发射机功率控制方法和装置 【发明领域】
本发明一般涉及通信领域。更具体地说，本发明针对动态调节发射机功率的技术。
【发明背景】
通信信号一般由发射机通过传输媒体发送并由接收机接收。一些传输媒体导致接收信号质量随时间而变化。例如，无线通信中发射信号的质量会由于其他信号的干扰、物理障碍、天气等而改变。这对于移动通信尤为正确，其中至少一个发射机和/或接收机在发送和接收程序中是移动的。因此，各种动态发射功率控制方法被包括在发射机和/或接收机中以确保随着时间过去有足够的发射信号功率(强度)以便调节由传输媒体的变化引起的信号质量改变。另外，可以调节发射功率以便将功率损耗或与其它在相同区域和/或频率范围中操作的发射信号的交互干扰最小化。
例如，经常动态调节移动通信系统发射机的发射信号功率以便为预定的或期望的所接收发射信号的信号质量和出错率获取尽可能低的功率电平。对于数字信号，出错率可以指所发射信号的误帧率(FER)。实质上，不具有不可接受的信号接收错误的发射信号功率越低，无线通信系统的(例如移动电话系统)的用户容量(用户数量)越高。这是因为发射信号功率越低，在相同或相近传输频带的邻近信号上所引起的重叠/噪声越少。而且，如果发射机是在由一个或多个电池供电的移动通信装置中，以较低信号功率操作将保存电池功率。在任何情况下，动态功率控制可包括在接收机处监视接收信号质量，向初始发射机传输接收信号质量信息，以及由初始发射机进行信号功率调节，该调节在传输时段中以迭代方式发生。
动态发射功率控制方法一般用于移动通信装置，例如使用诸如码分多址(CDMA)信号格式的数字移动电话。CDMA通信系统一般在前向传输链路(例如，基站到移动台)和反向传输链路(例如，移动台到基站)都采用功率控制以确保期望地信号质量(业务质量)和系统容量的最大化(通过在刚好足够给予期望信号质量的信号功率电平上或者该信号功率电平附近操作)。实现这个目标需要控制发射机功率电平以补偿时变路径损失和干扰，以便接收功率电平与符合期望FER的功率电平大致相等。
一种传统的动态发射功率控制方法利用在接收机上实现的闭环功率控制来确定输入发射信号的质量从而相应地返回关于如何调节发送到初始发射机的输出发射信号中的发射功率的信息。该方法的一种传统闭环功率控制系统在图1中示意。
接收机解调器单元105执行内部回路功率控制，其中包括估计得自输入发射信号130的接收信噪比(SNR)并将估计SNR与目标SNR 115值相比。目标SNR由外部回路操作140基于估计FER与目标FER的比较结果产生。
外部回路140估计FER并将估计值与目标值比较，一般建立在所要求的业务等级的基础上。外部回路包括将包括迭代解码器106，它对输入发射信号130中所包含的信息进行解码，并具有纠错和检错能力。帧错误估计使用由迭代解码器106提供的软量度N，它表示迭代解码器106用来产生质量可接受的信息帧所用的迭代次数。软量度N被输入到出错率阈值检测器107。每次检测到帧被删除时，即迭代解码器106在Nmax次迭代中对帧解码失败时，N被设为Nmax+1，出错率阈值检测器107的输出被设为1，并且外部回路将目标SNR值115增加Δup，Δup是固定的SNR量。每次检测到好帧时；即迭代解码器106能够在Nmax次迭代内解码输入信息帧时，出错率阈值检测器107的输出端输出0，并且外部回路140将目标SNR目标值115减少ΔDOWN，ΔDOWN是固定的SNR量。注意一般外部回路功率控制步长Δup和ΔDOWN是目标FER的(固定)函数。
Δup和ΔDOWN值被输入到第一级累加器109并与上一目标SNR 115合并。然后，新的目标SNR被输入限幅器110，限幅器110一般用于将目标SNR值维持在期望的范围内，它具有预定的上限和下限值，输出目标SNR被限制在其中。
因此，如果估计FER超过目标FER，那么外部回路增加提供给解调器并被传输到内部回路功率控制实体的SNR目标值115(例如，原来发送解码帧的发射机被要求增加功率)。如果估计FER等于或小于目标FER，目标SNR值115被减少(例如，原来发送解码帧的发射机被要求减少功率)。
反馈信道存在于接收机和发射机之间并且经过调制器113提供。基于由解调器105的内部回路确定的估计SNR和目标SNR 115的比较结果，功率控制信息在功率控制调节信号135中被提供给调制器113，以表示功率控制信号的大小(一般是双极的)，而且该信息在反馈信道上的输出发射信号125中被发送。如所接收的估计SNR低于目标SNR 115，那么在反馈信道上传输的功率控制信号的极性被设为命令初始发射机增加它的发射功率电平。如所接收的估计SNR高于目标SNR 115，在反馈信道上传输的功率控制信号的极性则被设为命令初始发射机减少它的发射功率电平。注意输入到调制器的功率控制调节信号135一般与在移动台到基站的反向链路上传输的用户数据复用。
然而，传统的功率控制方法受制于闭环外部功率控制不良的跟踪和剩余方差性能。回路参数，例如外部回路步长Δup和ΔDOWN以及限幅器110的目标SNR的最小和最大值被设为在回路差异(loopvariance)和回路等效带宽之间获得最好的折衷。回路差异是反映目标SNR和符合目标FER所需的SNR之差的误差量度。回路等效带宽是回路对所需SNR的变化的反应迅速程度的量度。外部回路步长或者(a)被设为足够小以便减少回路差异，以减少回路等效带宽和降低跟踪性能为代价，或者(b)被设为足够大以便增加等效回路带宽，以增加回路差异和增加SNR要求为代价。该问题随着帧长的增加变得更加尖锐，而且当目标FER为了新信令技术被设为很低的值，从而增加了回路延迟时，该问题更加明显。即，大的帧长和低目标FER使获得可接收的回路带宽/差异折衷更加困难。因此，需要能提供更好的回路带宽和为大信息帧长和低目标FER提供低回路差异的新方法。
发明概述
本发明包括改进发射机功率控制函数响应度的装置和方法，以便在传输过程中将发射功率更迅速和准确地控制在更宽的动态功率调节范围上。本发明针对具有改进的功率控制回路带宽和低功率控制回路差异的动态发射功率控制装置和方法。本发明具体可用于无线通信，特别是具有带有大信息帧长和低目标误帧率(FER)的信号的无线数字装置。动态发射功率控制方法包括接收机，其中包括多个功率控制回路，用于动态确定对输入发射信号所做的调节量以便以可能的最低发射功率获得期望的信号质量水平。例如，可提供两个功率控制调节回路，例如一个外部回路和一个外部-外部回路来确定目标信噪比(SNR)。接收机还可包括内部回路。外部控制回路通过使目标SNR中较大步长成为可能，对接收信号质量的变化提供快速响应。外部-外部回路帮助提供外部回路步长微调。
在一种变形中，外部回路可包括检错器和回路滤波器而外部-外部回路可包括FER估计器、检错器和回路滤波器。在一个实施例中，外部-外部回路可具有期望的或目标FER的动态输入。可配置迭代解码器来迭代地解码数字信息帧并跟踪在正确读出帧之前需要迭代的次数，这里称作N。N被输入到第一反馈回路(外部回路)中的检错器和第二反馈回路(外部-外部回路)的FER估计器中。
在另一变形中，外部回路可包括鉴别器或检错器，它把N作为一个输入并且以外部-外部回路的输出，这里指N*，作为另一输入，这里N*作为外部回路目标操作。鉴别器之后是乘法器，它将鉴别器的输出乘以一个常数系数。然后，累加器接收积分器和反馈回路的输出。累加器的输出被输入到限制目标SNR输出范围的限幅器。限幅器的输出被输入到延迟部件中。外部回路的结果是由N和N*中的变化所调节的目标SNR。
在另一变形中，外部-外部回路之前是FER估计器。FER估计器可包括出错率阈值检测器和增量确定器或低通滤波器。FER估计器的输出被输入到鉴别器或检错器中。鉴别器的输出被输入到乘法器，它将鉴别器的输出乘以一个常数系数。然后，累加器接收乘法器和反馈回路的输出。累加器的输出被输入到限制目标迭代次数N*的输出范围的限幅器。限幅器的输出被输入到延迟部件中。外部-外部回路的输出是迭代的目标次数N*，迭代解码器将用该目标次数N*确定数字信息的正确帧。
在一个最佳实施例中，发射机可采用用迭代解码器解码的特播编码(turbo coding)进行前向纠错。在一个变形中，特播编码被用于前向辅助信道上(F-SCH)。
在操作中，外部回路将N与阈值N*相比。如N大于N*，系统用一个依赖于N和N*的正的量调节被解调器的内部回路功率控制函数使用的接收SNR阈值，目标SNR。如N小于或等于N*，系统用一个依赖于N和N*的负的量调节被解调器内部回路功率控制函数使用的目标SNR阈值。SNR调节量在提供给解调器内部回路功率控制函数之前被反馈回路滤波器过滤。外部-外部回路根据由FER估计器产生的帧的估计FER修改外部回路目标N*的设置。如估计FER超过目标FER，则N*用一个负的量调节。如估计FER低于目标FER，则N*用一个正的量调节。N*调节量在提供给外部回路功率控制函数之前被反馈回路滤波器过滤。
【附图说明】
图1是一个传统动态发射功率控制装置和方法的方框图。
图2是根据本发明的动态发射功率控制装置和方法的第一实施例的方框图。
图3是根据本发明的动态发射功率控制装置和方法的第二实施例的方框图。
图4是根据本发明的动态发射功率控制装置和方法的第三实施例的方框图。
最佳实施例说明
各种通信方法在发射机端采用编码技术将发送信息编码并在接收机端采用相关解码技术将编码信息解码。编码和解码技术用于各种用途，例如改进所接收传输的质量，提高传输速度，提高传输容量，为仅针对预期接收者的传输提供保护等。解码技术通常包括迭代解码，以便接收信号在一段时间中被迭代解码以确保所接收信息是无错或相对无错的。此外，很多通信方法包括基于来自接收机的关于信号接收质量的反馈来动态调节发射机的发射功率的技术。
本发明包括改进发射机功率控制函数响应度的装置和方法以便在传输过程中将发射功率更迅速和准确地控制在更宽的动态功率调节范围上。本发明针对具有改进的功率控制回路性能的动态闭环功率控制装置和方法。本发明具体可用于包括编码和解码的无线通信，特别是具有带有大信息帧长和低目标误帧率(FER)的信号的无线数字装置，例如使用特播编码和IS-2000-A协议的码分多址(CDMA)。
本发明的动态发射功率控制方法包括具有多个功率控制回路的接收机，用于动态确定对输入发射信号所做的调节量以便在最低的可能发射功率上获得期望的信号质量水平。参照图2，第一例示实施例说明动态功率控制的一般方法，其中包括两个功率控制调节回路；外部回路230和外部-外部回路235。两个回路的组合被提供用来确定目标信噪比(SNR)115。接收机包括，例如，可包括内部回路的解调器105。内部回路确保接收信号的SNR符合目标SNR。解调器105与输出数字N的迭代解码器106相连，N代表迭代解码器106以预期的帧质量解码发射信号帧所用的迭代次数。外部回路230可包括检错器220和回路滤波器225。检错器220可以是线性的或非线性的。外部回路输出目标SNR。外部-外部回路235之前可以是FER估计器并包括检错器210和回路滤波器215。在一个变形中，外部-外部回路235可具有期望的或目标FER 240输入。FER 240可被预先程序设计为固定值或动态变化。FER的动态变化可适用于期望的业务质量动态变化的情况。外部-外部回路235输出外部回路目标N*。
在操作中，输入发射信号130被接收并被解调器105解调。解调器105还确定输入发射信号的估计SNR来与目标SNR相比。然后，解调输入信号可被输入到迭代解码器106。迭代解码器然后可迭代地解码数字信息帧并跟踪在预期质量水平正确读出帧之前所需的迭代次数，这里指N。迭代解码器106可具有将要完成的迭代阈值次数，Nmax，比如Nmax＝30。换而言之，迭代解码器106产生软信息，该信息包括在以可接受的质量对帧进行解码中发生的迭代次数N，并且N＜＝Nmax。一旦帧质量被估计为良好或达到最大迭代次数，由迭代解码器106执行的迭代解码过程被终止。如迭代Nmax次后帧质量不可接受，N被设为等于Nmax+1。迭代解码器106可以是，例如用于解码特播码并为系统给每个解码业务信道帧提供软质量信息N的类型。
然后，软质量信息N可被输入到第一反馈回路(外部回路225)中的检错器220以及第二反馈回路(外部-外部回路235)之前的FER估计器205中。然后检错器220将N与阈值或得自以前帧的目标迭代次数N*相比。如N大于N*，检错器和回路滤波器225用一个依赖于N和N*的正的量调节被输入解调器105内部回路功率控制函数的目标SNR 115阈值。如N小于或等于N*，检错器220和回路滤波器225用一个依赖于N和N*的负的量调节被解调器105的内部回路功率控制函数使用的目标SNR 115阈值。SNR调节量在被提供给解调器105的内部回路功率控制函数之前被反馈回路滤波器225过滤。因而，解调器105使用由外部回路230产生的目标SNR 115和得自输入发射信号的估计SNR，来产生适当的功率控制调节信号135，该信号在输出发射信号125中被传输到初始发射机中。
外部-外部回路235基于来自FER估计器205的估计FER修改外部回路目标N*的设置。如果估计FER如检错器210所确定的，超过目标FER 240，那么N*由一个负的量调节。如果估计FER低于目标FER，那么N*由一个正的量调节。该量可以是预定量，例如0.05。N*调节量在被提供给检错器220用于外部回路功率控制函数之前被反馈回路滤波器215过滤。注意解调器105中的内部回路、外部回路230以及外部-外部回路235可以是数字的并且可以以预定的速率进行时钟控制，例如与帧持续时间的倒数相等的速率。
如所配置的，本发明的闭环发射功率控制装置在回路带宽/噪声折衷方面实现了性能的改进而且提供了更好的跟踪和剩余方差性能。外部-外部回路235可以配置用于很小的回路带宽和很小的回路差异以便可靠地估计FER，这在目标FER很低时所需的延长时段上可能出现。此外，外部回路230可以配置为高得多的回路带宽而不太多地增加回路差异，因为它使用它用来确定好帧的实际迭代次数，例如，外部回路230使用迭代解码器软量度N。
现在参照图3，将描述本发明的动态发射功率控制方法的另一实施例。在这个实施例中，外部回路350可包括鉴别器325或检错器，它将迭代解码器106的输出N作为一个输入，并将外部-外部回路360的输出N*作为另一输入，这里N*作为外部回路目标操作。鉴别器325之后是乘法器330，它将鉴别器325的输出乘以一个常数系数β，例如β＝0.05。然后，累加器335接收乘法器330和反馈回路370的输出。累加器335的输出被输入到限幅器340。限幅器340限制目标SNR115的输出范围。限幅器340的的输出被输入到延迟部件345。外部回路370的结果是由N和N*中的变化所调节的目标SNR 115。
外部-外部回路360之前是FER估计器。在这个实施例中的FER估计器包括出错率阈值检测器107和增量确定器305。FER估计器的输出被输入累加器310或检错器。累加器310接收增量确定器305和反馈回路380的输出。累加器310的输出被输入限幅器315。限幅器315限制目标迭代次数N*的输出范围。限幅器315的输出被输入延迟部件320。外部-外部回路360的输出是N*，它是迭代解码器确定数字信息的正确帧所要用的目标迭代次数。
在操作中，输入发射信号130被接收并被解调器105解调。解调器105还确定输入发射信号130的估计SNR来与目标SNR 115相比。然后解调输入信号被输入迭代解码器106，迭代解码器106迭代解码，例如数字信息帧，并跟踪以预定质量水平正确读出帧之前所需的迭代次数N。迭代解码器106可具有其将完成的迭代阈值次数，例如30，而没有找到质量好的帧。换而言之，迭代解码器106产生软信息，其中包括在解码例如帧信息中发生的迭代次数N，并且N＜＝Nmax。一旦信号质量(本例中是帧质量)被估计为好，由迭代解码器106执行的迭代解码过程被终止。如Nmax次迭代后帧质量不好，N被设为等于Nmax+K，这里K是一个预定数，比如K＝1......。在一个备选实施例中，如迭代Nmax次后帧质量不好，N被设为值Nmax+K，该值是在第Nmax次迭代时的测得的交叉熵或等效量度的函数。K是大于0并小于或等于预定数Kmax的整数。迭代解码器106可以，例如是用于解码特播码并为系统给每个解码业务信道帧提供软质量信息N的类型。
然后，软质量信息N可被输入第一反馈回路、外部回路350中的鉴别器325或检错器中，以及第二反馈回路、外部-外部回路360之前的出错率阈值检测器107和增量确定器305中。然后鉴别器325将N与阈值或得自以前帧的目标迭代次数N*相比。如果N大于N*，包括错误鉴别器325、乘法器330、累加器335、限幅器340和延迟部件345的系统用一个依赖于N和N*的正的量调节输入到解调器105内部回路功率控制函数的目标SNR 115阈值。例如，错误鉴别器325向乘法器330输入N和N*之差，乘法器330将鉴别器325的输出乘以一个常数系数β，例如β＝0.05。然后，累加器335接收乘法器330和反馈回路370的输出。累加器335的输出被输入限幅器340，限幅器340允许SNR修订值进入延迟部件345并且随后进入解调器105，除非SNR修订值在目标SNR的预定范围之外。例如，限幅器340可将目标SNR限制在范围1dB＜SNR＜3dB内。另一方面，如果N小于或等于N*，系统用依赖N和N*的一个负的量调节被解调器105内部回路功率控制函数使用的目标SNR 115阈值，除非SNR修订值在目标SNR的预定范围之外。实质上，限幅器340运作以确保外部回路350在SNRMIN和SNRMAX之间的操作范围之内工作。也就是说，限幅器340的输出等于min{max{SNRMIN，Xin}；SNRMAX}，这里Xin是限幅器340的数字输入。因而，在被提供给解调器105的内部回路功率控制函数之前，SNR调节量被反馈回路滤波器过滤，其中包括累加器335、限幅器340、延迟部件345和反馈370。
外部-外部回路360基于估计FER修改外部回路目标N*的设置。在图3的实施例中，FER估计器可包括出错率阈值检测器307和增量确定器305。阈值检测器307可以用步长函数操作，例如υ(x)＝υ(N-Nmax-1)。单位步长函数υ(x)如此操作，使得υ(x)＝1当x＞＝0，以及υ(x)＝0当x＜0。增量确定器305可如此操作，如果N大于Nmax，那么N*由一个正的量调节，例如1。如果N等于或小于Nmax，那么N*由一个负的量调节，例如-0.01。N*的增量和减量可以是提供外部回路目标N*中期望步长变化的任何预定固定值。在为了外部回路功率控制函数的运算被提供给检错器和错误鉴别器325之前，N*调节量被可包括累加器310、限幅器315、延迟部件320和反馈信号线380的反馈回路滤波器过滤。限幅器310与限幅器340的操作相似，而且在本例中外部-外部回路360的操作范围被限制在N*MIN和N*MAX之间。即，限幅器的315输出等于min{max{N*MIN，Xin}；N*MAX}，这里Xin是限幅器315的数字输入。
参照图4，描述了根据本发明的动态发射功率控制方法的另一实施例。本实施例的外部回路450可参考上述外部回路350来理解，因此这里将不作详述。然而，值得注意的是，虽然鉴别器435被说明为线性的，但是非线性鉴别器也许更好，因为非线性鉴别器在调节最优回路差异/带宽折衷方面更灵活。在操作中，外部回路450将N与阈值N*相比。如果N大于N*，外部回路450用依赖于N和N*的一个正的量调节被解调器105内部回路功率控制函数使用的接收SNR阈值、目标SNR。例如，如N＝9，N*＝7并且β＝0.05，SNR增加β(N-N*)＝0.1。如N小于或等于N*，系统用依赖于N和N*的一个负的量调节被解调器105内部回路功率控制函数使用的接收SNR阈值。例如，如果N＝5，N*＝7并且β＝0.05，那么SNR减少β(N-N*)＝-0.1。
外部-外部回路455之前是FER估计器，在本实施例中它包括出错率阈值检测器307和低通滤波器405。低通滤波器可以基于例如包括最近帧失败率结果的最后500个0值(即发现好帧)和1值(即不好的帧)，出错率阈值检测器307输出的0或1产生平均FER。然后可用错误鉴别器或检错器410将该估计的平均FER与目标FER相比。鉴别器410的输出被输入乘法器415，它将鉴别器的输出乘以一个常数系数α，从而允许外部-外部回路455带宽控制。α值越大，外部-外部回路455的带宽越大。常数α将FER差量转换为N*的增量。例如，如果目标FER＝0.01而估计FER＝0.02而α＝1，N*增加α(目标FER-估计FER)＝-0.01。然而，如果对于相同的目标和估计FER，α＝2，N*增加-0.02。然后，累加器420接收乘法器415和反馈回路432的输出。累加器420的输出被输入限制目标迭代次数N*的输出范围的限幅器425。限幅器425的输出被输入到延迟部件430。外部-外部回路455的输出是目标迭代次数N*，迭代解码器106将用它来根据业务水平的预定质量来确定数字信息的好帧。
在操作中，外部-外部回路455修改外部回路目标N*的设置，基于帧的估计FER和例如由出错率阈值检测器107和低通滤波器405产生的最后500帧的估计FER的平均值，产生估计的平均FER。估计的平均FER是发生在例如假定过去的500帧上的帧删除数的平均。然后，估计的平均FER与目标FER 407相比。如果估计的平均FER超过目标FER 407，则N*由一个负的量调节。例如，如果目标FER＝0.01而估计FER＝0.2而α＝2，则N*增加α(目标FER-估计FER)＝-0.02。如果估计的平均FER低于目标FER 407，则N*由一个正的量调节。例如，如果目标FER＝0.01而估计FER＝0.005而α＝2，则N*增加α(目标FER-估计FER)＝0.01。N*调节量在被提供给外部回路450和外部回路功率控制函数之前，被可包括累加器420、限幅器425、延迟部件430和反馈信号线432的反馈回路滤波器过滤。外部-外部回路455通过增加输入到外部回路450的目标迭代N*来微调目标SNR 115的增加和减少。例如，目标SNR中的增量可以由迭代次数N和目标迭代次数N*的差确定为β(N-N*)。对于特定的N，N*连同β帮助微调目标SNR的增量。此外，本实施例有助于减少发射机功率的摆动，因为它减少了回路差异。
虽然低通滤波器405被解释为产生一个平均值，但是它可以具有任何脉冲响应，例如产生加权平均或任何其它可用于外部回路450的函数并同时提供期望的回路动态特征。此外，虽然FER估计器被显示为包含低通滤波器405，但是它可以是任何类型的估算滤波器并且出错率阈值检测器307可以是任何类型的帧删除检测器。在任何情况下，估算滤波器的脉冲响应可以由本领域的技术人员设计以便按期望影响回路动态特征。
如上所述，在本发明的一个变形中，数字移动电话的发射机可采用CDMA和特播编码来编码经输入发射信号103发送的发射数字信息。然后该信号可被解调器105解调并用迭代解码器106解码。本发明既适用于前向纠错也适用于反向纠错。本发明特别适用于前向补充信道(F-SCH)上的特播编码。
虽然本发明的具体实施例已被显示和描述，但是应理解，并不旨在将本发明限制为最佳实施例并且对本领域的技术人员显而易见的是，可以作出各种变化和修改而不背离本发明的精神和范围。因而，本发明意图涵盖备选方案、修改和等效物，它们可以被包括在本发明的精神和范围之内。
这里所引用的任何以及所有出版物、专利以及专利申请通用地通过引用将其全部内容结合于本文中。