CN100521570C - 通信***、方法和收发信机 - Google Patents

Abstract

一种超宽频带通信***，包括一个收发信机，用以接收包含功率值数据的超宽频带通信信号。收发信机中的测量电路测量接收信号的强度。比较测得的信号强度和信号中包含的数据，计算衰减因子。反馈电路利用该衰减因子来选择下一传输的功率值。在一种优选配置中，收发信机还具有定位电路，用以精确确定收发信机到通信信号源的距离，前述反馈电路利用该距离调谐下一传输的功率值。在另一优选配置中，利用误码率来设置下一传输的功率值。

Description

通信***、方法和收发信机

技术领域

本发明涉及的领域是无线通信***。确切地说，本发明涉及超宽频带通信***所使用的动态RF功率管理。

背景技术

无线通信***正在改变人们的工作、娱乐以及相互通信的方式。例如，移动设备，例如便携式电话的广泛认同，使得人们在与家人、朋友和同事轻松自如地进行话音和数据通信的同时，还有很好的移动性。随着这些移动无线设备增加了更多的特性，用户能够接收更多种类的信息，从而享受更好的娱乐和更为有效地解决商务问题。现在可以从远端发送数据，例如计算机文件、图形、视频以及音乐，而由移动无线设备来接收。这么一种广域应用通常要求一系列固定的收发信机与移动无线设备通信。在这种方式下，只要无线设备能够与至少一个固定的收发信机保持联系，该无线设备就能进行通信。

不仅这种广域***的应用在扩展，局域无线通信***的应用也在增长。例如，可以配置单个建筑比如住宅中的无线设备，使它们共享信息。这种局域无线通信***使得计算机可以控制外设而不需要物理连接，立体声部件来进行通信，并且几乎任何设备都可以访问因特网来收发信息。

广域和局域通信***所发送的数据量正在迅速增长，可能会很快超过传统通信频带所具有的带宽。人们确信一种相对较新的通信技术，“超宽频带”，会有助于满足正在增长的带宽要求。例如，题为“超宽频带通信***和方法”的美国专利第6031862号公开了一种使用脉冲无线***的通信***。脉冲无线波是超宽带通信的一种形式，它利用以不到十亿分之一秒间隔发送的单脉冲单环来发送数字信号。这些脉冲以极低的功率密度值发送，例如小于-30分贝到-60分贝。产生的脉冲非常小，它们一般只存在于其它更为传统的通信***的噪声场中。

超宽频带通信***使得通信能够在较小本地区域中以非常高的数据速率，例如每秒100兆比特或者更高的速率进行。但是，因为超宽频带通信***需要避免干扰更多建立的通信频率，超宽频带***必须以极低的功率工作，一般在噪声级发送信号。因此，与较为传统的基于连续波或载波的***相比，每个超宽频带小区的大小被严格地限制。

因为超宽频带通信***的每个小区都非常小，***必须具有许多固定的天线场地来覆盖某个地理地域。在这么多天线同时工作的情况下，移动收发信机可能会从多个发射机中接收通信信号，这些发射机包括相邻小区的发射机和较远小区的发射机。因为每个小区都可能从这么多的发射机接收信号，通信信道必须在地域上进行划分，以尽可能减小出现的信道干扰。例如，如在小区中使用特定信道，该信道可能无法应用于几英里范围内的其他小区。这样，因为每个小区都只能使用相对较少的通信信道的子集，整个通信***的带宽实际上减小了。

此外，无线通信***遭受“远近”问题，也就是较近发射机的信号可能会过强而使接收机饱和，而较远的发射机信号可能太弱而无法被可靠接收。因为超宽带通信***具有非常多的天线场地，远近问题的严重性就更为突出。

在任何已知的传统小区中，所使用的带宽随着用户需求而变化。因为用户需求可能会随着时间有很大变化，就可能会出现某些时候特定小区利用率很低，而其它时候同一小区出现饱和，从而引起传输丢失、连接拒绝以及质量下降等等不希望出现的情况。在传统的通信信号中，如果小区带宽利用率超过了***质量标准，***运营商一般会在该区域中增加另一小区，将一部分用户话务量从过载小区转移到新小区。但是，增加小区和天线成本高并且耗时。

尽管超宽频带能够很到程度上降低多径干扰的影响，在接收的信号从发射机传送到接收机的过程中，该信号仍然会受到衰减。对一个点RF源而言，接收的信号强度与视距通信的明线距离的平方成反比。在杂乱的移动环境下，衰减与多径消除的距离的四次方有更为准确的反比关系，多径消除在超宽频带信号中仍然存在。不管在哪一种情况下，信号的衰减都会使信号值减小到某个不适合可靠数据传送的值。众所周知的传统超宽频带通信***无法有效利用带宽和***资源，上述不足就是其中的部分原因。

发明内容

本发明的一个目的是提出一种超宽频带通信***，使得***效率更高，并增加带宽利用率。为了满足前述目的，并且克服已知通信***中的不足，本发明公开了一种超宽频带通信***。

简要地说，该超宽频带通信***包括一个收发信机，用以接收包含功率值数据的超宽频带通信信号。收发信机中的测量电路测量接收信号的强度。比较测得的信号强度和信号中包含的数据，计算衰减因子。适配电路利用该衰减因子来选择下一传输的功率值。在一种优选配置中，收发信机还具有定位(positioning)电路，用以精确确定收发信机到通信信号源的距离，前述适配电路利用该距离调谐下一传输的功率值。

该超宽频带通信信号最好还能够精确选择功率值，以优化通信***的效率。更为确切地说，最低可接受功率值的精确选择最大程度地减小了通信小区之间的干扰，从而增加了可靠性并优化带宽利用率。

通过下面针对本发明的详细描述，并结合附图，本发明的这些特性和其他特性及优点将会更加明显，在所有附图中，相同的标号代表了相同的部分。

附图说明

图1的框图给出了按照本发明的超宽频带通信***。

图2是一种使用按照本发明的超宽频带通信***的方法的流程图。

图3说明了利用按照本发明的超宽频带通信***来调整小区大小。

图4的例子说明了按照本发明传输功率的离散非线性功率值。

图5是一种利用按照本发明的自适应功率调节方法的流程图。

图6是另一种利用按照本发明的自适应功率调节方法的流程图。

具体实施方式

现在参看图1，该图给出了一种按照本发明的超宽频带通信***10。超宽频带通信***10通常包括多个超宽收发信机，用以收发超宽频带通信信号。通信***10采用一种方法来调节发送的通信信号的功率值，从而将发送功率值减小到最低的可接受值。在一个特定例子中，首先在有限数量的数值中大致选择一个功率值，然后精调到一个更优的值。

因为能够比较理想地连续监控和调节功率值，整个通信***10的工作效率和带宽利用率是已知的传统通信***所无法达到的。例如，通过减小发送功率值，允许更好的信道重用，并相应增加了可用***带宽。此外，因为特定接收机的信号强度更为一致，从而减小了远近问题的不期望的影响。

图1给出了收发信机单元12和收发信机单元14。在该图中，收发信机单元12和收发信机单元14是类似的；但是，应当理解，这两个收发信机单元的构造可以不同。这两个收发信机单元的构造使得它们可以位于无线超宽频带通信设备中，例如移动电话、移动因特网设备、便携式无线设备、个人数据助理或者固定的天线小区场所中。

收发信机单元12包括发送电路16。发送电路16用以生成超宽频带通信信号，例如信号33。发送电路16以可选功率值生成信号33。例如，该信号可以设置成功率值的离散数值中的一个。为了选择以后通信的最低可接受功率值，信号33中包含了选定的功率值信息。在一种优选实施例中，信号33发送数字数据通信信息，这种信息可以按照已知技术打成数据包。因此，发送信号的功率值可以通过功率因子52得到。一个或多个数据包，例如数据包43，可以在例如数据包43的头信息中包含功率因子52。在最为优选的实施例中，功率因子52是用以发送信号33的功率值的6位比特表示。这样，信号33的发送功率可以在64个可选功率值中选择。

信号33由接收机，例如收发信机14中的超宽频带接收机20接收。接收机单元20连接到测量和比较电路29，后者测量接收的信号33的强度。例如，测量和比较电路29可以测量接收信号的峰值电压。应当理解，测量接收信号33的强度可以有多种方式。

接收电路20和测量和比较电路29还进行协作，从数据包43中解码功率因子52，将测得的信号33强度和解码的功率因子52比较，后者表示了最初发送信号33的功率。利用解码的功率因子52和测得的接收信号的信号强度，就可以计算出衰减因子15。将衰减因子15送入发送电路22，后者利用衰减因子选择发送信号38的功率值。这样，提供了一种自适应功率机制。例如，如果衰减因子15表明接收的信号强度大于可靠通信所需强度，发送电路22可以选择一个充分低的功率值来发送信号38。但是，如果衰减因子表明出现了高衰减使得信号几乎不能辨认，那么发送电路22可以将信号38的功率调高。发送电路22所选择的功率值被编码成数据包47中的功率因子56，该数据包被发送到接收机电路18。

前面结合接收机20描述过，接收机18接受信号38，利用测量和比较电路27确定衰减因子16。将衰减因子16送入发送电路16以选择信号35的功率值。上面描述过，为信号35选择的功率因子以功率因子54的形式包含在数据包45中，后者被送回到接收机20。这种递归过程继续，每个新的衰减因子被送入发送电路22，发送电路22随后选择信号40的功率，将信号40的功率值以功率因子58的形式包含在数据包49中。这样，只需要通过几轮递归，就可以使用具有可接受衰减的最低选定功率值来建立两个收发信机之间的通信链路。

但是，选定的功率是从例如64个可选功率值中选出的。发送功率值最好能更为精确地设置，以确保为传输选择了的最低可用功率值。因此，收发信单元12和14各自包括位置电路25和31，用以精确确定各个收发信机单元的地理位置。

超宽频带通信***的一个众所周知的特性是可以根据从至少三个地理位置已知的超宽频带发射机接收的信号中识别出高度精确的地理位置信息。地理位置未知的收发信机一般从三个固定的超宽频带发射机接收超宽频带信号，从各个发射机发送的信号包含各自发射机的地理位置信息。利用各个固定发射机的已知位置，并测量接收信号间的细微时间差，地理位置未知的设备可以进行三角变换，精确地确定其地理位置。利用这种三角变换处理，超宽频带设备可以将其位置信息确定到例如几厘米的范围内。

位置电路，例如位置电路25，从收发信机14接收信号38，收发信机14可以是地理位置已知的固定点，并从至少两个其它固定的超宽频带发射机(未示出)接收信号26。位置电路25利用信号38和26的时间关系和其中的位置信息，精确地确定收发信机单元12的位置。知道了收发信机单元的准确位置，而固定发射机的位置已知，位置电路25和31就能精确确定从该收发信机到固定发射机的距离。该距离信息也被送回到发送电路16。然后，利用该距离信息更为精确地调节发送电路16用以发送下一信号的功率值。

应当理解，尽管图1示出的通信***10是在两个收发信机之间建立通信，但这种通信也可以建立在一个移动收发信机和一个固定收发信机单元之间。还应当理解，优选实施例最初利用32种不同的可选功率值来发送各个信号，但也可以使用其它数量的可选功率值。

现在参看图2，该图描述了一种使用超宽频带通信***的方法。方法开始时为信号设置一个功率值，将该功率值编码到将在信号中发送的数据包中，如框82所示。包含了编码功率值的信号在框84中被发送到接收机。框86中，接收机测量该信号的功率值，从数据包中析取编码功率值。在框88中，测得的功率值与编码功率值相比较，计算出衰减因子。

该衰减因子用于确定新的功率值，如框102所示。衰减因子也可以用于大致计算信号发送源到信号接收机的距离。这样估计得到的距离可以用于后续计算，从而更为仔细地调谐功率值。利用确定的新的功率值，在框104中以新的选定的功率值发送下一信号。

在一种优选实施例中，接收机还从多个发射机，例如三个固定发射机接收信号，如框89所示。利用信号的时间关系和包含的位置信息，可以确定远端设备的绝对地理位置，如框90所示。另一种方案是，可以将绝对地理位置指派给某个固定接收机，如框92所示。将固定发射机的地理位置通告给接收机，如框94和96所示。该位置最好编码在数据包中，通过从发射机发送给接收机的超宽频带信号来传送。因为现在接收机知道了它的绝对位置，并且接收到了编码的关于发射机位置的信息，在框98中，可以比较这两种地理位置。在比较两种位置之后，框100中就可以确定发射机和接收机之间的实际距离。然后，利用实际距离确定调谐得更好的功率值，如框102所示。然后，利用调谐得更好的功率值，以新的功率值发送下一信号，如框104所示。

为了提供优化的功率值设置，首先利用递归通信过程，将功率值设置成多个可用功率值中的一个。在选择了功率值之后，在计算中使用发射机和接收机之间的实际距离，更为精确地设置功率值。应当理解，距离和发射功率之间的关系是众所周知的。因此，图2的方法能够准确地将功率值减到最小，从而使得***范围的频带带宽达到最大，同时仍确保可靠通信，并减少不希望出现的远近效应。

现在参看图3，描述了超宽频带通信***的一种特定应用。通信***包括固定发射机122和固定发射机124。固定发射机122的原小区大小126由图3的一般圆圈表示，固定发射机124的原小区大小为132。移动用户，例如用户133、134和136分散在小区126和132内。固定收发信机122和124中的一个或两个的控制电路监控各个小区中正在使用的带宽。根据带宽利用率，调节小区大小，在一个小区中包含更多的用户，或者将用户从小区中排除。例如，如果监控固定收发信机122，发现它接近其带宽容量，那么可以指令固定收发信机122以较低功率发送，从而有效地将原小区126减小到较小小区范围128。因为新的小区范围128较小，它包含的用户也要少一些，从而降低了固定收发信机122所使用的带宽量。但是，在从原小区范围126变化到新小区范围128过程中，某些用户会被固定收发信机122所遗弃，例如被遗弃的用户133。这样，在固定收发信机122降低其发射功率值的同时，需要指定相邻的固定收发信机124增加其发送功率值，以包含遗弃用户，例如被遗弃的用户133。通过这种方式，原小区范围132被扩展成新的小区范围130。随着小区130的用户数量的增加，固定收发信机124的带宽利用率也得到了增加。通过动态监控相邻小区的带宽，并且动态调节从固定收发信机发送的功率值，可以在通信***120范围内调节带宽的使用，从而使得***总带宽增大。

在本发明的一个特定例子中，提出了一种自适应功率调节方法，以支持坚固而可靠的超宽频带通信。总的说来，该自适应功率调节方法确定传输路径所引起的衰减，基于该衰减来自适应调整传输的功率值。下面详细描述该自适应功率调节方法。

在该自适应功率调节方法中，利用一个键序列(key sequence)来同步发射机和接收机，使得接收机能够得到传输过程中承受的衰减。该键序列可以包括一个或多个UWB脉冲。如果该键序列仅包含一个脉冲，那它的幅度必须固定，并且接收机必须知道该值。如果采用脉冲序列，则将发送功率值编码在该序列中。该信息的编码与单个脉冲的幅度完全无关，最好利用预定功率值的数字表示来实现。

预定功率值最好有多个。预定功率值的数量最好大于16，如果是64个值，则能实现适当的离散化。这些值不需要是一个线性序列，非线性序列更适合这种应用。值1定义成可得到的最小功率，值64是可得到的最高功率。一旦接收机测量了功率并解码了键序列，就可以计算发射机和接收机之间的路径上产生的衰减。该接收机然后对该键序列作出反应，增加其输出功率以克服衰减。

该***有一个限制因素，即需要在开始时限制键序列的发射功率以避免干扰其它设备。为此，第一次通信之前的初始功率值需要设定在32左右(在区域中段)。图4示出了一根适当离散化的功率曲线。可以看出，该曲线设计成在其中间区域克服反平方衰减(如果设计用于室内环境，则是反立方衰减)。也可以设计成在增加了若干值之后，如果没有得到可理解的应答，则快速按比例升高功率。可以想见，在大多数环境下，接收机都将增加其输出值以克服衰减，但仍然维持在中段。在相反情况下，如果初始功率过高(误码率(BER)与预定阈值低得多)，则接收机可以变化成快速降低下限值。随着通信会话的进行，持续监控BER和接收的功率，调节功率值以维持较低的BER，或者在信号丢失时重新获得信号。

相比而言，一些通信会话比另一些通信会话对BER的敏感程度要低(例如视频比数字数据的敏感程度低)。这种方法利用了这种敏感程度的不同，基于传送的数据类型调节BER阈值。

在这种方法中，接收机和发射机都存储通信会话结束时使用的功率值。将该功率值用作特定接收机和发射机对之间的下一通信会话的功率值的第一估计。如果预定时间范围内没有发生通信，则使用功率值32，而不是上次使用的功率值。

在有多个发射台的情况下，该方法可以为发射台保留最上面的几个功率值。这些高功率值可以用于克服使信号产生暂时性深衰落的移动障碍。它们也可以用于使该发射台所服务的区域能够自适应调节。这种大功率值的使用使得过负荷发射台能够通过减小其功率输出，而相邻发射台则接进其保留的功率值，从而将其移动用户的一部分切换到相邻发射台。

现在参看图5，该图给出了一种调节超宽频带通信***的发送功率值的方法150。在方法150中，用户例如通过无线设备开机来发起一次通信，如框151所示。该无线设备监控发送小区的发射机的指令信道，如框153所示，尤其是监控键序列。来自发送小区的接收信号在框155中与阈值比较，如果接收信号在阈值之上，则在框156中测量接收信号的强度。如果接收信号没有达到最小阈值，则选择功率的缺省值，如框158所示。

因为小区发射机发送的信号有一个编码功率值，在框157中从接收信号中解码该编码功率值和其它信息。利用已知技术，在框159中为接收的传输计算误码率(BER)。该BER在框160中与阈值比较。如果BER过高，***回到框153，再次采样发射机信号。如果BER可以接受，那么在框161中，测得的信号强度与从接收信号中解码的功率值相比较，计算衰减因子。利用该衰减因子，为下次传输选择功率值。

选定的功率值在外向传输的数据中进行编码，如框163所示，并在发射机中设定选定的功率值，如框164所示。框165-169说明了将接收下一数据流的信道的选择。如果通信信道已被选出，则在选出的信道上进行传输，如框169所示，如果信道尚未分配，则在指令信道上进行查询传输，如框168所示。无论哪种方式都会以如框164所示功率进行传输。

现在参看图6，该图给出了一种调节超宽频带通信***的发送功率值的方法180。在方法180中，利用特定设备上次成功传输的功率值来更为有效地设置下一传输的功率值。如框181所示，特定用户或设备接收到来的通信或者希望发送外向消息。框182中查询从上次传输结束经过的时间，并且与时间阈值比较。该时间阈值可以设置成例如1分钟。应当理解，不同应用和环境可以设置适当的阈值。

如果传输在阈值内进行，在框184中调用上次成功传输的功率值。如果上次传输在时间阈值之外，功率值则设置成缺省值，如框183所示。选定的功率值在框185中编码成数据以进行传输，并且以选定功率值在框187和190中发送数据。框193和194中期望收到该次传输的应答。如果没有收到响应，则将功率值增加一级，一直到最大值，如框191所示。如果收到应答，则在框197中从接收信号中解码功率值数据。

以前述方式分别在框195和196中计算衰减因子和BER。如果BER低于最小阈值，那么如果可能的话，在框186中，将下次传输的功率值减小一级。这样，方法180将发送功率值调到了最低的可接受值。如果BER高于阈值，框189利用衰减因子和BER确定下次传输的新功率值。例如，如果衰减因子相对较高，但BER只是比BER阈值稍高，那么功率值可能也需要有所增加。因为BER不仅取决于信号质量，而且取决于信号内容，所以方法180能够设置最低的可接受功率值，以匹配传输条件和信号数据内容。

本领域技术人员应当理解，本发明也可以通过不同于以上描述中给出的优选实施例的方式实现，以上描述的目的是为了说明，而不是限制本发明，本发明仅受后续权利要求所制约。应当注意，与以上描述中讨论的特定实施例相当的一些方法也可以实现本发明。

Claims (8)

1.一种设置超宽频带通信信号的功率值的方法，包括：

在发送端：

为第一超宽频带信号设置一个初始功率值；

在第一超宽频带信号上编码该初始功率值的指示信息；

在接收端：

接收机接收第一超宽频带信号；

测量接收到的第一超宽频带信号的强度；

接收机解码该初始功率值的指示信息；

利用解码的信息和测得的强度生成衰减因子；

根据该衰减因子确定新的功率值；

设定第二超宽频带信号的新功率值；以及

在第二超宽频带信号上编码新功率值的指示信息；

所述方法还包括以下步骤：

在接收端：

接收机从多个发射机接收超宽频带信号；

利用多个超宽频带信号确定接收机的地理位置；

从接收的超宽频带信号中选出一个，从中析取发射机位置信息；

比较接收机的地理位置和选定的发射机位置信息；

确定接收机和选定的发射机之间的实际距离；以及

根据实际距离调节新的功率值。

2.按照权利要求1的方法，其中编码步骤包括将初始功率值转换成一个数字值，并将该数字值发送给接收机。

3.按照权利要求1的方法，其中编码步骤包括将初始功率值的指示信息包含在数据包中，将所述数据包发送给接收机。

4.按照权利要求1的方法，其中测量步骤包括检测接收到的第一超宽频带信号的电压值峰值。

5.一种超宽频带收发信机，包括：

发送电路，用以将第一超宽频带信号发送到接收机，发送电路配置成以选定的功率值发送第一超宽频带信号；

编码电路，用以在第一超宽频带信号上编码第一功率值，该第一功率值指示了选定的功率值；

接收电路，用以接收第二超宽频带信号，第二超宽频带信号包含有第二功率值；

测量电路，用以生成测得的值，该测得的值指示了第二超宽频带信号的强度；

计算电路，比较测得的值和第二功率值，生成衰减因子；

反馈电路，利用该衰减因子选择发送电路发送下一超宽频带信号所用的新的功率值，将新功率值包含在下一超宽频带信号中；

所述收发信机还包括：

定位电路，生成指示收发信机实际位置的地理位置数据；

距离电路，用以接收指示远端发射机位置的位置数据，并确定收发信机的实际位置到远端发射机的实际距离；以及

其中反馈电路接收指示实际距离的数据，根据实际距离调节新的功率。

6.一种超宽频带通信***，包括：

第一固定超宽频带收发信机，其为按照权利要求5的超宽频带收发信机，它服务于第一小区范围，拥有第一带宽；

第二固定超宽频带收发信机，其为按照权利要求5的超宽频带收发信机，它与第一固定超宽频带收发信机相邻，服务于第二小区范围，拥有第二带宽；

控制器，包括：

监控模块，用于监控第一固定超宽频带收发信机所用带宽；

减小模块，用于如果第一固定超宽频带收发信机所用带宽超过可接受的使用值，则减小第一小区范围，放弃第一小区的一部分以减小第一小区所用的带宽；以及

发送模块，用于向第二固定超宽频带收发信机发送信号，使第二小区范围增加，以包含至少一部分前述放弃的区域，第二小区的带宽使用增加。

7.按照权利要求6的超宽频带通信***，其中减小第一小区范围的过程包括指示第一固定超宽频带收发信机以较低功率值发送信号。

8.按照权利要求7的超宽频带通信***，其中第一固定超宽频带收发信机发送的信号包括指示较低功率值的数据。

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