专利名称：同步基站发射机的方法
本申请涉及到通信系统基站的频率捕获的方法，使得它们获得主基站的频率(节点B频率捕获)且将其用于同步基站发射机。
在移动电话基站(节点B)硬件中一个高成本的单元是参考振荡器。在无线电网络系统中节点B(或小区)之一将包括GPS接收机，而在每个基站中都包括GPS接收机是非常昂贵的。
已有人建议通过空中的节点B同步以消除在其他节点B中对GPS接收机的需求以便节省成本。换句话说，一个主基站可以通过发送同步信号来确保其他基站同步于它。
然而，需要昂贵的恒温晶体振荡器以获得必需的绝对参考频率振荡器精度，这是时间同步的先决条件。
因此，本发明的一个目的是引入一种方法，由此具有相对差的绝对精度的多个节点B可以获得一个具有精确时钟的节点B(例如包含GPS接收机的节点B)的频率。这些节点B一旦被适当的训练，就可以为在它们范围内但不在包含GPS接收机的节点B的范围内的其他节点B担当空中的频率参考，依此类推，直至所有的振荡器被训练。
已知的节点B同步是基于节点B同步突发的发送和接收。为了使节点B之间同步链路的范围/可靠性最大，同步突发已被定义为一个长码，占据了整个时隙的大部分。尽管就接收灵敏度而论是有利的，但最大化的码长度导致对频率误差的增加的灵敏度。对于以3.84Mcps的2048码片的码长，1875Hz的频率误差将导致在码周期上的相移的一个完整周，还导致相关器的零输出。对于2GHz的传输，这对应于大约1ppm的误差。为了使成本最小，希望使用具有最多±3ppm频率误差的振荡器来运行。没有在频率内的搜索这将是不可能的。
发明人已决定在当前标准的同步操作之前引入一个可选择的频率捕获阶段作为节点B同步程序的一部分。此外，在本发明中，一个或更多节点B连续地发送，但一开始仅仅是包含GPS接收机的节点B连续地发送。
因此，本发明包括在包含无线电网络控制器(RNC)和多个基站的通信网络中同步基站的方法，该基站中的一个有正确的时间，该方法包括步骤
a)指示失步的基站来搜索频率捕获传输；b)指示该具有正确时间的基站进行一个连续的频率捕获传输；c)允许一个或更多失步的基站获得频率捕获传输的时间和频率。
优选地，连续的频率捕获传输的时间周期少于5ms但是多于一个时隙(典型地为667μs)。
假定新无线电网络系统(RNS)的交付使用将是可以安排在低业务活动时间(例如在夜间)内的很少发生的事件，则对使用相同频率的现有RNS的干扰可以忽略。对不同RNS使用不同节点B同步突发码将防止来自这些传输的现有RNS的较长期中断。
正常的节点B同步码在每个时隙中重复以用于频率捕获突发。当前为节点B同步建议的码结构涉及所谓的互补扩展码(CEC)。这要求各具有循环扩展的两个互补码的级联，其中码开始的一段在尾部重复。互补码是这样的码，即其偶自相关函数除了在它们是相同的对齐位置处，均互为倒置。循环扩展长度可以增加以使传输连续。
图1对比了标准的已知同步时隙分配与依照本发明用于附加的频率捕获阶段的同步时隙分配。在通常的TDMA中，在每个帧1中有15个时隙2。图1a示出许多帧1。在每个帧中的一个时隙，物理随机接入信道或PRACH，被用于同步信号，且典型地持续667微秒，即全部帧时间10ms的15分之一。图1b示出依照本发明的频率捕获的步骤如何使用帧中的时隙。可以看出，频率捕获信号是连续的并且对于多个帧，在每个时隙中都包含频率捕获数据。应当指出在每个时隙中通常有一个小的保护周期且术语“连续”的意思是连续的时隙被用于频率捕获。
使用图1a的方法即短时隙持续时间捕获频率的任何企图都是非常困难的，这是由于基站不但必须搜索正确频率而且必须知道这样做的恰好时间。依照本发明的方法克服了这个问题。
下面示出的仅仅是在本发明范围内可以实施的优选方法的实例。
优选实施方案中，在节点B/小区级发生两个用于频率捕获的阶段1.在第一个阶段中，运行这两个互补码的匹配滤波器；适当的匹配滤波器可以使用在S.Z.Budisin的论文“Efficient pulsecompressor for Golay complementary sequences(用于格雷互补序列的有效脉冲压缩器)”中描述的结构，并且对于本申请来说是非常有效的，每个采样仅仅需要40个加法/减法以并行地对两个码执行匹配滤波，该论文发表于Electronics Letters，1991年1月第27卷第3期219-220页。在1.5时隙的周期内，保证以任一顺序接收到两个码是可能的。然而，如果频率误差大，那么两个码可能都不能检测。因此，在进行相关之前对接收信号作频移是有利的。如果在1.5时隙的周期内没有检测到码，则移动频率且重复该过程。如果在每个码期间由于频率误差允许1dB的最大损失，则最大可容许的频率误差是1024码片上±0.26周或在2GHz上大约为1kHz对应于±0.5ppm。因此，在每个间隔内频率可以用1ppm进行步进。如果，例如在±3ppm上搜索，那么这对应于6步或9个时隙周期。如果步进模拟地是使用温控或压控晶体振荡器，那么步长可能会受到振荡器增益常数不确定性的影响。假设增益精度为±20％。如果要求最大步长为1ppm(对于在+20％操作边界振荡器)，那么额定的步长将必须为1/(1+0.2)＝0.833ppm。然后最小的步长将为(1-0.2)×0.833ppm ＝0.666ppm。为了保证使用最小步长覆盖全部±3ppm的范围，我们将需要9步或14.5个时隙周期。这样，使用相对简单的硬件在小于15个时隙即小于一个帧的时间内搜索全部频率范围应该是可能的。
2.一旦已经完成第一阶段(粗略的)频率捕获，就调用第二阶段捕获。这可以通过使用自动频率控制(AFC)环路来完成。用于第二阶段捕获的频率误差检测器可以通过与第二个码的相关以及测量第二阶段捕获和第一个码之间的相位差来实现。可替代地，两个码的相关分数可以加在一起并且与以前两个码的分数和的相位进行比较。后一方法具有较小的最大频率误差范围，但是改善了噪声性能。
假设对于10ppb最大均方根误差设定AFC环路的参数。这在2GHz上对应于20Hz或在2048码片上对应0.01周。仿真显示，在10ppb内对于仅为6dB的总(两个互补码)解扩输出信噪比少于30次迭代(时隙)下，适当的AFC环路可以调整好。三十个时隙等于2帧(20ms)。
因此，单个节点B/小区应当能够在仅仅30ms内捕获频率。在这个基础上，GPS节点B/小区的所有邻居应当在30ms内进入同步状态。它们的邻居应在另外的30ms内具有捕获的频率。在一个RNS中所有节点B/小区的总时间平均起来将大约为M/2×30ms，其中M是跨越网络的“跳”数。因子2的出现是由于GPS节点B/小区将典型地在网络的中心，频率捕获在所有方向上散开。典型地，对于二维的展开，跳数将随着节点B/小区数目的平方根增长。因此，甚至对于一个包含大约1,000个节点B/小区的大RNS来说，捕获频率的时间不应超过一秒。这是重要的，其原因有两个它缩减了连续传输的时间；且它使振荡器可能漂移的时段最小。
如前所述，一旦单独的节点B/小区已完成频率捕获，它就开始发送。为了避免交叉码干扰，新发射机将它的发送定时设置成接近于先前接收到的定时是有必要的。尽管它不再能够接收，但由于现在它的时钟频率接近于其他已发送的节点B/小区的时钟频率，故它的定时不应在时间上漂远。例如，50ppb的误差将在一秒上保持定时在50ns内(＜1/4码片)。接收这个和其他发射机的任何节点B/小区将典型地分辨出数个路径中的每一个并且依照它们的到达时间分辨出来自不同发射机的路径。这提供了一个分集的元素。它也允许在接收到的信号频率上进行某种平均以形成测量的频率。这将意味着接收到的复合信号的频率误差的标准偏差应比任何单独信号的频率误差的标准偏差低。当离GPS节点B/小区越来越远(按照跳)的节点B/小区捕获频率时，这将减轻跨越网络的频率误差的任何增大。
GPS节点B/小区的所有邻居将使频率误差被视为标准偏差为(比方说)10ppb的正态分布的独立采样，该偏差是由AFC环路中接收机噪声的贡献引入的。如图2中的说明，它们的邻居将看到更接近于GPS节点B/小区的一到三个发射机，这取决于它们的位置。沿着对角线的节点B/小区将全都只能看到更靠近于GPS节点B/小区的一个邻居。在这种情况下，方差随着离GPS节点B/小区的距离(以跳计数)而线性增长。因此，例如，经过4跳后标准偏差将加倍至20ppb。在有多重路径到节点B/小区的场合下，方差仍然随着距离而线性增长，但是这种增长按路径的平均数目向下按比例减少。例如，有3条路径时，经过4跳后标准偏差将大约为14ppb。
一旦已经完成频率捕获，就可以运行正常的(以前定义的)节点B同步方案。
一旦全部节点B同步已经建立，参考频率精度就可以通过下列两种操作的任意结合来维持1.在趋向于补偿执行定时更新的需要的方向上调整频率。
2.基于来自单独的节点B同步消息的频率误差测量，计算小的频率调整。在这种情况下，可以通过把第二个互补码的相关器输出的相位与第一个互补码的相关器输出的相位相比较来执行测量。由于这些测量是很少发生的故在性能上受到某种限制。这明显地降低了更新速率。在用这种方法执行频率更新中，仅仅对来自比该接收机更接近于GPS节点B/小区的节点B/小区的信号的测量作出响应是重要的。
新近加入系统的节点B/小区的频率捕获在一个给定区域内采用上面描述的同步突发的同时发送，则新近加入者应听到每2.56秒来自它的至少一个邻居的同步突发。使用前面描述的用于频率的九个串行搜索步，这将意味着要有9×2.56＝23秒的最大时间周期以在正确频率上检测一个同步突发，并且这是可以接受的。即便同步突发间的间隙延长，该时间周期将仍然仅仅在分钟数量级上。一开始的检测将把频率误差减少到±0.5ppm。从这里，可以从单独的同步突发应用某种频率修正，但是，对于正常的情况，主要的方法将基于定时更新。
频率误差检测器用于完成相位和频率锁定的理想装置不是频率检测器，而是相位检测器，它能够在输入相位不受限制的范围内，即，不限于±π弧度的范围内提供元二义性的相位测量。容易看出，在一个闭环电路中，积分器之前的鉴频器实际上是带有扩展相位响应的相位检测器。然而，通用的频率检测器在这种模式下趋向于导致高噪声电平。通过形成一个线性化的频率检测器，这些影响被大大地减轻，其中，相邻采样间的某些噪声被反相关(anticorrelate)且因而被去除。假设相位检测器的输入由采样yn组成，其中yn＝sn+Nn且sn是经过某种相位旋转后的第n个接收信号分量，以及Nn是复AWGN的相应的采样。理想的相位检测器简单地将“幅角”函数应用于连续的yn值。我们也可以通过形成∠{yn·yn-1*}获得相邻采样间的相位差异。应指出我们有 ∠{yn·yn-1*}＝∠yn-∠yn-1现在如果我们把这些相位差馈入到累加器中，则我们形成Σn=n1n2∠{yn·yn-1*}]]>。从(1)中我们可以看到我们有Σn=n1n2∠{yn·yn-1*}=∠yn2-∠yn1-1.]]>这意味着在测量上求和中间级的噪声对总的结果没有贡献。事实上，∠{yn·yn-1*}上的噪声分量被与在∠{yn+1·yn*}上的噪声分量反相关。
权利要求
1.一种在包含无线电网络控制器(RNC)和多个基站的通信网络中同步基站的方法，该基站中的一个有正确的时间，该方法包括步骤a)指示失步的基站搜索频率捕获传输；b)指示该具有正确时间的基站进行一个连续的频率捕获传输；c)允许一个或更多基站获得频率捕获传输的时间和频率。
2.如权利要求1要求的方法，其中，所述的连续的频率捕获传输在0.7ms到50ms之间的时间周期内完成。
3.如权利要求1或2要求的方法，其中，所有的节点B在小于一秒的时间内同步。
4.如权利要求1要求的方法，其中，当一个以前失步的基站已从该具有正确时间的基站获得频率时，另外的步骤是a)把这用信号通知给无线电网络控制器；b)并且开始产生它自己的频率捕获传输。
5.如前述权利要求中任一项要求的方法，其中，频移捕获首先以粗略的步来执行，随后是自动频率控制环路的精细调谐步。
6.一种包含无线电网络控制器(RNC)和多个基站且具有同步基站装置的通信网络，该基站中的一个可设定为有正确的时间，该通信网络包括a)指示失步的基站搜索频率捕获传输的装置；b)指示该具有正确时间的基站进行一个连续的频率捕获传输的装置；c)允许一个或更多基站获得频率捕获传输的时间和频率的装置。
7.如权利要求6要求的网络，其中，所述的连续的频率捕获传输在0.7ms到50ms之间的时间周期内完成。
8.如权利要求6或7要求的网络，其中，所有的节点B在小于一秒的时间内同步。
9.如权利要求6要求的网络，其中，当一个以前失步的基站已从具有正确时间的基站获得频率时，另外的步骤是a)把这用信号通知给无线电网络控制器；b)开始产生它自己的频率捕获传输。
10.如权利要求6到9中任一项要求的网络，其中，频移捕获首先以粗略的步来执行，随后是自动频率控制环路的精细调谐步。
全文摘要
在包含无线电网络控制器(RNC)和多个基站的通信网络中同步基站的方法，该基站中的一个有正确的时间，该方法包括指示失步的基站搜索频率捕获传输；指示该具有正确时间的基站进行连续的频率捕获传输；允许一个或更多基站获得频率捕获传输的时间和频率。该连续的频率传输捕获应优选地在0.7ms到50ms之间的时间周期内完成。
文档编号H04B7/26GK1455995SQ02800112
公开日2003年11月12日 申请日期2002年1月16日 优先权日2001年1月17日
发明者A·P·胡尔伯特 申请人:罗克马诺尔研究有限公司