CN1132578A - 分组通信链路的自动功率控制 - Google Patents

Abstract

在一种无线LAN分组通信系统中，对于每个成功接收的分组信息，通过监控一个A/D转换的RSSI信号可以在目标节点上测量所接收信号的强度，在目标节点上还计算信息包的信号强度与所记录的最小值之间之差值并经链路传送到源节点作为一个量化的差值指示信号。源节点保持着差值指示信号随时间的变化平均值并调整发射机功率电平以使前述平均值在预选链路边界阈值内。另外，也可以计算所要求的源节点功率电平变化并将其发送到源节点。

Description

分组通信链路的自动功率控制

本发明涉及无线电分组通信的方法和系统。对于一个成功的分组通信而言，接收到的信号强度必须有效地掩盖噪声。对于一个给定的源节点和目标节点之间的链路而言，目标节点收到的信号强度依赖于源节点发出的信号强度、节点天线的性能以及节点间传播路径的距离和性质。这样，增加目标节点接收信号强度并由此增加分组通信的成功性的技术就是要增加源节点的发射强度。

但是，增加源节点的发射强度是有缺点的。高发射强度在移动系统中会缩短电池寿命而在固定系统中会增加能量的消耗。如果分组通信链路和其它通信链路或其它业务共享一个频带，高发射功率会给那些通信链路或业务带来更严重的干扰。高发射功率也会因其在更大的范围可能被窃听而降低了保密性。所以，一个可靠的通讯系统应尽可能地用最小发射功率。

有几种方法可以解决在保证链路可靠性的前提下的达到最小源节点发射功率问题。一种技术是在设计链路时计算最小发射功率，并在选择链路的发射设备时选取一个适当的衰减值。在最小发射功率中加入链路边界值，以允许自然发生的变化网络衰减和设备性能的变化。

这种方法有一些问题。链路条件可能随时间改变，天线可能被更换，传播条件和设备性能也可能既有长期的变化又有短期的变化。如果链路中一个或两个的节点可移动，计算一个固定的最小发射功率将不可能。

第二种方法是人工测量链路中每个节点以确定最小发射功率。根据测量结果可以人工确定发射机的衰减。这种方法的缺点是链路条件的任何改变都需要人工重新测量发射机的衰减。

一个较为先进的技术是让目标节点接收器本身作为一个精确的测量装置。接收器通过即时追踪它自己测量的接收信号强度来决定它所需的最小信号。已知链路特性和链路边界值，接收器就能计算出需要的发射机功率并将这个信息传送给链路的另一端，以便发射机能适当地改变发射功率。

这种方法也存在问题，很难设计出既经济可靠又能准确地测量信号强度的接收器，也很难经济地制造和操纵发射器能精确地并且可重复地输出特定强度的信号。要求接收器和发射机在同一单元中测量和调整功率会大大增加设备的成本。

在美国专利No.5,107,225中发表了上述方法的简化改型。其中发明了一种接收器的AGC(自动增益控制)电路。增益控制电压从一个接收到的信号强度的集成定量指示器得到。增益控制电压用于同时调整接收器增益和本机的发射器的输出信号。不需要给链路另一端的发射机发出功率调整数据。

本发明在保持源节点和目标节点间的通信可靠性的前提下，提供一个低成本，技术可行的达到最小发射功率技术。

根据本发明，在无线LAN分组通信系统中，对于每个成功接收到的分组，在目标节点，通过A/D转换rssi(接收信号强度标志)信号可将每个接收到的信号的强度测量出来。在目标节点，可在成功接收到的分组中得到最小发射强度的记录。对于每个成功接收到的分组，目标节点计算出它的信号强度与所记录的最小强度的差值，并通过链路发送到源节点作为一个定量的差值指示信号。源节点随时维持差值指示信号的变化的平均值，并调整发射机功率以使得到的变化的平均值保持在预先选定的链路边界值的阈值电平上。另一种方案，在目标节点可计算所希望的源节点功率值的改变并可将计算结果发送回源节点。

本发明允许采用简单，经济和可靠的接收和发射硬件。目标节点接收机信号强度的测量和源节点发射机功率的设定可以随温度和时间而变化。源节点和目标节点的功率值不需要精确校定。

图1是根据本发明的具有带能量控制单元的源节点和目标节点的网络方框图。

图2是根据本发明一个实施例的目标节点控制器操作的流程图。

图3是根据本发明一个实施例的源节点控制器操作的流程图。

图4是根据本发明另一实施例的目标节点控制器操作的流程图。

图5是根据本发明另一实施例源节点控制器操作流程图。

图6是带有多个源节点和目标节点且在源节点和目标节点之间有多个链路的网络方框图。

图1是本发明分组网络2的方框图，具有源节点4和目标节点6。源节点4有用于发射信息的发射器8，源节点控制器9，源节点控制器存贮器9A，用于接收发射机功率调整信号的接收器10以及天线11。目标节点6具有用于接收信息的接收器12，目标节点控制器13，目标节点控制器存贮器13A，用于发射功率调整信号的发射器14以及天线16。目标节点6和源节点4之间有传播路径18。

在分组网络2的操作中，信息可以在源节点4和目标节点6之间进行通信。源节点发射器8将分组信息加以编码，调制成电磁信号。源节点发射器8按照将这个电磁信号放大到可由源节点控制器9调节的一定功率。源节点天线11将增强的电磁信号通过传播路径18发射到目标节点的天线16。目标节点接收器12将调制的电磁信号恢复为分组信息。

目标节点控制器13和源节点控制器9联合工作使源节点发射机功率减至最小。图2是本发明中的目标节点控制器13操作的流程图。目标节点控制器13监视来自目标节点接收器12的接收信号强度指示(rssi)的模拟量。对每个成功接收到的信息包，目标节点控制器13将模拟的rssi转换为一个信号强度定量指示信号(步骤A)。分组信息的信号强度与目标节点控制器存贮器中的先前记录的最小值相比较(步骤B)。如果分组信息的信号强度低，所记录的最小值被更新(步骤C)。目标节点控制器13用目标节点发射器14向源节点4发射零值来作为最新收到的信息包的功率和记录的最小信号强度的差值指示信号(步骤D)。如果分组信息的强度大于以前记录的最小值，目标节点控制器13计算信息包强度和以前记录的最小值之间的差值(步骤E)，目标节点控制器将这个差值发送给源节点4以作为一个定量的差值指示信号(步骤F)。差值指示信号也作为信息包成功被接收的应答信号。

图3说明了本发明的源节点控制器9的操作流程图。源节点控制器9通过源节点接收器10从目标节点控制器13接收差值指示信号(步骤G)。源节点控制器9在源节点控制器存贮器9A中保存最近收到的差值指示信号的记录，并应用一种平滑变换将它们转化成一个平滑的差值指示信号(步骤H)。另一种可供选择的方式，目标节点控制器13也可作平滑变换。在一个实施例中，平滑变换是一个变化的平均值。源节点控制器9将这个平滑的差值指示信号从预先选定的链路边界值中减去得到一个误差值并将其存入源节点控制器存贮器9A(步骤I)。

如果误差值为正，源节点控制器9根据误差值按照一定比例减少源节点发射器的发射功率(步骤J)。如果平滑后的差值指示信号较小，源节点控制器9根据误差值按照一定比例增加源节点发射器的发射功率(步骤K)。可供选择的另一种方案是，发射机功率电平调整可与误差值不成比例但可从中衍生。

对于没有成功接收的情形，源节点控制器9从目标节点6中未得到应答信号。按以上步骤G-K进行，除了没有收到的差值指示信号将被视为零或负值以减少平滑的差值并由此来增加发射机功率。未成功接收的信息用增加的发射功率重发一次。

这样，源节点控制器9利用从目标节点控制器13发出的差值指示信号以在保证链路边界的前提下使源节点发射功率最小。这种方法有很多优点，由于送出的是差值指示信号而不是一个所要求的源节点发射机功率电平，因此，目标节点控制器6不需要耽心链路的性质。对差值指示信号的平滑处理使得源节点发射器8的发射功率不会因链路条件的瞬时波动而有过大的振荡。网络的操纵员可调节链路边界值以在网络的可靠性和源节点发射功率之间达到满意的选择。

在本发明另一实施例中，目标节点控制器直接计算一个合适的源节点发射功率的变化值并将其发回源节点。图4是这个方法的目标节点控制器的操作流程图。目标节点控制器13监控来自目标节点接收器14的接收信号强度指示(rssi)的模拟值。对于每个成功收到的信号，目标节点控制器13将rssi模拟值转换为一个信号强度定量指示信号(步骤L)。信息包的信号强度和目标节点控制器存贮器13A中先前存贮的最小值相比较(步骤M)，如果信息包的信号强度低，所记录的最小值更新(步骤N)。目标节点控制器13用目标节点发射器14向源节点4发射一个预先选定的链路边界值来作为合适的发射功率电平的改变值(步骤O)。

如果信息的强度大于以前记录的最小值，目标节点控制器13计算出反映信息包强度和以前记录的最小值之间的差值的差值指示信号(步骤P)。应用一种平滑变换将目标节点控制器存贮器13A存贮的一系列这些差值指示信号转化得到一个平滑的差值指示信号，这个平滑的差值指示信号也存贮到目标节点控制器存贮器13A中(步骤Q)。在一个实施例中，平滑变换是一个变化的平均值。目标节点控制器从平滑的差值指示信号中得到一个合适的源节点发射功率电平变化指示信号(步骤R)。在一个实施例中，源节点功率电平改变与平滑差值信号成比例。目标节点控制器改变源节点功率以在预先选定的链路边界值内保持平滑的差值指示信号。源节点发射功率电平变化指示信号由目标节点发射器14发回源节点4(步骤S)。

图5是源节点控制器9响应来自目标节点6的源节点发射功率电平变化指示信号的操作流程图。源节点控制器9通过源节点接收器10从目标节点控制器13接收发射功率电平变化指示信号(步骤T)。源节点控制器9根据旧的功率电平和从目标节点接收的功率电平的改变计算出一个新的源节点发射功率电平。新的发射功率电平存入源节点控制器存贮器(步骤U)。下一个信息包用新的发射功率由源节点发射机发射(步骤V)。源节点控制器检查应答(步骤W)。如果没有应答，源节点发射机功率增加(步骤X)并重新发射信息包(步骤Y)。

在上面对实施例的说明中，对于一个经济型的设备，在目标节点6接收信号强度的测量和在源节点4的发射功率的调节是粗略的并不能精确校正。不管测量和调节精度如何，源节点发射功率都是稳定的。

在一个实施例中，可改变目标节点控制器6以便即使接收器的信号强度测量部分随温度或时间漂移也能保证链路边界被保持。在目标节点控制器存贮器13A中存贮的成功接收到的信号强度最小值指示周期性增加。发给源节点4的差值值减小会使得源节点控制器9增加源节点发射器8的功率。换句话说，减小的差值值会使目标节点控制器13直接指示源节点控制器9增加源节点发射器的功率。

如果所接收的信号强度测量的校准没有漂移，成功接收到的信号强度的最小值向预增加的电平减小以成功的响应更低的功率信号。另一方面，如果收到的信号的测量向增加灵敏度的方向漂移，新的最小值将被保存，这样，不会丢失任何信息而保持链路边界。这样，采用一种经济的、性能可随温度和时间改变的接收信号测量装置就能达到要求而不损失链路边界。

参见图6，它是多个目标节点102和多个源节点104通过多个无线链路106组成的分组网络100。每个目标节点和图1所示的目标节点一样具有一个接收器，一个发射器，一个天线和一个目标节点控制器。每个源节点和图1所示的源节点一样具有一个接收器，一个发射器，一个天线和一个源节点控制器。每个链路连接一个目标节点和一个源节点。每个目标节点通过链路连接到一个或多个源节点。每个源节点通过链路连接到一个或多个目标节点。每个源节点控制器可以独立地对每个连接源节点和目标节点的链路设置发射功率。这样，当源节点通过不同的链路给不同的目标节点发送信息时，对于每个不同的链路都可有不同的输出功率。

除了源节点的发射功率对每个链路而言独立优化外，发射功率的优化和前面描述的两节点网络一样。在给定目标节点从所有源节点成功收到的信息的信号强度的最小值都被保存在该目标节点。每个目标节点对从每个源节点收到的信息如前面所述计算出差值指示信号或功率电平变化指示信号。源节点对于每个经链路和它连接的目标节点设定相应的发射功率。源节点对每个链路调节发射功率以保持在链路边界范围内收到目标节点差值指示信号。这样，源节点发射功率对每个线路都独立优化。

虽然本发明的最佳实施方案是为了说明而公布的，但是只要不偏离在权利要求声明中所公开的本发明的范围和精神，技术上成熟部分的修改、增加和替代也是可以的。

Claims (9)

1.在一个无线分组通信链路中，一种使源节点到目标节点的发射功率最小化的方法，这种方法有以下几个步骤：

对于在目标节点成功接收的分组信息而言，在目标节点得到一个所接收信号的强度的定量指示信号；

从目标节点到源节点发射一个定量的差值指示信号，它是所接收的信号强度的定量指示和先前得到的所接收的信号强度定量指示值的最小值之间的差；此后

重复上述的获得和发射步骤，以在源节点积累一系列所述差值的发射定量指示信号；

使用前述的发射定量指示，在保证传送信息可靠性的前提下，使源节点与目标节点通信的发射能量达到最小。

2.如权利要求1中所说的方法，进一步包括周期地增加所存贮的先前获得的所接收到的信号强度的定量指示的最小值的步骤。

3.如权利要求1方法中所说的方法，其中所说的使用所述发射定量指示的步骤包括以下子步骤：

在源节点将所说的一系列发射定量指示信号应用平滑变换得到一系列平滑的发射定量指示信号；和

改变输出功率，以保持所说的发射定量指示信号在预先确定的阈值上。

4.在无线分组通信链路中，一种最小化源节点到目标节点的发射功率的方法，这种方法有以下几个步骤：

在目标节点获得成功地接收到的分组信息的信号强度的一个定量指示信号；

在目标节点，计算上述所接收信号强度的定量指示信号与所存贮的先前接收的最小信号强度的定量指示信号之差值；

重复上述的获得与计算步骤，在目标节点积累一系列差值；

在目标节点，应用一种平滑变换到所述一系列差值上以得到一个平滑的差值系列；

从目标节点向源节点发射上述平滑的差值系列；

使用所述的平滑的差值系列，在保证传送信息可靠性的前提下，调节发射功率，使源节点与目标节点之间通信的发射能量达到最小。

5.如权利要求4所说的方法，进一步包括周期性增加所存贮的信号强度定量指示的最小值的步骤。

6.如权利要求4所说的方法，其中所说的使用所说的平滑的差值系列的步骤包含以下子步骤：

改变输出功率，以保持所说的平滑的差值系列在预先确定的阈值上。

7.在带有源节点的无线分组通信链路中的一种目标节点，包括：

接收器，可得到来自所述目标节点的成功被接收的分组信息的信号强度的一系列定量指示信号；

存贮器，存贮先前获得的所接收信号强度的定量指示的最小值；

控制器，得到一系列前述的信号强度定量指示和最小值的差值并从所说的差值系列中得到源节点发射控制值系列；

发射器，向源节点发射前述的发射控制值系列以在保证链路可靠性的前提下使源节点的发射功率达到最小。

8.权利要求7中的目标节点，其中所说的控制器将前述差值系列应用平滑变换变换为源节点控制值系列。

9.在带有目标节点的无线分组通信链路中的源节点，包括：

发射器，用可调的功率向目标节点发射信息；

接收器，接收一组差值指示信号，这些信号是目标节点对成功收到的信息的信号强度与所存贮的先前成功收到的信息的信号强度的最小值进行比较而得到的；

控制器，对上述的差值指示信号应用所说的平滑变换得到一组平滑的差值指示，调节输出值，以保持所说的平滑的差值指示在预先确定的阈值上。

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