CN1239611A - 在无线通信环境中使功率溢出最小的全局信道功率控制 - Google Patents

Abstract

一种对经全局信道从一无线基站发送的信号功率进行动态调整以使到达其他通信网孔的溢出最小的系统，该系统监测基站的总发射功率，并根据在基站所测量的基站总发射功率的函数动态调整全局信道发射功率。

Description

在无线通信环境中使功率溢出 最小的全局信道功率控制

一般地说，本发明涉及无线局域环路和蜂窝通信系统。具体地说，本发明涉及一种无线通信系统，该系统对经全局信道从一基站发送的信号的功率进行调整，以使溢出到相邻通信网孔的功率最小。

无线通信系统由于其固有的优点已迅速成为了有线系统的一种可行的替代物。无线系统能够使用户在业务经销商提供的工作范围内自由地移动，甚至在使用同一通信硬件时可以进入其他业务经销商的服务边界。无线通信系统还可以应用在有线系统不能有效实施的地方，并且已经成为一种经济可行的替代物以取代老化的电话线路和过时的电话设备。

无线通信系统的不足之一是可用RF带宽有限。人们一直希望改进这种系统的效率以便增加系统容量和满足不断提出的用户要求。导致无线通信系统整个容量下降的一个因素就是相邻网孔或基站之间的信号功率溢出。当一特定网孔中的基站所发送信号的功率超过该网孔的边界时(或称作工作范围)信号功率溢出发生。这种溢出成为对相邻网孔的干扰并降低了系统的效率。因此，在无线通信系统的设计中，使溢出最小是非常重要的问题之一。

通过对在指定信道上从基站到用户单元发送的信号的功率电平进行调整，使用前向功率控制(FPC)使溢出最小化。所述FPC工作在一个闭合环路中，其中每个用户单元不断地测量其接收的信噪比和向基站发回一个指示，指示该基站应该增加还是减小发送到用户单元的功率。该闭合环路算法参与将来自基站的发送功率电平维持在一个最小的可接受电平上，由此使到达相邻网孔的溢出最小。

然而，FPC不能对用于诸如导频信号、广播信道或寻呼信道的全局信道的功率电平进行调整。因为没有工作在这些信道中的闭合环路算法，所以典型使用的是针对最坏情况的全局信道发送功率电平。该功率电平通常大于大多数用户单元所需的功率电平，因而导致了向相邻网孔的溢出。

人们一直在尝试克服这种溢出问题。美国专利NO.5,267,262(Weatley，III)公开了一种由CDMA蜂窝移动电话系统使用的功率控制系统，其包括一个基站网络，其中每个基站与多个用户单元通信。每个基站发送一个由移动单元使用的导频信号以估计各导频信号的传播损失。作为在一移动单元接收的所有基站发送的信号的组合功率也被测量。该功率电平之和由各移动单元使用以使发射机功率减小到所需的最小功率。每个基站都对从一移动单元接收的信号的强度进行测量，并把该信号强度电平与用于该特定移动单元的一所需信号强度电平进行比较。产生一个功率调整命令并将其发送到由此对其功率进行调整的移动单元。基站的发送功率电平也可以被增加或减少，这取决于网孔的平均噪声情况。例如，一基站可以被设置在一个异乎寻常的噪声位置，并可允许使用比正常发送功率电平高的功率电平。然而，这些并不能动态地执行，也不能根据基站的整个发送功率进行功率校正。

因此，需要一种对从基站发送的全局信道的功率电平进行控制的有效方法。

本发明包括一种系统，该系统对经全局信道从无线基站发送的信号的功率进行动态地调整，以使到达其他通信网孔的功率溢出最小化。该系统对基站的整个发送功率进行监视，并根据在该基站测量的该基站的整个发送功率的一个函数动态地调整全局信道发送功率。

因此，本发明的一个目的是提供一种用于对经全局信道从一基站发送的信号的功率进行动态控制的改进方法和系统，以使对相邻网孔的溢出最小。

在阅读了本发明优选实施例的详细描述后，本发明的其他目的和优点将会变得更清楚。

图1是一个体现本发明的一个通信网络；

图2是一基站与多个用户单元之间的信号传播；

图3是根据本发明构造的一个基站；和

图4是根据本发明动态控制全局信道的发送功率的方法的流程图。

下面将参考附图对优选实施例进行描述，其中相同的数字表示相同的部件。

图1示出了体现本发明的一个通信网络10。该通信网络10通常包括一个或多个基站14，每个基站14与多个固定或移动用户单元16通信。每个用户单元16既可以与最近的基站14通信也可以与提供最强通信信号的基站14通信。基站14还与一个基站控制器20通信。该基站控制器20对基站14之间和基站14与用户单元16之间的通信进行协调。通信网络10可以选择地与一个公共电话交换网(PSTN)22连接，因此，基站控制器20也对基站14与PSTN22之间的通信进行协调。虽然可以提供一条陆地线路，但每个基站14最好经一个无线链路与基站控制器20连接。当一基站14与基站控制器20靠得很近时，陆地线路是特别合适的。

基站控制器20执行几种功能。首先，基站控制器20提供与建立和维持用户单元16、基站14和基站控制器20之间通信相关的全部操作、管理和维护(OA&M)。基站控制器20还在无线通信系统10与PSTN22之间提供一个接口。该接口包括经基站控制器20进出系统10的通信信号的复用和去复用。虽然所示无线通信系统10使用了天线发送RF信号，但是本领域的技术人员应该清楚，可以经微波或卫星上行链路实现通信。此外，基站14的功能可以与基站控制器20的合并形成一个主基站。基站控制器20的物理位置并不是本发明的主要问题。

参考图2，该图示出了在一基站14与多个用户单元16之间建立的一通信信道18中的某些信号的传播。前向信号21从基站14被发送的一用户单元16。反向信号22从用户单元16被发送到基站14。设置在网孔11的最大工作范围30内的所有用户单元16由该基站14提供服务。

参考图3，示出了一个根据本发明构造的基站100。该基站100包括一个RF发射器102，天线104，一个基带信号合并器106和一个全局信道功率控制(GCPC)算法处理器108。基站100还包括分别用于每一信道的多个调制解调器110，用于产生多个被指定信道112和多个全局信道114。每个调制解调器110包括相应的编码发生器，扩展器和其他如本领域技术人员公知的用于确定通信信道的设备。经被指定的信道112和全局信道114的通信由合并器106合并，并通过RF发射器上变换以便发送。每个被指定信道112的功率分别由FPC控制。然而，全局信道114的功率由GCPC处理器108同时和动态地控制。

在RF发射机108对所有信道112，114的总的发射功率进行测量，测量值被输入到GCPC处理器108。如在下面将要详细描述的，GCPC处理器108对所有信道112，114的总的发射功率进行分析和计算全局信道114的所需发射功率电平。最好，在将RF信号输出到天线104之前对该功率电平进行测量。可替换地，该功率电平可以是：1)在合并器106处测量；2)在每个被指定全局信道112，114处被取样并求和；或3)只在利用与基站天线104合设的一分离天线(未示出)发射之后被作为一RF信号接收。本领域的技术人员应该认识到，只要不脱离本发明的精神和范围，任何在基站100对整个发射功率进行监视的方法都可以使用。

在对整个发射功率分析中通过利用几种假设执行全局信道114的功率的动态控制。假设用于被指定信道112的FPC正理想地工作，且发射到每个用户单元16的功率被调整以便所有用户单元16都以一特定的信噪比接收它们的信号。因为改变发射到一特定用户单元16的发射功率影响在其他用户单元16的信噪比，所以对每个指定天线112由FPC进行的发射功率的分析最好被连续地执行。另外，在合适的情况下，可以周期地执行这种分析，以对每个指定天线112的功率进行调整。

在对总的发射功率进行分析之前，必须定义如下几个因子：γ表示在一用户单元16处所需的信噪比；N₀为白噪声功率密度，W为发射带宽，N为处理增益。传播损失是这样的，即如果发射功率为P，一位于距离r的用户单元16的功率电平P_r为：

P_r＝P*β(r)                                   公式(1)

取决于网孔的大小，可以使用不同的传播模式，诸如自由空间传播模式，哈塔(Hata)模式或断点模式。本领域的技术人员应该认识到，根据本发明的技术，可以使用任何根据经验或理论的传播模式。例如，在小网孔中使用自由空间传播模式。在本模式中传播损失为： $\mathrm{\β}\left(r\right)=\frac{\mathrm{\α}}{r^2}$ 公式(2)

其中 $\mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{{\left(4\mathrm{\π}\right)}^2}$ 公式(3)

而λ为载频的波长。因此，如果发射功率为P，则在距离r处看到的功率与该距离的平方成反比。于是，在距离r处看到的功率P_r为： $P_r=P*\frac{\mathrm{\α}}{r^2}$ (由公式1和2)

当FPC在指定信道112上工作时，从基站100向位于距该基站距离为r的一用户单元16发射的功率P_i为： $P_i=\frac{N}{N+\mathrm{\γ}}a\left(r_i\right)+\frac{\mathrm{\γ}}{N+\mathrm{\γ}}{P}_T$ 公式(4)

其中P_T为总发射功率和： $a\left(r_i\right)=\frac{{\mathrm{\γN}}_{0}W}{\mathrm{N\β}\left(r_i\right)}$ 公式(5)

因为全局信道114必须在网孔11的整个工作范围30被充分地接收，所以用于一全局信道114的需用发射功率P_G变为： $P_G=\frac{N}{N+\mathrm{\γ}}a\left(R\right)+\frac{\mathrm{\γ}}{N+\mathrm{\γ}}{P}_T$ 公式(6)

其中R为网孔11的工作范围30。对于任何传播模式可以很容易地计算a(R)的值。因此，P_G等于一个常数加几分之一的总发射功率P_T。因为在基站100对总发射功率P_T进行连续的监视，所以不同于最坏情况下发送它的情况(其与基站100能够发送的最大发射功率P_T相对应)，全局信道发射功率P_G被动态地更新。

例如，对于后面提及的自由空间传播模式，传播损失为： $\mathrm{\β}\left(r\right)=\frac{\mathrm{\α}}{r^2}$ (由公式2)

其中， $\mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{{\left(4\mathrm{\π}\right)}^2}$ (由公式3)

而λ是信号的载频。在该模式中，以距离r_i： $\mathrm{\β}\left(r_i\right)=\frac{\mathrm{\α}}{r_i^2}$ (由公式2)

和 $a\left(r_i\right)=\frac{\mathrm{\γ}{N}_{0}W}{\mathrm{\αN}}{r}_i^2$ (由公式2和5)

用R代替网孔11的工作范围30： $a\left(R\right)=\frac{{\mathrm{\γN}}_{0}W}{\mathrm{\αN}}{R}^2$ (由公式2和5)

我们得到： $P_G=\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}+N}\frac{N_{0}W}{\mathrm{\α}}{R}^2+\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}+N}{P}_T$ (由公式6)

因而，利用自由空间传播模式，由一常数项加一变量给定最佳全局信道发射功率，该常数项与该网孔半径的平方成正比，该变量为几分之一的总发射功率P_T。

通过下面的数值的例子可以进一步说明本发明的重要意义。假设系统参数给定如下：

γ＝4(所需的信噪比)

N＝130(处理增益)

W＝10×10⁶(发射带宽)

N₀＝4×10^-21(白噪声功率密度)

R＝30×10³m(30Km网孔半径)

λ＝0.1667m(相对于1.9GHz载频)。使用自由空间传播模式： $\mathrm{\α}=\frac{{\left(0.1667\right)}^2}{{\left(4\mathrm{\π}\right)}^2}=1.76\×{10}^{-4}$ (由公式3)

因而，当从基站发送的总功率P_T为100W时，全局信道发射功率P_G应为： $P_G=\left[\frac{4}{130+4}\right]\×\left[\frac{4\×{10}^{-21}\×10\×{10}^6}{1.76\×{10}^{-4}}\right]\×{(3\×{10}^4)}^2+\left[\frac{4}{130+4}\right]\×100=3W$ (由公式6)

参考图4，其示出了用于动态控制全局信道发射功率P_G的方法200。一旦已设定了全部系统参数(步骤202)，对几个常数进行计算(β(R)，a(R))(步骤204)，处理器108然后计算A和B，它们被用来确定全局信道发射功率P_G(步骤206)。在基站100测量总发射功率(步骤208)，利用下列公式计算所需的全局信道发射功率P_G(步骤210)：

    P_G＝A+B*P_T                                 (公式(7)

一旦计算出所需的全局信道发射功率P_G(步骤210)，所有全局信道114被设定到计算的功率电平(步骤212)。然后重复该过程(步骤214)，连续监视在基站100处的总发射功率以动态控制全局信道114的功率电平。

取决于网孔11的话务负载，一个全局信道114的所需发射功率可以变化至12dB。结果，在一种其中设定全局信道发射功率P_G以使在预计最高话务负载情况下(即最坏情况)其足够大的应用中，该全局信道发射功率P_G将超过大多数时间必须的所需功率电平。本发明的方法通过在话务负载低时减小全局信道发射功率P_G和在话务负载高时增加全局信道发射功率P_G实现对全局信道发射功率P_G的最佳控制，从而在所有时间都能保持可靠的通信。以这种方式，到达相邻网孔的溢出被保持在最小的可能电平，同时增加了整个系统的容量。

虽然通过详细地参考某些特定的实施例对本发明进行了描述，但这些细节是要起到抛砖引玉的作用并非是一种限制。本领域的技术人员将会明白，只要不脱离本发明的精神和范围，可以对本发明的结构和模式进行多种改变。

Claims (20)

1.一个基站，包括：

用于以一输出功率电平发射多个指定信道和至少一个全局信道的装置；

用于监视所述输出功率电平的装置；

闭合环路前向功率控制装置，用于分别对所述指定信道的功率电平进行控制；和

响应所述功率电平，用于控制所述全局信道功率电平的装置；其中响应所述指定信道的总功率中的净变化对所述全局信道的功率电平进行调整。

2.根据权利要求1的基站，其中所述控制全局信道功率电平的装置进一步包括一个处理器，其响应所述监视装置，为所述全局信道计算一所需功率电平和根据所述计算对所述全局信道的功率进行调整。

3.根据权利要求2的基站，其中距基站距离为r_i的所述所需功率电平P_G利用下式计算： $P_G=\frac{N}{N+\mathrm{\γ}}a\left(r_i\right)+\frac{\mathrm{\γ}}{N+\mathrm{\γ}}{P}_T$ 其中γ为所需的信噪比，N为处理增益，而P_T为总发射功率。

4.根据权利要求2的基站，其中所述所需功率电平P_G利用下式计算： $P_G=\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}+N}\frac{N_{0}W}{\mathrm{\α}}{R}^2+\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}+N}{P}_T$

其中α＝(λ²)/(4π)²，γ为所需的信噪比，N为处理增益，N₀为白噪声功率密度，P_T为总发射功率，W为发射带宽，R为最大工作范围，λ为载频的波长。

5.根据权利要求2的基站，其中在所述所需功率电平的计算中使用了一种自由空间传播模式。

6.根据权利要求2的基站，其中在所述所需功率电平的计算中使用了一种哈塔(Hata)传播模式。

7.根据权利要求2的基站，其中在所述所需功率电平的计算中使用了一种断点传播模式。

8.根据权利要求4的基站，其中所述发射装置还包括：

用于合并所述指定信道和所述全局信道以提供一发射信息信号的装置；

在发射之前用于上变换所述发射信息信号的装置；和

用于发射所述上变换信号的天线。

9.根据权利要求8的基站，其中在所述合并装置处对所述输出功率电平进行监视。

10.根据权利要求8的基站，其中利用所述监视装置对每个所述指定信道和所述全局信道的功率电平分别监视，以提供所述输出功率电平。

11.根据权利要求8的基站，进一步包括第二天线装置，用于检测所述输出功率电平；其中所述监视装置响应所述第二天线装置。

12.根据权利要求1的基站，其中所述发射装置进一步包括用于发送多个全局信道的装置。

13.用于对从一基站发射的全局信道的功率进行控制的方法，包括：

以一输出功率电平发射多个指定信道和至少一个全局信道；

监视所述输出功率电平；

利用闭合环路前向功率控制分别对所述指定信道的功率电平进行控制；和

响应所述功率电平，控制所述全局信道的功率电平；其中根据所述指定信道的总功率中的所有净变化对所述全局信道的功率电平进行调整。

14.根据权利要求13的方法，其进一步包括：根据所述监视步骤，为所述全局信道计算一所需功率电平；和响应所述计算对所述全局信道的功率进行调整。

15.根据权利要求14的方法，其中所述所需功率电平P_G利用下式计算： $P_G=\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}+N}\frac{N_{0}W}{\mathrm{\α}}{R}^2+\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}+N}{P}_T$

其中α＝(λ²)/(4π)²，γ为所需的信噪比，N为处理增益，N₀为白噪声功率密度，P_T为总发射功率，W为发射带宽，R为最大工作范围，λ为载频的波长。

16.根据权利要求15方法，其中所述发射步骤还包括：

合并所述指定信道和所述全局信道以提供一发射信息信号；

在发射之前上变换所述发射信息信号；和

发射所述上变换信号。

17.和根据权利要求16的方法，进一步包括在所述合并步骤之前对所述输出功率电平进行监视。

18.根据权利要求15的方法，进一步包括对每个所述指定信道和所述全局信道的功率电平分别监视以提供所述输出功率电平。

19.根据权利要求15的方法，进一步包括利用一非常之合设天线检测所述输出功率电平。

20.根据权利要求13的方法，进一步包括发送多个全局信道。

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