IMPROVEMENTS TO SYNCHRONISATION METHODS FOR SINGLE-FREQUENCY SIMULCAST MOBILE RADIO COMMUNICATION NETWORKS
УЛУЧШЕНИЕ ДЛЯ СПОСОБОВ СИНХРОНИЗАЦИИ ДЛЯ СЕТЕЙ МОБИЛЬНОЙ РАДИОСВЯЗИ С ОДНОВРЕМЕННЫМ ОДНОЧАСТОТНЫМ ВЕЩАНИЕМ

Настоящее изобретение относится к области аналоговой и цифровой мобильной радиосвязи в сети с одновременным одночастотным вещанием (одновременным широковещанием) и, конкретно, к аспекту частотной синхронизации радиоретрансляторных станций сети с одновременным вещанием.
Сети с одновременным вещанием широко используются в настоящее время, особенно для конфигурации инфраструктуры для профессиональных систем мобильной радиосвязи, так как они предлагают расширенное радиопокрытие территории, соединения высокого качества и использование дополнительных услуг без требования увеличения в радиочастотах, в противоположность с сотовыми системами, чья архитектура требует большого количества доступных радиоканалов.
Профессиональные системы мобильной радиосвязи обеспечивают услуги связи, такие как телефония, передача данных и радиопозиционирование закрытым пользовательским группам, и удовлетворяют требованиям связи публичных или частных организаций, чья структура требует соединений между центром управления и блоками, распределенными по территории.
На протяжении некоторого количества лет имелся возрастающий спрос на сети радиосвязи публичного или частного доступа для приложений радиосвязи для профессиональных целей, например, от публичных сил безопасности, публичных операторов коммунального обслуживания, транспортных компаний или просто предприятий, которые владеют парками транспортных средств и которые должны управлять большими количествами служащих, работающих на мобильной основе внутри локальных, региональных или государственных областей.
Сети с одновременным вещанием обеспечивают простой и всеобъемлющий ответ на эти требования, являясь высоко адаптирующимися к любой конфигурации рельефа территории, подлежащей покрытию.
1
2
Сеть с одновременным вещанием примерно проиллюстрирована на фиг.1 и содержит главную станцию, соединенную посредством первого канала (на частоте f) с множеством сопровождающих ретрансляторных станций или подчиненных (или с множеством вторичных главных, возможно, с множеством иерархических уровней, которые соединяют многочисленные удаленные ретрансляторные станции), которые одновременно передают один и тот же сигнал (и принимают сигналы от пользовательских терминалов) по второму общему радиоканалу (на частоте f) в соответствующих областях покрытия.
Каждая ретрансляторная станция покрывает часть полной области покрытия сети. Области покрытия индивидуальных ретрансляторных станций могут перекрываться, таким образом, создавая области, в которых мобильный приемопередаточный терминал принимает сигналы сравнимой мощности от двух или более станций одновременно.
Чтобы обеспечивать корректную работу и хорошую производительность, сети с одновременным вещанием требуют точной частотной синхронизации. Это из-за того, что в сетях с одновременным вещанием, которые являются не точно синхронизированными, мобильный терминал, принимающий сигналы от двух или более ретрансляторных станций, при уровнях сравнимой мощности страдает от деградации качества сигнала: в случае аналогового сигнала отношение сигнала к шуму становится хуже, в то время как в случае цифрового сигнала ошибки в принятых битах увеличиваются, таким образом, увеличивая частоту появления ошибочных битов (BER).
Не является возможным достигнуть точной синхронизации между ретрансляторными станциями посредством использования генераторов высокой стабильности в каждой станции (квазисинхронные сети), и предпочтительное решение должно было осуществлять широковещание тона синхронизации в индивидуальные генераторы посредством выделенного канала (на некоторой частоте в диапазоне UHF).
Например, патент США 5 059 926 решает проблему частотной синхронизации посредством использования счетчиков и набора выделенной сигнализации, посредством которых происходит периодический обмен между главной станцией и подчиненными станциями сети, таким способом, что генераторы подчиненных станций являются синхронизированными с генератором главной станции.
Однако этот способ является неэффективным, так как он имеет недостаток в том, что требуется набор выделенных сигналов в целях синхронизации всех генераторов. Это увеличивает спросы на ресурсы использования радиосоединений посредством уменьшения доступной полосы пропускания для полезного сигнала, и делает невозможным выполнять синхронизацию, когда сеть является занятой с передачей генерируемого пользователем трафика.
Патент IT 1 248 029 на имя Prod-El описывает инновационный способ синхронизации, с использованием частоты амплитудно-модулированной несущей или несущей с угловой модуляцией полезного сигнала, переданного повторно ретрансляторными станциями в приемопередаточные терминалы, так что сигналы, несущие пользовательский трафик, используются напрямую без необходимости в дополнительной сигнализации.
Это обеспечивает возможность использования всей доступной полосы пропускания более эффективным способом, чтобы передавать полезную информацию, таким образом, увеличивая скорость передачи, или чтобы обеспечивать новые дополнительные услуги.
WO 00/55996 раскрывает ретрансляторную систему для системы радиопередачи, содержащей сеть передатчиков, работающих с одними и теми же несущими частотами. Ретрансляторная система содержит тактовый генератор для обеспечения тактового ввода в первый управляемый генератор входного демодулятора и второй управляемый генератор выходного модулятора, соответственно. Первый управляемый генератор управляется посредством первого управляющего значения, так что частота демодулированного сигнала приближается к требуемому значению. Второй управляемый генератор управляется посредством второго управляющего значения, так что модулированный выходной сигнал имеет предопределенную выходную частоту. Средства контроллера выводят второе управляющее значение из первого управляющего значения. Так как ошибка генератора тактовых импульсов ретрансляторной системы компенсируется в демодуляторе, точность генератора тактовых импульсов ретрансляторной системы не влияет напрямую на точность выходной частоты, и умеренно оцениваемый, и умеренно подгоняемый по размеру тактовый генератор может использоваться для достижения экономической ретрансляторной системы.
Задача настоящего изобретения - обеспечить дополнительное улучшение для сетей с одновременным вещанием, работающих с синхронизацией несущей, чтобы сделать частотную синхронизацию всей сети в высшей степени быстрой, что является предпочтительной характеристикой для аналоговой обработки сигналов и существенной для цифровой обработки сигналов.
Согласно настоящему изобретению, эта задача решается посредством оборудования, имеющего характеристики, заявленные в пункте 1, и способа, имеющего характеристики, заявленные в пункте 10.
Заявленное изобретение также предлагает ретрансляторную станцию и сеть радиосвязи с одновременным одночастотным вещанием.
Кратко, настоящее изобретение обеспечивает способ синхронизации, адаптированный для сетей с одновременным вещанием с ретрансляторными станциями, соединенными с главной станцией посредством линии радиосвязи и работающими с фазовой или частотной модуляцией, аналогового или цифрового типа, на основе точного восстановления эталона синхронизации из сигнала, посланного главной станцией. Это достигается посредством обеспечения ретрансляторной станции первым контуром управления синхронизацией, выполненного с возможностью обеспечения сигнала управления для локального генератора ретрансляторной станции, и вторым контуром управления синхронизацией, выполненного с возможностью предоставления сигнала, чтобы компенсировать остаточную разницу в синхронизации между локальным генератором и главным генератором напрямую на этапе передачи сигналов в пользовательские терминалы.
Дополнительно характеристики и преимущества этого изобретения будут раскрываться более полно в последующем подробном описании одного варианта осуществления этого изобретения, предоставленного не в качестве ограничивающего примера, со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
фиг.1 - это схематическая иллюстрация сети радиосвязи с одновременным вещанием единичной частоты;
фиг.2 - это схематическая иллюстрация схемной архитектуры ретрансляторной станции сети из фиг.1, с восстановлением синхронизации из несущей согласно данному изобретению;
фиг.3 - это принципиальная схема устройства восстановления синхронизации согласно данному изобретению;
фиг.4 является схемой схемного модуля для оценки частотного смещения для аналогового сигнала;
фиг.5 является схемой схемного модуля для оценки частотного смещения для цифрового сигнала;
фиг.6 является схемой схемного модуля для "медленного" управления синхронизацией;
фиг.7 является схемой схемного модуля для "быстрого" управления синхронизацией; и
фиг.8 - это иллюстрация действия частотного смещения на радионесущую, распространяемую в широковещательном режиме ретрансляторной станцией.
Фиг.1 показывает конфигурацию стандартной сети N радиосвязи с одновременным одночастотным вещанием, содержащей главную станцию M и множество подчиненных ретрансляторных станций S, соединенных с главной станцией напрямую (как показано) или через дополнительные иерархические уровни станций повторного широковещания для более сложных сетей с более большим территориальным покрытием. Каждая из ретрансляторных станций S имеет область A радиопокрытия, в которой может находиться мобильный радиотерминал T пользователя.
1
2
Главная станция M может передавать сигналы в подчиненные ретрансляторные станции S посредством первого канала на первой частоте f, и подчиненные станции одновременно осуществляют повторное широковещание того же сигнала по соответствующим областям покрытия A посредством второго канала на второй частоте f, которая является общей для всей сети.
1
Главная станция содержит автономный частотный эталон, и подчиненные станции восстанавливают синхронизацию от главной станции посредством использования эталона несущей на частоте f. Способ синхронизации является эффективным с любой аналоговой или цифровой модуляцией, которая может быть фазового или частотного типа.
В частности, типы модуляции, рассматриваемые для работы сети - это частотная модуляция (FM) для аналоговых сигналов и 4-уровневая частотная модуляция (4-FSK, частотная манипуляция) для цифровых сигналов.
Удобно, если выбранный тип цифровой модуляции - это 4-FSK модуляция со скоростью передачи 6000 символов в секунду, так как характеристики многоуровневой (4-уровневой) непрерывной фазовой модуляции (CPM) для пакетной передачи могут обеспечивать постоянный сигнал огибающей и оптимизировать использование доступной полосы пропускания.
Фиг.2 показывает части схемной архитектуры подчиненной ретрансляторной станции S, которые относятся к аспектам восстановления синхронизации из сигнала, принятого от главной станции M.
1
Станция содержит радиочастотное приемное устройство 10, приспособленное демодулировать аналоговый или цифровой сигнал, принятый от главной станции M, настроенное на номинальную частоту (f) радиосоединения с главной станцией посредством соответствующего управляемого напряжением генератора (VCO) 12.
2
2
2
Приемное устройство 10 соединено с устройством 14 модулятора I/Q, которое настроено на номинальную частоту (f) радиосоединения с пользовательскими терминалами T посредством соответствующего управляемого напряжением генератора (VCO) 16, и приспособлено модулировать сигнал, подлежащий передаче в вышеупомянутые терминалы. Если принятый и демодулированный сигнал является аналоговым, модулятор 14 выполняет FM модуляцию на частоте f. Если принятый и демодулированный сигнал является цифровым, модулятор 14 выполняет модуляцию 4-FSK вокруг частоты f, восстановив волновую форму цифрового сигнала после декодирования символов.
Схемное устройство 18 для восстановления эталонного сигнала синхронизации сконструировано, чтобы принимать аналоговый или цифровой сигнал, посланный главной станцией M через приемник 10, и приспособлено посылать первый сигнал для регулировки локального генератора 20 ретрансляторной станции и второй сигнал для регулировки синхронизации, предоставляемой модулятору 14.
В свою очередь, локальный генератор 20 соединен с управляемым напряжением генератором 12, чтобы синхронизировать приемник 10 (приемную ветвь), и с управляемым напряжением генератором 16, чтобы синхронизировать модулятор 14 (ветвь передачи).
Устройство 18 восстановления синхронизации, показанное подробно на фиг.3, включает в себя первый модуль 30 для оценки частотного смещения между принятым аналоговым сигналом и синхронизирующим генератором 12 приемника, и второй модуль 32 для оценки частотного смещения между принятым цифровым сигналом и синхронизирующим генератором 12 приемника, при этом эти модули соединены параллельно.
Каждый из модулей 30 и 32 имеет свой выход, соединенный со схемным модулем для "медленного" управления 40 синхронизацией и со схемным модулем для "быстрого" управления 42 синхронизацией, которые, соответственно, приспособлены посылать упомянутый первый сигнал управления для локального генератора 20 и упомянутый второй (остаточный) сигнал быстрого управления в модулятор 14.
Со ссылкой на фиг.4 и 5, они показывают детали схемной архитектуры модулей оценки частотного смещения.
Модуль 30 оценки частотного смещения для аналоговых сигналов (фиг.4) содержит схему 50 детектора аналогового сигнала и, после нее, фильтр 52 нижних частот.
Модуль 32 оценки частотного смещения для цифровых сигналов (фиг.5) содержит схему 60 детектора цифрового сигнала и, после нее, схему 62 модуля преобразования с понижением частоты для преобразования сигнала в символы для каждого принятого пакета, при этом эта схема управляется посредством схемы 64 восстановления согласования по времени. Схема модуля сложения, присоединенная после модуля 62 преобразования с понижением частоты, приспособлена принимать символы, принятые из каждого пакета на не инвертирующем входе, и приспособлена принимать ожидаемые символы для того же пакета на инвертирующем входе, при этом последние символы вырабатываются посредством схемы 66 регенерации символов, таким способом, что определяется разница между символами. Наконец, выход схемы модуля сложения соединяется с входом схемы 68 для определения среднего из символов, при этом эта схема приспособлена предоставлять соответствующий сигнал оценки частотного смещения.
Со ссылкой на фиг.6 и 7, они показывают детали схемной архитектуры модулей управления синхронизацией.
Схемный модуль 40 "медленного" управления синхронизацией включает в себя устройство 70 переключения для переключения между первым и вторым входным каналом, при этом эти каналы переносят сигналы оценки частотного смещения для аналоговых и цифровых сигналов соответственно, и после этого устройства и последовательно соединенный, контурный фильтр 72 для управляемой обратной связью схемы и D/A конвертера 74 выхода.
Схемный модуль 42 "быстрого" управления синхронизацией включает в себя устройство 80 переключения для переключения между первым и вторым входным каналом, при этом эти каналы переносят сигналы оценки частотного смещения для аналоговых и цифровых сигналов соответственно, и следующую после схему умножения. Интеллектуальный фильтр 82 нижних частот, чьи полюсы изменяются с изменением в количестве пакетов, принятых в единицу времени, помещается во входном канале цифровых сигналов.
В работе устройство 18 восстановления эталонного сигнала синхронизации использует частотно-демодулированный сигнал, присутствующий в приемном устройстве 10, чтобы восстанавливать эталонный сигнал.
Частотно-демодулированный сигнал содержит информацию, показывающую степень частотного смещения эталонного генератора ретрансляторной станции по отношению к главной станции. Эта информация оценивается посредством алгоритмов вычисления, исполняемых модулями 30 и 32 оценки частотного смещения разными способами, согласно тому, принят ли аналоговый или цифровой сигнал.
Модуль 30 оценивает частотное смещение между принятым сигналом и сигналом, посланным посредством VCO 12, на основе принятого аналогового сигнала. Более точно, он выполняет узкополосную фильтрацию вокруг непрерывного компонента демодулированного сигнала, и вычисленное значение обеспечивает необходимую информацию для оценки частотного смещения.
k
k
k
k
k
k
k
k
Модуль 32 оценивает частотное смещение между принятым сигналом и сигналом, посланным посредством VCO 12, на основе принятого цифрового сигнала. Более точно, для каждого принятого пакета (содержащего n символов) он определяет среднюю амплитуду принятых значений a' по отношению к ожидаемым значениям a. Если распределение символов a имело нулевое среднее, другими словами, если ожидаемое значение a было нулевым (E[a]=0), тот же способ, используемый для аналогового сигнала, мог применяться здесь, но так как E[a] не является нулевым и изменяется от одного пакета к следующему, должен использоваться другой способ. Оценка затем вычисляется посредством нахождения разницы между принятыми символами a' и ожидаемыми символами a внутри каждого пакета. Любое отклонение в частоте модифицирует положение принятых символов, и среднее этого смещения формирует информацию, подлежащую использованию для восстановления смещения.
Для подробного описания обработки оценки частотного смещения мы будем рассматривать модулирующий сигнал, который может быть:
- аналогового типа
m
где f - это мгновенная частота модулирующего сигнала m(t); или
- общего типа CPM
где
k
где a представляет символы, и g(t) представляет волновую форму символов.
Когда сигнал m(t) является частотно-модулированным, мгновенная несущая частота может быть выражена в форме
0
f(t) = f+hm(t)
0
где f - это частота центра диапазона, и h - это индекс модуляции.
Фаза φ несущей модулируется посредством интеграла m(t). В частности, мы можем написать
0
f
где φ - это начальная фаза несущей, в то время как K - это индекс модуляции.
Если A обозначает амплитуду несущей, модулированный сигнал может быть записан таким образом:
Ясно, следующее отношение является истинным
и поэтому представление этого сигнала в терминах синфазного и квадратурного компонентов таково
где
0
0
0
Предполагая, что в ретрансляторной станции эталонный генератор имеет частотную ошибку по отношению к частоте главной станции, VCO 12 приемной ветви будет создавать демодуляцию сигнала s(t) в приемнике 10 с частотной несущей f+Δf, и поэтому с частотной погрешностью Δf.
Это будет формировать сигнал, на который действует ошибка, которая объединяется с принятым сигналом следующим образом:
На выходе частотного дискриминатора в приемнике 10 это остаточное колебание транслируется в константу, которая перемещает непрерывный компонент модулирующего сигнала m(t).
Следует отметить, что частотный дискриминатор может конструироваться альтернативно в форме аналогового фильтра или посредством цифровой обработки синфазных компонентов (I) и квадратурных компонентов (Q) сигнала.
0
Если бы принимающая система была идеальной, то этот непрерывный компонент не был бы причиной никаких проблем, но так как фильтры имеют ограниченный рабочий диапазон, любое смещение Δf (см. фиг.8) создавало бы искажение в принятом сигнале и частотном смещении в радионесущей, для которой повторно осуществляется широковещание посредством ретрансляторов.
Как упомянуто выше, оценки частотного смещения, сформированные модулем 30 или 32, посылаются на входы модулей 40 и 42 управления синхронизацией.
Модули 40 и 42 "медленного" и "быстрого" управления синхронизацией выполнены с возможностью исполнять соответствующие алгоритмы вычисления параллельно, чтобы генерировать соответствующие сигналы управления для локального генератора 20 и для модулятора 14.
Оценка частотного смещения используется модулем 40 "медленного" управления, чтобы корректировать настройку напряжения внутреннего локального генератора 20 ретрансляторной станции, таким образом, компенсируя изменения эталонной частоты вследствие устаревания кварцевых и температурных вариаций и удерживая сигнал промежуточной частоты (IF) центрированным по отношению к кварцевым фильтрам, присутствующим в приемнике. Управление локального генератора 20 поэтому представляет собой, по существу, управление типа обратной связи и побуждает генератор колебаться (генерировать колебания) на частоте эталонного генератора главной станции.
Частота локального генератора 20 затем используется VCO 12 приемной ветви, чтобы определять частоту приема демодулятора приемного устройства 10, и VCO 16 ветви передачи, чтобы определять частоту передачи для модулятора I/Q.
Оценка частотного смещения используется модулем 42 "быстрого" управления, чтобы вычислять значение частотной компенсации, которое используется модулятором I/Q, чтобы исправлять свою некорректную рабочую частоту, когда алгоритм "медленного" управления не достиг конвергенции.
2
1
2
1
В случае аналогового сигнала, оценка частотного смещения масштабируется посредством коэффициента f/f, чтобы допускать разные частоты двух VCO 12 и 16. В случае цифрового сигнала, оценка частотного смещения показывает ступенчатое изменение для принятого первого пакета, в то время как в случае непрерывной передачи она является усредненной по множеству пакетов посредством фильтра 82 нижних частот и масштабируется посредством коэффициента f/f, чтобы допускать разные частоты двух VCO 12 и 16.
Управление модулятором 14 представляет собой поэтому, по существу, управление типа прямой связи.
Естественно, при условии, что принцип этого изобретения остается одним и тем же, формы осуществления и подробности конструкции могут широко изменяться по отношению к описанным и проиллюстрированным формам и подробностям, которые были даны чисто в качестве не ограничивающего примера, тем самым не отходя от объема защиты настоящего изобретения, как определено посредством приложенной формулы изобретения.