CN1211946C - 用于功率控制模式选择的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

在包含两种或更多种增加发射信号(122)功率的功率控制模式的通信系统(100)内切换功率控制模式的装置和方法。该装置和方法确定通信系统(100)性能是否在额定范围内。如果通信系统(100)性能在额定范围内则选择第一功率控制模式来控制发射机功率。如果通信系统(100)性能不在额定范围内则选择第二功率控制模式来控制发射机功率。

Description

用于功率控制模式选择的装置和方法
发明领域
本发明通常涉及无线通信系统。具体而言，本发明涉及一种用于无线通信设备功率控制的新型改进装置和方法。
背景技术
无线通信网络广泛深入到商务、工业界和个人生活各个方面。因此近年来，便携式手持无线通信设备经历了广泛的发展。对于商务和个人用户来说，诸如蜂窝和个人通信服务(PCS)电话已经是普通的事情。此外，诸如利用便携式手持和移动电话的卫星通信系统之类的先进系统也开始问世。
手持通信设备的一个设计目标是功率消耗低。低功耗减少了产生的热量并延长了电池寿命，从而提高了设备的使用程度。低功耗通常也允许或导致设备尺寸缩小。
在CDMA通信系统中，控制系统内信号的发射功率从而使任何给定通信链路所需的功率维持在最低水平上。这使通信系统总体容量最大并且将互干扰和信号质量维持在可接受的水平。通过将发射信号功率控制在最低水平附近，减小了它与其他通信设备或单元的干扰。在这类通信系统中进行功率控制的技术实例参见：1995年1月1 7日授权的题为“码分多址系统内快速前向链路功率控制”的美国专利NO.5,383,219；1995年3月7日授权的题为“发射机功率控制系统内控制参数的动态修改方法和系统”的美国专利NO.5,3396,516；以及1993年11月30日授权的题为“发射机功率控制系统”的美国专利NO.5,267,262。它们作为参考文献包含在本发明中。
一种降低设备功耗的技术是使发射信号的功率最小。通常在保证信噪比(SNR)不低于可接受水平的前提下尽可能地减小发射信号功率。当SNR低于可接受水平时，提高功率使SNR恢复至可接受水平。
由于对通信所耗用最小功率进行了优化，所以这种办法具有一定的优点。当工作情况不如优化或理想状态时(例如在建筑物内部，在恶劣天气下等)，增加发射功率以维持可接受的SNR和通信质量。
借助某些系统(例如蜂窝或其他无线通信系统)，对无线通信设备(即蜂窝电话)可作远程控制。即，设备与基站收发机之间的部分通信带宽专用于发送命令和状态信息。带宽的命令和状态部分用来调整设备发射信号的功率。当基站接收的通信信号的SNR低于可接受水平时，基站向无线设备发送提高发射功率的命令。同样，如果接受的通信信号的SNR在可接受限度内，基站命令设备减小发射功率。
发明内容
本发明是一种新型改进的对通信设备或系统的功率控制模式进行动态选择的装置和方法。按照本发明，提供了控制发射机功率的两种模式和根据工作条件选择合适模式的技术。
控制功率的两种模式称为“跟踪模式”和“突发模式”。在跟踪模式中，当SNR低于可接受水平时，功率逐渐增大。在突发模式中，当SNR低于可接受水平时功率也增大。但是在突发模式中，功率增加大于跟踪模式下的功率增加。因此跟踪模式最适合于处理SNR在阈值上下作微小的摆动。相反，突发模式最适合于处理SNR明显低于可接受水平的情况，例如当传输路径受到诸如建筑物阻碍时。
根据装置或系统完成两种模式之间的选择。如果系统在额定条件下运行，则功率控制的较佳模式为跟踪模式。但是如果系统性能低于额定范围，则功率控制模式切换至突发模式。
在一个实施例中，系统性能基于发射信号的SNR。具体而言，在该实施例的一个模式下，接收机(收发机)所接收信号的SNR与预设阈值进行比较。当SNR处于或接近阈值时，系统性能处于额定条件下。但是当SNR低于某一水平时，性能低于额定条件。
在另一实施例中，系统性能的确定基于所接收数据中的差错的数目。这可以根据所接收出错的帧数、接收信号的比特误比特率(BER)或者其他错误跟踪技术确定。
本发明的一个优点是减少了从发生信号丢失至随即恢复之间的时间间隔。因为对系统性能进行监视并且由此确定功率增加量，所以保证条件满足的功率增加得更多。因此与功率增加量恒定的情况相比，可以在短得多的时间内使系统性能恢复至额定范围或所需的限度内。
以下结合附图对本发明的特征和优点以及本发明实施例的结构和操作作详细描述。
附图的简要说明
通过以下结合附图的详细描述，可以进一步理解本发明的特征、目标和优点，附图中相同的部分采用相同的标号：
图1为简化的示意性通信系统的示意图；
图2A为利用普通跟踪模式进行功率控制的示意图；
图2B为利用两种功率控制模式进行功率控制的示意图；以及
图3为按照本发明实施例的在两种功率控制模式之间选择的操作流程图。
实施发明的较佳方式
I.本发明概述和讨论
本发明针对向通信设备提供多种模式功率控制的装置和方法。本发明进一步针对根据系统性能确定和选择通信设备功率控制的优化模式。以下描述具体的实施方式。
II.实例环境
在具体描述本发明之前，描述以下可以实施本发明的示意性环境是有益的。就广义而言，本发明可以在任何通信系统内实现，特别是需要控制发射机功率的情况。这种环境包括但不局限于蜂窝通信系统、个人通信系统、卫星通信系统和许多其他已知的系统。
图1为示意性通信系统100的示意图。参见图1，示意性的通信系统包括两个收发机104a和104b。收发机104a和104b的每一个均分别有一个发射机108a和108b以及接收机112a和112b。
数据或其他信息从发射机108(108a，108b)经传输路径122发送至信号目的地的另一收发机104(104b，104a)的接收机112(112b，112a)。在卫星、蜂窝和其他无线通信系统中，传输路径122为空中。但是本发明并不局限于这些应用，并且传输路径122可以是有线或者本领域内已知的其他信号传送介质。
在某些环境下，发送路径122为以数据分组(data packet)来发送数据的分组化数据路径。这通常是信息为数字数据形式的情况。在其它环境下，把模拟数据调制到载波上并通过发送路径122发送。
在蜂窝式通信系统的例子中，一收发机104(104a，104b)可以是或位于手持式或移动蜂窝电话中，而另一收发机104(104b，104a)位于在无线装置或电话的当前区域提供业务的本地小区站点(cell cite)或实际位置处的基站中。在卫星通信系统的例子中，一收发机104(104a，104b)可以是手持式、移动或固定收发机(即，卫星电话)，而另一收发机104(104b，104a)位于网关(gateway)(或地面站网关)中。如本领域内所公知的，在卫星通信系统的例子中，使用卫星(未示出)在收发机104(104b，104a)之间转发信号。或者，在卫星通信系统的例子中，一收发机104可位于卫星上。
就此示例环境描述本发明。就此示例进行描述仅仅是为了方便。本发明不限于在此示例环境中的应用。事实上，在阅读了以下的描述后，如何在远程地控制或可远程地控制无线装置的功率的其它环境中实现本发明将对相关领域内的技术人员变得明显起来。
III.功率控制
按照本发明，有至少两个功率控制模式：“跟踪模式”和“突发(burst)模式”。功率控制的跟踪模式和突发模式在系统性能下降到低于可接受的水平时使得功率增加。然而，在突发模式中，功率增加的数量大于跟踪模式所提供的功率增加的数量。
根据通信链路的系统性能来实现跟踪模式和突发模式之间的选择。具体来说，如果系统性能在预选的规定范围内，则利用跟踪模式。然而，如果系统性能下降到低于此规定范围，则利用功率控制的突发模式。与跟踪模式的情况相比，利用突发模式使系统更快地到达规定范围。
因而，跟踪模式非常适用于在SNR在阈值水平上下有少量改变的规定操作状态下控制功率。相反，突发模式非常适用于在经历大的功率下降的情况下控制功率。这种情况可能是由于例如通信链路被大的建筑物或其它干扰结构或条件所阻挡。
在一个实施例中，系统性能基于发射机(诸如发射机108a或108b)所发送的信号的信噪比(SNR)。在该实施例中，当信噪比(SNR)下降到低于可接受的水平时，跟踪模式使功率有少量增加。当信噪比(SNR)下降到低于可接受的水平时，突发模式也使功率增加。然而，在突发模式中，功率增加的数量大于跟踪模式所提供功率增加的数量。根据SNR下降到可接受水平以下的什么程度来实现两个模式之间的选择。即，根据是否认为通信链路的性能为规定的。在另一实施例中，系统性能不依赖SNR，而是基于接收信号强度。
在另一实施例中，系统性能基于接收到的有误差的帧数。在该实施例中，如果接收机在给定的时间周期内接收到大量有误差的帧或数据(或指定数目的有误差的连续帧)，则选择突发模式来控制功率。另一方面，如果接收机仅偶尔接收到帧误差，则选择跟踪模式。
在一个实施例中，每个模式的功率之间是递增的。即，对于增加功率的给定命令或判断，使功率增加预选的递增量。直到执行再次增加功率的后续命令或判断才再次增加功率。在另一实施例中，对于增加功率的给定命令或判断，使功率逐步增加，直到接收到终止功率增加的后续命令。在任一个实施例中，突发模式都提供比跟踪模式更大的功率增加。即，突发模式在第一实施例中提供了更大的递增功率增加，而在第二实施例中提供更快的增加速率。
图2A是示出仅以跟踪模式控制功率的示例操作方案的图。在图2A中，横轴代表时间，竖轴代表SNR。水平线204示出阈值SNR。随时间变化的线208示出所发送的信号的实际SNR的一个例子。在图2A所示的例子中，装置进行规定的操作，直到时间T1。在此区域中，发射机108的SNR208在SNR阈值204附近有少量改变。以小的增量调节所发送的功率。当SNR208下降到低于阈值204时，功率递增。相反，当SNR208上升到超过阈值204时，功率递减。使用本领域内公知的命令或控制及操作技术来进行功率调节。
在时间T1处，信号遍历(traversing)发送路径122的SNR明显下降。这可能发生在例如路径被阻塞时。在跟踪模式下，使功率递增来提高SNR。然而，由于功率对跟踪模式下的每次递增只稍稍增加，所以在SNR再次达到可接受的水平前要经过很长的时间。这由持续时间ta所示。
图2B是示出以跟踪模式和突发模式选择性地控制功率的示例操作方案的图。如图2A所示，在图2B中，横轴代表时间，竖轴代表SNR。水平线204示出阈值SNR。随时间变化的线208示出所发送的信号的实际SNR的一个例子。在图2B所示的例子中，装置进行规定的操作，直到时间T1。在此区域中，发射机108的SNR208在SNR阈值204附近有少量改变。在此时间周期中，发射机以跟踪模式进行操作，以小的增量调节所发送的功率。当SNR208下降到低于阈值204时，功率递增。
在时间T1处，当发送路径122被阻挡且SNR明显下降时，把发射机功率控制模式切换到突发模式。如上所述，与跟踪模式相比，在突发模式下，功率增加得更多。这样，SNR返回可接受水平所需的时间量tb比跟踪模式下所需的时间ta短得多。在时间T2处，当SNR208达到阈值204时，发射机108切换到跟踪模式。
注意，一般在规定操作状态期间不想要维持突发模式。这是因为SNR的少量减小会导致所发送的功率在突发模式下有大的增加。这样会因过量的发射机功率而使SNR208上升到超过阈值204，并消耗过度的功率。这样浪费了功率，而且在功率有限制或功率影响容量的系统中，这是非常不想要的。还可能在系统试图补偿和返回阈值水平时的某些情况下产生沿每个方向过冲(overshooting)的振荡(oscillatory)情况。
在一个实施例中，由接收机112进行功率控制模式的选择。在该实施例中，接收机112(112a，112b)指令(相对收发机104的)发射机108(108b，108a)在必要时切换功率控制模式。这可以在例如所发送信号的命令部分中进行。在另一实施例中，接收机112把信息返还发射机104，以使发射机104能判断是否切换功率控制模式。例如，在此另一实施例中，接收机112可发送一个或多个指示，诸如帧误差指示、误比特率(bit error rate)值、SNR值或系统的性能是否处于可接受的水平的一些其它指示。
图3是从总体上示出依据本发明的一个实施例确定和选择适当的功率控制模式的过程的操作流程图。在步骤304，接收机112(112a，112b)接收发射机108(108b，108a)所发送的信号。在上述的示例环境下，通过发送路径122来发送信号。
接收机112(112a，112b)确定接收到的信号的SNR208超过、处于还是低于预选的阈值204。这可与通信系统所操作的功率控制模式无关地进行。判断步骤308示出该判断。如果接收到的信号的SNR208超过阈值204，则把功率向下调节，操作返回步骤304，在这里接收机108继续接收所发送的信号。这如步骤310和流程线362所示。
如果SNR208处于阈值204因而不需要调节，则如流程线364所示操作返回步骤304。在一个实施例中，阈值204不是作为单个值实现的，而可包含SNR值的可接收范围。
另一方面，如果SNR208低于阈值，则本发明的操作进到步骤312。在步骤312，接收机112确定SNR208的下降是否超过所需的额定值。换句话说，接收机112确定SNR208是否比阈值204更小于一个可接受的数量并且是否由于SNR208返回阈值204需要更长的时间而不需要跟踪模式。
如果SNR208的下降在额定限度内，则利用或如步骤或方框316所示通过选择跟踪模式控制功率。如果功率控制模式已经是跟踪模式，则发射机108仍然处于跟踪模式。但是如果当前功率控制模式是突发模式，则步骤316表示从突发模式改变为跟踪模式。在步骤320，在跟踪模式运行期间调整发射机功率。接收机112如流程线366、364所示继续接收发射。
如果SNR208的下降超过额定限度，则如步骤或方框326所示将功率控制模式选择为突发模式。如果功率控制模式已经是突发模式，则发射机108仍然处于突发模式。但是如果当前功率控制模式为跟踪模式。则步骤326表示从跟踪模式变为为突发模式。在步骤330，在突发模式运行期间调整发射机功率。接收机112如流程线368所示继续接收发射。
众所周知，对于特定的应用，可以采用另外的阈值和小于阈值的数值。在一个实施例中，阈值204不是单个值而是一个数值范围，只要接收信号的SNR落在该范围内，信号即被视为处于阈值上。
在一个实施例中，步骤308和312内的确定过程不是根据SNR本身而是根据接收的出现一个或更多错误的帧数量作出的。例如，在该实施例的一个模式下，接收机112确定过去接收的X帧中出现错误的帧的数量。在该实例中，如果接收的最近X帧中有超过Y帧出现错误，则它代表差错率在额定范围以外并且较佳的功率控制模式是突发模式。
在该实施例的另一模式中，接收机112确定接收到有多少连续出错的帧。如果接收的连续出错的帧数等于或大于预设界限，则代表差错率在额定范围以外并且较佳的功率控制模式是突发模式。可以利用已知的技术(例如循环冗余校验(CRC)码)确定出错的帧数。
在另一实施例中，本发明注重接收信号的误比特率(BER)。超过阈值的BER类似于SNR208小于阈值204。如果BER超过阈值一个预设的量，则系统不再工作在额定条件下并且较佳的功率控制模式是突发模式。
对于本领域内技术人员显而易见的是，可以将其他参数与本发明结合使用以确定系统是否工作在额定条件下。
在上述实施例中，接收机112确定系统是处于或大于还是小于阈值和系统是否工作在额定条件下。在该实施例中，接收机112(112a，112b)向发射机108(108b，108a)发送命令，指令发射机108在适当的时候改变模式。在另一实施例中，接收机112简单地向发射机108提供遥测数据。该遥测数据向发射机108提供了足够的信息用于确定较佳模式是跟踪模式还是突发模式。
在一种结构中，接收机以比特的形式在报文或命令中提供两个反馈指示符。一个比特用来指示“跟踪模式上升/下降命令”，另一个指示“突发模式发射电平调整”。发射机决定了所实施的动作。发射机根据但不局限于诸如连续出错的帧数之类的因素作出决定。在这种方式中，由于诸如出错之类的重要事件在增加功率控制用带宽的代价下被立即报告给发射机，所以系统的响应时间加快。
在接收机112命令发射机108切换功率控制模式的实施例中，命令可能在传输期间丢失。利用几种不同的技术可以解决这个问题。一种技术是采用确认报文来确认命令的接收。
第二种技术是简单地连续发送命令。例如，如果系统的运行超出了额定范围，则接收机112在每个命令帧期间发送命令在突发模式内跟踪直到系统返回额定工作范围。由于命令被不断重复并且在许多情况下这种重复是不必要的，所以这种技术消耗的带宽超出所需要带宽。为此，这种技术可能是不需要的。
按照另一种技术，功率控制模式是否变化被忽视。即，不作检验以确定发射机108是否根据命令切换功率控制模式。虽然该实施例似乎是违反直觉的，但是实际上是较佳实施例。为理解其中原因，考虑模式切换命令可能被接收机112发送但是没有被发射机108接收的两种情况。在第一种情况下，SNR208急剧减小而接收机112命令发射机108将功率控制模式切换至突发模式。如果发射机108没有接收到该命令，则只出现发射机108继续在跟踪模式下控制功率的不利结果。即它返回额定工作条件耗费的时间超过发射机108接收到命令时的情况。
在第二种情况下，发射机108工作在突发模式下并且信号返回额定范围。如果发射机108没有从接收机112接收到指令改变为跟踪模式的命令，则功率可能增大至比所需的值更大。但是这不是致命的错误，系统仍然可以继续工作。唯一的缺点是功率消耗得比所需的多。
在阅读了上述说明书之后，如何利用功率控制模式之间的选择或者在跟踪模式与突发模式以外增加模式来实现本发明对于本领域内技术人员是显而易见的。例如用来增加和减少返回链路信号的普通命令可以在大步骤内逐渐进行而不考虑模式标号。
IV.结论
以上借助实较佳施例对本发明作了描述，本领域内技术人员可以在不偏离本发明精神的前提下对本发明作出各种修改和改动，因此本发明的精神和实质由下面所附权利要求限定。

Claims (20)

1.一种为工作在通信系统内的发射机从多个功率控制模式中选择一种模式的系统，其中所述通信系统具有提供一个或多个第一功率增量的第一模式和提供一个或多个第二功率增量的第二模式，其特征在于，所述系统包括：
用于确定所述通信系统的性能是否在额定范围内的装置；
如果所述通信系统的性能在额定范围内则选择第一功率控制模式来控制发射机功率的装置；和
如果所述通信系统的性能不在额定范围内则不断地选择第二功率控制模式来控制发射机以使所述通信系统的性能保持在额定范围内的装置；
其中所述第一模式是功率控制跟踪模式，所述第二模式是功率控制突发模式，并且当所述通信系统的性能低于一阈值水平时，所述功率控制突发模式提供了比所述功率控制跟踪模式更大的功率增量。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述通信系统的性能是根据信噪比、帧出错率频率、连续出错帧数和误比特率中的一个或多个来测量的。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述通信系统的性能是根据信噪比来测量的。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，用于确定所述通信系统的性能是否在额定范围内的所述装置包括用于确定发射信号是处于一阈值或是在阈值之上还是在阈值之下的装置。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，用于确定所述通信系统的性能是否在额定范围内的装置包括用于确定所述通信系统的参数是否在一限定范围内的装置。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述参数选自信噪比、帧出错率频率、连续出错帧数和误比特率。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述通信系统的性能是根据信噪比来测量的。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述功率增量是递增的功率增量。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，用于选择第一和第二功率控制模式的所述装置位于发射机处。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，用于选择第一和第二功率控制模式的所述装置位于远离发射机的接收机位置处，并且进一步包括从接收机位置向发射机发射命令以选择所需模式的装置。
11.一种为工作在通信系统内的发射机从多个功率控制模式中选择一种模式的方法，其中所述通信系统具有提供一个或多个第一功率增量的第一模式和提供一个或多个第二功率增量的第二模式，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
确定所述通信系统的性能是否在额定范围内；
如果所述通信系统的性能在额定范围内，则选择第一功率控制模式来控制发射机功率；以及
如果所述通信系统的性能不在额定范围内，则不断地选择第二功率控制模式来控制发射机，以使所述通信系统的性能保持在额定范围内；
其中第一模式是功率控制跟踪模式，第二模式是功率控制突发模式，并且
当所述通信系统的性能低于一阈值水平时，所述功率控制突发模式提供了比所述功率控制跟踪模式更大的功率增量。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述通信系统的性能是根据信噪比、帧出错频率、连续出错帧数和误比特率中的一个或多个来测量的。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，用于确定所述通信系统的性能是否在额定范围内的所述步骤包括用于确定发射信号是处于一阀值上或是在阈值之上还是在阈值之下的步骤。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，用于确定所述通信系统的性能是否在额定范围内的所述步骤包括用于确定所述通信系统的参数是否在一限定范围内的步骤。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述参数选自信噪比、帧出错频率、连续出错帧数和误比特率。
16.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述功率增量是递增的功率增量。
17.如权利要求12所述的方法，其特征在于，用于选择第一和第二功率控制模式的所述步骤是在发射机处完成的。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，用于选择第一和第二功率控制模式的所述步骤是在远离发射机的接收机位置处完成的，并且进一步包括从所述接收机位置向发射机发射命令以选择所需模式的步骤。
19.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述通信系统的性能是根据信噪比来测量的。
20.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述通信系统的性能是根据信噪比来测量的。
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