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Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft Kommunikationsnetzwerke, die zellular arbeitende
Netzwerke einschließen,
jedoch nicht darauf beschränkt
sind, und genauer ein System und Verfahren zum Messen und Kompensieren
von Variationen in den Fortpflanzungsverzögerungswerten zwischen Knoten
in einem Kommunikationsnetzwerk und insbesondere zwischen einem
Basisstationscontroller und jeweiligen Basisstationen, wobei die
Abstände
zwischen dem Basisstationscontroller und den Basisstationen nicht
dieselben sind.
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Hintergrund
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Kommunikationsnetzwerke,
so wie zellular arbeitende Systeme, haben typischerweise eine Vielzahl
von zellularen Gebieten oder Zellen, wobei jede Zelle Dienste für ein im
wesentlichen kreisförmiges geographisches
Gebiet liefert. Eine Basisstation befindet sich üblicherweise in der Mitte der
Zelle und ist so ausgelegt, daß sie
eine bidirektionale Kommunikation mit mobilen oder festen entfernten
Stellen innerhalb ihres Abdeckungsbereiches durchführt. In
einem großen
geographischen Gebiet ist eine Vielzahl von Zellen teilweise überlappend
angeordnet, um die breite und kontinuierliche Abdeckung des Gebietes zur
Verfügung
zu stellen.
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Typischerweise
wird ein Basisstationscontroller die Gesamtsteuerung aller Basisstationen
in einem bestimmten geographischen Gebiet oder einem Stadtgebiet
vornehmen. Eine der vielen Funktionen des Basisstationscontrollers
ist es, einen Zeitstempel oder ein Synchronisationssignal an jede
Basisstation zu geben, damit alle Einheiten im geographischen Gebiet
eine gemeinsame Uhr haben.
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Der
Basisstationscontroller wird oftmals einer der Basisstationen in
dem geographischen Gebiet zugeordnet sein, er kann aber auch an
einem Ort entfernt von allen den Basisstationen sein. Jedenfalls wird
die Entfernung zwischen dem Basisstation-Controller und jeder der
Basisstationen in dem lokalen geographischen Gebiet, das von dem
Controller gesteuert wird, wahrscheinlich nicht genau derselbe sein.
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Wie
oben angemerkt, wird die Referenzuhrzeit für jede Basisstation von einer
Master-Uhr abgeleitet, die typischerweise dem Basisstationscontroller zugewiesen
ist. Da der Abstand von dem Basisstationscontroller zu jeder Basisstation
nicht derselbe ist, wird jegliche Fortpflanzungsverzögerung in
der Kommunikationsverbindung (T1, E1 usw.) zwischen dem Basisstation-Controller
und jeder Basisstation bedeuten, daß der Zeitstempel für jede Basisstation nicht
synchronisiert sein wird.
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Bei
einigen Lösungen
des Standes der Technik wurde eine spezielle Schaltung extern bei
einem Vielkanal-Transceiver an dem Basisstationscontroller eingebaut,
in einem Versuch, die Synchronisation zur Verfügung zu stellen. Bei solchen
Systemen wurden markenmäßige Hardware-
und Softwareverfahren benutzt, um die erforderliche Funktionalität zu erreichen.
Als Alternative sind Schemata, die auf Satellitennavigationssystemen
(GPS) basieren, bei bestimmten Implementationen benutzt worden,
um eine ähnliche
Funktionalität
zu erreichen.
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Aus
WO 99/33207 A1 ist eine Synchronisation für zellulare Telekommunikationsfunknetze
bekannt. Diese wird durchgeführt
zwischen einer Master-Zeitgebungseinheit, welche an einem Steuerknoten
des Funknetzes angeordnet ist, und einer Slave-Zeitgebungseinheit,
die entweder an dem Steuerknoten oder an einem gesteuerten Knoten,
beispielsweise einer Basisstation des Funknetzes, angeordnet ist.
Eine der beiden Zeitgebungseinheit Master oder Slave dient als initiierende
Zeitgebungseinheit zum Übertragen
einer Synchronisationsanalyse-Befehlsnachricht,
welche einen ersten Parameter zu der andere Zeitgebungseinheit überträgt, welche
als antwortende Zeitgebungseinheit dient. Als Antwort schickt die
antwortende Zeitgebungseinheit eine Synchronisationsanalyse-Antwortnachricht,
und welche zumindest einen Parameter und bevorzugt einen dritten
Parameter zu der initiierenden Zeitgebungseinheit zurückschickt.
Die initiierende Zeitgebungseinheit verwendete Parameter, die der
Synchronisationsanalyse-Antwortnachricht entnommen worden sind,
um einen Synchronisations-Einstellwert zu bestimmen. Der erste Parameter,
der in der Synchronisationsanalyse-Befehlsnachricht enthalten ist,
ist ein erster Zeitstempelwert, der auf den Zeitpunkt bezogen ist,
zu dem die Synchronisationsanalyse-Befehlsnachricht von der initiierenden
Zeitgebungseinheit zu der antwortenden übermittelt wird. Der zweite Parameter,
der eingefügt
ist in die Synchronisationsanalye-Antwortnachricht durch die antwortende
Zeitgebungseinheit, ist ein zweiter Zeitstempel-Wert, der sich auf
den Zeitpunkt bezieht, zu dem die Synchronisationsanalyse-Befehlsnachricht
an der antwortenden Zeitgebungseinheit empfangen worden ist. Der dritte
Zeitstempel-Wert aus der Synchronisationsanalyse-Antwortnachricht
bezieht sich auf den Zeitpunkt zu dem diese gesendet wurde. Die
initiierende Einheit bestimmt einen vierten Zeitstempelwert. Der Synchronisationseinstellwert
wird verwendet um den Wert des System-Rahmen-Fehlers der entsprechenden Zeitgebungseinheit
einzustellen. Die Master-Zeitgebungseinheit kann an einem Basisstationscontroller
angeordnet sein, die Slave-Zeitgebungseinheit kann an einem Basisstationsknoten
angeordnet sein. Die Synchronisations-Nachricht weist einen Bereich für die Nutzlast
auf, so wie einen vorangehenden Kopf. Die Zeitstempel-Werte belegen
dabei Felder aus dem Bereich der Nutzlast.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist dazu beabsichtigt, bestimmte Aspekte der
Synchronisation zwischen Basisstationen zu lösen, in Situationen, in denen
mehrere Basisstationen mit einem einzelnen Basisstationscontroller
verbunden sind, wobei z.B. E1-Verbindungen benutzt werden, und insbesondere,
wenn die elektrischen Verbindungen zwischen dem Basisstationscontroller
und individuellen Basisstationen unterschiedliche Längen haben.
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Die
vorliegende Erfindung zeigt einen formalen Ansatz auf, um das oben
genannte Problem zu lösen.
Ein eingebettetes Protokoll innerhalb des Vielkanal-Transceivers
definiert den erforderlichen Quittungsbetrieb zwischen dem Basisstationscontroller und
den einzelnen Basisstationen, wobei FAS/NFAS-Wortbits eines Rahmenkennwort-Protokolls
(FAS: Frame Alignment Signal = Rahmenkennwort; NFAS: Non-Frame-Alignment
Signal = Rahmenmeldewort) und insbesondere die Sa-Bits benutzt werden,
die ein nicht störendes
Verfahren für die
Messung der Fortpflanzungsverzögerung.
Die weitere Integration der Meßschaltung
in einem Vielkanal-Transceiver
führt zu
einer Implementierung, die für
die Verbindbarkeit zwischen Basisstationscontroller und Basisstation
hochgradig geeignet ist.
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Daher
wird gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Messen und
Kompensieren der Fortpflanzungsverzögerung zwischen Knoten in einem
Kommunikationsnetzwerk zur Verfügung
gestellt, das aufweist: Übertragen
eines Schleifenverzögerungs-Meßsignals
von einem ersten Knoten zu einem zweiten Knoten über eine Kommunikationsverbindung
unter Verwendung von Sa-Bits eines Rahmenkennwort-Protokolls (Frame Alignment
Signal: FAS); Empfangen des Meßsignals an
dem zweiten Knoten und Zurückschicken
des Signals zu dem ersten Knoten zusammen mit einem eingebetteten
Wert einer Umkehr-Verzögerungszeit, die
an dem zweiten Knoten bestimmt worden ist; Empfangen des Meßsignals
und der eingebetteten Umkehr-Verzögerungszeit an dem ersten Knoten; Berechnen
der Fortpflanzungsverzögerung
im Umlauf zwischen den Knoten durch Messen der Gesamtverzögerungszeit
weniger der Umkehr-Verzögerungszeit;
und Addieren einer Verzögerungskomponente
zu einem Zeitgebungssignal für
den zweiten Knoten.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt ist der erste Knoten ein Basisstationscontroller
in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk und der zweite Knoten eine
Basisstation.
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Gemäß einem
dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Berechnen und Kompensieren jeweiliger relativer Fortpflanzungsverzögerungen
zwischen einem Basisstationscontroller und einer Vielzahl von Basisstationen
in einem Kommunikationssystem zur Verfügung gestellt, bei dem jede
der Basisstationen über
getrennte Kommunikationsverbindungen mit dem Basisstationscontroller
in Verbindung ist.
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Gemäß einem
anderen Aspekt wird für
jede Kommunikationsverbindung ein getrennter Fortpflanzungsverzögerungswert
berechnet.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Messen und Kompensieren unterschiedlicher Fortpflanzungsverzögerungszeiten
zwischen einem Basisstationscontroller und einer Vielzahl von Basisstationen
in einem Kommunikationsnetzwerk zur Verfügung gestellt, das aufweist: Übertragen
einer gemeinsamen HDLC-Zeitgebungsnachricht
als Meßsignal.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung wird ein System zum Messen und Kompensieren
der Fortpflanzungsverzögerung
zwischen Knoten in einem Kommunikationsnetzwerk zur Verfügung gestellt,
mit: einem Sender an einem ersten Knoten zum Übertragen eines Schleifenverzögerungs-Meßsignals
von dem ersten Knoten zu einem zweiten Knoten über eine Kommunikationsverbindung
unter Verwendung von Sa-Bits eines Rahmenkennwort-Protokolls (Frame
Alignment Signal: FAS); einem Empfänger an dem zweiten Knoten
zum Empfangen des Meßsignals
und zum Zurückschicken
desselben an den ersten Knoten zusammen mit einem eingebetteten
Wert einer Umkehr-Verzögerungszeit,
die an dem zweiten Knoten bestimmt worden ist; einer Empfangseinrichtung
an dem ersten Knoten zum Empfangen des Meßsignals und der eingebetteten
Umkehr-Verzögerungszeit;
einer Recheneinrichtung an dem ersten Knoten zum Berechnen der Fortpflanzungsverzögerung durch
Messen der Gesamtverzögerungszeit
weniger der Umkehr-Verzögerungszeit; und
einer Einrichtung an dem ersten Knoten zum Addieren einer Verzögerungskomponente.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nun in weiteren Einzelheiten mit Bezug auf die angehängten Zeichnungen
beschrieben, wobei:
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1 ein höheres Referenzmodell des Basisstationscontroller/Basisstation-Systemes
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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2 ein Ablaufdiagramm ist,
das das Protokoll für
die Messungen der Fortpflanzungsverzögerung und die Zeitgebungsanpassung
veranschaulicht;
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3 ein Zeitschaubild ist,
das die Geräteverzögerungen
und die Umlauf-Fortpflanzungsverzögerungen zeigt;
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4 ein Blockschaubild einer
Hadwareimplimentation gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ist;
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5 im Blockschaubildformat
die Verzögerungskompensation
innerhalb des Basisstationscontrollers veranschaulicht; und
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6 im Blockschaubildformat
die Verzögerungskompensation
in der Basisstation veranschaulicht.
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Genaue Beschreibung
der Erfindung
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Das
Konzept, das für
die Schleifenverzögerungskompensation
gemäß der vorliegenden
Erfindung vorgestellt wird, wird grob in dem Referenzmodell veranschaulicht,
das in 1 dargestellt
ist. Der Basisstationscontroller (BSC) 12 kann einen Vielkanal
E1- (oder T1-) Transceiver haben und ist mit den Basisstationen 14 durch
E1- (T1-)Verbindungen L1 bis L3 verbunden. Die Basisstationen (BS) 14,
wie es für
den Fachmann deutlich wird, könnten
einen Einzel- oder Vielkanal-Transceiver haben, aus Gründen der
Einfachheit ist ein einzelner Kanal in 1 veranschaulicht (in dem Modell wird
E1 benutzt). Der Vielkanal-Transceiver in dem BSC ist normalerweise
der Master, und jede der Basisstationen leitet ihre Synchronisationszeitgebung
von dem Master ab. Die abgeleitete Zeitgebung wird beispielsweise
benutzt, um eine Funkschaltung in den Basisstationen zu treiben. Bestimmte
Funkschemata erfordern, daß die Funkrahmen,
die von den unterschiedlichen Basisstationen gesendet werden, synchronisiert
sind. Beispiele solcher Schemata umfassen drahtlose Technologien,
sowie DECT, PHS, PCS usw.
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Wie
oben diskutiert ist es wahrscheinlich, daß die Entfernungen zwischen
den einzelnen Basisstationen und dem Basisstationscontroller unterschiedlich
sind, und dies ist natürlich
von der Netzwerkgestaltung abhängig.
Diese vorliegende Erfindung stellt ein Implementationsverfahren
zur Verfügung,
bei dem am BSC ein Kompensationsprozess durchgeführt wird, um sicher zu stellen,
daß eine Ausrichtung
der Zeitgebungsrahmen an allen Basisstationen trotz eines Unterschiedes
in den Schleifenlängen
vorliegt.
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Das
Protokoll zwischen dem BSC und der BS zum Zwecke der Verzögerungsmessung
und Anpassung wird in Einzelheiten unten im Zusammenhang mit dem
Ablaufdiagramm der 2 erläutert.
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Das
Einleiten der Schleifenverzögerungsmessung
am Ende des Masters (BSC) könnte
durch den Systemcontroller eingeleitet werden oder könnte ein
Teil der Initialisierungsprozedur in dem Gerät sein, abhängig von den Steuereingaben
für die
Modusauswahl. Die Prozedur wird initiiert, nachdem das Master-Ende
eine Basis-Rahmenausrichtung auf den ausgewählten Verbindungen von den
Basisstationen erreicht.
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Die
FAS/NFAS Sa-Bits werden benutzt, um eine auf HDLC basierende Nachricht
zu den ausgewählten
Basisstationen zu übertragen
(oder zu senden). Da der BSC und die BS typischerweise in den meisten
der Fällen
vom selben Verkäufer
geliefert werden, wird angenommen, daß die Verwendung der Sa-Bits
dieser Situation kein Problem sein wird. Bei dieser Implementierung
erzeugt die Verwendung von Sa-Bits keine zusätzliche Bandbreite für den Messungszweck
und wird es ermöglichen,
daß Nutzlast-Zeitschlitze
normalerweise sowohl in Richtung von BSC zu BS als auch von BS zu
BSC unter Modus 1 oder dem normalen Betrieb, wie unten
erläutert,
arbeiten werden. Jedoch erfordert der Betrieb in Modus 2 eine
Fernschleife zurück
an die BS, und dies wird die Kommunikation von der BS zum BSC stören.
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An
den Basisstationen wird der Empfang einer HDLC-Nachricht auf den
Sa-Bits bewirken, daß der
Transceiver entweder in den Betrieb nach Modus 1 oder Modus 2 eintreten
wird, wobei die Rahmen, die zum BSC übertragen werden, eine feste
Versetzung in Bezug auf die einlaufenden Rahmen haben werden. Diese
feste Versetzung wird an all den Basisstationen dieselbe sein, so
daß der
Kompensationsprozess angewendet wird, um nur Verzerrungen in der
Fortpflanzungsverzögerung
zu berücksichtigen und
nicht Verzögerungen,
die aus gerätebezogenen Faktoren
herrühren
(d.h. Dämpfer
für Flattern, Schlupfpuffer
usw.). Die Transceiver an den BSs geben an den BSC, daß sie entweder
in den Modus 1 oder in den Modus 2 (d.h. Fernschleife
zurück)
eingetreten sind, indem sie eine Bestätigungs(ACK-)-Nachricht über die
Sa-Bits an den BSC senden.
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Der
BSC fährt
fort, Verzögerungsmessungen basierend
auf dem Umlaufwert vorzunehmen und verriegelt die Ergebnisse, wobei
die ausgewählten Verbindungen
berücksichtigt
werden. Diese Verzögerungswerte
können
in der Hardware verarbeitet werden, wobei ein eingebetteter Algorithmus
für die
Normierung verwendet wird, und automatisch die Verzögerungsblöcke in die
Sendewege zu den BSC-zu-BS-Verbindungen programmiert werden. Eine
weitere Option ist es, den Systemcontroller zu unterbrechen und
die Verzögerungswerte
durch Systemsoftware zu verarbeiten.
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Anschließend an
die erfolgreiche Normierung wird eine Nachricht vom BSC zu den BS
rundgeschickt. Die Basisstationen können beginnen, indem sie die
abgeleitete Zeitgebung von den Verbindungen benutzen, um die Hochfrequenz-Transceiver zur
Kommunikation mit mobilen Stellen zu treiben. Verifikation oder
weitere Iterationen können
vorgenommen werden, indem die Messung der Fortpflanzungsverzögerung wiederholt
wird.
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Als
eine Variante des obigen Schemas kann der BSC die Basisstationen
instruieren, den Hochfrequenzrahmen durch geeignete Bitzeiten zu
beschleunigen oder zu verzögern,
wobei die zuvor genannten Sa-Bits verwendet werden.
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Die
drei Hauptaspekte der Einzelheiten der Implementierung für die vorliegende
Erfindung können
zusammengefaßt
werden zu: Messung der Fortpflanzungsverzögerung im Umlauf; ein Algorithmus, um
einzelne Verbindungsverzögerungen
zu berechnen; und Kompensation der Verzögerung auf einzelnen Verbindungen.
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Für die Messung
der Fortpflanzungsverzögerung
im Umlauf (E1-Fall) wird angenommen, daß die typische Schleifenlänge zwischen
dem BSC und der BS in der Größenordnung
weniger Kilometer (etwa 10) ist. Wenn ein Verzögerungsfaktor von 5 μs/km angenommen
wird, wird eine maximale Verzögerung im
Umlauf von 100 μs
in einer 10 km langen Schleife erfahren werden. 3 zeigt ein typisches Zeitgebungsschaubild.
Das Fref in der obersten Zeile ist der Referenz-Rahmenpuls in einer
Vielkanalvorrichtung, der auf der Systemseite eingegeben wird. Die
Periode von 125 μs
basiert auf einem Referenzsignal von 8 kHz. Das Zeitgebungsschaubild
der 3 nimmt an, daß die wiedergewonnenen
Rahmen-Synchronisationssignale (rsync1 bis rsync3) in der Richtung
der BS zum BSC ankommen, bevor der nächste Rahmenpuls auf Fref auftritt,
d.h. es wird angenommen, daß die
Fortpflanzungsverzögerungen
im Rundlauf plus den Geräteverzögerungen
(D) auf all den Verbindungen geringer ist als 125 μs (Diese
Annahme würde
in den meisten Fällen
wahr sein, jedoch ist im folgenden Absatz ein alternatives Verfahren
erläutert für die Fälle, in
denen das "rsync"-Signal nach dem nächsten Puls
auf Fref ankommt.) Es kann in 3 beobachtet
werden, daß die
Verbindung #3 eine maximale Fortpflanzungsverzögerung hat. Wenn daher Verzögerungsfaktoren
mit den Werten C1 und C2 jeweils in die Verbindung #1 und die Verbindung
#2 eingesetzt werden, dann werden die empfangenen Rahmen an den
Basisstationen (1 bis 3) alle miteinander ausgerichtet
sein.
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Ein
alternatives Verfahren ist es, ein Rahmenreferenzsignal mit 4 kHz
(FAS oder NFAS in E1) auszuwählen,
so daß die
wiedergewonnen Rahmen-Synchronisationssignale (rsync1 bis rsync3) eine
Zeitdauer von 250 μs
haben werden. Dieses Verfahren wird eine genaue Abschätzung der
Messung der Fortpflanzungsverzögerung
im Umlauf für Verzögerungen
größer als
125 μs liefern.
Es sollte angemerkt werden, daß eine
Nutzlastschleife zurück (BSC
-> BS> BSC) erforderlich
sein wird, damit dieses Verfahren erfolgreich ist.
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4 zeigt eine physikalische
Ausführungsform
einer Implementierung zum Messen der Fortpflanzungsverzögerung,
die in den Vielkanal-E1-Transceiver eingebaut ist und für beide
Werte von Fref (d.h. 8 kHz oder 4 kHz) anwendbar ist. Jeder der
Rahmengeber in der Vielka nalvorrichtung hat einen entsprechenden
Zähler,
Zähler
1 bis Zähler
n. Bei dieser Implementierung wird eine Uhr mit 4.096 MHz zum Zählen benutzt.
Die Signale Fref und Rsync werden benutzt, den Zähler zu starten und anzuhalten.
Zusätzlich
gibt es eine globale Freigabe. Das Eintreffen der rsync-Pulse wird
die Zähler
anhalten, und die Werte P1 bis Pn, die die Anzahl der Taktpulse
mit 4.096 MHz darstellen, welche in dem Intervall zwischen Fref
und Rsync auftreten, werden verriegelt und bei weiteren Rechnungen
benutzt.
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Der
Algorithmus zum Berechnen der einzelnen Verbindungsverzögerungen
kann entweder durch eingebaute Hardware oder Software implementiert
werden. Das Ziel hier ist es, die zusätzlichen Verzögerungen
zu berechnen, die in die [n-1]-Verbindungen der BSC zu BS-Wege eingeführt worden sind,
um die an den BS empfangenen E1-Rahmenpulse auszurichten.
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Bei
dem obigen Algorithmus ist Pm die maximale Zählung, die die Verbindung darstellt,
für die
die meisten 4 MHz Taktpulse während
des Intervalls gezählt
wurden. Der Verzögerungswert
C für die
Verbindung n ist Pm weniger der Zählung für die spezielle Verbindung
(Pn) geteilt durch 2. Die Werte C1 und Cn sind die Ergebnisse jeder
der Berechnungen für
die Verbindung #1 bis Verbindung #n.
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Die
Kompensation der Verzögerung
auf einzelnen Verbindungen kann durch unterschiedliche Verfahren
implementiert werden, wie sie in 5 und 6 gezeigt sind. In 5 werden die Verzögerungen
in dem BSC implementiert (d.h. die Verzögerungen werden innerhalb der
Vielkanalvorrichtung implementiert). In 6 werden die Verzögerungen in den Basisstationen
implementiert.
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In 5 enthält ein Rahmengeber für jede Verbindung
ein programmierbares Verzögerungselement,
wodurch die Werte C1 bis Cn in die Verzögerungselemente durch Hardware
oder Software geladen werden.
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Bei
der Implementation, die in 6 veranschaulicht
ist, wird der Wert Cn für
jede Basisstation über
die Sa-Bits in der HDLC von dem BSC zu der bezeichneten BS übertragen.
Der E1-(T1-)Empfänger
in der Basisstation hat eine eingebaute programmierbare Verzögerungseinheit.
Der herausgezogene Rahmenpuls von dem BSC wird um den Wert Cn verzögert, und
der verzögerte
Rahmenpuls wird dann benutzt, um den Funk zu treiben.
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Obwohl
bestimmte Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben und veranschaulicht worden sind, wird
es den Fachleuten deutlich, daß zahlreiche Änderungen
an dem Konzept vorgenommen werden können, ohne daß man sich
vom Gedanken der Erfindung entfernt. Zum Beispiel kann die Anwendung des
Konzeptes der vorliegenden Erfindung auf Implementierungen erweitert
werden, die Vielkanal-T1/JT1-Transceiver, Vielkanal-E3/DS3 und SDH benutzen.
Man sollte jedoch verstehen, daß solche Änderungen
in den vollen Umfang der Erfindung fallen werden, wie sie durch
die angefügten
Ansprüche definiert
ist.
