CN1988413B - 时分双工通信系统的同步方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种时分双工通信系统的同步方法，包括：检测无线射频信号的时域特征；将检测到的时域特征与同步时序标本进行匹配，所述同步时序标本为在该时分双工通信系统的最小周期性时间单元中唯一且具有固定时序的时域特征；匹配成功时，根据同步时序标本的固定时序校准本地时序。本发明直接从射频信号中提取同步信息，不需要配置GPS模块或UE模块来提供同步基准，也不需要对射频信号进行解码和信令分析，结构简单且精确度高，并且降低了直放站、干放、塔放系统等射频信号放大装置的制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及时分双工无线通信系统，尤其涉及时分双工通信系统中时间同步方法及应用该方法的装置。
背景技术
在无线通信系统中，UE(User Equipment，用户终端)和基站之间需要一定数量的直放站、干放、塔放等射频信号放大设备来对UE或基站发出的信号进行增强和转发，以保证通信网络的覆盖范围和信号质量。在移动通信网络的建设中，直放站、干放、塔放以其价格便宜、选址方便、配置简单的优点，在广域覆盖和室内分布上得到了大量的应用。
在FDD(Frequency Division Duplex，频分双工)系统中，上下行工作在不同的频段。直放站、干放、塔放同时使用上行和下行两套射频系统，下行系统放大基站到UE的信号，上行系统放大UE到基站的信号。这两套射频系统同时工作在各自不同的频段上。
而在TDD系统中，上下行工作在同一频段。在直放站、干放、塔放等射频信号放大设备中，必须分别在上行和下行时隙中对上行和下行信号进行增强和转发。这种工作模式需要一种方法来实现传输链路上UE、射频信号放大设备、基站之间的时间同步。只有实现了传输链路上各设备之间的精确同步，才能保证各设备的时分切换动作保持一致，从而在整个传输链路上实现对上下行信号的双向正常放大。否则，上下行信号会发生自激而导致系统无法使用。
现有技术中，采用两种方法来进行TDD系统的时间同步。第一种是基站和直放站、干放、塔放系统分别与GPS(Global Positioning System，全球定位系统)的系统时钟进行同步，从而实现基站和直放站、干放、塔放系统之间的同步；第二种是在直放站、干放、塔放系统内部配置TDD系统的UE或终端模块，通过UE或终端模块对基站信号进行解码来实现直放站、干放、塔放系统与基站的同步。
这两种方法的缺点在于需要在直放站、干放、塔放系统中配置用于时间同步的GPS模块、UE或终端模块，这些模块价格昂贵，不利于直放站、干放、塔放系统的成本控制。
发明内容
本发明要解决的是现有技术中需要在直放站、干放、塔放系统配置昂贵的模块来进行时间同步的问题。
本发明所述时分双工通信系统的同步方法包括以下步骤：
检测无线射频信号的时域特征，所述时域特征包括射频发射信号的持续时长、间隔时长和/或二者的组合；
将检测到的时域特征与同步时序标本进行匹配，所述同步时序标本为在该时分双工通信系统的最小周期性时间单元中唯一且具有固定时序的时域特征；
匹配成功时，根据同步时序标本的固定时序校准本地时序，所述匹配成功具体包括：所述射频发射信号的持续时长、间隔时长和/或二者的组合，与所述同步时序标本时长误差在预设的允许误差范围内。
优选地，所述方法还包括：匹配不成功时，维持本地时序。
优选地，所述根据同步时序标本的固定时序校准本地时序具体为：
根据同步时序标本在时分双工通信系统的最小周期性时间单元中的固定时序和同步过程的时延开销确定系统的当前时序；
将本地时序设置为系统的当前时序。
优选地，所述被检测的无线射频信号为基站下行信号。
优选地，所述检测基站下行信号的时域特征具体为；
对基站下行射频信号进行功率检波；
根据功率检波结果与设定阈值进行比较，生成能够用来与同步时序标本进行对比的时域特征。
本发明还提供了一种时分双工通信系统的同步装置，包括射频信号检测单元、同步时序标本单元、匹配单元和校准单元，其中；
射频信号检测单元用来检测射频信号的时域特征，所述时域特征包括射频发射信号的持续时长、间隔时长和/或二者的组合；
同步时序标本单元用来设置和存储同步时序标本，所述同步时序标本为在该时分双工通信系统的最小周期性时间单元中唯一且具有固定时序的时域特征；
匹配单元用来将射频信号检测单元输出的时域特征与同步时序标本进行对比，在二者匹配成功时向校准单元发送同步指令，所述匹配成功具体包括：所述射频发射信号的持续时长、间隔时长和/或二者的组合，与所述同步时序标本时长误差在预设的允许误差范围内；
校准单元用来在接收到同步指令后根据同步时序标本的固定时序校准本地时序。
优选地，所述射频信号检测单元包括射频包络检波电路和门限比较电路，其中：
射频包络检波电路用来对射频信号进行功率检波；
门限比较电路用来将射频包络检波电路的功率检波结果与预设的门限值比较，输出表征有无射频发射信号的晶体管-晶体管逻辑TTL二值信号。
优选地，所述匹配单元为波形分析设备；
所述将射频信号检测单元输出的时域特征与同步时序标本进行对比具体为：波形分析设备通过分析门限比较电路输出的TTL二值信号得出射频发射信号的持续时长、间隔时长和/或二者的组合，与同步时序标本的相应时序特征进行比较。
优选地，所述校准单元为以时分双工系统的最小周期性时间单元为周期的循环计数器；
所述根据同步时序标本的固定时序校准本地时序具体为：将循环计数器设置为固定时序加同步过程的时延开销所对应的计数值。
本发明利用时分双工通信系统的周期性时序排列，选择在最小周期性时间单位中仅出现一次并且具有固定时序的时域特征作为同步时序标本，据此获得通信系统的时序以实现同步。本发明直接从射频信号中提取同步信息，不需要配置GPS模块或UE模块来提供同步基准，也不需要对射频信号进行解码和信令分析，结构简单且精确度高，并且降低了直放站、干放、塔放系统等射频信号放大装置的制造成本。
图1为TD-SCDMA(Time Division Synchronous Code Division MultipleAccess，时分同步码分多址)系统的子帧及其对应的射频发射区间和保护间隔的结构示意图；
图2为本发明所述同步方法的流程图；
附图说明
图3为本发明所述同步装置的结构图；
图4为本发明中同步装置优选实施例的结构图。
具体实施方式
在TDD通信系统中，射频发射信号在时域上划分为周期性的时间单元，每个时间单元由若干时隙按照固定的时序结构衔接组成。不同的TDD通信系统具有不同的最小周期性时间单元，最小周期性时间单元中的各个时隙的长度及前后顺序由TDD通信系统的协议规定。时隙通常包括射频发射区间和保护间隔，射频发射区间用来发射信号，保护间隔将两个时隙的射频发射信号区分开来。时隙分为上行时隙和下行时隙，在上行时隙的射频发射区间进行上行射频信号发射，在下行时隙射频发射区间进行下行射频信号发射，而射频信号在保护间隔则往往只是噪声信号。
TDD通信系统的每个最小周期性时间单元中，一些射频发射区间、保护间隔或其组合出现且仅出现一次，同时在最小周期性时间单元中具有固定的时域偏移，这些射频发射区间、保护间隔或其组合可以用来标定当前TDD通信系统的时序。同步即可根据标定的时序进行。
以TD-SCDMA系统为例，其最小周期性时间单元为子帧，长度为6400chips(码片)，即5ms(毫秒)。图1所示为TD-SCDMA系统的子帧结构及其对应的射频发射区间和保护间隔，子帧包括长度为96chips(码片)的DwPTS(下行导频时隙)、长度为96chips的GP(主保护时隙)、长度为160chips的UpPTS(上行导频时隙)和7个时隙TS0、TS1至TS6，每个时隙长度为864chips。在7个时隙中，时隙TS0规定分配给下行链路，TS1规定分配给上行链路，TS2至TS6可根据需要设定为上行或下行时隙。
时隙TS0、TS1至TS6由848chips的射频发射区间和16chips的保护间隔组成；DwPTS由32chips的保护间隔和64chips的射频发射区间组成，其中64chips的射频发射区间用来传输下行同步序列SYNC-DL；GP为96chips的保护间隔；UpPTS由128chips的射频发射区间和32chips的保护间隔组成，其中128chips的射频发射区间用来传输上行同步序列SYNC-UL。
可见，TS0中16chips的保护间隔和DwPTS中32chips的保护间隔组成的48chips的时域区间在每个子帧中出现且仅出现一次，并且该时域区间固定出现在子帧的第848chips和896chips之间，因而可以选取该时域区间作为同步时序标本。同样可以作为同步时序标本的还有DwPTS中64chips的射频发射区间，此外还可以选取射频发射区间和保护间隔的组合来作为同步时序标本。
需要说明的是，在本发明的所有示例和实施例中，均以TS0的起始点为TD-SCDMA子帧的起始点。
图2所示为本发明所述同步方法的流程。在步骤S210，确定同步时序标本。选择时分双工通信系统的最小周期性时间单元中唯一且具有固定时序的时域特征作为同步时序标本。
在步骤S220，检测射频信号的时域特征。对射频信号时域特征的检测根据所选择的同步时序标本进行，例如在TD-SCDMA系统中，当选择由TS0中16chips的保护间隔和DwPTS中32chips的保护间隔组成的48chips的时域区间作为同步时序标本时，可以对基站下行发射信号间的间隔时长进行检测；而当选择DwPTS中64chips的射频发射区间作为同步时序标本时，则可对基站下行发射信号的持续时长进行检测；当选择射频发射区间和保护间隔的组合作为同步时序标本时，则要同时检测射频发射信号的持续时长和间隔时长，及其组合顺序。
在步骤S230，判断检测到的时域特征与所选择的同步时序标本是否匹配，如果是，执行步骤S240；如果否，维持本地时序。
匹配检测到的时域特征和同步时序标本同样根据同步时序标本所具有的时域特征进行，需要注意的是，当同步时序标本为射频发射区间和保护间隔的组合时，不仅要匹配射频发射信号的持续时长和间隔时长，还要匹配持续时长和间隔时长的顺序是否与同步时序标本一致。
由于射频发射信号会受到干扰，因而在匹配时可以设定一定的误差范围，在误差范围内则认为二者匹配。
在步骤S240，根据同步时序标本的固定时序计算TDD通信系统的当前时序。
由于同步时序标本在最小周期性时间单元中具有固定时序，因此同步时序标本出现的时序即是其在TDD通信系统中的固定时序。考虑到从检测到同步时序标本匹配成功的同步过程所需要的时延开销，TDD通信系统的当前时序为同步时序标本的固定时序加同步过程的时延开销。
同步过程时延开销的计算方法本发明采用与现有技术相同的方法，此处不再赘述。
在步骤S250，将本地时序校准为当前时序。
以下以TD-SCDMA系统为例，来说明本发明同步方法的一种实施例。
选取两个下行射频发射信号之间由TS0中16chips的保护间隔和DwPTS中32chips的保护间隔组成的48chips/37.5us(微秒)时域区间作为同步时序标本，该同步时序标本在每一子帧中出现且仅出现一次，且位置固定在5ms子帧的第848chips/662.5us和第896chips/700us之间，即同步时序标本结束于整个子帧的第700us处。
对基站下行信号进行功率检波，将功率检波的结果与设定阈值进行比较，得到每两次下行射频发射信号之间的间隔长度。当功率检波的结果高于设定阈值时，存在下行射频发射信号；低于设定阈值时，则只有噪声信号。
为同步时序标本的匹配设定±2.5us的允许误差，当两次下行射频发射信号的间隔长度在35us至40us之间时，匹配成功，该间隔为子帧中上述48chips的时域区间。
根据该时域区间在子帧中的固定时序，可知该时域区间结束的时间为子帧的第700us，则基站的当前时序为(700us+Δt)，其中Δt为同步过程的时延开销。将本地时序设置为(700us+Δt)，即完成了与基站的一次同步。
在匹配不成功的情况下，在上一次同步的基础上维持本地时序。
图3所示为本发明所述同步装置的结构图。匹配单元330分别与射频信号检测单元310、同步时序标本单元320和校准单元340连接。
同步时序标本单元320可以让用户设置所选取的同步时序标本，并存储所设置的同步时序标本。
射频信号检测单元310对接收的射频信号的时域特征进行检测，并将检测结果输出至匹配单元330。对射频信号时域特征的检测根据所选择的同步时序标本进行，可以是射频发射信号的持续时长、间隔时长或二者的组合。
匹配单元330将由射频信号检测单元310输出的射频信号时域特征与在同步时序标本单元320中存储的同步时序标本进行比较，在二者匹配时向校准单元340发送同步指令。
校准单元340在接收到匹配单元330发出的同步指令后，根据同步时序标本的固定时序，考虑同步过程的时延开销得出TDD系统的当前时序，再将本地时序校准到系统的当前时序。
仍以TD-SCDMA系统为例来说明本发明上述同步装置的优选实施例，此实施例中仍选择由TS0中16chips的保护间隔和DwPTS中32chips的保护间隔组成的48chips的时域区间作为同步时序标本。该时域区间位于TS0和DwPTS的下行射频发射区间之间，因此只需对基站的下行射频信号进行检测即可。
请参阅图4，射频包络检波电路311和门限比较电路312用来实现射频信号检测单元，波形分析器331用来实现匹配单元，循环计数器341用来实现校准单元。射频包络检波电路311和门限比较电路312相互连接，其中射频包络检波电路311接收射频信号，门限比较电路312连接至波形分析器331。
射频包络检波电路311对接收的射频信号进行功率检波，并将功率检波的结果以模拟电压信号输出至门限比较电路312。
门限比较电路312将反映功率检波结果的模拟电压信号与预设的门限值进行比较，输出一个TTL(Transistor-Transistor Logic，晶体管-晶体管逻辑)电压信号。预设的门限值对应于一定的射频功率值，用来区分发射信号和噪声。射频包络检波电路311输出的模拟电压值对应当前输入的射频信号功率值，当模拟电压值低于这一预设的门限时，输出TTL低电平，即当前输入的射频信号为噪声；高于这一预设的门限时，输出TTL高电平，即当前输入的射频信号为基站的下行发射信号。经过门限比较电路312，表征射频输入信号功率大小的模拟电压值被转换为表征有无基站下行发射信号的TTL二值信号。
门限比较电路312将TTL二值信号输出至波形分析器331。波形分析器311在本地时钟源的驱动下检测出该TTL信号的上升沿和下降沿，并以本地时钟源为计数脉冲对TTL信号的低电平持续时间计时，即计算基站下行发射信号的间隔时长。以±2.5us为匹配的允许误差，当TTL信号的低电平持续时间为35us至40us之间的某个值时，匹配成功，此时波形分析器331向循环计数器341发出一次同步脉冲作为同步指令。
循环计数器341以TD-SCDMA系统的最小周期性时间单元，即其子帧的时长5ms为周期进行循环计数，其计数脉冲为本地时钟源。设Δt为同步过程的时延开销，f为本地时钟源的工作频率，则在收到波形分析器331的同步脉冲后，循环计数器341将其当前计数值设置为(700us+Δt)/f，从而实现与基站的同步。
本发明利用TDD通信系统信号的周期性及其具有的时域特征，通过射频检波方式直接从射频信号中提取同步信息，不依赖其他同步模块和嵌入模块，如GPS模块或UE模块；本发明利用射频信号功率强度的时域变化特征，通过波形匹配获取同步信息来进行同步，不需要对射频信号进行解码和信令分析，而且每个最小周期性时间单元就实现一次同步，具有很高的同步精度。
本发明可以用软件实现，也可以如同步装置的优选实施例一样用硬件实现。同时，本发明可以应用于直放站、干放、塔放系统等射频信号放大装置上。
以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (9)
1.一种时分双工通信系统的同步方法，其特征在于，包括以下步骤：
检测无线射频信号的时域特征，所述时域特征包括：射频发射信号的间隔时长、或射频发射信号的持续时长与间隔时长的组合；
将检测到的时域特征与同步时序标本进行匹配，所述同步时序标本为在该时分双工通信系统的最小周期性时间单元中唯一且具有固定时序的时域特征；其中，与发射信号的持续时长对应的同步时序标本为：下行导频时隙(DwPTS)中64码片的射频发射区间；与发射信号的间隔时长对应的同步时序标本为：由时隙TS0中16码片保护间隔和DwPTS中32码片的保护间隔组成的48码片的时域区间；
匹配成功时，根据同步时序标本的固定时序校准本地时序，所述匹配成功为：所述射频发射信号的间隔时长、或射频发射信号的持续时长与间隔时长的组合，与所述同步时序标本时长误差在预设的允许误差范围内。
2.如权利要求1所述时分双工通信系统的同步方法，其特征在于，所述方法还包括：匹配不成功时，维持本地时序。
3.如权利要求1所述时分双工通信系统的同步方法，其特征在于，所述根据同步时序标本的固定时序校准本地时序具体为：
根据同步时序标本在时分双工通信系统的最小周期性时间单元中的固定时序和同步过程的时延开销确定系统的当前时序；
将本地时序设置为系统的当前时序。
4.如权利要求3所述时分双工通信系统的同步方法，其特征在于，所述无线射频信号为基站下行信号。
5.如权利要求4所述时分双工通信系统的同步方法，其特征在于，所述检测无线射频信号的时域特征具体为：
对基站下行射频信号进行功率检波；
根据功率检波结果与设定阈值进行比较，生成能够用来与同步时序标本进行对比的时域特征。
6.一种时分双工通信系统的同步装置，其特征在于，包括射频信号检测单元、同步时序标本单元、匹配单元和校准单元，其中；
射频信号检测单元用来检测射频信号的时域特征，所述时域特征包括：射频发射信号的间隔时长、或射频发射信号的持续时长与间隔时长的组合；
同步时序标本单元用来设置和存储同步时序标本，所述同步时序标本为在该时分双工通信系统的最小周期性时间单元中唯一且具有固定时序的时域特征；其中，与发射信号的持续时长对应的同步时序标本为：下行导频时隙(DwPTS)中64码片的射频发射区间；与发射信号的间隔时长对应的同步时序标本为：由时隙TS0中16码片保护间隔和DwPTS中32码片的保护间隔组成的48码片的时域区间；
匹配单元用来将射频信号检测单元输出的时域特征与同步时序标本进行对比，在二者匹配成功时向校准单元发送同步指令，所述匹配成功为：所述：射频发射信号的间隔时长、或射频发射信号的持续时长与间隔时长的组合，与所述同步时序标本时长误差在预设的允许误差范围内；
校准单元用来在接收到同步指令后根据同步时序标本的固定时序校准本地时序。
7.如权利要求6所述时分双工通信系统的同步装置，其特征在于，所述射频信号检测单元包括射频包络检波电路和门限比较电路，其中：
射频包络检波电路用来对射频信号进行功率检波；
门限比较电路用来将射频包络检波电路的功率检波结果与预设的门限值比较，输出表征有无射频发射信号的晶体管-晶体管逻辑TTL二值信号。
8.如权利要求7所述时分双工通信系统的同步装置，其特征在于：所述匹配单元为波形分析设备；
所述将射频信号检测单元输出的时域特征与同步时序标本进行对比具体为：波形分析设备通过分析门限比较电路输出的TTL二值信号得出射频发射信号的间隔时长、或射频发射信号的持续时长与间隔时长的组合，与同步时序标本的相应时序特征进行比较。
9.如权利要求6所述时分双工通信系统的同步装置，其特征在于：所述校准单元为以时分双工系统的最小周期性时间单元为周期的循环计数器；
所述根据同步时序标本的固定时序校准本地时序具体为：将循环计数器设置为固定时序加同步过程的时延开销所对应的计数值。
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