专利名称：基站、移动站、无线电通信系统以及同步该系统的方法
基站、移动站、无线电通信系统以及同步该系统的方法本申请是已于2004年6月28日提交的以下国际发明专利申请的分案申请国际 申请号PCT/EP2004/051272、国家申请号:200480019741. 9、发明名称“用于同步被划分 成无线电小区的无线电通信系统的方法”本发明涉及一种依照权利要求1的前序部分的、用于同步被划分成无线电小区的 无线电通信系统的方法。蜂窝无线电通信系统，特别是移动无线电系统被区分为同步的和非同步的无线电 通信系统。对于前者，相互在时间上和/或在频率方面同步毗邻无线电小区的基站。为了同 步，特别是为了时间同步，例如从基站方面使用GPS接收机或者借助于费用高的、将要交换 的同步信号把基站相互同步。而传输同步信号又要占用无线电传输资源，从而被占用的无 线电传输资源不再能够提供给付费的用户有效数据传输(有用负荷)使用。在非同步的无线电通信系统中，Btt邻基站相互之间不同步。图3示出一个代表一个移动无线电系统的现有技术的蜂窝无线电通信系统。三个毗邻的无线电小区FZl至FZ3各有一个被分配的基站BTSOl至BTS03。每个 单个的基站BTSOl至BTS03覆盖多个分别被分配给相应的无线电小区FZl至FZ的移动站 TOl至T012。在此，借助于一个“频率重用”规划，给第一无线电小区FZl的第一基站BTOl 总共分配四个载波频率f9至f 12，给第二无线电小区FZ2的第二基站BT02总共分配四个 载波频率Π至f4，并且给第三无线电小区FZ3的第二基站BT03总共分配四个载波频率f5 至f8，专门用于数据传输。每个载波频率Π至Π2沿一个被称为“下行链路"DL的从基站至移动站的连接方 向各有七个时隙TSl至TS7作为无线电传输资源，而每个载波频率f 1至f 12沿一个被称为 “上行链路"UL的从移动站到基站连接方向有五个时隙TSl至TS5作为无线电传输资源。示 例性地，空闲的没有使用的时隙对载波频率f2、f7和fll示出并且标出字母“F”。特别是对于蜂窝结构的移动无线电网络，使用所谓的“正交频分复用”(简称 “OFDM”)的传输技术的意义越来越重要，因为采用这种技术可以以高的数据传输率、高性价 比地传输新的业务，例如视频传输。在无线电通信系统中，特别是在一个OFDM无线电通信系统中，由于必须的多重利 用载波频率在毗邻的无线电小区中造成被称为“Cocharmel-Interference”的同信道干扰， 这种干扰可以用一种所谓的“频率重KFrequency-Reuse) ”规划来降低。图4参照图3示出对应于现有技术的无线电小区FZl至FZ3的同步情况。在下文中假定涉及的是一个其毗邻的无线电小区FZl至FZ3具有一个“频率重用” 因数是“1”在时间上同步的无线电通信系统，无线电小区FZl至FZ3具有一个“频率重用” 因数是说无线电小区FZl至FZ3中采用同样的载波频率。每个基站BTSOl至BTS03和分别分配给每个基站BTSOl至BTS03的移动站TOl 至T012各具有一个与一个预定的值MIT偏离的、基站特有的载波频率偏差DeltaOl至 Delta03。这些垂直示出的载波频率偏差DeltaOl至Delta03在每个单个的基站BTSOl至BTS03由各基站电气部件引起，例如基站专用的本机振荡器。特别是在一个同步的无线电通信系统中采用OFDM无线电传输技术的情况下，由 于高的数据传输率就要求高精度的同步，然而这种高精度的同步却只能花费非常高的成本 才能实现。由WO 01/20818A1公知一种用于在一个PCS网络中同步基站的方法。其中，一个 移动站在采用集成GPS接收机的条件下，既求出自己的位置又求出一个所谓的“偏置项”。 借助于所述位置和该“偏置项”求出一个移动站本机时间与GPS时间之间的一个偏差。该偏差向基站传输并且在基站方在关注位置的条件下，把该偏差用于时间同步。 采用一个由基站传送的、所谓的“系统时间”作为移动站的本机时间。由WO 97/12489A1公知一种方法，其中为了降低干扰，对一个规定的“频率重用”， 把被划分成时隙的、供使用的频率分配给各移动用户。通过给不同时隙分配信号来降低信 号之间可能的干扰。本发明的任务是，对于一个蜂窝无线电传输系统，特别是对于一个OFDM无线电通 信系统提出一种低费用的同步。本发明的任务通过权利要求1的特征完成。本发明有利的扩展在从属权利要求中 说明。通过本发明所述的方法在一个蜂窝无线电通信系统中用简单的手段实现时间和/ 或频率方面的同步。特别有利地，通过所述同步使得特别是毗邻的基站能够使用一种共同被分配给基 站用于数据传输的储备的无线电传输资源。由此可以实现一种特别有效的无线电资源管 理。这引入或者说实现了一种动态利用单个无线电小区中可获得的无线电传输资源。对应于即时的通信负荷相应优化分配可得到的无线电传输资源，其中特别有利地 均衡不均勻分布的用户占用。在一个优选的实施方式中，对无线电传输资源的分配在考虑一个所选取的无线电 传输资源干扰状态的条件下进行。由此使得，例如，只要在所选取的时隙中干扰状态允许， 其中每个都相应地无线电覆盖分别被分配给它的移动站的两个毗邻的基站就能够同时地 使用一个载波频率的一个时隙作为无线电传输资源用于无线电覆盖所述移动站。通过所述的同步使得能够在基站方面或者在移动站方面采用一种尤其对于相互 同步的有效信号和干扰信号是被优化的抑制干扰的方法。在根据本发明所述的方法中，不再传输迄今必须在基站与移动站之间在一个较高 的协议层上交换的用于同步附加信令信息。根据本发明的同步相应独立地并且只通过接收 方的信号处理并且微调基站或者移动站的同步状态进行。借助于根据本发明的方法例如在大型集会活动时以简单的方式实现后来添加另 外基站以及随之出现的无线电小区数量的改变。通过分析已经启动的移动站的信号一个后 来添加的基站与已经在运行着的基站进行同步。所述添加的基站以使得对毗邻的无线电小 区的以及对相应分配给所述无线电小区的移动站的同信道干扰最小化的方式，动态选择运 行所需要的无线电传输资源。本发明所述的方法可以特别有利地用在一个尤其优选地用于有高的数据传输率 的业务的一个OFDM无线电通信系统中。
下面参照附图详细地说明本发明。在附图中
图1示出一个采用本发明所述同步的OFDM无线电通信系统，图2示出在图1的基站方面进行的根据本发明的同步，图3示出在说明书引言部分代表性地说明的现有技术的蜂窝无线电通信系统，而图4示出在说明书前序部分说明的并且与现有技术对应的同步状态。图1代表性地示出一个采用本发明所述同步的OFDM无线电通信系统。三个毗邻的无线电小区FZl至FZ3各有一个所分配的基站BTSl至BTS3。每个单 个基站BTSl至BTS3覆盖一定数量的分别被分配给无线电小区FZl至FZ3的移动站Tll至 T33。在此给一个第一基站BTSl分配总共四个移动站Tll至T14提供无线电服务，而给一 个第二基站BTS2分配总共五个移动站T21至T25提供无线电服务。给一个第三基站BTS3 分配总共三个移动站T31至T33提供无线电服务。所有三个基站BTSl至BTS3为传输用户数据采用以相同权重共同分配的、通过总 共十二个载波频率Π至Π2确定的无线电传输资源。每个载波频率Π至Π2沿一个被 称为“下行链路”DL的从基站到移动站的连接方向具有七个时隙TSl至TS7作为无线电传 输资源，而每个载波频率Π至Π2沿一个称为“上行链路”UL的从移动站到基站的连接方 向具有五个时隙TSl至TS5作为无线电传输资源。空闲的，没有利用的、举例地对载波频率 f2、f8和f 12示出的时隙，用字母“F”标示。与图3作比较，在此通过如本发明所述的同步取消了载波频率fl至fl2对基站或 者对无线电小区的专用分配。下面对第二和第三无线电小区FZ2和FZ3代表性地借助于第一无线电小区FZl详 细地说明如本发明所述的同步。在此，“同步”既可理解为载波频率的时隙在时间上的同步 也可理解为载波频率的频率同步。第一无线电小区FZl的第一基站BTSl沿上行链路UL除了接收被分配给它的移动 站Tll至T14的信号以外还接收毗邻的无线电小区FZ2和FZ3的移动站的附加的信号。这 种接收在无附加地监测其它频带的条件下自动地进行。例如，第一基站BTSl沿上行链路还接收第二无线电小区FZ2的移动站T21和T22 的信号和第三无线电小区FZ3的移动站T31和T32的信号。在接收毗邻的无线电小区FZ2 和FZ3的移动站信号的基础上第一基站BTSl确定一个第一时间偏差和一个第一频率偏差， 并且从这些值推导出一个适当的时间同步值和一个频率同步值，第一基站BTSl最终同步 于所述时间同步值和频率同步值。对所有移动站代表性地考虑，沿一个下行链路DL第一无线电小区FZl的一个第三 移动站T13除了接收自己无线电小区FZl的基站BTSl的信号以外还接收毗邻的无线电小 区FZ2和FZ3的基站BTS2和BTS3的信号。现在根据所接收的基站信号，第三移动站T13 确定一个第二时间偏差和一个第二频率偏差并且从这些值导出一个适当的时间同步值和 一个频率同步值，移动站T13最终同步于所述时间同步值和频率同步值。这种根据本发明的同步例如按帧重复，由此通过时间平均得到一种精确的自组织 的时间同步和频率同步。通过根据本发明的同步在本发明的一种扩展中现在采用一个基站方面和/或移 动站方面的干扰抑制方法。
通过根据本发明的同步特别有利是实现一种灵活而自适地实现的无线电资源管 理，因为所有基站都可以访问无线电传输资源的共同储备。在此例如可以在考虑最小的同 信道干扰的条件下进行一种载波频率选择。传输资源对移动站的分配专门通过对各移动站 相应地分配的基站进行。通过取消对基站以及无线电小区的专有的载波频率分配使得例如如果时隙TS5 中的干扰状态允许，那么无线电覆盖移动台T14的基站BTSl和无线电覆盖移动台T32的基 站BTS3就能够同时使用载波频率f5的时隙TS5。所述干扰状态例如通过在基站上的扇区 化的接收天线和/或发射天线影响或者通过无线电信号的工作特性影响或者通过用户之 间的空间距离影响。在扇区化中，一个基站例如具有三个天线装置用于发射和/或为接收无线电信 号，这些天线装置中的每个单个的天线装置分别无线电覆盖一个120°张角的扇区。由此达 到无线电信号的空间分隔或者说区分，并且视张角的选择而异来改善干扰状态。在非均勻无线电小区布置的情况下，三个基站中的每一个都可以视需要而异全部 或者只是部分地介入载波频率的传输资源，由此避免在单个无线电小区中同时主导超容量 时在一个单个的无线电小区中的瓶颈现象。新添加的基站在各自相关的频带中同步并且根据时间同步和载波频率同步的目 的分析接收到的信号。从而可以不花费高成本而实现后来的无线电通信系统的扩充或者说 后来的容量提高。根据本发明的同步自动地进行并且既不需要高耗费的信令也不需要高耗费的GPS 同步。图2示出在图1的基站方面进行的根据本发明的同步。对于每个单个的移动站相应地垂直画出的一个移动站特定的载波频率偏差。所考 虑的第一基站BTSl接收沿上行链路UL从移动站T21、T22、T12、T13、TlU T31和T32发射 的信号并且从中确定一个同步状态值dl，在此所述同步状态值举例地通过画阴影的矩形表 示为平均值。基站BTSl沿正的同步值dl的方向对应地纠正其同步状态。这对于其它的基 站BTS2和BTS3也相应成立。与之类似地进行在此没有详细地说明的各个移动站的同步。如果在上述的蜂窝无线电通信网络中单独地或者相互结合地使用一个TDMA/FDMA 多址方法并且考虑用于传输一个所谓的时分复用传输模式(TDD模式)，从而在基站接收的 信号r (t)由所有无线电小区的多个用FDMA多址方法同时发射的移动站的信号迭加组成。每个基站从所接收的信号r(t)求出处于毗邻的无线电小区中的移动站中的对平 均的接收时间点迭加的OFDM符号。借助于相邻的、以OFDM符号长度N的间距排列的采样值的校正，形成针对采样值 k的量度λ (k)，它的值也在OFMA符号长度为N的FDMA上行链路情况下具有周期性的值。成立有X{k) =+ m)r* (Jc + m +其中，M表示窗长度，通过所述窗长度以减少噪声为目的来对量度值取平均。这通 常与所谓“保护间隙”的长度是相同的。可能地，为了改善检测特性而选择偏差的校正过的 值的间距N的长度和窗口长度M。
替代在各个基站上的移动站信号分量的平均的时间偏差，量度的绝对值I λ (k) 假定为这样的值，该值是与从这个小区所接收的移动站的信号的功率和成比例的。由于这 个原因，根据计算量度值来寻找最大的量度绝对值I λ (k) ι，并且将最大绝对值的位置继续 用作各个基站的时间偏移量的估计值。所述量度值在保留的剩余的载频偏差的情况下是复 数，因此根据在量度最大值中所测量的、载频偏差的较小值的相位，能够确定在OFDM符号 中所接收的信号的平均的载频偏差的近似值。有利地，为了分开不同移动站的FDMA信号，在频域中对所接收的信号进行分析， 因为这些信号配属于不同的副载波。载频偏差在这种情况下分别根据在每个副载波上所接 收的OFDM符号的相位旋转加以实现。在此，根据在具有时间下标η和n+1的两个连续的OFDM符号的副载波之间的、 部分载频k的传输因数H(n，k)在时间间隔Ts中的相位改变，得到部分载频的频率偏差 5f(k)0因此有-丄丄根据毗邻无线电小区的在频域中估计之后存在的载频偏差值，在依照估计的质量 进行评估之后确定从相邻无线电小区所接收的移动站的例如平均的载频偏差。根据在所接收的配属于同一基站的移动站的OFDM符号之间的相位旋转，分别确 定时间偏差。根据在频域中估计之后存在的时间偏差值，在依照估计的质量进行评估之后 确定从相邻无线电小区所接收的移动站的例如平均的时间偏差。借助于所确定的时间偏差和载频偏差，每个基站分别根据所确定的值来调整自身 的载频和自身的发射时间点。在适当的调整回路环路滤波器的设计中，这个过程自动地导 致收敛的估计。针对根据本发明的在一个TDD无线电通信系统中同步一个新添加的基站要求以 下的步骤-监听上行链路和下行链路以确定TDD帧结构，-确定所有的所测量的接收时间点的、绝对的发射时间点，以及-按照前面所述的模式来分析信号。每个基站在上行链路方面确定在无线电小区中有效的移动站的有用功率，以及确 定每个副载波的来自毗邻无线电小区的同信道干扰功率。基于这些信息，每个基站作出独立的关于要占用的带宽的决定。选择具有最小干 扰功率的那一个副载波。在此，基站依赖于可达到的信道质量作出自适应的关于要占用的 副载波的位置和数量以及要应用的物理传输参数的决定，以便能够最佳地无线电覆盖位于 无线电小区内的移动站。干涉小区的组织是不必要的。这种多址避免无线电小区内的干扰和在毗邻无线电小区的移动站之间的干扰。所 应用的多址方法的居于支配地位小区的自组织的优化被实施。在考虑无线电传输信道特性 的情况下和在考虑在蜂窝式环境中瞬时干扰状况的情况下实现这种优化。
权利要求
用于同步被划分成无线电小区的无线电通信系统的方法，其中，借助于多址方法传输数据，每个无线电小区都有一个基站用于无线电覆盖多个被分配给该无线电小区的移动站，该方法包括在无线电小区的基站接收该无线电小区的移动站信号以及与该无线电小区毗邻的无线电小区的移动站信号，从在所述基站接收的移动站信号中确定一个用于时间同步和/或用于频率同步的同步值，该基站同步于所述同步值。
2.如权利要求1所述的方法，该方法包括 在该无线电小区的移动站接收该无线电小区的基站信号以及与该无线电小区毗邻的 无线电小区的基站信号，和从在该移动站接收的基站信号中确定用于时间同步和/或用于频率同步的另一个同 步值，所述移动站同步于所述另一个同步值。
3.如权利要求1所述的方法，其中，Btt邻的基站采用共同被分配给基站用于数据传输 的一个储备的无线电传输资源。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述基站采用共同被分配的载波频率的时隙作为 无线电传输资源。
5.如权利要求4所述的方法，其中，至少两个毗邻基站同时并且一起使用一个载波频 率的一个时隙用于无线电覆盖相应分配的移动站，并且考虑该时隙中干扰状态而从共同分 配的无线电传输资源中选取所述时隙。
6.如权利要求1所述的方法，其中，为了进行同步，基站和/或移动站对所采用的载波 频率和时隙发射时间点进行微调。
7.如权利要求1所述的方法，其中，还包括借助于干扰抑制法降低基站和/或移动站的 同信道干扰。
8.如权利要求1所述的方法，其中，还包括在基站方分配无线电传输资源以使得毗邻 无线电小区中的同信道干扰最小化。
9.如权利要求1所述的方法，其中，采用正交频分复用无线电传输方法。
10.如权利要求1所述的方法，其中，采用时分复用或者频分复用无线电传输方法。
11.如权利要求9所述的方法，还包括通过在转换到频域中以后求出相继的符号中的相位旋转来确定频率偏差或者通过关 联的时间偏差。
12.如权利要求1所述的方法，其中，不用附加信令借助于在基站与所分配移动站之间 的较高协议层进行无线电通信系统的基站和移动站的所述同步。
13.基站，在被划分成多个无线电小区的无线电通信系统的一个无线电小区中借助于 多址方法传输数据，为了无线电覆盖多个被分配给该无线电小区的移动站，该基站包括接收该无线电小区的移动站信号以及与该无线电小区毗邻的无线电小区的移动站信 号的接收机，和从所述移动站信号中确定一个用于时间同步和/或用于频率同步的同步值的处理器， 该基站同步于所述同步值。
14.用于同步被划分成无线电小区的无线电通信系统的方法，其中，借助于多址方法传输数据，每个无线电小区都有一个基站用于无线电覆盖多个被分配 给该无线电小区的移动站，该方法包括在无线电小区的移动站接收该无线电小区的基站信号以及与该无线电小区毗邻的无 线电小区的基站信号，从在移动站接收的基站信号中确定用于时间同步和/或用于频率同步的另一个同步 值，该移动站同步于所述另一个同步值。
15.如权利要求14所述的方法，其中，Btt邻的基站采用共同被分配给基站用于数据传 输的一个储备的无线电传输资源。
16.如权利要求15所述的方法，其中，所述基站采用共同被分配的载波频率的时隙作 为无线电传输资源。
17.如权利要求16所述的方法，其中，至少两个毗邻基站同时并且一起采用载波频率 的时隙用于无线电覆盖分别分配的移动站，以及该方法还包括考虑时隙中干扰状态而从共同被分配的无线电资源中选出时隙。
18.如权利要求14所述的方法，其中，为了进行同步，基站和/或移动站对所采用的载 波频率和时隙发射时间点进行微调。
19.如权利要求14所述的方法，其中，还包括借助于干扰抑制法降低基站和/或移动站 的同信道干扰。
20.如权利要求14所述的方法，还包括在基站方分配无线电传输资源以使得毗邻无 线电小区中的同信道干扰最小化。
21.如权利要求14所述的方法，其中，采用正交频分复用无线电传输方法。
22.如权利要求14所述的方法，其中，采用时分复用或者频分复用无线电传输方法。
23.如权利要求21所述的方法，还包括通过在转换到频域中以后求出相继的符号中的相位旋转来确定频率偏差或者通过关 联的时间偏差。
24.如权利要求14所述的方法，其中，不用附加信令借助于在基站与所分配移动站之 间的较高协议层进行无线电通信系统的基站和移动站的所述同步。
25.移动站，在被划分成多个无线电小区的无线电通信系统的一个无线电小区中，借助 于多址方法传输数据，每个无线电小区都有一个基站用于无线电覆盖被分配给该无线电小 区的多个移动站，该移动站包括接收该无线电小区的基站信号以及与该无线电小区毗邻的无线电小区的基站信号的 接收机，从所述基站信号中确定一个用于时间同步和/或用于频率同步的同步值的处理器，该 移动站同步于所述同步值。
26.被划分成多个无线电小区的无线电通信系统，其中借助于多址方法传输数据，每个 无线电小区都有一个基站用于无线电覆盖被分配给该无线电小区的多个移动站，该无线电通信系统包括至少一个基站，每一个基站被分配给一个相应的无线电小区，接收该相应无线电小区 的移动站信号以及与该无线电小区毗邻的无线电小区的移动站信号，并且从所述移动站信号中确定用于对至少一个基站进行时间同步和/或用于频率同步的 一个同步值。
27.被划分成多个无线电小区的无线电通信系统，其中借助于多址方法传输数据，每个 无线电小区都有一个基站用于无线电覆盖多个被分配给该无线电小区的移动站， 该无线电通信系统包括至少一个移动站，每一个移动站在一个相应的无线电小区中，接收该相应无线电小区 的基站信号以及与该无线电小区毗邻的无线电小区的基站信号，并且从所述基站信号中确定用于对至少一个移动站进行时间同步和/或频率同步的一个 同步值。
全文摘要
本发明涉及一种同步一个被划分成无线电小区的无线电通信系统的方法，其中借助于时分多址方法传输数据并且其中每个无线电小区具有一个基站用于无线电覆盖多个分配给该无线电小区的移动站其中一个基站除了接收自己的无线电小区的移动站信号以外还接收从毗邻小区发出的移动站信号并且从接收的移动站信号中确定一个时间同步值和/或一个频率同步值，所述基站同步于所述的时间同步值和/或频率同步值。
文档编号H04B7/26GK101980459SQ20101055414
公开日2011年2月23日 申请日期2004年6月28日 优先权日2003年7月10日
发明者D·加尔达, E·科斯塔, E·舒尔茨, H·哈斯, H·罗林, N·迈尔 申请人:西门子公司