ITMI972395A1

ITMI972395A1 - Metodo per la stima della velocita' di una unita' mobile in un sistema di telecomunicazione cellulare

Info

Publication number: ITMI972395A1
Application number: IT002395A
Authority: IT
Inventors: Benedittis Rossella De; Giancarlo Rosina
Original assignee: Italtel Spa
Priority date: 1997-10-23
Filing date: 1997-10-23
Publication date: 1999-04-23
Also published as: IT1295870B1; WO1999022545A1

Description

Campo di applicazione dell'Invenzione

La presente invenzione riguarda un sistema di telecomunicazione digitale di tipo TDMA (Time Division Multiple Access) con struttura cellulare, e più in particolare riguarda un metodo per stimare la velocità di una unità mobile all'interno dell'area coperta da un sistema di telecomunicazioni digitale e suddivisa in una pluralità di celle adiacenti, ciascuna dotata di una stazione radio base in grado di gestire le comunicazioni all'interno della cella, dove la trasmissione del segnale utile avviene in predefiniti intervalli di tempo, detti 'lime slot", strutturati in trame.

Nei sistemi di telefonia cellulare quali il DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunicatiòns) che utilizzano celle di piccole dimensioni, cosiddette microcelle con raggi dell'ordine di 100-500 metri, un utente che si sposti su un veicolo può facilmente raggiungere una velocità tale da attraversare rapidamente diverse celle durante un collegamento, con ciascun attraversamento che richiede un cosiddetto "handover", ossia una procedura che gestisce il passaggio della connessione sotto il controllo della nuova cella.

Il terminale o l'unità di un utente che si muove velocemente attraverso le celle a copertura micro (o pico) cellulare può quindi sollecitare la rete con un numero eccessivo dì richieste di handover. Inoltre, un elevato numero di handover durante una comunicazione riduce la qualità del collegamento radio, in particolare in sistemi come il DECT in cui non sono assicurati handover intercella (definiti anche "connection handover") di tipo "seamless", ossia senza perdita di informazioni.

La possibilità di rilevare per tèmpo la velocità di movimento di una unità mobile può quindi consentire di ottimizzare l'uso delle risorse {radio e non) da parte dell'operatore del sistema. Spesso inoltre, l'area servita dal sistema DECT è coperta anche dal. sistema cellulare GSM sul quale potrebbe vantaggiosamente essere instradato il portatile di tipo "dual mode" in rapido movimento, grazie alla compatibilirà tra I due sistemi.

Rassegna dell'arte nota

Sono state formulate diverse proposte per misurare la velocità di una unità mobile all'Interno dell'area coperta da un sistema micro/pico cellulare, allo scopo di dirottare l'unità mobile su un sistema a celle più estese (quando questo coesista e sia in grado di interoperare con il sistema micro/pico cellulare), e quindi gestire nel modo migliore le risorse di sistema di cui si dispone.

In particolare, WO 96/07279 descrive un metodo di stima della velocità dell'unità mobile basato su misure dell'intensità di campo ricevuto e delle relative variazioni nel tempo. Il limite di tali metodi consiste essenzialmente nel fatto che le variazioni del segnale utile (dovute al fenomeno dei cammini multipli o fading) possono essere causate anche dal movimento di oggetti circostanti l'unità mobile e/o la stazione radio fissa, e quindi risultare poco affidabili.

Scopi dell'Invenzione

Scopo della presente invenzione è quello superare gli inconvenienti e le limitazioni sopra citati.

Sommario dell'Invenzione

L'invenzione consegue questi scopi mediante un metodo che consente di realizzare la stima della velocità dell'unità mobile misurando la variazione nel tempo degli istanti di ricezione del segnale utile all'interno del time slot ad esso assegnato come esposto nella rivendicazione 1.

Secondo l'Invenzione, lo scopo sopra menzionato si ottiene stimando la variazione degli istanti in cui, rispetto ad un riferimento nominale, una stazione radio (fissa o mobile) si correla al segnale (cioè io riconosce e ne individua l'inizio) che viene trasmesso dall'altra stazione radio (mobile, rispettivamente fissa) all'interno di un definito time slot

In particolare, l'invenzione si basa sul fatto che la velocità di variazione degli istanti di correlazione è legata alia velocità di movimento radiale dell'unità mobile da una legge deterministica. Nella presente descrizione con il termine "movimento radiale" si intende lo spostamento dell'unità mobile lungo la retta che collega le due stazioni radio.

- La correlazione al segnale utile avviene riconoscendo una parola convenuta (detta parola di correlazione) che precede il segnale utile, ossia quella porzione di segnale destinata all'unità ricevente in esame, che le consente di allineare in fase il proprio sincronismo di slot con il sincronismo di slot dell'unità trasmittente.

L'utilizzo della parola di correlazione della trama DECT consente di ottenere, una stima precisa della velocità radiale non alterata dal rumore dell'ambiente circostante, e senza introdurre circuiti dedicati.

La soluzione proposta dall'invenzione risulta meno efficace qualora l'unità mobile si sposti lungo la . periferia della cella, tuttavia in queste condizioni la sollecitazione/transizione nelle celle vicine da parte dell'unità mobile è ridotta al punto da non costituire un problema rilevante.

La stima della velocità può avvenire sia nella stazione fìssa che nella stazione mobile e a questo riguardo nel seguito si farà riferimento all'unità ricevente e all'unità trasmittente, ciascuna delle quali può trovarsi nella stazione fìssa o nella stazione mobile.

Ulteriori vantaggiose caratteristiche formano oggetto delle rivendicazioni dipendenti.

Breve descrizione delle figure,

L'invenzione verrà ora descritta più dettagliatamente con riferimento a due forme realizzative preferite, ma non limitative, illustrate con riferimento ai disegni allegati, in cui:

la Figura 1 è un grafico che riporta là variazione dell'istante di correlazione in funzione del tempo di misura:

la Figura 2 è uno schema di flusso che Illustra una prima forma realizzativa del metodo secondo l'invenzione;

la Fig. 3 e uno schema di flusso che illustra una seconda forma realizzativa del metodo secondo l'invenzione.

Con riferimento alle Figure, in entrambe le realizzazioni del metodo dell'Invenzione, per determinare la velocità dell’utente mobile, si utilizzano gli istanti in cui la stazione ricevente si correla, all'interno di un time siot assegnato, ai segnale trasmesso dalla stazione trasmittente, intendendosi per correlazione il riconoscimento e l'individuazione dell'inizio del segnale utile.

Nell'illustrazione del metodo è opportuno definire alcuni parametri, e più precisamente:

• il valore minimo della velocità della stazione mobile, oltre il quale ò opportuno che tale stazione mobile migri verso il sistema a celle più estese;

• fa stabilità, espressa in parti per milione o ppm;

• il jitter dei riferimenti temporali, e

• le dimensioni della micro/pico cella.

Nel seguito, per comodità espositiva, si supporrà che la stima della velocità avvenga nella stazione fissa DECT, ossia la stazione radio base, detta anche RFP (radio Fixed Pari), senza che ciò sia da intendersi in senso limitativo, e verranno ipotizzati dei valori numerici per i parametri sopra definiti.

Con riferimento alla situazione in cui una stazione mobile DECT o PP (Portable Part) si allontana dalla stazione fissa DECT RFP all'interno della cella di copertura di quest'ultima, la legge determinìstica che lega la variazione, riscontrata nella RFP, dell'istante dì correlazione AT00fr (in microsecond!) nell'intervallo di un secondo, alla velocità V (espressa in m/sec) di movimento della PP, è la seguente:

La legge sopra descritta tiene conto del fatto che in aria i segnali si propagano alla velocità della luce, e che il ritardo di .propagazióne che affligge il segnale trasmesso da una PP e ricevuto dalla RFP è legato al doppio della distanza radio tra PP ed RFP.

. Secondo una prima forma realizzala del metodo secondo l'invenzione, viene stimato il limite inferiore della velocità di movimento della PP confrontando le variazioni di due istanti di correlazione del segnale ricevuto dalla RFP, mediati in due intervalli temporali di misura consecutivi.

L'intervallo di misura (ATmis) per la stima del limite inferiore della velocità di movimento (V) oltre la quale l'operatore del sistema desidera che il controllo dell'unità mobile venga passato da una microcella ad una macrocella, viene scelto in funzione dei seguenti fattori:

1) Tmis deve essere sufficientemente grande da annullare le variazioni e/o le oscillazioni dell'istante di correlazione dovute ad instabilità ed inaccuratezze dei tempi di riferimento delle stazioni mobile e fissa (jitter e p.p÷m.); per sistemi DECT questa condizione si traduce in:

Tmis ≥ 1 secondo;

2) Tmis deve essere sufficientemente grande in modo che le variazioni dell'istante di correlazione siano rilevabili dalla RFP; in particolare, supponendo che la risoluzione minima di misura sia pari al tempo (durata) di bit, Tbit e quindi a 868 ns nel caso di sistema DECT, deve essere rispettato il seguente vincolo:

ATmis (s) ≥ Tbit (ps) / ATcorr (ps/s).

Per sistemi DECT, ed ipotizzando che la velocità V minima di 50 km/h oltre la quale si richiede la transizione verso una macrocella, questa condizione si traduce in:

ATmis ≥ 9.3 s.

E' preferibile che l'intervallo di misura abbia dimensione pari a multipli interi della minima risoluzione di rilevazione da parte della stazione che esegue la misura (i.e. 1 bit). In particolare, tale intervallo dovrebbe essere pari a:

N*Tbit, con N intero > 1.

Nelle condizioni sopra indicate, quanto più ATmìs è piccolo e tanto più si minimizzano le richieste di handover (i.e. gli attraversamenti delle celle) da parte della specifica PP. In particolare, alla velocità di 50 km/h, la PP impiega circa 20 s ad attraversare una cella di diametro pari a 300 mt, e quindi intervalli di misura inferiori o al più uguali a 20 s si possono ritenere soddisfacenti per un efficiente impiego del metodo secondo l'invenzione.

La Figura 1 è un grafico che illustra la variazione dell'istante di correlazione (in ordinata) rispetto al tempo di misura (in ascissa) per una velocità di movimento della PP pari a 50 ‘km/h (ipotizzato in allontanamento). Con K viene indicato il valore dell'istante di correlazione, rispetto ad un riferimento nominale, all'inizio della misura (il suo valore dipende dalla distanza relativa iniziale tra PP ed RFP). In figura si è ipotizzato K pari al tempo di bit. Nei grafico sono tracciate due linee: quella a tratto continuo rappresenta la reale variazione dell'istante di correlazione; quella à tratto interrotto rappresenta le variazioni dell'istante di correlazione che la RFP è in grado di rilevare (cioè a passi di 1 bit).

Per semplicità, nel grafico di Figura 1 non compaiono le oscillazioni dovute alla inaccuratezza e/o alla instabilità dei tempi di riferimento in quanto tali variazioni vengono sostanzialmente annullate eseguendo la misura in un intervallo temporale sufficientemente esteso.

Per velocità inferiori a quella considerata, il tempo minimo per eseguire la misura aumenta in modo proporzionale (ad es. per V = 25 km/h, la variazione di un bit si registra in circa 18.-6 s) ma contemporaneamente aumenta anche il tempo di permanenza della stazione mobile nella stessa cella; pertanto le prestazioni del metodo si conservano indipendentemente dalla velocità di movimento della stazione mobile.

Descrizione dettaqliatadi una prima forma di realizzazione dell'Invenzione

Con riferimento alla Fig. 2 verrà ora illustrata più dettagliatamente la prima forma realizzative del metodo secondo l'invenzione.

In particolare;

• detto "Ti" l'istante in cui RFP si correla al segnale trasmesso dalla PP nella i-esima trama DECT;

• definito un idoneo intervallo di misura ATmis in base alle instabilità e/o jitter dei riferimenti temporali ed al valore limite di velocità V oltre il quale si desidera la transizione della PP verso il sistema macrocellulare,

• detto "M" il numero di trame contenute nell'intervallo di misura prefissato ATmis, vengono calcolati due valori medi (in microsecondi) dell'istante di correlazione

La velocità V di movimento del mobile viene stimata a partire dai due valori medi sópra ottenuti come segue:

V = [|(T2medio - T1 medio)!/ ATmis] *300/2

Se il valore di V ottenuto è maggiore od uguaie al valore limite prefissato, si chiederà al mobile il cambio di cella.

In relazione a quanto sopra, il metodo descritto con riferimento a detta prima forma preferenziale di realizzazione consente, di calcolare con precisione se ‘la velocità di movimento del mobile è maggiore o al più uguale al valore limite fissato dairoperatore del sistema; tuttavia richiede un tèmpo di misura relativamente esteso.

Descrizione dettagliata di una seconda forma di realizzazione dell'Invenzione Secondo una- variante realizzativa, il metodo dell'invenzione consente di stimare la velocità effettiva di movimento dell'unità mobile, confrontando una sequenza di istanti in cui la RFP si correla al segnale trasmesso dalla PP mediati in Intervalli di misura consecutivi.

L'intervallo di misura (ATmis) per la stima della velocità di movimento (V) viene dimensionato in modo da eliminare il jitter e le instabilita<1 >dei tempi di riferimento (ad es. pari ad 1 s per sistemi DECT).

Con riferimento alla Fig. 3 verrà ora illustrata più dettagliatamente la seconda forma realizzativa del metodo secondo l'invenzione.

In particolare:

■ definito un idoneo intervallo di misura ATmis in base alle instabilità e/o jitter dei riferimenti temporali;

• detto "M" il numero di trame contenute nell'Intervallo di misura ATmis,

vengono calcolati tanti valori medi dell'istante di correlazione (Timedio) in consecutivi intervalli di misura quanti ne occorrono per rilevare tra due valori medi di correlazione adiacenti una variazione misurabile dal sistema. Non appena ciò si verifica, viene attivato un contatore temporale Tmis, realizzato ad esempio contando il numero di trame che intercorrono dalla sua attivazione al suo arresto, e si prosegue con il calcolo ed il confronto dei valori medi degli istanti di correlazione in successivi intervalli di misura fino alla successiva differenza misurabile dal sistema tra due valori medi consecutivi. Non appena ciò accade, si memorizza tale differenza (ATmedio), si "arresta/congela" il contatore temporale Tmis, procedendo alla stima della velocità V di movimento dell'unità mobile usando la seguente formula:

V (mt/s) - [ATmedio/Tmis] * 300/2

Se la V cosi calcolata risulta maggiore od uguale alla velocità limite prefissata dall'operatore, verrà' chiesto ai mobile di passare ad una macrocella.

Questa variante realizzativa del metodo secondo l'invenzione ha II vantaggio di richiedere in media un tempo di misura inferiore rispetto a quello richiesto dalla prima forma realizzativa. Ad esempio, per una velocità limite di 50 km/h, il tempo di misura è mediamente di 14 s (minimo 9,3 s e max. 18,6 s) contro il tempo fisso di 18,6 secondi richiesto nella prima forma realizzativa. Tuttavia la stima della velocità di movimento del mobile è affetta da imprecisione legata linearmente al valore di ATmis. Ad esempio una velocità di 50 km/h, nel caso di ATmis = 1s, viene stimata pari a 0.868/10*150 = 13.02 m/s = 47 km/h; mentre una velocita<1 >di lOOkm/h, viene stimata pari a 94 km/h.

Tale imprecisione è tuttavia più che accettabile per le applicazioni in questione. Benché l'invenzione sia stata descritta con particolare riferimento a due forme realìzzative preferite, essa non è da ritenersi limitata a queste ultime, ma si estende a coprire tutte le ovvie varianti e modifiche che risulteranno evidenti al tecnico del settore.

Claims

RIVENDICAZIONI 1.· Metodo per stimare la velocità radiale di una unità mobile (PP) all'Interno dell'area coperta da un sistema di telecomunicazioni digitale cellulare In cui ciascuna cella è servita da una stazione radio fìssa (RFP) disposta in posizione centrale rispetto alla cella, intendendosi con il termine velocità radiale la componente di velocità dell'apparato mobile coincidente con l'asse collegante idealmente l'apparato mobile all'apparato fisso, caraterizzato dal fato che detta stima viene effettuata determinando la variazione degli istanti in cui, rispetto ad un riferimento nominale, l'unità mobile (rispettivamente la stazione radio fissa) si correla al segnale trasmesso dalla stazione radio base (rispettivamente dall'unità mobile) all'interno di un assegnato time slot
2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il detto . , sistema di telecomunicazioni digitale cellulare è un sistema DECT.
3. Metodo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fato che detta stima viene effettuata nella stazione fissa e dal fatto che: • il detto riferimento nominale è costituito da un segnale di riferimento interno alla stazione fìssa medesima ; • l'istante di correlazione coincide con il riconoscimento della parola di correlazione trasmessa per consentire l'allineamento in fase del sincronismo di slot dell'unità ricevente con il sincronismo di slot dell'unità trasmittente.
4. Metodo secondò la rivendicazione 2, caratterizzato dai fato che detta stima viene effettuata nell'unità mobile e dal fatto che: • il detto riferimento nominale è costituito da un primo riconoscimento della parola di correlazione trasmessa per consentire l'allineamento in fase del sincronismo di slot dell'unità ricevente con il sincronismo di slot dell'unità trasmitente; la suddetta vari la al segnale trasmesso dalla o ['intervallo di tempo che interc orrelazione ed almeno un succe
5. Metodo se tto che la detta stima viene ottenut rrelazione del segnale ricevuto dalla stazione ricevente in due intervalli temporali di misura consecutivi.
6. Metodo secondo la rivendicazione 5, in particolare per trasferire il controllo dell'unità mobile da una cella ad una cella di dimensioni maggiori o macroceila che copre la stessa area al superamento di una prestabilita velocità radiale, caratterizzato dal fatto di prevedere le seguenti fasi operative: a) - definire un limite inferiore della velocità di movimento della unità mobile (PP); b) - definire un intervallo di misura ATmis; c) - calcolare due valori medi (T1 medio e T2medio) dell'istante di correlazione (Ti) in due intervalli ATmis consecutivi: i=M T1 medio = (1/M) * ∑ Ti i=1 e . i=2M T2medio = (1/M) * ∑ Ti d) - stimare la velocità radiale (V) dei mobile secondo la relazione: V = [|(T2medio - T1 medio) |/ATmis] * 300/2 e) - confrontare il valore di velocità (V) così ottenuto con il limite inferiore della velocità di movimento.
7. Metodo secondo le rivendicazioni 3 o 4, caratterizzato dal fatto che la detta stima viene ottenuta confrontando una sequenza di istanti in cui l'unità ricevente si correla al segnale trasmesso, mediati su più di due intervalli di misura consecutivi.
8. Metodo secondo la rivendicazione 7, in particolare per trasferire il controllo dell'unità mobile da una cella ad una cella di dimensioni maggiori o macrocella che copre la stessa area al superamento di una prestabilita velocità radiale, caratterizzato dal fatto di prevedere le seguenti fasi operative: a) - definire un limite inferiore della velocità di movimento della unità mobile (PP); , b) _ definire un intervallo di misura ATmis; c) - calcolare una pluralità di valori medi dell'istante di correlazione (Timedio) secondò la relazione:

in intervalli di misura consecutivi, dove M è il numero di trame contenute neirintervallo di misura prefissato ATmis; d) - rilevare quando, tra due valori medi di correlazione adiacenti, esiste una variazione misurabile dal sistema e attivare un contatore temporale (Tmis); e) - ripetere i passi c. e d. fino ad ottenere una successiva differenza misurabile dal sistema tra due valori medi consecutivi; f) - memorizzare tale differenza (ATmedio) e arrestare il detto contatore temporale (Tmis); g) - stimare la velocità radiale (V) del mobile secondo la relazione: V = [ATmedio/ Tmis] * 300/2 h) - confrontare il valore di velocità (V) così ottenuto con il limite inferiore della velocità di movimento.