ITMI990796A1

ITMI990796A1 - Metodo e sistema per sincronizzare le stazioni radio base nelle reti di telecomunicazione digitale

Info

Publication number: ITMI990796A1
Authority: IT
Inventors: Benedittis Rossella De
Original assignee: Italtel Spa
Priority date: 1999-04-16
Filing date: 1999-04-16
Publication date: 2000-10-16
Also published as: WO2000064091A2; WO2000064091A3

Description

DESCRIZIONE dell’ invenzione industriale

Campo dell’ invenzione

La presente invenzione riguarda un metodo per sincronizzare le stazioni radio base nelle reti di telecomunicazione digitale, in particolare con accesso duplex a divisione di tempo o TDD {Tinte Divistoti Duplex ), come ad esempio le reti di telefonia radiomobile appartenenti agli standard DECT o UTMS. La presente invenzione riguarda un sistema che realizza tale metodo.

È noto che nelle reti di telefonia radiomobile con accesso TDD la trasmissione e la ricezione dei segnali radio da e per le stazioni base, denominate RFP {Radio Fixed Pari) in ambito DECT e BS ( Base Station ) in ambito UMTS, non avvengono contemporaneamente, ma sono alternate in una sequenza continua di periodi di durata predeterminata, ciascuno dei quali è denominato trama o frame ed è opportunamente codificato ed identificato dal sistema. Ad esempio, le stazioni di telefonia radiomobile UMTS trasmettono generalmente i segnali alle unità mobili nella prima metà della trama 0 semitrama, e ricevono nella seconda semitrama i segnali trasmessi da queste unità mobili. In particolare, ciascuna trama dura 10 ms, suddivisi in 16 intervalli temporali 0 timeslot , anch’essi di durata predeterminata.

E pertanto chiaro che per evitare dannose interferenze tra stazioni radio base e unità mobili e/o per ottimizzare il trasferimento delle comunicazioni da una stazione base all’altra, secondo una procedura denominata handover, è necessario che le trame siano sincronizzate tra loro, così da poter separare i periodi di trasmissione e ricezione delle unità mobili da quelli delle stazioni base e viceversa. È inoltre opportuno che anche le sequenze dei codici numerici associati a ciascuna trama corrispondano durante le comunicazioni, in modo da poter velocizzare nelle unità mobili la suddetta procedura handover. Quest’ultimo tipo di sincronizzazione viene denominato multitrama o multiframe.

Arte nota

Un metodo noto per sincronizzare le trame consiste nell’inviare via cavo un impulso di riferimento da un’unità centrale di controllo della rete, ad esempio l’unità denominata RNC { Radio Network Controller) in ambito UMTS, alle varie stazioni radio base appartenenti alla rete stessa. Cronometrando il tempo impiegato da ciascuna stazione nel ricevere tale impulso dal momento dell’invio, si può determinare e quindi compensare il ritardo di propagazione del segnale via cavo, per poi sincronizzare le trame dei segnali radio. I risultati di questo metodo possono tuttavia essere falsati da eventuali dispositivi attivi presenti sulle linee di trasmissione, i quali possono introdurre ritardi variabili nella propagazione dell’impulso di riferimento e quindi non assicurano una precisa sincronizzazione.

Un altro metodo noto consiste nel sincronizzare le trame in funzione del segnale di riferimento temporale inviato dai trasmettitori satellitari GPS ( Global Posìtioning System). Date le elevate spese richieste per l’ installazione di un ricevitore GPS in ciascuna stazione, questo metodo risulta tuttavia molto costoso.

Scopi dell'Invenzione

Scopo della presente invenzione è pertanto quello di fornire un metodo ed un sistema di sincronizzazione, i quali siano esenti dai suddetti inconvenienti. Detto scopo viene conseguito con un metodo ed un sistema le cui caratteristiche principali sono specificate rispettivamente nelle rivendicazioni 1 e 11, mentre altre caratteristiche sono specificate nelle rivendicazioni dipendenti.

Sommario dell’invenzione

Grazie all’uso di segnali radio trasmessi e ricevuti direttamente da ciascuna stazione radio base ad una o più stazioni adiacenti, il metodo secondo la presente invenzione consente di sincronizzare reciprocamente le trame dei segnali di tali stazioni senza dover ricorrere necessariamente a linee di trasmissione o dispositivi esterni. Con questo accorgimento risulta anche superfluo installare in tutte le stazioni costosi ricevitori satellitari, come nel metodo basato sui segnali GPS. Inoltre, il metodo secondo la presente invenzione non esclude a priori il ricorso ai suddetti metodi noti, con i quali è perfettamente compatibile ed integrabile.

Un altro vantaggio del metodo secondo la presente invenzione è costituito dal fatto che il sistema che lo realizza non necessita di particolari mezzi dedicati, ma può invece sfruttare i dispositivi già presenti nelle stazioni radio base interessate e nel resto della rete di telefonia radiomobile, nonché le loro modalità standard di trasmissione via radio. Infatti, il metodo secondo la presente invenzione non richiede necessariamente l’uso di procedure o messaggi supplementari in aggiunta a quelli previsti per il normale funzionamento, ma può sfruttare quelli già esistenti, rielaborandoli se necessario.

Secondo un particolare aspetto del metodo secondo la presente invenzione, è possibile non solo sincronizzare reciprocamente le stazioni radio base, ma anche determinare con precisione la loro posizione, nonché quella delle unità mobili ad esse collegate. Anche per questa funzione, il sistema non necessita di particolari mezzi dedicati, ma può invece sfruttare i dispositivi già a disposizione nella rete.

Secondo un altro aspetto vantaggioso del metodo secondo la presente invenzione, le stazioni radio base sono associate a particolari codici gerarchici, mediante i quali si può contenere la propagazione di eventuali errori di misura dello sfasamento reciproco tra le stazioni principali, nonché accelerare i tempi di esecuzione del metodo stesso.

Infine, il metodo secondo la presente invenzione può essere vantaggiosamente impiegato in reti di telefonia aventi strutture che variano continuamente nèl tempo per l’aggiunta o rimozione di stazioni base, dato che le stazioni radio base si possono sincronizzare con le stazioni adiacenti in maniera completamente automatica e dinamica. Le varie fasi operative possono infatti essere eseguite dal sistema senza interventi manuali e senza comunque escludere l’eventuale controllo di un operatore, se desiderato.

Breve descrizione della figura

Ulteriori vantaggi e caratteristiche del metodo e del sistema secondo la presente invenzione risulteranno evidenti agli esperti del ramo dalla seguente dettagliata descrizione di una loro forma realizzativa con riferimento all’annesso disegno in cui l’unica figura mostra una vista schematica del sistema che realizza il metodo secondo la presente invenzione.

Descrizione dettagliata di una forma preferenziale di realizzazione del metodo secondo l’Invenzione

Facendo riferimento a tale figura, si vede che il metodo secondo la presente forma realizzativa dell’invenzione comprende innanzitutto l’invio e la ricezione da parte di almeno una coppia di stazioni radio base adiacenti 1, 2 di segnali radio contenenti almeno i rispettivi codici identificativi di stazione C1, C2 ed i rispettivi dati di sincronizzazione di trama T1, T2 dei segnali radio. A questo punto, ciascuna delle stazioni 1 o 2 invia ad un’unità di controllo 3, ad esempio l’unità centrale di controllo di una rete UMTS, un segnale contenente il codice identificativo C2 o C1 ricevuto dalla stazione adiacente ed il valore dello sfasamento D12 o D21 misurato, ad esempio con un cronometro interno, tra i propri dati di sincronizzazione di trama T1 o T2 ed i dati di sincronizzazione di trama T2 o T1, come ricevuti dalla stazione adiacente 2 o 1.

Il valore degli sfasamenti D12, D21 è costituito dalla somma del contributo del ritardo D dovuto al tempo di propagazione delle onde elettromagnetiche del segnale radio tra le stazioni 1, 2 e del valore dello sfasamento tra i dati di sincronizzazione di trama T1 e T2, ovvero:

Dalla misura dei valori D12 e D21, l’unità di controllo 3 può pertanto ricavare lo sfasamento reale costituito dalla differenza T1 - T2 tra i dati di sincronizzazione di trama T1 e T2, nonché il suddetto ritardo D, come indicato qui di seguito:

Se pertanto si considera la stazione 1 come la stazione principale, ovvero si prendono come riferimento i dati di sincronizzazione di trama T1, i dati di sincronizzazione di trama T2 della stazione 2, considerata come una stazione secondaria, possono essere perfettamente sincronizzati dall’unità di controllo 3 con i dati di sincronizzazione di trama T1 introducendo un ritardo od un anticipo, in funzione del segno, avente una durata sostanzialmente uguale a (D12 - D21) / 2, ovvero uguale alla metà della differenza tra gli sfasamenti D12 e D21 misurati localmente dalle stazioni 1 e 2. Questa procedura di sincronizzazione può essere eseguita dalla stessa unità di controllo 3 oppure dalla stazione 2 in seguito ad uno specifico comando ricevuto dall’unità di controllo 3.

È inoltre possibile calcolare la distanza reciproca S 12 in linea d’aria tra le stazioni 1 e 2 moltiplicando il contributo di ritardo D, calcolato come la media tra gli sfasamenti D12 e D21, per una costante di propagazione sostanzialmente uguale e comunque proporzionale alla velocità c di propagazione delle onde elettromagnetiche nell’aria, ovvero:

Una volta sincronizzati tra loro i dati di sincronizzazione di trama T1 e T2 delle stazioni 1 e 2, la stazione 2 può diventare a sua volta una stazione principale e quindi riferimento temporale per eventuali altre stazioni ad essa adiacenti.

Allo scopo di accelerare i tempi di esecuzione del metodo secondo la presente invenzione, riducendo nel contempo la quantità di misure degli sfasamenti reciproci tra i dati di sincronizzazione di trama delle stazioni della rete, nonché la quantità di dati da inviare all’unità di controllo 3, le stazioni principali, tra cui la stazione 1 e la stazione 2 già sincronizzata, possono essere contraddistinte dallo stato di specifici codici gerarchici, in particolare M1 ed M2 rispettivamente per la stazione 1 e la stazione 2. Le stazioni secondarie si potranno quindi sincronizzare solo con stazioni principali contraddistinte in questo modo.

Sincronizzate tra loro le trame delle stazioni 1 e 2, è possibile eseguire anche una sincronizzazione multitrama tra le stesse stazioni. A tale scopo, la stazione 1 può inviare all’unità di controllo 3 il codice numerico K associato alla trama in uso nella stazione 1, il quale viene immediatamente inoltrato alla stazione 2 insieme ad un particolare comando che impone di associare lo stesso codice K alla trama in uso nella stazione 2. Alternativamente, l’unità di controllo 3 può inviare contemporaneamente alle stazioni 1 e 2 uno stesso codice numerico K con cui vengono numerate le sequenze di trame a partire dalla trama in uso in ambedue le stazioni. Dato che i tempi di trasmissione del codice K tra le stazioni 1, 2 e l’unità di controllo 3 potrebbero includere ritardi variabili e/o superiori alla durata della trama in uso, l’unità di controllo 3 può eseguire successivamente un controllo contemporaneo della trama in uso nelle stazioni 1 e 2, procedendo eventualmente ad una correzione per tentativi nel caso in cui le trame in uso non coincidessero.

Per sincronizzare tra loro tutte le stazioni appartenenti ad una rete, è sufficiente reiterare il metodo finora descritto con tutte le altre stazioni secondarie adiacenti alla stazione 1, nonché con tutte le stazioni secondarie adiacenti alla stazione 2, e cosi via.

Dato che ciascuna stazione secondaria si sincronizza solo, con una stazione principale ad essa adiacente, diventando còsi una stazione principale per ulteriori stazioni secondarie, è chiaro che con questo metodo in breve tempo l’insieme delle stazioni sincronizzate tra loro si espande a macchia d’olio fino a coprire tutta la rete, ad esclusione ovviamente delle stazioni isolate. Per queste ultime stazioni si possono comunque utilizzare i metodi di sincronizzazione noti, ad esempio basati sui ricevitori GPS o sull’invio di un impulso di riferimento via cavo, i quali sono perfettamente compatibili con il metodo secondo la presente invenzione. Le stazioni sincronizzate attraverso questi metodi noti potrebbero diventare a loro volta stazioni principali per altre stazioni adiacenti, le quali possono essere sincronizzate con il metodo secondo la presente invenzione.

Lo stato del codice gerarchico delle stazioni principali sincronizzate attraverso un metodo noto, in particolare delle stazioni comprendenti un ricevitore GPS, può essere differenziato dallo stato del codice gerarchico sia delle stazioni secondarie sia delle stazioni principali sincronizzate attraverso il metodo secondo la presente invenzione. Con questo accorgimento, si può controllare e quindi contenere la propagazione di eventuali errori di misura dello sfasamento reciproco tra più stazioni disposte in cascata, nelle quali tali errori si potrebbero cumulare tra loro.

Ad esempio, in una forma realizzativa del metodo secondo la presente invenzione le stazioni secondarie sono contraddistinte da un codice gerarchico uguale a zero e le stazioni principali sincronizzate mediante un ricevitore GPS interno sono contraddistinte da un codice gerarchico uguale a uno. Le stazioni principali sincronizzate mediante il metodo secondo la presente invenzione ed adiacenti alla stazione con il ricevitore GPS sono invece contraddistinte da un codice gerarchico uguale a due, e cosi via, il codice gerarchico delle stazioni principali essendo aumentato di un’unità ad ogni procedura di sincronizzazione. In questo caso i codici gerarchici, ad esempio i codici M1 ed M2 delle stazioni 1 e 2, vengono trasmessi all’unità di controllo 3 insieme ai codici identificativi C1 e C2 ed ai valori degli sfasamenti D12 e D21. Se il codice gerarchico M1 trasmesso dalla stazione principale 1 è maggiore di un valore di soglia, l’unità di controllo 3 può avviare una procedura automatica di correzione oppure può avvisare con un segnale di errore un addetto al controllo, il quale effettua una correzione manuale sui dati di sincronizzazione di trama T2 della stazione 2.

Tale procedura automatica di correzione consiste nell’invio via radio da parte della stazione 2 di un segnale comprendente il proprio codice identificativo C2, il proprio codice gerarchico M2, uguale al codice M1 aumentato di un’unità, nonché il valore dello sfasamento D21. Se una stazione (non mostrata in figura) adiacente alla stazione 2 ricevesse tale segnale ed avesse un codice gerarchico maggiore di zero ma minore del codice gerarchico M2 ridotto di un’unità, ovvero minore del codice gerarchico M1, questa stazione potrebbe inviare un segnale all’unità di controllo 3, che a sua volta invierebbe uno specifico comando alla stazione 2, imponendole di sincronizzarsi nuovamente con la stazione adiacente avente il codice gerarchico più basso rispetto a quello della stazione 1. Tale nuova sincronizzazione può essere eseguita sempre attraverso il metodo secondo la presente invenzione.

Calcolando infine le distanze relative tra tutte le stazioni della rete col metodo sopra indicato per il calcolo della distanza S12 tra le stazioni 1 e 2 e/o con eventuali ricevitori GPS, si può creare una base dati, ad esempio in un elaboratore elettronico posto nell’unità di controllo 3, la quale contiene la posizione geografica di tutte le stazioni presenti nella rete.

Da questa base dati è possibile poi ricavare una topografia dettagliata della rete, nonché altre informazioni, come ad esempio la posizione geografica di unità mobili collegate alla rete stessa. Quest’ultima procedura può essere realizzata attraverso una triangolazione comprendente il calcolo delle distanze S14 e S24 tra le stazioni 1, 2 ed un’unità mobile 4 di cui si vuole conoscere la posizione, nonché il calcolo della distanza tra la stessa unità mobile 4 ed un’ulteriore stazione (non mostrata in figura) ad essa collegata. Il calcolo di tali distanze può essere eseguito ad esempio attraverso la procedura nota di timing advance, normalmente inserita nello standard UMTS.

Una forma realizzativa del sistema che realizza il metodo secondo la presente invenzione può essere costituita da un insieme di stazioni appartenenti ad una rete di telefonia radiomobile di tipo DECT o UMTS. In assenza di canali di traffico, ovvero di connessioni instaurate con una o più unità mobili, una stazione base deve attivare la trasmissione di almeno un canale di segnalazione comune, detto dummy bearer in ambito DECT, per garantire l’invio via radio delle informazioni di sistema necessarie alle unità mobili per accedere ai servizi di rete. I codici identificativi C1, C2, i codici gerarchici M1, M2 ed i dati di sincronizzazione di trama T1, T2 possono appartenere a queste informazioni di sistema. Il canale di tipo dummy bearer utilizza una portante radio nella banda del sistema ed un time slot nella semitrama dedicata alla trasmissione. Una stazione radio base abilitata al servizio ha quindi sempre attivo in trasmissione almeno un canale radio, attraverso il quale possono essere trasmessi i propri codici identificativi, i propri codici gerarchici ed i propri dati di sincronizzazione di trama.

Pertanto, nel sistema per realizzare il metodo secondo la presente invenzione, le stazioni base, possono eseguire una scansione per ricevere e decodificare le informazioni contenute nei dummy bearer trasmessi via radio dalle stazioni adiacenti, cosi da poter ricavare in qualsiasi momento i codici identificativi, i codici gerarchici ed i dati di sincronizzazione di trama delle stazioni adiacenti.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Metodo per sincronizzare reciprocamente almeno una coppia di stazioni radio base (1, 2) appartenenti ad una rete di telecomunicazione digitale, in cui i segnali radio trasmessi e ricevuti da tali stazioni (1, 2) sono suddivisi in trame di durata predeterminata e ciascuna trama è suddivisa in un predeterminato numero di intervalli temporali comprendenti almeno un campo riservato alla trasmissione dei dati di sincronizzazione di trama (T1, T2), caratterizzato dal fatto di comprendere le seguenti fasi operative: - invio da parte di tale coppia di stazioni (1, 2) di un segnale radio contenente almeno i propri dati di sincronizzazione di trama (T1, T2); - ricezione da parte di tale coppia di stazioni (1, 2) dei dati di sincronizzazione di trama (T2, T1) trasmessi dall’altra stazione (2, 1); - calcolo da parte di tale coppia di stazioni (1, 2) dei valori di sfasamento (D12, D21) tra i propri dati di sincronizzazione di trama (T1, T2) ed i dati di sincronizzazione di trama (T2, T1) ricevuti dall’altra stazione (2, 1), - introduzione di un ritardo od un anticipo, in funzione del segno, in almeno uno dei dati di sincronizzazione di trama (T1, T2) di tale coppia di stazioni (1, 2), detto ritardo od anticipo avente una durata in valore assoluto sostanzialmente uguale alla metà della differenza tra tali valori di sfasamento (D12, D21).
2. Metodo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto di comprendere le seguenti ulteriori fasi operative: - associazione di almeno un codice identificativo (C1, C2) a tale coppia di stazioni (1, 2); - invio da parte di tale coppia di stazioni (1, 2) di un segnale radio contenente almeno i propri codici identificativi (C1, C2); - ricezione da parte di tale coppia di stazioni (1, 2) dei codici identificativi (C2, C1) trasmessi dall’altra stazione (2, 1); - invio da parte di tale coppia di stazioni (1, 2) ad almeno un’unità di controllo (3) di un segnale contenente i valori di sfasamento (D12, D21) tra i dati di sincronizzazione di trama (T1, T2), i propri codici identificativi (C1, C2) ed i codici identificativi (C2, C1) trasmessi dall’altra stazione (2, 1).
3. Metodo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto di comprendere le seguenti ulteriori fasi operative: - associazione di almeno un codice gerarchico (M1, M2) a tale coppia di stazioni (1, 2); - invio da parte di almeno una stazione (1, 2) di un segnale radio contenente il proprio ' codice gerarchico (M1, M2); - ricezione da parte di almeno una stazione (2, 1) del codice gerarchico (M1, M2) trasmesso dall’altra stazione (1, 2); - variazione dello stato del codice gerarchico (M2, M1) in almeno una stazione (2, 1) in funzione del valore del codice gerarchico (M1, M2) trasmesso dall’altra stazione (1, 2).
4. Metodo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto di comprendere le seguenti ulteriori fasi operative: - invio da parte di tale coppia di stazioni (1, 2) ad almeno un’unità di controllo (3) dei codici gerarchici (M2, M1) trasmessi dall’altra stazione (1, 2); - confronto tra i valori dei codici gerarchici (Mi, M2) di tale coppia di stazioni (1, 2); - introduzione di un ulteriore ritardo od anticipo, in funzione del segno, in almeno uno dei dati di sincronizzazione di trama (T1, T2) di tale coppia di stazioni (1, 2).
5. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere le seguenti ulteriori fasi operative: - invio da parte di almeno una di tali stazioni (1, 2) di un segnale contenente almeno un codice numerico (K) associato alla trama in uso; - ricezione da parte dell’altra stazione (2) di tale codice numerico (K); - associazione di tale codice numerico (K) alla trama in uso in detta altra stazione (2).
6. Metodo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 4, caratterizzato dal fatto di comprendere le seguenti ulteriori fasi operative: - invio da parte di un’unità di controllo (3) a tale coppia di stazioni (1, 2) di un segnale contenente un codice numerico (K); - associazione di tale codice numerico (K) alle trame in uso in tale coppia di stazioni (1, 2).
7. Metodo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto di comprendere le seguenti ulteriori fasi operative: - controllo contemporaneo da parte dell’unità di controllo (3) della trama in uso in tale coppia di stazioni (1, 2); - associazione di un ulteriore stesso codice numerico alle trame in uso in tale coppia di stazioni (1, 2).
8. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere le seguenti ulteriori fasi operative: - calcolo della media (D) dei reciproci valori di sfasamento (D12, D21) tra i dati di sincronizzazione di trama (T1, T2) di tale coppia di stazioni (1, 2); - calcolo della distanza reciproca (S12) in linea d’aria tra tale coppia di stazioni (1, 2) attraverso la moltiplicazione di tale media (D) per una costante di propagazione delle onde elettromagnetiche nell’aria.
9. Metodo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto di comprendere le seguenti ulteriori fasi operative: calcolo della posizione di almeno tre stazioni adiacenti collegate ad almeno un’unità mobile (4); - calcolo della distanza in linea d’aria tra tali stazioni adiacenti e tale-unità mobile (4); calcolo della posizione di tale unità mobile (4) in funzione della posizione di tali stazioni adiacenti e della distanza in linea d’aria tra tali stazioni adiacenti e tale unità mobile (4).
10. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere la reiterazione di dette fasi operative in tutte le stazioni reciprocamente collegate nella stessa rete di telecomunicazione digitale.
11. Sistema per sincronizzare reciprocamente almeno una coppia di stazioni radio base (1, 2) appartenenti ad una rete di telecomunicazione digitale attraverso il metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui i segnali radio trasmessi e ricevuti da tali stazioni (1, 2) sono suddivisi in trame di durata predeterminata e ciascuna trama è suddivisa in un predeterminato numero di intervalli temporali, caratterizzato dal fatto che tali intervalli temporali comprendono almeno un campo riservato alla trasmissione dei dati di sincronizzazione di trama (T1, T2), almeno un campo riservato alla trasmissione dei codici identificativi (C1, C2) e dei codici gerarchici (M1, M2) delle stazioni stesse (1, 2).
12, Sistema secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che i codici identificativi (C1, C2), i codici gerarchici (M1, M2) ed i dati di sincronizzazione di trama (T1, T2) vengono trasmessi e ricevuti dalle stazioni (1, 2) in un canale radio sempre attivo, il quale comprende informazioni di sistema necessarie alle unità mobili per accedere ai servizi di rete.