JP5174253B2 - 無線通信方式における基地局同期化方式 - Google Patents

Description

この発明は一般にはディジタル通信方式に関する。より詳細にはこの発明はセルラー通信回路網における複数の基地局の同期化システムおよび方法に関する。

提唱されている第三世代無線通信プロトコルでは各基地局を極めて正確な外部信号源に対し外部的に同期化するという簡単ではあるがコストのかかる手順に基づくアプローチ法が必要となる。

基地局同期化を支援する技術は、或る基地局が隣接する手段、例えば同期化チャンネル（ＳＣＨ）または共通の物理的制御チャンネル（ＣＣＰＣＨ）、からの同期化のための電磁波を受動的に受け、そして同期化のためにユーザー装置（ＵＥ）で行なわれる手順と同様な手順に従うことを必要とする。他のアプローチ法は、各基地局が、同じ電磁波を受信する一以上の隣接手段と協力して特殊な同期化バーストを時折送信するものである。さらに他のアプローチ法は複数のユーザ装置が二つのセルの夫々から入る電磁波の到達時間の差（ＴＤＯＡ）を測定するものである。これら技術は、基地局ごとに備えられた極めて正確な信号源を利用するものである。従って、各基地局がそのような信号源を持たなくてはならないから、これら技術は高価となり不便である。

それゆえ、別途物理的資源を使うことなく動作中の基地局間の高速、高効率であって比較的に低コストの同期化を可能にするシステムおよび方法が望まれる。

この発明は無線通信システムにおける複数の基地局の同期化のためのシステムおよび方法である。このシステムは各基地局のタイミング精度の推算値を算定する。一つの基地局のタイミング精度が閾値を越えると、このシステムはより高いタイミング精度を有する隣接基地局があるがどうかを判定する。閾値を越えたタイミング精度の基地局は、自局とそれより高いタイミング精度の隣接基地局との間の差の推算値に応じて調整される。

このシステムおよび方法の他の目的および利点は好適な実施例の詳細な説明から当業者には明かとなるものである。

通信システムのブロック図。 本発明の好適な実施例による無線回路網コントローラのブロック図。 本発明の好適な実施例による基地局およびユーザ装置のブロック図。 本発明の好適な実施例による階層的時間品質設計を示す図。 本発明の好適な実施例によるシステムのフローチャート。 本発明の好適な実施例によるシステムのフローチャート。

この発明の好適な実施例を図面を参照して説明する。これら図面において同様の参照数字は同様の要素を示している。

図１は単純化した無線スペクトラム拡散符号分割多元接続(ＣＤＭＡ)または時分割二重（ＴＤＤ）通信システム１８を示している。通信システム１８は複数のノードＢ（ＮｏｄｅＢ） ２６，３２ および ３４、複数の無線回路網コントローラ（ＲＮＣ）３６，３８、… ４０、複数のユーザ装置（ＵＥ）２０，２２，２４およびコア回路網４６から成る。通信システム１８のノードＢ２６は、一つの基地局３０または複数の基地局３０₁、…３０_nに関連した一つのサイトコントローラ（ＳＣ）を有している。夫々の基地局はセルと呼ばれる関連地域を有する。ここでは基地局の同期化について説明するが、セルの同期化もこの発明により達成される。

ノードＢ２６，３２，３４のグループは無線回路網コントローラ３６に接続される。無線回路網コントローラ３６、…、４０はコア回路網４６に接続する。説明を簡潔にするために以下では一個のノードＢのみについて述べるが、この発明は複数のノードＢに容易に適用出来る。

好適な実施例によれば、無線回路網コントローラＲＮＣ３６はノードＢ２６、３２、３４内およびそれらノード間での基地局同期化を維持する。図２に示すように、無線回路網コントローラＲＮＣ３６は、基地局３０₁、…３０_nの内の一局またはユーザ装置ＵＥ２０、２２、２４の一つからそのメッセージ発生器５３を通じて測定要求メッセージを出し、その測定値受信装置５４を通じて測定結果を受け、同期化コントローラ５５を用いてそれら測定結果に基づきその状態推算値を最適に更新し、そして共分散マトリクス５７に記憶された状態群を管理する。これら記憶された状態は同期化に用いられる。この状態が基準に対する各基地局３０の時間差、夫々の時間差の変化率および基地局３０間の伝送遅延を表す。

無線回路網コントローラ３６はまた、測定された波形（すなわち同期化バースト）の到達時刻、ユーザ装置２０で測定された二つの基地局からの電磁波の到着時間差および状態の不確定性および測定の不確実性の推算値を含むデータベース５９に記憶された測定値群を管理する。無線回路網コントローラ３６はカルマンフィルターのような改良型のフィルターを用いて、相対的なクロックドリフトを限定するパラメータを推算しそして基地局間の正確な距離のようなパラメータを精測する。推定された時間ドリフトは夫々の基地局の周波数基準間の周波数不整合の推測及び不正確な測定値が時としてそのプロセスを破壊させないようにするための合理性チェックの推測に用いられる。

無線回路網コントローラ３６は基地局３０₁、…３０_nの夫々に時間品質を割り当てる。この時間品質は、一個の基地局を他のすべての基地局に対するタイムベースの基準として選ぶことにより無線回路網コントローラ３６によって測定される。他のすべての基地局には、測定に基づき更新されそして修正される可変時間品質が割り当てられる。この時間品質は整数（例えば０から１０）で表すことが出来る。時間品質の値が低ければ低いほど高い精度を示す。或いは、時間品質は連続する変数（浮動小数点）で表してもよい。好ましくは、基準とされた基地局(主基地局)には永久的に時間品質０を割り当てる。他のすべての基地局の時間品質としては可変であって基準基地局に対して調整される値が割り当てられる。図４はこの時間品質の階層構造を例示している。図４において、すべての従属基地局１、２、３は、主基地局に対し変化する時間品質を割り当てられる。一実施例において、従属基地局２の時間品質には従属基地局１に対し変化する値が割り当てられ、従属基地局３には従属基地局２に対し変化する値が割り当てられる。

正常動作モードにおいて無線回路網コントローラ３６は予定の単位時間について一回(例えば５秒ごとに一回またはオペレータにより決められた時間ごとに一回)、無線回路網コントローラのデータベース５９に記憶された状態について共分散マトリクス５７を更新する。共分散マトリクス５７の一つの要素は各基地局の時間差の推定される分散である。

或る基地局の時間差分散が予定の閾値を越えた時、無線回路網コントローラ３６はその基地局の時間差の更新を指示するメッセージを出す。この更新は三つの方法の内の一つを用いて行なわれる。すなわち三つの方法の第一は隣接基地局３０₁、３０₂、…、３０_nの内の一つからの同期化バーストのその基地局への到達時間（ＢＳＴＯＡ）を測定するようにその基地局に指示する方法であり、第二はより高い品質を有する隣接基地局３０₁、３０₂、…、３０_nの内の一局にその基地局の電磁波伝送のＢＳＴＯＡの測定を指示する方法であり、第三はその基地局及び隣接する基地局３０₁、３０₂、…、３０_nの内の一つの同期バーストのＢＳＴＯＡをユーザ装置２０に測定させる方法である。

基地局対基地局のＢＳＴＯＡを用いる第一及び第二の方法では、一つの基地局から他の基地局への電磁波の到達時間を測定する。図３において、送信側としての基地局３０₁が予め決められた時点で既知の電磁波パターンを送信する。基地局３０₁の同期バースト発生器６２からの同期バーストでもよいこの電磁波パターンはアイソレータ６４を通してアンテナ７０から送信される。受信側としての基地局３０₁は、受信した電磁波パターンが期待する特徴と一致したとき大きな値を出すように動作する測定装置６０を用いて送信された電磁波の波形を検出する。送信側と受信側が同一位置にありそして正確に同期したクロックを有しているとすれば、測定装置６０の出力は送信された波形と同時に生じることになる。しかしながらクロックの不整合と伝送路の遅延により時間差が生じる。

伝送路遅延は次の式１で定義される。

（式１） R/c + x
ここでＲは送信側と受信側間の伝送距離、ｃは光速度、ｘは測定装置での遅延である。基地局間の距離が大きければこの式１はR/cできまる。無線電磁波は光速で、すなわちほぼ１フィート/ナノ秒、すなわち３×１０⁸m/sで伝播する。基地局間の同期化の目的はそれら基地局を１−３マイクロ秒以内で整合させることである。それゆえ、基地局間の距離が1/2マイル（１ｋｍ）以上であると、その距離が重要になる。しかしながら、間隔が数十メートルのピコセルまたはマイクロセルについては、重要である測定精度ｘと比較してその距離の重要性は低い。

以上の観点から、かなり離れた（1 km を越える）基地局間での同期化を達成しようとする場合、その距離が重要になる。間隔が50メートル程度内の基地局間の同期化を達成しようとする場合にはそれら基地局の正確な位置は無意味になる。ＢＳＴＯＡの測定を行なった後、その測定値からデータベース５９に記憶されている既知の伝播距離を減算しそして得られた差が基地局間の時間不整合となる。

第三の方法は、一つのユーザ装置から見ての二つの異なる基地局から送信される二つの電磁波間の相対的な到達時間の差（ＴＤＯＡ）を測定するものである。二つの基地局からの電磁波間の観測されたＴＤＯＡをそのユーザ装置が測定しそしてリポートする。無線回路網コントローラ３６は二つの基地局のＴＤＯＡの測定を促すメッセージをユーザ装置２０、２２、２４の一つに送る。このメッセージに応答してそのユーザ装置２０、２２、２４はそれぞれのアンテナ７２とアイソレータ６４を介してそれら二つの基地局の電磁波を受信し、そしてそのユーザ装置の測定受信装置６８を用いてＴＤＯＡを測定しその結果を関連する基地局に送信する。

そのユーザ装置の位置が分かっていて（すなわち、それら二つの基地局の夫々に対するそのユーザ装置の距離ｒ１とｒ２が既知）しかも両基地局のタイミングが正しいとすれば、到達時間差（ＴＤＯＡ）は次の式２で定義される。

（式２） (r1 - r2)/c
この値と測定値の差時間ベースの不整合を示すインジケータとなることになる。当業者には明かなことであるが、ピコサイズのセルについてそうであるように距離ｒ１とｒ２が充分に小さいとすればそれらの値を知る必要はないことになる。観測された到達時間の差は電磁波の時間差の目安として直接に使うことが出来る。

いずれか一つの方法を選んでしまうと、適正なメッセージが基地局３０₁、…、３０_nの一つ或いはユーザ装置２２、２４および２０の一つ、例えばユーザ装置２２、に送られる。そのメッセージが基地局３０₂に送られたとすると、基地局３０₂にはモニターし測定すべき隣接装置が知らされる。そのメッセージがユーザ装置２２に宛てられる場合には、それ自体の基地局に加えて測定すべき基地局がそのユーザ装置２２に知らされる。

図２に戻ると、無線回路網コントローラ３６のデータベース５９には基地局３０₁、…、３０_nの夫々の距離が記憶されている。次ぎに無線回路網コントローラ３６は、更新されるべき基地局３０₂より良い時間品質を有する隣接した基地局３０₁があるがどうかのチェックを行なう。そのような隣接基地局３０₁が有れば、同期のずれた「同期ずれ」基地局３０₂からの測定を行うことを促すメッセージを隣接基地局３０₁に送る。或いは、無線回路網コントローラ３６は「同期ずれ」基地局３０₂にメッセージを送り、隣接基地局３０₁の測定を行うように要求することも出来る。その要求を受けた基地局、この実施例では「同期ずれ」基地局３０₂であるが、同期している「同期」基地局３０₁の測定を行い、そして測定値を無線回路網コントローラの測定装置５４に送る。測定装置５４はその測定値を同期化コントローラ５５に転送する。同期化コントローラ５５は測定値から伝播時間Ｒ／ｃを減算することでその測定値の伝送時間を計算する。

同期化コントローラ５５で伝送時間が計算されると、その値がデータベース５９に記憶された値と比較される。次ぎに同期化コントローラ５５はカルマン利得を計算し、計算された到達時間と予定の到達時間の差と共通の利得とを用いて共分散マトリクス５７における状態を更新する。その差が或る閾値を越える場合には、無線回路網コントローラのメッセージ発生器５３は、無線回路網コントローラ３６の制御のもとで「同期ずれ」基地局３０₂を他の基地局３０₃、…、３０_nと「同期」させるためにそのタイムベースまたはその基準周波数の調整を要求する他のメッセージを「同期ずれ」基地局３０₂に送る。

基地局３０₂は要求された調整を行ない、それを無線回路網コントローラの測定装置５４にリポートする。基地局３０₂の時間基準の修正、その時間変化率、その共分散マトリクス５７の更新（最も重要なその推定ＲＭＳ時間誤差とドリフト誤差を含む）およびその時間品質の更新、を含めた更新が無線回路網コントローラ３６のデータベースになされる。図４に戻ると、他の基地局との比較に基づき修正された時間ベースを有する基地局には、それが従属する基地局の品質に等しいか或いはそれより良い品質が割り当てられることがないようにしなければならない。そうすることにより安定度が保証される。例えば、従属基地局２が修正されるべきものとする、その従属基地局２にはその従属基地局１の時間品質の値より小さい値の時間品質のみを割り当てることが出来る。それにより、或る基地局が主基地局に対しふらふらしていずれは「同期ずれ」基地局群になってしまう可能性のあるレベルまたはそれより低いレベルの従属基地局に同期しないようにその時間品質が保証することになる。

前述のように、「同期ずれ」基地局３０₂を調整するために測定を行なう他の方法ではユーザ装置２０、２２、２４の一個、例えばユーザ装置２２、を使用する。この方法が無線回路網コントローラ３６により選ばれると、「同期ずれ」基地局３０₂と「同期」基地局３０₁の同期バーストを測定させるメッセージがユーザ装置２２に送られる。ユーザ装置２２によりその測定が行なわれると、測定結果が無線回路網コントローラ３６に送られ処理される。上述の方法と同様にその測定結果が無線回路網コントローラデータベース５６および共分散マトリクス５７に記憶されている既知の値および「同期ずれ」基地局３０₂に送られた調整値と比較される。

この好適な実施例によるシステムのフローチャートを図５ａおよび図5bに示す。無線回路網コントローラ３６は単位時間ごとに一回、共分散マトリクス５７およびデータベース５９を更新する（ステップ５０１）。基地局３０₂、…、３０_nの一つの時間誤差分散が予定の閾値を超えたことを無線回路網コントローラ３６が検出すると(ステップ５０２)、「同期ずれ」基地局の時間誤差分散を更新するために、無線回路網コントローラ３６はＢＳＴＯＡの測定のために基地局を使うかＴＤＯＡを測定するためユーザ装置を使用するかを決定する(ステップ５０３)。無線回路網コントローラ３６がＢＳＴＯＡの測定を決定した場合には、基地局の到達時間を測定するためのメッセージを「同期ずれ」基地局に隣接する基地局に送るか或いはその隣接基地局の到達時間を測定するためのメッセージを「同期ずれ」基地局に送る(ステップ５０４)。適正な基地局が必要な測定を行ない(ステップ５０５)、そして測定結果を無線回路網コントローラ３６に送る(ステップ５０６)。無線回路網コントローラ３６がＴＤＯＡの測定を選んだ場合には、一方が「同期ずれ」基地局である二つの基地局の到達時間差を測定するためのメッセージをユーザ装置に送る(ステップ５０７a)。そのユーザ装置は各基地局のＴＤＯＡを測定し(ステップ５０８b)、その差を無線回路網コントローラ３６に送る(ステップ５０７c)。無線回路網コントローラ３６が適正な測定結果を受けると(ステップ５０８)、無線回路網コントローラ３６はその結果をデータベース５９に記憶された値と比較する(ステップ５０９)。その差が或る閾値を越えると、無線回路網コントローラ３６はその差に従ってその時間ベースまたはその基準周波数を調整するためのメッセージを「同期ずれ」基地局に送る(ステップ５１０)。「同期ずれ」基地局は要求された調整を行ない(ステップ５１１)、その結果を無線回路網コントローラ３６にリポートする(ステップ５１２)。それによりデータベース５９と共分散マトリクス５７が新しい値を組みこんで更新される(ステップ５１３)。

好適な実施例は各無線回路網コントローラ３６におけるシステムと方法である。従来技術では制御無線回路網コントローラ（Ｃ−ＲＮＣ）がその基地局と直接に通信を行ない、そしてサービス無線回路網コントローラ（Ｓ−ＲＮＣ）がそのユーザ装置と直接に通信を行なう。隣接基地局が異なる無線回路網コントローラの制御を受ける場合には隣接する複数の基地局を制御する複数の制御無線回路網コントローラおよび複数のサービス無線回路網と複数のユーザ装置との間の通信を加える必要がありうる。

別の実施例では、互いに通信出来る基地局対の夫々がそれ自体の周波数を相手のそれに近づけるように調整できなくてはならない。相対的な調整量は、各基地局に割り振られそして無線回路網コントローラのデータベース５９に記憶された一組の固有の重みで定義される。基地局の夫々を調整するプロセスは、「同期」及び「同期ずれ」基地局双方がそれぞれの基地局に割り振られた重みにより調整されることを除き、上記好適な実施例で述べた通りである。異なる重み付けにより完全に集中したものから完全に分布したものまで度合いの変化する集中性を達成できる。

最適な実施例では、無線回路網コントローラ３６が基地局３０₂、…、３０_nの内の一局に時間修正そしてまたは周波数修正を行なわせることが出来る。主基地局は、それに従属する基地局の夫々が特定の限界内の正確な時間基準を持つことを保証する機能を有する。無線回路網コントローラ３６は、そのアルゴリズムおよび修正において、主基地局とその従属基地局の間に無視しうる誤差があるものとし、それゆえすべての基地局が同一の時間基準を持っているものと仮定している。

その結果、その無線回路網コントローラ３６は修正を行なわず、そのため、無線回路網コントローラ３６が主基地局とその従属基地局間の個々の時間誤差を推定しないから、主基地局が自局と他の基地局のそれぞれとの間のタイミング誤差を除去または補償しなければならない。この実施例は無線回路網コントローラ３６と主基地局の間の滑らかなインタフェースを提供するものである。主基地局がピコセルに適した従属基地局の同期化についてのそれ自体の解決法を与える。

別の実施例では各基地局が独立した時間基準及び周波数基準を有し、それに基づき無線回路網コントローラ３６が夫々の基地局に時間修正値や周波数修正値を送ることが出来るようになっている。そのアルゴリズム及び修正法においては無線回路網コントローラ３６は各基地局の時間及び周波数誤差を表す状態を推定する。

その結果、無線回路網コントローラ３６は各基地局と主基地局の個々の時間誤差を推定するから、一つの基地局についての測定値は他の基地局の状態の推定には役立たない。それゆえ、基地局の製造者は基地局のタイミングと時間ドリフトについて緩い範囲の誤差を与えるだけでよく、そしてすべての基地局が電磁波を介して他の基地局（同一または異なる基地局）への許される接続性を持たねばならない。

この実施例は、基地局間の距離が大きい大規模セルラー領域に有利である。主基地局に従属する他の基地局を含む測定によりその主基地局の時間基準に従属する一つの基地局を修正する能力は限られている。

この実施例における各基地局は独立した夫々時間基準を用いるが主基地局は一つの周波数基準を与える。無線回路コントローラ３６は各基地局個々の時間修正値そしてまたは一つの修正値を主基地局に送る。無線回路コントローラ３６は、各基地局のクロック周波数が主基地局のクロック周波数に従属するようにする。そのアルゴリズム及び修正法において無線回路コントローラ３６は主基地局と割り当てられた基地局の間に無視できるドリフト誤差があるものと仮定するが、扱われるオフセットは一定と推定する。

その結果、無線回路コントローラ３６はその主基地局とその複数の基地局との間の個々の時間誤差と、主基地局に対する基地局の共通の周波数ドリフトとを推定する。

この実施例の特徴は、主基地局から離れた基地局に有利である前述の実施例と同様である。この実施例は長距離通信における時間のずれを除くための機構を提供する。それら時間オフセットが安定であるという仮定の利点によりこの実施例は主基地局のクロック周波数に従属する任意の基地局の周波数を含む測定の利点をその主基地局に従属するすべての基地局についてのドリフトレートの更新に使用する。

更に他の実施例では、無線回路コントローラ３６は主基地局に従属する基地局の同期化を行なうための推定をその主基地局に与える。無線回路コントローラ３６は関連する夫々の基地局についての時間修正値そしてまたは周波数修正値をその夫々の主基地局に送る。主基地局は、それに関連する夫々の基地局がそれ自体に従属する時間基準を特定の限界内の精度で有することが出来るようにする。主基地局は基地局同期化を援助するための基地局特有の推定を使用するため選ぶことが出来る。そのアルゴリズム及び修正法において無線回路コントローラ３６は主基地局とそれに関連する基地局との間の時間及び周波数誤差の最良の推定を作り出す。状態推定を行なう際に、測定と基地局誤差の不確実性との間の相対的な確実性を比較検討する。

その結果、無線回路コントローラ３６は主基地局とそれに関連する基地局との間の個々の時間誤差の推算を試み、そして主基地局は主基地局とその時間基準に従う各基地局との間の時間誤差を無くしまたは補償し、或いは無線回路コントローラ３６の支援を要求する。

この発明はその好適な実施例について説明したが、特許請求の範囲で限定するこの発明の範囲内での他の変更は当業者には明らかである。

１８ 通信システム
２０、２２、２４ ユーザー装置（ＵＥ）
２６，３２，３４ ノードＢ（ＮｏｄｅＢ）
ＳＣ サイトコントローラ
３０₁、…、３０_n 基地局
３６、…、４０ 無線回路網コントローラ（ＲＮＣ）
４６ コア回路網
５３ メッセージ発生器
５４ 測定値受信装置
５５ 同期コントローラ
５７ 共分散マトリクス
５９ データベース
６０ 測定装置
６２ 同期化バースト発生器
６４，６６ アイソレータ
６８ 測定値受信装置
７０，７２ アンテナ

Claims (6)

1. 同期バーストに関連した計時の指示をマスターセルに送信するように構成されている回路であって、当該同期バーストが、他のセルよりも良い時間同期品質を有するマスターセル以外のセルから送信され、かつ当該マスターセルによって測定されるものである、回路と、
   前記マスターセルから、基地局到達時間（ＢＳＴＯＡ）を受信するように構成されている回路と、
   前記マスターセル以外の少なくとも１つのセルに、時刻調整を送信するように構成されている回路と、
   を備える集積回路（ＩＣ）。
2. 共分散マトリクスのデーターベースを更新するように構成されている回路をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のＩＣ。
3. 無線回路網コントローラ（ＲＮＣ）において実施されることを特徴とする請求項１に記載のＩＣ。
4. 基地局において実施されることを特徴とする請求項１に記載のＩＣ。
5. 集積回路（ＩＣ）であって、
   同期バーストに関連した計時の指示を少なくとも１つのマスターセルから出力するように構成されている回路であって、前記マスターセルが他のセルよりも良い時間同期品質を有し、前記マスターセル内に前記ＩＣが存在する、回路と、
   前記マスターセル以外の少なくとも１つのセルに対して、少なくとも前記マスターセルからの同期信号を測定し、前記同期バーストに関連した計時を無線回路網コントローラ（ＲＮＣ）に指示するように構成され、前記マスターセル以外のセル内に前記ＩＣが存在する、回路と、
   前記マスターセル以外のセルに、基地局到達時間（ＢＳＴＯＡ）値に対するリクエストを出力し、前記マスターセル内に前記ＩＣが存在する、ように構成されている回路と、
   前記ＢＳＴＯＡ値を出力するように構成され、前記マスターセル以外のセル内に前記ＩＣが存在する、回路と、
   前記マスターセル以外の前記少なくとも１つのセルへ前記ＲＮＣから送られる、時刻調整を受信するように構成され、前記マスターセル以外のセル内に前記ＩＣが存在する、回路と、
   を備える集積回路（ＩＣ）。
6. 基地局に実装されることを特徴とする請求項５に記載のＩＣ。

Images