CN1993901A - 用于降低系统功率消耗的改进型功率控制 - Google Patents

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Abstract

描述在无线网络中对传输进行门控的系统和技术。基于占空比对传输进行门控。又根据在给定增加的发射功率的情况下维持原始应用数据率rinitial的要求，确定占空比。

Description

用于降低系统功率消耗的改进型功率控制
技术领域
本发明总体上涉及无线通信，尤其涉及用于在无线网络中对传输进行门控(gate)的多种系统和技术。
技术背景
设计用来允许多个用户接入通用公共通信媒体的通信系统可能基于码分多址(CDMA)、时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)、空分多址(SDMA)、极分多址(PDMA)或者本领域中已知的其它调制技术。这些调制技术对从通信系统的多个用户接收的信号进行解调，从而，使得通信系统的容量得到增加。与之相关，建立了多种无线系统，包括先进移动电话业务(AMPS)、全球移动通信系统(GSM)以及某些其它无线系统。
在传统的无线通信中，接入网通常用于支持多个设备的通信。通常使用多个分布在一个地理区域中的固定位置基站实现接入网。通常将地理区域划分为更小的区域，称为小区。每个基站可配置为向各自小区中的设备提供服务。当在不同的蜂窝区域中存在变化的流量要求时，可能不能简单地对接入网进行重新配置。
与传统的接入网相反，自组网是动态的。当多个通常称为终端的无线通信设备联合起来形成网络时，可形成自组网。自组网中的终端可以作为主机或者路由器工作。从而，自组网易于进行重新配置，以更有效的方式满足现有的流量要求。而且，自组网不需要传统接入网所需要的基础架构，使得自组网成为用于未来的具有吸引力的选择。
在传统的CDMA通信系统中，用户台可通过一个或多个基站接入网络，或者与其它的用户台进行通信。用户台也可以称为终端。将每个基站配置为对通常称为小区的一个特定地理区域中的所有用户台提供服务。在某些高流量应用中，可将小区划分为扇区，每个扇区中有一个基站提供服务。每个基站发射导频信号，用户台使用导频信号与基站进行同步，以及，一旦用户台与基站同步就提供所发射信号的相干解调。用户台通常与具有最强导频信号的基站建立通信信道。
用户台对所接收的前向链路信号计算信号噪声与干扰比C/I。前向链路表示从基站到用户台的传输，反向链路表示从用户台到基站的传输。用户台的C/I确定对于从基站到用户台的前向链路可以支持的数据率。这就是，在相应的C/I等级上，获得给定等级的前向链路性能。一种用于选择数据率的方法和装置在2003年6月3日发表的名称为“METHOD AND APPARATUS FOR HIGH RATE PACKETTRANSMISSION(用于高速率分组传输的方法和装置)”的美国专利号6,574,211中进行说明，其被转让给本发明的受让人。
基站向用户台发射数据的功率称为前向链路发射功率。前向链路发射功率处于可靠地在前向链路上传输数据所需的等级上。相同地，用户台向基站发射数据的功率称为反向链路发射功率。反向链路发射功率处于可靠地在反向链路上传输数据所需的等级上。
对于每个用户台的干扰随着进行发射的用户台数量的增加而增加。从而，希望控制用户台发射功率，以避免与其它用户台通信的有害干扰。
超宽带(UWB)是可使用自组网实现的通信技术的一个实例。UWB提供宽带宽上的高速通信。同时，UWB信号在消耗极少功率的超短脉冲中进行传输。UWB信号的输出功率很低，使得，其看起来就像是对其它RF技术的噪声，使其较少造成干扰。
在自组网中，动态地添加终端。随着添加越来越多的终端，每个通信的终端对于正在与其进行通信的终端之外的其它终端产生更多的干扰。从而，希望控制终端发射功率，以避免对其它终端通信的有害干扰。
需要一种控制传输的系统和方法，不仅降低通信系统中的干扰，而且降低通信系统中的功率消耗。
发明内容
在本发明的一个方面，一种功率控制方法包括：使发射功率增加一个发射功率增量，基于增加的发射功率和系统性能确定最终的物理层数据率rfinal，基于在给定最终物理层数据率rfinal的情况下保持原始应用数据率来确定占空比，以及基于占空比对无线传输进行门控。
在本发明的另一方面，一种无线终端包括：用于使发射功率增加一个发射功率增量的装置，用于基于增加的发射功率和系统性能确定最终的物理层数据率rfinal的装置，用于基于在给定最终物理层数据率rfinal的情况下保持原始应用数据率来确定占空比的装置，以及用于基于占空比对无线传输进行门控的装置。
在本发明的另一方面，一种无线终端包括：接收机，用于检测信号干扰噪声比(SINR)，处理器，用于基于在给定SINR与发射功率增量的情况下保持原始应用数据率来确定占空比，处理器与接收机相连，以及发射机，用于基于占空比对无线传输进行门控，发射机与基带处理器相连。
在本发明的另一方面，包含可由计算机程序执行的程序指令的计算机可读介质，所述计算机可读媒体包括：用于使发射功率增加一个发射功率增量的计算机可读程序代码模块，用于基于增加的发射功率和系统性能确定最终的物理层数据率rfinal的计算机可读程序代码模块，用于基于在给定最终物理层数据率rfinal的情况下保持原始应用数据率来确定占空比的计算机可读程序代码模块，以及用于基于占空比对无线传输进行门控的计算机可读程序代码模块。
本领域中熟练的技术人员可从下列详细描述了解到本发明的其它实施方式，其中，通过说明的方式表示和描述本发明的多个实施方式。如所实现的，在不偏离本发明原理和范围的前提下，本发明能够具有其它不同的实施方式，并且能够在多个其它方面对其多个细节进行修正。因此，附图和详细描述作为说明而非进行限制。
附图说明
通过实例而非限制的方式，在附图中说明本发明的各个方面，其中：
图1是说明一个微网实例的概念图；
图2是说明用于控制微网内通信的媒体接入控制(MAC)帧实例的概念图；
图3是说明能够在微网内运行的终端实例的功能框图；
图4是说明能够作为微网的主终端运行的终端实例的概念框图；
图5是说明能够作为微网的成员终端运行的终端实例的概念框图；
图6表示依照一个实施方式的示例性连续通信以及示例性的门控传输；以及
图7表示依照一个实施方式的作为信号干扰噪声比(SINR)函数的数据率图。
具体实施方式
下列结合附图所述的详细描述旨在作为对本发明各种实施方式的描述，并不旨在代表可实现本发明的仅有的几种实施方式。在本说明中描述的每个实施方式仅仅作为本发明的一个实例或者说明，不应当被认为优于其它实施方式。详细描述包括具体的细节，用于提供对本发明的全面理解。但是，本领域中熟练的技术人员显然可了解到，可在没有这些具体细节的前提下实现本发明。在某些情况下，以框图的形式表示众所周知的结构和设备，以避免本发明的概念晦涩不清。缩写词和其它描述性术语的使用可能只是因为方便和清晰，而并不旨在限制本发明的范围。
术语“示例性的”在这里专用于表示“作为一个例子、实例或者说明”。在这里描述为“示例性的”的任何实施方式不必被认为是优于其它实施方式。
在下列的详细描述中，在UWB无线通信系统的上下文中描述本发明的各个方面。虽然这些发明方面可能极适用于本申请，但是，本领域中的熟练人员将了解到，这些发明方面同样适于在包括传统无线通信的多种其它通信环境中使用。因此，了解到这些发明方面具有广泛的应用范围，对UWB通信系统的任何引用仅仅旨在说明各个发明方面。
图1说明无线通信系统中微网网络拓扑的一个实例。“微网”是以自组方式使用无线技术连接的通信设备或者终端的集合。终端可能是固定的或者移动的，例如，由走路或者汽车、飞机、轮船等等中的用户所携带的终端。术语“终端”旨在包括多种类型的通信设备，包括蜂窝电话、PC、无线或者陆上电话、个人数据助理(PDA)、膝上型计算机、外部或内部调制解调器、PC卡或者其它相似的设备。
在无线通信系统的至少一个实施方式中，每个微网具有一个主终端和多个隶属于主终端的成员终端。在图1中，所示微网102具有主终端104，支持多个成员终端106之间的通信。主终端104可能能够与微网中的每个成员终端106通信。成员终端106还可能能够在主终端104的控制下彼此直接通信。如下面更详细的描述中所示，微网102中的每个成员终端106还可能能够直接与微网外部的终端通信。
主终端104可使用任何多址接入方案，例如，TDMA、FDMA、CDMA或者任何其它多址接入方案，与成员终端106通信。为了说明本发明的多个方面，将在使用TDMA和CDMA技术的混合多址接入方案的上下文中，对图1中所示的无线通信系统进行描述。本领域中熟练的技术人员将了解到，本发明决不限制于这些多址接入方案。
可以多种方式形成微网。例如，当终端最初开机时，其可能搜索来自微网主终端的导频信号。从每个微网主终端广播的导频信号可能是未调制的扩频信号，或者是某些其它参考信号。在扩频通信配置中，对于每个微网主终端唯一的伪随机噪声(PN)码可用于对导频信号进行扩频。使用相关过程，终端可在可能的PN码中搜索，以识别具有最强导频信号的主终端。如果所接收的最强导频信号具有足够的信号强度以支持最小数据率，则终端可试图通过向主终端登记，加入微网。
终端可能找不到导频信号，这是因为，不存在主终端。在某些情况下，终端可能不能够找到具有足够信号强度以支持最小数据率的导频信号。这可能源于多个原因。例如，终端可能离主终端太远。或者，传播环境可能不足以支持必要的数据率。无论怎样，终端可能不能够加入现有的微网，因此，可通过传送其自身的导频信号，开始作为独立的终端运行。独立的终端可能成为一个新微网的主终端。能够接收从独立终端广播的具有足够强度的导频信号的其它终端可能试图捕获那个导频信号，并且加入这个独立终端的微网。
主终端104可使用周期性帧结构来进行微网内的通信。在本领域中，这个帧通常被称为媒体接入控制(MAC)帧，这是因为，其用于为多个终端提供对通信媒体的接入。本领域中熟练的技术人员将了解到，基于特定应用和整体设计限制，帧可能具有任何持续时间。
为了进行说明，将使用大约5ms的帧持续时间。大约5ms的帧适宜提供约650Mcps的高码片速率以及支持下至约19.2kbps的数据率。
图2中所示的一个MAC帧结构实例具有n个帧202。每个帧可划分为160个或者任何其它数量的时隙204。时隙持续时间可能是约31.25μs，其对应于约650Mcps的约20,312.5个码片。帧的某些时隙可专用于系统开销。例如，帧202中的第一时隙206可用于向成员终端广播扩频导频信号。导频信号可占用整个时隙206，或者，与控制信道进行时间共享。占用第一时隙206结尾的控制信道可能是以与导频信号相同功率等级向所有成员终端广播的扩频信号。主终端可使用这个控制信道，以定义MAC帧的组成。
主终端可能负责对微网内通信进行调度。这可通过使用一个或多个占用帧内多个时隙，例如，图2中的时隙208和210的附加的扩频控制信道来实现。这些附加的控制信道可能由主终端向所有成员终端广播，并且包括各种调度信息。调度信息可包括对于微网内终端之间通信的时隙分配。如图2所示，这些时隙可选择自帧202中的数据时隙部分212。也可包括附加信息，例如，对于终端之间每个通信的功率等级和数据率。主终端也可使用CDMA方案将任何给定时隙中的传输机会分配给任意数量的终端对。在这种情况下，调度信息还可指定用于终端之间的各个通信的扩频码。
主终端可周期性地预留一部分时间，用于点对点传输。在这个时间期间，主终端104可指定一个成员终端106与一个或多个独立终端和/或相邻微网进行通信。这些传输可能需要高发射功率，而且在某些情况下，可以仅仅维持在低数据率。如果需要高功率传输以与独立终端和/或相邻微网进行通信，则主终端可能决定不在同时调度任何微网内通信。
图3是说明终端的一种可能配置的概念框图。本领域中熟练的技术人员将了解到，终端的具体配置可根据特定应用和整体设计限制而不同。
终端可使用与天线304相连的前端收发机302实现。基带处理器306可与收发机302相连。基带处理器306可使用基于软件的架构或者任何其它类型的架构实现。微处理器可作为一个平台使用，以运行提供运行控制和整体系统管理功能以允许终端作为微网中的主终端或者成员终端运行的软件程序。数字信号处理器(DSP)可使用运行专用算法以降低微处理器处理需求的嵌入式通信软件层实现。DSP可用于提供多种信号处理功能，例如，导频信号捕获、时间同步、频率跟踪、扩频处理、调制和解调功能以及前向纠错。
终端还可包括多个用户接口308，与基带处理器306相连。用户接口可包括小键盘、鼠标、接触屏、显示器、振铃器、震动器、音频扬声器、扩音器、相机和/或其它输入/输出设备。
图4是说明作为主终端运行的一个终端实例的概念框图。示出了基带处理器306和收发机302。收发机302可包括接收机402。接收机402可提供在具有噪声和干扰的情况下对所需信号的检测。接收机402可用于抽取所需信号，并且将其放大至一个等级，使得包含在所接收信号中的信息可由基带处理器306进行处理。
收发机302还包括发射机404。发射机404可用于将来自基带处理器306的信息调制在载频上。可将已调制载波上变换到RF频率，并且放大至足够的功率等级，以通过天线304辐射到自由空间中。
基带处理器306可在作为主终端工作时启动调度器406。在基带处理器306的基于软件的实现方式中，调度器406可能是运行于微处理器上的软件程序。但是，本领域中熟练的技术人员将了解到，调度器406并不限于这个实施方式，并且可由本领域中已知的任何方式实现，包括能够执行在这里所述的各种功能的硬件配置、软件配置或者其组合。
调度器406可用于对微网内通信进行调度，其方式使得对微网的容量进行最优化。这可通过多种方式实现。例如，调度器406可用于谨慎选择将进行同时通信的终端对。可对每个同时通信调度发射功率等级，其满足每个接收终端的目标质量参数。目标质量参数可能是接收终端所需的载波-干扰(C/I)比或者本领域中已知的任何其它质量参数。
图5是说明作为成员终端运行的一个终端实例的概念框图。调度器406用虚线示出，说明在作为成员终端运行期间基带处理器306没有启动调度器。无论基带处理器306作为主终端还是成员终端运行，收发机302的配置相同，因此，不再进一步讨论。为了完整，在图5中示出了收发机302。
如同先前结合配置为主终端的基带处理器306的描述，可在一个或多个控制信道中向微网中的所有成员终端广播调度分配。接收端的信号处理器412可使用扩频处理，以从控制信道中抽取调度信息，并且将其提供给控制器418。调度信息可包括对去往以及来自成员终端的多个传输的时隙分配，以及对于每个传输的功率等级和数据率。
控制器418可用于向接收端的信号处理器412提供关于发送到成员终端的调度传输的数据率和扩频信息。使用该信息，信号处理器412可在适当的时间恢复来自其它成员终端的通信，并且向各用户接口308提供恢复的通信。
控制器418还可向计算模块408提供功率等级信息，用于来自另一个终端的每个传输。计算模块408可使用该信息，以通过使用所调度传输期间来自收发机302的信号强度测量，计算来自发射终端的路径损失。计算模块408所计算的路径损失信息可存储在存储器410中，并且在调度时间期间提供给发射端的信号处理器416，以用于控制信道广播。在使用GPS接收机(未示出)的终端的多个实施方式中，其可用于在通过信号处理器416和收发机302的控制信道广播中向主终端提供坐标信息。
信号处理器416可用于对到微网内多个成员终端的通信进行扩展。通信可能源自多个用户接口308，并且存储在缓冲器420中，直至调度传输。在调度时间，控制器418可用于将通信从缓冲器420释放到信号处理器416，用于进行扩频处理。通信的数据率、扩频码以及发射功率等级可由控制器418编程到信号处理器416中。或者，发射功率等级可由收发机302中发射机404的控制器418进行编程。
在一个实施方式中，终端A和终端B之间的通信是双向的。当终端A向终端B发送反馈信号之外的信号时，终端A是发射终端，终端B是接收终端。当终端B向终端A发送反馈信号之外的信号时，终端B是发射终端，终端A是接收终端。
断续传输
通常可应用于所有调制系统的机制是使用断续传输，无论CMDA、OFDM或者任何其它调制方法。断续传输表示发射机发射是被门控的。在一个实施方式中，发射机将使用某个占空比进行发射或者关闭。图6表示依照一个实施方式的示例性连续发射20以及示例性门控发射22。门控信号包括一个发射时间段以及随后的一个未发射时间段。
在下面描述一种方法，通过使用高于获得所需数据率所需的发射功率来降低系统功率消耗。在发射时间期间，发射机使发射功率增加一个选择量，并且使用增加的发射功率所允许的较高物理层数据率。选择占空比，以维持原始的期望应用层数据率。
在一个实施方式中，发射功率增加0.5dB。在另一个实施方式中，增加发射功率，使得，允许下一个较高的物理层数据率。本领域中熟练的技术人员将了解到，发射功率增量(也就是，发射功率增加量)取决于应用，本领域中已知的方法和技术可以用于确定发射功率增量。
依照一个实施方式，功率消耗的降低可通过下列所示实例获得。例如，假设接收和发射功率分别是常量R和T，与数据率无关。当所辐射的发射功率是整个发射功率消耗的一小部分时，可将发射功率看作是一个常数T。初始功率是接收和发射功率的总和：
Pinitial＝R+T
引入具有占空比d＜1的断续发射功率，断续发射功率的计算如下所示：
Pintermittent＝d*R+d*T＝d*Pinitial
断续传输的功率消耗的降低依赖于占空比d。根据维持原始应用数据率rinitial的需求，确定占空比d。rinitial也称为初始物理层数据率。
d＝rinitial/rfinal
其中，rfinal是在增强的发射功率等级上所支持的新物理层数据率(也就是，最终的物理层数据率)。依照一个实施方式，给定已经对发射进行门控的发射终端，进一步增加(或者降低)发射功率，则应用数据率a＝dinitial*rinitial＝dfinal*rfinal。
功率消耗的降低依赖于占空比d，d又依赖于SNR以及系统性能。如果终端工作于高的信号干扰噪声比(SINR)范围，SINR＞＞1，则增加发射功率的好处较小。例如，当SNIR＞＞1时发射功率增加3dB，将导致1/2＜＜d＜1，功率消耗的降低很小。相反地，如果终端工作于低的SINR范围，SINR＜＜1，则发射功率增加3dB允许选择d＝0.5，这可以表示高达50％的功率消耗降低。
计算rfinal
rfinal值取决于系统性能，而且，在本发明的任何特定实现方式中，将使用系统性能曲线。但是，如果没有确切的系统性能曲线可用，则基于香农容量的方法可用于确定rfinal。
依照香农容量定律，对于加性高斯白噪声信道(AWGN)的最大无误差数据率c由下列公式给出：
c＝Wlog(1+SINR)
其中，W是信道的带宽，单位为Hz。
实际的数据率r可近似为：
r＝Wlog(1+SINR-L)
其中，L是所有实现损失之和。实际系统性能与理论最佳可获得性能之间的差异是实现损失。
图7表示依照一个实施方式的数据率702作为SINR 704的函数的曲线图。依照一个实施方式，作为SINR函数的数据率的理论最佳可获得性能706表示为曲线706。依照一个实施方式，在考虑到实现损失之后，作为SINR函数的数据率表示为曲线708。
令SINRi和SINRf为初始和最终的SINR值，分别得到数据率ri和rf。则：
rf＝ri*log(1+SINRf-L)/log(1+SINRi-L)
上述公式允许对当SINR从SINRi变化为SINRf时使用的新数据率rf进行估计。
依照一个实施方式的所支持数据率以及解码门限的示例性定义在表1中表示。
                     表1  业务信道参数
  参数                              数据率Kbps
  38.4   76.8   153.6   307.2   307.2   614.4   614.4   1228.8   1228.8   1843.2   2457.6
  门限(dB)   -11.5   -9.7   -6.8   -3.9   -3.8   -0.6   -0.8   1.8   3.7   7.5   9.7
本领域中熟练的技术人员将了解到，所支持的数据率可以有不同的定义，而且在本发明的范围内。本领域中熟练的技术人员还将了解到，可以使用任意数量的所支持数据率以及除表1中所示之外的其它数据率，并且在本发明的范围内。
表1表示依照一个实施方式以1％的分组误差率(PER)解码每个数据率所需的C/I门限。PER＝错误分组个数/正确分组个数。前向链路具有有限的速率集合，对于相继的速率，以当前的1％的分组误差率成功地解码分组所需的门限具有例如差不多3.7dB的间距。如果所估计的C/I大于最高数据率所需要的C/I，则发射终端可以降低发射功率。
结合在这里所述各实施方式描述的多个示意性逻辑块、模块和电路可由通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或者其它可编程逻辑设备、离散门阵列或者晶体管逻辑、离散硬件组件或者设计来执行在这里所述功能的任何组合，来实现或者执行。通用处理器可能是微处理器，或者，处理器可能是任何传统的处理器、控制器、微控制器或者状态机。处理器也可能实现为计算设备的组合，例如，DSP和微处理器、多个微处理器、一个或多个具有DSP核的微处理器的组合或者任何其它这种配置。
结合在这里所述的各实施方式描述的方法或算法可直接实现在硬件、由处理器运行的软件模块、或者这两者的组合中。软件模块可位于RAM存储器、闪存存储器、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动硬盘、CD-ROM或者本领域中已知的任何其它形式的存储介质中。存储介质可与处理器相连，使得，处理器可以从存储介质读取信息以及向其写入信息。或者，存储介质可能与处理器集成在一起。处理器和存储介质可位于ASIC中。ASIC可位于终端等等中。或者，处理器和存储介质可位于终端的离散组件等等中。
所说明各实施方式的前述描述用于使本领域中熟练的技术人员实现或者使用本发明。本领域中熟练的技术人员将了解到这些实施方式的各种修正，而且，在不偏离本发明原理或范围的前提下，在这里定义的一般原理可应用于其它实施方式。从而，本发明并不旨在限于在这里所示的各实施方式，而是依照在这里说明的原理和新颖特性的最广范围。

Claims (8)

1.一种对无线传输进行门控的方法，包括：
使发射功率增加一个发射功率增量；
基于所述增加的发射功率和系统性能确定最终的物理层数据率rfinal；
基于在给定所述最终物理层数据率rfinal的情况下保持原始应用数据率，确定占空比；以及
基于所述占空比对所述无线传输进行门控。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括增加所述发射功率，从而允许下一个更高的物理层数据率。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述占空比基于所述原始应用数据率与所述最终物理层数据率rfinal的比值。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述物理层数据率rfinal基于信号干扰噪声比(SINR)。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述物理层数据率rfinal进一步基于实现损失。
6.一种无线终端，包括：
用于使发射功率增加一个发射功率增量的装置；
用于基于所述增加的发射功率和系统性能来确定最终的物理层数据率rfinal的装置；
用于基于在给定所述最终物理层数据率rfinal的情况下保持原始应用数据率，来确定占空比的装置；以及
用于基于所述占空比对所述无线传输进行门控的装置。
7.一种无线终端，包括：
接收机，用于检测信号干扰噪声比(SINR)；
处理器，用于基于在给定所述SINR与发射功率增量的情况下保持原始应用数据率，来确定占空比，所述处理器与所述接收机相连；以及
发射机，用于基于所述占空比对所述无线传输进行门控，所述发射机与所述基带处理器相连。
8.一种计算机可读介质，包含可由计算机程序执行的程序指令，所述计算机可读介质包括：
用于使发射功率增加一个发射功率增量的计算机可读程序代码模块；
用于基于所述增加的发射功率和系统性能确定最终的物理层数据率rfinal的计算机可读程序代码模块；
用于基于在给定所述最终物理层数据率rfinal的情况下保持原始应用数据率，来确定占空比的计算机可读程序代码模块；以及
用于基于所述占空比对所述无线传输进行门控的计算机可读程序代码模块。
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