СПОСОБ СИНХРОНИЗАЦИИ СИСТЕМЫ РАДИОСВЯЗИ, РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ПО ЯЧЕЙКАМ РАДИОСВЯЗИ
METHOD FOR SYNCHRONISATION OF RADIO COMMUNICATION SYSTEM DISTRIBUTED IN RADIO COMMUNICATION CELLS

Изобретение относится к способу синхронизации системы радиосвязи, распределенной по ячейкам радиосвязи, согласно родовому понятию п.1 формулы изобретения.
Сотовые системы радиосвязи, в частности системы мобильной связи, подразделяются на синхронизированные и несинхронизированные системы радиосвязи.
В системах первого типа соседние ячейки радиосвязи синхронизированы друг с другом по времени и/или по частоте. Для синхронизации, особенно для синхронизации по времени, например, на стороне базовых станций используются приемники Глобальной системы позиционирования (GPS), или базовые станции синхронизируются друг с другом посредством требующих существенных затрат синхросигналов взаимного обмена. При передаче синхросигналов вновь требуется выделение ресурсов радиопередачи, которые вследствие этого не могут быть предоставлены в распоряжение для оплачиваемой по тарифу передачи пользовательских данных (полезной нагрузки).
В случае несинхронизированных систем радиосвязи базовые станции соседних ячеек радиосвязи не синхронизированы друг с другом.
На фиг.3 на примере системы мобильной связи показана сотовая система радиосвязи согласно уровню техники.
Три смежные ячейки FZ1-FZ3 радиосвязи содержат соответственно относящиеся к ним базовые станции
BTS01-BTS03. Каждая отдельная из базовых станций BTS01-BTS03 обслуживает некоторое число мобильных станций Т01-Т012, относящихся к соответствующим ячейкам FZ1-FZ3 радиосвязи. При этом на основе планирования частот по процедуре повторного использования частот первой базовой станции BTS01 первой ячейки FZ1 радиосвязи для передачи данных исключительным образом выделено четыре несущие частоты f9-f12, второй базовой станции BTS02 второй ячейки FZ2 радиосвязи - четыре несущие частоты f1-f4 и третьей базовой станции BTS03 третьей ячейки FZ3 радиосвязи - четыре несущие частоты f5-f8.
Каждая из несущих частот f1-f12 в нисходящей линии связи (DL), представляющей направление соединения от базовой станции к мобильной станции, содержит в качестве ресурсов радиопередачи соответственно семь временных сегментов TS1-TS7, в то время как каждая из несущих частот f1-f12 в восходящей линии связи (UL), представляющей направление соединения от мобильной станции к базовой станции, содержит в качестве ресурсов радиопередачи соответственно пять временных сегментов TS1-TS5. Свободные неиспользованные временные сегменты показаны, например, для несущих частот f2, f7 и f11 и обозначены буквой «F».
В частности, для сетей мобильной радиосвязи, построенных по сотовому принципу, все большее значение приобретает применение методов передачи с использованием так называемого мультиплексирования с ортогональным частотным разделением (OFDM), так как с его помощью могут передаваться экономично и эффективно новые услуги, такие как, например, передачи видеоданных с высокими скоростями передачи данных.
В случае систем радиосвязи, в частности OFDM-системы радиосвязи, необходимое многократное использование несущих частот в соседних ячейках радиосвязи обуславливает возникновение помех в совпадающем канале, которые могут снижаться с помощью так называемого планирования повторного использования частоты.
На фиг.4 по отношению к системе по фиг.3 показана соответствующая уровню техники ситуация синхронизации ячеек FZ1-FZ3 радиосвязи.
В последующем описании предполагается, что речь идет о синхронизированной по времени системе радиосвязи, соседние ячейки FZ1-FZ3 радиосвязи которой имеют коэффициент повторного использования частоты, равный 1, то есть ячейки FZ1-FZ3 радиосвязи применяют одинаковые несущие частоты.
Каждая базовая станция BTS01-BTS03 и относящиеся к каждой базовой станции BTS01-BTS03 мобильные станции Т01-Т012 имеют соответственно специфическое для базовой станции отклонение дельта01-дельта03 несущей частоты, отличающееся от предварительно заданного значения MIT, нанесенное на графике по вертикальной оси. Это отклонение дельта01-дельта03 несущей частоты обусловлено в каждой отдельной базовой станции BTS01-BTS03 электрическими компонентами соответствующих базовых станций, например специфическими для базовых станций местными генераторами.
В частности, при применении OFDM-методов радиопередачи в синхронной системе радиосвязи на основе высоких скоростей передачи данных необходима высокоточная синхронизация, которую, однако, можно реализовать только с высокими затратами.
Из WO 01/20818 А1 известен способ синхронизации базовых станций в сети PCS. При этом мобильная станция с применением встроенного GPS-приемника определяет как собственное местоположение, так и так называемый параметр смещения. С помощью данных местоположения и параметра смещения определяется сдвиг между локальным временем мобильной станции и GPS-временем. Этот сдвиг передается на базовую станцию и на стороне базовой станции, с учетом данных местоположения, используется для синхронизации по времени. В качестве локального времени мобильной станции применяется переданное от базовой станции так называемое системное время.
Из WO 97/12489 А1 известен способ, при котором для снижения взаимных помех, при предварительно заданном повторном использовании частот, предоставленные в распоряжение частоты, разделенные по временным сегментам, соотносятся с соответствующими мобильными пользователями. Возможные взаимные помехи между сигналами исключаются за счет соответствующего отнесения сигналов к различным временным сегментам.
Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы для сотовой системы радиосвязи, в особенности для OFDM-системы радиосвязи, обеспечить синхронизацию, не требующую высоких затрат.
Эта задача изобретения решается признаками п.1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления приведены в зависимых пунктах формулы изобретения. За счет соответствующего изобретению способа в сотовой системе радиосвязи простыми средствами реализуется синхронизация по времени и/или частоте.
Особенно предпочтительным образом за счет синхронизации обеспечивается то, что, в частности, соседние базовые станции применяют ресурсы радиопередачи из резерва, который совместным образом поставлен в соответствие базовым станциям. За счет этого обеспечивается особенно эффективное управление ресурсами радиосвязи.
Соответственно мгновенной нагрузке графика располагаемые ресурсы радиосвязи назначаются, соответственно, оптимальным образом, причем особенно предпочтительным образом неравномерно распределенные пользовательские потребности выравниваются.
Распределение ресурсов радиосвязи осуществляется в предпочтительной форме выполнения с учетом ситуации взаимных помех при подлежащем выбору ресурсе радиопередачи. За счет этого обеспечивается возможность того, что, например, две соседние базовые станции, из которых каждая отдельная обеспечивает обслуживание относящейся к ней мобильной станции, одновременно применяют временной сегмент несущей частоты в качестве ресурса радиопередачи для обеспечения радиосвязью мобильной станции, если ситуация взаимных помех допускает это в выбранном временном сегменте.
За счет синхронизации обеспечивается применение способов подавления взаимных помех на стороне базовой станции и/или со стороны мобильной станции, которые, в частности, оптимизированы в отношении синхронных относительно друг друга полезных и помеховых сигналов.
В соответствующем изобретению способе синхронизации можно отказаться от передачи дополнительной информации сигнализации для синхронизации, обмен которой до сих пор должен был проводиться на более высоком уровне протокола между базовой станцией и мобильной станцией. Соответствующая изобретению синхронизация проводится самостоятельно и только посредством обработки сигналов на стороне приемника и последующей регулировки состояния синхронизации базовых станций или мобильных станций.
С помощью соответствующего изобретению способа можно, например, простым способом осуществить, в случае крупномасштабных конфигураций, последующее добавление дополнительных базовых станций или вводимое тем самым изменение числа ячеек радиосвязи. За счет оценки сигналов уже активных мобильных станций добавляемые затем мобильные станции синхронизируются с уже находящимися в эксплуатации базовыми станциями. Добавляемая базовая станция выбирает требуемые для работы ресурсы радиопередачи динамически таким образом, что помехи по совпадающему каналу соседним ячейкам радиосвязи или относящимся к ячейкам радиосвязи мобильным станциям минимизируются.
Соответствующий изобретению способ особенно предпочтительно применяется в OFDM-системе радиосвязи, которая особенно предпочтительно вводится для услуг с высокими скоростями передачи данных.
Далее изобретение поясняется более подробно со ссылками на чертежи, на которых показано следующее:
фиг.1 - OFDM-система радиосвязи с соответствующей изобретению синхронизацией,
фиг.2 - проводимая на стороне базовой станции по фиг.1 соответствующая изобретению синхронизация,
фиг.3 - описанная во вводной части описания сотовая система радиосвязи, соответствующая уровню техники,
фиг.4 - описанная во вводной части описания ситуация синхронизации, соответствующая уровню техники.
На фиг.1 показана относящаяся к системе мобильной связи OFDM-система радиосвязи с соответствующей изобретению синхронизацией.
Три соседние ячейки FZ1-FZ3 радиосвязи имеют соответственно относящиеся к ним базовые станции BTS1-BTS3. Каждая отдельная из базовых станций обслуживает некоторое число мобильных станций Т11-Т33, относящихся к соответствующим ячейкам FZ1-FZ3 радиосвязи. При этом к первой базовой станции BTS1 отнесены для обслуживания радиосвязью четыре мобильные станции Т11-Т14, к второй базовой станции BTS2 отнесены для обслуживания радиосвязью всего пять мобильных станций Т21-Т25. К третьей базовой станции BTS3 отнесены для обслуживания радиосвязью три мобильные станции Т31-Т33.
Все три базовые станции BTS1-BTS3 применяют для передачи пользовательских данных равноправно совместно распределенные ресурсы, которые совместно определены посредством 12 несущих частот f1-f12. Каждая из несущих частот f1-f12 в нисходящей линии связи DL, представляющей направление соединения от базовой станции к мобильной станции, содержит в качестве ресурсов радиопередачи соответственно семь временных сегментов TS1-TS7, в то время как каждая из несущих частот f1-f12 в восходящей линии связи UL, представляющей направление соединения от мобильной станции к базовой станции, содержит в качестве ресурсов радиопередачи соответственно пять временных сегментов TS1-TS5. Свободные неиспользованные временные сегменты показаны, например, для несущих частот f2, f8 и f12 и обозначены буквой «F».
По сравнению с фиг.3 в данном случае за счет соответствующей изобретению синхронизации исключительное соотнесение несущих частот f1-f2 с базовыми станциям или с ячейками радиосвязи исключается.
Ниже более подробно поясняется соответствующая изобретению синхронизация на примере первой ячейки радиосвязи FZ1, действительная для второй и третьей ячеек радиосвязи FZ2 и FZ3. При этом под «синхронизацией» здесь принимается как временная синхронизация временных сегментов, соответствующих несущим частотам, так и частотная синхронизация несущих частот.
Первая базовая станция BTS1 первой ячейки FZ1 радиосвязи принимает по восходящей линии UL связи наряду с сигналами относящихся к ней мобильных станций Т11-Т14 дополнительно еще сигналы мобильных станций соседних ячеек FZ2 и FZ3 радиосвязи. Этот прием осуществляется автоматически, без дополнительного контроля других полос частот.
Например, первая базовая станция BTS1 принимает по восходящей линии связи сигналы мобильных станций Т21 и Т22 второй ячейки FZ2 радиосвязи и сигналы мобильных станций Т31 и Т32 третьей ячейки радиосвязи EZ3. Первая базовая станция BTS1 определяет на основе принимаемых сигналов мобильных станций соседних ячеек FZ2 и FZ3 радиосвязи первое отклонение по времени и первое отклонение по частоте и выводит из этих значений соответствующее значение временной синхронизации и значение частотной синхронизации, по которым, в конечном счете, синхронизируется первая базовая станция BTS1.
Аналогично всем рассматриваемым мобильным станциям третья мобильная станция Т13 первой ячейки FZ1 радиосвязи принимает по нисходящей линии DL связи наряду с сигналами базовой станции BTS1 собственной ячейки FZ1 радиосвязи также сигналы соседних базовых станций BTS2 и BTS3 ячеек FZ2 и FZ3 радиосвязи. Третья мобильная станция Т13 определяет теперь на основе принятых сигналов базовых станций второе отклонение по времени и второе отклонение по частоте и выводит из этих значений соответствующее значение временной синхронизации и значение частотной синхронизации, с которыми, в конечном счете, синхронизируется мобильная станция Т13.
Эта соответствующая изобретению синхронизация повторяется, например, циклически, за счет чего временным средством достигается точная, самоорганизующаяся временная и частотная синхронизация.
За счет соответствующей изобретению синхронизации в предпочтительном варианте осуществления изобретения реализуется способ подавления взаимных помех со стороны базовых станций и/или со стороны мобильных станций.
За счет соответствующей изобретению синхронизации реализуется особенно предпочтительным образом особенно гибкое и адаптивно реализуемое управление ресурсами радиосвязи, так как все базовые станции могут получать доступ к общему резерву ресурсов радиопередачи. При этом, например, выбор несущей частоты осуществляется с учетом минимальных помех на совпадающей частоте. Распределение ресурсов передачи по мобильным станциям проводится исключительно посредством базовой станции, соотнесенной с соответствующей мобильной станцией.
Путем отмены исключительного соотнесения несущих частот с базовыми станциями или ячейками радиосвязи обеспечивается возможность того, что, например, базовая станция BTS1 для обеспечения радиосвязи с мобильной станцией Т14 и базовая станция BTS3 для обеспечения радиосвязи с мобильной станцией Т32 применяют одновременно временной сегмент TS5 несущей частоты f5, если ситуация взаимных помех во временном сегменте TS5 позволяет это. На эту ситуацию взаимных помех влияют, например, секторные приемные и/или передающие антенны в базовых станциях, или характеристики распространения радиосигналов, или пространственное разнесение пользователей и т.д.
При секторизации базовая станция содержит для передачи и/или приема три антенные конфигурации, из которых каждая отдельная обеспечивает радиосвязью сектор с углом раскрытия 120°. Тем самым обеспечивается пространственное разделение или различение радиосигналов и, в зависимости от угла раскрытия сектора, достигается улучшение ситуации с взаимным помехами.
Для случая неоднородной нагрузки ячейки радиосвязи каждая из трех базовых радиостанций, в зависимости от потребности в ресурсах передачи, может получать доступ к несущим частотам в полном объеме или частично, за счет чего можно избегать узких мест в отдельных ячейках радиосвязи при одновременно доминирующей избыточной мощности в отдельных ячейках радиосвязи.
Вновь добавленные базовые станции синхронизируются в соответственно релевантных полосах частот и оценивают принимаемые сигналы с целью временной синхронизации и синхронизации по несущей частоте. Дополнительное расширение системы радиосвязи или дополнительное повышение пропускной способности может быть, таким образом, реализовано без особых затрат.
Соответствующая изобретению синхронизация осуществляется самостоятельно без применения требующей высоких затрат сигнализации, а также связанной с высокими затратами GPS-синхронизации.
На фиг.2 показана по отношению к фиг.1 синхронизация, проводимая со стороны базовой станции BTS1.
По вертикальной оси нанесено соответствующее каждой отдельной мобильной станции характерное для мобильной станции отклонение несущей частоты. Рассматриваемая первая базовая станция BTS1 принимает по восходящей линии связи UL от мобильных станций Т21, Т22, Т12, Т13, T11, T31 и Т32 переданные сигналы и определяет из них значение d1 синхронизации, которое здесь для примера представлено в качестве среднего значения посредством заштрихованного прямоугольника. Базовая станция BTS1 корректирует свою синхронизацию соответственно в направлении положительного значения d1 синхронизации. Для других базовых станций BTS2 и BTS3 справедливы соответствующие соотношения.
Сопоставимым образом осуществляется не описанная здесь более подробно синхронизация соответствующих мобильных станций.
Если использовать для описанной выше сотовой сети радиосвязи отдельно или в комбинации способ множественного доступа с временным разделением каналов (TDMA) или с частотным разделением каналов (FDMA) и рассматривать для передачи так называемый дуплексный режим передачи с временным уплотнением (TDD), то принятый в базовой станции сигнал r(t) состоит из суперпозиции множества сигналов, передаваемых в режиме FDMA мобильными станциями всех ячеек радиосвязи.
Каждая базовая станция определяет из принятого сигнала r(t) средний момент времени приема перекрывающихся OFDM-символов находящихся в соседних ячейках радиосвязи мобильных станций.
С помощью корреляции соседних, находящихся на расстоянии одной длины OFDM-символа N значений выборок, для значения выборки k формируется метрика λ(k), значение которой и в случае FDMA-сигнала восходящей линии связи с длиной OFDM-символов, равной N, имеет периодические значения. Справедливо равенство:
При этом M соответствует длине окна, в котором определяются значения метрики с целью снижения шумов. Это, как правило, идентично длине так называемого защитного интервала. В зависимости от обстоятельств выбирается отличающаяся длина расстояния N коррелированных значений и длина М окна для улучшения свойств обнаружения.
Величина метрики |λ(k)| принимает в случае среднего отклонения по времени сигнальных составляющих мобильных станций в соответствующей базовой станции значение, которое пропорционально суммарной мощности сигналов мобильных станций, принимаемых из этой ячейки. На этом основании находится максимальное значение величины метрики |λ(k)| посредством вычисления значений метрики и положение максимального значения величины принимается далее в качестве оценочного значения для смещения во времени соответствующей базовой станции. Значения метрики в случае остаточного отклонения несущей частоты являются комплексными, поэтому из фазы, измеренной при максимуме метрики для малых значений отклонения несущей частоты, может быть определено среднее отклонение несущей частоты принимаемого сигнала в OFDM-символе.
Предпочтительным образом для разделения FDMA-сигналов различных мобильных станций предпринимается оценка принимаемого сигнала в диапазоне частот, так как они соотнесены с различными поднесущими. Соответствующее отклонение несущей частоты в этом случае определяется из поворота фазы OFDM-символа, принимаемого на каждой поднесущей.
s
Отклонение частоты частичной несущей частоты δf(k) получается при этом из изменения фазы передаточных коэффициентов H(n,k) частичной несущей частоты k между двумя следующими друг за другом OFDM-символами с временными индексами n и n+1 на временном интервале T. Таким образом, справедливо следующее соотношение:
Из значений отклонения несущей частоты для соседних ячеек радиосвязи, полученных в результате оценки в частотной области, после оценки соответственно качеству оценки определяется, например, среднее отклонение несущей частоты для принимаемых сигналов мобильных станций из соседних ячеек радиосвязи.
Определение соответствующего отклонения по времени осуществляется из поворота фазы между поднесущими принимаемого OFDM-символа от мобильной станции, соотнесенной с той же базовой станцией. Из значений отклонения по времени, полученных после оценки в частотной области, после оценки соответственно качеству оценки определяется, например, среднее отклонение по времени принимаемых сигналов мобильных станций из соседних ячеек радиосвязи.
С помощью определенных отклонений по времени и несущей частоте каждая базовая станция подстраивает соответственно собственную несущую частоту, а также собственный момент времени передачи в соответствии с полученными значениями. При подходящем проектировании фильтра петли контура регулирования этот процесс автоматически приводит к сходящейся оценке.
Для соответствующей изобретению синхронизации вновь добавляемой базовой станции в TDD-системе радиосвязи требуется выполнить следующие шаги:
- прослушивание восходящей линии связи и нисходящей линии связи для определения структуры TDD-кадра,
- определение абсолютных моментов времени передачи для всех измеряемых моментов времени приема и
- оценка сигналов по вышеприведенному принципу.
Каждая базовая станция определяет на каждой фазе восходящей линии связи полезные мощности действующих в ячейке радиосвязи мобильных станций и мощности помех по совпадающему каналу из соседних ячеек радиосвязи, приходящиеся на каждую поднесущую.
На основе этой информации каждая базовая станция принимает собственное решение о занимаемой ширине полосы. Выбираются поднесущие с минимальной мощностью взаимных помех. При этом базовая станция в зависимости от достигаемого качества канала принимает адаптивное решение о позиции и количестве занимаемых поднесущих и о применяемых физических параметрах передачи, чтобы иметь возможность оптимальным образом обслуживать находящиеся в ячейке радиосвязи мобильные станции. При этом не требуется организационная структура, охватывающая ячейку радиосвязи.
Данный тип множественного доступа позволяет избежать взаимных помех внутри ячейки радиосвязи и между мобильными станциями соседних ячеек радиосвязи. В пределах ячейки радиосвязи осуществляется самоорганизующаяся оптимизация применяемого метода множественного доступа. Это осуществляется с учетом свойств канала радиопередачи и с учетом мгновенной ситуации взаимных помех в сотовой среде.