专利名称：在时分多址无线系统中用于远端带内转换器的时隙恢复的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及无线通信系统，特别是涉及在外围小区所采用的带内转换器的时间同步校正，用以扩大基站收发信机系统(BTS)的覆盖范围。
背景技术：
例如蜂窝移动电话(CMT)、个人通信业务(PCS)等等的无线通信业务通常需要这些系统的操作员来为日益增长的用户服务。因此，已经开发了某些特定类型的多信道宽带基站收发信机系统(BTS)，用来为每个小区中相对较多数目的工作移动台提供服务。这种宽带BTS设备通常可以同时为96个工作移动台提供服务，每条信道的成本低于$2000到$4000。
虽然当每个小区期望有相对较多数目的工作移动台时，这种设备是划算的，但是在大多数其它的情况下，这种设备就非常不划算。例如，在最初的系统扩建阶段，业务提供商并不真正需要使用大量的无线信道。结果，无法证明在宽带多信道无线设备的投资是正确的，直到用户数目增加到信道大多数时间都繁忙的程度。
已有人提出了用于扩大主小区的服务区域的多种技术。例如，加利福尼亚州Camarillo的3dbm公司生产的HPT小区扩展器包括一基站转换器，用于抽样下行链路业务信号和将其转换为一选定的偏移频率。该偏移载波经定向天线被发送到一扩展小区位置。在该扩展小区位置，该载波被转换回最初的蜂窝信道并例如经全向型天线发送到整个扩展小区的覆盖区域内。在上行链路方向，对由该扩展小区从移动单元收到的蜂窝信号进行转换，然后发回到基站转换器，在该基站转换器再将该信号转换回到其最初的载频。
但是，这种装置被设计成仅用于模拟型的蜂窝系统。当尝试扩展使用时分多址(TDMA)信令的基站的服务区域时会遇到特定的问题。这种系统利用这样一种技术，即通过将对每个无线载频的接入分成精确同步的时隙来提供多个话音或数据信道。为了在基站正确解调一TDMA信号，必须为从移动台收到的每个无线脉冲考虑一定时超前。该定时超前用来补偿由于每个移动台到基站的距离不同而产生的信号传播时间的差值。
因此沿上行链路方向传送的TDMA信号必须以正确的时间校准到达该基站收发信机系统。否则，来自不同移动台的信号脉冲会碰撞，基站收发信机系统也就无法正确解调这些信号。因此，在大多数情况下必须限制TDMA小区的标称半径，以便可以保持正确的时间校准。
在颁发给Goedecker且转让给Alcatel N.V.的美国专利US5,544,171中公开了一种扩大TDMA小区半径的方案。此技术利用包括标准的TDMA无线接收机和附加的辅助TDMA接收机。该辅助的TDMA接收机接受并补偿位于标称小区半径外的移动台的TDMA无线脉冲。通过这种方式，避免了从位于标称小区半径外的移动台和位于标称半径内的移动台收到的TDMA信号之间的干扰。
遗憾的是，Goedecker的技术希望两个无线收发信机都完全地位于基站内。这允许辅助TDMA接收机的定时信号直接连接到标准TDMA接收机的定时信号。因此，不可能将Goedecker的技术直接用于远端中继器或转换器设备，其中辅助TDMA接收机必须位于距离基站几十英里的地方，这种定时信号连接是不可能的。
而且，虽然HPT和Goedecker设计可用于扩展单个小区的半径，但它们都没有建议如何同步同时从位于多个小区的多个移动台收到的TDMA信号。
发明内容
本发明的目的在于扩展蜂窝通信系统的可用范围，使其超出通常可使用时分多址(TDMA)空中接口的范围。
另一个目的在于提供TDMA系统中的时延补偿而不必利用多个辅助接收机。
再一个目的在于补偿远端外围小区所采用的转换接收机和主基站之间相关的延时。
还一个目的在于通过测量在下行链路方向观察到的时延提供上行链路方向上远端接收机的时延补偿。
简言之，本发明是用于无线通信系统的结构，其中的小区被分成若干区群。在每个区群中标识一个主小区，一多信道基站收发信机系统(BTS)位于该主小区位置处或附近。
转换无线收发信机不是在该区群的每个其余小区采用完整的一套基站设备，而是位于远端小区中。这些转换无线收发信机在带内工作，即在分配给服务提供商的频率内工作。
这些带内转换器在上行链路和下行链路方向上工作。也就是说，在带内转换器触接收由位于远端小区内的移动台发送的信号，并将其转换成不同的载频，然后发送给主BTS。同样，由主BTS发送的信号首先被带内转换器所接收，转换成不同的载频，然后转发到移动台。
根据本发明，主BTS在校准模式期间测量每个带内转换器信道的时延。这通过将带内转换器设置成环回模式来实现，从而从主BTS收到的下行链路信号被形成中频(IF)信号链环回到上行链路发射路径。然后，由主BTS发送例如为接入脉冲串形式的定时测试信号，该接入脉冲串信号，例如通常由移动台发送。由带内转换器接收该接入脉冲并将其环回到主BTS。主BTS然后解调该环回的信号。然后，主BTS利用如在下行链路路径测量所得到的到达时延估计值来补偿正常操作期间在上行链路信号时隙所作的时间校准。
结果，避免了对通常与时分多址协议有关的小区位置的范围的限制。实际上，这种系统的范围只受到无线链路中期望衰减的限制。
为了更完整地理解本发明及其新的优点和特征，应当参照附图，其中图1所示为根据本发明配置主基站收发信机系统(BTS)、带内转换器和移动台的小区区群的图；图2是本系统组件的方框图；图3是该多信道主基站收发信机系统(BTS)的一优选实施例的详细方框图；图4是该带内转换器(或范围扩展器)的方框图；图5是主BTS中的发射控制处理器在到达时间测量过程期间执行的一系列步骤的流程图；和图6是主BTS中的接收数字信号处理器在处理TDMA信号样值以补偿所测量的到达时间的时候所执行一系列步骤的流程图。
具体实施例方式
图1示出一无线通信系统10，例如蜂窝移动电话、个人通信系统(PCS)或类似系统，其中根据本发明的定时调整方案能够正确解调从外围小区采用的带内变频器基站收到的信号。
系统10在移动台20和公共交换电话网(PSTN)之间经无线信号提供话音和或数据通信。在所描述的本发明的特定实施例中，无线信令协议或“空中接口”使用时分多址(TDMA)技术，例如美国电信工业协会(TIA)颁布的PCS-1900标准[这与欧洲颁布的全球移动通信系统(GSM)标准的相关方面以及欧洲电信标准化组织(ETSI)的其他方面相同]。
带内转换器12-1、12-2、...、12-n(这里也称为“范围扩展器”)的每一个通常位于一组或一簇小区24中一小区22的中心。带内转换器12从位于各自小区22的移动台20接收无线信号，并将这些信号转发给相关的主基站收发信机系统(BTS)15。同样，在主BTS 15发出的无线信号由转换器12转发给移动台20。结果，在主BTS 15内处理与位于区群24的小区12-1、...、12-n内的所有移动台20有关的信号。
带内转换器12每一个都与一特定的小区22有关，且它们每一个都从移动台20接收多个信号并向移动台20发射多个信号，从这个意义上讲，带内转换器12是“基站”。但是，带内转换器12不进行传统的无线基站所执行的解调和调制功能。而是，它们仅用于对从移动台20收到的信号进行带内频率转换，然后将不同频率的这些信号发送到主BTS 15。该带内转换器12还执行反向的功能，即对从主BTS 15-1收到的信号进行频率转换，然后将其发送到移动台20。下面将结合图4讨论该特定的转换方式。
现在参看图2，系统10具体地还包括转换器全向天线11-1、...、11-n-2、11-n-1、11-n(总称为全向天线11)、带内转换器基站(范围扩展器)12-1-1、...、12-n-1、...、12-n-12、转换器定向天线13-1、...、13-n、主基站天线14-1、...、14-n、多信道主基站收发信机系统(BTS)15-1、...、15-n、一个或多个基站控制器16、移动交换中心18和移动台20-1、20-2。
主BTS 15-1、...、15-n负责解调无线信号，并将这些信号通过移动交换机17连接到公众交换电话网(PSTN)。主BTS 15-1、...、15-n还将通过移动交换中心18从PSTN收到的信号调制成通过带内转换器12在空中传输的格式。特定的主BTS 15-1服务与一给定的小区22的区群24有关的多个带内转换器12-1-1、12-1-2、...、12-1-n。
可能会多于一个的基站控制器(BSC)16具有多种功能。主要的功能是管理移动台20和PSTN之间的逻辑连接。为了实现该功能，基站控制器16将发射和接收无线载频分配给每个移动台20、带内转换器12和主BTS 15。通常，单个基站控制器16可以为5到20个主BTS 15-1、...、15-n提供服务。
现在参看图3，一示意性主基站收发信机系统(BTS)15包括一宽带收发信机部分40和收发信机控制处理器50。该收发信机部分40用作无线信道Um的接口，并最好包括宽带无线接收机和发射机设备，以同时接入到多个邻接接收和发射信道。收发信机控制处理器50根据通过所熟知的Abis接口从基站控制器(BSC)16收到的命令来协调收发信机部分40的操作。
之所以说宽带多信道接收机45和发射机49是宽带的，是因为它们覆盖了业务提供商可用来操作系统10的射频带宽的绝大部分。例如，宽带接收机43在1900-2000MHz范围内可以下变频5兆赫兹(MHz)带宽，该带宽包含25个无线载波信号，每个无线载波信号具有大约为200千赫兹(kHz)的带宽。每个这种载波信号通常包含高达8个PCS-1900信道信号。
收发信机部分40包括一宽带多信道接收机43和宽带多信道发射机49。宽带多信道接收机43通常又包括模数(A/D)下变频器和一个或多个数字滤波器组分析器(未示出)，这些分析器以共知的方式操作以提供N个数字信道信号。多个数字信号处理器(DSP)接收数字信道信号并被编程作为解调器44-1、44-2、...、44-p(总称为解调器DSP 44)。解调器DSP 44经时分复用(TDM)总线连接到宽带多信道接收机43，这允许该N个接收机输出的任何一个连接到任何一个解调器DSP 44。每个解调器DSP 44在其输出提供一经解调的无线信号。编码器45可用于将解调器DSP 44的这些输出编码为适当的信令格式，用于通过Abis接口发送到基站控制器(BSC)16。
收发信机40沿发射方向执行交互功能。特别是，解码器46和多个调制器DSP 48-1、48-2、...、48-p向宽带多信道发射机49提供N个调制信号，每个调制器DSP 48-1、48-2、...、48-p在输入接收一个信道信号。也连接到TDM总线的宽带多信道发射机49包括数字滤波器组合成器和数模转换器。该宽带多信道发射机组合所述N个调制信号以产生一宽带合成信号用于传输。
收发信机控制处理器50是例如微机的计算机，包括一中央处理单元(CPU)52、存储器53、输入/输出(I/O)接口54、和总线控制接口55。I/O接口54用于通过Abis接口从BSC 16接收控制信令。为了促进与宽带收发信机40的通信，收发信机控制处理器50利用时分复用(TDM)总线控制器55。
总线控制器55确保来自该宽带多信道接收机43的输出以预定的顺序插入到特定的解调器DSP 44。同样，总线控制器55确保调制器DSP 48的输出以预定的顺序插入到宽带多信道发射机49的N个输入。总线控制器55以共知的方式通过利用总线时隙计数器和时隙存储器电路完成上述目的，以确定连接的顺序。
1994年4月8日提交的名称为“用于多信道通信网络的利用具有输出样值定时调整的宽带FFT分路器(Channelizer)和逆FFT组合器的收发信机装置”的待审查的美国专利申请，描述了该多信道BTS 15的多个实施例的细节，该美国申请被转让给了本申请的受让人AirNet通信公司。
图4是根据本发明的一个带内转换器12的详细情况的方框图。带内转换器12包括一全向天线11、定向天线13、回程到地面变频器100、定向耦合器102、环回开关104、地面到回程变频器106、脉冲信号检测器110、移频器109和多样检测器108。
回程到地面转换器100从定向天线接收来自主BTS 15的信号，回程到地面转换器100将这种信号的载频移动到在分配给系统10的操作员的频率带宽范围内的另一个频率。在PCS-1900系统中，例如可以从主BTS 15接收在1975-1990MHz范围内的信号。如前所述，每个信号是200kHz带宽的信号。然后，该信号被转换成在1975-1990MHz带宽内一不同的载频。该经转换的信号然后被通过定向耦合器102发送出去，到达全向天线11，并从这里被发送到移动台20。
在接收方向，全向天线11从移动台20收到的无线载频信号首先被送到环回开关104。在带内转换器12的正常操作模式下，环回开关104被设置成将全向天线11收到的信号耦合到地面到回程变频器106。该地面到回程变频器106然后执行一载频转换。例如，在PCS1900带宽内，可在1895-1910MHz的范围内接收信号并将其转换为该带宽内的不同载频。然后将从地面到回程转换器106的输出连接到该定向天线13用于发送回主BTS 15。
脉冲信号检测器110被安排成检测BTS 15发送的启动环回或“脉冲(ping)”信号。在首先检测到启动环回信号后，该脉冲信号检测器110使该环回开关104进行操作，以连接全向天线通过回程到地面转换器100、耦合器102、环回开关104和地面到回程转换器106收到的信号。当转换器12处于环回模式时，频偏电路109调整下行链路和上行链路载频的差值。在这里所述的PCS-1900例子中，该偏移是(1975减去1895)或80MHz。
当脉冲信号检测器110收到随后来的终止环回信号时，环回开关104被操作来使转换器12回到正常模式。
为了根据本发明执行对到达时间的调整，结合主BTS 15来使用具有环回模式的带内转换器12。特别是，BTS控制处理器52(图3)包括跟踪它所控制的每个带内转换器12动作的处理。
该处理通常如下进行。当例如5分钟的时间期限内在与一特定带内转换器12有关的载频上没有向或自移动台20发送射频信号时，控制处理器52向与该特定无线信道有关的发射数字信号处理器(DSP)48发送一命令。然后该DSP 48使启动环回脉冲信号被发送到带内转换器12。该脉冲信号例如可以采取被发送用于一预定数目的连续时隙的一恒定基带信号音的形式。在等待足以确定带内转换器12已处于环回模式的一段时间后，DSP 48然后使例如随机接入控制信道(RACCH)脉冲串的定时测试信号发送到转换器12。然后启动相应的接收DSP 44以检测该RACCH脉冲串并测量该RACCH脉冲串环回到主BTS 15所需的时间。通过这种方式，主BTS15通过将观察到的环回时间除以2可确定带内转换器12和基站15之间的实际传播时间。
在确定该传播时间之后，环回终止信号(可以是不同于启动环回信号音的信号音形式)使脉冲返回检测器110将环回开关104返回到正常模式。如果需要，可以重复该过程并求测量的平均值。
图5包含BTS控制处理器50在对特定转换器12的到达时间进行测量的过程期间所执行的步骤的流程图。在第一步200，特定的一个带内转换器12被检测为在预定的时间期间内不工作。在下一步202，请求有关的发射DSP 48发送启动环回脉冲信号。下一步204使处理器50进入等待状态，等待一预定的时帧，之后，在步骤206，请求DSP 44发送该RACCH脉冲串信号。
在下一步208，启动一计时器，该步骤最好与步骤206同时出现。在步骤210，报告正由相关的接收DSP44检测到的返回RACCH脉冲串。在步骤212，读取计时器数据。在步骤214，终止环回脉冲信号被发送回带内转换器12。在最后一步218，通过求重复的定时间隔测量结果的平均值并将其除以2来计算时偏“t”。对于区群24中的每个转换器重复该过程，来确定其每一个的时间间隔测量值。
图6结合本发明示出了由接收DSP 44在正常操作期间执行的一系列步骤。在第一步220，如在上述的正常解调过程中那样读出信道样值。在下一步222，该信道样值定时基准被偏移时间“t”，该时间由对所述相关转换器12的处理来确定，如之前的图5所述。在下一步224，对该信道样值进一步进行通常的时分多址(TDMA)解调处理。
现在可以理解本发明如何能够补偿带内转换器12和主BTS 15之间的传播时延。实现本发明的计算机模拟已经示出，在单个主BTS15和12个小区22的情况下，单个BTS 15可以提供大约1000平方公里的覆盖范围，而在以前则限制在35公里的半径。
这一点是通过以下操作实现的，即通过确定每个带内转换器的固定时偏参数、经特定环回信号的传输将带内转换器设置到环回模式、发送通常由移动单元发送的接入脉冲串、在BTS测量到达时延、然后利用该所测量的到达时延确定被用于调整正常模式TDMA解调处理的偏移。
权利要求
1.一种无线通信系统，该系统包括多个小区，该多个小区的位置彼此相邻，该蜂窝通信系统在一指定的频率范围内操作，该蜂窝通信系统利用频率分配方案将这些小区分成若干区群，该系统包括住地基站装置，包括宽带基站收发信机系统BTS，用于接收和发射在多个各自载频上的多个无线电信号，包括用于解调所述收到的无线电信号并将解调后的信号耦合到一交换装置的装置，和用于调制从该交换装置收到的信号并将其耦合用于在多个载频上的无线传输的装置；多个带内转换器装置，每个带内转换器装置位于该区群内的多个小区中一个小区中，每个带内转换器装置包括在正常模式下，第一转换器装置，用于从位于该相关小区内的移动台接收第一地面信号并将所述第一地面信号的载频转换为在该指定射频范围内的另一个载频，以产生第一回程信号，然后将用于传输的所述第一回程信号连接到本地基站装置，还包括第二转换装置，用于从所述本地基站装置接收第二回程信号，并将所述第二回程信号的载频转换为在指定射频范围内的另一个载频，以产生第二地面信号，然后将用于传输的所述第二地面信号连接到所述移动台，所述转换器装置还包括可选择启动的环回装置，以便选择一环回模式，在该模式期间，所述第二地面信号被连接至所述第一转换器装置的输入。
2.如权利要求1所述的系统，包括环回信号检测器装置，用于响应于收到一启动环回信号，将所述环回装置启动至所述环回模式。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述环回信号检测装置还响应于收到一终止环回信号，禁止所述环回装置。
4.如权利要求2所述的系统，其中所述启动环回信号作为第二回程信号的一部分被发送。
5.如权利要求3所述的系统，其中所述终止环回信号作为第二回程信号的一部分被发送。
6.如权利要求4所述的系统，其中所述本地基站装置还包括将所述启动环回信号发送到所述转换器装置的装置；在发送该启动环回信号之后，发送作为第二回程信号一部分的定时测试信号的装置；检测作为第一回程信号一部分的定时测试信号的装置；和确定所述定时测试信号的环回到达时间估计值的装置。
7.如权利要求6所述的系统，其中，在所述本地基站装置中的所述解调装置还包括用于根据到达时间估计值调整解调信号中的时延的装置。
8.如权利要求1所述的系统，其中每个区群包括位于所述本地基站装置周围的十二个小区，且在整个服务区域内重复如此所形成的小区模式。
全文摘要
在传统的时分多址(TDMA)无线系统中,移动单元(20)和基站收发信机系统(BTS)(15)之间的规定距离因为时隙同步约束而无法超过预定距离。在该扩大TDMA系统覆盖的方法中,带内转换器元件位于通常包含一BTS的远端小区的中心。该带内转换器包括一环回电路,其通过在主BTS和每个带内转换器之间发送测试接入信号来允许一主BTS测量传播时延。然后该测量值由正常操作的BTS用于调整从每个带内转换器收到的上行链路信号的时延。
文档编号H04B7/26GK1359565SQ99816787
公开日2002年7月17日 申请日期1999年7月6日 优先权日1996年12月20日
发明者戴维·D·库恩斯, 托马斯·R·史默茨 申请人:艾尔耐特通信公司