CN1080957C - 估算接收功率的方法和接收机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一个接收机，和用于包括对每个单元中至少一个与移动站(MS)在其有效区域进行通信的基站(BTS1，BTS2)的蜂窝无线电系统估算接收功率的方法。在该系统中，移动站测量从基站接收的信号的强度，并将测量结果通知基站。为了改善功率调节，对每个连接上的接收功率建立一个描述信号动态特性的模型，所述模型被用于功率调节和进行越局切换判断。

Description

估算接收功率的方法和接收机

本发明涉及用于在蜂窝无线电系统估算接收功率的方法，该系统的每个小区包括至少一个与其覆盖区域中的移动站进行通信的基站。在该系统中，移动站测量从基站接收的信号的强度，并将测量结果通知基站设备，且基站测量从移动站接收的信号强度。

蜂窝无线电环境的特征是无线电波传播的条件是不断变化的。这是由于移动站相对基站的位置变化和移动站环境的变化引起的。在移动站和基站之间的连接中，无线电波在无线电路径上受到的衰减是不断变化的。从而，尤其是由移动站使用的发射功率必须不断地被监测，并在每个时刻进行调整。通常，目的是减少由移动站使用的发射，从而该站的功率消耗和该站对其它连接的干扰均为最小。功率调节在CDMA系统中是尤为重要的，其目的是基站在可能的时候通过使用相同的功率电平在其有覆盖域内接收移动站的发射。

当基站和移动站之间无线电路径上的衰减变化时，在与原来基站的连接断开之前，必定有可能不断地有将该通信迅速切换到另一基站。

功率调节和越局切换两者的速度和精度依赖于移动站和基站之间的连接的质量控制。实际上，这是以这种方式来完成的，即基站和移动站两者均测量接收信号的功率电平。移动站将测量结果通知基站，基站发射功率调节命令给移动站，并且，当信号减弱时，进行越局切换的判断。

接收信号的功率电平是一个不断改变的变量，且瞬时测量结果包含一些不精确值，诸如测量噪声和由实际测量装置引起的与时间有关的误差。因此测量结果并不那么有用，而且它们必须用某种方式进行处理以减少测量误差的影响。

在以前的技术系统中，接收功率的测量结果在一个确定尺寸的时间窗口内被滤波，即进行平均。当应用这个过程时，最坏的误差峰值可以从测量结果中被去掉。该方法具有易于实现的优点，但具有对于快速改变的数据情况不可调的缺点。改进所述方法的一条途径是调整时间窗口的宽度，但这种方法也不能足够好地模拟一个变化的信号，并且这样对预测信号未来的状态是无用的。

这样，本发明的一个目的是在处理测量结果中通过使用统计的方法，比以前更好地利用测量结果。尤其是，这些方法对信号功率电平能提供比以往更好的状态预测，这样就能对连接质量变化做出更快速的反应。因此，功率调节可以比以往更精确地予以实现，且对突发的越局切换状态可以更快地予以响应。除了预测之外，该方法能实现测量结果可靠性的更精确估计，和可能丢失的测量值的估计。

用来估算蜂窝无线系统中的接收功率的方法，所述系统包括在每个小区中至少一个与移动站在其覆盖区域进行通信的基站，在该系统中，移动站测量从基站接收的信号的强度，并将该测量结果通知给基站设备，且基站测量从移动站接收的信号强度，该方法其特征在于：在接收的测量结果帮助下，在每个连接上为接收功率建立描述信号动态特性的模型，而且，当所述模型形成时，至少考虑一个干扰该连接的信号，及所述模型用来进行功率调节和进行越局切换判断。

用在蜂窝无线系统中的基站接收机，所述系统包括在每个小区中至少一个与移动站在其有效区域进行通信的基站，在该系统中，移动站测量从基站接收的信号的强度，并将该测量结果通知给基站设备，且基站测量从移动站接收的信号的强度，所述接收机包括装置，用来存储从移动站得到的、由基站所作的测量结果，其特征在于，包括：处理器装置，用于借助从移动站接收到的测量结果，考虑至少一个干扰连接的信号，在每个连接上，形成一个描述移动站所接收的信号功率的动态特性的模型，和处理器装置，用于利用所述模型进行功率调节和执行移交判断。

根据本发明的解决方法能够实现功率调节的改进，尤其在街道拐角位置处的微小区环境下。在这种情况下，从交叉街道接近的移动站必须根据从新的基站的指令快速调节其信号强度。由本发明实现的快速功率调节能很大程度地改善这类情形下的功率调节操作。

下面，该发明将根据附图参照举例进行更详细地描述，其中

图1表示蜂窝无线电系统的一部分，其中能够使用本发明的方法；

图2是与以前技术的方法相比较，说明在功率调节状态中本发明方法的操作；

图3说明了街道拐角的情况，在这里需要快速功率调节；和

图4说明该发明接收机的结构。

在本发明的方法中，使用了统计的方法来处理无线电信道的测量结果。这样从测量结果可以得到比以往更多的无线电信道质量未来变化的结论，在这种情况下，也可估算丢失的测量值。

描述信号动态特性的模型从接收信号的测量结果中形成。在下面，测量结果的处理利用卡尔曼滤波予以说明。但其它的统计方法也可用来在本发明的方法中处理测量结果。卡尔曼滤波对线性模型是一个最佳的时域预测方法。线性模型的精确度对短期预测是足够的。一个称之为状态空间的模型根据测量结果和卡尔曼滤波一起被形成。状态空间模型的方程可表示为观测方程(1)：

           y_t＝A_tx_t＋v_t                  (1)

其中，y代表观测向量，A是确定不可观测的状态向量如何转换为能观测的向量y的矩阵，且v代表观测噪声向量。状态转换可用方程来表示：

           X_t＝Bx_t-1＋w_t，               (2)

其中B是转换矩阵，w是噪声向量。在两个方程中t＝1，2，…T。噪声向量v和w可假定为互相无关，且它们的缺省值可设为0。

我们假定信号特性可以按方程自回归：

           x_t＝a₁x_t-1＋a₂x_2-2＋w_t        (3)

           y_t＝x_t＋v_t，

也可表示为： ${\left(x_t{x}_{t-1}\right)}^T=\left[\begin{array}{cc}{a}_1& a_2\\ 1& 0\end{array}\right]{\left(x_{t-1}{x}_{t-2}\right)}^T+{\left(w_{t}0\right)}^T----\left(4\right)$

           y_t＝(1 0)(x_t x_t-1)^T＋v_t′

其中出现在一般公式中的矩阵能更容易辨识。

下面，本发明的方法将与基站一起被描述，然而本发明并不限于此。该方法当然还能用在移动站的接收机中。

图1表示了一个蜂窝网络系统，其中可以使用本发明的方法，该图表示两个基站BTS1和BTS2，每个基站服务于它们自己的覆盖区域，基站可以与基站控制器BSC通过数字发射链路10相连。在图1所示的情况下，移动站MS位于两个基站之间的区域，在这能够从两个基站接收信号11，12。

移动站测量从基站接收的信号的强度，并通知该测量结果给基站。由移动站发射的测量结果表示为y(t)，t＝1，2，…，T。基站控制器分析从移动站的测量结果。卡尔曼滤波估计器现在具有以下形式：

      x(t|t-1)＝Bx(t|t-1)                  (5)

     x(t|t)＝x(t|t-1)＋K(t)[y(t)-A(t)x(t|t-1)]

其中，转换矩阵B根据信道的动态处理在每个小区中被确定。不同种类的小区可以使用上述矩阵予以模拟。该矩阵能模拟诸如信号随距离的指数衰落。矩阵的维数确定了状态空间模型的阶数。在上例中(公式3和4)，阶数是2。实际上，该模型能通过检查测量结果来确定。已知的链路参数，如多普勒分布可用在模型的选择上。当多普勒分布小时，可以知道移动站正在缓慢移动，即往往在城镇区域，且矩阵的维数可选择较小。增益矩阵K(t)可以根据预测误差的协方差矩阵逆归计算。

一步预测x(t|t-1)已根据以前的预测值直接计算，然而最佳估计函数x(t|t)，包括有当前数据值，是一步预测值x(t|t-1)和预测y(t)时产生的误差的加权平均。

基站能够通过估算测量值优化调节移动站的发射功率。本发明可特别应用于CDMA蜂窝无线电网络中，以增大单元的容量，其中基站必须调节移动站的发射功率，使得它接收具有同样的信号强度的所有的站的信号。在这种情况下，本发明的方法能实现精确快速的功率调节是特别有利的。

本发明还可有效地应用于发生同信道干扰的蜂窝无线电系统中，例如，如果为了实现较高频率效率，增加TDMA系统中频率的重用，就会在相同频率信道内产生干扰。

图2示出了与以往技术的方法相比较，根据从测量结果计算的估算值的功率调节的精度。在图2中，水平轴代表时间，垂直轴代表功率值。在图中，用传统的非预测方法得到的值21和用两种不同的估算方法得到的信号估值22和23被画在实际信号20上。如所注意到的，预测一步估值22比非预测方法21提供更精确的信号值。信号更精确的估值可用线性估值23得到。图2中所示的情况已通过在两路瑞利信道中使用1.8GHz的频率予以模拟。移动站的速度假定为25km/h，功率调节以2ms的间隔实现。

本发明还可用在两个基站覆盖区域间的边界区域上进行越局交换的情况中。根据从移动站MS发射的测量结果计算出的估算值，基站控制器BSC能估算在如图1所示的情况下进行越局切换的时间最优点。通过使用本发明的方法，基站控制器能够预测在衰落信道中的信号特性，并与以往技术方法相比，更快地启动越局交换程序。

在街道拐角的情况下，即信号传播环境可能很快地变化，快速功率调节是必要的。在本发明的方法中，基站可以根据测量结果很快地调节发射功率。图3表示了正在与基站BTS1通信的移动站到达街道拐角处和到达基站BTS2覆盖区的情况。假设从街道拐角到基站BTS1的距离d1大于到基站BTS2的距离d2。进一步假设有两个基站通过使用相同的频率带宽进行发射的系统，即诸如使用CDMA多路存取方法的蜂窝无线电系统的情况。

由基站BTS1控制的移动站，通过使用高发射功率进行发射。当移动站到街道拐角时，带有高发射功率的移动站的发射与基站BTS2相干扰。移动站因此必须快速降低其发射功率并改变到BTS2的覆盖区域。在这种情况下，本发明的预测方法可以这种方式执行，即当接近街道拐角时，移动站注意到基站BTS2的发射功率逐渐增加。当BTS2的信号被估算时，其特性能被预测，并且这样，必要的越局切换就能尽快地被启始。这样，与以往技术方法相比，单元中对其它连接造成的干扰就较小。

该方法还可用于估算移动站的丢失测量值。当测量结果被发射到基站时，由于如无线电路径上的干扰，测量结果可能会损坏。丢失的测量值可以通过使用上面所述类型的方程利用递归计算得出估算值。

另外，该方法可以用来估算从移动站接收的测量结果的可靠性。如果从移动站接收的测量结果明显地与估算值偏离，可以假定在数据发射中产生了错误，且发射的测量结果可能不是正确的。

这样，在本发明的方法中，首先为小区选择一个合适的模型。在选择中，以前测量的功率值用作上面所示公式(1)、(2)和(5)的矩阵B和A选择的基础。一旦选定合适的模型，估算算法可以按照将接收的信号是否被预测的，或者丢失测量值是否被估算进行前向或递归计算。用这种方法得到的估算值可进一步在越局切换或功率调节算法中作为实际功率值来处理。关于它的卡尔曼滤波和计算更详细地用Robert Schumway：应用统计时间序列分析，Prentice Hall，1988和P.Strobach：线性预测理论，Springer Verlag 1990来描述在这里它们包括在参考文献中。

根据本发明的最佳实施例，当描述信号动态特性的模型形成时，除实际信号外，对一个或多个干扰信号也进行了考虑。在这种情况下，有可能考虑信号间可能的相关性。例如，在CDMA系统中，对各种连接使用的扩展码并不是完全独立的，并且这样就产生了连接之间的相关性。

图4是表示应用本发明的方法的接收机结构的框图。接收机包括一个天线30，将信号切换到基站的装置31，对信号解交错的装置32，和解调信号的装置33。接收机还包括装置34，用来控制其它块和接收机的操作，接收机当然还包括其它部件，如转换器和滤波器，且根据接收机的性质，还包括语音解码器，但由于这些部件对本发明不重要，故它们未在说明中给出。

应用本发明的方法的接收机包括装置34，用来根据由移动站和基站得到的测量结果，估算接收信号。装置34可以通过诸如数字信号处理器来实现。

虽然本发明已参照附图中所示的例子在上面进行了描述，很明显，本发明并不局限于这些例子中，在附加权利要求中公开的发明概念范围内，可以在许多方面进行修改。

Claims (10)

1.用来估算蜂窝无线系统中的接收功率的方法，所述系统包括在每个小区中至少一个与移动站(MS)在其覆盖区域进行通信的基站(BTS1，BPS2)，在该系统中，移动站测量从基站接收的信号的强度，并将该测量结果通知给基站设备，且基站测量从移动站接收的信号强度，该方法其特征在于：

在接收的测量结果帮助下，在每个连接上为接收功率建立描述信号动态特性的模型，而且，

当所述模型形成时，至少考虑一个干扰该连接的信号，及

所述模型用来进行功率调节和进行越局切换判断。

2.如权利要求1的方法，其特征在于，在每个给定的时间t，移动站(MS)在下一时刻t+Δt接收的功率根据模型预测。

3.如权利要求1或2的方法，其特征在于，在每个给定的时间t，由移动站(MS)执行的测量值的正确度通过比较测量值和根据模型的估算的值进行计算。

4.如权利要求3的方法，其特征在于，移动站(MS)以时间间隔ΔT完成接收功率的测量。

5.如权利要求3的方法，其特征在于，在每个给定时间t计算移动站(MS)接收的测量值的估算值时，使用卡尔曼滤波算法。

6.如权利要求3的方法，其特征在于，在下一时刻计算移动站(MS)接收的功率的预测值时，使用了卡尔曼滤波算法。

7.如前面任何一个权利要求的方法，其特征在于，对于每个连接的状态空间模型是根据由移动站(MS)执行的接收功率测量值而不断修正的。

8.如权利要求7的方法，其特征在于，在一个给定的时刻由移动站(MS)进行的测量结果丢失的情况下，根据状态空间模型为所述结果计算估算值。

9.用在蜂窝无线系统中的基站接收机，所述系统包括在每个小区中至少一个与移动站(MS)在其有效区域进行通信的基站(BTS1，BTS2)，在该系统中，移动站测量从基站接收的信号的强度，并将该测量结果通知给基站设备，且基站测量从移动站接收的信号的强度，所述接收机包括装置(34)，用来存储从移动站得到的、由基站所作的测量结果，其特征在于，包括：

处理器装置(34)，用于借助从移动站接收到的测量结果，考虑至少一个干扰连接的信号，在每个连接上，形成一个描述移动站所接收的信号功率的动态特性的模型，以及

处理器装置(34)，用于利用所述模型进行功率调节和执行移交判断。

10.如权利要求9的接收机，其特征在于，其用于基站中。

Images