用于在蜂窝电信系统中随机接入的方法、用户设备和无线电基站的制作方法

专利名称：用于在蜂窝电信系统中随机接入的方法、用户设备和无线电基站的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种蜂窝通信系统，更特别地，本发明涉及一种用于随机接入 过程的方法并涉及一种适于执行该过程的用户设备。
相关技术描述
为了在加电之后登记，用户设备一在进一步的描述中被称为UE (也叫做 移动终端)必须接A^窝网络。最初，UE)I^扫描频带以查找将揭示网络标识 和附力,謝言息的广播控制信道(BCCH)。 UE纟絵经由BCCH在频率和时间 上同步到网络。接着，UE将必须在上行链路中发送消息以向网络通知它的存在。 因此，需要随机接Ail程。物理随机接入信道(PRACH)被定义，其中UE能 够在物理随机接入信道上发送随机接入(RA-)请求消息。由于网络不能控制这 些最初的上份连路传输，所以根据定义PRACH是由小区内所有UE共享的基于 连接的信道。在BCCH消息中指示PRACH的结构，例如频率、时间并且可能 有编码。


图1是由第一节点BNB1月艮务的小区的视图，并且另外公开了该小区内的 两个UE 11。在加电时，小区内的任何UE 11纟絵查鄉一节点BNB1的BCCH， 并在第一节点B NB1所支持的PRACH上接收信息。通过接收类似BCCH的下 4fWf言道，UE11會,获得至I傑一节点BNB1的粗略的下4滩路定时。
然而，由于至傑一节点BNBl的距离d絲知的，所以在第一节点BNB1 处的传输与UE 11中的接收之间存在未知的传播延迟。同样的延迟也会出现在 上份淑各中。因此存在往返延迟不确定性。小区職上的UE的往返延迟比接 近第一节点BNB1的UE 11的往返延迟更大。因此，UE 11发送的RA请求的 接收相对于上行 业务和控制信道的定时可能会延迟。因此，PRACH时隙包 括保护时段(guard period),该保护时段是为了解决延迟不确定性。图2a是 PRACH时隙以及在其内发送的两个RA请求的时间图。从接近第一节点BNB1的UE ll发送的RA请求将会在时隙的开始到达，而从在小区边界处的UE 11 发送的RA请求^^正好在时隙结束之前完成。
一旦己经接收到RA请求，第一节点B NB1就育,通过比较其传输实例 (instance)与RA请求接收实例来估计传播往返舰。然后，它将会在下fi^^各 控制信道上{顿时间校准(time alignment TA)消息来指示UE 11提前其传输， 以使得接糊絵与其它UE 11所{顿的其它上纟 ^言舰准。 一旦UE 11在 上行^ 各上同步，贝U在时隙系统中的时隙或子帧之间只需對艮小的保护时段来 解决漂移和 >下行链路内TA消息的数量。
随机接入过程不仅仅在加电时使用。处于空闲模式的UE 11通常被锁定到 下行f淑各控制信道。然而，由于节省功率的原因，在空闲模式下，它将不会发 :^Jlt滩路传输。因此，第一节点BNB1没有要发送的TA信息，并且UE 11 失去其上fi^同步。当需要进行呼叫时，UE11 a絵再次经由PRACH来接入 网络，以便首先进行时间同步。
美国专利申请公布US2002/0131379 (Dl)涉及一禾中CDMA通信系统，其
中上份连制专输和下行lim专输共享相同物理频率信道。这也称为TDD (时分 双工)系统。Dl在其背景技术部分讨论了在TDD系统中校正上fi^ 各传输定 时的必要性，以便避处纟滩謝专输干扰下纟fll^f专输。Dl还公开了 UE 11在 向网络登记之前根据路径损耗来计算到节点B的距离，所M径损繊而取决 于下《豫謝专输衰减。在估计了至'J节点B的距离之后，UE移动UpPTS (上行 链路导频时隙)信号的传输点，以使得节点B育,在UpPTS的起々她界点接收 UpPTS信号。
Dl还公开了节点B接收UpPTS信号并确定是否已经正好在其UpPTS周 期接收到UpPTS信号。如果存在时间差，贝栉点B通过前向物理接入信道 (FPACH)向UE11发送传输点校正值。当通过FPACH接收至,输点校正值时， UE 11就在根据所接收到的传输点校正值而校正的传输点来传送RACH消息 (RA请求)。也就是，UE利用通过FPACH接收到的传输点校正值来确定RACH 消息的传输点。
大多数蜂窝系统^^1 FDD(频分) m)，而不，如FDMA、TDMA、CDMA 或OFDM之类的多个接入技术。在FDD系统中，RA-请求是第一上行Hm专输， 节点B育,对其进行测量，以估计与上fi^路时隙的时间校准所需的校正。当与在上4flilS各中具有RA请求的FDD附着3^呈比较时，TDD附 :程 會,被视为两步骤过程，第一步骤是用于时间校正目的的UpPTS信号传输，而 第二步骤是包括RA信息的RA请求传输。这两个步骤^ W应于FDD系统 中的随机接入过程。
在UEll中基于路径损耗估计的时间校正的问题在于，路径损耗不是主要 归因于UE11与节点B之间的距离。对路径损耗更多的影响有出现障碍(例如 在UE 11与节点B之间的路径中的树)以及在，机和接收机链中任何另外的 损耗。另外，诸如下雨和下雪之类的天气对衰减有很大的影响。所有这些使得 根据信号衰减做出的任何距离预测都不可靠，以致于就时间校准而言可能导致 更差而不是更好的性能。
本发明的目的是提供一种用于提高随机接入信道效率的可替换方案。 对该问题的解决方案是一种用于用户设备的方法，其中，用户设备从第一 节点B同步到下份淑各广謝言道。UE接收关于第一节点B地理位置的信息， 并/AS少3个定位节点接收同步信号以及定位节点的地理位置的信息。3MH 角测量来确定用户设M置。计算用户设备与第一节点B之间的传播延迟，将 随机接入请求传输的定时提前，以W尝传播鹏。
在本发明的一个实施例中，定位节点包括包含第一节点B的节点B。 本发明还包括适于执行本发明方法的用户设备(UE)和无线电基站。 本发明具有如下优点PRACH时隙是随机接入请求本身的长度，较小的 用于解决任何量化误差的保护部分、以及较小的延迟误算。与现有技术的 PRACH时隙相比，减小了保护时段。由于斷氐了定时不确定性，所以可以在保 持节点B中的检测性能的同时縮短随机接入序列。傲户时段和随机接入请求的 减小引起PRACH时隙总体縮减。随机接入信道被更为高效地使用。随机接入 时隙育的多被更频繁地重复。这还具有另外的优点用户设备接入网络的延迟降 低。
附图描述
图1是由节点B服务的小区的视图，其中，在该小区内有两个UE。图2是随机接入时间窗结构的图解。
图3是本发明方法的流程图。
图4是本发明方法的实施例的流程图。
图5a和图5b示出节点B地理位置的二维平面图。
图6是UE结构的框图。
图7是接入时间窗和接入突发结构的时间图。
图8是在相同频率载波上本发明和传统PRACH结构的时间图。
iM实施例的描述
本发明包括一种涉及将由蜂窝网络中的UE (用户设备)执行的随机接入 过程的方法。为了将UE的存在通知给蜂窝网络，在UE加电0^行随机接入过 程。在随机接入过程期间，UE向t鹏择用于接收RA请求的节点BNBl (参见 图1)发送RA请求(随机接入请求)。在本发明过程开始之前，第一节点BNB1 与UE11相距未知的距离。
图3是将由UE 11执行的本发明一般方法的流程图。最初，UE 11加电， Sl。接着，在步骤S2中，UE 11扫描频带，以查找强的BCCH (广播控制信道)， 并且锁定到最强的BCCH。在该例子中，假定第一节点B NB1提供最强的 BCCH。在后续的步骤S3中，UE11将其定时同步到BCCH的定时。BCCH被 划分成时隙，时隙进一步被分为帧。这种结构提供了用于同步的基础。此外， 检测关于BCCH的信息，以查找关于上4滩g嫩理随机接入信道(PRACH)的 结构的信息，例如，可用于RA请求传输的时隙。
在后续的步骤S4中，UE 11接收关于至少第一节点B NB1的地理位置的
接着，从至少三个时间同步的定位节点接收同步信号，参见第五步骤S5。 在第六步骤S6中接收关于^H个定位节点的位置的信息。
在第七步骤S7中，根据接收到的时间同步信号以及定位节点的位置来计算 UE11与第一节点BNB1之间的距离。
在后续的步骤S8中，计算往返延迟AT。
在后续的且最后的步骤S9中，UE ll在相对于其到BCCH的同步以及可 用于PRACH的时隙提前往返EiEAT的时间处传送接入突发。在图3所图示的方法的一种实施方式中，定位节点是GPS (，定位系统) 卫星。GPS卫星是时间同步的，并且传送同步信号及其位置。
第一节点B NB1的位置被广播，并且UE 11在第四步骤S4中接收关于 BCCH的定位信息。也存在用于接收第一节点BNB1位置的其它替换方案，如
将在下面进一步描述的那样。
在图3的可替换实施中，定位节点是节点B。这需要对相邻节点B进行时 间同步。同步准确度是期望TA (时间校准)估计7隹确度的数量级。更精确的同 步a絵带来更准确的TA，这允许更短的剩余傲户时间来解树壬何乘除的定时不 确定性。例如，如果希望TA估计具有1 ns的准确度，贝i旌该以至少lMS的准 确度来对节点B进行同步。在图4中图示了可替换的实施方式。除了第三步骤 S32被修^Ct外，前四个步骤Sl-S4和最后三个步骤S7-S9与图3中的相同。与 BCCH的同步包括检测包括在BCCH中的同步信号。
除了从第一节点B接收BCCH之外，UE11还重复与第二禾瞎三节点B的 BCCH的同步过程，参见步骤S52-S92。在步骤S4和S72中，UE 11在这三个 节点B各自的BCCH上接收所有SH个节点B的位置。可替换地，仅仅在节点 B各自的BCCH上广播节点B的标识，并且UE从娜库获取(retrieve)它们 的位置。在图3或图4的过程开始之前，经由PC接口将娜库下载到UE中。 可替换地，可以经由无线电信道从蜂窝网络将数据库下载到l正11中。可替换 地，节点B的位置可以被包含在其BCCH消息中。
第一节点BNB1在本说明书中是UEll向其发送UEll的RA请求的节点 B的名称。当然，,AH个节点B收集同步信号的次序可以改变，这样第一节点 BNB1无需是UE要与之同步的第一个节点B。
为了计算第一节点B NB1与UE 11之间的距离，在步骤S7中，需要确定 UE 11的位置。在节点B提供同步信号的瞎况下，确定它们的相对位置以及相 对的UE11位置就足够了。图5是节点B地理位置的二维平面图，并且示出了 对UEll的位置的计算。在图5a中，两个节点BNB1、 NB2的位置被指出，并 且节点B NB1、 NB2之间的双曲线CV1指示两个节点B NB1、 NB2之间的具 体时差。已经测量了这两个节点BNB1、 NB2之间的该具体时差的UE11育, 被方燈在^曲线CV1的ftf可地方。
图5b与图5a相同，只是增加了第三节点BNB3和第I^曲线CV2，所述第二双曲线CV2指示UE 11所测量的第一节点B NB1与第三节点B NB3之间 的第二具体时差。两个曲线CV1、 CV2的交差点是UE11的位置。可以根据第 二节点B NB2与第三节点B NB3之间的第三时差来绘出第三曲线CV3。这将 会提高位置估计的准确度。
用于确定终端位置的相同原理被用在GPS系统中，除了 GPS卫星在大气 中而不是在地球上。为此，从第四卫星接收同步信号是有益的。另外，从第四 节点B接收同步信号可以改进UE 11的位置估计-尤其是在前三个节点B NB1-NB3以线结构设置而不是以三角形设置的情况下。对于多于两个节点B的 情况，也可以有利地执行图4中的环S62-S92。
一旦在步骤S7中确定了 UE 11与第一节点B NB1之间的距离d，就在步 骤S8中通过
△ 7 =— V
来计算传播往返舰AT，其中，v是舰。
当传送接入突发时，如在步骤S9中所公开的，UE1U絵把其上行TO定 时相对于所接收的下行^^言道定时提前AT。
育詢多周斯性地重fH十算鄉巨离确定，并且UE 11肯嫩4柳该信息来不断地 更新其上fi^定时。超絵防止节点B在下纟ff般各中发送TA消息雜制UE 11的上行链路定时，也可以在用户数据传输期间。
本发明的另一方面是一种适于执行本发明方法的UE 11设备。图6 ，于 本发明而言必要的UE ll结构的框图。如所理解的那样，图6并不标UE 11 的完整结构；而是仅仅包括了与本发明相关的部分。该结构包括天线60、具有 来自天线60的输入的接收机61、禾Q具有到織60的输出的发射机62。控制器 63控制接收机61和发射机62的操作，例如，控制用于接收和传送的信道。控 制器63通常由具有相应软件的CPU来实现。UE 11的结构到目前为止与现有技 术中的UE11相同。但是，对于本发明来说特有的是距离计算器64，该距离计 算器64具有来自控制器的输A^到TA控制器65的输出。距离计離64适于 计算到第一节点B NB1的距离d。根据是经由GPS卫星还是经由节点B来接收 同步信号，就其功能而言存在两个实施例。
在节点B提供同步信号盼瞎况下，距离计算器64 ,膽制器63接收关于三个不同节点B NB1-NB3之间的时差的信息以及它们各自的位置或者可替换地标 识。如果仅仅接收到节点B的标识，贝鹏离计算器包括节点B位置数据库，节 点B的标识旨,iM:该位置数据库,到节点B位置。然后根据三角测量原理 来计算UE ll的位置。距离计算器还根据UE与节点B之间的距离d来计算往
返舰AT。
TA控制器65 /妨巨离计算器64接收关于往返传播延迟的信息，并且控制发 射机62将其传输定时相对于其下tm路定时提前AT。
可替换地，UE 11适于借助于GPS接收机66^l行传播延迟。在这个实 施例中，存在从GPS接收机66到距离计算器64的关于UE 11位置的信息的输 入。距离计算器64从控制器63接收关于第一节点BNB1的位置的信息，或者 可替换地，接收第一节点Bll的标识并从内部f^库获取其位置。距离计算器 64还计算距离d以及相应的传播延迟。
图7是可以利用本发明方法来实施的PRACH时隙TS1和RA请求Bl的 基础结构的时间图。帧内的保护时段GP几乎消除。仅仅留下小的保护时段GP 来处理往返传播延迟AT估计中的任何误差。RA请求Bl占用PRACH时隙TS1 的大约95-99%， PRACH时隙TS1的剩余部分是保护时段GP。这可以与GSM 系统相比较，在GSM系统中，接入突发具有325 Ms的持续时间，占577 时 隙周期的56%。它还可以与针对超3G的提议相比较，顿3G中，接入突发具 有400MS的辦卖时间，并且占500^8时隙周期的80%。除了保护时段GP减小
之外，本发明还引起随机接入突发的减少。由于定时不确定性大大降低，所以 节点B检测器會,在较低SNR的^rj牛下工作，且同时保持以假警报和丢失检测 率表示的相同性能。
图8是第一 PRACH结构Rl的时间频率图，所述第一 PRACH结构Rl在 指定频带处由时隙TS1组成，并且有规律地重复。用于其他信道的其它时隙散 布在第一 PRACH时隙TS1之间。只有被安排用于执行本发明方法的UE才可 以^ffl该先M的PRACHRl。还可育g存在不肯巨执行本发明方法的UE 11。因 此，相同的频率蹄麟二PRACH结构R2，该结构R2将由不具^l行本发 明方法能力的UE 11使用。第一PRACH结构R1的时隙TS1比第二传统PRACH R2的时隙更短。第一PRACH Rl的时隙比传统PRACH R2的时隙重复得更频 繁。从而先鹏UEll的接入鹏降低。在这，'仔中，第二PRACH结构R2的部分时隙与第一PRACH结构R1的时隙重合。结果是，先进型UE所传送的 RA请求与传统UE所传送的RA请求在第二 PRACH结构R2的至少一部分中 竞争°
可替换地，第一和第二PRACHR1、R2的时隙长度相同，而根据本发明方 法在第一 PRACH Rl上传送的RA请求的持续时间比在第二传统PRACH R2上 传送的RA请求的持续时间更长。
为了实现本发明，第一节点BNB1需要适針在第一时隙TS1内接收RA 请求，所述第一时隙TS1仅仅容纳5X的保护空间(guardspace)或更少。这是 在所^l的IWJiM信的过程中按照常规接收突发的方式。如果不是所有的UE 都育辦根据本发明将随机接入传输提前，贝U节点BNB1需要支持第一和第二类 型的PRACH。此外，节点B应当广播其地理位置。当启动新的节点BNB1时， 必须将该 输入存储器。财卜，BCCH应该包括用于节点BNB1位置信息的 字段。对于现有系统，肯,f顿节点B所广播的小区标识。当然，这必须被应 用于网络中的所有节点B(NB1-NB3)，所述网络旨在會,充当第一节点BNB1。 在这种情况下，在UE中需要数据库以用于将小区标识鹏至U节点B的位置。
尽管以FDD模式的系统给出本发明的实施的例子，并且FDD模式是旨在 用于实施的主要模式，但是并不妨碍在TDD模式的系统中实施本发明。此外， 育^l多在基于各种鄉接入技术(即，FDMA、 TDMA、 CDMA或OFDMA技术) 的系统中实施本发明。在这些鄉的系统中，在重复的时隙TS1内构造PRACH， ^^f述时隙内允许UE ll传送RA请求。另外，在硬切换盼瞎况下，专用于某 一UE ll传送第一接入突发的信道被编组成时间窗，特别地是，这些可用于接 入突发。在该说明书中，用于无线电基站的术语节点B是3GPP内的标准化术 语。本发明的应用决不局限于3GPP标准化的蜂窝系统。
权利要求
1. 一种用于蜂窝通信系统中的用户设备(11)的方法，包括步骤扫描(S2)通信系统的无线电信道，以查找可用的下行链路广播信道；同步(S3，S32)到第一节点B(NB1)的下行链路广播信道；在第一节点B(NB1)的时隙的随机接入信道(R1，R2)上传送(S9)随机接入请求(B1)；其特征在于包括进一步步骤接收(S4)指示第一节点B位置的参数；从至少三个时间同步的定位节点接收(S5，S32，S62)同步信号；接收(S6，S72)关于所述定位节点的位置的信息；确定(S7)用户设备(11)与第一节点B(NB1)之间的距离；在传送步骤之前计算(S8)用户设备与第一基站(NB1)之间的传播延迟；将所述传送的定时提前(S9)所述传播延迟。
2. 根据权利要求l的方法，其中，将关于定位节点的位置的信息与同步信 号一起接收。
3. 根据权利要求l的方法，其中在传送步骤之前，从加载在用户设备中的 ,取关于定位节点的位置的信息。
4. 根据权利要求1或2的方法，其中定位节点包括GPS卫星。
5. 根据权利要求4的方法，其中，在第一节点B的广衝言道上接收第一 节点B (NB1)位置参数。
6. 根据权利要求4的方法，其中，在第一节点B的广J新言道上接收第一 节点B (NB1)标识，并且在传送步骤之前从下载到用户设备中的数据库获取 第一节点B的位置。
7. 根据权利要求1 、2或3的方法，其中定位节点包括所述第一节点B(NB1) 以及第二和第三节点B (NB2,NB3)。
8.根据权利要求i的方法，其中相对于与下行^s各ntft道的同步进行所述提前步骤。
9. 根据禾又利要求1的方法，其中将随机接入信道(Rl)划分成预定义周 期的时隙，并且随机接入信道(Bl)占时隙周期的95%或更多。
10. —种用于蜂窝通信系统的用户设备(11)，包括接收机(61)，被安排用于同步到第一节点B (NB1)所传送的广^ff道， 并且在用户设备处于空闲模式时接收关于上fi^随机接入信道(R1,R2)结构口 J Ifi尼、，劍寸机(62)，与接收的广 新言道时间同步，并且被安排用于在所述随机接 入信道(R1,R2)上向所述第一节点B传送随机接入请求(Bl)，其特征在于， 还包括距离计算器(64)，被安排用于经由输入端从GPS接收机接收关于所述用户设备(11)的地衝體的信息， 并且接收用于标i邵万述第一节点B (NB1)的地理位置的信息， 或者可替换地，至少接收经由所述接收机从第一节点B (NB1)和至少两个其它节点B(NB2,NB3)接收的同步信号中的互差连同用于标识所述三个或更多个节点B(NB1-NB3)的位置的信息，并且用于计算用户设备(11)与所述第一节点B (NB1)之间的传播延迟； 时间校准控制器(65)，具有来自距离计算器(64)的输A^口到鄉机(62)的输出，并且被安排用于将所述随机接入请求(Bl)的传输定时提前，以补偿到所述节点B的传播延l
11. 根据权利要求10的用户设备，还包括控制器，所鹏制雜制接收机 (61)、距离计算器(64)和发射机(62)的操作。
12. 根据权利要求10的用户设备，其中距离计算器被连接到，或包括用于 存储节点B位置的数据库，并且进一步被安排为Mil参考节点B的标识来获取 节点B的位置。
13. —种适于在包括有规律地重复的专用时隙(TS1)的第一和第二物理 随机接入信道(R1^R2)上从多个UE (11)接收特定长度的随机接入请求(Bl) 的无线电基站(NB1)，其特征在于第一物理随机接入信道(Rl)的时隙具有 的持续时间为所述特定长度加上所述特定长度最大5%的保护空间，并且所述第 二物理随机接入信道(R2)的时隙具有的持续时间为所述特定长度加上所述特 定长度的20%，多的保护空间。
14. 根据权利要求13的基站(NB1)，其中第一物理随机接入信道(Rl) 的时隙(TS1)与第二物理随机接入信道(R2)的时隙相比以更短的间隔重复。
15. 根据权利要求13的基站，被安排为广播其地理位置。
16. 根据权利要求13的基站，被安排为广播^l示识。
17. 根据权利要求13、 15或16的基站，广播同步信号，并且以至少50ms 的准确度与至少两个相邻节点B同步。
18. 根据权利要求13的基站，其中在第一物理随机接入信道(Rl)上传 送的随机接入请求(Bl)与在第二物理随机接入信道(R2)上传送的随机接入 请求相比具有更长的持续时间。
全文摘要
本发明涉及蜂窝通信系统中的随机接入过程，并且涉及适于执行该过程的用户设备(UE)和节点B。随机接入的一个问题是，用于接收随机接入请求(RA请求)的时隙具有很长的未用的保护部分。当UE传送RA请求时，到接收节点B的距离是未知的，并且保护部分的目的是解决传播延迟。缺点是，随机接入信道的使用效率低，导致UE接入网络的延迟很长。本发明利用以下方法解决该问题，在该方法中，确定UE的位置，并在传输RA请求之前计算UE与节点B之间的距离和传播延迟，以及将传输的定时提前该传播延迟。
文档编号H04W74/08GK101416556SQ200680054116
公开日2009年4月22日 申请日期2006年4月7日 优先权日2006年4月7日
发明者E·达尔曼, J·哈尔特森 申请人:艾利森电话股份有限公司