CN1130862C - 无线电系统中衰落裕限的测量 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在一个无线电系统中测量衰落裕度的方法。这个系统至少包含至少一个发射机(11a；11b)和至少一个接收机(12a；12b)，在一个工作场合，发射机和接收机建立一个固定的无线电连接。在这个方法中向接收机提供一个在不同的功率强度级别的输入信号，并确定输入信号的强度级别和接收机检测到的一个量之间的关系，由此对接收机进行校准。为了能够尽可能简单地确定这个衰落裕度，(a)对接收机进行校准时至少提供一个接近接收机噪声强度级别的功率强度级别，(b)在基本上只有噪声叠加到有效负载信号上的场合，确定接收机的一个对应于预定的误比特率的阈值(P_TH1)，(c)在这个无线电系统的一个工作场合，确定没有有效负载信号时，到达这个接收机的信号强度级别，(d)根据校准数据和步骤(c)确定的强度级别，确定在这个无线电系统的一个工作场合，接收机的一个对应于上述预定的误比特率的阈值，和(e)根据系统在这个工作场合中的阈值和在这个工作场合中的测量的信号强度级别，确定这个无线电系统的衰落裕度。

Description

无线电系统中衰落裕度的测量

本发明一般的涉及一个无线电系统。特别是本发明涉及在一个无线电系统中实施的衰落裕度的测量。一个衰落裕度关系到一个被传输的信号允许被衰减多少，直到误比特率增长到了一个数值，如果超过这个数值，就导致认为这个信号传输无效。用衰落裕度的办法，可以估计一个无线电连接的可靠性。本发明主要将用在无线电链路系统中。

在构成固定的数字无线电链路连接时，重要的是这个连接被打断的几率要保持相当低。除了设备的可靠性之外，这个几率与影响无线电波传播的无线电路径上的现象有关。这些现象包括：

1.正常的自然空间中的衰减；

2.由于下雨，频率和时间的缓慢变化引起的衰减；

3.由于大气折射率的变化或由于地形障碍引起的反射，使信号传播的路径分裂成两路或多路(多路径传播)，和由于上述这些路径的相互作用造成频率选择性衰减，和

4.来自其它无线电链路接力段(hop)或其它设备传播到这个接收机的干扰。

实施一个无线电链路接力段，要求接收方的衰落裕度(也就是，在一个经受到干扰的工作场合中，需要的信号的功率与接收机的灵敏度的比率)足够高。在这种情况，要求衰减切断信号的可能足够低，这些衰减是只由于现象2和3造成附加的信号，和只由于现象4造成的接收机的接收灵敏度的恶化，或兼而有之造成的。如果信号的误比特率超过一个预定的有限值，就认为这个信号被切断了。通常这个限值是10^-3，其含意是平均每接受一千比特出错一次。在本文中，误比特率的限值称为误码率阈值，对应的输入功率称为阈值功率。

一个无线电链路在交付的同时，经常要在正常的操作条件下检查衰落裕度。进行这样的检查通常的方法是，把发射机的信号衰减，直到在这个无线电链路接力段的另一端接收的误比特率恶化到切断点。衰减量直接给出这个无线电链路接力段的衰落裕度。应当指出，这个衰落裕度不能直接从接收到的信号功率和典型的接收机灵敏度或在生产阶段测量出的灵敏度计算得到，因为在某种工作场合下到达接收机的干扰的影响仍然是未知的。

在交付阶段进行的衰落裕度测试中，可以用调整现有发射机的发送功率的方法，或者用在测量时把一个可调整的衰减器连接在发射机的后面的方法影响这个传输信号的衰减。通常这个要求的衰减量是相当高的(30......50dB)，并且它的精度确定了测量的精度。在现有的发射机中提供足够的精确并且宽范围的功率控制将增加它的成本，并且很难经济地实现。另一方面，用一个分离的衰减器又很麻烦，特别是当无线电链路的无线电部分安装在室外一个天线架上的情况就更难了。

这些测量都不能遥控地进行，所以当怀疑当前的条件已经与这个接力段交付阶段常采取的条件不一样的时候，就必须重新进行测量。

本发明的目标是消除上述的缺点，并且提供一个方法可以足够精确地遥控和用尽可能简单的设备测量一个无线电链路，例如一个接力段，的衰落裕度。

采用在独立的权利要求书中定义的方法就能实现这个目标。

本发明的想法是使这个无线电系统在一种工作场合下，测量没有有效负载时进入的信号的强度级别(其中包含有从天线来的干扰和设备内部的噪声)，以此为基础计算确定无干扰的阈值功率的变化与额定阈值功率(在生产阶段或在维修阶段详细说明的)的关系。如果知道在一个通常的工作场合下进入的信号的强度级别，就可以根据这个变化得到在一个工作场合下这个系统的衰落裕度的幅度。

由于本发明的方法，一方面避免了采用一个分离的衰减器涉及的麻烦和费钱的操作，另一方面也免除了为发射机的发射功率可在宽范围内调整的需要，从而免除由此增加的发射机成本。

下面举例并且参照附图来更详细的说明本发明和它的推荐实施例，其中

图1表示根据本发明的一个一般水平的无线电链路系统；

图2表示根据本发明在这个无线电链路终端中的一个接收机和一个控制与测量部件，这些部分是本发明所必需的；

图3说明接收机的测量装置的功率校准；

图4表示一个可以确定接收机的阈值误码率的测量安排；

图5说明根据本发明的这个无线电链路终端中的一个接收机的推荐实施例；

图6说明当被接收的信号只包含噪声时，在取样瞬间的解调信号的幅度分布；和

图7说明当接收的信号包含噪声以外还包含脉冲状的干扰时，在取样瞬间的解调信号的幅度分布。

下面用一个有双向的点到点的无线电链路系统作为一个例子来说明本发明。图1说明一个一般水平的这一类型的数字无线电链路系统。这个系统包含两个无线电链路终端A和B，它们通过一个无线电路径RP相互通信。图中对相同的部分用相同的参考号码，还使无线电链路终端A的参考号码含有字母a，无线电链路终端B的参考号码含有字母b。每个链路终端的发射机(11a和11b)和接收机(12a和12b)通过一个双工滤波器或者代替它的一个转换开关，连接到一个天线系统(14a和14b)。如果需要一个双向的连接，就采用双工滤波器，这样可以同时进行双向通信。双工滤波器的作用是使这个发射机和接收机的信号彼此分隔。在单工通信中应用的一个中继系统可以采用开关代替双工滤波器。

这两个链路终端都还包含一个控制和测量部件(15a和15b)用来控制这些链路终端和进行这个系统涉及的各种测量。从本发明的观点看，例如，控制和测量部件可以为了测量而切断发射机是一个必须的因素。

本发明根据如下的想法，即，如果可以假定到达接收机的干扰被认为产生于发送一个基本上是连续信号的源，例如其它等效的无线电链路(这是典型的情况，特别是在使用甚高频的无线电链路网络中)，当解调器的特性是已知的时，就可以从测量由接收机接收的信号强度级别，估计出由于噪声和干扰影响造成的接收机灵敏度的恶化。根据灵敏度的恶化，如果知道在这个无线电链路的一个典型的情况下被接收信号的输入强度级别，就可寻找出这个衰落裕度。根据这个解调器的特性，可以计算干扰信号是如何以相应的方式进行调制而对接收进行干扰的，由此得到对灵敏度恶化的估计。

这个过程的先决条件是，如下所述，例如一个链路终端的无线电设备的接收机能够以足够的精确度测量接近于噪声强度级别的噪声和干扰之类的信号。

在根据本发明的无线电设备中，测量信号输入强度级别的办法-和现有技术的一般的办法相似-根据从这个解调器得到的控制信息，自动调整一个装配在这个接收机中的放大器或衰减器，使到达这个解调器的信号强度级别标准化。这个被接收的信号功率可以根据特有的校准数据从放大器(或衰减器)的控制信号计算得到。

图2说明本发明必需的装配在这个链路终端的接收机中的测量装置。被天线ANT接收的信号通过一个输入放大级21送往一个混频器22，在这里由一个本机振荡器LO的信号把输入的信号以已知方式转换到一个较低的频率。经过滤波级23的滤波后，信号被送往上述自动调整的放大器24，该放大器24的输出端连接到一个解调器25。使控制环路CL的控制电压V_AGC构成上述的控制信号，通过该控制信号放大器24的输出的信号强度级别基本上保持恒定。

这个放大器的输出信号被送往解调器25，从该处解调后的信号S送往一个积分器26。这个积分器的参考电压用符号REF标记。这个积分器的输出电压依据到达这个积分器的电压是高于或低于上述参考电压而沿着不同的方向变化。从这个积分器得到一个控制电压V_AGC，这个电压通过一个A/D变换器27送往一个配备有存储器28的微处理器29。

按照现有技术的方法，接收机信号功率的测量只有在最低和最高的有用信号强度级别之间的范围内进行。然而，根据本发明的无线电设备，接收机的放大器(或衰减器)的上述控制范围将要比通常的范围更宽，因为将要在有噪声强度级别情况下也对接收机进行特有的校准。不过这些改变只要增加很少的成本就可以做到。此外，根据本发明还要求无线电设备或连接到无线电设备上的附属设备具备进行测量所要求的控制和计算逻辑。在这个例子中，这些逻辑配备在微处理器29中。

根据本发明的方法包含以下步骤。所有的步骤都不是必需的；可选的步骤在相应的编号后面指明。

1.在无线电设备，例如一个链路终端的接收机的开发阶段，由实验为它们确定一个说明阈值功率P_TH按照噪声功率和干扰功率变化的一个函数或数表。在最简单的情况，可以假定干扰是噪声类型，在此情况下可以把噪声和干扰直接地相加在一起。因此函数具有P_TH＝P_N+P_i+X[dB]形式，其中P_N是噪声功率，P_i是干扰功率且X是信噪比，后者通常是接收机为了达到误码率的阈值所必需的。

2.在无线电设备的接收机的生产和/或以后的维修阶段，接收机的输入信号功率的测量电路单独地校准，以消除测量中的误差。这是通过在少数几个不同的功率强度级别上向接收机(图2)送一个输入信号，然后测量积分器在各个输入强度级别时对应的输出信号值来进行的。如以前所指出，供应的功率中至少有一个是很小的，基本上接近噪声强度级别。

图3说明由校准得到的变化曲线。水平轴表示送到接收机的功率，垂直轴表示放大器(24)的控制电压V_AGC。图中共表示出五个校准点，参考点P_N表示这个接收机的热噪声功率，这个热噪声功率是天线噪声和这个接收机内部的热噪声功率的总和。这样，即使这些功率只是在后面的接收机链中产生的，所有的功率都表示为作用在天线耦合器的功率。

根据步骤2的校准按照一个已知的方法进行，只是它是在一个比通常更宽的功率范围内进行。通常只测量图3中的连续的曲线(粗线)标出的范围，也就是超过阈值功率P_TH+P_N的输入功率，但是在根据本发明的校准步骤，还要在输入信号的一个很低的功率强度级别上找一个校准点。建议这时把输入完全切断来进行测量，在这种情况，接收机只测量它本身的噪声强度级别，这个强度级别，例如根据这个接收机在生产阶段测量的噪声系数，是已经相当准确地知道的。(噪声的图表示单位频宽的噪声幅度，因此接收机的频宽就给出了噪声强度级别。)

因此，例如控制电压V_AGC和实际接收机输入强度级别之间的对应关系在步骤2中由线性分段近似得到。这条校准曲线用参考值AL标明，并且如上所述，这条曲线比从前的更宽，伸展到接近噪声功率。

微处理器29把这条曲线存储在存储器(28)中，因此从此可以根据控制电压V_AGC确定输入信号的功率强度级别。换而言之，从此被测量的输入强度级别(相应于以选用的近似精度表示的实际输入强度级别)可以从微处理器得到。

3.在这个无线电设备的生产和/或以后的维修阶段，相应于它的接收机的误码率阈值(即阈值功率值)的输入强度级别的测量结果存储在装配在这个无线电设备中的电子存储器(存储器28)中。这个阈值功率就是在连接被认为切断之前最大的可接受的误码率。图4说明这样的一个测量。发生器40产生一个伪随机比特序列送到一个发射机41中，发射机的输出信号通过一个可调衰减器42连接到一个接收机43。一个误码率计数器44连接到这个接收机上并计算比特误码率，误比特率的数值送到一个微处理器45。这个微处理器根据这些数值调整衰减器42的衰减量。

由衰减器42的调整可以精确地得到相应于误码率阈值的一个功率数值，或另一方面，可以给定少数一些衰减量，这些衰减量接近要求的误码率阈值，相应于这个误码率阈值的功率强度级别可以根据这些数值计算确定。第一个方法更加精确但是进行得较慢。

在校准步骤(步骤2)中提供的功率强度级别之一最好是尽可能接近相应于接收机的误码率阈值(P_TH+P_N)的功率，因为这个强度级别也在步骤3中应用，因此在校准曲线的这一点上，内插误差将会减少。

在这个无线电系统(例如一个无线电链路)交付之前，这个无线电设备的存储器(28)通常保存校准数据和相应于误码率阈值(图2中用参考号P_TH1标明)的输入强度级别的测量结果。校准数据包含一个相应于热噪声强度级别的输入强度级别的测量结果。

4.当这个无线电系统安装并且投入运行时，实际的衰减容限测量由适当的控制启动。启动测量的命令通常由一个外部系统，例如一个网络管理系统发出。

5.以后，控制和测量部件在这个无线电链路的两端把发射功率断开一段给定的时间。这个测量应当建议在这个无线电链路的两端进行，因为仅是接收机天线安装在不同的物理位置就会产生不同的干扰效果。因为，例如为了在这些链路终端之间建立一个控制信道，一些比特常常从一个传输的帧保存到一个无线电链路上，这个命令可以传输到一个终端，这个终端再通过链路控制信道把该命令传输到这个接力段的另一端的另一个链路终端。

6.如果测量在两端进行，每一端的接收机测量它的输入信号的功率，这个输入信号包括热噪声和可能的干扰(当传输的功率被断开时)。

7.从输入信号测量结果和步骤2中得到的校准噪声功率数值的差别，可以导出误码率阈值恶化了多少。推导的方法是利用是按照步骤1中建立的对应关系。当这个误码率阈值的变化已经知道时，就可以知道在该工作的场合下误码率阈值超过在步骤3中得到的误码率阈值P_TH1的量是所述变化的量。因此在这一步骤中就知道对应于该工作场合下新的阈值功率，这个功率阈值用参考符号P_THNDET标明。

8.(可选步骤)步骤6可以在位于所用的接收信道两侧的信道上重复进行，以检查是否有从那些相邻的信道串话到正在进行测量的信道上的危险。用这样的方法，用户可以知道干扰是产生于现在被测量的信道还是产生于相邻的信道。如果能假定在相邻的信道有和正在进行测量的信道同样的传输，就可以计算出相邻信道对误码率阈值的影响。在这样的情况下，根据这个接收机的详细说明，可以知道相邻信道上的干扰对需要的信道的影响比需要的信道上的干扰造成的影响要少多大的量。应当说明，这一步骤只是向用户提供实际的衰落裕度测量以外的附加信息。

9.以后，再接通发射功率。当发射功率接通时，测量要求的信号的输入强度级别(假如这样的测量在发射功率切断之前还没有测量过)。从测量得到的强度级别减去在步骤7中估计的误码率阈值(P_THNDET)的值，结果给出衰落裕度。

由于加在有效负载信号的噪声和干扰功率与实际的有效负载信号功率相比可以忽略，就没有必要从所测量的需要的信号功率减去噪声和干扰的功率，根据以前的测量已经知道噪声和干扰的功率。即使没有减去这些噪声和干扰功率，实际上这样的测量在所有的情况下都已经足够精确。

在实际的用于输入强度级别的解调器之外，接收机可以装有一个比较器，该比较器将在这一点已经被平均和标准化的信号的幅度与一个极限值相比，如果只接收到噪声和连续的干扰，这个极限值是很难(或永远不能)被超过的。如比较器检查出多次幅度过冲，用户可以提防脉冲状的干扰。在这样的情况，就知道这时衰落裕度的测量给出的结果是不可靠的。这个推荐实施例在下面参照图5...7来说明。

图5说明将解调器的输出信号S连接到上面指出的比较器(COMP)的第一个输入端，就在相应于图2的设备中增加了这个比较器。以参考号REF2标明的参考电压连接到这个比较器的第二个输入端。这个参考电压构成以上的极限值。比较器的输出端连接到一个计数部件CNT，这个部件计算超过参考值的过冲次数。微处理器29按给定的间隔从这个计数部件读出计数的结果。

图6和7说明到达积分器26的信号S(也就是从解调器得到的)的幅度u的几率密度函数p(u)。水平轴表示在取样时间的信号幅度。

图6说明只接收到噪声的情况。在这样的情况，幅度的分布成一个高斯分布。

图7说明脉冲状干扰叠加到噪声中的情况。为了明确说明，图中假定干扰有相当大的幅度，使图中用I标明的干扰影响的部分可以在图中分辨出来。

积分器26的参考电压REF被设定成使得几率P{u≤REF}＝P{u＞REF}＝1/2。图6中将看到，当没有脉冲状干扰时，几率P{u＞REF2}(打上影线的面积)是很小的。另外，如在图7中将看到的那样，当出现脉冲状干扰时，相应的几率就高得多。正如以前所述，例如，微处理器29可以监视参考强度级别被超过多少次，并且当过冲发生太频繁时就给出警告。

参考强度级别的数值(REF2)可用比如微处理器29由软件改变，因此按照图7的一条曲线可以由测量来建立。在每个参考强度级别值测量过冲的发生。换而言之，它由信号在每个参考电压的右侧有多长时间的测量来决定。也可以在若干不同的参考强度级别下进行用比较器COMP进行的幅度比较，因而幅度分布和从而干扰的特征和强度可以根据超过这个参考强度级别的取样次数来决定。这样一种测量只可以在例如严重的扰动或失败的场合才进行，并且这种测量可以在有效负载信号接通或切断时进行。

上述的操作完全可以自动地以这样一种方式运行：在测量启动命令(步骤4)后，计算机打印出一个测量报告来指明衰落裕度的幅度。

如果可以假定干扰基本上表现为连续的并且没有被一个例如很低的脉冲率(例如脉冲调制雷达)所削波，根据本发明的方法是可操作的。这是在实际的情况，特别是在甚高频率工作，因为在这样的频率，实际上没有(旧式的)脉冲调制雷达可以引起干扰。在上述本发明的实施例中，包含一个检测脉冲干扰的比较器(图5)，可以在一定程度上消除这些脉冲的影响，或者至少当脉冲状干扰把测量搞乱时，用户会收到警告。

纵使根据本发明的方法不能达到用一个精确的外部衰减器来测量所达到的测量精确度，它实际上能达到的精确度仍然是完全足够的。

如果采用的天线引起有效负载信号的畸变，就会改变阈值并且造成测量错误。然而在简单的调制方法中这个效应就可以忽略。

虽然在前面用参照附图的一些例子来说明本发明，显然本发明不限于这些例子，而且可以在所附的权利要求书中公开的本发明的思想的范围内改变。本发明并不必须有一个通常的双向点到点的连接，但是同样的原则可以用于例如单向无线电连接和/或多点连接。最低限度，这个系统包含一个发射机和一个接收机(单工点到点连接)。此外，例如这些测量所涉及的计算和控制，除了可以由配备在这个无线电设备的微处理器来进行外，也可以由附属于这个无线电设备的一个计算机或一个网络管理系统的一个计算机来进行。还可以把这些计算和控制分散，使它们在配备在和附属于这个无线电设备和一个例如一个网络管理系统之类的装置中进行。输入强度级别的测量和校准也可以按许多不同的方法实施。根据希望在什么样的精确程度上考虑系统的性质，也可以改变所用的计算公式。接收机输入强度级别的测量可以根据幅度或功率的平均或根据峰值测量进行。同时，以上说明的步骤编号并不是必须与步骤的序列对应，而是这些步骤的顺序可以与上述的不同。

Claims (8)

1.一个测量一个无线电系统中的衰落裕度的方法，这个系统包含至少一个发射机(11a；11b)和至少一个接收机(12b；12a)，在一个工作的场合，发射机和接收机根据这个方法在它们之间建立一个固定的无线电链路，

通过向接收机提供一个在不同的功率强度级别的输入信号并确定输入信号的强度级别和接收机检测到的一个量之间的关系来对接收机进行校准，

这个方法的特征在于

(a)在进行校准中，至少一个所提供的功率强度级别接近接收机的噪声强度级别，

(b)在基本上只有噪声叠加在有效负载信号上的场合，为接收机确定一个被接受信号强度级别的一个阈值(P_TH1)，这个阈值对应于一个预定的误比特率，

(c)在这个无线电系统的一个工作场合中，是在没有有效负载信号的情况下确定到达接收机的信号强度级别，

(d)根据校准数据和在步骤(c)确定的信号强度级别，确定被接受信号强度级别的阈值，这个阈值对应于这个无线电系统在工作场合中的上述预定的误比特率，

(e)根据在这个工作场合中的阈值和在这个无线电系统的这个工作场合中测量的信号强度级别确定衰落裕度。

2.如权利要求1所述的一个方法，其特征在于

-被接收的信号强度级别连续地与一个预定的参考值(REF2)比较，和

-根据比较的结果，确定信号强度级别超过该参考值的频繁程度，

-如果产生过冲事件的频繁程度超过一个预定的值，就给出有脉冲状干扰的警告。

3.如权利要求1所述的一个方法，其特征在于在一个无线电系统中，其中的无线电连接的两端都有接收机，这些接收机是经过校准的，并且在该无线电连接的每一端的接收机上完成步骤(a)-(e)。

4.如权利要求1所述的一个方法，其特征在于步骤(c)在现在测量的信道上进行之外，至少还要在一个相邻的信道上进行。

5.如权利要求1所述的一个方法，其特征在于这个无线电系统交付之前就完成步骤(a)和(b)。

6.一个无线电系统，其中包含

-至少两套无线电设备(A，B)在一起，每套至少包含至少一个发射机(11a；11b)和至少一个接收机(12a；12b)，上述无线电设备在工作场合建立一个在它们之间的固定的无线电连接，和

-测量到达接收机的信号强度级别的测量装置(24-29)，

其特征在于

这些测量装置适宜于测量接近于接收机的噪声强度级别的信号强度级别，和这些系统还包含

-在接收到一个有效负载信号和叠加在有效负载信号中的噪声的场合，说明对应一个预定的误比特率的被接受信号强度级别的阈值是什么的信息(P_TH1)，

-暂时关闭这个无线电设备的发射机的开关装置(15a，15b)，和

-确定装置(29)，适宜于确定

(a)根据上述信息和用该测量装置进行的测量的在该无线电系统的工作场合中的对应一个预定的误比特率的被接受信号强度级别的阈值，和

(b)根据在这个工作场合中的阈值和在这个工作场合中的测量的信号强度级别的这个无线电系统的衰落裕度。

7.如权利要求6所述的一个无线电系统，其特征在于这个确定装置(29)是装配在这个无线电设备(A，B)中。

8.如权利要求6所述的一个无线电系统，其特征在于这个系统还包含

-把接收到的信号强度级别与一个预定的参考值(REF2)进行比较的比较装置(COMP)，和

-对上述比较装置作出响应的报警装置(29)，如果接收的信号强度级别超过这个参考值的频繁程度大于一个预定值，这个装置就发出警告。

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