專利名稱：通信系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及的領域是無線通信系統。確切地說，本發明涉及超寬頻帶通信系統所使用的動態RF功率管理。
背景技術：
無線通信系統正在改變人們的工作、娛樂以及相互通信的方式。例如，移動設備，例如便攜式電話的廣泛認同，使得人們在與家人、朋友和同事輕松自如地進行話音和數據通信的同時，還有很好的移動性。隨著這些移動無線設備增加了更多的特性，用戶能夠接收更多種類的信息，從而享受更好的娛樂和更為有效地解決商務問題。現在可以從遠端發送數據，例如計算機文件、圖形、視頻以及音樂，而由移動無線設備來接收。這么一種廣域應用通常要求一系列固定的收發信機與移動無線設備通信。在這種方式下，只要無線設備能夠與至少一個固定的收發信機保持聯系，該無線設備就能進行通信。
不僅這種廣域系統的應用在擴展，局域無線通信系統的應用也在增長。例如，可以配置單個建筑比如住宅中的無線設備，使它們共享信息。這種局域無線通信系統使得計算機可以控制外設而不需要物理連接，立體聲部件來進行通信，并且幾乎任何設備都可以訪問因特網來收發信息。
廣域和局域通信系統所發送的數據量正在迅速增長，可能會很快超過傳統通信頻帶所具有的帶寬。人們確信一種相對較新的通信技術，“超寬頻帶”，會有助于滿足正在增長的帶寬要求。例如，題為“超寬頻帶通信系統和方法”的美國專利第6031862號公開了一種使用脈沖無線系統的通信系統。脈沖無線波是超寬帶通信的一種形式，它利用以不到十億分之一秒間隔發送的單脈沖單環來發送數字信號。這些脈沖以極低的功率密度值發送，例如小于-30分貝到-60分貝。產生的脈沖非常小，它們一般只存在于其它更為傳統的通信系統的噪聲場中。
超寬頻帶通信系統使得通信能夠在較小本地區域中以非常高的數據速率，例如每秒100兆比特或者更高的速率進行。但是，因為超寬頻帶通信系統需要避免干擾更多建立的通信頻率，超寬頻帶系統必須以極低的功率工作，一般在噪聲級發送信號。因此，與較為傳統的基于連續波或載波的系統相比，每個超寬頻帶小區的大小被嚴格地限制。
因為超寬頻帶通信系統的每個小區都非常小，系統必須具有許多固定的天線場地來覆蓋某個地理地域。在這么多天線同時工作的情況下，移動收發信機可能會從多個發射機中接收通信信號，這些發射機包括相鄰小區的發射機和較遠小區的發射機。因為每個小區都可能從這么多的發射機接收信號，通信信道必須在地域上進行劃分，以盡可能減小出現的信道干擾。例如，如在小區中使用特定信道，該信道可能無法應用于幾英里范圍內的其他小區。這樣，因為每個小區都只能使用相對較少的通信信道的子集，整個通信系統的帶寬實際上減小了。
此外，無線通信系統遭受“遠近”問題，也就是較近發射機的信號可能會過強而使接收機飽和，而較遠的發射機信號可能太弱而無法被可靠接收。因為超寬帶通信系統具有非常多的天線場地，遠近問題的嚴重性就更為突出。
在任何已知的傳統小區中，所使用的帶寬隨著用戶需求而變化。因為用戶需求可能會隨著時間有很大變化，就可能會出現某些時候特定小區利用率很低，而其它時候同一小區出現飽和，從而引起傳輸丟失、連接拒絕以及質量下降等等不希望出現的情況。在傳統的通信信號中，如果小區帶寬利用率超過了系統質量標準，系統運營商一般會在該區域中增加另一小區，將一部分用戶話務量從過載小區轉移到新小區。但是，增加小區和天線成本高并且耗時。
盡管超寬頻帶能夠很到程度上降低多徑干擾的影響，在接收的信號從發射機傳送到接收機的過程中，該信號仍然會受到衰減。對一個點RF源而言，接收的信號強度與視距通信的明線距離的平方成反比。在雜亂的移動環境下，衰減與多徑消除的距離的四次方有更為準確的反比關系，多徑消除在超寬頻帶信號中仍然存在。不管在哪一種情況下，信號的衰減都會使信號值減小到某個不適合可靠數據傳送的值。眾所周知的傳統超寬頻帶通信系統無法有效利用帶寬和系統資源，上述不足就是其中的部分原因。
發明內容
本發明的一個目的是提出一種超寬頻帶通信系統，使得系統效率更高，并增加帶寬利用率。為了滿足前述目的，并且克服已知通信系統中的不足，本發明公開了一種超寬頻帶通信系統。
簡要地說，該超寬頻帶通信系統包括一個收發信機，用以接收包含功率值數據的超寬頻帶通信信號。收發信機中的測量電路測量接收信號的強度。比較測得的信號強度和信號中包含的數據，計算衰減因子。適配電路利用該衰減因子來選擇下一傳輸的功率值。在一種優選配置中，收發信機還具有定位(positioning)電路，用以精確確定收發信機到通信信號源的距離，前述適配電路利用該距離調諧下一傳輸的功率值。
該超寬頻帶通信信號最好還能夠精確選擇功率值，以優化通信系統的效率。更為確切地說，最低可接受功率值的精確選擇最大程度地減小了通信小區之間的干擾，從而增加了可靠性并優化帶寬利用率。
通過下面針對本發明的詳細描述，并結合附圖，本發明的這些特性和其他特性及優點將會更加明顯，在所有附圖中，相同的標號代表了相同的部分。
圖1的框圖給出了按照本發明的超寬頻帶通信系統。
圖2是一種使用按照本發明的超寬頻帶通信系統的方法的流程圖。
圖3說明了利用按照本發明的超寬頻帶通信系統來調整小區大小。
圖4的例子說明了按照本發明傳輸功率的離散非線性功率值。
圖5是一種利用按照本發明的自適應功率調節方法的流程圖。
圖6是另一種利用按照本發明的自適應功率調節方法的流程圖。
具體實施例方式
現在參看圖1，該圖給出了一種按照本發明的超寬頻帶通信系統10。超寬頻帶通信系統10通常包括多個超寬收發信機，用以收發超寬頻帶通信信號。通信系統10采用一種方法來調節發送的通信信號的功率值，從而將發送功率值減小到最低的可接受值。在一個特定例子中，首先在有限數量的數值中大致選擇一個功率值，然后精調到一個更優的值。
因為能夠比較理想地連續監控和調節功率值，整個通信系統10的工作效率和帶寬利用率是已知的傳統通信系統所無法達到的。例如，通過減小發送功率值，允許更好的信道重用，并相應增加了可用系統帶寬。此外，因為特定接收機的信號強度更為一致，從而減小了遠近問題的不期望的影響。
圖1給出了收發信機單元21和收發信機單元14。在該圖中，收發信機單元21和收發信機單元14是類似的；但是，應當理解，這兩個收發信機單元的構造可以不同。這兩個收發信機單元的構造使得它們可以位于無線超寬頻帶通信設備中，例如移動電話、移動因特網設備、便攜式無線設備、個人數據助理或者固定的天線小區場所中。
收發信機單元12包括發送電路16。發送電路16用以生成超寬頻帶通信信號，例如信號33。發送電路16以可選功率值生成信號33。例如，該信號可以設置成功率值的離散數值中的一個。為了選擇以后通信的最低可接受功率值，信號33中包含了選定的功率值信息。在一種優選實施例中，信號33發送數字數據通信信息，這種信息可以按照已知技術打成數據包。因此，發送信號的功率值可以通過功率因子52得到。一個或多個數據包，例如數據包43，可以在例如數據包43的頭信息中包含功率因子52。在最為優選的實施例中，功率因子52是用以發送信號33的功率值的6位比特表示。這樣，信號33的發送功率可以在64個可選功率值中選擇。
信號33由接收機，例如收發信機14中的超寬頻帶接收機20接收。接收機單元20連接到測量和比較電路29，后者測量接收的信號33的強度。例如，測量和比較電路29可以測量接收信號的峰值電壓。應當理解，測量接收信號33的強度可以有多種方式。
接收電路20和測量和比較電路29還進行協作，從數據包43中解碼功率因子52，將測得的信號33強度和解碼的功率因子52比較，后者表示了最初發送信號33的功率。利用解碼的功率因子52和測得的接收信號的信號強度，就可以計算出衰減因子15。將衰減因子15送入發送電路22，后者利用衰減因子選擇發送信號38的功率值。這樣，提供了一種自適應功率機制。例如，如果衰減因子15表明接收的信號強度大于可靠通信所需強度，發送電路22可以選擇一個充分低的功率值來發送信號38。但是，如果衰減因子表明出現了高衰減使得信號幾乎不能辨認，那么發送電路22可以將信號38的功率調高。發送電路22所選擇的功率值被編碼成數據包47中的功率因子56，該數據包被發送到接收機電路18。
前面結合接收機20描述過，接收機18接受信號38，利用測量和比較電路27確定衰減因子16。將衰減因子16送入發送電路16以選擇信號35的功率值。上面描述過，為信號35選擇的功率因子以功率因子54的形式包含在數據包45中，后者被送回到接收機20。這種遞歸過程繼續，每個新的衰減因子被送入發送電路22，發送電路22隨后選擇信號40的功率，將信號40的功率值以功率因子58的形式包含在數據包49中。這樣，只需要通過幾輪遞歸，就可以使用具有可接受衰減的最低選定功率值來建立兩個收發信機之間的通信鏈路。
但是，選定的功率是從例如64個可選功率值中選出的。發送功率值最好能更為精確地設置，以確保為傳輸選擇了的最低可用功率值。因此，收發信單元12和14各自包括位置電路25和31，用以精確確定各個收發信機單元的地理位置。
超寬頻帶通信系統的一個眾所周知的特性是可以根據從至少三個地理位置已知的超寬頻帶發射機接收的信號中識別出高度精確的地理位置信息。地理位置未知的收發信機一般從三個固定的超寬頻帶發射機接收超寬頻帶信號，從各個發射機發送的信號包含各自發射機的地理位置信息。利用各個固定發射機的已知位置，并測量接收信號間的細微時間差，地理位置未知的設備可以進行三角變換，精確地確定其地理位置。利用這種三角變換處理，超寬頻帶設備可以將其位置信息確定到例如幾厘米的范圍內。
位置電路，例如位置電路25，從收發信機14接收信號38，收發信機14可以是地理位置已知的固定點，并從至少兩個其它固定的超寬頻帶發射機(未示出)接收信號26。位置電路25利用信號38和26的時間關系和其中的位置信息，精確地確定收發信機單元12的位置。知道了收發信機單元的準確位置，而固定發射機的位置已知，位置電路25和31就能精確確定從該收發信機到固定發射機的距離。該距離信息也被送回到發送電路16。然后，利用該距離信息更為精確地調節發送電路16用以發送下一信號的功率值。
應當理解，盡管圖1示出的通信系統10是在兩個收發信機之間建立通信，但這種通信也可以建立在一個移動收發信機和一個固定收發信機單元之間。還應當理解，優選實施例最初利用32種不同的可選功率值來發送各個信號，但也可以使用其它數量的可選功率值。
現在參看圖2，該圖描述了一種使用超寬頻帶通信系統的方法80。方法80開始時為信號設置一個功率值，將該功率值編碼到將在信號中發送的數據包中，如框82所示。包含了編碼功率值的信號在框84中被發送到接收機。框86中，接收機測量該信號的功率值，從數據包中析取編碼功率值。在框88中，測得的功率值與編碼功率值相比較，計算出衰減因子。
該衰減因子用于確定新的功率值，如框102所示。衰減因子也可以用于大致計算信號發送源到信號接收機的距離。這樣估計得到的距離可以用于后續計算，從而更為仔細地調諧功率值。利用確定的新的功率值，在框104中以新的選定的功率值發送下一信號。
在一種優選實施例中，接收機還從多個發射機，例如三個固定發射機接收信號，如框89所示。利用信號的時間關系和包含的位置信息，可以確定遠端設備的絕對地理位置，如框90所示。另一種方案是，可以將絕對地理位置指派給某個固定接收機，如框92所示。將固定發射機的地理位置通告給接收機，如框94和96所示。該位置最好編碼在數據包中，通過從發射機發送給接收機的超寬頻帶信號來傳送。因為現在接收機知道了它的絕對位置，并且接收到了編碼的關于發射機位置的信息，在框98中，可以比較這兩種地理位置。在比較兩種位置之后，框100中就可以確定發射機和接收機之間的實際距離。然后，利用實際距離確定調諧得更好的功率值，如框102所示。然后，利用調諧得更好的功率值，以新的功率值發送下一信號，如框104所示。
為了提供優化的功率值設置，首先利用遞歸通信過程，將功率值設置成多個可用功率值中的一個。在選擇了功率值之后，在計算中使用發射機和接收機之間的實際距離，更為精確地設置功率值。應當理解，距離和發射功率之間的關系是眾所周知的。因此，圖2的方法能夠準確地將功率值減到最小，從而使得系統范圍的頻帶帶寬達到最大，同時仍確保可靠通信，并減少不希望出現的遠近效應。
現在參看圖3，描述了超寬頻帶通信系統120的一種特定應用。通信系統120包括固定發射機122和固定發射機124。固定發射機122的原小區大小126由圖3的一般圓圈表示，固定發射機124的原小區大小為132。移動用戶，例如用戶133、134和136分散在小區126和132內。固定收發信機122和124中的一個或兩個的控制電路監控各個小區中正在使用的帶寬。根據帶寬利用率，調節小區大小，在一個小區中包含更多的用戶，或者將用戶從小區中排除。例如，如果監控固定收發信機122，發現它接近其帶寬容量，那么可以指令固定收發信機122以較低功率發送，從而有效地將原小區126減小到較小小區范圍128。因為新的小區范圍128較小，它包含的用戶也要少一些，從而降低了固定收發信機122所使用的帶寬量。但是，在從原小區范圍126變化到新小區范圍128過程中，某些用戶會被固定收發信機122所遺棄，例如被遺棄的用戶133。這樣，在固定收發信機122降低其發射功率值的同時，需要指定相鄰的固定收發信機124增加其發送功率值，以包含遺棄用戶，例如被遺棄的用戶133。通過這種方式，原小區范圍132被擴展成新的小區范圍130。隨著小區130的用戶數量的增加，固定收發信機124的帶寬利用率也得到了增加。通過動態監控相鄰小區的帶寬，并且動態調節從固定收發信機發送的功率值，可以在通信系統120范圍內調節帶寬的使用，從而使得系統總帶寬增大。
在本發明的一個特定例子中，提出了一種自適應功率調節方法，以支持堅固而可靠的超寬頻帶通信。總的說來，該自適應功率調節方法確定傳輸路徑所引起的衰減，基于該衰減來自適應調整傳輸的功率值。下面詳細描述該自適應功率調節方法。
在該自適應功率調節方法中，利用一個鍵序列(key sequence)來同步發射機和接收機，使得接收機能夠得到傳輸過程中承受的衰減。該鍵序列可以包括一個或多個UWB脈沖。如果該鍵序列僅包含一個脈沖，那它的幅度必須固定，并且接收機必須知道該值。如果采用脈沖序列，則將發送功率值編碼在該序列中。該信息的編碼與單個脈沖的幅度完全無關，最好利用預定功率值的數字表示來實現。
預定功率值最好有多個。預定功率值的數量最好大于16，如果是64個值，則能實現適當的離散化。這些值不需要是一個線性序列，非線性序列更適合這種應用。值1定義成可得到的最小功率，值64是可得到的最高功率。一旦接收機測量了功率并解碼了鍵序列，就可以計算發射機和接收機之間的路徑上產生的衰減。該接收機然后對該鍵序列作出反應，增加其輸出功率以克服衰減。
該系統有一個限制因素，即需要在開始時限制鍵序列的發射功率以避免干擾其它設備。為此，第一次通信之前的初始功率值需要設定在32左右(在區域中段)。圖4示出了一根適當離散化的功率曲線。可以看出，該曲線設計成在其中間區域克服反平方衰減(如果設計用于室內環境，則是反立方衰減)。也可以設計成在增加了若干值之后，如果沒有得到可理解的應答，則快速按比例升高功率。可以想見，在大多數環境下，接收機都將增加其輸出值以克服衰減，但仍然維持在中段。在相反情況下，如果初始功率過高(誤碼率(BER)與預定閾值低得多)，則接收機可以變化成快速降低下限值。隨著通信會話的進行，持續監控BER和接收的功率，調節功率值以維持較低的BER，或者在信號丟失時重新獲得信號。
相比而言，一些通信會話比另一些通信會話對BER的敏感程度要低(例如視頻比數字數據的敏感程度低)。這種方法利用了這種敏感程度的不同，基于傳送的數據類型調節BER閾值。
在這種方法中，接收機和發射機都存儲通信會話結束時使用的功率值。將該功率值用作特定接收機和發射機對之間的下一通信會話的功率值的第一估計。如果預定時間范圍內沒有發生通信，則使用功率值32，而不是上次使用的功率值。
在有多個發射臺的情況下，該方法可以為發射臺保留最上面的幾個功率值。這些高功率值可以用于克服使信號產生暫時性深衰落的移動障礙。它們也可以用于使該發射臺所服務的區域能夠自適應調節。這種大功率值的使用使得過負荷發射臺能夠通過減小其功率輸出，而相鄰發射臺則接進其保留的功率值，從而將其移動用戶的一部分切換到相鄰發射臺。
現在參看圖5，該圖給出了一種調節超寬頻帶通信系統的發送功率值的方法150。在方法150中，用戶例如通過無線設備開機來發起一次通信，如框151所示。該無線設備監控發送小區的發射機的指令信道，如框153所示，尤其是監控鍵序列。來自發送小區的接收信號在框155中與閾值比較，如果接收信號在閾值之上，則在框156中測量接收信號的強度。如果接收信號沒有達到最小閾值，則選擇功率的缺省值，如框158所示。
因為小區發射機發送的信號有一個編碼功率值，在框157中從接收信號中解碼該編碼功率值和其它信息。利用已知技術，在框159中為接收的傳輸計算誤碼率(BER)。該BER在框160中與閾值比較。如果BER過高，系統回到框153，再次采樣發射機信號。如果BER可以接受，那么在框161中，測得的信號強度與從接收信號中解碼的功率值相比較，計算衰減因子。利用該衰減因子，為下次傳輸選擇功率值。
選定的功率值在外向傳輸的數據中進行編碼，如框163所示，并在發射機中設定選定的功率值，如框164所示。框165-169說明了將接收下一數據流的信道的選擇。如果通信信道已被選出，則在選出的信道上進行傳輸，如框169所示，如果信道尚未分配，則在指令信道上進行查詢傳輸，如框168所示。無論哪種方式都會以如框164所示功率進行傳輸。
現在參看圖6，該圖給出了一種調節超寬頻帶通信系統的發送功率值的方法180。在方法180中，利用特定設備上次成功傳輸的功率值來更為有效地設置下一傳輸的功率值。如框181所示，特定用戶或設備接收到來的通信或者希望發送外向消息。框182中查詢從上次傳輸結束經過的時間，并且與時間閾值比較。該時間閾值可以設置成例如1分鐘。應當理解，不同應用和環境可以設置適當的閾值。
如果傳輸在閾值內進行，在框184中調用上次成功傳輸的功率值。如果上次傳輸在時間閾值之外，功率值則設置成缺省值，如框183所示。選定的功率值在框185中編碼成數據以進行傳輸，并且以選定功率值在框187和190中發送數據。框193和194中期望收到該次傳輸的應答。如果沒有收到響應，則將功率值增加一級，一直到最大值，如框191所示。如果收到應答，則在框197中從接收信號中解碼功率值數據。
以前述方式分別在框195和196中計算衰減因子和BER。如果BER低于最小閾值，那么如果可能的話，在框186中，將下次傳輸的功率值減小一級。這樣，方法180將發送功率值調到了最低的可接受值。如果BER高于閾值，框189利用衰減因子和BER確定下次傳輸的新功率值。例如，如果衰減因子相對較高，但BER只是比BER閾值稍高，那么功率值可能也需要有所增加。因為BER不僅取決于信號質量，而且取決于信號內容，所以方法180能夠設置最低的可接受功率值，以匹配傳輸條件和信號數據內容。
本領域技術人員應當理解，本發明也可以通過不同于以上描述中給出的優選實施例的方式實現，以上描述的目的是為了說明，而不是限制本發明，本發明僅受后續權利要求所制約。應當注意，與以上描述中討論的特定實施例相當的一些方法也可以實現本發明。
權利要求
1.一種設置超寬頻帶通信信號的功率值的方法，包括為第一超寬頻帶信號設置一個初始功率值；在第一超寬頻帶信號上編碼該初始功率值的指示信息；接收機接收第一超寬頻帶信號；測量接收到的第一超寬頻帶信號的強度；接收機解碼該初始功率值的指示信息；利用解碼的信息和測得的強度生成衰減因子；根據該衰減因子確定新的功率值；設定第二超寬頻帶信號的新功率值；以及在第二超寬頻帶信號上編碼新功率值的指示信息。
2.按照權利要求1的方法，還包括以下步驟接收機從多個發射機接收超寬頻帶信號；利用多個超寬頻帶信號確定接收機的地理位置；從接收的超寬頻帶信號中選出一個，從中析取發射機位置信息；比較接收機的地理位置和選定的發射機位置信息；確定接收機和選定的發射機之間的實際距離；以及根據實際距離調節新的功率值。
3.按照權利要求1的方法，其中編碼步驟包括將初始功率值轉換成一個數字值，并將該數字值發送給接收機。
4.按照權利要求1的方法，其中編碼步驟包括將初始功率值的指示信息包含在數據包中，將所述數據包發送給接收機。
5.按照權利要求1的方法，其中測量步驟包括檢測接收到的第一超寬頻帶信號的峰值電壓值。
6.一種超寬頻帶收發信機，包括發送電路，用以將第一超寬頻帶信號發送到接收機，發送電路配置成以選定的功率值發送第一超寬頻帶信號；編碼電路，用以在第一超寬頻帶信號上編碼第一功率值，該功率值指示了選定的功率值；接收電路，用以接收第二超寬頻帶信號，第二超寬頻帶信號具有第二包含的功率值；測量電路，生成的測得的值，指示了第二超寬頻帶信號的強度；計算電路，比較測得的值和第二功率值，生成衰減因子；反饋電路，利用該衰減因子選擇發送電路發送下一超寬頻帶信號所用的新的功率值，將新功率值包含在下一超寬頻帶信號中。
7.按照權利要求6的收發信機，還包括；定位電路，生成指示收發信機實際位置的地理位置數據；距離電路，用以接收指示遠端發射機位置的位置數據，并確定收發信機的實際位置到遠端發射機的實際距離；以及其中反饋電路接收指示實際距離的數據，根據實際距離調節新的功率。
8.一種超寬頻帶通信系統，包括第一固定超寬頻帶收發信機，它服務于第一小區范圍，擁有第一帶寬；第二固定超寬頻帶收發信機，它與第一固定超寬頻帶收發信機相鄰，服務于第二小區范圍，擁有第二帶寬；一個控制器，實現以下步驟監控第一固定超寬頻帶收發信機所用帶寬；如果帶寬超過可接受的使用值，則減小第一小區范圍，放棄第一小區的一部分以減小第一小區所用的帶寬；以及向第二固定超寬頻帶收發信機發送信號，使第二小區范圍增加，以包含至少一部分前述放棄的區域，第二小區的帶寬使用增加。
9.按照權利要求8的方法，其中減小第一小區范圍的過程包括指令第一固定超寬頻帶收發信機以較低功率值發送。
10.按照權利要求9的方法，其中第一固定超寬頻帶收發信機發送的信號包括指示較低功率值的數據。
全文摘要
一種超寬頻帶通信系統，包括一個收發信機，用以接收包含功率值數據的超寬頻帶通信信號。收發信機中的測量電路測量接收信號的強度。比較測得的信號強度和信號中包含的數據，計算衰減因子。反饋電路利用該衰減因子來選擇下一傳輸的功率值。在一種優選配置中，收發信機還具有定位電路，用以精確確定收發信機到通信信號源的距離，前述反饋電路利用該距離調諧下一傳輸的功率值。在另一優選配置中，利用誤碼率來設置下一傳輸的功率值。
文檔編號H04B1/04GK1561583SQ01817894
公開日2005年1月5日 申請日期2001年9月27日 優先權日2000年9月29日
發明者約翰·H·森特霍夫 申請人:脈沖互聯有限公司