DE69533224T2

DE69533224T2 - Leistungsfernsteuerung fur mobile sender in einem cdma ubertragungssystem

Info

Publication number: DE69533224T2
Application number: DE69533224T
Authority: DE
Inventors: G. Edward TIEDEMANN
Original assignee: Qualcomm Inc
Current assignee: Qualcomm Inc
Priority date: 1994-07-25
Filing date: 1995-07-05
Publication date: 2005-07-14
Anticipated expiration: 2015-07-06
Also published as: DE69533707D1; CN1162376A; DE69533224D1; TW281836B; IL114703A0; CA2195984A1; BR9508428A; HK1012797A1; EP0774179A1; DK1139581T3; ES2234764T3; FI970319A0; CN1375952A; JPH10503337A; DE69533707T2; EP0774179B1; ES2224129T3; HK1042994B; AU701510B2; ZA955843B

Description

Hintergrund der Erfindung
I. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf drahtlose Kommunikationen bzw. Nachrichtenübermittlungen. Spezieller bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Leistungssteuerung in einem CDMA-Kommunikations- bzw. Nachrichtensystem.
II. Beschreibung der verwandten Technik
Ein Paket ist ein Verfahren um Nutzerdaten zu verpacken. Typischerweise wird das Paket in verschiedene Felder aufgeteilt, wobei jedes Feld eines oder mehrere Bits aufweist. Jedes Feld wird für eine vorbestimmte Funktion verwendet, wie beispielsweise als Nutzerdaten, Adressen, Fehlererkennung, usw. Datenpakete können gemäß den bereits existierenden Protokollen gebildet werden, wie beispielsweise X.25 und TCP/IP, die in der Technik wohlbekannt sind.
Pakete können mit einem Warenpaketdienst verwendet werden, bei dem die Anwendungs-, Transport- oder andere Schicht das Paket generiert bzw. erzeugt. Pakete können auch durch niedrige Protokollschicht des Netzwerks generiert werden, die einen Datenbitstrom in Datenpakete mit vorbestimmter Länge aufbricht.
Datenpakete können über einen Funkkanal unter Verwendung vieler Verfahren gesendet werden. Ein erstes Verfahren verwendet einen dedizierten Kanal um Pakete zwischen einem Paar von Funk-Transceivern bzw. Funk-Sende-Empfangsgeräten zu befördern. Ein zweites Verfahren umfasst einen einzelnen zentralen Funk-Transceiver, der über einen gemeinsamen Kanal sendet und zwar zu einem oder mehreren anderen Funk-Transceivern, die nach Paketen suchen bzw. überwachen, und zwar nach Paketen die Daten in dem Adressfeld beinhalten, die die spezielle Adresse des Funk-Transceivers an zeigen. Ein drittes Verfahren verwendet ein Protokoll, basierend auf wahlfreiem Zugriff oder Contention in dem die Pakete von einem oder mehreren Funk-Transceivern entweder zu einem zentralen Terminal oder zwischen zwei Transceivern gesendet werden.
In einem typischen zellularen CDMA-Kommunikationssystem nach dem Telecommunications Industries Association/Electronic Industries Association Interim Standard 95 (TIA/EIA/IS-95) entspricht der dedizierte Kanal einem Verkehrskanal. Dieser Kanal sendet Sprach- und Datensignale zwischen der Mobilfunk- und der Basisstation. Der gemeinsame Kanalansatz entspricht dem Senden auf dem Paging Kanal bzw. Rufkanal, der verwendet wird zum Ausstrahlen (broadcast) von Seiten in einem CDMA-System, wobei jede Seite eine Adresse trägt. Der Ansatz mit wahlfreiem Zugriff bzw. Zugang entspricht dem Zugriffskanal (access channel). Ein typisches CDMA-artiges Kommunikationssystem ist detaillierter beschrieben im US-Patent Nr. 5,103,450, erteilt an Gilhousen et al. und übertragen an Qualcomm Inc.
Wenn ein oder mehrere Pakete zwischen einer Basisstation und einer Mobilstation oder vice versa zu übertragen sind, kann ein Verkehrskanal zwischen den beiden zugewiesen werden. Sobald ein Paket gesendet bzw. übertragen wurde, ist die Zeit bis zum nächsten Paket oft unbekannt. Statt dass der Verkehrskanal zugewiesen wird und unbenutzt ist, wird der Kanal nach einer Leerlaufperiode dealloziert bzw. freigegeben (deallocated). Diese Periode kann festgelegt werden und zwar mit der durch Analyse typischer Verkehrsmuster bestimmten Periode. Alternativ kann diese Periode auch variabel sein und zwar mit der Periode, die durch Analyse des gesendeten Paketstroms gesetzt wird.
Die Zuweisung bzw. Allozierung (allocation) von Verkehrskanälen stellt wenigstens zwei Probleme. Erstens braucht der Verkehrskanal Zeit zum Einstellen, verzögert somit die Paketübertragung bzw. Aussendung. Bei einigen Umständen könnte das Einstellen bzw. Setup eines Verkehrskanals mehr als eine Sekunde benötigen. Zweitens können die Ressourcen zum Einstellen und Verwenden eines Verkehrskanals zu teuer sein um die Aussendung von unregelmäßigen Paketen, kurzen Paketen oder kurzen Paketsequenzen zu rechtfertigen.
Leistunsregelung in einem CDMA-System ist sehr wichtig, da eine große Anzahl von Mobilfunkgeräten auf der gleichen Frequenz sendet. Falls ein Mobilgerät mit einer Ausgangsleistung, die zu groß ist sendet, kann es das empfangene Eb/Io von anderen Mobilfunkgeräten verschlechtern und zwar bis zu dem Punkt, dass die Basisstation die Übertragungen bzw. Aussendungen nicht korrekt demodulieren kann. Falls das Mobilfunkgerät mit zu geringer Ausgangsleistung sendet, wird das empfangene Eb/Io von dem Mobilfunkgerät bei der Basisstation zu niedrig sein um das Eb/Io-Empfangssignal richtig zu demodulieren. Die Sendeleistung des Mobilfunkgeräts hat deshalb eine Auswirkung auf die Systemkapazität.
Die Korrelation zwischen Eb/Io und Systemkapazität kann wie folgt gezeigt werden. Wenn es keine Mobilfunkgeräte in anderen Zellen gibt, ist die maximale Anzahl gleichzeitiger Aussendungen, N, ungefähr:
wobei:
W = Spreizbandbreite,
R = Datenrate,
(Eb/Io)_des = gewünschte bzw. Sollqualitätsmetrik, im Folgenden detaillierter erläutert,
N₀ = thermische Rauschspektraldichte des Basisstationsempfängers, und
P_r = Empfangsleistung pro Aussendung ist.
Der zweite Ausdruck im Zähler ist typischerweise sehr klein, verglichen mit W/R, damit gilt
Ein System, das ein höheres gewünschtes bzw. Soll-Eb/Io verwendet, verringert somit die Kapazität.
Für das i-te bzw. i^th Funkgerät ist das empfangene Eb/Io, bezeichnet mit (Eb/Io)_i an der Basisstation ungefähr
Die Wahrscheinlichkeit, dass die Aussendung bzw. Übertragung erfolgreich demoduliert werden kann, ist hoch, falls (Eb/Io)_i das oben beschriebene (Eb/Io)_des übersteigt. Falls P_ri groß ist, ist das Eb/Io jedoch für andere Mobilfunkgeräte verringert bzw. verschlechtert. Falls das empfangene Eb/Io unter (Eb/Io)_des fällt, ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass die Aussendung nicht erfolgreich demoduliert wird.
Das Mobilfunkgerät stellt seine Sendeleistung dynamisch ein, unter Verwendung von Leistungssteuerung und Leistungsregelung um das richtige empfangene Eb/Io bei der Basisstation beizubehalten, wenn Kanalbedingungen wechseln oder der Abstand zu der Basisstation wechselt. Leistungssteuerung stellt die Sendeleistung des Mobilfunkgeräts autonom durch Messen der Empfangsleistung auf dem Vorwärtskanal ein. Leistungsregelung stellt die Sendeleistung des Mobilfunkgeräts durch einen Rückkopplungsbitstrom von der Basisstation ein. Die Basisstation misst das empfangene Eb/Io zum Bestimmen des Rückkopplungsbitstroms. Leistungsregelung und Leistungssteuerung bestimmen zusammen die Sendeleistung des Mobilfunkgeräts, wie es offenbart ist im US-Patent Nr. 5,056,109, erteilt an Gilhousen et al. und übertragen an Qualcomm, Incorporated.
Leistungsregelung kompensiert die Unterschiede im Schwund bzw. Fading zwischen den Vorwärts- und Rückwärtsverbindungen, das beispielsweise auftritt, wenn diese verschiedene Frequenzen sind. Zusätzlich dient es zum Kompensieren der Unterschiede in Sende- und Empfangspfadgewinnen in dem Mobilfunkgerät und der Basisstation.
Leistungsregelung ist in einem typischen Kommunikationssystem möglich, da es einen Verkehrskanal pro Mobilfunkgerät gibt. Diese 1 : 1-Kanalpaarung erlaubt es der Basisstation die Rückwärtskanalleistung des Mobilfunkgeräts zu messen und für das Mobilfunkgerät den Leistungssteuerungsbitstrom von der Basisstation auf dem Vorwärtskanal zu verwenden.
Ein Vielfachzugriffskanal besitzt jedoch nicht eine 1 : 1-Kanalpaarung, da viele Mobilfunkgeräte gleichzeitig senden können. Die Identität des Mobilfunkgeräts ist deshalb nicht notwendigerweise der Basisstation bekannt. Auch kennen die Mobilfunkgeräte nicht die Anzahl der sendenden Mobilfunkgeräte, somit ist die Zuordnung des Leistungssteuerungsbitstroms dem Mobilfunkgerät nicht klar.
Da das Mobilfunkgerät seine Sendezeitsteuerung mit der Zeitsteuerung der Signale, die es von der Basisstation empfängt ausrichtet, und alle Basisstationssignale zeitlich ausgerichtet sind, kommen, wenn zwei gleichzeitige Aussendungen auf dem Rückwärtskanal auftreten und es keinen Mehrpfad gibt, die Aussendungen bei der Basisstation an, und zwar separiert um Zeiten, die gleich der Differenz von zweimal dem Abstand zwischen jedem Mobilfunkgerät und der Basisstation sind. Falls diese Zeit einen Pseudorauschchip (pseudo noise chip) übersteigt, können die zwei Aussendungen bei bzw. durch die Basisstation unterschieden werden. Die Unfähigkeit diese Mehrpfadaussendungen zu unterscheiden, ist eine Kollision.
Wenn es Mehrpfad bzw. Mehrwege gibt, dann gibt es keine Kollision falls die Basisstation die Mehrwegekomponenten identifiziert und richtig kombinieren kann. Falls drei oder mehr Zugangskanalaussendungen in dem gleichen Schlitz auftreten, dann können einige Aussendungen kollidieren während an dere es nicht tun. In einem typischen Vielfachzugriffskanal der beispielsweise in einem TDMA- oder einem FDMA-System gefunden wird, gibt es eine Kollision wenn zwei gleichzeitige Aussendungen auftreten und keine Aussendung wird erfolgreich von der Basisstation demoduliert.
Basisstationen können die gegenseitige Interferenz ferner reduzieren durch Senden mit der minimal nötigen Leistung, damit ihre Signale durch die Basisstation empfangen werden können. Ein Mobilfunkgerät sendet seine erste Aussendung oder Probe mit einem Leistungspegel, der etwas weniger ist als es schätzt, dass es nötig wäre, um die Basisstation zu erreichen. Diese konservative Schätzung kann ein vorbestimmter Wert sein oder sie kann ansprechend auf den gemessenen Leistungspegel eines Signals berechnet werden, das das Mobilfunkgerät besitzt oder von der Basisstation empfängt.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist für das Mobilfunkgerät die von der Basisstation empfangene Leistung zu messen. Diese Empfangsleistung ist die gesendete Leistung der Basisstation multipliziert mit dem Pfadverlust. Das Mobilfunkgerät benutzt dann diese Schätzung, plus eine konstante Korrektur, plus Einstellfakturen um die Anfangssendeleistung festzulegen. Diese Einstellfaktoren können von der Basisstation an das Mobilfunkgerät gesendet werden. Einige dieser Faktoren entsprechen abgestrahlter Leistung der Basisstation. Da der Pfadverlust von der Mobilstation zu der Basisstation im Wesentlichen der gleiche ist wie von der Basisstation zu der Mobilstation, sollte das an der Basisstation empfangene Signal beim richtigen Pegel sein, unter der Annahme, dass die Basisstation die geeigneten Korrekturfaktoren zur Verfügung gestellt hat und dass die Gewinne des Mobilfunkgeräts und der Basisstation fehlerfrei sind.
Nach dem Senden der ersten Zugangsprobe mit diesem minimalen Leistungspegel erhöht die Mobilstation die Leistung von folgenden Proben innerhalb jeder Zugangsprobesequenz um einen vorbestimmten Schrittbetrag. Eine detaillierte Diskussion von Zugangsproben ist einschlägig in IS-95, Sektion 6.6.3.1 und im mitangemeldeten Patent mit dem Titel Apparatus and Method for Reducing Collisions Between Mobile Stations Simultaneously Accessing a Base Station in a CDMA Cellular Communications System, mit der Nr. 08/219,867 von Tiedemann et al. und übertragen an Qualcomm, Inc. vorgenommen.
Zusätzlich kann das Mobilfunkgerät zwischen zwei aufeinanderfolgenden Aussendungen einer Zugangsprobe seine Sendezeit zufällig machen und einen anderen Zugangskanal wählen, um eine potentielle Kollision zu vermeiden. IS-95, Sektion 6.6.3.1 beschreibt das detaillierter.
Es ist deshalb zu sehen, dass Leistungssteuerung sehr wichtig für den richtigen Betrieb eines CDMA-Funktelefonsystems ist. Es gibt einen daraus folgenden Bedarf für einen Leistungssteuerprozess in einem Vielfachzugriffssystem zum Erhöhen der Systemkapazität.
Das Dokument US-A-5,216,692 offenbart ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren gemäß Anspruch 1 vorgesehen.
Der Leistungssteuerprozess in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet eine Vergleichsschwelle zum Bestimmen, ob die Basisstation die Mobilfunkgeräte instruieren sollte ihre Sendeleistung zu erhöhen oder zu verringern. Das gesamte empfangene Eb/Io für alle die Mobilfunkgeräte, die mit einer bestimmten Basisstation kommunizieren, wird mit einer Maximalschwelle für den Rückwärtskanal verglichen. Zusätzlich wird eine minimale Vergleichsschwelle für das zu steuernde Mobilfunkgerät bestimmt. Falls das gesamte empfangene Eb/Io größer ist oder gleich der maximalen Schwelle ist, oder das minimale empfangene Eb/Io für irgendein Mobilfunkgerät größer ist als das Rückwärtskanalminimum, instruiert die Basisstation das Mobilfunkgerät zum Verringern seiner Ausgangsleistung. Falls das gesamte empfangene Eb/Io kleiner ist als die maximale Rückwärtskanalschwelle und das minimale empfangene Eb/Io für irgendein Mobilfunkgerät kleiner als oder gleich dem Rückwärtskanalminimum ist, instruiert die Basisstation die Mobilfunkgeräteleistung zu erhöhen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein Flussdiagramm des Prozesses der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt ein Diagramm der Rahmenfehlerrate versus Eb/Io.
3a und 3b zeigen eine typische Vorwärtspaketkanalstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt die Leistungssteuerbitpositionen gemäß der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt ein Blockdiagramm eines typischen Mobilfunkgeräts gemäß der vorliegenden Erfindung.
6 zeigt ein Blockdiagramm einer typischen Basisstation gemäß der vorliegenden Erfindung.
7 zeigt das Format eines Vorwärts-CDMA-Kanals gemäß der vorliegenden Erfindung.
8 zeigt das Format eines Rückwärts-CDMA-Kanals gemäß der vorliegenden Erfindung.
9 zeigt eine Kurve der Sendeleistung zweier Funkgeräte und ihrer Reaktion auf Leistungssteuerkommandos gemäß der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
Die vorliegende Erfindung weist ein Paar von Kanälen auf, die im Folgenden als die Vorwärts- und Rückwärtspaketkanäle bezeichnet werden. Die Basisstation kommuniziert mit den Mobilfunkgeräten über den Vorwärtskanal und die Mobilfunkgeräte kommunizieren mit der Basisstation über den Rückwärtskanal. Eine Basisstation verwendet den Leistungssteuerprozess der vorlie genden Erfindung über den Vorwärtspaketkanal um die Sendeleistung eines oder mehrerer Mobilfunkgeräte, die auf dem Rückwärtspaketkanal senden, dynamisch einzustellen.
Die folgende Diskussion bezieht sich auf Mobilfunkgeräte und Basisstationen als das bevorzugte Ausführungsbeispiel. Mobilfunkgeräte umfassen Funktelefone, die sowohl in einem terrestrischgestützten Kommunikationssystem und einem satellitengestützten Kommunikationssystem verwendet werden. In gleicher Weise können die Basisstationen auf der Erde oder als Satelliten im Orbit lokalisiert sein.
Der Rückwärtspaketkanal ist in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Kanal mit variabler Rate, der Datenpakete sendet, die in eine Sequenz eines oder mehrerer Rahmen aufgebrochen wurden. In einem alternativen Ausführungsbeispiel hantiert der Rückwärtspaketkanal mit Daten mit einer festen Rate.
Jede Aussendung umfasst eine Präambel, die bei der Spreizspektrumakquisition hilft, die von dem Datagramm gefolgt wird. Die Präambel des Rückwärtspaketkanals ist die gleiche wie die beim Zugangskanal verwendete Präambel; eine Sequenz eines oder mehrerer modulierter Rahmen der Walshfunktion 0. Die Zugangskanalpräambel (access channel preamble) ist detaillierter in TIA/EIA IS-95 erörtert. Alternative Ausführungsbeispiele verwenden andere Präambeln als die Walsh-Funktion 0. Ein anderes alternatives Ausführungsbeispiel umfasst durch bekannte Frequenzen modulierte Rahmen. Jedoch erhöht das die Empfängerkomplexität.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht der Vorwärts-CDMA-Kanal aus einem Pilotkanal, einem Synchronisationskanal, einem oder mehreren Rundrufkanälen bzw. Paging Kanälen, einem oder mehreren Vorwärtspaketkanälen und Vorwärtsverkehrskanälen. 7 illustriert das Format des bevorzugten Ausführungsbeispiels des Vorwärts-CDMA-Kanals einschließlich der Verkehrskanäle (705) und Paketkanäle (710) mit Leistungssteuerunterkanälen (715). Der Vorwärtspaketkanal ist ein Spreizspektrumkanal, ähnlich im Betrieb dem Vorwärtsverkehrskanal, wie in IS-95 offenbart, wie in den 3a und 3b illustriert ist. Eine vollständigere Diskussion dieses Kanals kann in IS-95 gefunden werden.
8 illustriert das Format des Rückwärts-CDMA-Kanals. Ein Satz eines oder mehrerer Zugangskanäle (805) ist mit jedem Paging Kanal assoziiert. Eine Overheadnachricht (overhead message) definiert die Anzahl der Zugangskanäle (805), die mit einem speziellen Paging Kanal assoziiert sind. In gleicher Weise sind ein oder mehrere Rückwärtspaketkanäle mit einem Vorwärtspaketkanal assoziiert, und eine Overheadnachricht definiert die Anzahl der Rückwärtspaketkanäle, die mit einem speziellen Vorwärtspaketkanal assoziiert sind. Verschiedene Rückwärtspaketkanäle (810), die mit dem gleichen Vorwärtspaketkanal assoziiert sind, werden differenziert dadurch dass jeder Rückwärtspaketkanal einen einzigartigen Spreizcode besitzt.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Zuweisung eines Rückwärtspaketkanals zu einem Vorwärtspaketkanal statisch indem, dass ein Mobilfunkgerät kontinuierlich den gleichen Vorwärtspaketkanal überwacht, solange es in der gleichen Zelle ist. Der Kanal kann zugewiesen werden durch Verwendung von Information von Overheadparametern, durch Zuweisung auf einer Pro-Mobilfunkgerätbasis oder über eine statische Prozedur.
Die Rückwärtspaketkanäle ermöglichen es mehreren Mobilfunkgeräten gleichzeitig zu senden. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel eines CDMA-Systems kollidieren die mehreren Aussendungen von mehreren Mobilfunkgeräten nur falls ihre Mehrpfadkomponenten überlappen wie vorangegangen beschrieben wurde. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wählt das Mobilfunkgerät zufallsmäßig für seine Aussendungen einen der mit einem Vorwärtspaketkanal assoziierten Rückwärtspaketkanäle. Alternative Ausführungsbeispiele verwenden andere Verfahren zur Kanalauswahl. Zusätzlich kann die Sendezeit eines Funkgeräts, das ein Rückwärtspaketkanal verwendet zufällig gemacht werden, wie es für den Zugangskanal gemacht wird. Die se Techniken verringern die Wahrscheinlichkeit einer Kollision durch Verteilen der Mobilfunkgeräte über Kanäle oder Zeit. Das dient auch zum Erhöhen der Systemkapazität. Wenn das Mobilfunkgerät ein Paket wieder sendet, kann es die Sendezeit und Wahl des Rückwärtspaketkanals zufälliger machen, um Kollisionen zu vermeiden, wie es vorhergehend für den Zugangskanal beschrieben wurde.
Ein Flussdiagramm des Leistungssteuerprozesses der vorliegenden Erfindung ist in 1 illustriert. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendet dieser Prozess das einheitslose Verhältnis Eb/Io zum Bestimmen ob die Sendeleistung des Funkgeräts einzustellen ist und falls dem so ist, ob die Leistung zu erhöhen oder zu vermindern ist. Alternative Ausführungsbeispiele verwenden andere Signalqualitätsmetriken zum Schwellenvergleich wie beispielsweise Pr/NO, P_r, oder einige skalierte Äquivalente von Eb/Io; P_r ist die Empfangsleistung.
Das Eb/Io-Verhältnis ist eine Standardqualitätsmessung für digitale Kommunikationssystemleistungsfähigkeit. Das Verhältnis drückt die Energie pro Bit im Verhältnis zu der gesamten Interferenzspektraldichte des Kanals aus. Eb/Io kann als eine Metrik betrachtet werden, die die Leistungsfähigkeit eines Kommunikationssystems über ein anderes charakterisiert; je kleiner das benötigte Eb/Io, um so effizienter ist die Systemmodulation und der Detektionsprozess für eine gegebene Fehlerwahrscheinlichkeit. Eine detailliertere Diskussion dieses Konzepts kann in B. Skalr, Digital Communications, Fundamentals and Applications, Chapter 3 (1988) gesehen werden.
Der Prozess der vorliegenden Erfindung, in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, wird in einem typischen CDMA-zellularen Funktelefonsystem verwendet, wie im '459 Patent oben beschrieben ist. Das Funktelefonsystem besteht aus zahlreichen Funktelefonen, die zu einer Basisstation über einen Rückwärtskanal senden und von einer Basisstation über einen Vorwärtskanal empfangen.
Das maximale gesamte Eb/Io wird im Folgenden als das zugewiesene Eb/Io (Schritt 100) bezeichnet. Das zugewiesene Eb/Io kann mit der Verkehrskanallast variieren.
Das zugewiesene Eb/Io wird von der Basisstation als die maximale Schwelle für alle Mobilfunkgeräte, die zu dieser Basisstation senden, verwendet. Falls ein spezielles Mobilfunkgerät, das zu der Basisstation sendet, eine Sendeleistungserhöhung benötigt, wird die Basisstation das Mobilfunkgerät nicht instruieren seine Sendeleistung über das zugewiesene Eb/Io hinaus zu erhöhen.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel besitzt die Rückwärtsverbindung ein Soll- bzw. gewünschtes Eb/Io, das ihr von der Basisstation zugewiesen wurde (Schritt 105). Das gewünschte Verhältnis ist der Wert, der eine hohe Wahrscheinlichkeit liefert, dass ein Paket ohne Fehler von der Basisstation empfangen wird, und gerade eine hohe Kapazität beibehält, wie oben beschrieben. Als ein Beispiel besitzt ein Paket, das aus 10 Rahmen mit einem 3 dB Eb/Io besteht, eine ungefähre Fehlerrate von 10%, wie in 2 gezeigt.
Wählen eines größeren Eb/Io verursacht dass die Paketfehlerwahrscheinlichkeit der Aussendung bzw. Übertragung sich verringert. Das ist in der Graphik der 2 illustriert. Diese Kurve zeigt den Effekt des Erhöhens von Eb/Io auf die Rahmenfehlerrate. Bezugnehmend auf 2 ist beispielsweise, falls das Eb/Io 4 dB ist, die resultierende Fehlerrate für das 10-Rahmenpaket 4 × 10^–3.
Falls Eb/Io groß gewählt wird, kann das gesendete Signal jedoch Interferenz bei anderen Mobilfunkgeräten verursachen, die mit der Basisstation kommunizieren.
Das empfangene Eb/Io jedes Mobilfunkgeräts wird durch die Basisstation geschätzt (Schritt 115). Da die Basisstation die Mobilfunkgeräte während der Aussendung der Paketpräambel akquiriert, kann sie die Anzahl der Mobilfunkgeräte bestimmen, die an die Basisstation senden. Diese individuellen Eb/Io für die Basisstation werden summiert (Schritt 120) und, wie später diskutiert wird, wird die Summe verwendet beim Bestimmen des richtigen Leistungssteuerkommandos, das an die Mobilfunkgeräte gesendet werden soll. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel empfangen alle Mobilfunkgeräte, die auf den gleichen Vorwärtspaketkanal hören, auch den gleichen Leistungssteuerbitstrom. Somit steuert jeder Leistungsbitstrom alle die Mobilfunkgeräte, die auf irgendeinen der Rückwärtspaketkanäle senden, die mit dem Vorwärtspaketkanal assoziiert sind.
Die Basisstation steuert die Sendeleistung des Mobilfunkgeräts unter Verwendung von Leistungsregelung. Mit anderen Worten, falls die Basisstation bestimmt, dass die Sendeleistung des Empfangssignals zu hoch ist, sendet die Basisstation einen Befehl bzw. ein Kommando an das Mobilfunkgerät, seine Sendeleistung zu verringern. Die Basisstation sendet einen Befehl, eine Erhöhung anweisend falls die Sendeleistung zu niedrig ist. Dieser Leistungssteuerbefehl ist im bevorzugten Ausführungsbeispiel zwei Modulationssymbole. Das bevorzugte Ausführungsbeispielsformat solch eines Wortes ist in 4 dargestellt.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Leistungssteuerbit der vorliegenden Erfindung durch die Basisstation gemäß den folgenden Bedingungen gesetzt. Das Leistungssteuerbit wird auf eine 1 gesetzt, und zwar das Mobilfunkgerät anweisend seine Leistungsausgabe zu verringern, falls die folgende Bedingung wahr ist:
wobei i = dem i^th Mobilfunkgerät ist.
Das Leistungssteuerbit wird auf eine 0 gesetzt, das Mobilfunkgerät anweisend seine Leistungsausgabe zu erhöhen, falls die folgende Bedingung wahr ist:
wobei i = dem i^th Mobilfunkgerät ist.
Mit anderen Worten, ist die erste Bedingung (Schritt 125) wahr, wenn das gesamte oder Summe der Eb/Io von allen Mobilfunkgeräten, die mit der Basisstation kommunizieren, größer ist oder gleich dem maximalen Eb/Io ist, oder wenn das minimale Eb/Io von irgendeinem der Mobilfunkgeräte größer ist als das gewünschte Eb/Io. In diesem Fall wurde die Gesamtmenge des Eb/Io, das dem Rückwärtspaketkanal zugewiesen wurde, überschritten, wie es der Fall sein könnte, wenn zu viele Mobilfunkgeräte senden. Eb/No eines speziellen Mobilfunkgeräts könnte auch größer als erforderlich gewesen sein, und das Empfangssignal kann die verbleibenden Rückwärtspaketkanalnutzer stören, so dass die Leistungsausgabe des Mobilfunkgeräts verringert werden muss (Schritt 130).
Die zweite Bedingung (Schritt 135) ist wahr, wenn die Summe der Eb/Io von allen der Mobilfunkgeräte, die mit der Basisstation kommunizieren, weniger ist als das maximale Eb/Io und wenn das minimale Eb/Io von irgendeinem der Mobilfunkgeräte weniger oder gleich dem gewünschten Eb/Io ist. In beiden Fällen ist das Eb/Io des Mobilfunkgeräts zu niedrig und das Empfangssignal kann nicht korrekt demoduliert werden, so dass die Leistungsausgabe des Mobilfunkgeräts erhöht werden muss (Schritt 140).
Alternative Ausführungsbeispiele des Leistungssteuerprozesses der vorliegenden Erfindung verwenden andere Bedingungen, die zu gleichen Ergebnissen führen. Auch könnten die oben erwähnten anderen Vergleichsschwellen in den obigen Bedingungen substituiert werden, um zu gleichen bzw. ähnlichen Ergebnissen zu führen.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel des Leistungssteuerprozesses der vorliegenden Erfindung bestimmt die Basisstation, ob der Befehl zum Erhöhen der Leistung dazu führt, dass die Leistungsausgabe des Mobilfunkgeräts das zugewiesene Eb/Io übersteigt. Falls das zutrifft, befiehlt die Basisstation dem Mobilfunkgerät seine Sendeleistung zu verringern statt einer Erhöhung.
Falls es eine einzelne Übertragung auf dem Rückwärtspaketkanal der vorliegenden Erfindung gibt, wird die Leistungssteuerung auf dem Verkehrskanal durchgeführt, wie es im US-Patent Nr. 5,056,109 erläutert ist, das an Gilhosen et al erteilt und an Qualcomm, Inc. übertragen wurde. Wenn es mehrere Übertragungen gibt, versucht die Basisstation das Mobilfunkgerät mit dem schlechteren Eb/Io bei dem zugewiesenen Eb/Io zu halten, und zwar gemäß der Randbedingung, dass das gesamte empfangene Eb/Io nicht zu groß ist.
Ein Beispiel des oben beschriebenen Leistungssteuerprozesses ist in 9 illustriert. 9 zeigt eine graphische Darstellung der Sendeleistung von 2 Nutzern A und B. Das gewünschte Eb/Io ist die untere Schwelle, während die obere Schwelle das zugewiesene Eb/Io ist. Die obere Kurve zeigt ΣEb/Io, die in diesem Fall A + B ist. Die von der Basisstation gesendeten Leistungssteuerbefehle werden am unteren Ende der graphischen Darstellung illustriert.
Die Anfangsteile der Wellenformen des Nutzers A und Nutzers B sind beide über dem gewünschten Eb/Io und das ΣEb/Io ist über dem zugewiesenen Eb/Io. Unter Verwendung des Prozesses der vorliegenden Erfindung sendet die Basisstation Leistungssteuerbefehle aus, die die Mobilgeräte anweisen ihre Sendeleistung nach unten zu stellen bzw. zu reduzieren. Wie von IS-95 7.1.3.1.7 gefordert, wird eine Verzögerung um zwei Leistungssteuergruppen ausgegeben, bevor ein Leistungssteuerbefehl implementiert wird. Deshalb zeigt die graphische Darstellung, dass die Leistung bis zum Schlitz i + 2 nicht abnimmt. Das ist in 4 illustriert.
Nach vier Leistungssteuerbefehlen zum Verringern sendet der Nutzer B Leistung, die unterhalb dem gewünschten Eb/Io ist. Die Basisstation sendet drei Befehle zum Aufdrehen bzw. Erhöhen. Nach der Verzögerung um zwei Leistungssteuergruppen ist die Ausgangsleistung des Nutzers B über dem gewünschten Eb/Io und das ΣEb/Io ist über dem zugewiesenen Eb/Io. Dieser Prozess geht in gleicher Art und Weise weiter.
Falls eine große Anzahl von Übertragungen auf einem verkehrsreichen Kanal empfangen wird, begrenzt der Leistungssteuerprozess die Leistungsausgabe bei dem zugewiesenen Eb/Io. Das wird wahrscheinlich eine höhere Fehlerrate bei einigen Paketübertragungen erzwingen. In diesem Fall kann die Basisstation die Entscheidung treffen, die Leistung nur einiger weniger Ströme zu steuern, und zwar in dem das minimale Eb/Io der obigen Bedingungen über eine Teilmenge bzw. Untermenge der empfangenen Übertragungen gebildet wird. Das wird wahrscheinlich die Auswirkung auf andere Mobilfunkgeräte begrenzen.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann das gewünschte bzw. soll Eb/Io für verschiedene Kanalbedingungen eingestellt werden, um eine gewünschte bzw. Soll-Paketfehlerrate beizubehalten. Falls die Paketfehlerrate für ein ge wünschtes Eb/Io zu hoch ist, kann die Basisstation das gewünschte Eb/Io erhöhen, und somit die Paketfehlerrate vermindern. Alternativ, falls die Paketfehlerrate niedriger als gefordert ist, kann die Basisstation das gewünschte Eb/Io verringern und somit die Paketfehlerrate erhöhen.
Diese letztere Einstellung dient zum Erhöhen der Gesamtsystemkapazität. Es kann erforderlich sein, die oben erwähnten Einstellungen für unterschiedliche Kanalbedingungen zu machen. Zum Beispiel, falls es viele Mehrwegeanteile gibt, kann die Basisstation nicht fähig sein, Energie genauso effizient zu kombinieren. In der Technik wird der Kombinationsverlust (combining loss) genannt. Im anderen Extrem könnte Fading eine höhere Paketfehlerrate verursachen, falls es nur einen Mehrwegeanteil gibt. Um eine niedrige Paketfehlerrate in beiden dieser Fälle beizubehalten, kann die Basisstation das gewünschte Eb/Io erhöhen.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das gewünschte Eb/Io das gleiche für alle Mobilfunkgeräte. Alternativ könnte das gewünschte Eb/Io verschieden für jedes Mobilfunkgerät sein. Die vorigen Gleichungen können dann wie folgt geschrieben werden:
wobei i = dem i-ten Mobilfunkgerät und ^∀i| zeigt an, dass für alle i, falls das obige wahr ist, das Mobilfunkgerät angewiesen wird, seine Leistung zu verringern; und
wobei i = dem i-ten Mobilfunkgerät und ^∃i| zeigt an, dass es ein i gibt, so dass falls das obige wahr ist, das Mobilfunkgerät angewiesen wird, seine Leistung zu erhöhen.
Nach dem Senden der ersten Zugangsprobe mit einem minimalen Leistungspegel erhöht das Mobilfunkgerät die Leistung nachfolgender Proben innerhalb jeder Zugangsprobensequenz um eine vorbestimmte Schrittmenge. Diese Schrittmenge ist verschieden für verschiedene Ausführungsbeispiele und ist gesetzt bzw. festgelegt zum Optimieren der Systemleistungsfähigkeit.
Ein vereinfachtes Blockdiagramm eines typischen Mobilfunkgeräts ist in 5 dargestellt. Von der Basisstation empfangene Signale werden mit der Antenne (501) empfangen. Der Duplexer (502) splittet das Signal auf zu dem rauscharmen Verstärker (503), der das Signal verstärkt. Dieses verstärkte Signal wird dann in einen Verstärker (504) mit variabler Verstärkung eingegeben dessen Verstärkung durch eine automatische Empfangsverstärkungssteuerungsschaltung (505) gesteuert wird. Der Ausgang des Verstärkers (504) mit variabler Verstärkung wird an einen Demodulator und Decoder (506) eingegeben. Der Demodulatorteil entfernt die Signalmodulation, so dass die paketierte Information durch den Paketempfänger (507) in eine digitale Form aufgebrochen werden kann, die von einem Computer oder anderem elektronischen Gerät nutzbar ist.
Ein von einem Computer oder anderem elektronischen Gerät zu übertragendes bzw. zu sendendes digitales Signal wird zuerst paketiert (520). Diese Datenpakete werden dann durch den Codierer und Modulator (525) moduliert. Das modulierte Signal wird in einen Verstärker (530) mit variabler Verstärkung eingegeben, der das Signal vor dem Leistungsverstärker (535) mit fester Verstärkung verstärkt. Der Ausgang des Leistungsverstärkers (535) wird in den Duplexer (502) eingegeben, der das Signal zum Ausstrahlen mit der Antenne (501) koppelt.
Die Verstärkung des Verstärkers mit variabler Verstärkung wird durch das Leistungssteuerbit der vorliegenden Erfindung gesteuert, welches von der Basisstation gesendet wird. Wenn das Mobilfunkgerät das Leistungssteuerbit empfängt, wird es in den Leistungsregelschaltkreis (540) eingegeben. Dieser Schaltkreis (540) bestimmt einfach ob das Leistungssteuerbit eine logische 1 oder eine logische 0 ist, und erzeugt die richtige Steuerspannung zum Erhöhen oder Verringern der Verstärkung des Leistungsverstärkers (530) mit variabler Verstärkung.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Verstärkung in 1 dB Inkrementen erhöht oder verringert. Der Leistungssteuerschaltkreis (540) gibt einen digitalen Wert aus, der jeweils 1 dB Erhöhung oder Verringerung anzeigt. Dieser digitale Wert wird in einen Digital-zu-Analog-Konverter (DAC) (545) eingegeben. Der DAC konvertiert den digitalen Wert in ein analoges Signal, das die Verstärkung des Leistungsverstärkers mit variabler Verstärkung steuert. Auf diese Art ermöglicht es der Prozess der vorliegenden Erfindung der Basisstation die Sendeleistung des Mobilfunkgeräts dynamisch einzustellen, während Bedingungen wechseln.
Alternativ muss die Erhöhung und Verringerung der Verstärkung nicht mit dem gleichen Betrag sein. Zusätzlich kann die Erhöhung oder Verringerung der Leistungssteuerungsverstärkung adaptiert werden, und zwar basierend auf der Folge von Auf- oder Abbefehlen, die von dem Mobilfunkgerät empfangen worden sind.
6 zeigt ein Blockdiagramm eines typischen CDMA-Basisstationssystems, das den Leistungssteuerprozess der vorliegenden Erfindung umfasst. Dieses Diagramm zeigt die Antennen einer Basisstation (601 und 602), die die von dem Mobilfunkgerät gesendeten Signale empfängt. Die Empfangssignale werden an verschiedene Empfänger (605–620) verteilt, und zwar davon abhängig welcher verwendet wird. Die Empfänger (605–620) erzeugen die demodulierten Bits zur Verwendung durch andere Geräte, wie beispielsweise externe Computer.
Die Empfänger (605–620) erzeugen auch die Signal-zu-Interferenzverhältnisse Eb/Io, die von dem Leistungssteuerprozess der vorliegenden Erfindung (625) zum Erzeugen der Leistungssteuerbits verwendet werden. Diese Bits werden in den Leistungssteuerstrom eingefügt, und zwar durch Punktieren (630) des Vorwärtskanalsignals, das von dem Modulator (635) erzeugt worden ist. Dieses Signal wird dann schließlich durch die Sendeantenne (603) an das Mobilfunkgerät gesendet.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird Leistungssteuerung durch ein einzelnes Bit durchgeführt. Alternative Ausführungsbeispiele verwenden jedoch mehrere Bits zum Bilden eines Leistungssteuerkommandoworts. Solch ein Wort kann nicht nur die Richtung der Sendeleistung steuern, sondern auch die Rate der Leistungsänderung. Beispielsweise instruiert ein Bit des Befehls das Funkgerät zum Erhöhen der Leistung, während ein anderes Bit des Befehls die Erhöhung instruiert, und zwar dass sie in 2 dB Inkrementen anstelle von 1 dB ist.
Zusammenfassend verwendet der Leistungssteuerprozess der vorliegenden Erfindung einen einzelnen Leistungssteuerbitstrom von der Basisstation zum Steuern der Sendeleistung verschiedener Funkgeräte. Die Signalqualitätsmetrik Eb/Io wird verwendet zum Bestimmen, ob die Leistung zu erhöhen oder zu verringern ist, und welcher Betrag der Leistungsänderung nötig ist.

Claims

Ein Verfahren zur Steuerung bzw. Regelung der Sendeleistung einer Vielzahl von Funkgeräten, die mit einer Basisstation in Verbindung stehen und wobei das Verfahren ferner die folgenden Schritte aufweist: Bestimmen der erforderlichen Sendeleistung von jedem Funkgerät der Vielzahl von Funkgeräten durch die Basisstation, und dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung eines einzigen Leistungssteuerbitstroms erfolgt und zwar basierend auf der erwähnten Bestimmung der für jedes Funkgerät der Vielzahl von Funkgeräten erforderlichen Sendeleistung; wobei die Basisstation den gleichen Leistungssteuerbitstrom zu jedem der Vielzahl von Funkgeräten sendet bzw. überträgt, um jedes Funkgerät zu instruieren seine Sendeleistung ansprechend auf die erforderliche Sendeleistung zu ändern.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bestimmens der Sendeleistung die folgenden Schritte aufweist: Bestimmen der ersten Signalqualitätsschwelle (100); Bestimmen einer zweiten Signalqualitätsschwelle (105); Bestimmen einer Signalqualitätsmetrik für jedes Funkgerät der Vielzahl von Funkgeräten (120); und Vergleichen der Signalqualitätsmetriken für die Vielzahl von Funkgeräten mit den ersten und zweiten Signalqualitätsschwellen (125, 135).
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Signalqualitätsmetrik ein Energie-pro-Bit-zu-Gesamtinterferenz-Spektraldichte-Verhältnis ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei ferne die folgenden Schritte vorgesehen sind: Erhöhen der Sendeleistung, wenn eines der Funkgeräte eine Signalqualitätsmetrik besitzt, die kleiner ist als die erste Signalqualitätsschwelle (140) und Verringern der Sendeleistung dann, wenn die Gesamtsignalqualitätsmetrik größer als die zweite Signalqualitätsschwelle (130) ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die erste Signalqualitätsschwelle eine minimale Signalqualitätsschwelle und die zweite Signalqualitätsschwelle eine maximale Signalqualitätsschwelle ist.