衛星から受信した時刻情報と前記基地局から受信したフレームタイミングとのオフセット量から生成した補正情報を該無線端末から受信し、
前記補正情報に基づいてフレームタイミングの同期を行うことを特徴とする基地局。 - GPS受信部を搭載した無線端末において、
基地局から受信した補正情報要求通知に応じて、前記GPS受信部によってGPS衛星から受信した時刻情報と前記基地局から受信したフレームタイミングとのオフセット量から補正情報を生成し、前記基地局に送信することを特徴とする無線端末。
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