專利名稱：同步基站發(fā)射機(jī)的方法
本申請(qǐng)涉及到通信系統(tǒng)基站的頻率捕獲的方法，使得它們獲得主基站的頻率(節(jié)點(diǎn)B頻率捕獲)且將其用于同步基站發(fā)射機(jī)。
在移動(dòng)電話基站(節(jié)點(diǎn)B)硬件中一個(gè)高成本的單元是參考振蕩器。在無線電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)B(或小區(qū))之一將包括GPS接收機(jī)，而在每個(gè)基站中都包括GPS接收機(jī)是非常昂貴的。
已有人建議通過空中的節(jié)點(diǎn)B同步以消除在其他節(jié)點(diǎn)B中對(duì)GPS接收機(jī)的需求以便節(jié)省成本。換句話說，一個(gè)主基站可以通過發(fā)送同步信號(hào)來確保其他基站同步于它。
然而，需要昂貴的恒溫晶體振蕩器以獲得必需的絕對(duì)參考頻率振蕩器精度，這是時(shí)間同步的先決條件。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是引入一種方法，由此具有相對(duì)差的絕對(duì)精度的多個(gè)節(jié)點(diǎn)B可以獲得一個(gè)具有精確時(shí)鐘的節(jié)點(diǎn)B(例如包含GPS接收機(jī)的節(jié)點(diǎn)B)的頻率。這些節(jié)點(diǎn)B一旦被適當(dāng)?shù)挠?xùn)練，就可以為在它們范圍內(nèi)但不在包含GPS接收機(jī)的節(jié)點(diǎn)B的范圍內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)B擔(dān)當(dāng)空中的頻率參考，依此類推，直至所有的振蕩器被訓(xùn)練。
已知的節(jié)點(diǎn)B同步是基于節(jié)點(diǎn)B同步突發(fā)的發(fā)送和接收。為了使節(jié)點(diǎn)B之間同步鏈路的范圍/可靠性最大，同步突發(fā)已被定義為一個(gè)長碼，占據(jù)了整個(gè)時(shí)隙的大部分。盡管就接收靈敏度而論是有利的，但最大化的碼長度導(dǎo)致對(duì)頻率誤差的增加的靈敏度。對(duì)于以3.84Mcps的2048碼片的碼長，1875Hz的頻率誤差將導(dǎo)致在碼周期上的相移的一個(gè)完整周，還導(dǎo)致相關(guān)器的零輸出。對(duì)于2GHz的傳輸，這對(duì)應(yīng)于大約1ppm的誤差。為了使成本最小，希望使用具有最多±3ppm頻率誤差的振蕩器來運(yùn)行。沒有在頻率內(nèi)的搜索這將是不可能的。
發(fā)明人已決定在當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)的同步操作之前引入一個(gè)可選擇的頻率捕獲階段作為節(jié)點(diǎn)B同步程序的一部分。此外，在本發(fā)明中，一個(gè)或更多節(jié)點(diǎn)B連續(xù)地發(fā)送，但一開始僅僅是包含GPS接收機(jī)的節(jié)點(diǎn)B連續(xù)地發(fā)送。
因此，本發(fā)明包括在包含無線電網(wǎng)絡(luò)控制器(RNC)和多個(gè)基站的通信網(wǎng)絡(luò)中同步基站的方法，該基站中的一個(gè)有正確的時(shí)間，該方法包括步驟
a)指示失步的基站來搜索頻率捕獲傳輸；b)指示該具有正確時(shí)間的基站進(jìn)行一個(gè)連續(xù)的頻率捕獲傳輸；c)允許一個(gè)或更多失步的基站獲得頻率捕獲傳輸?shù)臅r(shí)間和頻率。
優(yōu)選地，連續(xù)的頻率捕獲傳輸?shù)臅r(shí)間周期少于5ms但是多于一個(gè)時(shí)隙(典型地為667μs)。
假定新無線電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(RNS)的交付使用將是可以安排在低業(yè)務(wù)活動(dòng)時(shí)間(例如在夜間)內(nèi)的很少發(fā)生的事件，則對(duì)使用相同頻率的現(xiàn)有RNS的干擾可以忽略。對(duì)不同RNS使用不同節(jié)點(diǎn)B同步突發(fā)碼將防止來自這些傳輸?shù)默F(xiàn)有RNS的較長期中斷。
正常的節(jié)點(diǎn)B同步碼在每個(gè)時(shí)隙中重復(fù)以用于頻率捕獲突發(fā)。當(dāng)前為節(jié)點(diǎn)B同步建議的碼結(jié)構(gòu)涉及所謂的互補(bǔ)擴(kuò)展碼(CEC)。這要求各具有循環(huán)擴(kuò)展的兩個(gè)互補(bǔ)碼的級(jí)聯(lián)，其中碼開始的一段在尾部重復(fù)?；パa(bǔ)碼是這樣的碼，即其偶自相關(guān)函數(shù)除了在它們是相同的對(duì)齊位置處，均互為倒置。循環(huán)擴(kuò)展長度可以增加以使傳輸連續(xù)。


圖1對(duì)比了標(biāo)準(zhǔn)的已知同步時(shí)隙分配與依照本發(fā)明用于附加的頻率捕獲階段的同步時(shí)隙分配。在通常的TDMA中，在每個(gè)幀1中有15個(gè)時(shí)隙2。圖1a示出許多幀1。在每個(gè)幀中的一個(gè)時(shí)隙，物理隨機(jī)接入信道或PRACH，被用于同步信號(hào)，且典型地持續(xù)667微秒，即全部幀時(shí)間10ms的15分之一。圖1b示出依照本發(fā)明的頻率捕獲的步驟如何使用幀中的時(shí)隙?？梢钥闯?，頻率捕獲信號(hào)是連續(xù)的并且對(duì)于多個(gè)幀，在每個(gè)時(shí)隙中都包含頻率捕獲數(shù)據(jù)。應(yīng)當(dāng)指出在每個(gè)時(shí)隙中通常有一個(gè)小的保護(hù)周期且術(shù)語“連續(xù)”的意思是連續(xù)的時(shí)隙被用于頻率捕獲。
使用圖1a的方法即短時(shí)隙持續(xù)時(shí)間捕獲頻率的任何企圖都是非常困難的，這是由于基站不但必須搜索正確頻率而且必須知道這樣做的恰好時(shí)間。依照本發(fā)明的方法克服了這個(gè)問題。
下面示出的僅僅是在本發(fā)明范圍內(nèi)可以實(shí)施的優(yōu)選方法的實(shí)例。
優(yōu)選實(shí)施方案中，在節(jié)點(diǎn)B/小區(qū)級(jí)發(fā)生兩個(gè)用于頻率捕獲的階段1.在第一個(gè)階段中，運(yùn)行這兩個(gè)互補(bǔ)碼的匹配濾波器；適當(dāng)?shù)钠ヅ錇V波器可以使用在S.Z.Budisin的論文“Efficient pulsecompressor for Golay complementary sequences(用于格雷互補(bǔ)序列的有效脈沖壓縮器)”中描述的結(jié)構(gòu)，并且對(duì)于本申請(qǐng)來說是非常有效的，每個(gè)采樣僅僅需要40個(gè)加法/減法以并行地對(duì)兩個(gè)碼執(zhí)行匹配濾波，該論文發(fā)表于Electronics Letters，1991年1月第27卷第3期219-220頁。在1.5時(shí)隙的周期內(nèi)，保證以任一順序接收到兩個(gè)碼是可能的。然而，如果頻率誤差大，那么兩個(gè)碼可能都不能檢測。因此，在進(jìn)行相關(guān)之前對(duì)接收信號(hào)作頻移是有利的。如果在1.5時(shí)隙的周期內(nèi)沒有檢測到碼，則移動(dòng)頻率且重復(fù)該過程。如果在每個(gè)碼期間由于頻率誤差允許1dB的最大損失，則最大可容許的頻率誤差是1024碼片上±0.26周或在2GHz上大約為1kHz對(duì)應(yīng)于±0.5ppm。因此，在每個(gè)間隔內(nèi)頻率可以用1ppm進(jìn)行步進(jìn)。如果，例如在±3ppm上搜索，那么這對(duì)應(yīng)于6步或9個(gè)時(shí)隙周期。如果步進(jìn)模擬地是使用溫控或壓控晶體振蕩器，那么步長可能會(huì)受到振蕩器增益常數(shù)不確定性的影響。假設(shè)增益精度為±20％。如果要求最大步長為1ppm(對(duì)于在+20％操作邊界振蕩器)，那么額定的步長將必須為1/(1+0.2)＝0.833ppm。然后最小的步長將為(1-0.2)×0.833ppm ＝0.666ppm。為了保證使用最小步長覆蓋全部±3ppm的范圍，我們將需要9步或14.5個(gè)時(shí)隙周期。這樣，使用相對(duì)簡單的硬件在小于15個(gè)時(shí)隙即小于一個(gè)幀的時(shí)間內(nèi)搜索全部頻率范圍應(yīng)該是可能的。
2.一旦已經(jīng)完成第一階段(粗略的)頻率捕獲，就調(diào)用第二階段捕獲。這可以通過使用自動(dòng)頻率控制(AFC)環(huán)路來完成。用于第二階段捕獲的頻率誤差檢測器可以通過與第二個(gè)碼的相關(guān)以及測量第二階段捕獲和第一個(gè)碼之間的相位差來實(shí)現(xiàn)?？商娲?，兩個(gè)碼的相關(guān)分?jǐn)?shù)可以加在一起并且與以前兩個(gè)碼的分?jǐn)?shù)和的相位進(jìn)行比較。后一方法具有較小的最大頻率誤差范圍，但是改善了噪聲性能。
假設(shè)對(duì)于10ppb最大均方根誤差設(shè)定AFC環(huán)路的參數(shù)。這在2GHz上對(duì)應(yīng)于20Hz或在2048碼片上對(duì)應(yīng)0.01周。仿真顯示，在10ppb內(nèi)對(duì)于僅為6dB的總(兩個(gè)互補(bǔ)碼)解擴(kuò)輸出信噪比少于30次迭代(時(shí)隙)下，適當(dāng)?shù)腁FC環(huán)路可以調(diào)整好。三十個(gè)時(shí)隙等于2幀(20ms)。
因此，單個(gè)節(jié)點(diǎn)B/小區(qū)應(yīng)當(dāng)能夠在僅僅30ms內(nèi)捕獲頻率。在這個(gè)基礎(chǔ)上，GPS節(jié)點(diǎn)B/小區(qū)的所有鄰居應(yīng)當(dāng)在30ms內(nèi)進(jìn)入同步狀態(tài)。它們的鄰居應(yīng)在另外的30ms內(nèi)具有捕獲的頻率。在一個(gè)RNS中所有節(jié)點(diǎn)B/小區(qū)的總時(shí)間平均起來將大約為M/2×30ms，其中M是跨越網(wǎng)絡(luò)的“跳”數(shù)。因子2的出現(xiàn)是由于GPS節(jié)點(diǎn)B/小區(qū)將典型地在網(wǎng)絡(luò)的中心，頻率捕獲在所有方向上散開。典型地，對(duì)于二維的展開，跳數(shù)將隨著節(jié)點(diǎn)B/小區(qū)數(shù)目的平方根增長。因此，甚至對(duì)于一個(gè)包含大約1,000個(gè)節(jié)點(diǎn)B/小區(qū)的大RNS來說，捕獲頻率的時(shí)間不應(yīng)超過一秒。這是重要的，其原因有兩個(gè)它縮減了連續(xù)傳輸?shù)臅r(shí)間；且它使振蕩器可能漂移的時(shí)段最小。
如前所述，一旦單獨(dú)的節(jié)點(diǎn)B/小區(qū)已完成頻率捕獲，它就開始發(fā)送。為了避免交叉碼干擾，新發(fā)射機(jī)將它的發(fā)送定時(shí)設(shè)置成接近于先前接收到的定時(shí)是有必要的。盡管它不再能夠接收，但由于現(xiàn)在它的時(shí)鐘頻率接近于其他已發(fā)送的節(jié)點(diǎn)B/小區(qū)的時(shí)鐘頻率，故它的定時(shí)不應(yīng)在時(shí)間上漂遠(yuǎn)。例如，50ppb的誤差將在一秒上保持定時(shí)在50ns內(nèi)(＜1/4碼片)。接收這個(gè)和其他發(fā)射機(jī)的任何節(jié)點(diǎn)B/小區(qū)將典型地分辨出數(shù)個(gè)路徑中的每一個(gè)并且依照它們的到達(dá)時(shí)間分辨出來自不同發(fā)射機(jī)的路徑。這提供了一個(gè)分集的元素。它也允許在接收到的信號(hào)頻率上進(jìn)行某種平均以形成測量的頻率。這將意味著接收到的復(fù)合信號(hào)的頻率誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差應(yīng)比任何單獨(dú)信號(hào)的頻率誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差低。當(dāng)離GPS節(jié)點(diǎn)B/小區(qū)越來越遠(yuǎn)(按照跳)的節(jié)點(diǎn)B/小區(qū)捕獲頻率時(shí)，這將減輕跨越網(wǎng)絡(luò)的頻率誤差的任何增大。
GPS節(jié)點(diǎn)B/小區(qū)的所有鄰居將使頻率誤差被視為標(biāo)準(zhǔn)偏差為(比方說)10ppb的正態(tài)分布的獨(dú)立采樣，該偏差是由AFC環(huán)路中接收機(jī)噪聲的貢獻(xiàn)引入的。如圖2中的說明，它們的鄰居將看到更接近于GPS節(jié)點(diǎn)B/小區(qū)的一到三個(gè)發(fā)射機(jī)，這取決于它們的位置。沿著對(duì)角線的節(jié)點(diǎn)B/小區(qū)將全都只能看到更靠近于GPS節(jié)點(diǎn)B/小區(qū)的一個(gè)鄰居。在這種情況下，方差隨著離GPS節(jié)點(diǎn)B/小區(qū)的距離(以跳計(jì)數(shù))而線性增長。因此，例如，經(jīng)過4跳后標(biāo)準(zhǔn)偏差將加倍至20ppb。在有多重路徑到節(jié)點(diǎn)B/小區(qū)的場合下，方差仍然隨著距離而線性增長，但是這種增長按路徑的平均數(shù)目向下按比例減少。例如，有3條路徑時(shí)，經(jīng)過4跳后標(biāo)準(zhǔn)偏差將大約為14ppb。
一旦已經(jīng)完成頻率捕獲，就可以運(yùn)行正常的(以前定義的)節(jié)點(diǎn)B同步方案。
一旦全部節(jié)點(diǎn)B同步已經(jīng)建立，參考頻率精度就可以通過下列兩種操作的任意結(jié)合來維持1.在趨向于補(bǔ)償執(zhí)行定時(shí)更新的需要的方向上調(diào)整頻率。
2.基于來自單獨(dú)的節(jié)點(diǎn)B同步消息的頻率誤差測量，計(jì)算小的頻率調(diào)整。在這種情況下，可以通過把第二個(gè)互補(bǔ)碼的相關(guān)器輸出的相位與第一個(gè)互補(bǔ)碼的相關(guān)器輸出的相位相比較來執(zhí)行測量。由于這些測量是很少發(fā)生的故在性能上受到某種限制。這明顯地降低了更新速率。在用這種方法執(zhí)行頻率更新中，僅僅對(duì)來自比該接收機(jī)更接近于GPS節(jié)點(diǎn)B/小區(qū)的節(jié)點(diǎn)B/小區(qū)的信號(hào)的測量作出響應(yīng)是重要的。
新近加入系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)B/小區(qū)的頻率捕獲在一個(gè)給定區(qū)域內(nèi)采用上面描述的同步突發(fā)的同時(shí)發(fā)送，則新近加入者應(yīng)聽到每2.56秒來自它的至少一個(gè)鄰居的同步突發(fā)。使用前面描述的用于頻率的九個(gè)串行搜索步，這將意味著要有9×2.56＝23秒的最大時(shí)間周期以在正確頻率上檢測一個(gè)同步突發(fā)，并且這是可以接受的。即便同步突發(fā)間的間隙延長，該時(shí)間周期將仍然僅僅在分鐘數(shù)量級(jí)上。一開始的檢測將把頻率誤差減少到±0.5ppm。從這里，可以從單獨(dú)的同步突發(fā)應(yīng)用某種頻率修正，但是，對(duì)于正常的情況，主要的方法將基于定時(shí)更新。
頻率誤差檢測器用于完成相位和頻率鎖定的理想裝置不是頻率檢測器，而是相位檢測器，它能夠在輸入相位不受限制的范圍內(nèi)，即，不限于±π弧度的范圍內(nèi)提供元二義性的相位測量。容易看出，在一個(gè)閉環(huán)電路中，積分器之前的鑒頻器實(shí)際上是帶有擴(kuò)展相位響應(yīng)的相位檢測器。然而，通用的頻率檢測器在這種模式下趨向于導(dǎo)致高噪聲電平。通過形成一個(gè)線性化的頻率檢測器，這些影響被大大地減輕，其中，相鄰采樣間的某些噪聲被反相關(guān)(anticorrelate)且因而被去除。假設(shè)相位檢測器的輸入由采樣yn組成，其中yn＝sn+Nn且sn是經(jīng)過某種相位旋轉(zhuǎn)后的第n個(gè)接收信號(hào)分量，以及Nn是復(fù)AWGN的相應(yīng)的采樣。理想的相位檢測器簡單地將“幅角”函數(shù)應(yīng)用于連續(xù)的yn值。我們也可以通過形成∠{yn·yn-1*}獲得相鄰采樣間的相位差異。應(yīng)指出我們有 ∠{yn·yn-1*}＝∠yn-∠yn-1現(xiàn)在如果我們把這些相位差饋入到累加器中，則我們形成Σn=n1n2∠{yn·yn-1*}]]>。從(1)中我們可以看到我們有Σn=n1n2∠{yn·yn-1*}=∠yn2-∠yn1-1.]]>這意味著在測量上求和中間級(jí)的噪聲對(duì)總的結(jié)果沒有貢獻(xiàn)。事實(shí)上，∠{yn·yn-1*}上的噪聲分量被與在∠{yn+1·yn*}上的噪聲分量反相關(guān)。
權(quán)利要求
1.一種在包含無線電網(wǎng)絡(luò)控制器(RNC)和多個(gè)基站的通信網(wǎng)絡(luò)中同步基站的方法，該基站中的一個(gè)有正確的時(shí)間，該方法包括步驟a)指示失步的基站搜索頻率捕獲傳輸；b)指示該具有正確時(shí)間的基站進(jìn)行一個(gè)連續(xù)的頻率捕獲傳輸；c)允許一個(gè)或更多基站獲得頻率捕獲傳輸?shù)臅r(shí)間和頻率。
2.如權(quán)利要求1要求的方法，其中，所述的連續(xù)的頻率捕獲傳輸在0.7ms到50ms之間的時(shí)間周期內(nèi)完成。
3.如權(quán)利要求1或2要求的方法，其中，所有的節(jié)點(diǎn)B在小于一秒的時(shí)間內(nèi)同步。
4.如權(quán)利要求1要求的方法，其中，當(dāng)一個(gè)以前失步的基站已從該具有正確時(shí)間的基站獲得頻率時(shí)，另外的步驟是a)把這用信號(hào)通知給無線電網(wǎng)絡(luò)控制器；b)并且開始產(chǎn)生它自己的頻率捕獲傳輸。
5.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)要求的方法，其中，頻移捕獲首先以粗略的步來執(zhí)行，隨后是自動(dòng)頻率控制環(huán)路的精細(xì)調(diào)諧步。
6.一種包含無線電網(wǎng)絡(luò)控制器(RNC)和多個(gè)基站且具有同步基站裝置的通信網(wǎng)絡(luò)，該基站中的一個(gè)可設(shè)定為有正確的時(shí)間，該通信網(wǎng)絡(luò)包括a)指示失步的基站搜索頻率捕獲傳輸?shù)难b置；b)指示該具有正確時(shí)間的基站進(jìn)行一個(gè)連續(xù)的頻率捕獲傳輸?shù)难b置；c)允許一個(gè)或更多基站獲得頻率捕獲傳輸?shù)臅r(shí)間和頻率的裝置。
7.如權(quán)利要求6要求的網(wǎng)絡(luò)，其中，所述的連續(xù)的頻率捕獲傳輸在0.7ms到50ms之間的時(shí)間周期內(nèi)完成。
8.如權(quán)利要求6或7要求的網(wǎng)絡(luò)，其中，所有的節(jié)點(diǎn)B在小于一秒的時(shí)間內(nèi)同步。
9.如權(quán)利要求6要求的網(wǎng)絡(luò)，其中，當(dāng)一個(gè)以前失步的基站已從具有正確時(shí)間的基站獲得頻率時(shí)，另外的步驟是a)把這用信號(hào)通知給無線電網(wǎng)絡(luò)控制器；b)開始產(chǎn)生它自己的頻率捕獲傳輸。
10.如權(quán)利要求6到9中任一項(xiàng)要求的網(wǎng)絡(luò)，其中，頻移捕獲首先以粗略的步來執(zhí)行，隨后是自動(dòng)頻率控制環(huán)路的精細(xì)調(diào)諧步。
全文摘要
在包含無線電網(wǎng)絡(luò)控制器(RNC)和多個(gè)基站的通信網(wǎng)絡(luò)中同步基站的方法，該基站中的一個(gè)有正確的時(shí)間，該方法包括指示失步的基站搜索頻率捕獲傳輸；指示該具有正確時(shí)間的基站進(jìn)行連續(xù)的頻率捕獲傳輸；允許一個(gè)或更多基站獲得頻率捕獲傳輸?shù)臅r(shí)間和頻率。該連續(xù)的頻率傳輸捕獲應(yīng)優(yōu)選地在0.7ms到50ms之間的時(shí)間周期內(nèi)完成。
文檔編號(hào)H04B7/26GK1455995SQ02800112
公開日2003年11月12日 申請(qǐng)日期2002年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月17日
發(fā)明者A·P·胡爾伯特 申請(qǐng)人:羅克馬諾爾研究有限公司