ES2274897T3 - Procedimiento y aparato de calibracion de tiempos para estacion base y estacion movil. - Google Patents
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Abstract
Un procedimiento para determinar la temporización relativa de una señal piloto transmitida por una estación base con respecto a una señal de temporización de referencia, que comprende: a) generar una señal piloto de CDMA de referencia en la misma frecuencia portadora en la cual la señal piloto es generada por la estación base; b) combinar la señal piloto de CDMA de referencia y la señal piloto generada por la estación base; y c) determinar el desplazamiento temporal entre la señal piloto de CDMA de referencia y la señal piloto generada por la estación base, d) la señal piloto de CDMA de referencia se genera para tener una relación de temporización conocida con la señal de temporización de referencia; y caracterizado porque: e) la frecuencia de la señal piloto de CDMA de referencia y la señal de temporización de referencia están fijadas en una referencia común de frecuencia.
Description
Procedimiento y aparato de calibración de
tiempos para estación base y estación móvil.
Esta solicitud reivindica prioridad sobre la
Solicitud Provisional Estadounidense Nº 60 / 223.459, presentada el
7 de agosto de 2000.
La presente invención se refiere a las
comunicaciones. Más específicamente, la presente invención se
refiere a un procedimiento y aparato para calibrar las demoras
temporales en Estaciones Base y Estaciones Móviles.
Se requiere un sistema de comunicaciones por
módem para dar soporte a una gran variedad de aplicaciones. Un tal
sistema de comunicaciones es un sistema de acceso múltiple por
división de código (CDMA) que es conforme al "Estándar de
Compatibilidad entre Estación Móvil y Estación Base TIA / EIA /
IS-05 para un Sistema Celular de Espectro Extendido
de Banda Ancha y Modalidad Dual" (usualmente mencionado como el
"estándar IS-95"). Además, una publicación de
la Asociación de la Industria de Telecomunicaciones, titulada "La
presentación candidata cdma2000 TTU-R RTT", que
está siendo desarrollada como el estándar TTA / EIA /
IS-2000, proporciona especificaciones para
transmitir tráfico de datos y tráfico de voz por los enlaces
directos e inversos. Un procedimiento que es conforme a este
estándar para transmitir tráfico de datos en tramas de canal de
código de tamaño fijo se describe en detalle en la Patente
Estadounidense Nº 5.504.773, titulada "METHOD AND APPARATUS FOR
THE FORMATTING OF DATA FOR TRANSMISSION"
["Procedimiento y aparato para el formateo de datos para su
transmisión"], transferida al cesionario de la presente
invención. Según el estándar IS-95, el tráfico de
datos o los datos de voz se particionan en tramas de canal de
código, que tienen un ancho de 20 milisegundos, con velocidades de
datos de hasta 8 x 14,4 kbps (kilo bits por segundo).
El sistema CDMA da soporte a la comunicación de
voz y datos entre usuarios por un enlace terrestre. El empleo de
técnicas de CDMA en un sistema de comunicación de acceso múltiple se
revela en la Patente Estadounidense Nº 4.901.307, titulada
"SPREAD SPECTRUM MULTIPLE ACCESS COMMUNICATION SYSTEM USING
SATELLITE OR TERRESTRIAL REPEATERS" ["Sistema de comunicación
de acceso múltiple y espectro extendido, utilizando repetidores
satelitales o terrestres"], y en la Patente Estadounidense Nº
5.103.459, titulada "SYSTEM AND METHOD FOR GENERATING SIGNAL
WAVEFORMS IN A CDMA CELLULAR TELEPHONE SYSTEM"
["Sistema y procedimiento para generar ondas de señal en un sistema telefónico celular de CDMA"], ambas transferidas al cesionario de la presente invención.
["Sistema y procedimiento para generar ondas de señal en un sistema telefónico celular de CDMA"], ambas transferidas al cesionario de la presente invención.
En un sistema CDMA, las comunicaciones entre los
usuarios se llevan a cabo a través de una o más Estaciones Base. En
sistemas de comunicación inalámbrica, el enlace directo se refiere
al canal a través del cual viajan las señales desde una Estación
Base a una Estación Móvil, y el enlace inverso se refiere al canal a
través del cual viajan las señales desde una Estación Móvil a una
Estación Base. Transmitiendo datos por un enlace inverso a una
Estación Base, un primer usuario en una Estación Móvil puede
comunicarse con un segundo usuario en una segunda Estación Móvil.
La Estación Base recibe los datos desde la primera Estación Móvil y
encamina los datos a una Estación Base que brinda servicio a la
segunda Estación Móvil. La primera Estación Móvil y la segunda
Estación Móvil pueden recibir servicio bien de una única Estación
Base o de múltiples Estaciones Base, según su ubicación. En
cualquier caso, la Estación Base que da servicio a una Estación
Móvil envía los datos a esa Estación Móvil por el enlace directo.
En lugar de comunicarse con un segundo usuario en una Estación
Móvil, una primera Estación Móvil puede también comunicarse con un
segundo usuario en un teléfono de línea fija. El segundo usuario
está conectado al sistema de comunicación inalámbrica a través de
una red telefónica pública conmutada (RTPC), o al Internet
terrestre a través de una conexión con una Estación Base proveedora
de servicios.
Hasta ahora, las Estaciones Base de CDMA, así
como las Estaciones Móviles de CDMA, han sido calibradas en cuanto
al tiempo, con el único fin de brindar servicios de comunicación. Un
procedimiento y aparato para calibrar en cuanto al tiempo una
Estación Base de CDMA se describe en la Solicitud Internacional de
Patente con número de publicación WO 99 / 11083. Se revela allí un
analizador de temporización que tiene un mecanismo de generación de
falsa señal, que produce una salida de falsa señal basada en una
entrada universal de reloj. Una antena acopla una señal desde una
estación base, desde un enlace inalámbrico. Esta señal se suma
entonces con la falsa señal, y la señal combinada se ingresa
entonces a un elemento de demodulación. El elemento de demodulación
busca y demodula cada una de las señales. La salida del elemento de
demodulación se compara entonces a fin de determinar las
prestaciones de temporización de la estación base, para proporcionar
una indicación del desplazamiento temporal absoluto de la señal de
la estación base. Con la introducción de capacidades de localización
de posición, tanto las Estaciones Base como las Estaciones Móviles
de CDMA requieren ser calibradas en cuanto al tiempo, tanto con
fines de localización de posición como con fines de comunicaciones.
Con fines de comunicaciones, la precisión del orden de un chip
CDMA
(1 / 1,2288 MHz) es suficiente para la operación adecuada, tanto de las Estaciones Móviles como de las Estaciones Base. Sin embargo, con fines de localización de posición, un error no compensado de un chip corresponde aproximadamente a 300 metros de error de estimación de distancia.
(1 / 1,2288 MHz) es suficiente para la operación adecuada, tanto de las Estaciones Móviles como de las Estaciones Base. Sin embargo, con fines de localización de posición, un error no compensado de un chip corresponde aproximadamente a 300 metros de error de estimación de distancia.
En sistemas de comunicaciones con capacidades de
localización de posición, en los cuales la información de
estimación de distancia se deriva tanto de satélites GPS (Global
Positioning System - Sistema de Localización Global) como de
Estaciones Base, se realizan mediciones de temporización a partir de
señales transmitidas tanto por los satélites GPS como por las
Estaciones Base, a fin de calcular la localización de la Estación
Móvil. Las señales GPS se transmiten desde satélites en órbita
terrestre a receptores terrestres. Sin embargo, no se transmite
ninguna señal desde los receptores terrestres hacia los satélites
GPS. En tales sistemas, los receptores GPS calculan su posición
utilizando información de seudo distancias sólo del enlace del
satélite a tierra. Sin embargo, un sistema CDMA terrestre es, por
su diseño, un sistema de comunicación bidireccional con enlaces
tanto directos como inversos. Además de las mediciones de enlace
directo, similares a aquellas utilizadas en un sistema GPS, una
medición del Retardo de Ida y Vuelta (usualmente denominado
"RTD") está disponible en un sistema de comunicación CDMA. El
RTD es una medición del tiempo que emplea una señal CDMA para
viajar desde la antena de una Estación Base a una Estación Móvil, y
de regreso a una antena de la misma Estación Base. El RTD es útil
para un sistema de localización. El RTD se calcula en la Estación
Base para cada Estación Móvil con la cual la Estación Base está
comunicándose activamente.
Un sistema de comunicaciones CDMA con capacidad
de localización de posiciones puede desplegarse con diversos grados
de modificaciones infraestructurales y de prestaciones de sistema.
Un tal sistema emplearía mediciones de temporización GPS y
mediciones de temporización del enlace directo desde el sistema
terrestre, pero no el RTD. La ventaja de esta implementación es que
las modificaciones del software de la Estación Base, requeridas
para obtener el RTD, son innecesarias. La desventaja es una
reducción en la disponibilidad y precisión de las determinaciones
de localización de posiciones realizadas en condiciones adversas de
GPS y CDMA.
Sin embargo, independientemente de si la
capacidad de localización de posiciones utiliza el RTD o no, la
calibración de la Estación Base y de la Estación Móvil es esencial
para las determinaciones precisas de la localización de
posiciones.
Por lo tanto, existe actualmente una necesidad
de un procedimiento y un aparato para calibrar Estaciones Base y
Estaciones Móviles, a fin de permitir que se realicen
determinaciones precisas de localización de posiciones.
La presente invención se refiere a
procedimientos y aparatos para calibrar Estaciones Base y Estaciones
Móviles dentro de sistemas de comunicación que tengan capacidades de
localización de posiciones.
Las características, objetos y ventajas de la
presente invención devendrán ahora más evidentes a partir de la
descripción detallada estipulada a continuación, cuando se considere
conjuntamente con los dibujos, en los cuales los caracteres de
referencia iguales identifican análogamente en toda su extensión, y
en los cuales
La Figura 1 es un diagrama de flujo de un
procedimiento para determinar el desplazamiento temporal de la
rotación de desplazamiento de SR (Seudo Ruido) cero en la antena,
cuando se mide con respecto a la señal global 1 PPS
(1 Pulso Por Segundo) del GPS.
(1 Pulso Por Segundo) del GPS.
La Figura 2 es un diagrama en bloques
simplificado del aparato utilizado para implementar el procedimiento
mostrado en el diagrama de flujo de la Fig. 1.
La Figura 3 es un diagrama de flujo de otro
procedimiento para determinar el desplazamiento temporal de la
rotación de desplazamiento de SR cero en la antena, cuando se mide
con respecto a la señal global 1 PPS del GPS.
La Figura 4 es un diagrama en bloques
simplificado del aparato utilizado para implementar el procedimiento
mostrado en el diagrama de flujo de la Fig. 3.
La Figura 5 es un diagrama de flujo de un
procedimiento según la invención, a fin de determinar el
desplazamiento temporal de la rotación de desplazamiento de SR cero
en la antena, cuando se mide con respecto a la señal global 1 PPS
del GPS.
La Figura 6 es un diagrama en bloques
simplificado del aparato utilizado para implementar el procedimiento
mostrado en el diagrama de flujo de la Fig. 5.
Geométricamente, la posición de un receptor de
un GPS (Global Positioning System - Sistema de Localización Global)
puede calcularse calculando la distancia entre el receptor y las
posiciones conocidas de tres satélites del GPS. Las señales
transmitidas por los satélites del GPS son señales BPSK (Binary
Phase Shift Keying - Modulación por Desplazamiento de Fase
Bivalente) de espectro extendido, moduladas sobre una portadora de
1,5745 GHz, con una secuencia única de PRN
(pseudo-random noise - ruido seudoaleatorio) para
cada satélite. El periodo de una secuencia de PRN del GPS es de
exactamente 1 ms. Típicamente, el retardo de propagación de la señal
de RF desde el satélite hasta un receptor terrestre es del orden de
70 ms. Para simplificar, puede suponerse que el receptor del GPS ya
"sabe" el número entero de milisegundos que han transcurrido
desde el momento en que la señal se ha transmitido hasta el momento
en que la señal es recibida. En consecuencia, sólo la parte
fraccionaria del último PRN recibido del GPS debe ser medida para
determinar el tiempo que le llevó a la señal viajar desde el
satélite hasta el receptor. El receptor mide la porción fraccionaria
del último PRN del GPS determinando la diferencia entre el momento
en que rota el PRN del satélite, y el momento en el cual rota la
señal recibida. Conociendo esta diferencia, se determina el tiempo
de propagación. Utilizando la velocidad de la luz, puede calcularse
aproximadamente la distancia al satélite. Los detalles adicionales
con respecto a cómo se miden las señales del GPS son bien conocidos
en la técnica, y no se incluyen aquí para mayor brevedad.
La exposición anterior supone que el reloj del
sistema GPS y el reloj del receptor están perfectamente
sincronizados. Es decir, se conoce la hora a la cual rota el PRN
del GPS, pero debe determinarse en la Estación Móvil utilizando el
reloj en la Estación Móvil. Si el reloj en la Estación Móvil no está
en perfecta sincronización con el reloj en el satélite que envió la
señal, entonces la Estación Móvil no puede determinar con precisión
cuándo ocurrirá la rotación en el satélite.
Si suponemos que el reloj local está desplazado
en el tiempo en la magnitud tfm, entonces, para calcular una
posición tridimensional, un receptor del GPS tiene que despejar x,
y, z y tfm. Afortunadamente, tfm es común e igual para todas las
mediciones de satélites. Por esta razón, un receptor de GPS debe
medir la temporización de una señal satelital adicional para
despejar las cuatro incógnitas x, y, z y tfm. Por lo tanto, un
receptor de GPS debe detectar señales de al menos cuatro satélites
para calcular con precisión su posición.
También debe suponerse que son totalmente
conocidos los retardos de RF (tales como los retardos encontrados
en los componentes del receptor, tales como filtros, etc.) y la
longitud del cable de la antena (es decir, todos están
perfectamente calibrados), para que su efecto sobre el tiempo medido
pueda eliminarse de la medición. Esto es necesario debido a que se
supone que la medición del retardo es desde la antena de transmisión
de la Estación Base hasta la antena de la Estación Móvil. Esta
medición no debería incluir ningún retardo temporal encontrado
entre la antena de la Estación Base y el transmisor de la Estación
Base. Sin embargo, esta hipótesis es usualmente falsa. A efectos
prácticos, el error tfm incluye retardos de RF y retardos del cable
de antena, así como el desplazamiento temporal del receptor. Como
el receptor no tiene manera de distinguir entre estos componentes,
un receptor del GPS siempre calcula la posición de la antena del
GPS. De lo anterior vemos que cualquier tfm puede calcularse
incluyendo una medición adicional, siempre que todas las señales de
RF que se utilizaron en el cálculo de la posición presenten el
mismo tfm.
En el caso de CDMA sin RTD, las Estaciones Base
de CDMA se tratan igual que los satélites del GPS. En la exposición
anterior del GPS se observó que, a fin de determinar la localización
del receptor de GPS, debe conocerse la distancia a tres satélites
del GPS. Además, también debe conocerse la posición exacta de estos
satélites en el momento en que se tomó la medición. A fin de
determinar la distancia a los tres satélites con precisión, deben
hacerse mediciones de temporización sobre las señales recibidas de
cuatro satélites. Se requiere un satélite adicional para compensar
las diferencias en la sincronización del reloj en el satélite y del
reloj en la Estación Móvil que recibe las señales desde el
satélite.
Según un procedimiento y aparato, la posición de
los satélites está proporcionada por un receptor de GPS situado en
un PDE (position determining equipment - equipo determinador de
posición). Debería observarse que los PDE son dispositivos
usualmente conocidos dentro de un sistema de comunicación CDMA, con
capacidad de localización de posiciones. Como las localizaciones de
antenas de la Estación Base son fijas, la posición de la antena de
la Estación Base puede reconocerse con precisión y almacenarse en el
PDE. Además, el momento en el cual la rotación de PRN deja la
antena del satélite se conoce con mucha precisión con respecto al
latido de 1 PPS del reloj de hora global. Las Estaciones Base de
CDMA han de emplearse para la localización de posiciones de manera
similar a la de los satélites del GPS. Por lo tanto, el momento en
el cual el código de SR rota sobre la señal piloto en una antena de
Estación Base debe conocerse con precisión, para cada Estación Base,
con respecto al latido de 1PPS del reloj de hora global del GPS. El
conocimiento de la relación entre la rotación del SR sobre la señal
piloto en la antena de la Estación Base permite que las señales del
GPS y las señales piloto del CDMA se sincronicen con la misma
referencia temporal (es decir, el reloj de hora global del GPS).
Tal sincronización minimiza el número total de satélites de GPS y de
Estaciones Base necesarias para calcular la localización de una
posición.
En resumen, para sistemas de comunicaciones con
capacidad de localización de posiciones sin el empleo del RTD, la
localización física de la antena de la Estación Base debe
reconocerse con precisión, y la temporización de la rotación del
código de SR de la señal piloto (ajustada para código de SR
desplazado con respecto a una señal de temporización de referencia,
tal como la de 1PPS del GPS) debe medirse con precisión.
En contraposición a lo anterior, las Estaciones
Base pueden calibrarse con respecto a una referencia de hora común
o a una señal de temporización de referencia. Esa referencia de hora
o referencia de temporización podría ser ajena a la señal global
1PPS del GPS. Esto forzaría al sistema hacia una modalidad asíncrona
de operación. Sin embargo, es preferible escoger la señal global
1PPS del GPS como la referencia de hora, ya que es lo más
conveniente y lleva a una mayor disponibilidad, al permitir la
operación en modalidad síncrona.
En la revelación anterior, se supuso que la hora
de llegada de una señal GPS se mide según el reloj de hora interna
del receptor. Se supuso que ese reloj estaba desplazado con respecto
al reloj de hora global del GPS. Al emplear señales piloto de CDMA
para estimación de distancias, el retardo de RF y el retardo del
cable de antena para la señal de CDMA recibida en la Estación Móvil
son generalmente distintos a los retardos encontrados por la señal
del GPS al recorrer los mismos cables y componentes. Esto da origen
a dos posibles modalidades de operación. La primera modalidad,
llamada la modalidad síncrona, supone que esta diferencia entre el
retardo encontrado por la señal del GPS y la señal de CDMA ha sido
calibrada y, por lo tanto, es conocida para la Estación Móvil. La
segunda modalidad, llamada la modalidad asíncrona, supone que esta
diferencia de retardo es desconocida y que es una cantidad
arbitraria dentro de un límite estimado.
En la modalidad síncrona, la diferencia entre el
retardo de propagación encontrado por una señal de GPS desde la
antena al reloj de hora interna de la Estación Móvil, y el retardo
encontrado por una señal CDMA desde la antena al reloj de hora
interna de la Estación Móvil se mide y se almacena,
preferiblemente, en la Estación Móvil durante la fabricación. Una
vez que se conoce esta diferencia en el retardo, pueden realizarse
las mediciones de las horas de llegada para ambas señales de GPS y
CDMA con respecto a la misma referencia de hora común. Por favor,
observe que la relación entre esta referencia de hora común y la
señal global 1 PPS del GPS podría ser arbitraria. Lo que es
importante es que ambas mediciones de GPS y CDMA se refieran a una
referencia de hora común. Esto basta para permitir la operación
síncrona.
En la modalidad síncrona, las señales piloto de
CDMA resultan equivalentes a las señales de satélites GPS. Por lo
tanto, es posible fijar una posición dadas las mediciones de
cualquier combinación de cuatro satélites GPS y Estaciones Base de
CDMA. Por ejemplo, es posible fijar una posición en modalidad
síncrona dados 2 satélites GPS y dos señales piloto de CDMA.
En la modalidad asíncrona, no se conoce la
diferencia de retardos en la Estación Móvil encontrada por las
señales GPS y CDMA. En la revelación anterior, el desplazamiento del
reloj de la Estación Móvil, los retardos de RF y los retardos del
cable de antena se combinaban en la variable tfm. En la modalidad
asíncrona, la combinación de estos retardos encontrados por las
señales CDMA difiere en una magnitud desconocida de los encontrados
por las señales del GPS. Por lo tanto, se define el término tfmc
para representar la combinación de estos retardos encontrados por
las señales de CDMA. Debería entenderse que, para la modalidad
asíncrona, tfmc es distinto, y está desvinculado, de tfm (el
retardo para GPS). Por lo tanto, en la modalidad asíncrona, el
sistema está intentando despejar x, y, z, tfm y tfmc. Por esta
razón, en la operación en modalidad asíncrona, se requiere una
medición adicional de CDMA o GPS a fin de despejar la variable
independiente extra.
Para resumir, en la modalidad asíncrona, una
Estación Móvil debe hacer mediciones desde una combinación de cinco
satélites GPS o Estaciones Base de CDMA a fin de calcular una
posición. Igual que ocurría en la modalidad síncrona, la razón de
distribución de cuántas mediciones venían del CDMA o del GPS es
irrelevante.
Como mencionamos anteriormente, los sistemas que
no utilizan el RTD no necesitan conocer el valor absoluto de tfm o
tfmc antes de calcular la posición. Sin embargo, cuanto más
precisamente se conoce tfm, más rápidamente podrá adquirir
satélites la Estación Móvil. Esto es debido a que la temporización
de la Estación Móvil (que está desplazada en tfm) se emplea para
sincronizar la ventana de búsqueda del GPS proporcionada a la
Estación Móvil por el PDE, y utilizada para buscar satélites
inicialmente. La incertidumbre en tfm aumenta directamente la
ventana de búsqueda del GPS. Un valor de tfm de varios cientos de
microsegundos es típico en las Estaciones Móviles de CDMA.
En un sistema CDMA, un componente bien conocido
de la Estación Base es un circuito integrado específico de la
aplicación (ASIC), usualmente denominado el Módem de Sede Celular
(CSM). El CSM calcula continuamente el RTD para las Estaciones
Móviles con las cuales se está comunicando la Estación Base.
Incluso aunque esta información esté disponible en la Estación
Base, generalmente no se comunica a los otros dispositivos en el
sistema. Afortunadamente, para la mayoría de los sistemas CDMA, sólo
se requieren modificaciones de software a fin de dejar el RTD
disponible al PDE, a fin de ser utilizado para calcular la posición
de una Estación Móvil. Esta sección supone que el RTD está
disponible para el PDE, para toda Estación Móvil que intenta
calcular una localización de posición con la ayuda de ese PDE.
El RTD es una medición en el CSM del tiempo que
emplea una señal de CDMA para abandonar el CSM y llegar a la
Estación Móvil, y volver al mismo CSM. Un RTD ideal tendría dos
propiedades. La primera es que, idealmente, los componentes del
enlace directo y los del enlace inverso son iguales (es decir, el
RTD es simétrico). La segunda es que el RTD sólo contiene el tiempo
desde la antena de la Estación Base a la antena de la Estación
Móvil, más el tiempo desde la antena de la Estación Móvil a la
antena de la Estación Base, con todos los retardos de RF y de
cable descontados. Lamentablemente, el RTD no siempre es simétrico.
Además, el RTD informado incluye retardos de cable que deberían
eliminarse por calibración. Para mayor simplicidad, se supone que la
antena de la Estación Base y la antena de la Estación Móvil están
colocalizadas. Debería entenderse que esta hipótesis resulta válida
al conocerse la distancia entre la Estación Base y la Estación
Móvil, y restar el tiempo requerido para que las señales se
propaguen entre las dos. Por lo tanto, se supondrá que la
contribución al RTD debida a la propagación de señales en el aire
es cero, y que el RTD sólo contiene retardos en la Estación Base y
retardos en la Estación Móvil. Además, se supone que el RTD sólo
contiene la parte fraccionaria de una trama de 80 ms. El verdadero
RTD incluiría un número entero de retardos de tramas de 80 ms. Esta
exposición supone que los retardos de tramas enteras de 80 ms han
sido descartados del RTD informado.
El RTD se divide en un cierto número de
subpartes. Los límites en los cuales el RTD se divide en estas
subpartes distintas podrían ser arbitrarios, siempre que la suma de
todas las subpartes sea igual al RTD medido. Según una realización,
el RTD se divide en componentes de Estación Base y componentes de
Estación Móvil. El componente de Estación Base se divide
adicionalmente en un componente del enlace directo, tfb, y un
componente del enlace inverso, trb. De manera similar, en la
Estación Móvil, el componente se divide en un componente del enlace
directo, tfm, y un componente del enlace inverso, trm. Por
definición
RTD = tfb +
tfm + trm +
trb
\text{Retardo
de Estación Móvil = tfm +
trm,}
\text{Retardo
de Estación Base = tfb +
trb}
Como se ha mencionado anteriormente, el límite
que separa el RTD en sus subpartes podría escogerse arbitrariamente,
siempre que la suma de las subpartes sea igual al RTD. En una
realización en la Estación Base, se escoge la señal global 1PPS del
GPS como el límite que separa el retardo de la Estación Base en tfb
y trb. En la Estación Móvil, se escoge la temporización dactilar
maestra de la Estación Móvil como el límite que separa el retardo de
la Estación Móvil en tfm y trm.
Utilizando las definiciones anteriores, para
sistemas que emplean el RTD, deben conocerse los valores de tfb,
tfm, trm y trb. Por el contrario, observamos que, para sistemas que
no utilizan el RTD, sólo debe conocerse el tfb para calibrar la
Estación Móvil y la Estación Base. En la Estación Móvil, debe
conocerse la diferencia tfmc entre el tfm para señales GPS y el tfm
para señales CDMA. Para sistemas que no emplean el RTD, no es
necesario conocer el valor absoluto de tfm o tfmc. Sólo se requiere
la diferencia entre tfm y tfmc en la Estación Móvil. Debería
observarse que la limitación de la incertidumbre de tfm reduce la
ventana de búsqueda de GPS. Sin embargo, no es necesario que tfm
sea calibrado estrictamente, más allá de una precisión de unos pocos
microsegundos, para ese fin.
El RTD se utiliza para dos fines. El primero es
para la temporización de la Estación Móvil. El segundo es para la
estimación de distancias de la Estación Móvil.
Mientras que la hipótesis adoptada anteriormente
es que el RTD no incluye el tiempo de propagación aérea para los
enlaces directo e inverso, esa hipótesis se descarta para lo
siguiente. Suponiendo que los enlaces directo e inverso sean
simétricos, puede medirse el desplazamiento temporal entre una señal
de referencia de temporización (tal como la señal global 1PPS del
GPS) y la temporización de la Estación Móvil. Se efectúa un cálculo
del tiempo de propagación aérea restando los retardos de RF y de
cable del RTD, y dividiendo el resto entre 2. Esto da como
resultado el retardo de vía única, tair. El desplazamiento temporal
entre la referencia temporal de la Estación Móvil y la señal 1PPS
de la Estación Base sería entonces:
\text{Desplazamiento del Reloj
Móvil = tair + tfb +
tfm}
El cálculo anterior supone que los enlaces
directo e inverso son simétricos, con retardos aéreos iguales.
Afortunadamente, el empleo del RTD para la temporización es inmune
al multisendero, siempre que los enlaces sean
simétricos.
simétricos.
\global\parskip0.900000\baselineskip
Transfiriendo la hora del GPS con exactitud a la
Estación Móvil, podemos estrechar la ventana de búsqueda del GPS.
Esto lleva a un tiempo más rápido para la primera localización
(tiempo de adquisición del satélite). Sin embargo, con buscadores
que tengan tiempos de búsqueda muy rápidos, la utilidad del RTD
exacto para este fin es relativamente baja.
La verdadera ventaja del RTD es cuando se
utiliza para la estimación de distancias. Utilizando el
procedimiento anterior, podemos calcular el retardo de vía única al
aire libre. Esto puede utilizarse como una distancia desde una
Estación Base a la Estación Móvil, y se emplea en el PDE en el
cálculo de posición. La medición de distancia basada en el RTD
lleva a una mejor Dilución de la Precisión (DOP) que cuando no se
emplea el RTD. Esto es debido a que el RTD mide directamente el
desplazamiento del reloj de la Estación Móvil. Como tal,
usualmente es geométricamente ortogonal a las posibles curvas de
solución sólo para mediciones de enlace directo de GPS y CDMA. Con
una distancia calculada a partir del RTD, se necesita una medición
menos para determinar la posición de la Estación Móvil. Debido a
que el RTD proporciona el desplazamiento temporal, la distancia de
una medición de RTD, generalmente, lleva a una mejor Dilución de la
Precisión (DOP) para la determinación de la posición.
Cuando se despliega sin RTD, los requisitos de
la calibración de la Estación Base tienen dos partes. La primera
parte es determinar la localización física de la antena de la
Estación Base. La segunda parte es medir el tfb según lo definido en
la sección anterior.
Se recomienda que la localización física de la
antena sea determinada con procedimientos convencionales.
Típicamente, en una Estación Base de CDMA, cada sector contiene una
antena transmisora y dos antenas receptoras, para mayor diversidad
de la recepción. Para sistemas sin RTD, sólo es importante la
localización de la antena transmisora.
Naturalmente, cuando se incluye el RTD, ganan
importancia las localizaciones tanto de las antenas transmisoras
como de las receptoras. Afortunadamente, la distancia entre las
antenas transmisoras y receptoras en un sector es, típicamente, de
entre 1 y 2 metros. Además, la antena transmisora está usualmente
situada en el medio, entre las dos antenas receptoras. Por lo
tanto, debería ser aceptable declarar la localización de la antena
transmisora como la localización efectiva de la antena utilizada en
el PDE, incluso cuando se emplea el RTD.
Recordemos que tfb es el desplazamiento temporal
de la rotación de desplazamiento del SR cero en la antena, cuando
se mide con respecto a una señal de temporización de referencia (tal
como la señal global 1PPS del GPS). Podemos determinar el tfb de
una Estación Base utilizando uno cualquiera entre tres
procedimientos.
La Figura 1 es un diagrama de flujo de un primer
procedimiento. La Figura 2 es un diagrama en bloques simplificado
del aparato 200 utilizado para implementar el primer procedimiento.
El primer procedimiento utiliza un "registrador de datos" 201.
El registrador 201 de datos incluye una antena 207. El registrador
201 de datos tiene un receptor 202 de RF sintonizado con una
portadora de Estación Base. El receptor 201 de RF convierte señales
transmitidas por la Estación Base 204 (Etapa 101). El registrador
201 de datos también tiene un convertidor digitalizador 203. El
convertidor digitalizador 203 digitaliza las señales recibidas para
crear muestras digitales de las señales recibidas (Etapa 102). El
registrador 201 de datos almacena luego las muestras digitales en
una memoria local 206 (Etapa 103). Se calibra el retardo desde la
antena 207 del registrador 201 de datos hasta el convertidor
digitalizador 203 (denominado el retardo antena / convertidor)
(Etapa 104). La calibración del retardo puede ser realizada por
cualquier equipo de medición de señal capaz de medir el retardo de
propagación de señales entre la antena 207 y el convertidor
digitalizador 203, como se conoce bien en la técnica. El registrador
201 de datos se coloca de manera tal que exista un sendero 208 en
línea recta (representado por una línea discontinua en la Figura 2)
entre una antena 210 de Estación Base acoplada con la estación base
204 y la antena 207 del registrador de datos. La recogida de datos
dentro del registrador 201 de datos es iniciada por el pulso 1 PPS
del GPS desde un receptor temporizador 209 de GPS, sincronizado con
la hora del GPS (Etapa 105). El procesamiento posterior de los
datos registrados revela la relación entre el comienzo de los datos
registrados y el pulso 1 PPS del GPS (Etapa 106). El procesamiento
posterior puede hacerse en un procesador 211 en el registrador 201
de datos (según se muestra en la figura 2) o en un procesador que
está situado en una localidad remota con respecto al registrador
201 de datos. La distancia entre la Estación Base 204 y la antena
207 del registrador de datos se determina utilizando uno cualquiera
entre una gran variedad de procedimientos de reconocimiento de
desplazamiento, tales como los inclinómetros y las sedes de Láser a
distancia (Etapa 107). A partir de esto, puede calcularse el
desplazamiento de la señal piloto recibida con respecto a la señal
1 PPS del GPS, según abandona la antena 210 de la Estación Base
(Etapa 108).
La Figura 3 es un diagrama de flujo de un
segundo procedimiento. La Figura 4 es un diagrama en bloques
simplificado del aparato 400 utilizado para implementar el segundo
procedimiento. El segundo procedimiento utiliza una Estación Móvil
402 habilitada para GPS. En casos donde hay suficientes satélites
GPS visibles para una antena 403 de Estación Móvil acoplada con la
Estación Móvil 402, la Estación Móvil 402 puede calcular la
posición, así como la temporización del GPS, de la Estación Móvil
402 (Etapa 201). Una vez que se conoce la posición de la Estación
Móvil 402, la Estación Móvil 402 compara la hora de llegada de la
señal piloto de CDMA con la hora del GPS, e informa de la
diferencia a un PDE 404 (Etapa 202). Conociendo (1) la posición
reconocida de una antena 406 de Estación Base, (2) la localización
exacta de la Estación Móvil 402, (3) el desplazamiento de la señal
piloto de la Estación Base según ha sido recibida en la Estación
Móvil 402 y (4) el desplazamiento de la señal piloto de la
Estación Base en el generador 408 de señal piloto de Estación Base
dentro de una Estación Base 410, el PDE 404 puede determinar el tfb
para esa Estación Base 410 (Etapa 203). Este procedimiento es útil,
ya que puede utilizarse continuamente durante la operación normal
del sistema de comunicación. Este procedimiento supone que el
sistema ya está operativo y que se ha hecho alguna calibración
gruesa de la Estación Base 410. También supone que hay una
localidad donde se dispone de una visión sin obstáculos, desde la
Estación Móvil 402, de la antena 406 de la Estación Base, y del
cielo abierto para los satélites necesarios.
La Figura 5 es un diagrama de flujo del
procedimiento según la invención. La Figura 6 es un diagrama en
bloques simplificado del aparato 600 utilizado para implementar el
procedimiento de la invención. El procedimiento de la invención se
apoya en la generación de una señal piloto CDMA de referencia en la
misma frecuencia portadora de RF que la señal piloto transmitida
por una Estación Base 602 (Etapa 501). La señal piloto CDMA de
referencia tiene una relación conocida y calibrada con una señal de
temporización de referencia, tal como la 1 PPS global de GPS. Un
procedimiento para generar tal señal piloto CDMA de referencia es
emplear un simulador 604 de Estación Base CDMA, tal como un CMD80
de Tektronix. Estos simuladores 604 de Estación Base generan una
señal piloto CDMA a cualquier frecuencia deseada. Tales simuladores
604 también tienen facultades para emitir el latido de "Segundo
Par" de la temporización de sistema del CDMA (es decir,
indicaciones a intervalos de dos segundos, calibrados para que
ocurran conjuntamente con la ocurrencia de una señal 1 PPS de GPS).
Dado que la trama de sincronización y las tramas de tráfico en CDMA
caben dentro de los 80ms, el latido de 1 segundo y las tramas de
CDMA se presentan cada 2 segundos. Por lo tanto, una señal piloto de
desplazamiento de SR cero, y una señal de segundo par deberían
presentarse saliendo de un simulador 604 de Estación Base. En la
Estación Base 602, utilizamos un receptor 606 temporizador de GPS,
tal como un Trimble Thunderbolt, para generar la señal 1 PPS de
GPS. Además, bloqueamos el simulador 604 de Estación Base en la
referencia de frecuencia de GPS, utilizando la salida de 10 MHz del
receptor 606 temporizador de GPS (Etapa 502). Esto elimina la deriva
entre la señal 1 PPS del receptor 606 temporizador de GPS y la
señal Segundo Par del simulador 604 de Estación Base, cada una con
respecto a la otra. Se mide entonces el desplazamiento temporal
entre la señal Segundo Par del simulador 604 de Estación Base y la
señal 1 PPS del receptor 606 temporizador de GPS. Hecho esto,
sabemos ahora el desplazamiento temporal entre la señal piloto
generada por el simulador 604 de Estación Base y la señal 1 PPS del
GPS. Un combinador 608 de RF se emplea para combinar por RF la
señal piloto generada por el simulador 604 de Estación Base con la
señal que sale de la antena 610 de Estación Base, y para encauzarla
en un dispositivo capaz de determinar la temporización relativa
entre las señales combinadas (Etapa 503). Un tal dispositivo es una
Estación Móvil 612 convencional de CDMA. Un buscador 614 en la
Estación Móvil 612 determina e informa del desplazamiento temporal
entre las dos señales piloto (Etapa 504). Conociendo este
desplazamiento y el desplazamiento entre el latido de Segundo Par
en el simulador 604 de Estación Base y la señal 1PPS de GPS, podemos
determinar el desplazamiento temporal de la rotación de SR de señal
Piloto en la antena 610 de Estación Base, según su relación con la
señal 1PPS del GPS.
Si se lleva a cabo el procedimiento anterior en
el controlador de Estación Base, hay dos fuentes de error. La
primera fuente de error proviene de la necesidad de una fuente de RF
del GPS. Afortunadamente, cada Estación Base de CDMA tiene un
receptor de GPS y, por lo tanto, tiene disponible la señal de RF del
GPS. La interrupción de este sendero de RF con fines de calibración
no afecta a la función de la Estación Base, debido a la precisa
capacidad de autonomía de su propio receptor de GPS durante las
caídas de señal del GPS. Sin embargo, debe calibrarse la longitud
del cable de RF a la antena de GPS, a la vista al aire libre, ya que
introduce un desplazamiento temporal en las mediciones.
La segunda fuente de error es la longitud del
cable de la antena CDMA desde el controlador de la Estación Base
hasta la misma antena. Este retardo también debe calibrarse. Tanto
los cables de antena GPS como los de CDMA podrían medirse con el
empleo de reflectómetros de dominio temporal.
Como se ha mencionado anteriormente, dos
elementos necesitan calibración en la Estación Móvil, para sistemas
que no utilizan el RTD. Afortunadamente, sólo uno de estos elementos
(tfm - tfmc) debe ser calibrado estrictamente. El otro elemento,
tfm, sólo debe estimarse holgadamente.
Podemos calibrar la diferencia entre tfm y tfmc
utilizando dos procedimientos. El primer procedimiento es construir
un dispositivo que toma dos flujos digitales de datos de banda base.
El primer flujo contiene una representación de banda base de una
señal piloto de CDMA, mientras que el segundo contiene una
representación de banda base de un satélite GPS. Los flujos de
datos se sincronizan de manera tal que se conozca la relación
temporal de las rotaciones de SR del flujo de CDMA y de los flujos
de GPS. Los flujos se convierten en datos analógicos y en
frecuencias de CDMA y GPS, empleando hardware de RF similar, con
iguales retardos. Las dos señales se combinan luego y se
suministran a la Estación Móvil sometida a calibración. Utilizando
esta señal como una referencia, la Estación Móvil es capaz de
calibrar la diferencia temporal entre tfm y tfmc.
\global\parskip0.990000\baselineskip
El segundo procedimiento utiliza un simulador de
Estación Base de CDMA y un simulador de GPS de canal único, p. ej.,
el STR4775 de Global Simulation Systems (GSS). Además de la RF del
GPS, el simulador de GPS emite un pulso que está sincronizado con
la rotación de SR del GPS. Midiendo el desplazamiento temporal entre
este pulso desde el simulador de canal del GPS y el pulso de
Segundo Par desde un simulador de Estación Base de CDMA, puede
calibrarse el desplazamiento temporal entre las rotaciones de SR de
CDMA y de GPS, incrustadas en las señales de RF. Las dos señales de
RF se combinan luego y se suministran a la Estación Móvil sometida
a calibración. Habiendo calibrado el desplazamiento de las señales
entrantes de CDMA y GPS, la una con respecto a la otra, esta
Estación Móvil es ahora capaz de utilizar la señal entrante de CDMA
como una señal de referencia para calibrar la diferencia entre tfm
y tfmc.
Debería observarse que, si el simulador de
Estación Base puede sincronizar la temporización interna de Segundo
Par con una señal 1 PPS externamente generada (desde un simulador de
GPS), entonces podría eliminarse la etapa de calibración del
desplazamiento de las dos señales de RF.
Típicamente, en una Estación Móvil, tfm es del
orden de varios cientos de microsegundos. Este retardo debe
compensarse, de manera tal que la ventana de búsqueda del GPS pueda
centrarse eficientemente. Dado un buscador 256X, y sabiendo que el
tfm sólo se necesita para centrar eficientemente la ventana de
búsqueda, y que no se emplea para la temporización, sólo debe
determinarse el valor de tfm con una precisión de entre 1 y 3
microsegundos. Previamente, se ha seleccionado la temporización
dactilar maestra interna del teléfono para que sea la referencia
temporal que distingue tfm de trm. En una Estación Móvil, esta
temporización interna podría hacerse disponible externamente.
Empleando un simulador de GPS de canal único con una salida de señal
1 PPS, puede medirse el desplazamiento temporal de un pulso SYNC80M
emitido por la Estación Móvil sometida a calibración, con respecto
a la señal 1 PPS del simulador de GPS de canal único. Una Estación
Móvil puede determinar la alineación temporal entre un pico de GPS
detectado en el buscador y SYNC80M. A partir de esta información
podría determinarse el valor de tfm.
Alternativamente, habiendo determinado (tfm -
tfmc), podría utilizarse un simulador de CDMA con un latido de 80
ms. Midiendo el desplazamiento temporal entre el pulso SYNC80M y la
temporización de la trama de sincronización de 80 ms del simulador,
podemos medir directamente el valor de tfmc. Conociendo (tfm -
tfmc), podemos hallar tfm. Observe que, cuando no se emplea el RTD,
la calibración de tfm es lo bastante gruesa como para poder hacerse
durante el tiempo de diseño. Por lo tanto, no hay razón para
encaminar la señal SYNC80M externamente en una Estación Móvil de
producción, ya que este número de calibración estaría determinado en
una etapa previa a la producción.
Si se utiliza el RTD, entonces tfm, trm y trb
son preferiblemente conocidos con exactitud, además de los
procedimientos para calibrar un sistema sin RTD. Utilizando los
procedimientos revelados anteriormente, el tfm puede calibrarse más
precisamente que cuando no se utiliza el RTD. La calibración de tfm
con más exactitud produce un valor preciso de tfm. Actualmente, la
mayoría de los simuladores de Estación Base permiten calibrar el
tiempo de transmisión = (tfm + trm). Aumentando la precisión de
estos simuladores con respecto a la medición, puede calibrarse el
tiempo de transmisión trm. En este momento, se conocen con precisión
los valores de tfb, tfm y trm. En un sistema que utiliza el RTD, la
Estación Base informa del RTD al PDE. Al haber una línea recta
entre una Estación Móvil y una Estación Base, con una distancia
conocida entre la Estación Base y la Estación Móvil, con tfb, tfm
y trm conocidos con precisión, y restando los retardos al aire
libre, puede medirse el valor de trb.
De la revelación anterior, puede verse que
añadir la capacidad del RTD requiere (1) aumentar la precisión de
calibración de tfm, (2) medir el tiempo de transmisión en la
Estación Móvil y calibrar de esa manera el valor de trm, utilizando
los simuladores disponibles de Estación Base y (3) determinar el
valor de trb dada una Estación Móvil con valores determinados de
tfm y trm. Observe que añadir la calibración de trb a un sector no
requiere visitar la ubicación del controlador de la Estación Base.
Esta calibración adicional para la operación que incluye el RTD
puede hacerse externamente a la Estación Base.
El procedimiento revelado y el aparato
proporcionado anteriormente permiten a cualquier persona versada en
la técnica hacer o utilizar la invención expuesta en las siguientes
reivindicaciones. Sin embargo, diversas modificaciones al
procedimiento y aparato revelados serán inmediatamente evidentes a
aquellos versados en la técnica, si se aplican los principios
revelados. En consecuencia, la invención reivindicada no está
concebida para limitarse al procedimiento y aparato aquí mostrados.
En cambio, a la invención reivindicada ha de concederse el más
amplio ámbito coherente con los principios y características
revelados anteriormente.
Claims (9)
1. Un procedimiento para determinar la
temporización relativa de una señal piloto transmitida por una
estación base con respecto a una señal de temporización de
referencia, que comprende:
a) generar una señal piloto de CDMA de
referencia en la misma frecuencia portadora en la cual la señal
piloto es generada por la estación base;
b) combinar la señal piloto de CDMA de
referencia y la señal piloto generada por la estación base; y
c) determinar el desplazamiento temporal entre
la señal piloto de CDMA de referencia y la señal piloto generada por
la estación base,
d) la señal piloto de CDMA de referencia se
genera para tener una relación de temporización conocida con la
señal de temporización de referencia; y caracterizado
porque:
e) la frecuencia de la señal piloto de CDMA de
referencia y la señal de temporización de referencia están fijadas
en una referencia común de frecuencia.
2. El procedimiento de la reivindicación 1, en
el cual la diferencia de temporización entre la señal piloto de
CDMA de referencia y la señal piloto generada por la estación base
se determina utilizando un dispositivo móvil con un buscador de
señal piloto.
3. El procedimiento de cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el cual la señal piloto de CDMA de
referencia es generada por un simulador de estación base.
4. El procedimiento de cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el cual la señal de temporización
de referencia es una señal que indica el latido de la señal 1 PPS
del reloj del GPS.
5. El procedimiento de cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el cual la referencia común de
frecuencia es una salida de 10 MHz de un receptor de GPS.
6. El procedimiento de la reivindicación 5, en
el cual la señal de temporización de referencia es generada por el
receptor de GPS.
7. El procedimiento de cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el cual la combinación de la señal
piloto de CDMA de referencia y la señal piloto generada por la
estación base es una combinación de RF.
8. Un aparato para determinar la temporización
relativa de una señal piloto transmitida por una estación base (602)
con respecto a una señal de temporización de referencia, que
comprende:
a) un generador (604) adaptado para generar una
señal piloto de CDMA de referencia en la misma frecuencia portadora
en la cual la señal piloto es generada por la estación base
(602);
b) un combinador (608) adaptado para combinar la
señal piloto de CDMA de referencia y la señal piloto generada por la
estación base; y
c) un dispositivo (612) adaptado para determinar
el desplazamiento temporal entre la señal piloto de CDMA de
referencia y la señal piloto generada por la estación base
(602),
d) el generador está adaptado para generar la
señal piloto de CDMA de referencia, para que tenga una relación de
temporización conocida con la señal de temporización de
referencia;
y caracterizado porque:
e) el generador está adaptado para fijar la
frecuencia de la señal piloto de CDMA de referencia y la señal de
temporización de referencia en una referencia común de
frecuencia.
9. El aparato de la reivindicación 8, en el cual
el dispositivo adaptado para determinar el desplazamiento temporal
es una estación móvil de CDMA.
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