JP3868999B2 - 時分割マルチアクセスディジタル伝送システム及び該システム用ステーション - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも一つの一次局と、複数の二次局を具え、一次局が情報を二次局へ、同期情報を含むとともにタイムスロット内にユーザ情報を含むフレームで送信し、二次局が基準クロック信号発生器を具えている時分割マルチアクセスディジタル伝送システムに関するものである。このような伝送システムは移動無線システム、コードレス電話システム等、又は一次局と二次局を互いに同期させる必要がある上述した種類の任意のシステムとすることができる。
本発明はこのようなシステムに使用する二次局にも関するものである。
この種の時分割マルチアクセスディジタル伝送システムは、ハンドブック"GSM System for Mobile Communication", M. Mouly等著, the authers発行, 1992年, pp.227-241及びハンドブック"Mobile Radio Communications", R. Steel著, Pentech Press発行, 1992年, pp.696-698から既知である。このハンドブックには、ＴＤＭＡ（Time Divsion Multiple Access）移動無線システム、いわゆるＧＳＭシステム（Global System for Mobile Communications）、及びこのようなＧＳＭシステムにおける無線基地局ＢＳに対する移動無線局ＭＳの同期について記載されている。一般に同期については、ＧＳＭ勧告ＧＳＭ05.10によれば，例えば移動無線局搬送波周波数は０．１ｐｐｍ（parts per million）内の精度、又は無線基地局から受信される信号に比較して０．１ｐｐｍ内の精度にすることを規定しているが、ＧＳＭ勧告は使用すべきＢＳ−ＭＳ同期アルゴリズムを規定しておらず、これらは装置メーカにまかされている。従来のＧＭＳシステムでは、ＴＤＭＡフレームのタイムスロット内の受信データストリームに対する移動無線局の同期は２つの別個の制御ループにより生起しうる。一方の制御ループが移動無線局に予定された受信タイムスロット位置と予想タイムスロット位置との間のタイムスロット遅延を決定する。予想タイムスロット位置が受信タイムスロット位置と一致しない場合には、予想タイムスロット位置が両者の間の差に対し補正される。他方の制御ループは受信搬送波周波数と予想受信搬送波周波数との間の周波数オフセットを移動無線局内の基準クロック信号の周波数に対し評価する。決定された周波数オフセットを用いて基準クロック信号発生器の周波数を補正する。受信バースト信号から取り出した中間周波数又はベースバンド信号に対するタイムスロットサンプリングクロック及び音声デコーダへの受信データサンプルをクロックするデータクロックは基準クロック信号から導出される。独立に動作する両制御ループが同一の原因、即ちドップラー効果（無線基地局と移動無線局との間の伝送チャネルにおいて変化するシンボル遅延を生ず）及び基準クロック信号発生器の不安定性に作用するため、データクロックがタイムスロットサンプリングクロックに対しシフトすることが起こりうる。これはデータサンプルスリップを生じ、信号バースト又はタイムスロットから集収された又は信号バースト又はタイムスロットに供給すべき音声サンプルに対する入力−出力バッファの読み込み／読み出しと音声デコーダ／コーダの動作との間の不一致を生ずる。このような不一致のために音声データの損失が生じうる。音声データ以外の他のデータ、例えばコンピュータデータ又はＦＡＸデータを無線基地局と移動無線局との間で交換する場合にも、データクロックスリップが許容しえない状態で起こりうる。データクロックを基準クロック信号から取り出さないで、別個に制御する他の解決方法を取ることができる。しかし、このような解決方法は一層複雑なハードウェアを必要とする。
本発明の目的は、既知のシステムの同期に関する欠点を有しない上述した種類の時分割マルチアクセスディジタル伝送システムを提供することにある。
この目的のために、本発明は上述した時分割マルチアクセスディジタル伝送システムにおいて、二次局が、当該二次局に対する受信タイムスロット位置と予想タイムスロット位置との間のタイムスロット遅延を決定するタイムスロット位置遅延決定手段と、決定されたタイムスロット遅延を第１周波数オフセットに変換し、該第１周波数オフセットを基準クロック信号発生器の周波数を調整する調整信号に含ませる変換手段とを具えていることを特徴とする。
本発明は、決定されたタイムスロット遅延から導出された第１周波数オフセットは、一次局と二次局との間の周波数オフセット量をこのようなオフセットの原因と無関係に表すという洞察に基づくものである。このような原因は二次局内の基準クロック信号発生器の周波数不安定性、一次局及び二次局間の伝送チャネルにおける変化するシンボル遅延、一次局から遠ざかる方向に移動する二次局によるドップラーシフト等であるものとすることができる。
本発明時分割マルチアクセスディジタル伝送システムの実施例では、調整信号は決定された周波数オフセットと決定されたタイムスロット遅延の関数であるこを特徴とする。この関数の適切な選択、例えば比例関数の選択により、決定されたタイムスロット遅延を最終的に零に制御することができる。
本発明時分割マルチアクセスディジタル伝送システムの実施例では、二次局で形成されるタイムスロットサンプリングクロック及びデータクロックを基準クロック信号から取り出すことを特徴とする。これにより、データスリップが有効に抑えられる。
本発明時分割マルチアクセスディジタル伝送システムの実施例では、決定されたタイムスロット遅延を調整信号に含める前に平滑フィルタによりフィルタ処理することを特徴とする。これにより、ＧＭＳ勧告05.10の要件を満足させることができる。
本発明時分割マルチアクセスディジタル伝送システムの実施例では、決定されたタイムスロット遅延に予想の不連続が存在する場合に、調整信号が第１周波数オフセット信号の代わりに第２周波数オフセット信号を含み、該第２周波数オフセット信号が受信搬送波信号周波数と予想受信搬送波周波数に比例する信号であることを特徴とする。これにより、初期同期状態又はセル切換り時のタイムスロット変化を処理することができる。
以下、本発明を図面を参照して実施例につき説明する。ここで、
図１は本発明時分割マルチアクセスディジタル伝送システムを線図的に示し、
図２は本発明による二次局を示し、
図３は本発明による二次局の受信フレーム構造をタイムスロットサンプリングクロック及びデータクロックとともに示し、
図４Ａは一定のタイムスロット遅延に対する本発明による調整信号の決定特性を示し、
図４Ｂはタイムスロット遅延の一定の導関数に対する本発明による調整信号の決定特性を示し、
図４Ｃは本発明による調整信号の３次元決定特性を示し、
図５は二次局内の音声通路のブロック図を示し、
図６は音声通路内の音声コーダ及びデコーダのブロック図を示す。
全図を通して同一の要素には同一の符号を付してある。
図１は時分割マルチアクセスディジタル伝送システム１、例えばＥＴＳＩ（European Telecommunications Standards Institute）により規定されているＧＳＭ（Global System for Mobile Telecommuications）システムのようなセル方式移動無線システムを線図的に示し、このシステムはそれぞれのセルce1,ce2及びce3内の無線信号をカバーするためにセルce1,ce2及びce3内に一次局として無線基地局ＢＳ１，ＢＳ２及びＢＳ３を具える。隣接セルとの妨害を生じないようにするために、少なくとも隣接セル内の無線基地局は異なる周波数で送受信し、通常、各無線基地局ＢＳ１，ＢＳ２及びＢＳ３は複数の周波数、例えば１２の周波数チャネルで送受信する。ＴＤＭＡのような時分割多重を１周波数チャネルにつき８タイムスロットを有するＧＳＭに適用することにより、１無線基地局につき９６倫理チャネルが無線通信に使用可能になる。無線基地局ＢＳ１，ＢＳ２及びＢＳ３はそれぞれのセル内に存在する二次局としての移動無線局ＭＳ１，ＭＳ２及びＭＳ３と通信し、所定の例では無線基地局ＢＳ１は移動局ＭＳ１及びＭＳ２と通信し、無線基地局ＢＳ２は移動局ＭＳ３と通信する。移動無線局がセルce1, ce2及びce3を経て移動する場合、通信リンクの品質が悪化するとき一つの無線基地局から他の無線基地局への切り換え（いわゆるハンドオーバ）が起こり、そのシステム制御機能はランドライン１１、１２及び１３により無線基地局ＢＳ１，ＢＳ２及びＢＳ３にそれぞれ接続されたモービルスイッチングセンタＭＳＣにより実行される。ＭＳＣは公衆移動体無線の場合には公衆交換電話ネットワークＰＳＴＮに接続される。専用移動体無線の場合には、このような接続は省略することができる。更に、ＧＳＭシステムにおいては、データを無線パスにおける伝送エラーから保護するために、チャネルコーディング及びチャネルデコーディングを送信及び受信前に論理チャネルに適用する。従って、伝送すべきデータに多大の（擬）リアルタイム処理が必要とされる。この目的のために、及び他の処理タスクのために、無線基地局は多数のプロセッサ及び多数のチャネルコーデック、チャネルエンコーダ及びデコーダ（ここでは詳細に示されていない）を具えている。セル方式システム、例えばＧＳＭシステムのもっと詳細な説明はMouly及びSteelのハンドブックを参照されたい。
図２はＴＤＭＡディジタル伝送システム１に使用する本発明による二次局ＭＳ１を示し、受信ブランチＲｘ及び送信ブランチＴｘを有している。二次局ＭＳ１は基準クロック発生器として電圧制御発振器２０を具え、その出力端子２１がチャネルシンセサイザ２２に結合されている。チャネル選択のためにチャネル番号制御信号chnをチャネルシンセサイザ２２に供給することができる。このようなチャネル番号制御信号chnは二次局ＭＳ１を既知のように動作させるようプログラムされたプロセッサ（図示せず）により供給され、二次局ＭＳ１の既知の動作機能に関しては詳細を省略する。シンセサイザ２２の出力端子２３は受信ブランチＲｘの第１ミクサ２４及び送信ブランチＴｘの第２ミクサ２５に結合される。基準クロック信号発生器２０は第１分周器２６を経てデータクロックdclを供給する。この分周器は外部同期の場合にデータオフセット信号dofを加算する第１位相オフセット加算器２７に結合される。このような内部同期は二次局ＭＳ１における受信タイムスロット位置の不連続変化の場合、例えば一次局ＢＳ１に対する二次局ＭＳ１の初期同期の場合又はハンドオーバの場合に実行される。このような外部同期の場合にはデータクロック同期は保証されないが、このような瞬時にはデータクロック同期は不要である。基準クロック信号発生器２０は更に第２分周器２８を経てタイムスロットサンプリングクロックtclを供給するとともに、第３分周器２９を経てタイムスロット制御信号tctを供給する。この第３分周器は本発明に従って決定される平均タイムスロット遅延TOImを加算する第２オフセット加算器３０に結合される。タイムスロット制御信号tctは送信ブランチＴｘ内の変調器３２に結合された第３オフセット加算器３１にも供給され、この加算器には送信オフセット信号tofが供給される。スイッチ３３、３４及び３５が本発明による二次局ＭＳ１の同期から既知の外部同期への切り換えのために設けられている。図示の位置のスイッチ３３、３４及び３５は本発明による同期状態にある。タイムスロット制御信号tctは、受信ブランチＲｘ内のフィルタ３７をアナログ−ディジタル変換器３８に結合するスイッチ３６を制御し、フィルタ３７は中間周波数信号ＩＦを出力する。中間周波数信号ＩＦの代わりに、ベースバンド信号をフィルタ３７により供給することができ、これは二次局ＭＳ１のタイプ、即ちＩＦフロントエンドを有するものか（ベースバンド変換は図してない後段で行われる）又は直接変換フロントエンド（図示せず）を有するものかに依存する。中間周波数信号はアナログ−ディジタル変換器３８により予想タイムスロット位置でサンプリングされる。予想タイムスロット位置は初期同期時に受信された情報から取り出される（前記Moulyのハンドブックの第214-216頁参照）。アナログ-ディジタル変換器３８の出力端子３９は等化器／復調器装置４０（例えばプログラム信号プロセッサ（図示せず）として実現される）に結合される。この等化器／復調器装置４０は受信タイムスロット位置と予想タイムスロット位置との間の遅延であるタイムスロット遅延TOIを決定し、この情報が本発明による同期に使用されるとともに、周波数オフセット信号FOIを決定し、この情報が外部同期の場合に使用される。後者の場合には、信号FOIが第１の積分器４１に供給され、その出力４２がスイッチ３５に供給される。復調データddaを出力する等化器／復調器４０は、既知の送信ビットパターンの系列と受信系列との相互相関により受信タイムスロット位置を受信トレイニング系列から決定することができ、この既知のビットパターン系列は一次局ＢＳ１により送信データと一緒に伝送される。ビット系列のタイムスロット内の位置が既知であるために予想タイムスロット位置も既知であるから、タイムスロット遅延TOIは既知の位置からの偏差として決定される。本発明では、決定されたタイムスロット遅延TOIを低域フィルタ４４でフィルタ処理した後に微分装置４３に供給する。決定されたタイムスロット遅延TOIは第２の積分器４５にも供給する。この積分器は決定されたタイムスロット遅延TOIを平滑化して平均タイムスロット遅延TOImを形成する。決定された微分タイムスロット遅延TOId及び平均タイムスロット遅延TOImを合成装置４６に供給する。この合成装置は調整信号adjを発生し、基準クロック信号発生器２０を変化するタイムスロット遅延に対し調整して許容しえないデータクロックスリップを生じないようにする。調整信号adjは決定された量TOId及びTOImの関数、例えば比例関数にするのが好ましい。TOIm＝０の場合には、df＝dTOI／dt＝−adjになる（d/dtは微分演算子である）、TOIm＜＞０の場合には、adj＝−df＋ｋ・TOImになる（＜＞は不等号を表し、ｋは比例定数である）。演算ブロック４７により、制御値ctlの現在値が決まり（この現在値は制御値ctlの前値と調整信号adjの前値との和である）、この値がディジタル−アナログ変換器４８に供給され、この変換器が基準クロック信号発生器２０を制御する。本発明では、連続制御の状態、即ち平均遅延TOImに不連続が生じない場合における基準クロック発生器２０の制御に対して、オフセットFOIによる制御を不要にする。その理由は、一次局ＢＳ１内のマスタ発振器（図示せず）と二次局内の基準クロック信号発生器との間の周波数オフセットが遅延TOIに反映されているためである。時間とともに変化する遅延TOIは一次局ＢＳ１と二次局ＭＳ１との間の周波数オフセットに対応し、平均遅延TOIm＜＞0は受信タイムスロット位置に非同期があることを示す。短時間の平均化に対しては積分器４５は時定数＜＜dtを有する必要がある。
図３は本発明のよる二次局ＭＳ１における受信フレーム構造ＦＲを、タイムスロットサンプリングクロックtcl及びデータクロックdclの相対位置とともに示す。図には２６フレーム（それぞれF0〜F25の番号が付けられている）の上りＧＳＭマルチフレームが示され、このマルチフレームＦＲは１２０ｍ秒の持続時間を有する。このようなマルチフレーム構造はMoulyの前記ハンドブックの第215-216頁に記載されている。ＧＳＭでは、マルチフレーム構造の各ＴＤＭＡフレームは８タイムスロットを有する。また、ＧＳＭでは、情報は有限持続時間のバーストで伝送され、バーストはタイムスロットで伝送される。フレーム番号F12はいわゆるＳＡＣＣＨ（Slow Associated Control Channel）であり、連続するタイムスロットの数に関する制御情報を与える。フレーム番号F25はアイドルフレームである。２０ｍ秒の符号化音声情報を伝送するのに少なくとも４つのバーストが必要とされる。ＧＳＭにおいて無線インターフェースに適用されているフレームインターリーブのために、２０ｍ秒の符号化音声情報が８つのバーストに分布される。チャネルコーダ及び音声コーダ（図示せず）に対する計算時間ＣＭＰが水平にハッチングされたブロックで示されている。このような音声コーダは２０ｍ秒の持続時間を有する音声セグメントに作用する。２つの水平ハッチングブロック間においてバッファが音声コーダによる次の処理のために１６０のサンプルで満たされる。図３には、瞬時Ｔ１における計算後及び瞬時Ｔ１の直後の送信瞬時ＴＸＲ前にまだ時間的余裕ＭＡＲがあるように示されているが、２つのクロックシステム、即ちタイムスロットサンプリングクロック及びデータクロックは両クロックシステム間に小さな非同期又はスリップしか許容しえないように示すこともできる。図２につき説明したように、二次局ＭＳ１においては、データ損失を生ずる許容しえないスリップは通常起こらず、全てのクロックは同一の基準クロック信号発生器２０から取り出される。
図４Ａは、一定のタイムスロット遅延に対する本発明による調整信号adjの決定特性を示す。３つの軸adj, df及びTOImが一定の平均タイムスロット遅延TOImに対し示され、ここでadj＝f(TOIm, df)である。図にはTOIm＝０及びTOIm＝C1に対する特性が示されている（C1は所定の定数）。図示の３次元平面において、正の調整信号adjは実線で、負の調整値adjは破線で示されている。初期状態として、一次局ＢＳ１による送信バーストが二次局ＭＳ１内のスイッチ３６において、タイムスロット遅延TOI及びその導関数が正になるように予想されるものと仮定する。このような初期状態では、信号FOI及びdfの正値に対し基準クロック信号発生器２０の周波数を減少する必要があり、即ちadj＜０になり、タイムスロット遅延TOIの正値に対し基準クロック信号発生器２０の周波数を増大する必要があり、即ちadj＞０になる。
図４Ｂはタイムスロット遅延TOIの一定の導関数TOIdに対する本発明による調整信号の決定特性を示す。df＝０に対する特性、即ちadj-TOIm平面の特性が示されている。
図４Ｃは本発明による調整信号adjの３次元の決定特性を示し、ここでadj＝f(TOIm＋df)であり、この特性はシステム制約を例えばＧＳＭ勧告に従って考慮している。
図５は本発明による二次局ＭＳ１内の音声通路のブロック図を示す。二次局ＭＳ１から一次局ＢＳ１への方向の音声通路はマイクロフォン５０、アナログ−ディジタル変換器５１、音声コーダ５２及び変調器３２に結合されたチャネルコーダ５３を具える。一次局ＢＳ１から二次局ＭＳ１への方向の音声通路は等化器／復調器４０に結合されたチャネルデコーダ５４、音声デコーダ５５、ディジタル−アナログ変換器５６及び受信機５７を具える。図５には、二次局ＭＳ１においてデータクロックdclとタイムスロットサンプリングクロックtclが動作する部分が示されている。
図６は音声通路内の音声コーダ及び音声デコーダのブロック図を示す。音声コーダ５２はアナログ−ディジタル変換器５１により発生された１６０サンプル（２０ｍ秒の音声に対応する）を格納しうるバッファ６０と、２０ｍ秒につき１６０サンプルをバッファリングする中間バッファ６１と、ディジタル信号プロセッサ６２に含まれる音声符号化アルゴリズムを具える。このようなアルゴリズムはＧＳＭシステムに適用されているような既知のアルゴリズムとすることができる。バッファ６０が満杯になる度に、その内容が中間バッファ６１に転記される。音声デコーダ５５はディジタル信号プロセッサ６３内に音声合成アルゴリズムを具え、更にプロセッサ６３の１６０サンプル／コール用の中間バッファ６４及びブロック６５を具える。バッファ６５が空になる度に、中間バッファ６４の内容がバッファ６５に転記される。図６には、音声コーダ及びデコーダにおいてデコーダクロックdclとタイムスロットサンプリングクロックtclが動作する部分が示されている。

Claims (8)

1. 少なくとも一つの無線基地局と、複数の無線移動局を具え、無線基地局が情報を無線移動局へ、既知のビットパターンの系列を有する同期情報を含むとともにタイムスロット内にユーザ情報を含むフレームで送信し、無線移動局が基準クロック信号発生器を具えている時分割マルチアクセスディジタル伝送システムにおいて、無線移動局が、受信した前記同期情報から当該無線移動局に対する受信タイムスロット位置と予想タイムスロット位置との間のタイムスロット遅延を決定するタイムスロット位置遅延決定手段と、決定されたタイムスロット遅延を微分して微分タイムスロット遅延である第１周波数オフセットに変換する手段と、該第１周波数オフセットを前記基準クロック信号発生器の周波数を調整する調整信号に含ませる合成手段とを具えていることを特徴とする時分割マルチアクセスディジタル伝送システム。
2. 前記調整信号は決定された第１周波数オフセットと、決定されたタイムスロット遅延との関数であることを特徴とする請求項１に記載の時分割マルチアクセスディジタル伝送システム。
3. 前記関数は比例関数であることを特徴とする請求項２に記載の時分割マルチアクセスディジタル伝送システム。
4. 無線移動局内で形成されるタイムスロットクロック及びディジタルクロックは基準クロック信号から導出することを特徴とする請求項１、２又は３に記載の時分割マルチアクセスディジタル伝送システム。
5. 決定されたタイムスロット遅延を調整信号に含める前に平滑フィルタによりフィルタ処理することを特徴とする請求項１、２、３又は４に記載の時分割マルチアクセスディジタル伝送システム。
6. 前記調整信号は、決定されたタイムスロット遅延に予想された不連続変化が生ずる場合に、第１周波数オフセット信号の代わりに第２周波数オフセット信号を含み、該第２周波数オフセット信号は受信搬送波信号周波数及び予想受信搬送波周波数に比例する信号であることを特徴とする請求項１に記載の時分割マルチアクセスディジタル伝送システム。
7. 本システムは移動無線システムであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の時分割マルチアクセスディジタル伝送システム。
8. 無線基地局が情報を無線移動局へ、既知のビットパターンの系列を有する同期情報を含むとともにタイムスロット内にユーザ情報を含むフレームで送信し、無線移動局が基準クロック信号発生器を具えている時分割マルチアクセスディジタル伝送システムに使用する無線移動局において、当該無線移動局は、受信した前記同期情報から当該無線移動局に対する受信タイムスロット位置と予想タイムスロット位置との間のタイムスロット遅延を決定するタイムスロット位置遅延決定手段と、決定されたタイムスロット遅延を微分して微分タイムスロット遅延である第１周波数オフセットに変換する手段と、該第１周波数オフセットを前記基準クロック信号発生器の周波数を調整する調整信号に含ませる合成手段とを具えていることを特徴とする時分割マルチアクセスディジタル伝送システム用無線移動局。

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