TWI516076B

TWI516076B - 無線通信系統中基地台時間同步的方法及裝置

Info

Publication number: TWI516076B
Application number: TW101124116A
Authority: TW
Inventors: 史蒂芬狄克; 愛爾戴德賴拉
Original assignee: 內數位科技公司
Priority date: 2002-10-29
Filing date: 2002-10-29
Publication date: 2016-01-01
Also published as: TW201338489A

Description

無線通信系統中基地台時間同步的方法及裝置

本發明係有關於數位通信系統。特別是，本發明係有關於一種在一蜂巢式通信系統中同步複數基地台之系統及方法。

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一具有高準確度之外部電源。

支援基地台同步之技術要求一基地台聆聽來自其鄰居之同步傳輸，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)所執行之程序以同步。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之傳輸之到達時間差(TDOA)。這些技術在各基地台中使用一高準備度之電源。由於各基地台具有該電源，這些技術既昂貴且不便。

因此，便存有一系統及方法之需求，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，效率且較不昂貴之同步。

本發明係一種在一無線通信系統中時間同步複數基地台之系統及方法。該系統決定相關於各基地台之一時間準確度之一預測值。當一基地台之時間準確度超過臨界值時，該系統便會決定是否有一鄰居基地台具有一最佳時間準確度。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之一預測時間差進行調整。

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

本發明之較佳實施例係參考圖式說明如下，文中，類似元件係以類似符號表示。

第一圖係介紹一簡易無線寬頻分碼多址(CDMA)或分時雙工(TDD)之通信系統18。該系統18包括複數B節點26,32,34，複數無線網路控制器36,38,40，複數使用者設備20,22,24及一核心網路46。該系統18內之一B節點16通信連結之使用者設備(UE)20-24。該B節點16具有一單址控制器(SC)，連結於單一基地台30或複數基地台30₁…30_n。各基地台具有一連結地理區域，即一蜂巢。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。

一群組之B節點26,32,34係連接一無線網路控制器(RNC)36。該等無線網路控制器36…40係亦連接該核心網路46。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B節點。

根據一較佳實施例，該無線網路控制器36係維護該等B節點26,32,34之內及之間的基地台同步。請參考第二圖，該無線網路控制器36可透過其訊息產生裝置53以請求來自一基地台30₁…30_n或使用者設備20,22,24之量測；透過其量測接收裝置54以接收量測；使用其同步控制器55以根據該等量測最佳化地更新其狀態預測；及管理儲存於一協分差矩陣57之一組狀態。該等儲存狀態係用於同步且表示各基地台相對於一參考值之時間誤差，各時間誤差之改變率，及基地台30間之傳輸延遲。

該無線網路控制器36亦管理一組儲存於一資料庫59之量測，其包括：一量測波形(即同步資料組)之到達時間；由一使用者設備20量測來自兩基地台之傳輸之到達時間差；及狀態不確定性及量測不確定性之預測。該無線網路控制器36使用先進濾波技術，如Kalman濾波器，以預測定義相對時脈遷移之參數，及精鍊出如一元件及其他元件間確切範圍之參數。該預測時間遷移係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。

該無線網路控制器36指派一時間品質給各基地台30₁…30_n。這個時間品質是由該無線網路控制器36量測，其藉由選定一基地台為所有其他基地台之時間基準參考值。所有其他基地台係指派一可變時間品質，其根據量測及施加校正以更新。這個時間品質可以是一個整數(如0至10)。更小的品質數值暗示更好的準確度。或者，這個時間品質可以是一個連續(如浮點)變數。該參考基地台(主控基地台)最好永久指派一時間品質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。為介紹這個時間品質階層設計，第四圖係顯示一主控基地台，其中所有從屬基地台Slave 1，Slave 2，Slave 3係指派為根據該主控基地台變動之時間品質數值。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係指派為根據從屬基地台Slave 1變動之時間品質數值。

該無線網路控制器36之正常操作模式係根據儲存於該無線網路控制器資料庫59之狀態更新一協分差矩陣57，其每隔一預定時間單位更新一次(如：每隔5秒鐘或由一運算子決定之時間)。該協分差矩陣57之一元件係各基地台時間誤差之預測變異。

當一基地台之時間誤差變異超過一預定臨界值時，該無線網路控制器36會啟始一訊息以支援該基地台之時間誤差更新。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一鄰居基地台30₁,30₂…30_n之

資料組之基地台到達時間(BSTOA)；第二種是，具有較佳準確度之一鄰居基地台30₁,30₂…30_n根據指示量測該對象基地台傳輸之基地台到達時間；第三種是，一使用者設備20量測該基地台及一鄰居基地台30₁,30₂…30_n之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之方法中，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，一傳送基地台30₁於一預定時間送出一已知傳輸圖案。該傳輸圖案可以是來自該基地台30₁中同步資料組產生裝置 62之一同步資料組，其在經由一天線70發射前係穿透一隔離裝置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標誌時輸出一大數值。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之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一時間差。

傳輸路徑延遲係以(1)式定義。

R/c+x (l)

R/c係一傳送單元及接收單元間之距離，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1 ft/ns或3×108 m/s。基地台同步之目的係調準該等基地台於1-3 us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之已知傳遞距離係減去，且兩者之差係視為該等基地台間之時間不準。

第三種方法係量測由一使用者設備觀察，發送自兩不同基地台之傳輸間之相對到達時間差(TDOA)。該使用者設備係量測並報告來自兩基地台之傳輸間之觀察到達時間差(TDOA)。該無線網路控制器36送出一訊息至該等使用者設備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係經由其天線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連結之基地台。

若該使用者設備位置為已知(即其至兩基地台之範圍r1及r2為已知)且兩基地台時間均是正確的，到達時間差係以(2)式定義。

(r1-r2)/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r1及r2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，適當訊息係傳送至一基地台30₁…30_n或一使用者設備20,22,24。若該訊息係送至一基地台30₂，該基地台係被告知要觀察及量測那一個鄰居。若該訊息係送至一使用者設備22，該使用者設備係被告知要觀察那一個基地台及其自己之基地台。

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一鄰居基地台30₁，其相較於該基地台30₂具有一更好之時間品質。當發現這樣之一鄰居基地台30₁時，一訊息係啟始至該鄰居基地台以自該"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係能夠送出一訊息至該"非同步"基地台30₂，並要求其擷取該鄰居基地台30₁之一量測。該被要求基地台(該"非同步"基地台30₂)，為本實施例之目的，隨後擷取該"同步"(in-sync)基地台30₁之量測並將該量測數值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轉交該量測數值至該同步控制器55，其藉由減去該傳遞時間R/c以計算該量測之傳輸時間。

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，以更新協分差矩陣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執行要求之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內之資料庫係更新，包括：該對象基地台30₂之時間參考校正，其時間改變率，其協分差矩陣57之更新(最重要地，具有其預測RMS時間誤差及遷移誤差)，及其時間品質之更新。請參考第四圖，一基地台(其時間基準係根據與其他基地台比較以校正)絕不能指派一等於或好於其從屬基地台之時間品質。這個移序可以確保穩定性。其說明如下，若欲校正一基地台Slave 2，則基地台Slave 2只能指派小於其從屬基地台Slave 1時間品質之一數值。這可以確保一基地台之時間品質不會同步一同級或下級之從屬基地台，其最後可能會導致一群集基地台遷移成"非同步"於該主控基地台。

如先前所述，擷取量測以調整該"非同步"基地台30₂之另一種方法係使用一使用者設備20,22,24。若該無線網路控制器36係選擇這種方法，一訊息係發送至該使用者設備22以量測該"非同步"基地台30₂及該"同步"基地台30₁之同步資料組。當使用者設備22擷取該等量測時，該等量測係發送至該無線網路控制器36並進行處理。類似於上述方法，該等量測係與儲存於該無線網路控制器資料庫59及協分差矩陣57之已知量測及發送至該"非同步"基地台302之一調整量測比較。

第五圖A及第五圖B係介紹根據本較佳實施例之系統之流程圖。該無線網路控制器36每隔一單位時間更新該協分差矩陣57及資料庫59一次(步驟501)。當該無線網路控制器36側測到一基地台30₃…30_n時間誤差變異超過一預定臨界值時(步驟502)，該無線網路控制器36決定是否使用一基地台以量測基地台到達時間或使用一使用者設備以量測到達時間差，藉以更新該"非同步"基地台之時間誤差變異(步驟503)。若該無線網路控制器36決定量測基地台到達時間，一訊息係傳送至該"非同步"基地台之一鄰居基地台，藉以量測該基地台到達時間，或者，該訊息係傳送至該"非同步"基地台，藉以量測該鄰居基地台之到達時間(步驟504)。適當之基地台隨即擷取必要量測(步驟505)，並將該量測傳送至該無線網路控制器36(步驟506)。若該無線網路控制器36決定量測到達時間差，該無線網路控制器36係傳送一訊息至一使用者設備，藉以量測兩基地台之到達時間差(步驟507a)，其中一個為"非同步"基地台。該使用者設備量測各基地台之到達時間差(步驟507b)，並將該等量測之差值傳送至該無線網路控制器36(步驟57c)。當該無線網路控制器36接收適當量測時(步驟508)，該無線網路控制器36係將該量測與儲存於該無線網路控制器資料庫59中之數值比較(步驟509)。若該差值大於某個臨界值，該無線網路控制器36係傳送一訊息至該"非同步"基地台，藉以根據該差值調整其時間基準或其參考頻率(步驟510)。該"非同步"基地台係執行要求之調整(步驟511)並將其回報給該無線網路控制器36(步驟512)。該無線網路控制器資料庫59及協分差矩陣57隨即更新以合併該等新數值(步驟513)。

一較佳實施例係一系統及方法，其存放於各無線網路控制器36。在習知技藝中，一控制無線網路控制器(C-RNC)直接通信於其基地台且一伺服無線網路控制器(S-RNC)直接通信於其使用者設備。在鄰居基地台係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。調整之相對數量則由一組獨特之權值(其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。

本發明之最佳實施例係使一無線網路控制器36能夠發送一時間校正及/或頻率校正至一基地台30₃…30_n。該主控基地台係負責確保各基地台具有從屬於該主控基地台之一時間參考值，其準確落於一指定限制內。該無線網路控制器36，於其演算法及校正中，假設具有一可忽略之誤差存在於該主控基地台及其基地台之間，並因此假設所有基地台具有相同之時間參考值。

因此，該無線網路控制器36並不企圖預測該主控基地台及其基地台間之個別時間誤差，且該主控基地台必須降低或補償該主控基地台及其他基地台間之時間誤差，因為該連結無線網路控制器36並不會執行一校正。這個實施例揭示一無線網路控制器36及一主控基地台間之一完全介面。該完全介面可使該主控基地台施加其解決方案以適於微微蜂巢之從屬同步。

在另一個實施例中，各基地台具有一獨立之時間及頻率參考值，其能夠使一無線網路控制器36發送時間校正及/或頻率校正至各基地台。該無線網路控制器36，在其演算法及校正中，預測表示各基地時間及頻率誤差之狀態。

因此，該無線網路控制器36企圖預測各基地台及該主控基地台間之個別時間誤差，相關於一基地台之量測並無助於預測另一基地台之狀態。因此，基地台製造者只需要在基地台之定時及時間遷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，具有一可接受之連接性。

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，其透過相關於一基地台(其從屬於一主控基地台之時間參考值)之量測以校正一基地台(其從屬於相同主控基地台之時間參考值)之能力卻受到限制。

在這個實施例中之各基地台係使用獨立之時間參考值，但該主控基地台係提供一頻率參考值。一無線網路控制器36係發送各基地台之時間校正及/或單一頻率校正至一主控基地台。該無線網路控制器36係確保各基地台之時脈係頻率從屬於該主控基地台之時脈。該無線網路控制器36，在其演算法及校正中，係假設具有一可忽略之遷移誤差存在於該主控基地台及其指派基地台之間，並預測被視為常數之偏移量。

因此，該無線網路控制器36預測該主控基地台及其基地台間之個別時間誤差，及該基地台相較於該主控基地台之通用頻率遷移。

這個實施例的特徵類似於前一個實施例所述，其中與該主控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。利用該等時間偏移量為穩定的假設，這個實施例係利用相關於任何基地台(其頻率從屬於該主控基地台之時脈)之一量測，藉以更新所有基地台(其從屬於該主控基地台)之遷移率。

另一個實施例係使該無線網路控制器36提供對該主控基地台之預測，藉以支援從屬該主控基地台之基地台同步。一無線網路控制器36係發送各連結基地台之時間校正及/或頻率校正至其主控基地台。該主控基地台確保其連結基地台分別具有從屬於該主控基地台之一時間參考值，其準確落於一指定限制內。該主控基地台可以選舉以使用該基地台獨特之預測以用於該基地台同步。該無線網路控制器36，在其演算法及校正中，產生該主控基地台及其基地台間之時間及頻率誤差之一最佳預測。在執行狀態預測時，該無線網路控制器36係加權該等量測及該基地台誤差不確定性間之相對信任。

因此，該無線網路控制器36係企圖預測該主控基地台及其基地台間之個別時間誤差，且該主控基地台係降低及/或補償該主控基地台及各基地台(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。

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‧‧‧協分差矩陣

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

第一圖係一通信系統之方塊圖。

第二圖係根據本發明一較佳實施例製作之一無線網路控制器(RNC)之方塊圖。

第三圖係根據本發明一較佳實施例製作之一基地台及使用者設備之方塊圖。

第四圖係根據本發明一較佳實施例製作之階層時間品質設計之介紹圖。

第五圖A及第五圖B係根據本發明一較佳實施例製作之系統之流程圖。

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

一種用於對一無線通信系統中的複數個基地台進行時間同步的方法，包括：發送來自至少一主控蜂巢的一同步叢發，其中，相較於其他蜂巢，該主控蜂巢具有一較佳時間同步品質；為除了該主控蜂巢外的至少一蜂巢，測量來自至少該主控蜂巢的一同步叢發以及向一無線網路控制器(RNC)指明與該同步叢發關聯的一時序，其中該測量更包括由該RNC將針對一基地台到達時間(BSTOA)值的一請求發送到除了該主控蜂巢外的一蜂巢、以及傳送該BSTOA值；以及由該RNC將一時序調整發送至除了該主控蜂巢外的該至少一蜂巢。
如申請專利範圍第1項所述的方法，更包括：更新一協分差矩陣資料庫。
如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該測量更包括：將針對一基地台到達時間(BSTOA)值的一請求發送到複數個使用者設備(UE)中的至少其中之一，以測量除了該主控蜂巢外的該至少一蜂巢；以及傳送該BSTOA值。
一種基地台，包括：經配置用於發送來自至少一主控蜂巢的一同步叢發的電路，其中，在該基地台是在該主控蜂巢中的情況下，相較於其他蜂巢，該主控蜂巢具有一較佳時間同步品質；經配置用於為除了該主控蜂巢外的至少一蜂巢測量來自至少該主控蜂巢的一同步叢發以及在該基地台是在除了該主控蜂巢外的該蜂巢中的情況下向一無線網路控制器(RNC)指明與該同步叢發關聯的一時序的電路；經配置為在該基地台是在該主控蜂巢中的情況下將針對一基地台到達時間(BSTOA)值的一請求發送到除了該主控蜂巢外的一蜂巢的電路；經配置為在該基地台是在除了該主控蜂巢外的該蜂巢中的情況下傳送該BSTOA值的電路；以及經配置用於在該基地台是在除了該主控蜂巢外的該蜂巢中的情況下從該RNC接收對除了該主控蜂巢外的該至少一蜂巢的一時序調整的電路。
一種積體電路(IC)，包括：經配置用於輸出來自至少一主控蜂巢的一同步叢發的電路，其中，在該基地台是在該主控蜂巢中的情況下，相較於其他蜂巢，該主控蜂巢具有一較佳時間同步品質；經配置用於為除了該主控蜂巢外的至少一蜂巢測量來自至少該主控蜂巢的一同步叢發以及在該基地台是在除了該主控蜂巢外的該蜂巢中的情況下向一無線網路控制器(RNC)指明與該同步叢發關聯的一時序的電路；經配置為在該基地台是在該主控蜂巢中的情況下將針對一基地台到達時間(BSTOA)值的一請求輸出至除了該主控蜂巢外的一蜂巢的電路；經配置為在該基地台是在除了該主控蜂巢外的該蜂巢中的情況下輸出該BSTOA值以用於傳輸的電路；以及經配置用於在該基地台是在除了該主控蜂巢外的該蜂巢中的情況下從該RNC接收對除了該主控蜂巢外的該至少一蜂巢的一時序調整的電路。