CN1076906C - 对发射机发射功率与接收机衰减的动态控制 - Google Patents

Abstract

通信系统包括接收机和用于给接收机发射通讯信号的发射机。发射机响应于由接收机发送来的接收机功率控制信号调节其发射功率电平。接收机包括用于衰减所接收的通讯信号的衰减器，以及用于测量所衰减的信号的信号强度的测量装置。测量信号强度加到衰减控制装置和发射功率控制装置。衰减器控制装置和发射控制装置分别调节接收机衰减和发射机功率电平以使系统性能最优化。此最优化可包括使衰减后的信号保持在接收机动态范围以内。此最优化也可包括藉助于调节接收机衰减，产生有效动态范围以用于只接收信号强度电平比干扰信号强度电平高的信号，而且同时增加发射功率电平使接收信号强度电平处于接收机有效动态范围内的方法来消除干扰信号。干扰信号可根据接收通讯信号的增大的误码率来检测。本装置和方法也可应用于有多个接收机通过接收机多路耦合器连接到公共天线的通信系统。

Description

对发射机发射功率与接收机衰减 的动态控制

申请人的发明涉及到包括发射机和接收机的通信系统，更具体地，涉及到藉动态调节发射机功率和接收机衰减的方法使性能最优化的通信系统。

在典型的通信系统，例如，蜂窝电话系统中，接收机设计成能对在给定信号强度范围内的信号起作用，这种信号强度范围称为接收机动态范围。可以接收的最低能被接受的信号强度称为接收机灵敏度。可以接收的最高能被接受的信号强度称为阻塞上限。

在蜂窝电话系统中，基台(BS)和移动台(MS)之间的距离随着移动台在蜂窝区内移动而变动。因此，在大蜂窝区内，接收信号强度的变化可能非常大。有时，这种变化太大，以致于不能藉改变移动台发射功率来补偿它们。在这种蜂窝区内，按照基台与移动台之间的距离改变/变更了接收机的动态范围，也就是由最高和最低的能被接受的接收信号电平所确定的信号电平范围，将是很有用的。

藉助于在天线和接收机之间加装衰减器的方法，可以变更接收机的动态范围。当衰减增加，最低和最高的能被接受的接收信号强度均增加。同样，当衰减降低，接收机动态范围向下变动。衰减对动态范围的影响在图1中得以说明。当衰减置为0分贝(dB)，接收机动态范围101由接收机灵敏度102和阻塞上限103所确定。

若衰减增加到3dB，接收机动态范围改变为由灵敏度105和阻塞上限106所确定的新的动态范围104，这时灵敏度和阻塞上限都比衰减为0dB时的灵敏度和阻塞上限几乎高3dB。同样地，若衰减增加到6dB，灵敏度108和阻塞上限109再次增加，产生新的接收机动态范围107。

在小蜂窝区内，移动台和基台之间的距离可以很小。如果在小蜂窝区的同一地区有大蜂窝区，那么这就导致接收频段中的干扰。这些大蜂窝区可以属于与小蜂窝区同样的网络，也可属于工作在相同频带或相邻频带的另一个网络。对这些干扰的测量可以是数字通信系统的误码率。在模拟系统中，可使用其它的信号特征测量，例如调制的导频音的总失真。

上述的情形在图2中给予详细说明，其中基台B201覆盖蜂窝区202，而基台A203覆盖蜂窝区204。可以看到，蜂窝区204小于蜂窝区202，并确定了处于蜂窝区202之中或靠近区202的地理区域。这样，由于蜂窝区相对于其它区的相对尺寸的不同，蜂窝区202可被称为“宏区”，而蜂窝区204，可称为“微区”。当与“宏区”相连的移动台B205靠近基台A203时，基台A203的接收机会受到移动台B205的干扰。这可以很严重，即使基台A203所使用的射频与基台B201和移动台B205所使用的射频相隔得很远，仍将受到干扰。

如果基台A203装上了以上所述的插入在天线与接收机之间的能动态调节的衰减器，那么就能够增加衰减使接收机所受到的干扰成为可接受的较低值。这是因为接收频带内的干扰至少按衰减器的衰减量被衰减。然而，移动台A206发射给基台A203的想要的信号也被衰减了衰减器数值。这就会造成来自移动台A206的信号对于基台A203接收来说，低到无法接受。

上述问题以及其它问题，可按照申请人的发明，藉助于同时动态控制基台A203的接收机衰减和移动台A206的发射功率的方法得以解决。

一方面，申请人的发明提供了接收发射机通讯信号的接收机，其中所接收的通讯信号可在接收机中被衰减。然后测量该信号的信号强度。接着此被测量的信号强度加到用来控制衰减的装置和用来控制发射功率的装置。衰减控制装置动态地控制了接收信号所要衰减的量。

发射功率控制装置产生功率控制信号传送到发射机。发射机使用所接收到的功率控制信号，调节由发射机发射给接收机的通讯信号的功率电平。衰减控制装置和发射控制装置分别控制接收机衰减和发射功率电平，以便使系统性能最优化。

本发明的另一方面，接收机衰减和发射功率电平被调节成使被衰减的信号保持在接收机的动态范围之内，此特性，例如，对于设计具有较小的动态范围的较便宜的接收机来说，是很有用的，此减小的动态范围可藉适当地调节接收机衰减和发射功率电平加以补偿。

本发明的再一方面，把接收机衰减调节到以使接收机灵敏度电平比起干扰信号电平较高，而同时把发射功率电平调节到以使通过衰减器来的通讯信号仍旧在接收机的动态范围之内。

本发明还有一点是，衰减器可以把具有动态可调增益的天线包括在内。

本发明的又一方面，接收机衰减和发射功率电平的动态调节可应用到有多个接收机并通过多路耦合器连接到公共天线的系统上。在一个实施例中，公用衰减器插入在公共天线和多路耦合器之间。在另一个实施例中，每个接收机也能进一步衰减它所接收到的通讯信号。

本发明的这些方面和其它方面，通过结合附图来阅读下面的说明，将变得很明显，其中：

图1是显示作为衰减的函数的接收机动态范围的示意图；

图2说明了至少部分位于大的移动通信蜂窝区内的小的移动通信蜂窝区的情形；

图3是按照本发明用于动态控制接收机衰减和发射机功率的装置的方框图；

图4是按照本发明的另一个实施例，耦合到同一个天线的几个接收机的方框图；

图5是本发明的另一个实施例的方框图，它在具有多个接收机通过多路耦合器耦合到公共天线的系统中使用分隔的衰减，以及

图6是本发明的一个替换的实施例的方框图，其中天线和可变衰减器组合在一个公用单元中。

现在参考图3，阐述包含本发明的移动通信系统。点划线301右面的方框是在移动台内，点划线301左面的那些方框是在基台内。

基台中由天线(图上未示出)收到的信号输入到可动态调节的衰减器302。从衰减器302输出的信号加到信号强度测量电路303，信号强度测量电路303的输出加到衰减控制电路304的输入端和移动台功率控制电路305。衰减控制电路304连接到衰减器302，以便控制信号衰减量。移动台功率控制电路305利用信号强度测量电路303的输出，以便产生一个传送到移动台功率电路306的信号，该信号在此电路中控制移动台的发射功率电平。在本发明的一个优选实施例中，信号强度测量和功率控制功能是按照欧洲通信标准研究所(ETSI)的移动通信全球系统(GSM)标准制做的，此处引用它们以供参考。具体地，GSM建议05.08在第8.1.2节和第8.1.3节中描述了信号强度测量。第3.2节至第4.7节并结合GSM建议05.05的第4.1节描述了射频(RF)功率控制。衰减控制电路304和移动台功率控制电路305的控制功能将在下面更详细地阐述。

图3中描述的动态控制系统的一个应用是用来补偿当移动台B205在大蜂窝区202中移动时所出现的基台B201(见图2)接收到的变化的信号强度。如果移动台B205的发射功率是固定不变的，那么基台B201接收到的信号强度随着移动台B205与基台B201之间的距离增加而减小。反之，当移动台B205靠近基台B201时，若再次假定移动台B205发射功率不变，则接收信号强度增加。

本发明可对此进行补偿如下。当移动台B205位于蜂窝区202边界附近，移动台功率控制电路305检测到接收信号强度的减小，然后发出信号，命令移动台B205以高功率电平发射。由于在此距离上出现的大的路径损耗，基台201中的接收信号强度可能仍旧很弱，并可能接近接收机灵敏度电平。

当移动台B205朝基台B201方向移动时，基台B201的接收信号强度逐渐加大。这可由移动台功率控制电路305检测到，作为对此的响应是给移动台B205发射一个信号，它使移动台发射功率减小到这样的电平，以便把接收信号电平保持在接收机动态范围内。在某种程度上，当移动台B205朝基台B201方向移动时，移动台B205将以其可能的最低功率电平发射。当移动台B205继续朝基台B201方向移动时，接收信号强度将增加，并且再过一定时间后，信号强度会高于可接受的电平。换句话说，尽管移动台B205以其可能的最低功率电平发射，但移动台接近到基台B201仍会造成接收信号强度超过接收机的阻塞上限。

此问题在本发明中藉助于衰减控制电路304，可得以解决。该电路检测到不能接受的高接收信号强度，并命令衰减器302增加衰减量。然后，可接受的信号强度的上限(也就是阻塞上限)也将增加，藉此消除了高接收信号强度的问题。

由本发明解决的另一个问题是当小蜂窝区204处于大蜂窝区202之中或靠近区202时所发生的上述情形。如以上所解释的，向基台。B201发射信号的移动台B205在基台A203中所造成的干扰可能比移动台A206所发射的想要的信号高。

按照本发明，移动台功率控制电路305检测到高的干扰电平时，这在数字通信系统中是能识别的，例如，信道的误码率增加，控制电路305引起动作如下。衰减控制电路304使衰减器302增加其衰减量，直到干扰信号强度110(见图1)大为减小，尽可能低于接收机灵敏度电平105。然而，所要的载波信号也被此控制动作衰减。为了补偿这一点，移动台功率控制电路305给移动台A206的功率电路306发一个信号，使得移动台A206增加其发射功率，直到所接收的载波信号111(见图1)的信号功率高于接收机灵敏度电平105。这样，接收到的所想要的信号的信号强度被保持为高于灵敏度电平的恒定值，而干扰被压缩了。

在以上说明中，本领域技术熟练者将注意到，移动台功率控制器305会有第一个动作，命令移动台A206增加其发射功率电平，以便随之增加所接收的信号强度，并藉此降低误码率。然后，衰减控制电路304对此作出响应，增加对所接收信号的衰减，把所接收信号强度降回到所想要的电平。

在本发明的另一特征中，在衰减控制电路304控制下的动态衰减与由移动台功率控制电路305所执行的移动台功率控制过程相结合；在此电路中，所接收的信号的信号特征被用来确定发射功率。藉助于将动态衰减控制与这种功率控制相结合的方法，在干扰很低时，可避免对所要信号的不必要的衰减。这就具有能保持移动台发射功率为最小的优点。这对许多移动应用来说是极为重要的。在一个优选实施例中，以所接收的信号的信号特征确定发射功率的方法进行移动台功率控制过程是在以Almgren等人名义在1993年5月14日提交，并转让给本发明的受让人的标题为“无线电系统中用于发射功率调整的方法和装置”中所描述的那种，其全部公开的内容在此引用作为参考。

通常，一个基台可以有几个接收机连接到同一个接收天线。在这种情形下，衰减必须依次分隔开。对解决此问题的本发明的另一个实施例，现在参考图4和图5来加以描述。

在图4中，显示了多个接收机403藉接收机多路耦合器402连接到单个天线401。接收机多路耦合器402是一宽带放大器，它接收宽带信号并有多个窄带信号输出。每个接收机403可以包含上述的参考图3的本发明。然而，接收机多路耦合器402本身可能被从天线401输入的强信号所阻塞。在这种情况下，显然，在各个接收机403中的任何衰减都将无法消除这种阻塞。为避免这一问题，接收机多路耦合器402可设计成比单个接收机403具有更高的阻塞上限。

对接收机多路耦合器402的阻塞问题的另一个解决方法示于图5。此处，衰减是分隔开的，以便达到对于在接收机多路耦合器402之前和之后的衰减作出的最佳选择。

N个接收机中的一个503示于图5。虽然以下描述只是对单个接收机503所进行的，但仍应看到，此描述可适用于N个接收机中的每一个。每个接收机503都有上述的参考图3的控制电路。此外，每个接收机503的信号强度测量电路的输出加到基台前端衰减控制电路504的输入端。

由各个接收机503所使用的用来代表衰减量的信号也从接收机的基台衰减控制电路505输出，并被加到基台前端衰减控制电路504的输入端。基台前端衰减控制电路504把这些输入信号与其它接收机503的相应的输入相结合，以确定前端衰减器506所输出的信号的真实信号强度。例如，这些输入到基台前端衰减控制电路504的信号可以简单地加以平均。确定前端衰减器所输出的信号的真实信号强度的其它方法也可以被采用。

然后，基台前端衰减控制电路504藉加到前端衰减器506的输出信号，调节了输入到接收机多路耦合器502的信号强度。此调整将达到这种状况，即在接收机多路耦合器502中避免阻塞的同时，保持前端衰减尽可能地低。可以认识到，为了进行这一调整，基台前端衰减控制电路504也必须有关于接收机多路耦合器502动态范围的信息。包含有接收机多路耦合器502动态范围的信息最好应当预编程在基台前端衰减控制电路504中。

其余的调整可如上面参考图3所描述的那样完成。也就是每个单个基台-移动台链路被调整到形成发射功率与接收信号质量的最佳平衡。

现在参考图6，可看到本发明的替换实施例。该实施例非常类似于图3所示的实施例。两种实施例的差别是，在图6中，可变衰减器由天线/衰减器602所代替，后者是增益可调的天线，例如电调相控阵天线。图6中其余的工作和以上参考图3所描述的相应元件的工作一样，不需要再进一步详细描述。

在天线单元中直接插入可调衰减的优点是，天线本身的所产生的交调(IM)产物被衰减的量大约等于所置衰减量的n次方，其中n是交调产物的阶数。这就使得有可能做出具有非常强有力地对付有上述那些干扰的无线电环境的接收机/天线结构，包括对付高信号强度(导致阻塞)和交调产物。另外，藉设计能对高信号强度和交调产物进行补偿的接收机，可加宽系统余量来改善当存在其它类型干扰时的性能，诸如同信道干扰和传播信道失真。

本发明是参考几种特定实施例来进行描述的。然而，那些本领域技术熟练者将会认识到，本发明也可能以在此处未阐述的方式来实施。这样，本发明的范围并不限于此处所描述的内容，而是由下列权利要求所确定。

Claims (15)

1.在具有接收机的通信系统中使用的一种装置，其接收机接收由发射机发射的通讯信号，发射机包括发射机功率控制装置，用来响应接收的功率控制信号控制发射机所发射的通讯信号功率电平，该装置包括

测量装置，用于根据所接收的通讯信号产生信号强度的测量信号；

衰减装置，用于按照由控制信号所动态确定的衰减量来衰减所接收的通讯信号，从而产生一个经衰减的信号作为输入提供给接收机；

衰减控制装置，连接到测量装置和衰减装置，用信号强度测量信号来产生控制信号，并将控制信号提供给衰减装置；和

第一功率控制装置，连接到测量装置，用信号强度测量信号产生功率控制信号送到发射机，

其中衰减控制装置和第一功率控制装置互相合作，分别动态地控制衰减量和发射机功率电平，以便实质上实现通信系统性能的最优化，

其中衰减控制装置动态地调整衰减量，以产生有效的动态范围，只接收信号强度电平高于干扰信号的信号强度电平的信号，同时第一功率控制装置调整发射机功率电平，使得发射机将产生一个经调解的通信信号，其位于接收机的有效动态范围之内。

2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述衰减控制装置和所述第一功率控制装置对所接收的通讯信号误码率高于预定值作出反应，分别调节衰减量和发射机功率电平，较高的误码率表示存在着干扰信号。

3.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述衰减装置包括天线增益能动态调节的天线。

4.在具有多个接收机且通过接收机多路耦合器连接到公共天线的通信系统中使用的一种装置，其中每个接收机与多个发射机中相应的一个通信，每个发射机包括能响应于所接收的多个功率控制信号之一，来控制发射机所发射的功率电平的发射功率控制装置，所述装置包括：

前端衰减装置，被连接到公共天线上，以接收由多个发射机所发射的通信信号，用于按照由第一控制信号所动态确定的前端衰减量来衰减多个通讯信号，前端衰减装置有一个输出端，用于提供送到接收机多路耦合器的被衰减的多个所接收的通讯信号；

多个辅助设备，每个包括：

一个输入端，用于从接收机多路耦合器接收相应的一个被衰减的接收的通信信号；

第一信号强度测量装置，为相应的一个经衰减的通信信号产生第一信号强度测量信号；和

第一功率控制装置，被连接到第一信号强度测量装置上，以用第一信号强度测量信号产生一个功率控制信号，以传送到相应的一个发射机；和

前端衰减控制装置，连接有一个输入端，以从多个辅助设备中的每一个接收第一信号强度测量信号，和一个连接到前端衰减装置的输出端，利用每个第一信号强度测量信号产生第一控制信号，并将第一控制信号提供给前端衰减装置，

其中多个辅助设备中每一个的前端衰减控制装置和第一功率控制装置，分别动态控制多个发射机中每一个的前端衰减量和发射机功率电平，以实质上最优化通信系统的性能。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述多个辅助设备中每一个的前端衰减控制装置和第一功率控制装置，分别动态控制多个发射机中每一个的前端衰减量和发射机功率电平，以使经衰减的信号在多个接收机中每一个的动态范围之内。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述前端衰减控制装置动态调节接收机前端衰减量，以为多个接收机中每一个产生一个有效的动态范围，以便只接收信号强度电平高于被干扰的信号强度电平的信号，与此同时，每一个辅助设备的第一功率控制装置，动态地控制多个发射机中相应的一个的发射机功率电平，使得多个发射机中相应的一个将产生一个经调节的位于相应的一个接收机的有效动态范围内的通信信号。

7.根据权利要求6所述的装置，多个辅助设备中每一个的前端衰减控制装置和第一功率控制装置，分别控制多个发射机中每一个的前端衰减量和发射机功率电平，以便对接收通信信号中的比特误码率高于预定量作出响应，实质上最优化系统通信性能，较高的比特误码率指示干扰信号的存在。

8.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述前端衰减装置包括一个有动态可调整天线增益的天线。

9.在具有多个通过接收机多路耦合器连接到一个公共天线上的接收机的通信系统中所使用的装置，其中每个接收机和多个发射机中相应的一个通信，每个发射机包括一个发射机功率控制装置，用于对所接收的一个功率控制信号进行响应，以控制发射机功率电平，所述装置包括

前端衰减装置，被连接到公共天线，以接收由多个发射机所发射的通信信号，以将多个通信信号衰减一个由第一控制信号所动态确定的前端衰减量，前端衰减装置有一个输出端，用于将经衰减的多个接收通信信号提供给接收机多路耦合器；

多个辅助接收装置，每个包括：

一个输入端，用于从接收机多路耦合器接收经衰减的多个接收通信信号中相应的一个；

第二衰减装置，用于进一步衰减经衰减的多个接收通信信号中相应的一个另一个衰减量，所述另一个衰减量由一个相应的第二控制信号动态确定，并且输出另一个经衰减的通信信号；

第一信号强度测量装置，用于为另一个经衰减的通信信号产生一个第一信号强度测量信号；和

第一功率控制装置，连接到第一信号强度测量装置上，以用第一信号强度测量信号产生多个功率控制信号之一，以传送给多个发射机中相应的一个；和

第二衰减控制装置，有一个输入端连接到第一信号强度测量装置上，和一个输出端连接到第二衰减装置上，以便用第一信号强度测量信号产生第二控制信号，并将第二控制信号提供给第二衰减装置；和

连接有一个输入端的前端衰减控制装置，以从多个辅助装置中的每一个接收第一信号强度测量信号，和一个连接到前端衰减装置的输出端，以将第一控制信号提供给前端衰减装置，

其中多个辅助装置中每一个的前端衰减控制装置，第一功率控制装置，和多个辅助装置中每一个的第二衰减控制装置，分别动态控制多个发射机中每一个的前端衰减量和发射机功率电平，以及每个辅助装置的第二衰减装置的另一个衰减量，以实质上最优化通信系统的性能。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述多个辅助装置中每一个的前端衰减控制装置，第一功率控制装置，多个辅助装置中每一个的第二衰减控制装置分别动态控制多个发射机中每一个的前端衰减量和发射机功率电平，以及每个辅助装置的第二衰减装置的另一个衰减量，以使每个辅助装置的另一个经衰减的通信信号位于多个接收机中相应的一个的动态范围内。

11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述前端衰减控制装置动态调节接收机前端衰减量，和每个辅助装置的第二衰减控制装置动态调节相应的辅助设备的另一个衰减量，以为多个接收机中每一个产生一个有效的动态范围，以便只接收信号强度电平高于干扰信号强度电平的信号，与此同时，每个辅助装置的第一功率控制装置动态控制，多个发射机中相应的一个的发射机功率电平，使得多个发射机中相应的一个将产生一个经调节的通信信号，所述信号位于相应的一个接收机的有效动态范围内。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述多个辅助装置中每一个的前端衰减控制装置，第二衰减控制装置，以及多个辅助装置中每一个的第一功率控制装置分别控制，前端衰减量，每个辅助装置的第二衰减装置的另一个衰减量，以及多个发射机中每一个的发射机功率电平，以便对接收通信信号的比特误码率高于预定量进行响应，实质上最优化通信系统的性能，较高的比特误码率指示干扰信号的存在。

13.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述前端衰减装置包括一个有动态可调节衰减增益的天线。

14.在有一个接收发射机所发射的通信信号的接收机的通信系统中，发射机包括发射机功率控制装置，响应于接收的功率控制信号，控制发射机发射通信信号的功率电平，接收机包括衰减装置，用于将接收的通信信号衰减一个由控制信号所动态确定的量，一种操作通信系统的方法包括步骤：

测量接收的通信信号的信号强度。

根据测量的信号强度动态调节衰减量；和

根据测量的信号强度产生功率控制信号，并向发射机发送功率控制信号，

其中动态调节衰减量和产生功率控制信号的步骤互相协调，以实质上最优化通信系统的性能，和

其中动态调节衰减量和产生功率控制信号的步骤进一步动态调节接收机衰减，以产生一个有效的动态范围，用于只接收信号强度电平高于干扰信号的信号强度电平的信号，与此同时，调节发射机功率电平，以便产生一个位于接收机的有效动态范围之内的经调节的通信信号。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，响应于接收通信信号的比特误码率高于预定量，动态调节衰减量和产生功率控制信号的步骤被执行，较高的比特误码率表示干扰信号的存在。

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