CN1036884C - 在无线系统中调节发送功率的方法和装置 - Google Patents

Abstract

在使用通信信道载波/干扰(C/I)比的无线系统中用于稳定调节发送功率电平的方法和装置。作为信道上干扰的单调减函数的C/I目标被用于调节发送功率电平。因此，随着干扰的增加，发送功率也增加从而进行补偿，但是发送功率应增加到生成一个较低的C/I电平的电平值。还能确定路径损耗和信道增益，并将它们用于调节。

Description

在无线系统中调节发送功率的方法和装置

背景技术

本发明涉及在无线通信中的发送功率调节技术的应用，更具体地说，本发明涉及一种优选地根据载波和干扰之比(C/I)来进行功率调节的方法和系统。

为了使使用无线通信系统的通信装置间的干扰最小，应当调节无线信号的功率电平。例如，通过调节移动站和基站的发送功率电平，在移动无线电话系统中使用相同无线信道的不同呼叫连接之间的干扰可被减小。其目的是确保只使用为保持令人满意的呼叫质量所必须的发送功率，这样将减少使用相同无线信道的呼叫间可能出现的干扰。

在现存的蜂窝系统中，每个蜂窝单元被设计成使得例如在通常业务情况下有大约90％的蜂窝单元可获得最小的C/I比。在没有发送功率调节时，每个蜂窝单元之内的多数呼叫具有比所需要的更好的C/I比，并且这可能使得其它蜂窝单元边界上的呼叫要使用更高的发送功率电平才能被清楚地听到。换言之，没有发送功率调节时，蜂窝单元之内的呼叫产生不必要的较大干扰。

对蜂窝电话系统进行功率调节的另一好处是，假定对所有呼叫C/I比都一样，那么和未经调节的系统相比，系统容量能增加大约70％。使功率保持在最低可能电平的另一个理由是减少移动站消耗的能量。于是，用来驱动手持移动站的电池就可以具有更小的容量，其结果是移动站能被做得更小。

在先前的无线电话系统中，例如，像授予Webb等的美国专利NO.4,485,486所示，功率调节涉及基站对从移动站接收到的发送信号强度进行测量，将接收到的信号强度与表示出为了恰当接收所需范围的上、下阈值进行比较，并在该比较的基础上给移动站发送一个功率调节命令。该过程以相对而言不太短的时间间隔而重复进行，典型的规律是每5秒钟一次，并且移动站的发送功率仅粗略地加以控制。这种类型的控制假定干扰电平比较稳定并且试图保持接收信号远高于这个电平。但是，在实际情况中这种功率调节远不够优化，因为干扰电平随地间和地点有显著的变化。

在授予Havel等的美国专利NO.4,811,421中所描述的系统中，移动站计算它将使用的用以使基站接收到的信号强度恒定的发送功率电平。该计算是基于对移动站所接收到的用来估计到基站的路径损耗的信号强度的测量而进行的。因此，基站无需指示移动站调节它的发送功率。但是，调节是基于维持恒定的接收信号强度，因此和授予Webb等的专利中所公开的一样。

如J.Zander在“蜂窝无线系统中优化功率控制”(KTH，报告NO.TRITA-TTT-9101(1991，1))中所描述的，在蜂窝系统中，对于每种业务情况存在所有呼叫都能得到的一个最大C/I比，这样，所有呼叫都有这个相同的C/I比。在一个功率调节方案中，希望能调节功率来获得这个最大的C/I值，但在实际情况中，很难确定这个目标值。如果这个值被设的太高或太低，那么所有的被调节的发送器的功率不是将增加到最大电平就是减小到最小电平，这由系统的物理局限所确定。

这种“群效应”(party effect)是在企图在整个蜂窝单元中获得一个恒定C/I比时发现的问题之一。例如，如果在不同的蜂窝单元集群中有两个蜂窝单元使用相同的频率，并且它们具有为各相应的各蜂窝单元中的移动站所能期望的最低允许功率电平以及具有那些移动站所不能超过的最大发送功率电平，这就产生了一个不稳定的系统。位于第一蜂窝单元中的移动站提高它的发送功率电平以克服由第二蜂窝单元中的移动站引起的信道间干扰并且因此达到了恒定的C/I比。同样地，第二蜂窝单元中的移动站提高它们的发送功率电平以克服现已增强的来自第一蜂窝单元的移动站的信道间干扰。同样，第一蜂窝单元中的移动站然后又向上调整它们的发送功率电平。这种效应持续着，直到第一和第二蜂窝单元中的所有移动站都以它们的最大电平发送，这使得干扰问题没有重大改进，同样依靠电池工作的移动站的功率消耗问题也没有解决。

在授予Naylor的美国专利NO.4,580,262中所描述的系统中，发送器的输出功率电平由接收器控制，从而使输出功率刚好够使链路保有足够的质量。但是，质量目标是固定的，因此，当两个呼叫连接以相互有干扰的方式使用同一无线信道时，系统就要遭受上述的“群效应”。这种信道间干扰情况在蜂窝无线电话系统中是带有共同性的。

发明概要

申请人的发明避免了以前通信系统中的不稳定的问题并且用这样的方法为上行连接和/或下行连接传输提供功率调节，从而使接收信号强度值和C/I比值比在已知系统中更接近期望值。在按照申请人的发明的无线通信系统中，为调节发送站的发送功率提供一种系统和方法。申请人的发明被实施在蜂窝无线系统中时，接收站可能是一个移动站而发送站可能是一个基站，或者接收站可能是个基站而发送站可能是个移动站。申请人的发明还可能实施在非移动无线通信系统中。

在一个实施例中，调节发送功率的方法包括的步骤是：接收发送站以已知发送功率电平所发送的信号并且测量与接收的信号相关的质量标准，如比特错误率(BER)。另外，该方法包括的步骤是：在测得的质量标准和已知发送功率电平的基础上确定一个新的发送功率电平，并且命令发送站以新的发送功率电平进行发送。该方法还包括的步骤是：测量与接收的信号相关的接收功率电平，并且在接收的功率电平和已知的发送功率电平的差异的基础上确定路径损耗或信道增益。然后在测量到的质量标准、已知的发送功率电平和路径损耗的基础上确定新的发送功率电平。

按照申请入的发明的一个系统，包括用来接收以已知功率电平发送的信号的装置；用来测量与被接收的信号相关的接收功率电平的装置；用来测量与被接收信号相关的质量标准的装置；用来在所测得的质量标准和已知发送功率电平的基础上确定新的发送功率电平的装置；用来命令发送站用新的发送功率电平发送的装置。系统还能包括用来在接收功率电平和已知功率电平差异的基础上确定路径损耗或增益的装置，并且路径损耗还用于确定新的发送功率电平。

附图简述

通过参考附图阅读以下描述将会明了申请人发明的特点和优点，其中：

图1说明了一个蜂窝移动电话系统的各个部分，其中包括蜂窝单元、移动业务交换中心、基站和移动站；

图2是表示按照本发明的调节功能的曲线图；

图3a是表示处在可用于本发明的系统和方法中的接收站位置的干扰功率的函数的曲线图；

图3b是表示可用于本发明的系统和方法中的发送器和接收器之间的链路的路径损耗或增益的函数的曲线图；

图4是表示按照本发明的另一种调节功能的曲线图；

图5是一个按照本发明的实现功率调节的一个示例系统的方框图；并且

图6说明在本地环路中采用无线的电话系统的各个部分。

发明的详述

尽管以下描述是在涉及手持或移动无线电话和/或个人通信网的蜂窝通信系统范围内，但应当理解，本发明也可用于其它的通信应用。例如，按照本发明的功率调节能有利地用于无线数据通信系统和陆地移动无线系统之中，也可用于如在本地环路采用无线的那样的非移动无线系统中。即使是后者情况下的固定链路，也可能遭到随时间而变化的干扰，按照本发明这可以通过功率调节来加以克服。

图1示意地说明了一个蜂窝移动无线电话系统中的10个蜂窝单元C1～C10。描述的蜂窝单元应该被认为仅是系统的一部分，该系统通常有远多于10个的蜂窝单元。对于每个蜂窝单元C1～C10分别有一个能位于其单元中心附近的基站B1～B10，这些基站一般具有全方向的天线。但是基站可能位于接近蜂窝单元边界处并且有定向的天线。

图1还说明了9个移动站M1～M9，它们在蜂窝单元之间的范围内移动并且它们仅代表系统中的一部分移动站。特别地，通常是移动站多于基站。图1还说明了一个移动业务交换中心(MSC)被表示成通过电缆与基站相连接，尽管其它设备(例如，固定无线链路和光纤链路)可以用于基站—MSC间的通信。MSC还和一个公共电话交换网(PSTN)或相同网络相连接。

图1所说明的系统将多条无线信道用于模拟信息通信，例如，话音和/或数字信息，例如，数字化的话音或数据。为了使利用相同无线信道的各发送站间的干扰最小，最好如上所述地去调节发送功率电平。当采用本发明的功率调节方案时，适当的发送功率电平或者是由MSC(或者，在全球移动通信系统(GSM)中，是由基站控制器(BSC))和基站共同确定；或者只是由基站单独来确定。当接收到来自移动站的信号之后，基站测量与接收信号相关的各个参数以确定向移动站发送一个发送功率命令，这将如下所述。应当理解，由MSC和/或基站来控制必要的功率调节任务比较为好，尽管原理上也可使用移动站来控制。

为了克服上述问题并且保持稳定的系统，调节发送功率以获得一个目标C/I比，通常它是信道上出现的干扰电平和发送所涉及的增益(负路径损耗)的一个单调的减函数。因此，本发明的功率调节方案不涉及固定的目标C/I比或目标接收信号强度。另一方面，有必要确定干扰电平，并且在通常情况下确定路径损耗或信道增益，以便找出恰当的目标C/I比。

在下文中，当描述C/I比时用I来标识干扰电平，在公式中通常用i标示，但它们是相等的。象P、P′、g、i、I、P、SS、α、β和C/I最好用对数形式dB。因此，增益g是简单地通过减法给出的，如下所述，它是从接收功率电平和已知的发送功率电平之差中获得的。应当理解，对公式作适当修正后，参数还可以采用它们的等价的线性形式。

为了确定干扰电平i，接收站可以采用一般本领域技术人员所熟知的几种方法中的任何一种来进行质量测量(例如BER或比特错误内容)。在典型的时分多址接入无线电话系统中，按照例如EIA/TIA IS-54-B标准，接收站接收到的同步字(SYNC)，和/或数字验证彩色码(DVCC)可以与发送的已知的顺序或码来进行比较。用这种方法，可在一段时间内确定错误量。从这个BER值，通过利用该领域已知的经验转换表可以确定相应的C/I比。然后，如果还测量了接收信号强度SS，那么可以通过下面的关系确定干扰i：

i＝SS-C/I其中，所有参数的单位是dB。

对于本发明的功率调节技术的一般情况，可以由连接的接收功率电平(可以测得的)和它的发送功率电平(可以预先知道的)之差容易地确定信道增益或路径损耗。如果那些电平用dB测量，通过简单的减法可以得到所需的路径损耗。

图2表示了目标C/I比和干扰电平之间的适当的函数关系的例子。应当理解，干扰增加时，发送功率便增加，从而进行补偿，但从该图中发送站将不会达到相同的C/I比而是达到一个较低的比值。由于其它连接所“看”到的、因功率增加而引起的干扰的增加，比功率增加要达到“旧”的C/I比时所应有的干扰的增加要来得低，所以当用于其它连接的那些发送器增加它们的发送功率时，系统能收敛出一个新的、尽管要低一些的C/I比。如果函数具有C/I目标关于干扰的、约处在-2到0范围之间的一次导数，那么任何单调的减函数都是合适的。这是稳定性所需要的。为了增加系统的容量，还希望导数在大约-1到0的范围之间。现在表明，适当的值大约是-0.3。按照本发明，发送功率调节将在更高的业务级产生具有适度降级的稳定系统，在其中，干扰更高而因此C/I目标将更低。

C/I目标最好也在功能上与连接的路径损耗或增益有关，该关系的表现形状和图2所示的一样。特别地，应当用一个单调减函数，并且关于增益的C/I目标的一阶导数不是临界的，但可以在0～1的范围之内。

下面的一般关系式展示了本发明的调节原理。按照：

P＝α-β_g(g)+β_i(i)定期地调节，其中，对于稳定性，0＜dβ_i/di＜1。在上面的一般关系式中P是发送站的发送功率；α是个预确定的常量；βg(g)是预定的连接(既可是上行也可是下行连接)中的增益g的函数；并且β_i(i)是预定的在接收站处的干扰功率(扰乱)的函数。该干扰功率是来自使用相同信道的其它呼叫连接的贡献的总和。信道间干扰的起源与本发明的性能无关，尽管由于频率规划一般避免了同一蜂窝单元集群中的信道间扰乱，所以在蜂窝系统中信道间的干扰通常发生在位于不同蜂窝单元集群中的发送器之间。

从上述一般的关系理解到，本发明的功率调节方案在一般情况下是基于特定的连接的增益和干扰电平的。该一般关系式表明了稳态的情况，但它能被用于迭代过程以达到稳态。应当理解，图2(和图4)中表示的关系是一个目标函数，即它表明在任何情况下期望达到的C/I值。迭代需要在曲线上达到一个最终状态，因为发送功率的变化影响C/I，而C/I反过来又要求进一步调整发送功率。为了调整发送站的功率，有必要确定一般关系式中的参数。然后，接收站就以任何适当的方式命令发送站以所期望的发送功率电平进行发送。

常量α代表在特定的距离上一个预定的可以接受的功率电平。特别地，通过调整α以便在预定的距离上在大多数链路中干扰比噪声占优势；在那样的功率电平上，系统享有合理的质量。在干扰比随机噪声电平占优势的环境中，即在一个干扰有限的系统中常量α只影响平均发送功率而不影响容量。作为一个例子，α可被设为一个最大的可被接受的干扰电平。

当增益和干扰的函数如下时，可以获得关于系统容量的良好的特性：

β_g(g)＝0.7·g        β_i(i)＝0.7·i可以使用g和i的其它函数(包括非线性函数)，但如上所指出，为了稳定性，i的函数的斜率必须小于1。g的函数的斜率目前最好在0.5和1之间。在图3a和3b中描述了有用的β_i(i)和β_g(g)的图示表示。

从上面的一般关系式可以看出，将为遭受到增加的干扰电平的呼叫提供一个更高的发送功率电平，但与这个功率电平相联系的C/I比要小于与先前较低的发送功率电平相联系的C/I比。不然的话，前面那种发送站将以最大的允许功率电平发送(“群效应”)的系统中的问题就会发生。另外，当超过所需接收信号强度时，发送功率电平P将减小，例如，当移动站移向它的基站时(见图3b)。当路径损耗减少且增益增加时，在图3b中系统有效地移向右边，因此减小了α-β_g(g)的值，这导致在下一迭代中产生一个效低的发送功率P。

按照图2的本发明的实施例只考虑扰乱电平。因此当移动站改变它到基站的距离时，如果扰乱电平不改变，那么发送功率电平就会改变，从而使接收的C/I比不改变。换言之，为增益的改变提供完全补偿(即，dβ_g/dg＝1)，但为扰乱电平的改变提供不完全的补偿(即，dβ_i/di＜1)

或者，按照图4的本发明的另一个实施例(该实施例表明C/I目标比作为发送功率电平的单调减函数)已把当前发送功率电平考虑在内。这样一个实施例比使用图2的实施例简单，因为无需确定扰乱电平值i。另一方面，使用图4的实施例不仅为扰乱电平的改变提供了不太完全的补偿(这是稳定性所需要的)而且还为移动站和基站间的“无线距离”的改变提供了不太完全的补偿(这不是稳定所必需的)。由于这通常是可以被接受的，所以按照图4的较简单的实施例比按照图2的实施例更可取。

前面的一般关系式可被迭代使用，以便收敛为最优发送功率电平并且适应增益和/或干扰电平的临时性变化。目前最好是大约每0.5秒更新一次发送功率电平。在如上述的β_g(g)和β_i(i)为线性的实施例中，下一个周期的发送功率P′可用下面的标量公式代表：

P′＝α-β·((Δ·g)-i)其中Δ在0和1之间，β是β_g(g)和β_i(i)的斜率，为了稳定性它在0和1之间。当Δ＝1时，公式变成：

P′＝α-β·(g-i)其中参数α、P′、g宜于采用dB作为单位，下面公式中的参数P和C/I也一样。但是，由于：

C/I＝P+g-i对于干扰受限制的系统中的连接，于是下一个周期的发送功率由已知参数的下列公式给出：

P′＝α-β·(C/I-P)其中P是当前周期的发送功率。当系统达到稳定状态，即当P′＝P时，那么：

P＝α/(1-β)-(β/(1-β))·C/I通过这个公式，当β＝0.7时，由下面的公式给出稳定状态C/I和发送功率电平.

P＝α/0.3-(0.7/0.3)·C/I其中C/I比由信号质量参数(例如上述的BER)确定。

当干扰电平增加1dB时，发送功率电平增加2.3dB。其它用户将遇到增加的干扰，并且根据扰乱而以同样的方式采取行动。经过一段时期后，系统达到一种稳定状态，其中由于一部分增加的干扰已经被增加的发送功率所补偿，所以其最终C/I比的减少小于1dB。如果发送功率已经增加到了先前的C/I比并且其它用户也采取了同样的做法，那么发送功率将继续增加直到达到最大值为止。另一方面，如果发送功率根本不增加，那么连接的C/I比将减小1dB。

如果要在系统中降低某些呼叫的质量，那么最好降低那些引起干扰的、而非遭受干扰的呼叫的质量。图4示意了这样一个系统的调节曲线的例子，其中C/I目标是连接所用的发送功率的函数。在系统中对于按照图4调节功率的给定业务状况，处在蜂窝单元边缘的呼叫的质量可能比单元内的呼叫质量要低。而且，经功率调节的系统的蜂窝单元内的呼叫C/I比要比未经调节的系统中同样呼叫的C/I比要低，否则不会产生什么改进。按照图4功率调节的一个好处是，由于目标C/I比仅仅依赖于发送功率(这是已知的)，并且不需去确定干扰电平i，所以实现起来比较容易。

图5中说明了按照本发明的一个示例系统。这个系统与在共同转让的美国专利申请NO.941,307(申请日为1992年9月4日)中所公开的系统相类似，现结合此处作为参考。发送站10具有装置30用以向接收站50发送无线信号，接收站50具有装置60用以接收无线信号并且测量它们的功率电平。如上所述，接收装置60还确定信道路径损耗或增益以及接收信号的质量，其中包括C/I比。在申请日为1991年4月25日的共同转让的美国专利申请NO.691,221中公开了一种在寂静期间测量干扰电平i的方法，现结合在此作为参考。

接收装置60向信号处理器80提供反映接收的信号强度和质量测量的适当的数据信号，该信号处理器80以上述方法来确定新的发送功率电平或新的C/I目标值。然后处理器80给接收站50内的发送器70提供一个适当的命令信号；发送器70将命令信号发送给发送站10，从而命令发送站10以与新的C/I目标值相关联的新的发送功率电平进行发送。用于接收这个命令的装置40将这个命令转送给适当的处理器20，后者则促使发送装置30以与新的C/I目标值相关联的新的发送功率电平进行发送。

本发明的功率调节方案还适用于固定无线通信系统(例如象在本地回路中使用蜂窝无线方式的这样的系统)，图6说明了这样一个固定无线系统，图中表示出一个与基站BS相连接的移动无线业务中心MSC。MSC和BS被表示成处在同一建筑物中，但这不是必需的。BS通过天线110发送和接收无线信号，天线110通常是全方向天线。系统用户天线120收集BS发出的信号，由于天线120是与基站BS相对固定的，所以它通常是定向的。用户天线120与代表建立和接收蜂窝电话呼叫的适当组成部分的“移动站”MS相连接。这些组成部分采取这样的方法适当地与用户的标准电话装置POT相连接，即：使得所使用的无线连接对用户是透明的。图中以虚线表示的折线箭头代表无线信道的其它用户引起的干扰信号。

因为图6中所示系统的增益基本恒定，可按上述的以下公式在系统中应用本发明的功率调节方案：

P′＝α-β·(C/I-P)如上所述，功率控制可被用于传输的上行连接和/或下行连接。

应当理解，扰乱可能很严重以至上述的功率调节不足以在这里维持足够C/I比。在这种情况下，受影响的连接可被转移到另一个可用信道，例如，在同一蜂窝单元中的能提供更好的C/I比的频率和时隙。

本发明的功率调节方案还能和无线电话系统中的动态信道分配(DCA)的方案进行组合，如在申请日为1992年4月22日的共同转让的美国专利申请N0.872,222中所描述的那样。在这样的组合中，DCA将无需频率规划，而现有的功率调节将给出在DCA的重新使用划分中难以实现的容量增加。在组合中，受干扰最小的信道将被分配使用。而且还会存在受干扰最小的信道为了接纳新呼叫的最大干扰电平。对于不同的情况(例如，呼叫建立和转移)，这个阻塞电平可能不同。

虽然已经对本发明的个别实施例作了描述和说明，但应当理解，本发明不限于此，因为熟悉本技术的人们可能作出改进。任何落入本说明书和权利要求、本发明构思范围内的改进都将被包括在本申请之内。

Claims (14)

1.一种在具有多个发送站的无线通信系统中调节从发送站经过信道发送到接收站的无线信号功率电平的方法，包括以下步骤：

接收由发送站以已知发送功率电平发送的无线信号；

测量与以已知发送功率电平发送的接收信号相关联的质量标准；

在质量标准和已知发送功率电平的基础上确定发送站新的发送功率电平，该新的发送功率电平否则独立于其它发送站的发送功率电平；并且

命令发送站以新的发送功率电平发送无线信号。

2.按照权利要求1的方法，其特征在于，确定新的发送功率电平，使得当新的发送功率电平高于已知发送功率电平时，与以新的发送功率电平发送的接收信号相关联的质量标准比与被以已知发送功率电平发送的接收信号相关联的质量标准要差。

3.按照权利要求1的方法，其特征在于，发送站是峰窝电话系统中的移动站。

4.按照权利要求1的方法，其特征在于，其中质量标准是比特错误率和比特错误内容之一。

5.按照权利要求1的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

测量与接收信号相关联的接收功率电平；和

在接收功率电平和已知发送功率电平的基础上确定信道增益；

其中，新的发送功率电平除了建立在质量标准和已知发送电平基础上之外，还建立在信道增益的基础之上。

6.按照权利要求5的方法，其特征在于，确定新的发送功率电平，使得当新的发送功率电平高于已知发送功率电平时，与以新的发送功率电平发送的接收信号相关联的质量标准比与以已知发送功率电平发送的接收信号相关联的质量标准差。

7.按照权利要求5的方法，其特征在于，其中发送站是峰窝电话系统中的移动站。

8.一种在无线通信系统中用于调节发送站的发送功率电平的设备，其特征在于包括：

用于接收由发送站以已知发送功率电平发送的无线信号的装置；

用于测量和接收信号相关联的质量标准的装置；

用于在质量标准和已知发送功率电平的基础上确定发送站新的发送功率电平的装置，该新的发送功率否则独立于其它发送站的发送功率电平；以及

用于命令发送站以新的发送功率电平发送的装置。

9.按照权利要求8的设备。其特征在于，确定新的发送功率电平的确定装置在新的发送功率电平高于已知发送功率电平时，与以新的发送功率电平发送的接收信号相关联的质量标准比与以已知的发送功率电平发送的接收信号相关联的质量标准差。

10.按照权利要求8的设备，其特征在于，其中调节发送站功率电平的装置是蜂窝电话系统中的移动站。

11.按照权利要求8的设备，其特征在于，其中质量标准是比特错误率和比特错误内容之一。

12.按照权利要求8的设备，其特征在于，还包括：

用于测量与接收信号相关联的接收功率电平的装置；以及

用于在接收功率电平和已知发送功率电平的基础上确定信道增益的装置；

其中，新的发送功率电平除了建立在质量标准和已知的发送电平的基础上之外，还建立在信道增益的基础上。

13.按照权利要求12的设备，其特征在于，其中确定新的发送功率电平的确定装置在新的发送功率电平高于已知发送功率电平时，与以新的发送功率电平发送的接收信号相关联的质量标准比与以已知的发送功率电平发送的接收信号相关的质量标准要差。

14.按照权利要求12的设备，其特征在于发送站是蜂窝电话系统中的移动站。

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