TWI497971B

TWI497971B - 無線通信系統之基地台同步

Info

Publication number: TWI497971B
Application number: TW102126761A
Authority: TW
Inventors: Stephen G Dick; Eldad Zeira
Original assignee: Interdigital Tech Corp
Priority date: 2002-10-29
Filing date: 2002-10-29
Publication date: 2015-08-21
Also published as: TW201419819A

Description

無線通信系統之基地台同步

本發明與數位通信系統有關。特別是，本發明與一種在蜂巢式通信系統中同步複數個基地台的系統及方法有關。

已公開的第三代無線協定要求一種方法，其係基於一簡單、但昂貴之程序，藉以使各基地台外部同步於具有高準確度的外部電源。

支援基地台同步的技術要求基地台聆聽來自其鄰居的同步傳輸，如：同步頻道(SCH)或通用控制物理頻道(CCPCH)，並從事類似使用者設備(UE)所執行的程序以同步。另一種方法要求各基地台不時送出一特殊同步資料組(Burst)，以協調聆聽該傳輸之一個或多個鄰居。另一種方法讓使用者設備量測分別來自兩蜂巢的傳輸的到達時間差(TDOA)。這些技術在各基地台中使用高準備度的電源。由於各基地台具有該電源，這些技術既昂貴且不便。

因此，便存有系統及方法的需求，其可以在不消耗額外物理資源的前提下，允許操作基地台間快速，效率且較不昂貴的同步。

本發明為一種在無線通信系統中時間同步複數個基地台的系統及方法。該系統決定相關於各基地台的時間準確度的估計值。當基地台的時間準確度超過臨界值時，該系統便會決定是否有鄰居基地台具有最佳時間準確度。而該超過臨界值基地台則會根據該基地台及該鄰居基地台間的估計時間差進行調整。

熟習該技藝者在閱讀較佳實施例的詳細說明後，當可明白本發明系統及方法之其他目的及優點。

16、26、32、34‧‧‧B節點

18‧‧‧通信系統

20、22、24‧‧‧使用者設備

30、30₁ …30_n ‧‧‧基地台

36、38、40‧‧‧無線網路控制器

46‧‧‧核心網路

54‧‧‧量測接收裝置

55‧‧‧同步控制器

57‧‧‧共變矩陣

59‧‧‧資料庫

60‧‧‧量測裝置

62‧‧‧同步資料組產生裝置

64‧‧‧隔離裝置

70‧‧‧天線

第一圖為通信系統的方塊圖。

第二圖為根據本發明較佳實施例的無線網路控制器(RNC)的方塊圖。

第三圖為根據本發明較佳實施例的基地台及使用者設備的方塊圖。

第四圖闡明根據本發明較佳實施例的階層時間品質設計。

第五圖A及第五圖B為根據本發明較佳實施例的系統之流程圖。

本發明較佳實施例係參考圖式說明如下，文中類似元件以類似符號表示。

第一圖闡明簡易無線寬頻分碼多重存取(CDMA)或分時雙工(TDD)的通信系統18。該系統18包括複數個B節點26、32、34、複數個無線網路控制器36、38、40、複數個使用者設備20、22、24及核心網路46。該系統18內的B節點26與關聯的使用者設備(UE)20-24通信。該B節點26具有與單一基地台30或複數個基地台30₁ …30_n 關聯的單址控制器(SC)。各基地台具有關聯的地理區域，即蜂巢。雖然本發明僅揭露基地台同步，然熟習該技藝者亦可利用本發明以完成蜂巢同步。

一組B節點26、32、34與無線網路控制器(RNC)36連接。所述無線網路控制器36…40亦與核心網路46連接。為簡潔起見，下文將只討論單一B節點，然本發明實可應用於複數個B節點。

根據一較佳實施例，無線網路控制器36維護B節點26、32、34之內及之間的基地台同步。請參考第二圖，無線網路控制器36可經由其訊息產生裝置53以請求來自基地台30₁ …30_n 或使用者設備20、22、24之量測；經由其量測接收裝置54以接收量測；使用其同步控制器55以根據所述量測來最佳化地更新其狀態估計；及管理儲存於共變矩陣57的一組狀態。所述儲存狀態用於同步並表示各基地台相對於參考值的時間誤差、各時間誤差的改變率、及基地台30間的傳輸延遲。

無線網路控制器36亦管理儲存於資料庫59的一組量測，其包括：量測波形(即同步資料組)的到達時間；由使用者設備20量測來自兩基地台的傳輸的到達時間差；及狀態不確定性及量測不確定性之估計。該無線網路控制器36使用先進濾波技術，如Kalman濾波器，以估計定義相對時脈漂移之參數、及改善例如一元件及其他元件之間精確範圍之參數。該估計時間漂移用以推論各基地台頻率參考值間之頻率不符及合理檢查以確保偶爾，約略之不準確量測不會破壞該過程。

無線網路控制器36指派時間品質給各基地台30₁ …30_n 。這個時間品質由該無線網路控制器36藉由選定一個基地台為所有其他基地台的時間基準參考來量測。所有其他基地台被指派一可變時間品質，可變時間品質是根據量測及應用校正來更新。這個時間品質可以是整數(如0至10)。更小的品質數值暗示更好的精確度。或者，這個時間品質可以是連續(如浮點)變數。該參考基地台(主基地台)最好永久被指派品質0。所有其他基地台則指派變動且可根據該參考基地台調整之數值。為闡明這個時間品質階層設計，第四圖顯示主基地台，其中所有基地台Slave 1、Slave 2、Slave 3 被指派根據該主基地台變動的時間品質數值。在一實施例中，從屬基地台Slave 2之時間品質係指派為根據從屬基地台Slave 1變動之數值，且從屬基地台Slave 3被指派根據從屬基地台Slave 1變動的時間品質數值。

該無線網路控制器36之正常操作模式是根據儲存於該無線網路控制器資料庫59之狀態更新一共變矩陣57，其每隔預定時間單位更新一次(如：每隔5秒鐘或由運算子確定的時間)。該共變矩陣57的一個元素是各基地台時間誤差的估計變異。

當基地台的時間誤差變異超過預定臨界值時，該無線網路控制器36會啟始一訊息以支援該基地台的時間誤差更新。這個更新動作可由下列三種方法之一達成。第一種是該基地台根據指示量測來自鄰居基地台30₁ 、30₂ …30_n 的資料組之基地台到達時間(BSTOA)；第二種是具有較佳準確度的鄰居基地台30₁ 、30₂ …30_n 根據指示量測該對象基地台傳輸的基地台到達時間；第三種是使用者設備20量測該基地台及鄰居基地台30₁ 、30₂ …30_n 的同步資料組之基地台到達時間。

在第一種及第二種使用基地台至基地台之基地台到達時間的方法中，需觀察一基地台傳輸至另一基地台之到達時間。請參考第三圖，傳送基地台30₁ 於預定時間送出已知傳輸樣式。該傳輸樣式可以是來自該基地台30₁ 中同步資料組產生裝置62的同步資料組，其在經由天線70發射前通過隔離裝置64。該接收基地台30₁ 利用其量測裝置60偵測該傳送波形，其會在該接收信號相符於預期特徵時輸出大數值。若該接收裝置及傳送裝置位於相同位置且具有準確之同步時脈，則該量測裝置60的輸出便會與該傳送波形同時出現。不過，時脈不準及傳輸路徑延遲會造成時間差。

傳輸路徑延遲係以(1)式定義。

R/c+x (1)

R/c為傳送單元及接收單元間的距離R除以光速c。x 項係補償設備延遲。當基地台距離非常遙遠時，傳輸路徑延遲通常是由R/c項支配。無線電波以光速旅行，約1ft/ns或3×10⁸ m/s。基地台同步之目的係調準基地台於1-3us之間。因此，當基地台間隔距離在1/2哩(1公里)等級或更大時，該距離便有意義。然而，對微微(pico)或微(micro)蜂巢而言，其間隔距離為數十公尺，該距離相較於優勢之量測準確度x並無意義。

根據這些考慮，當企圖同步距離遙遠(大於1公里)的基地台時，取得間隔距離便很重要。當企圖同步間隔距離50公尺內之基地台時，實際位置便無關緊要。待執行基地台到達時間之量測後，儲存於無線網路控制器資料庫59之已知傳遞距離被減去，且兩者之差視為所述基地台間之時間不準。

第三種方法為量測由使用者設備觀察從兩不同基地台傳送的傳輸間之相對到達時間差(TDOA)。該使用者設備量測並報告來自兩基地台的傳輸間之觀察到的到達時間差(TDOA)。該無線網路控制器36送出一訊息至使用者設備20、22、24，藉以量測兩基地台之到達時間差。當接收到該訊息時，使用者設備20、22、24經由其天線72及隔離裝置66接收兩基地台之傳輸，並使用該使用者設備量測接收裝置68量測到達時間差及將該量測傳送至其關聯的基地台。

若該使用者設備位置為已知(即其至兩基地台之範圍r 1及r 2為已知)且兩基地台時間均是正確的，以(2)式來定義到達時間差。

(r 1-r 2)/c (2)

由該數值之量測誤差可以是時間基準不準的指標。如熟習該技藝者所知，若範圍r 1及r 2足夠小以至於在微微尺寸(pico-sized)蜂巢中為真，則其數值並不需要知道。觀察到達時間差可直接用作傳輸時間差之一量測。

當一種方法選定時，適當訊息被傳送至基地台30₁ …30_n 或使用者設備20、22、24。若該訊息被傳送至基地台30₂ ，該基地台被告知要觀察及量測那一個鄰居。若該訊息被傳送至使用者設備22，該使用者設備被告知要觀察那一個基地台及其自己的基地台。

請再回到第二圖，該無線網路控制器36已在其資料庫59中儲存各基地台30₁ …30_n 間之範圍。該無線網路控制器36隨後檢查以得知是否需要更新鄰居基地台30₁ ，其相較於該基地台30₂ 具有更好的時間品質。當發現這樣的鄰居基地台30₁ 時，啟始一訊息至該鄰居基地台以自"非同步"(out of sync)基地台30₂ 擷取一量測。或者，該無線網路控制器36能夠傳送訊息至該"非同步"基地台30₂ ，並要求其擷取該鄰居基地台30₁ 的量測。為了本實施例之目的，被要求的基地台(該"非同步"基地台30₂ )隨後取得"同步"(in-sync)基地台30₁ 的量測並將量測數值傳送回該無線網路控制器量測裝置54。該無線網路控制器量測裝置54轉送所量測的數值至該同步控制器55，其藉由減去該傳遞時間R/c以計算該量測的傳輸時間。

當該無線網路控制器同步控制器55計算該傳輸時間後，該數值係與儲存於無線網路控制器資料庫59之數值比較。該無線網路控制器同步控制器55隨後計算Kalman濾波器增益，並利用計算及預定到達時間之差值及通用增益，以更新共變矩陣57中之狀態。若該差值大於某個臨界值，該無線網路控制器訊息產生裝置53隨後會發送另一訊息至該"非同步"基地台30₁ 以調整其時間基準及其參考頻率，藉以在該無線網路控制器36的控制下與其他基地台30₃ …30_n "同步"。

該基地台30₂ 執行所要求的調整並將其回報給該無線網路控制器量測裝置54。該無線網路控制器36內之資料庫會被更新，包括：該對象基地台30₂ 的時間參考校正、其時間改變率、其共變矩陣57的更新(最重要地，包括其估計RMS時間誤差及漂移誤差)、及其時間品質的更新。請參考第四圖，基地台(其時間基準示根據與其他基地台比較來校正)絕不能指派等於或好於其從屬基地台的時間品質。這個程序可以確保穩定性。說明如下，若欲校正基地台Slave 2，則基地台Slave 2只能被指派小於其從屬基地台Slave 1時間品質的數值。這可以確保基地台的時間品質不會與同級或下級的從屬基地台同步，其最後可能會導致一群集基地台漂移成與該主基地台"非同步"。

如先前所述，取得量測以調整該"非同步"基地台30₂ 的另一種方法為使用使用者設備20、22、24。若該無線網路控制器36選擇這種方法，訊息被發送至該使用者設備22以量測"非同步"基地台30₂ 及"同步"基地台30₁ 的同步資料組。當使用者設備22取得所述量測時，所數量測被發送至該無線網路控制器36並進行處理。類似於上述方法，所數量測與儲存於該無線網路控制器資料庫59及共變矩陣57的已知量測及發送至"非同步"基地台30₂ 的調整量測比較。

第五圖A及第五圖B闡明根據本較佳實施例的系統的流程圖。該無線網路控制器36每隔一單位時間更新共變矩陣57及資料庫59一次(步驟501)。當該無線網路控制器36偵測到基地台30₃ …30_n 時間誤差變異超過預定臨界值時(步驟502)，該無線網路控制器36確定是否使用基地台以量測基地台到達時間或使用使用者設備以量測到達時間差，藉以更新"非同步"基地台的時間誤差變異(步驟503)。若無線網路控制器36確定量測基地台到達時間，訊息被傳送至"非同步"基地台的鄰居基地台，藉以量測該基地台到達時間，或者，訊息被傳送至"非同步"基地台，藉以量測鄰居基地台的到達時間(步驟504)。適當的基地台隨即取得必要量測(步驟505)、並將該量測傳送至該無線網路控制器36(步驟506)。若無線網路控制器36確定量測到達時間差，該無線網路控制器36傳送訊息至使用者設備，藉以量測兩基地台的到達時間差(步驟507a)，其中一個為"非同步"基地台。使用者設備量測各基地台的到達時間差(步驟507b)、並將所述量測的差值傳送至無線網路控制器36(步驟57c)。當無線網路控制器36接收到適當量測時(步驟508)，無線網路控制器36將該量測與儲存於無線網路控制器資料庫59中的數值進行比較(步驟509)。若差值大於某個臨界值，無線網路控制器36傳送訊息至"非同步"基地台，藉以根據該差值來調整其時間基準或其參考頻率(步驟510)。"非同步"基地台執行所要求的調整(步驟511)並將其回報給無線網路控制器36(步驟512)。無線網路控制器資料庫59及共變矩陣57隨即被更新以合併新數值(步驟513)。

一較佳實施例為一種系統及方法，其存在於各無線網路控制器36。在習知技藝中，控制無線網路控制器(C-RNC)直接與其基地台通信且伺服無線網路控制器(S-RNC)直接與其使用者設備通信。在鄰居基地台由不同無線網路控制器(RNC)控制的情況中，可能會需要增加控制無線網路控制器及伺服無線網路控制器間之通信，以控制鄰居基地台及使用者設備。

另一實施例要求各對基地台可以彼此聆聽以將其頻率移近至另外一個基地台。調整的相對數量則由一組獨特權值(其被指派給各基地台且儲存於該無線網路控制器資料庫59中)定義。調整各基地台的過程與較佳實施例所述者相同，除了"非同步"基地台及"同步"基地台均需要根據指派給各基地台之權值調整以外。利用不同的權值，吾等可達到不同程度(由完全中心至完全分散)之向心性。

本發明的最佳實施例使無線網路控制器36能夠發送時間校正及/或頻率校正至基地台30₃ …30_n 。該主基地台負責確保各基地台具有從屬於該主基地台的時間參考值，其準確落於指定限制內。無線網路控制器36於其演算法及校正中假設在主基地台及其基地台之間存在可忽略誤差、並因此假設所有基地台具有相同之時間參考值。

因此，無線網路控制器36並不企圖估計主基地台及其基地台間的個別時間誤差，且，因為關聯的無線網路控制器36並不會執行校正，主基地台必須降低或補償主基地台及其他基地台間之時間誤差。這個實施例揭示無線網路控制器36及主基地台間的完全介面。該完全介面可使主基地台應用其自己的解決方案以適於微微蜂巢之從屬同步。

在另一個實施例中，各基地台具有獨立時間及頻率參考值，其能夠使無線網路控制器36發送時間校正及/或頻率校正至各基地台。無線網路控制器36在其演算法及校正中估計表示各基地時間及頻率誤差之狀態。

因此，無線網路控制器36企圖估計各基地台及主基地台間之個別時間誤差，涉及一個基地台的量測並無助於估計另一基地台之狀態。因此，基地台製造者只需要在基地台的時序及時間漂移中提供寬鬆界限之誤差，且各基地台必須在空中傳送至另一基地台(相同或不同之基地台)時，具有可接受的連接性。

這個實施例有利於大蜂巢區域，其基地台間之距離較遠。然而，其經由涉及基地台(其從屬於主基地台的時間參考)之量測以校正一基地台(其從屬於相同主基地台之時間參考值)之能力卻受到限制。

在這個實施例中的各基地台使用獨立的時間參考值，但主基地台提供頻率參考。無線網路控制器36發送各基地台的時間校正及/或單一頻率校正至主基地台。無線網路控制器36確保各基地台之時脈係頻率從屬於主基地台的時脈。無線網路控制器36在其演算法及校正中假設在主基地台及其指派基地台之間存在可忽略漂移誤差、並估計被視為常數之偏移量。

因此，無線網路控制器36估計主基地台及其基地台間之個別時間誤差、及該基地台相較於主基地台的通用頻率漂移。

這個實施例的特徵類似於前一個實施例所述，其中與主基地台距離較遠的基地台較有利。這個實施例提供一種機制以移除長距離之時間不準。利用時間偏移量為穩定的假設，這個實施例利用相關於任何基地台(其頻率從屬於該主基地台之時脈)之一量測，藉以更新所有基地台(其從屬於該主基地台)的漂移率。

另一個實施例使無線網路控制器36提供對主基地台的估計，藉以支援從屬該主基地台之基地台同步。無線網路控制器36發送各關聯基地台的時間校正及/或頻率校正至其主基地台。該主基地台確保其關聯基地台分別具有從屬於該主基地台的時間參考值，其準確落於指定限制內。主基地台可以選擇使用該基地台獨特的估計以用於基地台同步。無線網路控制器36在其演算法及校正中產生主基地台及其基地台間的時間及頻率誤差的最佳估計。在執行狀態估計時，無線網路控制器36加權該量測及基地台誤差不確定性間的相對信任。

因此，該無線網路控制器36係企圖估計該主基地台及其基地台間之個別時間誤差，且該主基地台係降低及/或補償該主基地台及各基地台(其從屬於其時間參考值)之時間誤差，或要求來自該無線網路控制器36之協助。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然熟習該技藝者當可於本發明範圍內進行其他變動，故本發明範圍應以下列申請專利範圍界定。

26、32、34‧‧‧B節點

18‧‧‧通信系統

20、22、24‧‧‧使用者設備

30、30_1…n ‧‧‧基地台

36、38、40‧‧‧無線網路控制器

46‧‧‧核心網路

Claims

一種包括一無線網路控制器(RNC)及一基地台的無線通信系統，包括：該RNC，包括：經配置以接收與一同步叢發關聯的一時序的一指示的電路，其中，該同步叢發是來自一主蜂巢，相較於其他蜂巢，該主蜂巢具有一較佳時間同步品質，且該同步叢發由除了該主蜂巢外的至少一蜂巢所量測；經配置以發送針對除了該主蜂巢外的該至少一蜂巢的一基地台到達時間(BSTOA)值的一量測的一請求至一無線發射/接收單元(WTRU)的電路；經配置以從該WTRU接收該BSTOA值的電路；以及經配置以發送一時序調整至除了該主蜂巢外的該至少一蜂巢的電路；以及該基地台，包括：經配置以發送來自至少一主蜂巢的一同步叢發的電路，其中，在該基地台是在該主蜂巢中的情況下，相較於其他蜂巢，該主蜂巢具有一較佳時間同步品質；經配置以為除了該主蜂巢外的至少一蜂巢量測來自至少該主蜂巢的一同步叢發、以及在該基地台是在除了該主蜂巢外的該蜂巢中的情況下向該RNC表明與該同步叢發關聯的一時序的電路；經配置以在該基地台是在該主蜂巢中的情況下發送對該BSTOA值的一請求至除了該主蜂巢外的一蜂巢的電路；經配置以在該基地台是在除了該主蜂巢外的該蜂巢中的情況下傳輸該BSTOA值的電路；以及經配置以在該基地台是在除了該主蜂巢外的該蜂巢中的情況下從該RNC接收對除了該主蜂巢外的該至少一蜂巢的一時序調整的電路。
如申請專利範圍第1項所述的無線通信系統，其中該RNC更包括經配置以更新一共變矩陣資料庫的電路。
如申請專利範圍第2項所述的無線通信系統，其中該RNC更包括經配置以更新該共變矩陣中的複數個狀態估計以及以接收到的BSTOA值來更新該資料庫的電路。