Sincronização de estações base para sistemas de comunicações sem fio Antecedentes da Técnica [001] A presente invenção refere-se, de forma geral, a sistemas de comunicação digital. Mais especificamente, a presente invenção refere-se a um sistema e método para sincronizar uma série de estações bases em uma rede de comunicação celular. [002] Os protocolos sem fio de terceira geração (3G) propostos requerem abordagem que se baseia no procedimento simples, mas caro, de exigir que cada estação base seja sincronizada externamente a uma fonte externa de alta precisão. [003] As técnicas que suportam a sincronização de estações bases requerem que uma estação base ouça passivamente transmissões de sincronização dos seus vizinhos, tais como o canal de sincronização (SCH) ou o canal físico de controle comum (CCPCH) e siga procedimentos similares aos realizados pelo equipamento do usuário (UE) para fins de sincronização. Outra abordagem requer que cada estação base envie ocasionalmente um impulso especial de sincronização em coordenação com um ou mais dos seus vizinhos ouvindo a transmissão. Ainda outra abordagem faz com que os UEs meçam a diferença de tempo de chegada de transmissões de cada uma das duas células (TDOA). Estas técnicas utilizam uma fonte pontualmente precisa em cada estação base. Como cada estação base continha essa fonte, estas técnicas são caras e inconvenientes. [004] Existe, portanto, a necessidade de um sistema e método que permita a sincronização rápida, eficiente e menos cara entre estações bases operacionais sem consumir recursos físicos adicionais.
Resumo da Invenção [005] A presente invenção é um sistema e método para a sincronização de tempo de uma série de estações bases em um sistema de comunicações sem fio. O sistema determina uma estimativa de precisão de tempo associada a cada estação base. Quando a precisão de tempo de uma estação base estiver acima de um limite, o sistema determina se existe uma estação base vizinha com melhor precisão de tempo. A estação base acima do limite é ajustada em resposta à diferença estimada entre aquela estação base e a estação base vizinha. [006] Outros objetos e vantagens do sistema e método tornar-se-ão evidentes para os técnicos no assunto após a leitura do relatório descritivo detalhado da presente invenção. Breve Descrição dos Desenhos - A Figura 1 é um diagrama de bloco de um sistema de comunicações. - A Figura 2 é um diagrama de bloco de um controlador de rede de rádio (RNC) fabricado segundo uma realização preferida da presente invenção. - A Figura 3 é um diagrama de bloco de uma estação base e UE fabricados segundo uma realização preferida da presente invenção. - A Figura 4 é uma ilustração do projeto de qualidade de tempo hierárquico fabricado segundo uma realização preferida da presente invenção. - As Figuras 5a e 5b são um diagrama de fluxo do sistema segundo uma realização preferida da presente invenção.
Descrição Detalhada das Realizações Preferidas [007] As realizações preferidas da presente invenção serão descritas com referência às figuras, nas quais algarismos similares representam elementos similares. [008] A Figura 1 ilustra um sistema de comunicações (18) de acesso múltiplo por divisão do código (CDMA) ou duplex por divisão de tempo (DD) de espectro difundido sem fio simplificado. O sistema (18) compreende uma série de nós Bs (26), (32) e (34), uma série de RNCs (36), (38),... (40), uma série de equipamentos de usuário (UEs) (20), (22) e (24) e uma rede central (46). Um nó B (26) no sistema (18) comunica-se com equipamento de usuário associado (20) a (24) (UE). O nó B (26) possui um controlador de local isolado (SC) (30) associado a uma única estação base (30) ou a diversas estações bases (301),..., (30n). Cada estação base possui uma região geográfica associada conhecida como célula. Deve-se saber que, muito embora seja descrita a sincronização das estações bases, a sincronização das células também pode ser atingida através da utilização da presente invenção. [009] Um grupo de nós Bs (26), (32) e (34) é conectado a um controlador de rede de rádio (RNC) (36). Os RNCs (36),..., (40) também são conectados à rede central (46). Por razões de brevidade, o seguinte refere-se a apenas um nó B, mas a presente invenção pode ser facilmente aplicada a diversos nós Bs. [0010] Segundo uma realização preferida, o RNC (36) mantém sincronização de estação base em e entre os nós Bs (26), (32) e (34). Com referência à Figura 2, o RNC (36) pode solicitar medições de uma estação base (301),..., (30n) ou UE (20), (22) e (24) através do seu gerador de mensagens (53); receber medições através do seu dispositivo de recebimento de medições (54); atualizar idealmente suas estimativas de estados com base nessas medições, utilizando seu controlador de sincronização (55); e administrar um conjunto de estados armazenado em uma matriz de covariação (57). Os estados armazenados são utilizados para sincronização e representam o erro de tempo de cada estação base (30) com relação a uma referência, à velocidade de mudança de cada erro de tempo e ao atraso de transmissão entre as estações bases (30). [0011] O RNC (36) também administra um conjunto de medições armazenadas em um banco de dados (59), que compreende: tempo de chegada de uma forma de onda medida (ou seja, impulso sincronizado); diferença de tempo de chegada de transmissões de duas estações bases, conforme medido por um UE (20); e estimativas de incertezas de estado e incertezas de medição. O RNC (36) utiliza filtragem avançada, tal como filtros Kalman, para estimar parâmetros que definem desvios relativos do relógio e para refinar parâmetros, tais como a faixa exata entre um elemento e outro. O desvio de tempo estimado é utilizado para inferir a falta de coincidência de freqüências entre referências de freqüência das estações bases correspondentes e verificações de razoabilidade para assegurar que medições ocasionais e grosseiramente imprecisas não corrompam o processo. [0012] O RNC (36) atribui qualidade de tempo a cada estação base (301,..., 30n). Esta qualidade de tempo é medida pelo RNC (36) através da seleção de uma estação base como a referência base de tempo para todas as demais. Todas as outras estações bases recebem qualidade de tempo variável que é atualizada com base em medições e correções aplicadas. A qualidade de tempo pode ser um número inteiro (tal como 0 a 10). Valor de qualidade inferior indica melhor precisão. Alternativamente, a qualidade pode ser variável contínua (ponto de flutuação). À estação base de referência (estação base mestre) é preferencialmente atribuída permanentemente qualidade 0. Todas as outras estações bases restantes recebem valores que variam e são ajustados com relação à estação base de referência. Para ilustrar este projeto hierárquico de qualidade de tempo, a Figura 4 ilustra uma estação base mestre em que todas as estações bases escravo 1, escravo 2 e escravo 3 recebem valores de qualidade de tempo que variam com relação à estação base mestre. Em uma realização, a qualidade de tempo de estações bases escravo 2 recebem valores que variam com relação às estações bases escravo 1 e as estações bases escravo 3 recebem valores que variam com relação a estações bases escravo 2. [0013] O modo normal de operação do RNC (36) atualiza uma matriz de covariação (57) para os estados armazenados no banco de dados do RNC (59), uma vez a cada unidade de tempo previamente determinada (por exemplo, uma vez a cada cinco segundos ou por tempo determinado pelo operador). Um elemento da matriz de covariação é a variação estimada do erro de tempo de cada estação base. [0014] Quando a variação de erro de tempo de uma estação base exceder limite previamente determinado, o RNC (36) inicia uma mensagem para suportar a atualização do erro de tempo daquela estação base. A atualização é realizada em uma dentre três formas: primeiramente, a estação base em questão é instruída a medir o tempo de chegada à estação base (BSTOA) de um impulso sincronizado de uma estação base vizinha (30i), (302),... (30n); em segundo lugar, uma estação base vizinha (30i), (3O2),... (30n) com melhor qualidade é instruída a medir 0 BSTOA da transmissão da estação base em questão; ou, em terceiro lugar, um UE (20) mede 0 BSTOA de impulsos sincronizados daquela estação base e de uma estação base vizinha (30i), (302),... (30n). [0015] Nas primeira e segunda abordagens utilizando BSTOA de estação base para estação base, é observado 0 tempo de chegada da transmissão de uma estação base para outra. Com referência à Figura 3, uma estação base transmissora (301) envia um padrão de transmissão conhecido em momento previamente definido. Este padrão de transmissão pode ser um impulso sincronizado do gerador de impulsos sincronizados (62) da estação base (301), que passa através de um isolador (64) antes de ser irradiado por uma antena (70). A estação base receptora (30i) detecta a forma de onda transmitida através da utilização do seu dispositivo de medição (60), que emite um valor grande quando 0 sinal recebido coincidir com a assinatura esperada. Caso 0 receptor e 0 transmissor estivessem no mesmo local e possuíssem relógios precisamente sincronizados, a saída do dispositivo de medição (60) ocorrería ao mesmo tempo que a forma de onda transmitida. Entretanto, desallnhamento do relógio e atraso do trajeto de transmissão causam diferença de tempo. [0016] O atraso no trajeto de transmissão é definido pela Equação 1: R/c + x (Equação 1) em que R/c é a distância, R, entre uma unidade de transmissão e a unidade de recepção dividida pela velocidade da luz, c. O termo x representa atrasos de equipamento. Quando as estações bases estão muito distantes na quantidade, R/c tipicamente domina. As ondas de rádio viajam à velocidade da luz, cerca de um pé por nanossegundo, ou 3 x 108 metros por segundo. O objetivo da sincronização da estação base é alinhar as estações bases em até 1 a 3 mícrossegundos. Portanto, quando as estações bases estão separadas em distâncias da ordem de meia milha (~ 800 metros) ou mais, as distâncias são significativas. Entretanto, para pico ou micro células, separadas por dezenas de metros, as distâncias são insignificantes em comparação com as precisões de medição, x, que domina. [0017] Com base nestas considerações, ao tentar sincronizar estações bases distantes (mais de 1 km), o conhecimento da separação é importante. Ao tentar sincronizar estações bases em até cerca de 50 metros, as posições exatas tomam-se irrelevantes. Após realizar-se a medição de BSTOA, a distância de propagação conhecida e armazenada no banco de dados do RNC (59) é subtraída e a diferença é considerada o desalinhamento de tempo entre as estações bases. [0018] A terceira abordagem mede a diferença relativa de tempo de chegada (TDOA) entre duas transmissões enviadas por duas esteções bases diferentes, conforme observado por um UE. O UE mede e relata o TDOA observado entre transmissões de duas estações bases. O RNC (36) envia uma mensagem para o UE (20), (22) e (24), para medir o TDOA de duas estações bases. Mediante recebimento desta mensagem, o UE (20), (22) e (24) recebe a transmissão das duas estações bases, através da sua antena (72) e isolador (64), mede o TDOA utilizando o dispositivo de recebimento de medições do UE (68) e transmite as medições para a sua estação base associada. [0019] Caso a posição do UE seja conhecida (ou seja, sua faixa para cada uma das duas estações bases rl e r2 é conhecida) e o tempo das duas estações bases seja correto, a diferença de tempo de chegada (TDOA) é definida pela Equação 2: (rl - r2)/c (Equação 2) [0020] Os desvios medidos a partir deste valor seriam um indicador de desalinhamento com base em tempo. Como sabem os técnicos no assunto, caso as faixas rl e r2 sejam suficientemente pequenas, como seria verdadeiro para células de tamanho pico, não será necessário conhecer seus valores. A diferença observada de tempo de chegada poderá ser utilizada diretamente como medida da diferença de tempo de transmissão. [0021] Após selecionar-se uma abordagem, a mensagem apropriada é transmitida para uma estação base (30i),..., (30n) ou uma UE (22), (24) e (20). Caso a mensagem seja enviada para uma estação base (302), a estação base (302) é informada sobre qual vizinho deve monitorar e medir. Caso a mensagem seja para um UE (22), 0 UE (22) é informado a qual estação base medir além da sua própria estação base. [0022] Novamente com referência à Figura 2, 0 RNC (36) armazenou a faixa entre cada estação base (30i),..., (30n) no seu banco de dados (59). Ele verifica em seguida para observar se existe uma estação base vizinha (30i), que possui melhor qualidade de tempo que a estação base (3O2) a ser atualizada. Uma vez que seja encontrada uma estação base vizinha (30i), é iniciada uma mensagem para a estação base vizinha (30i) para tomar uma medida da estação base "fora de sincronismo" (3O2). Alternativamente, 0 RNC (36) é capaz de enviar uma mensagem para a estação base "fora de sincronismo" (3O2) e solicitar que tome a medida da estação base vizinha (30i). A estação base solicitada, para os propósitos da presente realização, a estação base (302) "fora de sincronismo", toma em seguida a medida da estação base (30i) "sincronizada" e envia 0 valor medido de volta para 0 dispositivo de medição do RNC (54). O dispositivo de medição do RNC (54) envia 0 valor medido para 0 controlador de sincronização (55), que computa 0 tempo de transmissão da medição subtraindo 0 tempo de propagação R/C. [0023] Após 0 cálculo do tempo de transmissão pelo controlador de sincronização do RNC (55), 0 valor é comparado com 0 valor armazenado no banco de dados do RNC (59). O controlador de sincronização do RNC (55) computa em seguida os ganhos de filtro Kalman e atualiza os estados na matriz de covariação (57), utilizando a diferença entre 0 tempo de chegada calculado e previamente determinado e os ganhos comuns. Caso a diferença esteja além de um certo limite, o gerador de mensagens do RNC (53) enviará em seguida outra mensagem para a estação base "fora de sincronismo" (3O2) para ajustar sua base de tempo ou sua freqüência de referência a fim de entrar "em sincronismo" com a outra estação base (303),..., (30n) sob 0 controle do RNC (36). [0024] A estação base (3O2) conduz 0 ajuste solicitado e 0 relata de volta para 0 dispositivo de medição do RNC (54). Os bancos de dados do RNC (36) são atualizados, incluindo uma correção da referência de tempo da estação base em questão (3O2), sua velocidade de mudança de tempo, uma atualização da sua matriz de covariação (57) (incluindo, mais significativamente, seu erro de variação e 0 erro de tempo de RMS estimado) e uma atualização da sua qualidade de tempo. Com referência à Figura 4, uma estação base cuja base de tempo é corrigida com base em uma comparação com outra estação base, nunca deve receber qualidade melhor ou igual à de uma estação base para a qual é escravo. Este procedimento garante a estabilidade. Como ilustração, caso uma estação base de escravo (2) deva ser corrigida, a estação base de escravo (2) somente pode receber valor menor que 0 da qualidade de tempo da sua estação base de escravo (1). Isso assegura que a qualidade de tempo de uma estação base não será sincronizada a uma estação base escravo do mesmo nível ou menor que poderá eventualmente gerar acúmulo de estações bases desviando-se "fora de sincronismo" com a estação base mestre. [0025] Conforme descrito anteriormente, outra abordagem da tomada de medições a fim de ajustar a estação base "fora de sincronismo" (3O2) utiliza um UE (20), (22) e (24). Caso este método seja selecionado pelo RNC (36), uma mensagem é enviada para 0 UE (22), para medir 0 impulso sincronizado da estação base "fora de sincronismo" (3O2) e da estação base "sincronizada" (30i). Uma vez que a medição seja tomada pelo UE (22), as medições são enviadas para 0 RNC (36) e processadas. De forma similar aos métodos descritos acima, as medições são comparadas com as medições conhecidas e armazenadas no banco de dados do RNC (56) e na matriz de covariação (57) e uma medição de ajuste é enviada para a estação base "fora de sincronismo" (3O2). [0026] O diagrama de fluxo do sistema conforme a realização preferida é ilustrado nas Figuras 5a e 5b. O RNC (36) atualiza a matriz covariante (57) e 0 banco de dados (59) uma vez por unidade de tempo (etapa 501). Quando 0 RNC (36) detectar que uma variação de erro de tempo de uma estação base (302),..., (30n) excede um limite previamente determinado (etapa 502), o RNC (36) decide pela utilização ou não de uma estação base para medir BSTOA ou um UE para medir TDOA a fim de atualizar a variação de erro de tempo da estação base "fora de sincronismo" (etapa 503). Caso o RNC (36) decida medir BSTOA, é enviada uma mensagem para uma estação base vizinha da estação base "fora de sincronismo" para medir o tempo de chegada da estação base, ou a mensagem é enviada para a estação base "fora de sincronismo", para medir o tempo de chegada da estação base vizinha (etapa 504). A estação base apropriada toma a medida necessária (etapa 505) e transmite a medida para o RNC (36) (etapa 506). Caso o RNC (36) decida medir TDOA, o RNC (36) envia uma mensagem para um UE, para medir a diferença de tempo de chegada de duas estações bases (etapa 507a), sendo uma a estação base "fora de sincronismo". O UE mede o TDOA de cada estação base (etapa 507b) e envia a diferença dessas medições para o RNC (36) (etapa 507c). Após o recebimento pelo RNC (36) das medições apropriadas (etapa 508), o RNC (36) compara a medição com o valor armazenado no banco de dados do RNC (59) (etapa 509). Caso a diferença esteja além de um certo limite, o RNC (36) envia uma mensagem para a estação base "fora de sincronismo", para ajustar sua base de tempo ou sua freqüência de referência (etapa 510) segundo essa diferença. A estação base "fora de sincronismo" conduz o ajuste solicitado (etapa 511) e o relata de volta para o RNC (36) (etapa 512). O banco de dados do RNC (59) e a matriz de covariação (57) são então atualizados para incorporar os novos valores (etapa 513). [0027] Uma realização preferida é um sistema e método que reside em cada RNC (36). Na técnica anterior, um controlador de rede de rádio de controle (C-RNC) comunica-se diretamente com suas estações bases e um controlador de rede de rádio de serviço (S-RNC) comunica-se diretamente com seus UEs. Para os casos em que as estações bases vizinhas estão sob o controle de diferentes controladores de redes de rádio (RNC), pode haver a necessidade de adicionar comunicação entre os C-RNCs e S-RNCs que controlam as estações bases vizinhas e os UEs. [0028] Uma realização alternativa requer que cada par de estações bases que possa ouvir a outra mova sua freqüência para mais perto da outra. A quantidade relativa de ajuste é definida por um conjunto de pesos exclusivos que são atribuídos a cada estação base e armazenados no banco de dados do RNC (59). O processo de ajuste de cada uma das estações bases é o mesmo descrito na realização preferida acima, exceto pelo fato de que as estações bases "em sincronismo" e "fora de sincronismo" são ajustadas com base nos pesos atribuídos às estações bases correspondentes. Com pesos diferentes, pode-se atingir diversos graus de centralidade, entre o totalmente central e o totalmente distribuído. [0029] A realização de maior preferência permite que um RNC (36) envie correções de tempo e/ou correções de freqüência a uma estação base (30i),..., (30n). A estação base mestre é responsável por assegurar que cada uma das suas estações bases tenha uma referência de tempo como escravo para si, precisa em limite especificado. O RNC (36), em seus algoritmos e correções, considera que existe erro desprezível entre a estação base mestre e suas estações bases e considera, portanto, que todas as estações bases possuem a mesma referência de tempo. [0030] Consequentemente, o RNC (36) não tenta estimar os erros de tempo individuais entre a estação base mestre e suas estações bases e a estação base mestre deve eliminar ou compensar erros de tempo entre a estação base mestre e cada uma das outras estações bases, pois o RNC associado (36) não realiza correção. Esta realização apresenta uma interface limpa entre um RNC (36) e uma estação base mestre. Ela permite que a estação base mestre aplique sua própria solução para a sincronização de escravo que seja bem apropriada a pico células. [0031] Em realização alternativa, cada estação base possui referência de freqüência e tempo independente que permite que um RNC (36) envie correções de tempo e/ou correções de freqüência a cada estação base. O RNC (36), em seus algoritmos e correções, estima os estados que representam o erro de freqüência e tempo de cada estação base. [0032] Conseqüentemente, o RNC (36) tenta estimar os erros de tempo individuais entre cada estação base e a estação base mestre, medições que envolvem uma estação base não oferecem nenhum benefício à estimativa dos estados de outra estação base. Portanto, o fabricante da estação base necessita fornecer apenas erros livremente limitados no tempo e desvio de tempo das estações bases e todas as estações bases devem conter conectividade aceitável no ar a outra estação base (estação base idêntica ou diferente). [0033] Esta realização alternativa beneficia grandes áreas celulares, onde a distância entre as estações bases é grande. A capacidade de correção de uma estação base escrava para a referência de tempo de uma estação de base mestre através de medições que envolvem outra estação base escrava para a mesma estação base mestre é limitada. [0034] Cada estação base, nesta realização alternativa, utiliza referências de tempo independentes, mas a estação base mestre fornece referência de freqüência. Um RNC (36) envia correções de tempo para cada estação base individualmente e/ou uma única correção de freqüência para uma estação base mestre. O RNC (36) assegura que o relógio de cada estação base é escravo em freqüência ao relógio da estação base mestre. O RNC (36), em seus algoritmos e correções, considera que existe erro de desvio desprezível entre a estação base mestre e suas estações bases atribuídas, mas estima compensações que são tratadas como constantes. [0035] Conseqüentemente, o RNC (36) estima os erros de tempo individuais entre a estação base mestre e suas estações bases e o desvio comum de freqüência das estações bases com relação à estação base mestre. [0036] Esta realização alternativa apresenta características similares às descritas na realização alternativa anterior, em que se beneficiam as estações bases que são distantes da estação base mestre. Esta realização fornece um mecanismo de remoção das faltas de coincidência de tempo em longas distâncias. Aproveitando a consideração de que essas compensações de tempo são estáveis, esta realização utiliza medição que envolve qualquer freqüência escrava de estação base para o relógio da estação base mestre, para atualizar a taxa de desvio para todas as estações bases escravas para a mesma estação base mestre. [0037] Outra realização alternativa possui o RNC (36) fornecendo estimativas para a estação base mestre, para suportar sua sincronização das estações bases escravas para ela. Um RNC (36) envia correções de tempo e/ou correções de freqüência para cada estação base associada à sua estação base mestre correspondente. A estação base mestre assegura que cada uma das suas estações bases associadas possui uma referência de tempo escrava para si, precisa até um limite especificado. A estação base mestre pode optar pela utilização das estimativas exclusivas da estação base para auxiliar na sincronização da estação base. O RNC (36), em seus algoritmos e correções, cria a melhor estimativa do erro de freqüência e tempo entre a estação base mestre e suas estações bases. Ao efetuar as estimativas de estado, ele pesa a confiança relativa entre as medições e a incerteza de erro da estação base. [0038] Conseqüentemente, o RNC (36) tenta estimar os erros de tempo individuais entre a estação base mestre e suas estações bases e a estação base mestre elimina e/ou compensa erros de tempo entre a estação base mestre e cada estação base escrava para sua referência de tempo, ou solicita assistência do RNC (36). [0039] Embora a presente invenção tenha sido descrita em termos das realizações preferidas, outras variações que se encontrem dentro do escopo da presente invenção, conforme descrito nas reivindicações abaixo, serão evidentes para os técnicos no assunto.