CN1206519A - 电话系统中功率控制的方法和设备 - Google Patents

Abstract

在定长时间帧中的预定时隙内的传输消息的设备和方法中,在呼叫期间,传输的目标功率电平由第二单元设定,第二单元测量接收的消息的功率电平,并发送功率电平控制信号给第一单元,以调节呼叫期间的传输功率电平,此控制信号随测量的功率电平而定,并且其中在呼叫开始时由第一单元发送的消息的功率电平根据前面几次对第二单元的成功呼叫中由第一单元发送的消息的功率电平而设定。

Description

电话系统中功率控制 的方法和设备

本发明涉及控制从第一传输及接收单元到第二传输及接收单元的传输功率，特别是涉及单元是处在固定的位置上的情况。

自动功率控制在GSM移动网络中人所共知并且得到广泛应用，特别是在GSM的05.05和05.08规范中所描述的。在GSM网络中，自动功率控制用于控制从每个移动台传输的功率，并且也可有选择地用于控制从基站传输的功率。在GSM中，自动功率控制用于降低发送的功率电平，移动台用的初始发送功率的指示符从基站作为消息发出，移动台则照此消息执行。

本发明提供一种在第一传输及接收单元和第二传输及接收单元之间在定长时间帧中的预定时隙内传输消息的方法，其中，在呼叫期间，传输的目标功率电平由第二单元设定，第二单元测量接收的消息的功率电平并发送功率电平控制信号给第一单元，以调节呼叫期间的传输功率电平，此控制信号取决于测量的功率电平，并且其中在呼叫开始时由第一单元发送的消息功率电平根据上几次的成功呼叫中由第一单元向第二单元发送的调节好的消息的功率电平而设定。本发明还涉及相应的设备。

最好目标功率电平由第二单元设定，第二单元测量接收的消息的功率电平并发送功率电平控制信号给第一单元，此控制信号取决于测得的功率电平。测量和调节能继续自动地进行，直到由第二单元接收的功率满足目标功率电平，最好是在预定的容限内继续测量。随后如果在第二单元接收的功率有改变，则调节重新起动。

或者，根据前面几次成功呼叫的功率电平的信息，传输功率电平可由第一单元自己设定。对于向第二单元发送呼叫设定请求、系统控制消息和短消息而言，这是特别有用的。

最好，仅在干扰低于预定阈值的条件下才做出功率电平调节以降低传输功率电平。

第一单元最好为基站，第二单元最好为多个用户单元其中之一。用户单元最好处在固定位置，传输最好是利用无线电进行。

接收的消息可以是测试呼叫。这里第一单元是用户单元，测试呼叫不牵涉用户单元的使用者，并且可能进行得足够频繁以保持用户单元的发送功率在最佳电平上。目标功率电平可由第二单元使用测试呼叫来设定。

测试呼叫可以在用户单元可用的任何或全部RF载频上进行。测试呼叫可在网络上用户单元安装时进行。

用户单元可根据传播特性例如所经历的路径损耗来分类。确定是否需要进行功率调节而应用的测试呼叫的频率和/或范围大小可根据给定的分类而选择。

本发明也涉及包括基站和多个用户单元的通信装置，该基站通过在定长时间帧中的预定时隙内发送和接收消息而与各用户单元通信，其中，在呼叫期间，传输的目标功率电平由基站设定，基站测量接收的消息的功率电平并将功率电平控制信号发送给用户单元，以调节呼叫期间的传输功率电平，此控制信号取决于测得的功率电平，并且其中在呼叫开始时由用户单元发送的消息的功率电平根据上一次由该用户单元发送并由基站接收的消息的调节的功率电平而设定。

根据本发明的第二方面，还提供了一种在第一传输及接收单元和第二传输及接收单元之间在定长时间帧中的预定时隙内传输消息的方法，其中第二单元测量接收的消息的功率电平以及确定由于其它第二单元与第一单元通信而造成的干扰电平，所述第二单元由于其它第二单元与第一单元通信而产生干扰，所述第二单元根据测得的功率电平操作以发送功率电平调节信号给第一单元，以增加或减小功率电平，如果在干扰电平被确认是低于预定阈值，则进行功率减小信号的发送和/或功率的减小。

本发明也涉及相应的设备。

第一单元最好是用户单元，第二单元最好是基站。

根据本发明的第二方面，也提供包括基站和多个用户单元的通信装置，该基站与每个用户单元通过在定长时间帧中的预定时隙内发送和接收消息而通信，其中基站测量从用户单元接收的消息的功率电平，并确定由于用户单元与其它的基站通信而产生的干扰电平，如果干扰电平低于预定阈值，则根据接收的消息功率电平减小由所述用户单元发送的消息的功率电平。

现以示例方式并参照附图，将对本发明的优选实施例予以说明，附图中：

图1的示意图说明包括基站(BTE-基站终端设备)和用户单元(NTE-网络终端设备)的系统；

图2的示意图说明了双工链路的帧结构和时序；

图3是进一步说明本系统的示意图；

图4绘出功率电平容限对应时间的示意图形；

图5的图形表示了功率电平检测和调节的一个示例；

图6图示了用户单元的分类；

图7是表示每个均具有基站和用户单元的4个小区的优选网络的一部分的拓朴图。

基本系统

如图1所示，该优选系统是电话系统的一部分，其中从交换机到用户的局部有线环路已由固定基站和固定用户单元之间的全双工无线链路替代。该优选系统包括双工无线链路及用于实施必要的协议的发射机和接收机。该优选系统与本技术领域中所周知的诸如GSM的数字蜂窝移动电话系统有相似之处。该系统采用基于分层模型的协议，具体地说采用一种具有如下层的分层模型：PHY(物理层)、MAC(介质访问控制层)、DLC(数据链路控制层)、NWK(网络层)。

与GSM相比，一个不同之处在于：在该优选系统中，用户单元位于固定位置处，不需要越区切换(hand-off arrangement)和与移动性相关的其它特征。这意味着，例如，在该优选系统中，可采用方向性天线和市电。

该优选系统中的每个基站均设有以从整个频率分配中选出的12个频率运行的6个双工无线链路，从而使附近的基站之间的干扰最小。该双工链路的帧结构和时序示于图2中。每个双工无线链路均包括从用户单元到基站的上行链路，以及具有固定频率偏移的从基站到用户单元的下行链路。下行链路是TDM，而上行链路是TDMA。对所有链路的调制采用π/4-DQPSK，所有链路的基本帧结构是每2560个比特的帧为10个时隙，即每个时隙256个比特。比特率是512kbps。下行链路为连续传输，并设有用于基本系统信息的广播信道。当没有用户信息传输时，下行链路传输继续采用基本帧和时隙结构，并包括适当的充填模式(fill pattern)。

对于上行链路和下行链路传输两者而言，具有两种时隙：普通(normal)时隙，其在呼叫设置之后使用；和导频时隙，其在呼叫设置期间使用。

每个下行链路普通时隙均包括24个比特的同步信息，其后为24个比特的指定的S字段(其包括8比特首标)，再后是160个比特的指定的D字段。这之后是24个比特的前向纠错，和8比特填充符，之后是12个比特的广播信道。该广播信道由一个帧的每个时隙中的多个段组成，各段共同形成由基站传输的下行公共信令信道，该广播信道还包括控制消息、无连接(connectionless)消息和该系统的操作所必需的其他信息，该控制消息包括时隙表(slot lists)等链路信息、多帧和超帧信息。

在呼叫设置期间，每个下行导频时隙均包括频率校正数据和仅具有短S字段而无D字段信息的用于接收机初始化的训练序列。

上行链路时隙基本上包括两种不同类型的数据分组(data packet)。第一种分组，称作导频分组，被例如在设置连接之前用于ALOHA(阿乐哈)呼叫请求，并进行自适应时间校准。数据分组的另一种类型被称作普通(normal)分组，其用于在已经建立呼叫时，并且由于使用自适应时间校准，因此是较大的数据分组。

每个上行链路普通分组包括前后各有4比特持续时间斜坡(ramp)的244个比特的数据分组。该斜坡和256比特时隙的其余比特提供了防护间隔(guardgap)，用于防止由于时序差错而引起的来自相邻(neighbouring)时隙的干扰。每个用户单元调整其时隙传输的时序，以补偿信号到达基站所需的时间。每个上行链路普通数据分组包括24个比特的同步数据，之后为相同数目比特的S字段和D字段，这就象每个下行链路普通时隙的情况一样。

每个上行链路导频时隙均包括导频数据分组，该导频数据分组为192个比特长，前后各有4比特斜坡，该斜坡定义了60个比特的扩展的防护间隔。由于没有可用的时序信息，而如果没有它，则传播延迟引起相邻时隙产生干扰，因此这种更大的防护间隔是必要的。该导频分组包括64个比特的同步，之后为104个比特的S字段，该S字段以8比特首标开始，并以16个比特循环冗余校验、2个保留比特、14个FEC比特、和8个尾部比特结束。这里没有D字段。

上述数据分组中的S字段可用于两种类型的信令。第一种类型为MAC信令(MS)，并被用于基站的MAC层与用户单元的MAC层之间的信令，此时时序是比较重要的。第二种类型称作辅助(associated)信令，其可慢可快，并被用于DLC或NWK层中的基站与用户单元的信令。

D字段是最大数据字段，在普通(normal)电话的情况下包含数字化语音，但还可包含非语音数据样本。

在该优选系统中规定，用户单元鉴别(authentication)采用询问响应协议(challenge response protocol)。通过将语音或数据与由密钥流发生器产生的密码比特的不可预测序列进行组合来进行一般的加密，该密钥发生器被同步到传输的超帧号(super-frame number)。

此外，传输的信号被加扰以去除dc分量。自动功率控制

图3示出基站/用户单元的典型拓朴图。对于所有的MAC信道按以下方式进行自动功率控制。开始建立在MAC层上的呼叫连接时，用户单元以预定的功率开始传输(见后面)。基站接收的功率被测量，同时调整命令被发送给用户单元。用户单元根据基站增加功率的建议改变其发送功率以响应这些命令。在呼叫期间基站测量接收的功率，并发送合适的命令给用户单元。

MAC电平的连接开始时，基站在短周期(0.25秒)上测量接收的从特定用户单元传输的信号强度。给出的测量其精度取决于传播条件，但通常不希望大于如图4所示的最大范围(阈值j)。如果接收信号强度落在此范围(+/-j)之外，则基站命令用户单元改变其传输功率。

随后使用更长的测量周期来更精确地测量平均接收信号强度。如果接收信号强度处在+/-k范围之外，则基站再次命令改变从用户单元传输的功率。第三个测量周期用在整个后继测量过程中，并能够最精确地测量平均接收功率。如果传输功率移出(+/-n)的范围，则基站命令用户单元改变其传输功率。

包括每个上面三个阈值的典型处理过程在图5中予以叙述。这表示了这样一种情况，即，基站接收的信号强度的0.25秒测量是处在(+/-j)范围之外，因此第一个改变功率的命令被发送，用以调整用户单元的传输功率，使得基站接收的信号强度应落在(+/-k)范围而不是(+/-n)范围。如果接收的平均信号强度处在(+/-n)范围之外，则在第三个测量周期以后发出进一步改变功率的命令。确定用户单元传输的初始功率电平

在优选网络中，计算初始传输功率是在用户单元采用前面例如4或5次呼叫的信息进行的。由于在此优选网络中用户单元是固定的，所以这种办法是可行的。本发明的优选实施例中的自动功率控制通过增加及降低用户单元传输的功率而优化功率电平。

在用户单元运行着一些特定过程，用于在呼叫设置请求或系统控制消息初始化时确定要使用的正确功率。这是例如在基站尚未传输任何控制消息之前由用户单元设定的，以调整功率电平。此初始传输功率由用户单元根据以往在特定RF载频上的几次呼叫情况确定。对每个RF载频都存储了初始传输功率，使得用户单元对可能被用到的每个RF载频都能设定不同的传输功率。

在MAC连接有效期间，由用户单元进行周期性的功率测量，以便确定自身的功率设定。它们与从基站接收的传输功率更新信号的速率相同的速率执行。每次功率测量均用以更新传输功率的游动平均值(running mean value)。在MAC连接断开时，当时的游动平均值用以更新由用户单元存储的初始传输功率值。该更新由前面被考虑的MAC连接的次数进行加权。例如，如果用了前面5次呼叫，则每次更新对设定初始传输功率的贡献为其值的1/5。每个RF载波信号都有相应于其而存储的相关初始传输功率值。因此，每次更新也仅影响曾建立MAC连接的RF频率上的信号。根据预期传播特性对用于自动功率控制的范围的控制

用户单元与基站之间的RF传播特性可在很宽的范围改变。一般说来，接收的信号强度变化的标准偏差随路径损耗而增加(而这对距基站的距离的关系不严格)。因而，高路径损耗下的用户单元设备比低路径损耗下的那些表现出更大的信号强度变化。这些在图6中做了说明，图中的用户单元NTE1具有比情况最糟的用户单元NTE2更低的路径损耗变化。(在图6中，S.D.表示路径损耗测量的标准偏差)。在所用的优选功率电平控制处理中，用户单元群根据(i)衰落频率、(ii)衰落深度和信号(iii)信号稳定性而被分成12种可能的路径损耗类型。其中的三种在图6中表示为A，B和C。这种分类用于控制两个特性，即(a)用于确定接收的信号是否具有可接受的强度的会聚阈值(Convergence thresholds)和(b)所需测试呼叫的频繁程度(见下面)。

会聚阈值是前面所说明的±j、k和n的范围。这些范围根据路径损耗类型选取，以使按最高信道稳定性和最小衰落深度操作的用户单元具有比按较低稳定性和较大衰落深度操作的用户单元更严格的容限。使用测试呼叫的自动功率控制

用户单元的初始传输功率使用呼叫历史(history)，即已经介绍过的前面几次成功呼叫的可接受功率电平信息来控制。重要的是，由于呼叫可能过于稀少或信息陈旧不精确，因此用户呼叫不遵从这样的处理。可能有这样一些原因，例如，该用户是使用率低的用户或者用户长时间休假外出。如果长时间没有对用户单元发出呼叫，那么初始传输功率设定就可能超出当前可接受功率的限度。这就可能产生对其它用户单元的不合适的干扰电平，在最坏的情况下，还可能妨碍用户单元与基站的通信。

测试呼叫从基站到每个与基站通信的用户单元。测试呼叫包括使用TDMA方案在基站和用户单元之间的无线传输，但它不涉及与电话交换机的通信，同时也不造成用户单元方面任何实质性的处理活动。例如，在进行测试呼叫期间，用户单元仍能用于进行PSTN呼叫。测试呼叫的长度被选择以能够得到平均接收信息强度的统计学精度(statistically-accurate)的测量值。从而保证对主要的传播情况这种调整使用户单元的传输功率为最佳。

在与用户单元的通信中，基站周期性地发送每个用户单元特有的信息，其RF载频是：

(i)优选的(被称作‘白’信道)

(ii)优选的rf(射频)频率不可用时使用(被称为‘灰’信道)

(iii)不被使用的(称作‘黑’信道)。

每个用户单元存储此信息。

例如如果RF频率被基站附近的网络小区的一个分区(sector)中的用户单元的使用很可能造成来自相邻分区中的用户单元的传输干扰，则这些RF频率被分类为‘黑’，当它们提供低质量但可接受的传播时，这样的RF频率被分类为‘灰’信道。

每个用户单元保持对应于从基站接收的信息的分类载波表(ClassifiedCarrier-List)，指示优选的射频(“白”)、由于其提供差的质量所以仅在没有优选时隙可用时才被使用的频率(“灰”)、以及不能被使用的那些频率(“黑”)。

当用户单元安装时，上面所说的测试呼叫以在分类载波表上标志为白或灰的每个RF载频并按照固定的间隔对每个用户单元进行。这能确保用户单元的初始传输功率是最近更新的，从而降低因RF传播条件而对呼叫没有可用RF载频的风险。

时单个用户单元的测试呼叫的这种重复率根据如上所述应用于具体用户单元的类型分类而确定。例如，受到不良传播条件影响的用户单元承受更频繁的测试呼叫。

测试呼叫调度(scheduling)被这样设计，即，将12个独立的测试呼叫方案(schedule)规定给与被指定该12方案之一的基站通信的每个用户单元。

试图在重复周期中在每个用户单元上以每个RF载频进行至少一次测试呼叫。例如，分类为具有良好传播特性类型的用户单元可被指定为每47小时一测试呼叫的方案，而分类为具有不良传播特性类型的用户单元可能具有每4小时多个测试呼叫的测试呼叫方案。有效功率控制期间的干扰

有两种干扰：同信道干扰和相邻信道干扰，如后所述。图7中示出典型的蜂窝拓扑图。基准小区是包括基站BTE 1的小区。可用频率被分成数个子集，标号为fs1、fs2、fs3。

同信道干扰：包含基站BTE 1和基站BTE 4的小区以相同的频率集进行操作。从用户单元NTE 1至基站BTE 1的传输引起对基站BTE 4的同信道干扰。干扰的准确电平取决于两个小区之间的路径损耗。不过，使来自用户单元NTE 1的传输功率最小化可使出现在基站BTE 4上的上行链路干扰的电平最小。

相邻信道干扰：包含基站BTE 1、BTE 2和BTE 3的小区具有彼此独立的频率集，其分别标号为fs1、fs2和fs3。每个频率集均包括数个所选择的频率，标号为fn，其中n随频率的增大而增大。然而，可用频率集的最佳使用涉及具有出现在该频率集中的相邻频率的基站BTE 1、BTE 2和BTE3(即，如果标号为n的所选择的rf频率被用在基站BTE 1上，则标号为n±1的所选择的rf频率将由基站BTE 2或BTE 3使用)。如果在相邻信道(采用上述标记法为n±1)中由用户单元NTE 1传输的功率没有足够衰减并且用户单元NTE 1与基站BTE 2或基站BTE 3之间的路径损耗较低，则可能出现干扰。通过保证用户单元NTE 1以不超过成功接收的接近最小功率进行传输，可进一步减轻这种效应。

自动功率控制包括在接收基站以预定时间间隔测量接收的用户单元传输的功率电平，以确定所需的功率调整。如果出现干扰，则测量到的功率会增加，导致发送控制信号以降低用户单元的传输功率电平。如果干扰电平低于预定阈值，则这种过补偿可通过测量干扰电平并且仅向下调节传输功率而得以避免。当干扰电平太高时，禁止基站发送功率降低信号。

干扰电平是通过确定相对于接收信号强度的接收信号质量来测量的。依靠监测接收的数据中的误差，尤其是通过比较期望的和接收的前向纠错(FEC)数据或循环冗余校验(CRC)数据，或者借助RMS向量误差估计，可以确定质量，向量误差是期望的符号幅度和相位与接收的符号幅度和相位之差的向量估计。一个时隙中全部符号的向量误差被存储和积分，以提供均方根(RMS)向量误差。RMS向量误差是标量值。

Claims (23)

1.一种在第一传输及接收单元和第二传输及接收单元之间在定长时间帧中的预定时隙内传输消息的方法，其中，在呼叫期间，传输的目标功率电平由第二单元设定，第二单元测量接收的消息的功率电平，并发送功率电平控制信号给第一单元，以调节呼叫期间的传输功率电平，此控制信号取决于测量的功率电平，并且其中在呼叫开始时由第一单元发送的消息功率电平根据上几次对第二单元的成功呼叫中由第一单元发送的调节好的消息功率电平而设定。

2.按照权利要求1所述的传输消息的方法，其中，前面N次呼叫中调节好的功率电平被平均，以提供在呼叫开始时由第一单元发送的消息功率电平，这里N是整数。

3.按照权利要求2所述的传输消息的方法，其中，N为4。

4.按照前述权利要求中的任意一个所述的传输消息的方法，其中测量接收的功率电平的步骤和调节传输功率电平的步骤被重复，直到由第二单元接收的功率满足预定的容限范围内的目标功率电平。

5.按照权利要求4所述的传输消息的方法，其中此后测量自动地继续。

6.按照权利要求5所述的传输消息的方法，其中，如果测量的接收功率的改变超过预定的容限，则重新起动调节。

7.按照权利要求1到6中的任意一个所述的传输消息的方法，其中某些接收的消息是测试呼叫。

8.按照权利要求7所述的传输消息的方法，其中第一单元是用户单元，测试呼叫不涉及用户单元的使用者。

9.按照权利要求7或权利要求8所述的传输消息的方法，其中测试呼叫进行得足够频繁，以保持用户单元的传输功率在最佳电平。

10.按照权利要求7到9中的任意一个所述的传输消息的方法，其中测试呼叫以用户单元可用的任意或全部RF载频进行。

11.按照权利要求7到10中的任意一个所述的传输消息的方法，其中测试呼叫在网络中用户单元安装时进行。

12.按照权利要求7到11中的任意一个所述的传输消息的方法，其中第二单元根据所经历的传播特性被分类，并且用于确定是否需要进行功率调节的测试呼叫的频率依给定的分类而选择。

13.按照权利要求1所述的传输消息的方法，其中，在呼叫开始时，传输功率电平由第一单元根据前面几次成功呼叫的功率电平的信息而设定。

14.按照前述权利要求中的任意一个所述的传输消息的方法，其中如果干扰低于预定阈值，则做出降低传输功率电平的功率电平调节。

15.按照前述权利要求中的任意一个所述的传输消息的方法，其中传输是采用无线电进行的。

16.一种包含第一传输及接收单元和第二传输及接收单元的设备，用于在定长时间帧中的预定时隙内在这些单元之间传输消息，其中，在呼叫期间，传输的目标功率电平由第二单元设定，该第二单元测量接收的消息的功率电平，并发送功率电平控制信号到第一单元，以调节呼叫期间传输的功率电平，此控制信号取决于测量的功率电平，并且其中设有设定装置，用于根据前面几次对第二单元的成功呼叫中由第一单元发送的调节好的消息功率电平，在呼叫开始时设定由第一单元发送的消息的功率电平。

17.按照权利要求16所述的设备，其中第一单元是基站，而第二单元是多个用户单元之一。

18.按照权利要求16或权利要求17所述的设备，其中用户单元处在固定位置。

19.一种包含基站和多个用户单元的通信装置，该基站通过在定长时间帧中的预定时隙内发送和接收消息而与每个用户单元通信，其中，在呼叫期间，传输的目标功率电平由基站设定，基站测量接收的消息的功率电平，并发送功率电平控制信号到用户单元，以调节呼叫期间的传输功率电平，此控制信号取决于测量的功率电平，并且其中在呼叫开始时由用户单元发送的消息的功率电平根据前面由用户单元发送并被基站接收的消息的调节好的功率电平而设定。

20.一种在第一传输及接收单元和第二传输及接收单元之间在定长时间帧中的预定时隙内传输消息的方法，其中第二单元测量接收的消息的功率电平，并确定由于其它第二单元与第一单元通信而造成的干扰电平，所述第二单元根据测量的功率电平来发送功率电平调节信号到第一单元，以增加或减小功率电平，如果干扰电平被确定低于预定阈值，则发送功率减小信号和/或进行功率减小。

21.一种包含第一传输及接收单元和第二传输及接收单元的设备，用于在定长时间帧中的预定时隙内在这些单元之间传输消息，其中第二单元测量接收的消息的功率电平，并确定由于其它第二单元与第一单元通信而造成的干扰电平，所述第二单元根据测量的功率电平来发送功率电平调节信号给第一单元，以增加或减小功率电平，如果干扰电平被确定低于预定阈值，则发送功率减小信号和/或进行功率减小。

22.按照权利要求21所述的设备，其中第一单元是用户单元，而第二单元是基站。

23.一种包含基站和多个用户单元的通信装置，该基站通过在定长时间帧中的预定时隙内发送和接收消息而与每个用户单元通信，其中基站测量从用户单元接收的消息的功率电平，并确定由于其它基站与用户单元通信而产生的干扰电平，如果干扰电平低于预定阈值，则根据接收的消息的功率电平而降低由所述用户单元发送的消息的功率电平。

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