CN1131485A - 时分多址数字传输系统，和用于此系统的台站 - Google Patents

时分多址数字传输系统，和用于此系统的台站 Download PDF

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Abstract

时分多址数字传输系统(1)，如TDMA GSM移动无线系统，其中无线移动站(MS1，MS2，MS3)同步到无线基站(BS1，BS2，BS3)上。在这样的无线移动站(MS1，MS2，MS3)中，各种时钟(tcl，dcl)对于诸如突发脉冲采样和语音采样是必须的。在这样的无线移动站(MS1，MS2，MS3)中，由于各种原因，时钟系统可能互相偏移，过大的偏移会造成数据丢失。已有的，例如，带有独立控制时钟系统的移动站就可能显现这种不能接受的数据丢失，或者要求复杂的硬件。时分多址数字传输系统(1)其中在移动站(MS1，MS2，MS3)中，各种不同的时钟系统由同一个参考时钟信号发生器(20)得出，它是由至少是在所接收的时隙位置和所匪徒的时隙位置之间的所确定的时隙延时(TOI)的导数(TOId)的函数的调整信号(adj)所控制。优选地，控制函数也包括所确定的延时的平均值(TOIm)。

Description

时分多址数字传输系统，和用于 此系统的台站
本发明涉及包含至少一个主站和多个副站的时分多址数字传输系统，在该系统中主站以包含同步信息和包含时隙形式的用户信息的帧格式向副站发送信息，以及在该系统中，副站包括参考时钟信号发生器。这样的传输系统可以是移动无线系统，无绳电话系统等，或者是其中主站和副站必须互相被同步的上述的任何系统。
本发明进一步涉及用于这样的系统的副站。
这种时分多址数字传输系统可在由M.Mouly等编著的“用于移动通信的GSM系统”手册，1992，pp195—216，pp227—241以及由R.steele编著的“移动无线通信”手册，Pentech Press，1992，pp696—698中查阅到。在这些手册中描述了TDMA(时分多址)移动无线系统，所谓的GSM系统(全球移动通信系统)和在该GSM系统中无线移动站MS到无线基站BS的同步过程。虽然总的来说按照GSM建议GSM05.10，已描述了同步过程，其中例如规定无线移动站载频应当精确到0.1ppm(百万分之一部分)之内，或者精确到相对于所接收的来自无线基站的信号的0.1ppm之内，但是GSM建议并没有规定所要使用的BS-MS同步过程算法，这些将留待设备制造者解决。到目前为止的GSM系统中，无线移动站对于接收到的TDMA帧的时隙中的数据流的同步过程可通过两个分开的控制环来实现。一个控制环确定在所接收的计划给移动站的时隙位置和予期的时隙位置之间的时隙延时。当予期的时隙位置和所接收的时隙位置不一致时，就以这两者之间的差值校正予期的时隙位置。另一个控制环估测在所接收的载波频率和移动站中参考时钟信号的频率所予期的接收载波频率之间的频率偏差。所确定的频率偏差被用来校正参考时钟信号发生器的频率。用于由接收的脉冲信号所得出的中频或基带信号的时隙采样时钟，以及用于使接收的数据样本同步到语音译码器的数据时钟，是从参考时钟信号获得。由于对这两个独立工作的控制环的控制是基于同样的原因，也就是多卜勒效应造成基站和移动站之间的传输信道中的变化的符号延时，以及参考时钟信号发生器的非稳定性，因此数据时钟会相对于时隙采样时钟发生漂移。这就导致数据样本滑移，造成三输入-输出-缓冲器对于从信号脉冲或时隙得出的语音样本，或者对于将被加给信号脉冲或时隙的语音样本，所进行的读入操作，或者读出操作，和语音译码器或者语音编码器的操作之间的不一致性。由于这种不一致性，语音数据可能被丢失。当非语音数据的其它数据，例如计算机数据或FAX数据，或在基站或移动站之间进行交换时，数据时钟滑移甚至会造成不能接受的情形。另一种解决方法可以是，使数据时钟不由参考时钟信号得出，而是被分开控制。这种解决方法会造成较复杂的硬件。
本发明的一个目的是给出在同步过程上没有已知系统的缺点的上述这类时分多址数字传输系统。
为此，按照本发明的时分多址数字传输系统的特征在于，其副站包括时隙延时确定装置，用来为副站确定接收到的时隙位置和予期的时隙位置之间的时隙延时，以及转换装置，用来把所确定的时隙延时转换成包含在调整信号中的第一频率偏差，而此调整信号用作调整参考时钟信号发生器的频率。这样就可做到，副站的所有时钟可从参考时钟信号发生器得出，而又不导致无法接爱的数据滑移，造成数据丢失。
本发明基于这样的见解，由所确定的时隙延时所得出的第一频率偏差是对于在主站和副站之间的频率偏差的度量，它和产生这种频率偏差的原因无关。这种产生原因可以是副站中的参考时钟信号发生器的频率不稳定性，或者是在主站和副站之间的传输信道中的变化的符号延时，或者是由于副站相对于主站移动所引起的多卜勒频移等等。
在按照本发明的时分多址数字传输系统的实施例中，调整信号是所确定的第一频率偏差和所确定的时隙延时的函数。在适当选择此函数，例如比例函数之后，所确定的时隙延时事实上可被控制成零。
在按照本发明的时分多址数字传输系统的实施例中，包括在副站中的时隙采样时钟和数据时钟可从参考时钟信号得出。借此，可有效地消除数据偏移。
在按照本发明的时分多址数字传输系统的实施例中，所确定的时隙延时在被包含到调整信号之前，先借助于平滑滤波器被滤波。借此，GSM建议05.10的要求可得以满足。
在按照本发明的时分多址数字传输系统的实施例中，该系统被修改为，调整信号包括第二频率偏差信号而不是第一频率偏差信号，在所确定的时隙延时的予期的不连续的情况中，第二频率偏差信号是正比于接收的载波频率和予期的接收载波频率的信号。借此，也可以处理像初始同步或在切换过程中时隙改变这样的情形。
现在将参照附图通过举例来描述本发明。
图1概略地显示了按照本发明的时分多址数字传输系统，
图2表示了按照本发明的用于这样的系统的副站，
图3显示了按照本发明在副站所接收的帧结构和时隙采样时钟及数据时钟，
图4A表示了按照本发明对于恒定时隙延时用来确定调整信号的特征，
图4B显示了按照本发明对于时隙延时的恒定微商用来确定的调整信号的特征，
图4C显示了按照本发明用来确定调整信号的三维特征，
图5显示了副站中语音路径的方框图，及
图6显示了语音路径中语音编(译)码器的方框图。
在所有这些图中相同的参考数字用作相同的特性。
图1概略地显示了时分多址数字传输系统1，例如，是如ETSI(欧洲电信标准研究所)所定义的象GSM(全球移动通信系统)系统那样的蜂窝移动无线系统，包括在蜂窝小ce1，ce2和ce3的无线基站BS1，BS2和BS3作为主站，用来复盖各自的蜂窝小区ce1，ce2和ce3中的无线通信。为了不造成与相邻蜂窝小区的相互干扰，无线基站，至少是邻近的蜂窝小区的无线基站，以不同频率发射和接收，通常每个无线基站BS1，BS2和BS3以多个频率，例如12个频道发射和接收。借使用时分多址，例如TDMA，在GSM中每个频道有8个时隙，那么每个基站就有96个逻辑信道可供无线通信使用。无线基站BS1，BS2与BS3和作为副站的无线移动站MS1，MS2和MS3进行通信，无线移动站在它们各自的蜂窝小区内，在所给的例子中，无线基站BS1和移动站MS1与MS2进行通信，无线基站BS2和移动站MS3进行通信。当移动站在蜂窝小区ce1，ce2和ce3中漫游时，如果通信链路质量恶化，就会发生从一个无线基站到另一个基站的所谓的切换，这是由分别经陆线11，12和13连接到无线基台BS1，BS2和BS3的移动交换中心MSC来实现系统控制功能。在公共移动无线的情况下，MSC被连接到公共交换电话网PSTN。对于专用移动无线，就暂不作这种连接。进一步地，在GSM系统中，为了保护数据不在无线路径上产生传输错误，除了其它操作外，在传送前在逻辑信道上应用信道编码，以及在接收时进行信道译码，也就是要求对要发送的数据进行多种(准)实时处理。为此，以及为了其它处理任务，无线基站包括多个处理器，以及多个信道编码译码器，信道编码器和译码器(此处未详细示出)。对于更详细地描述蜂窝系统，例如GSM，请参阅所述的Mouly和Steel的手册。
图2显示了用于TDMA数字传输系统1的按照本发明的副站MS1，它具有接收支路Rx和发送支路Tx。副站MS1包括用作为参考时钟信号发生器的压控振荡器20，它的输出21加到信道合成器22。信道数控制信号chn可被馈送到信道合成器22用来选择信道。这样的信道数控制信号chn是由为操纵副站MS1，以已知方式编程的处理器(图上未示出)所提供，至于副站的已知操作功能，没有给出进一步的细节。合成器22的输出23被加到接收支路24的第一混频器24和发送支路Tx的第二混频器25。参考时钟信号发生器20通过第一分频器26给出数据时钟dcl，它连接到第一相位偏差加法器27，用来在外同步的情况下加上数据偏差信号dof。在副站MS1中所接收的时隙位置非连续变化的情况下，例如在副站MS1对主站BS1进行初始同步时或切换时，实行内同步。在这种不能保证外同步数据时钟同步时，但这样的瞬时数据时钟同步并不是必须的。参考时钟信号发生器20通过第二分频器28进一步提供时隙采样时钟tcl，以及通过第三分频器29提供时隙控制信号tct，它被连接到第二相位偏差加法器30，用来在外同步的情况下，加上按照本发明所确定的平均确定时隙延时TOIm。时隙控制信号tct也被加到第三相位偏差加法器31上，它连接到发送器支路Tx中的调制器32上，发送偏差信号tof被加到偏差加法器31上。开关33，34和35被提供，来从按照本发明的副站MS1同步切换到本来就已熟知的外同步。在图上显示了开关33，34和35处在按照本发明的同步状态。时隙控制信号tct控制开关36，开关把接收支路Rx中的滤波器37连接到模-数(AD)变换器38，滤波器37给出了中频信号IF。代之以提供中频信号，滤波器37也可提供基带信号，这取决于副站MS1的类型，它或者具有IF接收机前端，借此在下一级实行基带变换(图上未示出)，或者具有直接变频前端(图上未示出)。中频信号在予期的时隙位置被模-数变换器38采样，予期的时隙位置由在初始同步时接收的信号得出，例如参阅所述的Mouly的手册PP.214—216。模-数变换器38的输出39被连接到均衡器/解调器装置40，例如以可编程信号处理器来实现(图上未示出)，均衡器/解调器装置40确定时隙延时TOI，它是在接收的时隙位置和予期的时隙位置之间的延时，此信息在按照本发明的情况下被使用，并且确定频率偏差信号FOI，此信息在外同步的情况下被使用。在后者情况下，信号FOI被送到第一积分器41，其输出42被加到开关35。均衡器/解调器40给出解调数据dda，并借助于所接收的训练序列和已知的所发送的训练序列比特模型的互相关，由所接收的训练序列确定所接收的时隙位置，训练序列是由主站BS1连同发送的数据一并发送的。由于在时隙内训练序列的位置是已知的，因而予期的时隙位置是已知，时隙延时TOI就可被确定为离已知位置的偏差。按照本发明，所确定的时隙延时TOI在被低通滤波器44滤波后被送到微分装置43。所确定的时隙延时TOI也被送到第二积分器45，它平滑所确定的时隙延时TOI，以构成平均的确定的时隙延时TOIm。被微分的所确定的时隙延时TOId和平均的或积分的确定的时隙延时TOIm被送到组合器装置46，它给出调整信号adj，用来调整参考时钟信号发生器20，以改变时隙延时，这样就不会出现无法接受的数据时钟偏移。调整信号adj最好是确定量TOId和TOIm的函数，例如比例函数。如果TOIm＝0，那df＝dTOI/dt＝-adj，其中d/dt是微分算符。如果TOIm＜＞0，那么adj＝-df+k.TOIm，其中＜＞代表不相等，及k是比例因子。借助于计算方框47，可确定控制值的当前值ctl，它被送到用来控制参考时钟信号发生器20的数-模变换器48，当前值是控制值dtl的以前值和调整信号adj的以前值的和值。按照本发明，在连续控制情形下，也就是平均延时TOIm没有不连续性的情形下，在控制参考时钟发生器20时，没有必要通过偏差FOI进行控制，因为主站BS1中的主振荡器(图上未示出)和副站中的参考时钟信号发生器之间的频率偏差直接反映在延时TOI上。随时间变化的延时TOI相应于主站BS1和副站MS1之间的频率偏差，且平均延时TOIm＜＞0表示了所接收的时隙位置非同步性。对于短期平均，积分器45应当具有远小于dt的时间常数。
图3显示了按照本发明的副站MS1的所接收的帧结构FR，并显示了时隙采样时钟tcl和数据时钟dcl相互之间的位置。图上显示了26帧的上行链路GSM的多个帧，以标号F0到F25周期重复，多个帧FR具有120毫秒的持续周期。所述的Mouly的手册pp215—216描述了这样的多帧结构。在GSM中，多帧结构的每个TDMA帧有8个时隙。另外，在GSM中，信息是以一定的时间间隙的脉冲方式发送的，脉冲在时隙中发送。帧号F12是GSM中的所谓SACCH(慢速联合控制信道)，它为多个连续时隙提供控制信息。帧号F25是空闲帧。至少必须有4个脉冲以发送20毫秒的编码语音信息，由于帧的交织，正如GSM中无线接口上所应用的那样，20毫秒的编码语音信息被分布在8个脉冲中。以水平阴影线方框表示了信道编码器和语音编码器(图上未示出)的计算时间CMP，该语音编码器在具有20毫秒的时间间隔的语音段内工作。在两个水平阴影线方框之间，用160个抽样填入缓冲器，(图上未示出)以便随后由语音编码器进行处理。正如在图3所见到的那样，在计算以后，即在时刻T1处，在紧跟在瞬间T1后的传送瞬间TXR之前，即时刻T1还有时间余量MAR，但也可看到，两个时钟系统，也就是时隙采样时钟和数据时钟，只允许在两个时钟系统之间有很小的异步或偏移。对于副站MS1，如图2所示，通常不出现无法接爱的偏移和导致数据丢失，所有时钟由同一个参考时钟信号发生器20得出。
图4A显示了按照本发明对于恒定时隙延时用来确定的调整信号的特征。图上显示了三个轴adj、df和TOIm，其中adj＝f(TOIm，df)，对于恒定的平均时隙延时TOIm。图上显示了对于TOIm＝0和TOIm＝C1(C1是给定的恒定值)的情况下的特性。在所显示的三维图中，正调整信号adj用实线表示，而负调整信号adj用虚线表示。在初始状态时，假定在副站MS1的开关36期待由主站BS1发送的脉冲，这样时隙延时TOI和时隙延时TOI的微商TOId是正的。在这样的初始状态下，对于信号FOI是正值和df是正值的情况，参考时钟信号发生器20的频率应当减小，也就是adj＜0，以及对于时隙延时TOI是正值的情况，参考时钟信号发生器20的频率应当增大，也就是adj＞0。
图4B显示了按照本发明对于时隙延时TOI的恒定微商TOId，用来确定调整信号的特性。图上显示了对于df＝0时的特性，也就是显示了在adj-TOIm平面上的特性。
图4C显示了用来确定按照本发明的调整信号adj的三维特性，其中adj＝f(TOIm＋df)，特性区域考虑了系统约束，例如按照GSM建议。
图5显示了按照本发明的副站MSl中的语音路径的方框图。从副站MS1到主站BS1方向的语音路径包括麦克风50，模-数变换器51，语音编码器52，和连接到调制器32的信道编码器53。从主站BS1到副站MS1方向的语音路径包括连接到均衡器/解调器40的信道译码器54，语音译码器55，数-模变换器56，和接收机57。在图5中，表示了数据时钟dcl和时隙采样时钟tcl在副站MS1的哪个部分工作。
图6显示了语音路径中语音编码器52，和语音译码器55的方框图。语音编码器52包括缓冲器60，它可包括由模-数变换器51产生的160个语音样本(相应于20毫秒的语音)，还有用来缓冲每20毫秒的160个样本的中间缓冲器61，和包含在数字信号处理器62中的语音编码算法。这样的算法可以是诸如应用在GSM系统中的已知算法。每当缓冲器60装满时，其中的内容被复制到中间缓冲器61中。语音译码器55包括在数字信号算是器63中的语音综合算法，该算法是本来已知的，还有用于语音译码器63的每路160个样本的中间缓冲器64，和缓冲器65。每当缓冲器65被腾空时，中间缓冲器64中的内容就被复制到缓冲器65中。在图6中，表示了数据时钟dcl和时隙采样时钟tcl在语音编(译)码器的哪个部分工作。

Claims (8)

1.包含至少一个主站(BS1，BS2，BS3)和多个副站(MS1，MS2，MS3)的时分多址数字传输系统(1)，在该系统(1)中，主站(BS1，BS2，BS3)以包含同步信息和时隙中包含用户信息的帧(FR)向副站(MS1，MS2，MS3)传送信息，以及在该系统(1)中副站(MS1，MS2，MS3)包括参考时钟信号发生器(20)，其特征在于，副站(MS1，MS2，MS3)包括时隙延时确定装置(40)，用来确定在副站所接收到的时隙位置和予期的时隙位置之间的时隙延时(TOI)，以及变换装置(43)，用来把所确定的时隙延时(TOI)变换成包含在用来调整参考时钟信号发生器(20)的频率的调整信号(adj)中的第一频率偏差(TOId)。
2.按照权利要求1的时分多址数字传输系统(1)，其中调整信号(1)是所确定的第一频率偏差(TOId)和所确定的时隙延时(TOIm)的函数。
3.按照权利要求2的时分多址数字传输系统(1)，其中该函数是比例函数。
4.按照权利要求1，2或3的时分多址数字传输系统(1)，其中包括在副站(MS1，MS2，MS3)中的时隙采样时钟(tcl)和数据时钟(dcl)是从参考时钟信号(20)得出。
5.按照权利要求1，2，3或4的时分多址数字传输系统(1)，其中所确定的时隙延时(TOI)在被包含到调整信号(adj)之前，先借助于平滑滤波器(41)被滤波。
6.按照权利要求1的时分多址数字传输系统(1)，被修改为，调整信号(adj)包括第二频率偏差信号(FOI)而不是第一频率偏差信号(TOId)，在确定的时隙延时有予期的不连续的情况中，第二频率偏差信号(FOI)是正比于接收的载波频率和予期的接收载波频率的信号。
7.按照权利要求1到6中的任一项的时分多址数字传输系统，该系统是移动无线系统。
8.用于时分多址数字传输系统(1)的副站(MS1，MS2，MS3)，在该系统(1)中，主站(BS1，BS2，BS3)以包含同步信息和在时隙中包括用户信息的帧(FR)向副站(MS1，MS2，MS3)传送信息，以及在该系统(1)中，副站(MS1，MS2，MS3)包括参考时钟信号发生器(20)，其特征在于，副站(MS1，MS2，MS3)包括时隙延时确定装置(40)，用来确定在副站所接收到的时隙位置和予期的时隙位置之间的时隙延时(TOI)，以及变换装置(43)，用来把所确定的时隙延时(TOI)变换成包含在用来调整参考时钟信号发生器(20)的频率的调整信号(adj)中的第一频率偏差(TOId)。
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