CN1278571C - 在电信系统中进行帧传输同步的方法 - Google Patents

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Abstract

电信网中使帧传输同步的一种机制，前述电信网包括移动台(MS)，无线网络控制器(SRNC)，至少一个基站(BS1、BS2)。移动台(MS)和各基站(BS1、BS2)具有相应的定时基准(MSFN、BS1FN、BS2FN)。该机制包括或者执行以下步骤：1)确定连接特定的定时基准(CFN)，该定时基准对所述连接中涉及的所有节点(MS、BS1、BS2、RNC)都是相同的；2)确定基站(BS1、BS2)的定时基准和CFN之间的偏差(OFS)；以及3)基站(BS1、BS2)利用该偏差(OFS)补偿定时基准之间的差值。

Description

在电信系统中进行帧传输同步的方法
技术领域
本发明涉及电信网中使通过多条并行传输路径传输的帧同步的方法和设备。
背景技术
图1A说明了可以应用本发明的电信网。该电信网可以是例如所谓的第三代蜂窝移动网，例如UMTS(全球移动电信系统)。该电信网包括第一端节点，例如移动台MS，和第二端节点，例如无线网络控制器RNC1、RNC2。该网络还包括若干中间节点，例如基站BS1到BS4。在端节点之间发送的信息被格式化成帧，至少一些帧在端节点之间通过至少两个中间节点发送。端节点之间的连接借以建立的第一个中间节点被称为第一中间节点。随后加入该连接的其它中间节点被称为第二中间节点。在蜂窝网络技术中，通过若干中间节点进行帧的路由寻址的技术称为宏分集、分集组合或者软越区切换。
图1B说明了与图1A所示系统相关联的问题。此后，本发明将利用蜂窝网，尤其是UMTS的概念和术语来描述，但是应当记住，本发明可以应用于中间节点(基站)彼此不同步并且/或者与端节点(MS、RNC)不同步的其它电信网。换句话说，不同节点不使用同一定时基准和/或帧编号序列。但是，最近UMTS文献倾向于使用术语用户设备(UE)，但在本应用中，使用术语移动台(MS)。
按照UMTS的当前应用，通过如下方式消除一些业务开销：不通过无线接口Uu在帧中发送帧编号。取而代之的是，在BS到MS方向上，将帧编号同时广播到所有移动台，在BS到RNC方向上，基站在模p序列中加入帧编号，在该序列中当前提议的p值是72。换句话说，帧编号循环重复：0，1，…，71，0，1等等。基站彼此不同步。因此，帧编号是相对的，如果没有至少是作为帧编号基础的定时基准的隐含信息，它们确实毫无意义。根据角度的不同，帧编号被称为MSFN、BS1FN、BS2FN等等。在图1B中，定时提前自顶向下。在时刻T0，移动台MS接收到一帧，MS将其解释为帧编号N。因为移动台的定时基准，即其时钟，是主定时基准，RNC必须在T0之前的某个时刻发送该帧。这个时刻称为定时差Tdiff，它起因于RNC和MS之间的有限的传播和传输时延。(传输时延的概念类似于GSM系统中的定时提前，而在GSM中，调节MS的定时提前)。
在时刻T0，MS还发送上行帧给RNC。该上行帧也编号为N，因为帧的编号基于移动台的定时基准。在每个节点(MS、BS1、BS2)下示出了相应的定时基准，或者帧编号序列(MSFN、BS1FN、BS2FN)。大约在时刻T0+Tdiff，RNC通过两个基站，BS1和BS2，接收帧N。因为帧编号不通过无线接口传送，并且因为基站使用不同的定时基准，BS1将该帧以帧N’的形式发送给RNC，而BS2将同一帧作为帧N”发送。RNC没有内置的定时基准。
尽管第一问题在使用宏分集的系统中最为严重，潜在的BS/RNC同步的问题在没有宏分集时也会出现。
第二问题是在某些电信系统中，例如在UMTS中，可以重新配置连接，例如以协商不同的数据速率。这种重新配置必须在该连接所涉及的所有节点中同时进行。
第三问题在于，在使用加密的系统中，通常使用帧编号作为不断变化的密钥。但是，模72帧编号太短，不足以形成可靠的加密。
发明内容
本发明的中级目的是提供一种机制以至少解决上述第一问题，即MS/BS/RNC同步问题。最终目的是也解决其它两个与同时重配置和加密相关的问题。
中级目的通过本发明提供的方法和设备来实现，同时公开解决其它两个问题的优选实施例。
本发明提供电信网中使帧传输同步的一种方法，前述电信网包括移动台，服务无线网络控制器，至少一个基站或控制无线网络控制器，所述移动台和服务无线网络控制器通过所述至少一个基站或控制无线网络控制器建立连接，其中所述移动台和所述至少一个基站或控制无线网络控制器具有相应的定时基准；其特征在于，该方法包括以下步骤：确定连接特定的定时基准，该定时基准对所述连接中涉及的移动台、服务无线网络控制器以及基站或控制无线网络控制器是共同的；为至少一个基站或控制无线网络控制器确定偏差，该偏差与该基站或控制无线网络控制器的定时基准和所述连接特定的定时基准之差对应；以及利用有关所述偏差的所述信息补偿所述定时基准之间的所述差值。
本发明提供移动台，用于通过电信网中至少一个基站或控制无线网络控制器生成到服务无线网络控制器的连接，其中移动台和各基站或控制无线网络控制器具有相应的定时基准；其特征在于，移动台被配置为与所述服务无线网络控制器合作，其中所述移动台被进一步配置为：确定连接特定的定时基准，该定时基准对所述连接中涉及的移动台、服务无线网络控制器以及基站或控制无线网络控制器是共同的；为至少一个基站或控制无线网络控制器确定偏差，该偏差与该基站或控制无线网络控制器的定时基准和所述连接特定的定时基准之差对应。
本发明提供服务无线网络控制器，用于通过电信网中至少一个基站或控制无线网络控制器生成到移动台的连接，其中所述移动台和各基站或控制无线网络控制器具有相应的定时基准；其特征在于，所述服务无线网络控制器被配置为：与所述移动台合作，其中所述服务无线网络控制器还被配置为确定连接特定的定时基准，该定时基准对所述连接中涉及的移动台、服务无线网络控制器以及基站或控制无线网络控制器是共同的；以及为至少一个基站或控制无线网络控制器确定偏差，该偏差与该基站或控制无线网络控制器的定时基准和所述连接特定的定时基准之差对应；以及利用有关所述偏差的所述信息补偿所述定时基准之间的所述差值。
本发明还提供控制无线网络控制器，用于在电信网中生成移动台与服务无线网络控制器之间的连接，其中数据在所述移动台和服务无线网络控制器之间以帧的形式发送，至少一些帧通过若干控制无线网络控制器发送；以及其中所述移动台和各控制无线网络控制器具有相应的定时基准；其特征在于，所述控制无线网络控制器被配置为同步到连接特定的定时基准，其中所述控制无线网络控制器被进一步配置为：接收与其自身定时基准和该连接特定的定时基准之间的差值对应的偏差；以及利用所述偏差补偿所述定时基准之间的所述差值。
本发明还提供基站，用于在电信网中生成移动台与服务无线网络控制器之间的连接，其中数据在所述移动台和服务无线网络控制器之间以帧的形式发送，至少一些帧通过若干基站发送；以及其中所述移动台和各基站具有相应的定时基准；其特征在于，所述基站被配置为同步到连接特定的定时基准，其中所述基站被进一步配置为：接收与其自身定时基准和该连接特定的定时基准之间的差值对应的偏差；以及利用所述偏差补偿所述定时基准之间的所述差值。
本发明的基本思想在于确定一个新问题(在已有的宏分集实现中，基站是同步的，该问题不存在)。本发明的基本思想还在于，它可以通过一种方法来实现，该方法包括以下步骤：1)确立与连接相关的定时基准(称为CFN)，它对该连接所涉及的所有节点都是相同的；(2)为至少一个基站确定一个偏差，该偏差与该基站的定时基准和CFN之差相关；以及(3)利用该偏差信息补偿定时基准之差。
按照本发明，建议移动台MS和服务无线网络控制器RNC必须同意一个共同的定时基准，它包括至少一个共同的帧编号方案。在本文档内，‘共同’意味着对MS、SRNC和涉及的基站之间的连接而言是共同的。这种共同的帧编号方案被称为连接帧编号CFN。
按照本发明的优选实施例，该偏差至少由一个移动台用于将其定时基准与RNC的定时基准同步。
使用共同的帧编号方案，即CFN，意味着当SRNC决定发送数据给移动台MS时，它将该帧标记为帧编号X。当移动台接收到该帧时，它将帧识别为帧X。但是，实际的帧编号不在业务信道上发送，相应地，在建立连接时必须商定共同的帧编号方案。换句话说，MS和SRNC必须在MS行为开始时就同步它们的帧编号方案。换句话说，MS和SRNC必须在交换头几个连接消息时就彼此同步。如果需要，MS/RNC同步可以基于单独的同步消息，但是如果使用以下机制，则为此使用单独的消息是多余的：MS发送的第一消息一般是“连接请求”消息。它包括MS打算包含在它的活跃集中，即其活跃小区/基站集中的小区的测量。按照本发明，初始消息还包括与不同基站的定时基准之差相关的信息。MS的定时基准与编号n的基站的定时基准之差称为OFSn。为MS所监视的各个基站测量该值。
SRNC在从MS接收初始“连接请求”那一刻起确定共同基准。当SRNC命令基站为该MS建立专用信道时，SRNC还向基站发送相应的与BS相关的偏差OFSn。在每个下行帧中，SRNC包含了按照共同的帧编号方案的帧编号。对各个帧而言，该编号对所有基站都是相同的。为了通过无线接口传输，各个基站使用它自身的基站特定的偏差OFSn，将共同的帧编号映射成基站自身的编号方案。在该帧编号映射之后，BS可以在正确的时间点发送该帧。基站还可以在上行方向上进行方向映射，从而SRNC中的分集组合单元能够组合具有相同帧编号的帧。
共同的帧编号还是用于RRC(无线资源控制协议)消息的定时基准，例如从SRNC到MS的越区切换命令。
按照本发明的一种实施例，一个基站，最好是连接中涉及的第一个基站，不需要补偿定时基准的差值。换句话说，补偿其它基站的定时基准来匹配第一基站的定时基准。按照本发明的优选实施例，该帧编号FN包括两部分。一部分形成了FN的最低有效位，是已知的模72CFN。另一部分形成了FN的最高有效位，可以称为超帧号HFN。FN(＝CFN+HFN)的组合长度最好至少有32比特。这种实施例解决了与加密相关的第三问题。
当MS发送其初始“连接请求”消息时，它可以将CFN设置成成功发送了消息的RACH帧的BS1FN。(后面将给出HFN的优选初始化值。)SRNC在FCL(帧控制层)帧中接收该消息，FCL帧也包含BS1FN(＝CFN)，它可以将MSFN初始化成正确值。即使没有接收到上行帧，存储在SRNC中的(该特定MS的)MSFN也是每隔10毫秒增量一次。但是，实际上每720毫秒仅增量HFN就已足够，因为CFN包含在每个上行FCL帧中。可以如下取消MS特定的HFN计数器：1)只存储各MS的初始值，以及2)在每个帧中，将初始值加上从连接建立开始，即从HFN初始化开始，所经过的完整CFN周期的数量。
因为MS的定时基准是主体，MS能够自由选择任何值作为CFN和/或HFN的初始值。这种自由程度可用于改进加密安全性。不再是严格基于“连接请求”消息的时间设置CFN和/或HFN，而是将该时刻用作加密算法的籽数，用于提供加密的初始值，使得窃听者无法得到该初始值。
对加密而言，各方应当：1)初始化籽数(CFN和/或HFN)，以及2)避免在短时间段内使用相同籽数两次或者多次。相同籽数的重用会削弱加密安全性。例如，让我们假定移动台在两个相继的RRC连接中使用相同加密密钥Kc。如果在两个方向上，HFN都被初始化成0，则将加密算法(FN和KC)的同一输入使用两次，在相对较短的时间段内使用相同的加密掩码。在随机初始化时这也可能发生。
按照本发明的另一优选实施例，可以如下改进加密安全性。在释放RRC连接时，移动台存储使用的最后一个HFN(或者可以借以确定最后使用的HFN的其它信息)。MS可以例如将最后使用的HFN存储在它的SIM卡中，防止相同加密密钥的重用。在新的RRC连接建立时，MS将HFN初始化成某个值，该值大于最后使用的HFN，将该值最好在RRC“连接建立请求”消息发送给SRNC。该HFN值将用作SRNC初始化HFN的基准。最好下一个HFN是最后使用的HFN加1。这确保了存在同一加密密钥被重用的最大时间周期。应当注意，RRC“连接建立请求”仅是发送HFN初始值的一种可能消息。该值可以在加密开始前的任何时刻，在任何消息中发送。
为了尽量减小RRC连接建立消息的长度，应当可以只发送HFN的最高有效位(最低有效值具有默认状态，例如0)。用于HFN初始化的比特的数量取决于在建立新的RRC连接时可以重用同一加密密钥的次数。8个比特可能足以发送HFN的最高有效位。
在加密开始之前，(例如在建立新的RRC连接时)，HFN应当初始化成某个大于最后使用的HFN值的值。这可以通过以下过程来确保。在释放一个RRC连接时，MS存储上次使用的HFN的值，最好将其存储在MS的SIM卡内。在建立下一个RRC连接时，从SIM卡读取该值并加1。加1确保了存在再次使用同一加密密钥的最大时间周期。自然，可以在存储之前完成增量步骤。
通过只存储HFN的最高有效位(HFN可以在存储之前或之后增量)，可以节省一些存储器。
MS和UTRAN之间的HFN(UMTS无线接入网)可以由MS在RRC“连接建立请求”消息中通过RACH信道向网络发送HFN(或其最高有效位)来同步。或者，MS可以：1)使用专用信道；2)在认证过程期间；或者3)在“加密模式完成”消息中发送HFN(或其最高有效位)给UTRAN。如果网络有最后使用的HFN的信息(例如在RRC连接重建过程中)，则RNC可以初始化HFN。
在GSM到UMTS越区切换过程中，适当的消息是“越区切换结束”。或者，MS可以发送HFN(或其最高有效位)给GSM网络，后者将其转发给UMTS网络。
潜在的安全隐患依然存在。这种隐患可能会在以下情况下引发：呼叫期间移动台的电源(电池)出现故障。在电池重新充电或者被替换时建立新的连接，则从SIM卡读取HFN(及其MSB部分)并发送给网络。但是，如果电池故障，移动台没有时间存储上次使用的HFN，则新连接(在重新充电/替换电池之后)将使用“旧的”HFN。因此，新连接将使用的帧编号与前一连接相同，这削弱了安全性。
因此，最好实现以下特性：在从SIM卡读取最后使用的HFN号码时，将其标记为“旧的”(或者“已用”)。在连接结束时，如果将最后使用的HFN号码写入SIM卡，则将其标记为“新的”(或者“未用”)。如果无法将最后使用的HFN正确地更新到SIM卡(例如因为电池故障)，则移动台将检索“旧的”HFN号码(或其MSB部分)。在这种情况下，移动台至少有两个选择。
按照第一选择，MS可以选择随机数作为HFN。该随机数应当远大于最后使用的HFN，从而该序列或者帧编号被重复的可能性很小。如果MS每L个超帧就更新SIM的HFN，并将最近更新的HFN标记为“旧的”，则这将被强制执行。如果电池故障，下一连接的HFN将被置为“旧的”HFN(存储在SIM卡+L+1)。该值应当立即更新到SIM卡并标记为“旧的”。(当然，因为HFN具有有限长度，“大于”应按照模数方式进行解释)。
按照第二选择，MS可以通知网络该MS有一个坏的HFN，请求新的加密密钥Kc。在交换了Kc之后，第一连接使用哪个HFN和新的Kc并不重要。
一些加密概念无法使用CFN作为加密计数器。如果加密需要在对CFN没有直接控制的协议层进行，例如在RLC(无线链路控制)层进行，则属于这种情况。这种情况下，同一HFN仍可用于初始化加密计数器，但是在初始化之后，加密计数器并不与CFN一起增量，而是通过其它方式，例如通过依照RLC PDU号码。RLC PDU号码与CFN类似，一般具有有限长度，从而RLC PDU号码的周期实际上短于一般连接的长度。在一些加密概念中，甚至加密在多于一个协议层上进行都是可行的，例如对所有非透明业务在RLC层上加密，而对于所有使用透明RLC的业务，则在MAC层上加密。这种情况下，MAC层上的加密可以使用HFN+CFN作为加密序列号，而RLC层上的加密应当使用HFN+RLCPDU号码作为加密算法的序列号输入。
如果加密无法例如在RLC层上使用CFN，则以下可能性会引起其它问题，即存在多个并发业务(无线接入载体)，每个业务使用它自己的RLC实体，因而每个业务具有独立的RLC PDU号码序列的。实际上，这意味着每个业务(无线接入载体)具有它自己的加密序列号。需要解决两个问题：1)在其它载体的加密已经活跃情况下，应当为业务(无线接入载体)使用哪个HFN值以加入连接？；以及2)如果每个业务有自己的加密计数器，则在释放RRC连接之后，需要将哪个HFN存储到SIM(或者任何非易失性存储器)？
对问题1)而言，存在两种可能的方案。按照第一方案，从SIM卡读出新无线接入载体的HFN(类似于RRC连接建立过程)。按照第二方案，新无线接入载体的HFN将基于该连接期间使用的最高HFN。可以将它设置成这样一个值，该值与使用的最大HFN相同，或者例如比使用的最大HFN大某个整数值，最好是。
对问题2)而言，解决方案是在任何时刻都记录使用的最大HFN。在释放RRC连接时，(或者在每L个超帧之后)，将使用的最大HFN以上述方式存储到SIM卡。该记录过程可以在例如监控所有并发加密进行的协议管理实体中实现。
应当注意，如果并发加密计数器彼此独立运行，则没有解决实际的安全问题，因为同一加密计数器值可以出现在非常短的时间段内(在不同业务中)。此外，如果是基于RLC PDU号码的加密，传输过程中必须包含未加密的PDU号码，所以容易被窃听者跟踪加密计数器。安全问题(避免在过短时间段内产生同一加密掩码)可以如下解决：a)在加密算法输入中包含载体(或者逻辑信道)特定的输入(例如载体标识号码)(这在芬兰专利申请990500中公开)；或者通过b)为每个并发无线接入载体使用不同Kc或者不同加密算法(这在芬兰专利申请980209中公开)。应当注意，SIM卡的使用仅作为例子给出。任何非易失性存储器都行。但是，考虑到MS用户将SIM卡转移到另一终端的情况，最好将HFN存储在SIM中。按照本发明的另一优选实施例，帧编号偏移OFSn不是整数，而具有更高的解析度。OFS的小数部分被称为码元偏移，SOF，如果软越区切换过程中第1层同步需要的话，其解析度最好匹配一个码元或者基片。或者可以将OFS和SOF存储成不同参数。
这些偏移可以在每个测量包括中更新。移动台可以在任何时刻比较它自身的定时基准和基站的定时基准。
如果本发明用于无法应用UMTS术语的电信系统，则移动台MS和无线网络控制器RNC可以被分别称为第一端节点和第二端节点。相应地，基站BS可以称为中间节点。连接借以建立的第一个中间节点(BS)被称为第一中间节点。随后加入的其它中间节点被称为第二中间节点。
附图说明
下面结合附图，通过优选实施例详细描述本发明，在附图中：
图1A的框图说明了蜂窝电信网；
图1B说明了与本发明相关的特定问题；
图2A说明了本发明的概念；
图2B的信令图说明了本发明优选实施例的操作；以及
图3示出了中间节点是控制RNC的情况。
具体实施方式
图2A说明了本发明的概念。按照本发明，定义了连接特定的定时基准，标记为基准编号20。连接特定的定时基准20包括了连接特定的帧编号CFN，以及最好是称为超帧编号HFN的扩展部分和小数偏移部分SOF。
连接特定的帧编号的维护基本上与图1B中其它帧编号相似。换句话说，它从0开始以模p方式步进(增量)，其中p是计数器的周期，例如72。为连接中的所有节点维护一个类似的帧编号计数器。计数器之间的唯一差别是它们之间的偏差。在图2A中，移动台MS和RNC将其帧编号MSFN、RNCFN与连接特定的帧编号CFN同步。就CFN而言，基站BS1具有+2的BS特定的偏差BS1，因为2必须加到BS1的帧编号BS1FN以得到连接特定的帧编号CFN。(这种偏差被称为正还是负只是命名习惯的问题。)相应地，基站BS2具有BS特定的偏差BS2＝-3。(在图2A中，选择这种小偏差是为了简明起见。实际上，偏差可以在0到7之间任意取值。)按照本发明，必须确定这些BS特定的偏差，并传送给该基站，从而各基站可以使用该偏差来补偿其自身定时基准(即其帧编号)与连接特定的定时基准20之差。
标记为CFN的竖直框指示了网络中各点的帧编号。在所示时刻，连接特定的定时基准20具有帧编号CFN＝5，它对MS和RNC也是一样。BS1的BS特定的帧编号是3，BS2的是8。因为MS是主体，它能够自由选择任何定时基准，并且因为RNC必须将其帧编号与MS的帧编号同步，MS和RNC也可以将其帧编号方案与BS1的帧编号方案同步，BS1是该连接所涉及的第一基站。这意味着BS1的偏差，即OFS1，是0。(但是，考虑到BS1可能更容易直接加上偏差，而不是首先检查它的偏差是否为0，如果偏差非0则进行相加，所以0偏差的好处较小。)
连接特定的定时基准20也应当包括扩展部分，称为超帧编号HFN。每当CFN完成一个周期，例如每720毫秒，则实现步进(增量)。出于两个原因，HFN的比特长度应当相当高。首先，在连接期间，HFN/CFN组合应当非常明确。其次，HFN/CFN组合应当用作加密/解密密钥。加密/解密密钥的适当长度约为32比特，而HFN约长25比特。在这种比特长度下，即使在持续长达1年的连接期间HFN/CFN组合仍非常明确。
连接特定定时基准20最好还包括小数偏差部分SOF，它用作补偿图1B所示的传播时延Tdiff。
应当注意，术语‘帧编号’有些误导。帧编号不用于统计实际的用户帧。而是基站利用帧编号对给定时刻发送的上行帧编号(作标记)。它们还利用帧编号确定应当发送具有给定帧编号的下行帧的时刻。例如，假定CFN每个10毫秒增量一次，它具有72步(720毫秒)周期，在建立连接之后1秒(1000毫秒＝100*10毫秒)发送的上行帧具有编号为1的HFN和编号为28的CFN(＝100 mod 72)。相应地，帧编号为28的下行帧必须在建立连接之后的280+n*720发送。为了维持同步，如果没有用户数据需要发送，则可以在RNC和BS之间发送空帧。
如上所述，按照本发明的一种优选实施例，在释放RRC连接之后，将最后使用的HFN存储在移动台的SIM卡中。在建立下一个新的RRC连接时，MS发送给SRNC一个初始值，SRNC根据该初始值初始化HFN，使其值大于最后使用的HFN。因为HFN的长度有限，“大于”应当以模数方式解释。例如，让我们假定HFN的长度为25比特。通过只存储并发送HFN的最高有效位，可以节省一些存储器，缩短连接建立消息。MS只能存储8个最高有效比特。让我们把这8个比特称为HFN的MSB部分。在下一个连接建立过程中，将不知道17个最低有效位(LSB部分)。但是，如果MSB部分增量1(在两个连续RRC连接期间)，则新连接的第一HFN将肯定大于前一连接的最后HFN。如果假定LSB部分都是1，整个HFN(不仅仅是MSB部分)增量1，则可以得到相同效果。
图2B的信令图说明了本发明优选实施例的操作。在步骤200，MS发送称为“RRC连接请求”(RRC＝无线资源控制协议)的消息，初始化该连接。该消息包含了MS打算包含在其活跃集的基站的测量。在步骤202，将连接请求传送到服务无线网络控制器SRNC。在步骤204，SRNC发送“信道激活”命令给BS1。该消息包括BS1的帧编号偏差值，即OFS1。但是，因为BS1是该连接中涉及的第一基站，其偏差值OFS1可以设置成0，因为不需要将基站的帧编号与绝对定时基准同步。只要各基站的帧编号彼此同步便已足够。(接着，BS1发送确认给SRNC，但这对理解本发明已无关系。)在步骤206-208，“连接请求确认”通过BS1发送给MS。现在，MS和SRNC之间已经建立了连接。
在步骤210，MS发送它的第一上行帧。在步骤211，BS1根据它接收连接帧的时刻计算该帧编号CFN。BS1还将CFN加上其帧编号偏差OFS1，但是OFS1被设置成0，CFN不变。在步骤212，BS1发送该帧给SRNC。步骤214-216给出了发送下行数据的对应步骤。
MS必须连续监控其邻接基站。在步骤220，它发送给SRNC一个“测量报告”，后者(在本例中)包括BS1和BS2的测量数据。该测量数据包括测得的BS1和BS2的功率和帧编号偏差。在步骤222，SRNC决定MS接收BS2的信号足够强，能够将BS2加入MS的活跃集。在步骤224，SRNC向BS2发送“信道激活”命令，后者包含了BS2的帧编号偏差OFS2。在步骤226，SRNC发送给MS一个“活跃集更新”消息，该消息指令MS将BS2包含在其活跃集中。(“活跃集更新”消息与越区切换消息有些相似，但是不一定放弃当前基站。)
在步骤230，MS发送另一上行数据帧。此时，该帧被转发给基站BS1和BS2。在步骤231，各基站根据它接收该帧的时刻确定其基站特定的帧编号BS1FN、BS2FN，在BSnFN(n＝{0，1})上加上其自身帧编号偏差。这些OFSn和BSnFN之和是连接帧编号CFN。CFN没有基站特定索引，因为它在连接的两个/所有基站都是相同的。在步骤232，BS1和BS2发送上行帧给SRNC，其组合单元可以正确地组合这些帧，因为在这两个帧中CFN都是相同的。
实际组合步骤可以基于已知的宏分集技术。每个帧可以包含测量结果，例如误码率BER或者接收信号强度指示RSSI，并且在相似的编码帧中，组合单元可以选择测量效果最佳的帧。
步骤234到236描述了发送下行数据给移动台MS。在步骤234中，SRNC发送连接帧编号为CFN的下行数据帧给移动台活跃集中包含的两个/所有基站。在SRNC中，根据SRNC发送下行帧的时刻确定下行帧的CFN。在步骤235，基站BS1和BS2利用CFN确定它们必须发送下行帧给移动台的时刻。在图2B中，时刻的计算以以下步骤示出：连接帧编号CFN减去基站特定偏差OFSn，其结果是基站特定的帧编号BSnFN，它与必须将该帧发送给MS的时刻有明确的关系。前面描述过，BSFN指定了720毫秒周期的时间。除了知道BSFN之外，基站必须维护超帧号HFN，后者指定了该时刻的最高有效位。接着，在步骤236中，基站BS1和BS2发送下行数据帧给移动台MS。不同的基站特定偏差OFSn补偿了基站的定时基准的不同，它们在正确的时间点发送该帧。
在图2B中，逐个发送上行和下行帧。但是，实际上，若干帧(例如4帧)组合成一个传送块集合TBS，以改进加密安全性和对传输差错的抵抗性。各帧中不再包含CFN和/或定时调整信息，而是在各TBS中包含这种信息便已足够。
第一层码元同步
在当前版本的UMTS中，必须在少于一个码元周期的定时差内接收需要组合的下行第一层数据。为了实现这种次码元周期同步，可以采用类似于确定帧编号偏差的过程。MS测量待选小区/基站的码元偏差SOFn。以MS特定要求的帧定时和BS的下行高位(广播)信道帧定时之差的形式测量SOF，并将其包含在测量报告中。在决定将新基站加入MS的活跃集之后，在信道激活消息中将BS的SOFn传送到该BS。
因为频率漂移，必须在连接期间更新SOF。在这种情况下，MS可以测量/重新计算SOF，并在测量报告中报告SOF。SOF重新计算的预期比率在每10分钟1次的量级。
这两个偏差可以组合成一个浮点数，其整数部分指定了OFS，小数部分指定了SOF，从而不再使用单独的帧编号OFS和码元偏差SOF。
SRNC重新分配
在连接期间，为该MS提供服务的RNC可以改变。在图1A中，虚箭头给出了MS移动到RNC2控制下的BS4所服务的小区。，这种情况要求SRNC的重新分配。在SRNC重新分配处理中，必须占用帧编号系统(即MSFN)。因为上行FCL帧，CFN部分可以在新的SRNC中维护。但是，HFN应当通过lur接口传送到新的SRNC。HFN可以在RNSAP SRNC重新分配过程中传送。如果这两个消息通过核心网的最大传送时延超过了720毫秒的CFN周期(在涉及MAP-E的情况下，这更容易发生)，必须采取一些额外的测量。例如，假定将原RNC和新RNC同步到共同的定时基准，则将HFN初始化的时刻通知给新的RNC便已足够。
公共信道状态
如果MS和SRNC之间几乎没有数据需要传送时，MS可以在连接期间进入公共信道状态(CH)。在公共信道状态中，若干移动台之间可以共享特定接入信道，例如随机接入信道RACH和前向接入信道FACH信道。在任何时刻，一些移动台可能使用加密而另一些则不需要。在这种情况下，绝对帧编号基准的使用仅出于加密目的才是必需的，因为不使用宏分集。换句话说，在MS和RNC之间只通过一个基站发送帧，允许MS使用该基站的帧编号。如果因为越区切换改变BS，则CFN应当改变成新BS的CFN。
在RACH上，MSFN用于加密数据，尽管一些RACH信令消息(或者至少部分RACH信令消息)的发送是未经加密的。在FACH(或者任何下行公共信道，例如下行共享信道DSCH)，MSFN用于SRNC中的调度和重传。MAC层知道BSFN和/或CFN，在FACH上使用MSFN加密数据。最好在所有公共信道上都应有该分组是否加密的指示(例如在MAC层消息头中)。
如果RNC使用的定时基准在进入CCH状态之前就已确定，它可能并不确切地知道对应于BS发送下行帧给MS的时刻的帧编号。这实际上使得基于帧编号的加密/解密变得不可能，因为MS可以在这样一个时刻接收帧，该时刻所对应的帧号不同于RNC用于加密的帧号。因此，建议至少在BS无法在对应于RNC所指示的帧编号的时刻发送帧的情况下，BS发送帧给MS，并提供适当的修正字段。例如，如果RNC所指示的CFN是36，BS在对应于38的CFN的时刻发送该帧，则BS应当向MS指示该帧所延迟的时间量等于两个帧编号。
这种修正字段应当限制成非负值。这意味着如果帧编号不是RNC所指示的帧编号，则该帧被延迟。如果RNC所指示的帧编号过大，BS应当通过延迟该帧来纠正该问题。
在以下情况下使用适当的修正字段也是可行的：控制RNC(CRNC，控制BS的RNC)决定应当使用哪个无线帧来进行传输，但是加密已由服务RNC(SRNC)完成。这种情况在图3中示出。这种情况下，CRNC是按照本发明的中间节点。
如果采用的加密/解密算法是MS可以断定是否可以正确解密帧(例如在无法正确解密时，提供一个无意义的结果)，则不需要发送修正字段。这种情况下，MS可以在遇到不正确的解密结果时，利用对应于前面几个帧的密钥解密帧。
针对UMTS提案的改变
如果本发明应用于蜂窝电信网，例如UMTS，则需要对当前标准提案进行一些改变。应当扩展RRC协议，在备选小区的测量报告中传送基站特定的偏差(OFS，最好是L1定时的SOF)。对某些基站而言，这些测量值的改变非常缓慢，或者出于实际应用，它们根本就不变化，因此只在必要时才发送该偏差能够减少一些开销。
FCL协议应当在每个上行和下行帧中包括CFN。为了维持同步，即使没有数据需要发送(DTX)，上行帧也应当定期发送。空帧可以用于初始同步。FCL消息头中可以包括一个或多个时间调整比特。消息头的格式可以是载体特定的。
如果需要使用，BSAP协议应当在“信道激活”消息和“信道改变”消息中包括OFS/SOF。应当定义一个新的消息/过程，“传输失败/差错指示”以指示基站已接收到这样一个帧，该帧完全位于分配给它的时隙之外。
RNSAP协议应当在“分支增加”和“分支重配”消息中包括OFS/SOF。应当以类似于BSAP协议的方式，定义一个新的消息/过程，“传输失败/差错指示”。
RANAP协议应当在“SRNC重新分配”和“SRNC重新分配请求”消息中包括HFN(或者该HFN初始化时刻)。
无线网络控制器RNC应当在MAC层为每个移动台包括超帧编号HFN计数器。实际上，仅仅是作为逻辑概念需要MS特定的计数器。在实际应用中，不一定为每个移动台建立单独的计数器。或者对每个移动台而言，RNC能够存储连接建立的时刻，在需要HFN号码时，检索其初始值，将其加入连接的当前时长(以720号码周期为单位)。HFN可以用作加密/解密算法的输入。RNC最好还存储每个移动台的SOF/Tdiff(参见图1B和2A)，根据FCL上行帧中定时提前比特进行修改。该信息用于设置FCL下行帧的传输时间，并用于设置涉及L1/L2重新配置的操作的切换时间。
基站BS应当存储每个移动台的BS特定帧编号偏差OFS(以及单独的码元偏差SOF，如果它没有包含在OFS中的话)。BS应当在每个上行数据帧中包括CFN＝BSFN+OFS，在对应于BSFN＝CFN-OFS的时刻发送下行数据帧。(在这些加和减操作中，假定SOF包含在OFS中。)此外，基站应当在上行FCL帧中设置定时调整比特。
移动台MS应当初始化MS特定的帧编号MSFN，每10毫秒增量一次。(除了现有技术测量之外)，还应当测量范围内的基站的OFS和SOF，并在其测量报告中报告这些偏差参数。
为了说明本发明，并为了论证其工业应用性，主要针对第三代移动通信系统，例如UMTS，描述了本发明。但是，本发明可以应用于其它类型的通信系统，因此，它并不局限于上述实施例。
术语表
BSn：编号为n的基站
BSAP：BS应用部分协议
BSnFN：编号为n的基站所用的帧编号
CCH：公用信道(状态)
CFN：连接帧编号
DTX：非连续传输
FACH：前向接入信道
FCL：帧控制层(帧传输协议)
HFN：超帧编号，CFN的扩展
MAC：媒质访问层
MS：移动台，也称为用户设备(UE)
OFSn：编号为n的BS的帧编号偏差
RACH：随机接入信道
RANAP：RAN(无线接入网络)应用部分
RNC：无线网络控制器
RNSAP：无线网络系统应用部分(2个RNC之间的信令协议)
SOFn：码元偏差，可以表示成OFSn的小数部分
SRNC：服务RNC
TBS：传送块集合
UMTS：全球移动通信系统

Claims (27)

1.电信网中使帧传输同步的一种方法，前述电信网包括移动台(MS)，服务无线网络控制器(SRNC)，至少一个基站(BS1、BS2)或控制无线网络控制器，所述移动台(MS)和服务无线网络控制器(SRNC)通过所述至少一个基站(BS1、BS2)或控制无线网络控制器建立连接，其中所述移动台(MS)和所述至少一个基站(BS1、BS2)或控制无线网络控制器具有相应的定时基准(MSFN、BS1FN、BS2FN)；
其特征在于，该方法包括以下步骤：
确定连接特定的定时基准(CFN)，该定时基准对所述连接中涉及的移动台(MS)、服务无线网络控制器(SRNC)以及基站(BS1、BS2)或控制无线网络控制器是共同的；
为至少一个基站(BS1、BS2)或控制无线网络控制器确定偏差(OFS、SOF)，该偏差与该基站或控制无线网络控制器的定时基准和所述连接特定的定时基准(CFN)之差对应；以及
利用有关所述偏差的所述信息补偿所述定时基准之间的所述差值。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，至少一个基站(BS1)或控制无线网络控制器利用所述偏差将其定时基准与服务无线网络控制器(RNC)的定时基准同步。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于，该网络包括该连接借以建立的第一基站(BS1)或控制无线网络控制器和至少一个第二基站(BS2、BS3)或控制无线网络控制器；所述偏差至少由各第二基站(BS2、BS3)或控制无线网络控制器使用。
4.根据权利要求1的方法，其特征在于，移动台(MS)和服务无线网络控制器(SRNC)根据它们之间发送预定消息(200、202)的时刻同步其定时基准。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于，移动台(MS)和服务无线网络控制器(SRNC)根据它们之间的连接建立的时刻同步其定时基准。
6.根据权利要求1的方法，其特征在于，在所述移动台(MS)和服务无线网络控制器(RNC)，连接特定的定时基准包括：
连接特定的帧编号(CFN)，它以预定间隔步进变化，并具有有限长度，使得连接特定的帧编号(CFN)的周期实际上短于连接的时长；以及
帧编号扩展(HFN)，它在连接特定帧编号完成一个周期时步进变化。
7.根据权利要求6的方法，其特征在于，移动台和服务无线网络控制器使用连接特定的帧编号(CFN)和帧编号扩展(HFN)加密和解密帧。
8.根据权利要求6的方法，其特征在于，移动台和服务无线网络控制器使用帧编号扩展(HFN)和另一序列号，包括协议数据单元编号，加密和解密帧。
9.根据权利要求6的方法，其特征在于，移动台和服务无线网络控制器在多于一个协议层中实施加密，连接特定的帧编号(CFN)和帧编号扩展(HFN)用于在第一层中加密和解密帧，而帧编号扩展(HFN)和另一序列号，包括协议数据单元编号，用于在第二层加密和解密帧。
10.根据权利要求6的方法，其特征在于，移动台和服务无线网络控制器在多于一个协议层中实施加密，或者为两个或多个并发载体实施加密，从而存在并行的独立运行的加密计数器，该帧编号扩展(HFN)用作加密计数器的初始化参数。
11.根据权利要求1的方法，其特征在于，各基站(BS)或控制无线网络控制器使用连接特定的定时基准确定发往移动台(MS)的传输时间，或者确定发往服务无线网络控制器(SRNC)的帧的帧编号。
12.根据权利要求11的方法，其特征在于，如果基站或控制无线网络控制器(BS)只能在这样一个时刻发送帧，该时刻晚于对应于连接特定定时基准的时刻，则该基站或控制无线网络控制器为该帧提供一个修正指示器，后者直接或间接指示了该帧所延迟的时间量。
13.根据权利要求11的方法，其特征在于，该基站或控制无线网络控制器的偏差还包括小数部分(SOF)，它对应于所述移动台(MS)和服务无线网络控制器(SRNC)之间帧的传播时延。
14.根据权利要求1的方法，其特征在于，移动台(MS)从移动台和服务无线网络控制器得到测量结果，将测量结果发送给服务无线网络控制器(SRNC)；服务无线网络控制器(SRNC)利用该测量结果确定该基站或控制无线网络控制器的所述偏差。
15.根据权利要求1的方法，其特征在于，移动台(MS)和服务无线网络控制器(SRNC)将其定时基准与该连接中涉及的所述至少一个基站(BS1、BS2)或控制无线网络控制器之一的定时基准同步。
16.根据权利要求15的方法，其特征在于，移动台(MS)和服务无线网络控制器(SRNC)将其定时基准与该连接中涉及的第一基站(BS1)或控制无线网络控制器的定时基准同步。
17.根据权利要求1的方法，其特征在于，至少一些帧包含了该帧是否包含加密数据的指示。
18.根据权利要求6的方法，其特征在于，移动台(MS)发送给服务无线网络控制器(RNC)所述帧编号扩展(HFN)的初始化参数，根据所述初始化参数，服务无线网络控制器(RNC)将所述帧编号扩展(HFN)初始化成某个值，该值超过了前一连接期间所述帧编号扩展(HFN)的最后值。
19.根据权利要求18的方法，其特征在于，所述初始化参数由所述帧编号扩展(HFN)的所述最后值生成，或者由所述帧编号扩展(HFN)的所述最后值的n个最高有效位生成。
20.根据权利要求18的方法，其特征在于，移动台(MS)在检测到需要建立、重新建立或者越区切换某个连接时，发送所述初始化参数。
21.根据权利要求18的方法，其特征在于，移动台(MS)通过以下方式中的一种或多种发送所述初始化参数给服务无线网络控制器(RNC)：
通过RACH信道，在“RRC连接建立请求”消息中；
通过专用信道；
在与认证过程相关的消息中；以及
在“加密模式完成”消息中。
22.根据权利要求18的方法，其特征在于，在从第二代移动网越区切换到第三代移动网时，移动台(MS)在“越区切换完成”消息中发送所述初始化参数给服务无线网络控制器(RNC)。
23.根据权利要求18的方法，其特征在于，在从第二代移动网越区切换到第三代移动网时，移动台(MS)发送所述初始化参数给所述第二代移动网，后者将其转发给服务无线网络控制器(RNC)。
24.根据权利要求18的方法，其特征在于，
在连接结束时，移动台(MS)在存储器中存储一个值，该值包括有关该连接期间所用的最后或者最大帧编号扩展(HFN)的信息；
在下一连接开始时，移动台(MS)从存储器中读取前一步骤存储的值，利用所述值生成所述初始化参数。
25.根据权利要求10的方法，其特征在于，
存在至少两个并行载体的不同加密；
在连接期间，移动台(MS)从存储器中读取前一连接期间所用的帧编号扩展(HFN)的最后或者最大值，在将新载体加入该连接时，利用所述值生成所述初始化参数。
26.根据权利要求10的方法，其特征在于，
存在至少两个并行载体的不同加密；
移动台(MS)记录该连接期间所用的帧编号扩展(HFN)的最大值，在将新载体加入该连接时，利用所述值生成所述初始化参数。
27.根据权利要求24的方法，其特征在于，所述存储步骤包括将存储的值标记成未用状态，所述读取步骤包括将存储的值标记成已用状态。
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