JP2015115933A - ホールドオーバー回路および基地局 - Google Patents

Abstract

【課題】リファレンス信号を喪失したホールドオーバー制御に移行してもある程度長時間にわたってフレームタイミングのずれを許容範囲に保って基地局の同期を維持することが可能なホールドオーバー回路およびホールドオーバー回路を備えた基地局を提供する。【解決手段】本発明にかかるホールドオーバー回路１１４の代表的な構成は、内部発振器１２８と、内部発振器１２８に対してクロック速度を制御する制御電圧を与える制御部１３０と、制御電圧の電圧値の履歴データを記憶するメモリ１３２とを備えるホールドオーバー回路１１４において、制御部１３０は、通常時にはリファレンス信号とフレームクロック信号の位相差情報に基づいて制御電圧を生成しながらメモリ１３２に履歴データを記憶させ、リファレンス信号を喪失したホールドオーバー制御時にはメモリ１３２から履歴データを時系列に沿って順次読み出して制御電圧を生成することを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、ＧＰＳ同期または周辺基地局に同期を行う基地局におけるホールドオーバー回路、および当該ホールドオーバー回路を備えた基地局に関する。

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（リファレンス信号）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。詳しくは、基地局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）。そしてフレームクロックとリファレンス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動作クロックを加減速して、フレームタイミングとリファレンス信号の同期を行う。なお同期は位相の一致（タイミングの一致）ではなく、システム運用開始時の位相のずれ幅を維持するように同期を行う。

基地局には、１ＰＰＳ信号の供給が途絶えた場合に動作クロックを維持するホールドオーバー回路が設けられている。特許文献１のホールドオーバー機能付きクロック供給装置は、ホールドオーバー制御を行っていない通常時に、リファレンス信号（例えば１ＰＰＳ信号によって得られるクロック）との位相差情報をメモリに記憶・更新する。リファレンス信号を喪失してホールドオーバー制御に移行すると、予め記憶されていた位相差情報から内部発振器の制御電圧値を算出し、その制御電圧値に固定して出力クロックを得ている。

このように、従来のホールドオーバー回路では、リファレンス信号を喪失した場合、内部発振器の制御電圧をリファレンス信号喪失時の制御電圧値に固定してホールドオーバー制御を行っていた。

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、これをリファレンス信号として自局のフレームタイミングの同期を行う（エア同期）。また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する。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する。

特開２００２−２３２４０７号公報

しかしながら、特許文献１に記載のホールドオーバー回路では、ホールドオーバー制御に移行した瞬間に内部発振器の制御電圧を所定の電圧値に固定するため、周波数のオフセットが発生してしまう。詳しくは、リファレンス信号が入力されているとき、これに同期するように内部発振器の制御電圧を調整するが、完全に理想的な電圧値に固定できるものではない。制御電圧は理想値を中心として周期的に変動し、内部発振器の周波数も周期的に変動しながら、フレームタイミングの同期を維持している。したがって、リファレンス信号を喪失した瞬間には、理想値に対する周波数のオフセットが発生してしまうのである。

そして周波数にオフセットを有したままホールドオーバー制御を継続すると、フレームタイミングのリファレンス信号に対するずれが次第に大きくなってしまう。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、短い所定時間（例えば数秒）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。

本発明は、このような課題に鑑み、リファレンス信号を喪失してホールドオーバー制御に移行しても、ある程度長時間にわたってリファレンス信号に対する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ホールドオーバー回路、およびホールドオーバー回路を備えた基地局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、本発明にかかるホールドオーバー回路の代表的な構成は、内部発振器と、内部発振器に対してクロック速度を制御する制御電圧を与える制御部と、制御電圧の電圧値の履歴データを記憶するメモリとを備えるホールドオーバー回路において、制御部は、通常時にはリファレンス信号とフレームクロック信号の位相差情報に基づいて制御電圧を生成しながらメモリに履歴データを記憶させ、リファレンス信号を喪失したホールドオーバー制御時にはメモリから履歴データを時系列に沿って順次読み出して制御電圧を生成することを特徴とする。

当該制御部は、ホールドオーバー制御開始時に、メモリに記憶された履歴データから、直近の所定数の履歴データからなるデータ群に類似するデータ群を検索し、類似するデータ群以降から履歴データを読み出して制御電圧を生成するとよい。

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、端末と無線通信を行う基地局において、リファレンス信号と基地局が生成するフレームクロック信号との位相差を検出して位相差情報を生成する位相差検出部と、ホールドオーバー回路とを備え、ホールドオーバー回路が、内部発振器と、内部発振器に対してクロック速度を制御する制御電圧を与える制御部と、制御電圧の電圧値の履歴データを記憶するメモリとを含み、制御部は、通常時には位相差情報に基づいて制御電圧を生成しながらメモリに履歴データを蓄積し、リファレンス信号を喪失したホールドオーバー制御時には履歴データを時系列に沿って順次読み出して制御電圧を生成することを特徴とする。

本発明によれば、リファレンス信号を喪失してホールドオーバー制御に移行しても、ある程度長時間にわたってリファレンス信号に対する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ホールドオーバー回路、およびホールドオーバー回路を備えた基地局を提供することができる。

基地局を含む無線通信システムの概念図である。 基地局の機能を示すブロック図である。 ホールドオーバー回路の制御部が内部発振器に与える制御電圧の一例を示す波形図である。 ホールドオーバー回路のメモリに記憶された履歴データを示す概念図である。 ホールドオーバー制御時の制御電圧の一例を示す波形図である。 ホールドオーバー制御時の制御電圧の図５とは別の例を示す波形図である。

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は基地局１１０ａ、１１０ｂを含む無線通信システム１００の概念図である。図１では２つの基地局１１０ａ、１１０ｂを例示しているが、実際にはさらに多数の基地局から構成されている。基地局１１０ａ、１１０ｂは不図示の無線端末と無線通信を行い、他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。

基地局１１０ａ、１１０ｂは、それぞれＧＰＳ衛星１０２から受信した信号からの１ＰＰＳ信号を基準としてＧＰＳ同期を行っている。１ＰＰＳ信号を喪失した場合、後述するホールドオーバー制御を行った後に、周辺の基地局の制御信号（ＣＣＨ）を受信してエア同期を行う。さらにエア同期中に制御信号を喪失した場合にも、後述するホールドオーバー制御を行う。

図２は、基地局１１０ａの機能を示すブロック図である。基地局１１０ｂの構成は基地局１１０ａと同様であるため説明を省略する。図２において点線で示しているのは、ホールドオーバー制御時に使用されないブロックである。

基地局１１０ａは、位相差検出部１１２と、ホールドオーバー回路１１４と、リファレンス信号生成部１１６と、フレームクロック信号生成部１１８と、復調部１２０と、ＧＰＳ受信部１２２と、無線通信部１２４と、通信制御部１２６と、を備えている。

ホールドオーバー回路１１４は、内部発振器１２８と、内部発振器１２８に対してクロック速度を制御する制御電圧を与える制御部１３０と、制御電圧の電圧値の履歴データを記憶するメモリ１３２と、制御部１３０の制御信号をＤ／Ａ変換して制御電圧とするＤ／Ａ変換部１３４と、を備えている。

制御部１３０は、通常時には位相差情報に基づいて制御電圧を生成しながら、メモリ１３２に制御電圧の履歴データを蓄積する。一方、制御部１３０は、リファレンス信号を喪失したホールドオーバー制御時にはメモリ１３２に記憶された履歴データを時系列に沿って順次読み出して制御電圧を生成する。

以下、図２を参照しながら、ホールドオーバー制御をしていない状態での基地局１１０ａの具体的な動作について説明する。まず、ＧＰＳ衛星１０２から信号を受信できる通常時においては、基地局１１０ａは、ＧＰＳ受信部１２２によってＧＰＳ衛星１０２からの受信信号より１ＰＰＳ信号を生成する。ＧＰＳ受信部１２２の１ＰＰＳ信号はリファレンス信号生成部１１６に入力される。

エア同期を行っている場合、基地局１１０ａは、無線通信部１２４によって、周辺の基地局である基地局１１０ｂからの制御信号（ＣＣＨ）を受信する。無線通信部１２４の受信信号は復調部１２０によって復調され、ＣＣＨタイミング信号としてリファレンス信号生成部１１６に入力される。

リファレンス信号生成部１１６は、ＧＰＳ同期しているときはＧＰＳ受信部１２２の受信信号（１ＰＰＳ信号）によってリファレンス信号を生成し、エア同期しているときは無線通信部１２４の受信信号に基づくＣＣＨタイミング信号によってリファレンス信号を生成する。リファレンス信号生成部１１６が生成したリファレンス信号は、位相差検出部１１２およびフレームクロック信号生成部１１８に入力される。

位相差検出部１１２は、リファレンス信号生成部１１８のリファレンス信号とフレームクロック信号生成部１１８のフレームクロック信号の位相差を検出し、その位相差情報を生成する。位相差情報はホールドオーバー回路１１４の制御部１３０に入力する。

このように制御部１３０は、ＧＰＳ同期ができる通常時においては、位相差情報を得ることができる。また、エア同期しているときも位相差情報を得ることができる。ただし、エア同期は、ホールドオーバー回路１１４のホールドオーバー制御が所定時間経過してから行われる。

すなわち、ＧＰＳ衛星１０２の１ＰＰＳ信号を受信できなくなると、ＧＰＳ同期によるリファレンス信号を喪失し、制御部１３０は位相差情報が得られなくなる。そうすると、まずホールドオーバー回路１１４は位相差情報を喪失した状態でホールドオーバー制御を開始する。ホールドオーバー制御が所定時間経過すると基地局１１０ａはエア同期に移行して、位相差検出部１１２は、再びエア同期によるリファレンス信号を得るため、制御部１３０は位相差情報を得ることとなる。

制御部１３０は、このように位相差情報を得ている間は、その位相差情報に基づいて生成した制御信号をＤ／Ａ変換部１３４に入力する。Ｄ／Ａ変換部１３４は制御部１３０の制御信号をＤ／Ａ変換し、制御電圧として内部発振器１２８に入力する。このように制御部１３０は、Ｄ／Ａ変換部１３４を介して内部発振器１２８に制御電圧を与えている。

メモリ１３２は、制御部１３０が内部発振器１２８に与えている制御電圧（あるいはＤ／Ａ変換する前の制御信号でも良い）の電圧値を履歴データとして時系列に記憶する。メモリ１３２は、リングバッファで常にホールドオーバーの所定時間（例えば１０分間）以上分の履歴データを記憶する。

制御部１３０によって制御電圧を与えられた内部発振器１２８は、クロック（ＣＬＫ）を生成し、フレームクロック信号生成部１１８に入力する。フレームクロック信号生成部１１８は、内部発振器１２８が出力する動作クロック（ベースクロック）と、制御部１３０が出力するフレームタイミング合わせ込み信号に基づいて、リファレンス信号を基準としたフレームクロック信号を出力する。

フレームクロック信号は、通信制御部１２６に入力される。通信制御部１２６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。またフレームクロック信号は、上述したように位相差検出部１１２にフィードバックする。

図３は、ホールドオーバー回路１１４の制御部１３０が内部発振器１２８に与える制御電圧の一例を示す波形図である。縦軸は、電圧の大きさ（Ｖ）を示し、横軸は、時間ｔ（ｓｅｃ）を示している。

内部発振器１２８は、例えばVCOCXO（電圧制御恒温層型水晶発振器）であり、印加される制御電圧によって発振周波数が変化する。制御電圧値が大きくなれば内部発振器１２８の発振周波数が高くなってクロック速度が速くなり、制御電圧値が小さくなれば発振周波数が低くなってクロック速度が遅くなる。

図３において理想値とは、リファレンス信号と完全に同期する動作クロックを出力するための制御電圧の値である。しかし動作クロックが完全に理想的な周波数に固定できるものではなく、図３に示すように、制御電圧値は一定の変動幅で周期的に変動することによって安定的にフレームタイミングの同期を維持している。本発明は、この点に着目したものである。

以下、図２を参照しながら、ホールドオーバー制御時の基地局１１０ａの具体的な動作について説明する。

上述したように、ホールドオーバー制御時には、ホールドオーバー回路１１４の制御部１３０は、リファレンス信号を喪失した状態となっている。したがって、図２において、点線で示される構成要素および点線矢印で示される信号の供給は使用されない状態となっている。

ホールドオーバー回路１１４がホールドオーバー制御を開始すると、制御部１３０はメモリ１３２に記憶された履歴データを時系列に沿って順次読み出して制御電圧（厳密には制御信号）を生成する。この制御電圧に基づいて内部発振器１２８の周波数（クロック速度）が制御され、内部発振器１２８の出力クロックはフレームクロック信号生成部１１８に入力される。

フレームクロック信号生成部１１８は、内部発振器１２８の出力クロックは分周され制御部１３０のフレームタイミング合わせ込み信号により決められた位相でフレームクロック信号を出力する。フレームクロック信号は通信制御部１２６に入力され、送受信制御が行われる。

本実施形態では、ホールドオーバー制御する時間を１０分間（上位基地局である基地局１１０ｂの起動時間）としている。これは、周辺基地局１１０ｂが何らかの要因で再起動した場合でもその間同期を保つことができる。またホールドオーバー制御の終了前であっても、ＧＰＳ衛星１０２から１ＰＰＳ信号を受信した場合にはＧＰＳ同期に移行する。

図４は、ホールドオーバー回路１１４のメモリ１３２に記憶された履歴データを示す概念図である。ホールドオーバー制御時の履歴データの読み出し方には２通りある。まず、１つ目の読み出し方として直近の１０分間の履歴データを読み出す場合について説明する。

図４は、下向き矢印に沿う時系列順に履歴データを示したものであり、履歴データの下端は最新の履歴データを示し、上に行くほど過去の履歴データを示している。ホールドオーバー制御が開始すると、ホールドオーバー回路１１４の制御部１３０は、直近の１０分間を再生区間として、１０分前の履歴データから時系列順に読み出す。

図５は、ホールドオーバー制御時の制御電圧の一例を示す波形図である。図３と同様に縦軸が電圧の大きさを示し、横軸が時間を示している。実線で描く波形が同期中の制御電圧値の変化を示し、点線で描く波形がホールドオーバー中の制御電圧値の変化を示している。図５に示すように制御電圧は、ホールドオーバー制御を開始すると、点線で示すように直近１０分間の波形を再生する。その後、再生１０分間を経過すると、ホールドオーバー制御が終了する。

図５において「不連続」と記載しているように、ホールドオーバー制御開始時の制御電圧と１０分前の制御電圧とでは値が異なる可能性があるため、電圧値の不連続が生じる。すると当然に、ホールドオーバー制御に移行するときフレームクロック信号生成部１１８からの出力信号にドリフトが生じてしまう。しかし、実際の運用上において、このドリフトは許容範囲内に収まっている。

例えば、ホールドオーバー制御時間の１０分間におけるフレームクロック信号のフレームタイミングのずれの許容範囲を１μｓとする。基地局１１０ａは基地局１１０ｂより一定周期（１００ｍｓ）毎に制御信号（ＣＣＨ）を受信してエア同期を行い、フレームタイミング（ＣＣＨタイミング信号）を得るものとする。また、内部発振器１２８の周波数の可変範囲を±０．５ｐｐｍ（parts per million）とし、８ビットのＤ／Ａ変換部１３４を使用したとする。

そうすると、１ＬＳＢ（Least Significant Bit）あたり１ｐｐｍ／２５６すなわち０．００３９ｐｐｍの変動となる。ホールドオーバー開始時にドリフトによって１００ＬＳＢ程度の変動があったとすると、１００ｍｓ後は０．００３９ｐｐｍ×１００ＬＳＢ×０．１ｓとなり、０．０３９μｓのずれとなる。

通常、フレームクロック信号とリファレンス信号のフレームタイミングのずれは０．５μｓ以内に制御されているため、０．０３９μｓのずれを生じてもその後の制御を含め許容範囲内に収まっていることになる。

またホールドオーバー時間は、エア同期する相手である周辺の基地局１１０ｂの再起動時間程度（１０分間）と比較的短い時間としているため、内部発振器１２８の経年変化は無視できる。ただし、初期の無視できない短時間での経年変化は予め除去しておく。

このように、ホールドオーバー回路１１４、およびホールドオーバー回路１１４を備えた基地局１１０ａの上記構成によれば、リファレンス信号を喪失したホールドオーバー制御に移行しても、長時間にわたってリファレンス信号に対する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。

また、上記構成では、デジタル処理のため基本的に従来の構成に対する追加回路を必要としない。データ量もそれほど多くないため、メモリ１３２は予め備わっているものを利用するだけで済む。

次に制御部１３０がメモリ１３２の記憶された履歴データを読み出す２つ目の読み出し方について説明する。この読み出し方では、制御部１３０がメモリ１３２の履歴データの中から、直近の所定数の履歴データからなるデータ群に類似するデータ群を検索し、その類似するデータ群以降から履歴データを読み出す。

図６は、ホールドオーバー制御時の制御電圧の図５とは別の例を示す波形図である。図６は、図３と同様に縦軸が電圧の大きさを示し、横軸が時間を示している。実線で描く波形が同期中の制御電圧値の変化を示し、点線で描く波形がホールドオーバー中の制御電圧値を示している。以下、図４および図６を参照しながら説明する。

図４および図６に示すように、まず制御部１３０は、メモリ１３２に記憶された履歴データから直近Ｎ個（例えば４個）の履歴データからなるデータ群２００を抽出する。このデータ群２００と過去の履歴データを比較しながら遡って、直近の履歴データからなるデータ群２００と類似するデータ群２０２を検索して抽出する。その後、制御部１３０はその直近の履歴データからなるデータ群２００と類似するデータ群２０２以降の１０分間の履歴データを再生区間として時系列順に読み出して制御電圧（制御信号）を生成する。

この生成された制御電圧によって、内部発振器１２８の周波数を制御し、ホールドオーバー制御を開始する。図６に示すように制御電圧は、ホールドオーバー制御を開始すると、制御部１３０は直近の履歴データからなるデータ群２００と類似するデータ群２０２以降の１０分間の履歴データ１０分間の波形を再生するため、点線で示す波形に切り替わる。その後、再生１０分間を経過すると、ホールドオーバー制御が終了する。

これにより図６に示すように、制御電圧には不連続は生じづらく、このためフレームクロックのドリフトも軽減され、無線端末との通信を円滑に継続することができる。

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同期またはエア同期を行う基地局におけるホールドオーバー回路、および当該ホールドオーバー回路を備えた基地局として利用可能である。

１００…無線通信システム、１０２…ＧＰＳ衛星、１１０ｂ…基地局、１１０ａ…基地局、１１２…位相差検出部、１１４…ホールドオーバー回路、１１６…リファレンス信号生成部、１１８…フレームクロック信号生成部、１２０…復調部、１２６…通信制御部、１２８…内部発振器、１３０…制御部、１３２…メモリ、１３４…Ｄ／Ａ変換部、２００…データ群、２０２…データ群、１２２…ＧＰＳ受信部、１２４…無線通信部

Claims (3)

1. 内部発振器と、該内部発振器に対してクロック速度を制御する制御電圧を与える制御部と、前記制御電圧の電圧値の履歴データを記憶するメモリとを備えるホールドオーバー回路において、
   前記制御部は、
   通常時にはリファレンス信号とフレームクロック信号の位相差情報に基づいて前記制御電圧を生成しながら前記メモリに前記履歴データを記憶させ、
   前記リファレンス信号を喪失したホールドオーバー制御時には前記メモリから前記履歴データを時系列に沿って順次読み出して前記制御電圧を生成することを特徴とするホールドオーバー回路。
2. 前記制御部は、ホールドオーバー制御開始時に、前記メモリに記憶された前記履歴データから、直近の所定数の履歴データからなるデータ群に類似するデータ群を検索し、該類似するデータ群以降から前記履歴データを読み出して前記制御電圧を生成することを特徴とする請求項１に記載のホールドオーバー回路。
3. 端末と無線通信を行う基地局において、
   リファレンス信号と該基地局が生成するフレームクロック信号との位相差を検出して位相差情報を生成する位相差検出部と、ホールドオーバー回路とを備え、
   前記ホールドオーバー回路が、内部発振器と、該内部発振器に対してクロック速度を制御する制御電圧を与える制御部と、前記制御電圧の電圧値の履歴データを記憶するメモリとを含み、
   前記制御部は、
   通常時には前記位相差情報に基づいて前記制御電圧を生成しながら前記メモリに前記履歴データを蓄積し、
   前記リファレンス信号を喪失したホールドオーバー制御時には前記履歴データを時系列に沿って順次読み出して前記制御電圧を生成することを特徴とする基地局。

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