JP3474189B2 - 通信システムにおいて基地局の同期を行う装置および方法 - Google Patents

通信システムにおいて基地局の同期を行う装置および方法

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は、一般に、通信システムに関し、さらに詳し
くは、通信システム内の基地局の同期に関する。
発明の背景 ある種の通信システム、特に、符号分割多重接続（CD
MA）デジタル・セルラ無線電話システムでは、基地局を
完全に機能させるためにGPS（Global Positioning Syst
em）時間の±３μＳ内で同期させる必要がある。GPS故
障時に、±10μＳ同期窓（synchronization window）が
許される。この必要な同期を行う本方法は、GPS衛星網
およびGPS受信機を利用する。GPSの故障時には、ルビジ
ウム（Rubidium）発振器が冗長性を提供する現在の解決
方法である。冗長性のためにルビジウム発振器を利用す
るのは、高コストの割には限られた故障保護しか得られ
ない方法である。−般的なルビジウム発振器は、次式を
想定して、既に同期された基地局を少なくとも19時間動
作状態に維持する： 同期時間（分）＝（10μＳ−３μＳ）／発振精度 ＝７μS/1×10-10 ＝19時間 発振器当たり約＄4,000という極めて高いコストにもか
かわらず、極めて短い時間しか得ることができない。CD
MA基地局間で所要の同期を維持するためには、中央クロ
ック源をネットワーク内のすべての基地局に分配しなけ
れぱならない。「自走（Free Running）」発振器を用い
た場合、基地局は公差のため同期からはずれることがあ
る。中央クロック源を利用した場合の最大の難点は、ネ
ットワーク全体でこの信号を一定かつ予測可能な伝搬遅
延で分配することである。
よって、長い期間確実な冗長性を提供でき、しかもコ
スト効率的なシステム設計を維持できる装置および方法
が必要とされる。
図面の簡単な説明 第１図は、本発明を有利に利用できるCDMAデジタル・
セルラ無線電話システムを示す。
第２図は、本発明によるCDMA同期コントローラのブロ
ック図を示す。
第３図は、本発明によるGPS時間レジスタの詳細図を
示す。
好適な実施例の詳細な説明 本発明は、特にWWVB,LORAN−C,MSFなどの低周波数（L
F）バンドの標準およびナビゲーション放送の受信を介
して冗長的なセルラ基地局同期システムを提供する。LF
放送の広域カバレッジのため、セルラ・ネットワーク全
体によって中央クロック源を利用でき、「自走」ルビジ
ウム発振器などの非同期冗長方式に伴う制限を緩和でき
る。ほとんどの場合、ルビジウム発振器によって生成さ
れるものよりも高い精度および安定度のシステム・クロ
ックを、受信LF放送からわずかなコストで合成できる。
本発明は、信号の位相と、時間的な位相および周波数の
変化を測定することにより、WWVB,LORAN−C,MSFなどの
代替クロック源を特徴づけるため、動作GPS受信機を利
用する。この特徴づけから、本発明は、代替クロック源
を利用可能にするために必要な最適フィルタ・パラメー
タおよび位相オフセットを求める。本発明は、単一基地
局に対する同期を提供するだけでなく、通信システムの
基地局間で同期を提供する。
本発明は、セルラ基地局115,116にあり、いくつかの
可能な同期源120〜122から第１クロック信号106〜108お
よび第２クロック信号110〜113を受信できる。主クロッ
ク源は、GPS受信機100,101である。冗長クロック源は２
つの種類、すなわちLF放送とスパンライン・クロック
（spanline clock）とに分けられる。第１図は、本発明
を有利に利用できるCDMAデジタル・セルラ無線電話シス
テムを示す。別の実施例では、セルラ無線電話システム
は、時分割多重接続（TDMA）セルラ無線電話システム
や、同期を必要とするページング・システムでもよい。
第１図に示すように、基地局115,116に信号を送信する
低周波数（LF）送信機121,122とGPS衛星120が示され
る。基地局115,116内では、送信機から信号106〜108,11
0〜113を受信するために共通のハードウェア・プラット
フオームが用いられ、それにより最小限のコストで高い
柔軟性が得られる。これらのクロック源から、本発明は
高安定性システム・クロックを合成し、同期ストローブ
（synchronization strobe）を生成し、GPS時間を維持
する。
各基地局115,116は、GPS受信機100,101に結合され
る。GPS受信機100,101は、GPS信号106,108を受信し、こ
れらの信号はシステムに対する第１クロック・レートを
表し、基地局115,116によって同期用に利用される。信
号106〜108は、第１クロック・レートを有し、これは好
適な実施例では１秒の期間である。また、各基地局115,
116には超低周波数（VLF:very low frequency）受信機
が結合され、この受信機はLF送信機121,122によって送
信された正確なタイミング信号110〜113を受信する。信
号110〜113は、第２クロック・レートを有し、これは好
適な実施例では40ms〜100msの範囲の期間である。ただ
し、これらの信号110〜113自体は、LF送信機121,122か
ら基地局115,116までの伝搬遅延（TX1,TX2,TY1,TY2）が
未知であるため利用可能ではない。そのため、GPS信号1
06〜108は、LF信号110〜113に比べて高い同期精度を提
供する。本発明により、基地局115,116は、選択されたL
F送信機121,122から信号を受信し、同期用に利用される
GPS信号106〜108のクロック・レートを求め、この第１
クロック・レートを利用して信号110〜113の第２クロッ
ク・レートを特徴づけ、そしてGPS信号106〜108がない
場合に、同期用に特徴づけられた信号110〜113を利用す
る。好適な実施例では、信号110〜113の特徴づけによ
り、時間転送されたクロック・レートを有する信号が生
成される。時間転送されたクロック・レートを有する信
号を基地局115,116が利用することにより、GPS信号106
〜108と同じ同期精度が得られる。さらに、この方法
は、ネットワーク内の各基地局115,116が同じLF送信機1
21,122に同期できるので、ネットワーク同期を無限に維
持できる。
第２図は、本発明によるCDMA同期コントローラのブロ
ック図を示す。好適な実施例において、本発明により２
つのクロック信号が基地局同期用に提供される。第１の
信号は、19.6608MHzのクロック・レートを有する高周波
数クロック信号218であり、第２の信号は、２秒間のク
ロック・レートを有する同期基準信号216である。
電圧制御水晶発振器（VCXO,210）は、クロック信号21
8を生成する。クロック信号218は、GPS時間レジスタ214
に入力される。ここで第３図を参照して、第３図は、本
発明によるGPS時間レジスタ214をさらに詳細に示す。ク
ロック信号がGPS時間レジスタ214に入ると、この信号は
同期カウンタ304を用いてデジタル分周され、基準信号2
16となる。好適な実施例ではMC68302であるマイクロプ
ロセッサ（μP,206）は、まず所望のカウンタ値をその
プリロード入力に書き込むことによって、カウンタ304
を同期させる。カウンタ304は、GPS受信機100,101から
所望のストローブの受信時にこの値に初期化される。GP
S受信機101,101のストローブをクロック信号218と同期
させるために、エッジ検出器300が用いられる。
初期カウンタ304の同期が完了すると、GPS受信機100,
101のストローブに対するカウンタのずれを監視するこ
とにより同期は維持される。これは、GPS受信機100,101
のストローブの受信時にカウンタ304の値を同期レジス
タ308に記録することによって行われる。各GPSストロー
ブの後に、μP206はレジスタ308の内容を読み出し、こ
の値を初期同期値と比較する。次に、μP206は、被測定
同期誤りを最小限にするために、VCXO210の出力周波数
の必要な調整を行う。VCXO210の出力周波数は、所望の
デジタル値をデジタル／アナログ・コンバータ（D/A,20
8）に書き込むことによつて、μP206によって制御され
る。D/A208は、VCXO210の制御入力においてDC電圧を生
成し、これはこの制御電圧に比例する出カ周波数を生成
する。μP206は、GPS受信機100,101によって受信された
位相変化を減衰して、VCXO210から安定したクロック周
波数出力を生成するためのデジタル・フィルタを構成す
る。
VCXO210の周波数が一貫して同期を維持している周波
数同期状態では、GPS時間レジスタ214は、選択された冗
長同期源を特徴づける。これは、デユアル・ポートFIFO
メモリ306を利用して、LF受信機121,122から受信された
ストローブにタイム・スタンプを付けることによって行
われる。FIFO306は、さまざまなLF源からのストローブ
・タイミングをサポートする際にプロセツサ待ち時間
（Iatency）問題を防ぐために用いられる。FIFO306は、
LF受信機121,122からの各ストローブの受信時にカウン
タ304の内容を記録する。μP206は、FIFO306のタイム・
スタンプ情報を読み取り、受信LFストローブの位相およ
び期間を求める。エッジ検出器302は、LF受信機121,122
のストローブをクロック信号218と同期させるために用
いられる。
GPSネットワーク故障時に、μP206は、カウンタ304の
内容を、LF受信機121,122によって受信されFIFO306に格
納された内容と比較する。μP206は、D/A208のデジタル
値を更新して適切な位相関係を推持することにより、VC
XO210の周波数を調整する。移動交換局（MSC:Mobile Sw
itching Center,123）は、ネットワーク内のすべての基
地局115,116に同じLF送信機、例えばLF送信機122を同期
源として利用するようにスパンライン・インタフェース
124を介して指示する。これにより、複数の同期源間の
周波数差によるドリフトが解消される。
復元されたスパンライン・クロックを潜在的な冗長同
期源として利用するために、周波数同期ループ（FLL）
が設けられる。この別の実施例では、スパンライン・ク
ロックは、第２クロック・レートを有する第２クロック
信号を表すことができる。FLLは、基準マルチプレクサ2
00,プリスケーラ202,位相検波器204,μP206,D/A208、VC
XO210およびループ分周器212によって構成される。マル
チプレクサ200は、所望の周波数基準源を選択するデジ
タル・マルチプレクサである。プリスケーラ202は、基
準信号216の周波数を、整数倍が所望のクロック信号218
を生成する値に分周するために用いられるデジタル分周
器である。位相検波器204は、基準信号216とクロック信
号218との間の位相差を測定し、被測定位相差に比例す
るデジタル値を生成し、これはμP206によって読み取ら
れる。μP206は、ループ安定性条件を満たし、かつ復元
されたスパンライン・クロック上に存在するジッタを減
衰するためのデジタル・フィルタを構成する。デジタル
・フィルタの出力は、VCXO210の出力周波数を制御するD
/A208に入力される。VCXO210の出力は、ループ分周器21
2に入力され、このループ分周器212は、クロック信号21
8の周波数を、プリスケーラ202の出力と同じ値にデジタ
ル分周して、ループを完成する。
LF無線周波数バンド内の送信は、主に地上波であり、
電離層（ionosphere）レベルの変化によって影響を受け
ない。従って、LF無線周波数（30kHz〜300kHz）は、時
間的にはわずかな位相変化しか示さない。この理由によ
り、LFバンドは、主に標準時間およびナビゲーション放
送用に利用される。中央同期源として利用できる多くの
LF放送（LORAN−C,WWVB）がある。
LORAN−Ｃ（LOng RAnge Navigation）は、１つの潜在
的なLF同期源である。北半球のほとんどを網羅する50機
以上の送信機が世界中にあるという点で、LORAN−Ｃは
おそらく最も有用なものの一つである。LORAN−Ｃキヤ
リア周波数（100kHz）を周波数同期ループの基準として
利用することにより、１×1012の精度を有するシステム
・クロックが実現できる。LORAN−Ｃは、時分割多重化
システムであり、かつ単一LF受信機121,122を利用して
多数の送信機を監視できるという点で、更なる冗長性を
提供する。
以上、本発明により、前述の目的および利点を十分に
満たす、通信システムにおいて基地局の同期を行う装置
および方法が提供されたことが当業者に理解される。
本発明について特定の実施例とともに説明してきた
が、上記の説明から多くの変更，修正および変形が当業
者に明らかなことは明白である。よって、このような一
切の変更，修正および変形は請求の範囲に含まれるもの
とする。
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H04Q 7/00 - 7/38 H04B 7/24 - 7/26

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】通信システムにおいて基地局の冗長同期を
    行う装置であって： 前記同期用に用いられる第１クロック信号を提供するた
    めの第１クロック源； 第２クロック信号を提供するための代替クロック源； 前記第１クロック信号の第１クロック・レートを求める
    手段； 前記第１クロック・レートを利用して、前記第２クロッ
    ク信号の第２クロック・レートを特徴づける手段； 前記第１クロック信号は第２クロック信号に比べて高い
    同期精度を有すること；および 前記第１クロック信号がない場合に、前記特徴づけられ
    た第２クロック・レートを有する前記第２クロック信号
    を同期用に利用する手段； によって構成されることを特徴とする装置。
  2. 【請求項２】前記装置は、通信システムの基地局間で同
    期を行うことを特徴とする請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】冗長同期を行う装置を採用する通信システ
    ムにおける基地局であって： 第１クロック源によって提供される第１クロック・レー
    トを有する第１クロック信号を受信する手段； 代替クロック源によって提供される第２クロック・レー
    トを有する第２クロック信号を受信する手段； 前記第１クロック信号に同期する手段； 前記第１クロック信号は第２クロック信号に比べて高い
    同期精度を有すること； 前記第１クロック・レートを利用して、前記第２クロッ
    ク信号の前記第２クロック・レートを特徴づける手段；
    および 前記第１クロック信号がない場合に、前記特徴づけられ
    た第２クロック・レートを有する前記第２クロック信号
    を同期用に利用する手段； によって構成されることを特徴とする基地局。
  4. 【請求項４】前記第１クロック信号は、GPSクロック信
    号であることを特徴とする請求項３記載の基地局。
  5. 【請求項５】前記第２クロック信号は、LORANクロック
    信号であることを特徴とする請求項３記載の基地局。
  6. 【請求項６】基地局間の同期を必要とするセルラ無線電
    話システムにおいて、前記基地局は既知のクロック・レ
    ートを有するGPS信号によって最初に互いに同期され
    る、セルラ無線電話システムであって： GPS信号を受信する手段と、LF送信機によって送信され
    る低周波数（LF）信号を受信する手段とを採用する第１
    基地局；前記LF信号は前記GPS信号の前記既知のクロッ
    ク・レートよりも低いクロック・レートを有すること； GPS信号を受信する手段と、前記LF送信機によって送信
    される前記LF信号を受信する手段とを採用する第２基地
    局； 各受信GPS信号を利用して各受信LF信号を特徴づけ、時
    間転送されたクロック・レートを有する信号を生成す
    る、各基地局における手段； 前記GPS信号は、特徴づけられていないLF信号に比べて
    高い同期精度を有すること； 前記GPS信号がない場合に、時間転送されたクロック・
    レートを有する前記信号を利用して、前記基地局間の必
    要な同期を行う手段； によって構成されることを特徴とするセルラ無線電話シ
    ステム。
  7. 【請求項７】必要な同期を行う前記手段は、時間転送さ
    れたクロック・レートを有する前記信号を利用して、前
    記GPS信号と同じ同期精度を提供する手段をさらに含ん
    で構成されることを特徴とする請求項６記載のセルラ無
    線電話システム。
  8. 【請求項８】通信システムにおいて基地局の冗長同期を
    行う方法であって： 前記同期用に用いられる第１クロック源からの第１クロ
    ック信号の第１クロック・レートを求める段階； 前記第１クロック・レートを利用して、代替クロック源
    から出力され、かつ前記第１クロック信号に比べて低い
    同期精度を有する第２クロック信号の第２クロック・レ
    ートを特徴づける段階；および 前記第１クロック信号がない場合に、前記特徴づけられ
    た第２クロック・レートを有する前記第２クロック信号
    を同期用に利用する段階； によって構成されることを特徴とする方法。
JP50914294A 1992-10-02 1993-09-22 通信システムにおいて基地局の同期を行う装置および方法 Expired - Lifetime JP3474189B2 (ja)

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