CN1274492A - 无线电通信设备及发射功率控制方法 - Google Patents

Abstract

自适应天线接收电路105计算接收加权,到达方向估计电路106估计被检测接收信号的到达方向θ。解调电路107解调接收的信号以分离发射功率控制信息。方向增益计算电路108根据接收加权和接收信号的到达方向计算方向增益。增益控制电路109根据方向增盖和发射功率控制信息计算校正值,并控制发射功率放大器的增益。发射加权计算电路根据接收加权和校正值计算发射加权。这能够控制发射功率从而使每个通信对应方的接收功率变为恒定,并改善通信质量和增加系统中可容纳用户的数量。

Description

无线电通信设备及发射功率控制方法

技术领域

本发明涉及无线电通信设备，该设备利用多个天线进行无线电通信，并涉及发射功率控制方法。

背景技术

下面参照附图来说明常规无线电通信设备。

图1是常规无线电通信设备整体结构方框图。在图1所示无线电通信设备中，接收RF电路3放大由天线1接收并通过耦合器2输入的信号，并将放大的信号频率转换为中频或基带频率。

SINR测量电路4测量干扰波接收功率(干扰)与噪声功率(噪声)之和与所需波接收功率(信号)之比(无线电)。进行该SINR与目标SINR之间的比较。如果该SINR小于目标SINR，SINR测量电路4输出发射功率控制信息(以下称为“TPC”)以控制通信中的对应方增大发射功率。同时，如果该SINR大于目标SINR，SINR测量电路4输出TPC以控制通信对应方减小发射功率。

解调电路5解调接收的信号，并将接收的数据和TPC彼此分离。

多路复用电路6多路复用来自SINR测量电路4的TPC输出和发射的信号。作为一种多路复用方法，例如，存在一种将TPC和发射信号分配给时隙的方法。

调制电路7调制多路复用电路6的输出信号。传输RF电路8将调制电路7的输出信号频率转换为射频，并根据TPC将其放大，并通过耦合器2和天线发射它。

如上所述，常规无线电通信设备提供指令到通信对应方，以使作为接收质量的一种指标的SINR变为恒定，从而保持接收质量恒定。

随着近来用户的急剧增加，需要一种无线电通信系统，其中改善了通信质量和可包含用户数目的增加。根据这种需求，出现一种按照通信对应方或传播环境的位置顺序改变方向性的系统。

在该系统中，方向增益，意即相对于用户方向的辐射图案的增益不时地改变。为此，如果仅单独地控制发射功率，类似于发射方向恒定的常规无线电通信设备，通信对应方和无线通信设备之间接收功率中的误差增大，这阻碍了达到改善可容纳用户数目的增加的目的。

换言之，如果方向增益增大，利用大于必需功率的功率可将信号发射到通信对应方，通讯对应方可以以足够的功率接收信号，但是相对于其他通信设备这引起干扰，并导致接收质量恶化。同时，如果方向增益下降，通信对应方不能接收具有足够功率的发射信号，导致接收质量恶化。

本发明的公开

本发明的目的是提供一种无线电通信设备，它可控制发射功率以使通信对应方的接收功率变为恒定，并可改善一个系统中的通信质量和增加可容纳用户的数目，在该系统中方向性是按照通信对应方的位置或传播环境顺序改变的，并提供一种发射功率控制方法。

通过根据方向增益计算发射加权的校正值，根据该校正值和发射功率控制信息控制发射功率放大器的增益，及计算基于接收加权的发射加权和由接收加权计算的方向增益的校正值，可以达到上述目的。

附图简要说明

图1是表示常规无线电通信设备整体结构的方框图；

图2是表示按照本发明第一实施例的无线电通信设备整体结构的方框图；

图3是表示天线排列状态的示图；

图4是表示天线方向图案的示图；

图5是表示按照本发明第三实施例的无线电通信设备整体结构的方框图；

图6是表示按照本发明第四实施例的无线电通信设备整体结构的方框图。

实现本发明的最佳方式

下面参照图像具体说明本发明的实施例。

(第一实施例)

图2是表示按照本发明第一实施例的无线电通信设备整体结构的方框图。如图2所示，该实施例的无线电通信设备包括自适应天线(下以称为“AAA”)101，其中N个天线单元彼此靠近地排列(通常，天线单元间的距离大约为1/2波长)。

N个接收RF电路103中的每一个将每一天线单元101已接收并已通过每一耦合器102输入的每个信号放大，并把每个放大的信号频率转换为中频或基带频率。

N个A/D转换器104中的每一个将每一接收RF电路103的输出信号转换为数字信号。

AAA接收电路105计算接收加权，使从相应A/D转换器104输出的信号的组合信号的SINR达到最大值。在文献“数字移动通信的波均衡技术”(1996年6月1日)中描述了该接收加权计算方法。

如果到达相应天线单元的信号间的相关大，AAA接收电路105可通过适当计算接收加权引导向到达方向的方向性。因此，根据接收加权计算发射加权，用计算的发射加权对信号加权，以进行发射，从而可向通信对应方的方向引导方向性。

到达方向估计电路106估计被检测接收信号的到达方向θ。在文献“利用阵列天线的自适应信号处理技术和高分辨率到达波估计介绍”(1997年10月30日)描述了到达方向估计方法。

解调电路107提供对AAA接收电路105的输出信号的解调处理，并从接收的数据中分离TPC。分离的TPC输出到增益控制电路109。方向增益计算电路108根据下列公式(1)相对于时间i的接收加权和时间i的到达方向θ计算方向增益g(i)：

g(i)＝|W^T(i)s(θ(i))|²                        …(1)

此处，W(i)是时间i的接收加权，可以用下列公式(2)表示：

W(i)＝{w₀(i)，w₁(i)，…，w_N-1(i)}^T            …(2)

其中{  }^T表示逆矩阵。

这里，s(θ)表示传输阵列响应频谱(用传输载波频率标准化的天线位置信息)，并可用利用方向性的描绘方向θ和N个天线的公式(3)表示：

s(θ)＝{s₀(θ)，s₁(θ)，…，s_N-1(θ)}^T        …(3)

图3是表示天线排列状态的示图。假定该阵列天线的天线单元201至203以图3所示的距离d排列在一直线上，以角度0°设定垂直方向，并在天线单元201至203对齐的情况下顺时针形成角度θ。阵列响应矢量的元素S_n(θ)可以用下列公式(4)来表示：

S_n(θ)＝cxp(j(n-1)kd sinθ)              …(4)其中k表示波数，用下列公式(5)表示，利用对应于发射载波频率的波长λ。

k-2π/λ                                 …(5)

增益控制电路109计算利用下述公式(6)和(7)的发射加权的幅度校正值α(i)从而在时间i的方向增益G_D(i)变为目标值G_INIT。在这种情况下，目标值G_INIT是等于时间i-1的方向增益G_D(i-1)与发射功率控制G_T(i)的乘积的值。

G_D(i)＝G_INIT＝α²(i)g(i)                 …(6) $\mathrm{\α}\left(i\right)=\sqrt{G_{\mathrm{INIT}}/g\left(i\right)}--------\left(7\right)$

此外，考虑发射时方向增益与归因于TPC的增益之间的差，增益控制电路109计算用于控制发射功率增益的增益控制值。例如，如果TPC是增加1分贝的指令，且方向增益增加10分贝，增益控制电路109输出实现发射功率增益减小9分贝的增益控制值到发射RF电路114。

发射加权计算电路110利用公式(8)和(9)由幅度校正系数α(i)、接收加权W(i)计算发射加权V(i)，使方向增益变为恒定。获得恒定方向增益的这种发射加权控制排除了对改变接收加权的变化所引起的方向增益的必要，这使之能够执行发射功率控制，该控制精确反映包括在接收信号中的TPC。

V(i)＝α(i)W(i)                          …(8)

V(i)＝{v₀(i)，v₁(i)，…，v_N-1(i)}^T       …(9)

调制电路111调制发射信号，复数乘法电路112将调制电路111的输出信号乘以发射加权，数模转换器113将复数乘法电路112的输出信号转换为模拟信号。

发射RF电路114将数模转换器113的输出信号频率转换为载波频率，根据增益控制电路109输出的增益控制值放大所得到的信号，并通过耦合器耦合器102用天线101发射它。

发射RF电路114的输出信号通过耦合器耦合器102从天线101发射。

因此，计算发射加权以保持归因于方向性传输的方向增益恒定，使得通信对应方能够通过控制基于TPC的发射功率增益以所需功率接收所发射的信号，和方向增益的校正值，即使通信对应方的位置或传播环境改变引起的接收加权被改变。

这里，在多路传播路径中，具有自适应阵列天线的无线电通信设备按照每一路径中信号的到达时间计算各天线单元的接收加权，并组合接收的信号，由此适当地改变接收时使用的路径。

当在多路传播路径中控制发射方向性并改变发射时使用的路径时，第一实施例的无线电通信设备可保持每一路径中的方向增益恒定。

(第二实施例)

具有自适应阵列天线的无线电通信设备具有这样的问题，当天线数目N大时，方向性稍微偏移就大大改变增益，并且当天线数据N小时，到达方向的估计精度差。第二实施例解决了上述问题。

按照第二实施例的无线电通信设备的结构与第一实施例的相同。

图4是表示天线方向图案的示图。如图4所示，增益控制电路109在所估计到达方向的中心±δ角的范围内获得方向增益的平均值。

在将方向测量区！δ划分为(2L+1)段之后，用下列公式(10)可获得平均值： $G_D\left(i\right)=\frac{1}{2L+1}\underset{i=0}{\overset{2L}{\mathrm{\Σ}}}{|W^T\left(i\right)s\left((\mathrm{\θ}\left(i\right)+\frac{l-L)}{L}\mathrm{\δ})\right|}^2-------\left(10\right)$

因此，在角度±δ的范围内计算基于平均值的方向增益使得能够在天线数目N大时减小方向性的轻微偏移引起的增益误差，并能够在天线数目N小时减小到达方向估计精度差引起的增益误差。

(第三实施例)

第一和第二实施例解释了相对于单个通信对应方执行发射功率控制的情形。第三实施例解释相对于多个通信对应方执行发射功率控制的情形。

图5是表示第三实施例的无线电通信设备的整体结构的方框图。在第三实施例中，假定该无线电通信设备的自适应阵列天线的天线单元的数目为2，并且同时通信的对应方的个数也为2，亦即用户1和用户2。此外，说明CDMA系统的情况，其中多个用户可在同一频率和同一时间通信，将该系统用作通信系统实例。为此，第三实施例采用将扩频电路和解扩频电路增加到第一实施例中的结构。

在第三实施例的无线电通信设备中，来自用户1和2的信号由天线301和301接收。

接收RF电路305放大由天线301接收并通过耦合器303输入的信号，并将放大的信号频率转换为中频或基带频率。类似地，306放大放大由天线302接收并通过耦合器304输入的信号，并将放大的信号频率转换为中频或基带频率。

数模变换电路307将接收RF电路305的输出信号变换为数字信号。同样，数模变换电路308将接收RF电路306的输出信号变换为数字信号。

解扩电路309利用分配给用户1的解扩代码解扩数模变换电路307的输出信号。同样，解扩电路310利用分配给用户1的解扩代码解扩数模变换电路308的输出信号。

此外，解扩电路309利用分配给用户2的解扩代码解扩数模变换电路307的输出信号。同样，解扩电路310利用分配给用户2的解扩代码解扩数模变换电路308的输出信号。

AAA接收电路313计算接收加权，从而使从解扩电路309和310输出的信号的组合信号的SINR达到最大值。同样，AAA接收电路314计算接收加权，从而使从解扩电路311和解扩电路312输出的信号的组合信号的SINR达到最大值。

到达方向估计电路315根据解扩电路309和310的输出信号估计用户1发送的信号的到达方向θ。同样，到达方向估计电路316根据解扩电路311和解扩电路312的输出信号估计用户2发送的信号的到达方向θ。

解调电路317解调AAA接收电路313的输出信号以取出用户1接收的数据和TPC。同样，解调电路318解调AAA接收电路314的输出信号以取出用户2接收的数据和TPC。

方向增益计算电路319和320按照下列公式(11)计算用户m在时间的ii的接收加权Wm(i)，和在时间i的到达方向ηm(i)。此外，如在第二实施例中所解释的，可用方向增益计算电路317和318计算平均值。

g_m(i)-|W_m ^T(i)s(θ_m(i))|²                  …(11)

增益控制电路321根据时间(i-1)的方向增益G_Dm(i-1)和发射功率控制计算发射加权的幅度校正值α_m(i)。更具体地，如下列公式(12)和(13)所示，计算校正效率α_m(i)以使时间(i-1)的方向增益G_Dm(i-1)和发射功率控制的乘积等于时间i的方向增益G_Dm(i)。

G_Dm(i)＝G_Dm(i-1)×G_Tm(i)＝α² _m(i)g_m(i)    …(12) ${\mathrm{\α}}_m\left(i\right)=\sqrt{G_{\mathrm{Dm}}(i-1)G_{\mathrm{Tm}}\left(i\right)/g_m\left(i\right)}------\left(13\right)$

此外，考虑在发射时的方向增益和由于TPC的增益之间的差，增益控制电路321计算用于控制发射功率增益的增益控制值，并将其输出到发射RF电路336和337。

发射加权计算电路322和323根据下列公式(14)利用幅度校正效率(α_m(i)和接收加权计算发射加权。

V_m(i)＝α_m(i)W_m(i)                        …(14)

调制电路324调制用户1的发射信号。同样，调制电路325调制用户2的发射信号。

复数乘法电路328和复数乘法电路329将扩频电路326的输出信号乘以发射加权计算电路322计算的发射加权。同样，复数乘法电路330和复数乘法电路331将扩频电路327的输出信号乘以发射加权计算电路323计算的发射加权。

加法电路332将复数乘法电路328的输出信号与复数乘法电路330的输出信号相加，328的输出信号是天线301发送的信号。同样，复数乘法电路333将复数乘法电路329的输出信号与复数乘法电路331的输出信号相加，复数乘法电路329的输出信号是天线302发送的信号。

数模变换器数模变换电路334将加法电路332的输出信号变换为模拟信号。同样，数模变换器335将333的输出信号变换为模拟信号。

发射RF电路将数模变换电路334的输出信号变换为载波频率，并根据增益控制电路321输出的增益控制值将其放大，再通过耦合器303从天线301将其发射出去。同样，发射RF电路337将数模变换电路335的输出信号变换为载波频率，并根据增益控制电路321输出的增益控制值将其放大，再通过耦合器304从天线302将其发射出去。

因此，在同时与多个通信对应方通信时，为每个通信对应方计算发射加权，使之能够利用发射PA(功率放大器)作为公共配置对每个通信对应方执行发射功率控制，并能够使每个通信对应方用所需功率接收发射信号。

(第四实施例)

这里，如果增益动态范围大，可以认为加权变得基本上为零。第四实施例正是解决上述问题。

图6是表示本发明第四实施例无线电通信设备整体结构的方框图。如图5无线电通信设备相比，图6所示无线电通信设备采用的结构增加了一个功率计算电路401。

假定在第四实施例中，对每个时隙执行功率测量和增益更新。

功率计算电路401用下列公式(15)计算加法电路332和333的输出功率P_n(i)。在公式(15)中，i是时隙数，j是符号数，m是用户数，n是天线数，J是一个时隙的符号数。此外，a_m(i，j)表示用户m，时隙i，符号j的发射信号，v_mn(i)表示天线n，用户m，时隙i的发射信号。如果可获得足够的精度，无需测量对应于一个时隙的所有符号。 $P_n\left(i\right)=\frac{1}{\mathrm{JM}}\underset{j=0}{\overset{J-1}{\mathrm{\Σ}}}\left({\left|\underset{m}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{v}_{n,m}\left(j\right)a_m(i,j)\right|}^2\right)-------\left(15\right)$

在阵列天线中，如果多用户数和测量符号数大，发射FR电路的发射PA的输入功率可相对一个天线加以测量，因为天线之间的功率耗散小。

增益控制电路321判定P_n(i)的范围是否为P±δP。然后，如果它不在该范围内，校加权的正系数β(i)用下列公式(16)计算，以保持输入功率为恒定值P。 $\mathrm{\β}\left(i\right)=\sqrt{P/\mathrm{Pn}\left(i\right)}------\left(16\right)$

相对于所有用户的发射加权被更新。相对于用户m的发射加权V_m(i)由下列公式(17)更新。

V_m(i)＝β(i)V_m(i)               …(17)

在这种情况下，用户m的方向增益G_Dm(i)由下列公式(18)更新。

G_Dm(i)＝β²(i)G_Dm(i)            …(18)

换言之，将发射PA的输入功率乘以因子β²(i)。该结果用发射PA的增益来校正。用下列公式(19)来更新增益G_PA(i)。

G_PA(i)＝G_PA(i-1)/β²(i)         …(19)

因此，按照本发明第四实施例的无线电通信设备，发射PA的输入功率可保持为恒定值以防止加权到达0值的附近，这能够相对于所有用户执行方向传输和发射功率控制。

从上述解释可见，按照本发明，由于可执行方向增益和发射功率的控制，通信对应方可以所需功率接收发射的信号，这能够改善通信质量，并增加可容纳的用户数。

本申请基于1998年六月29日的日本专利申请HEI10-182913号，其整个内容在此结合作为参考。

Claims (14)

1.一种无线电通信设备，包括：

用多个无线单元构成方向性的阵列天线；

方向增益计算装置，用于根据到达方向和接收加权从所述阵列天线计算接收信号的方向增益；

发射增益控制装置，用于从所述方向增益计算发射加权的校正值，并根据包括在所述校正值和所述接收信号中的发射功率控制信息控制发射功率放大器的增益；以及

发射加权控制装置，用于根据所述接收加权和所述校正值控制发射加权。

2.如权利要求1所述的无线电通信设备，其中所述发射增益控制装置计算发射加权的校正值以使方向增益变为恒定。

3.如权利要求1所述的无线电通信设备，其中所述发射增益控制装置计算发射加权的校正值以使每一方向增益等于前一方向增益与包括在接收信号中的发射功率控制信息的乘积。

4.如权利要求1所述的无线电通信设备，其中方向增益计算装置计算由多个通信对方发射的每一信号的每一方向增益，所述发射增益控制装置计算发射加权的校正值，从而使每一方向增益等于前一方向增益和包括在接收信号中的发射功率控制信息的乘积，所述发射增益控制装置对所有通信对方均匀的发射功率放大器的增益，所述发射加权控制装置根据所述接收加权和所述校正值控制每一通信对方的发射加权。

5.如权利要求4所述的无线电通信设备，其中还包括输入功率测量装置，用于组合向多个通信对方发射的信号，并用于从组合的发射信号测量发射功率放大器的输入功率，其中所述发射增益控制装置控制至每一通信对方的发射信号的发射加权的校正值和发射功率放大器的增益，以使输入功率落入给定范围内。

6.一种发射功率控制方法，包括下列步骤：

计算来自阵列天线的所接收信号的方向增益，根据到达方向和接收加权利用多个天线单元形成方向性；

根据包括在计算的方向增益中的发射功率控制信息和所述所接收信号控制发射功率放大器的增益；

根据所述接收加权和所述方向增益控制发射加权。

7.如权利要求6所述的发射功率控制方法，其中控制所述发射加权以使方向增益变为恒定。

8.如权利要求6所述的发射功率控制方法，其中控制所述发射加权以使等于前一方向增益和包括在接收信号中的发射功率控制信息的乘积。

9.如权利要求6所述的发射功率控制方法，其中方向测量区在接收信号的到达方向被分为预定段，在发射功率放大器的增益控制和发射加权控制中使用划分的方向测量区中测量的方向增益的平均值。

10.一种发射功率控制方法，包括下列步骤：

根据到达方向和接收加权，计算从多个通信对方发射并被阵列天线接收的每一信号的方向增益，其中利用多个天线单元形成方向性；

控制发射加权，使每一方向增益等于前一方向增益和包括在接收信号中的发射功率控制信息的乘积；以及

根据所述接收加权和所述方向增益控制发射功率放大器的增益。

11.如权利要求10所述的发射功率控制方法，其中还包括步骤：

组合至多个通信对方的发射信号；

从组合的发射信号测量发射功率放大器的输入功率；以及

控制至相应通信对方的发射信号的发射加权和发射功率放大器的增益，以使输入功率落入给定范围内。

12.如权利要求10所述的发射功率控制方法，其中用分配给多个通信对方的对于每一通信对方分离的扩频码解扩接收信号，根据到达方向和接收加权为每一通信对方计算每一接收信号的方向增益。

13.一种包括无线电通信设备的基站设备，所述无线电通信设备包括：

用多个无线单元构成方向性的阵列天线；

方向增益计算装置，用于根据到达方向和接收加权从所述阵列天线计算接收信号的方向增益；

发射增益控制装置，用于从所述方向增益计算发射加权的校正值，并根据包括在所述校正值和所述接收信号中的发射功率控制信息控制发射功率放大器的增益；以及

发射加权控制装置，用于根据所述接收加权和所述校正值控制发射加权。

14.一种通信终端设备，包括无线电通信设备，所述无线电通信设备包括：

用多个无线单元构成方向性的阵列天线；

方向增益计算装置，用于根据到达方向和接收加权从所述阵列天线计算接收信号的方向增益；

发射增益控制装置，用于从所述方向增益计算发射加权的校正值，并根据包括在所述校正值和所述接收信号中的发射功率控制信息控制发射功率放大器的增益；以及

发射加权控制装置，用于根据所述接收加权和所述校正值控制发射加权。

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