专利名称：在电池寿命尾声提高通话时间的系统和方法
背景技术：
背景部分提供蜂窝电话发射功率控制、电池寿命、信道编码(包括为AMR定义的信道编码)以及这些条目之间如何相互联系的概述。这些条目的讨论既不完全也不广泛。仅仅讨论与本发明相关的方面。此外，为便于参考提供常用首字母缩写词和缩略语列表。
ACS 有效编解码设置AFS AMR全速语音业务AHS AMR半速语音业务AMR 自适应多码率语音传输编解码器BER 误码率BSS 基站子系统BTS 基站收发信台CDMA 码分多路访问CHD 信道解码器chip BER 由CHD执行任何纠错之前的BERD-AMPS数字先进移动电话系统EFR 增强型全速率语音编解码器(GSM)EVRC 增强型可变速率编解码器(IS-95)FRGSM的全速语音业务GSM 全球数字移动电话系统HRGSM的半速话音服务MS移动站，即便携式电话PA功率放大器PDC 个人数字蜂窝电话PLx 发射功率等级设置RX接收RXLEV 接收信号等级(强度)RXQUAL接收信号质量TX发射为了简便和清楚，除了注释其它方面的地方之外，背景和发明描述都在全球数字移动电话系统(GSM)的峰窝电话系统范围内进行阐述。此外，假设GSM系统包括AMR语音编解码器，例如在GSM标准[GSM06.71，05.09]下的AMR编解码器。但是，应该认识到本发明的方法可扩展到这种特定AMR系统之外。特别地，本方法可应用于任何使用多码率语音或数据业务的数字通信系统。除GSM/AMR之外的应用实例包括窄带CDMA(IS-95)中标准的EVRC语音业务和宽带AMR业务。
便携式峰窝电话由具有有限容量的电池供电。目前，电池容量范围为400到120O毫安小时。这个容量和电话耗电情况决定可用的通话时间和待机时间。
峰窝电话和移动站(MS)具有很多运行模式并且每个模式有其自身的电流消耗需求。本发明相关的两个模式是待机和工作(也称为“通话”)状态。待机模式是指电话开机并加入网络但没有进行通话的时长。在这个时段内，电话支取最少量的电流来供给其接收器读取控制信道。尽管能被蜂窝网络配置，但是电话接收器必须被允许的占空比保持很低以便在待机模式期间最小化MS电流消耗。
业务信道上的情况截然不同。接收器和发送器必须加以更高的占空比，例如，对于全码率语音信道上8个时隙范围之中的1个。这会导致其能耗比待机模式所要求的能耗有较大提高。工作模式期间，最大的耗能者通常是功率放大器(PA)。PA电流消耗根据发射功率等级显著变化。这个功率等级由基站子系统(BSS)控制。MS没有选择这个等级的自主权。
MS电池容量在待机期间被缓慢消耗而在通话期间被迅速消耗。最终，电池电压下降到MS无法继续运行的点处。一旦在待机或通话期间电池达到这个截止电压点，MS必须关闭。
如果在通话期间达到截止电压，通话结束并且MS关闭。如果MS处于待机状态，如果电池电压比高于绝对截止电压的某个阈值低时，便不接受电话的开始是理想的(并典型的)。例如，考虑处于待机状态并仅有0.1％剩余电池容量的MS，其对应5秒的通话时间。如果成功接通电话但仅5秒后便结束通话将严重妨碍用户。因此，多数MS具有高于绝对截止电压的某个阈值电压(指示电池容量)，在所述绝对截止电压点上无法接通电话。一旦电池电压降到该阈值以下(在待机模式下)，MS将关闭。自此以后，这个阈值电压将被称为待机截止电压。
绝对关闭截止电压阈值通常由MS内采用的半导体技术决定。例如，MS可使用要求(多个)3V调整器的3V逻辑电路，该调整器反过来要求来自电池的电压输入最小为3.1V。此后，这一绝对截止电压将被称为通话截止电压阈值。可将通话电压阈值定义为高于由半导体技术规定的绝对截止电压，以便避免电池的过度放电。这个细节与本发明的独有内容无关，为简便起见此后将予以省略。
选取待机截止阈值电压时存在某些设计灵活性。所选电压越高，建立通话后保证的可用通话时间越长。但是，高电压极大降低了电话的可用待机时间。因此，要求不能将这个阈值选得过高。在一个典型例子中，设计者可确定一个电池容量，该电池容量应足以保证完成一个5分钟的通话。它将被变换为一个允许5分钟通话的电压阈值。
除待机截止阈值电压和通话截止阈值电压之外通常还定义有两个阈值。它们被用来警告用户MS的电池容量即将耗尽。这一警告典型地通过提供蜂鸣声、闪动LED和/或显示低电量警告图标来实现。用户可采取更正措施，例如插上电池充电器、结束进行中的通话或更换为一块已充电的电池。待机状态的低电量警告阈值电压被定义为刚好高于待机截止阈值电压。通话中的低电量警告阈值电压被定义为高于通话截止阈值电压的某个增量。
为阐明这些电压阈值的使用和含义，一种使用3.6V电池技术的电话的某些典型数值列于下表中。这样一种电池的放电曲线示于图1。
表1典型MS电池电压阈值通过提高发射功率或提高信道编码增益可以改善不良的信道质量。老式蜂窝系统中，例如PDC、D-AMPS、non-AMR GSM，对于给定语音业务信道编码是固定的，以致调整链路质量的唯一方法是发射(TX)功率。但是，自适应多码率(AMR)还提供调整信道编码的机会。
对于来自GSM MS的上行链路，基站收发信台(BTS)不断地计算与其接收链路质量相关的两个参数接收信号强度(RXLEV)和接收信号质量(RXQUAL)。前者指整个接收信号强度，并且可包括除了来自附属MS的理想载波信号之外的同信道干扰和邻信道干扰(不理想的)。后一个参数基于理想信道中估得的由CHD执行任何纠错之前的误码率(BER)，并且本质上考虑任何干扰的负面效应。基于这些测量，BSS确定一个能够保持足够上行链路质量的适当的MS功率等级。在每480秒发送一次的SACCH消息中将这些功率等级指示到MS。功率设定值间隔2dB，起始于MS的最大功率等级处且由此降低。MS最大功率由MS功率类别确定，该功率类别在MS注册时在承载容量方面被传递到BSS。通常，在通话开始时BSS将MS设置为其最大功率。如果RXLEV和RXQUAL读数较好，BSS将逐渐降低MS功率直到BTS接收信号足以在某一容限内维持高通话质量。
单单功率控制不足以一直维持高链路质量。也可通过对语音编解码器比特流增加信道编码来处理进入语音解码器的BER。对于“固定码率”语音业务(全码率-FR，半码率-HR以及增强型全码率-EFR)，为其中每一个定义一种信道码。
诸如AMR的多码率语音业务使得有可能动态调整信道编码以使其适应信道质量。对于像BTS附近的优良信道而言，链路需要很少编码意味着可给语音编码器分配更多的带宽来提供最高音频质量。相反地，在小区边缘或衰减条件下MS用户将经历不良的信道质量。利用AMR，在这些条件下将对比特流增加更多的信道编码而相应地对语音编码分配更少的比特。减少语音比特率将导致语音质量降级，但由于进入语音编解码器的BER保持很低，因此所述降级是可以处理的。总体效应为，与最高AFS相比，通过最低AFS将编码增益增加4-5dB。
GSM AMR的链路适配在工业规范GSM 05.09中描述并在图2中总结。图3示出这样的带宽分配，其说明针对AHS和AFS的语音和信道编码之间的分割。
利用AMR，现在BSS拥有两种途径确保足够的链路质量。在一个简单化的信道质量管理方案中，TX功率控制是保持链路质量的最初方法，即不良BTS RXQUAL将首先促使MS被迫达到其最大功率。如果这没有导致令人满意的质量，将调节编解码器的模式以增加编码增益。当由衰减引起的降级占主导地位时(即某些情况下信道编码在控制信道质量方面比TX功率的作用更大)，一种更加复杂的方法可使用RXLEV并做出不同的调整，即在某些情况下，在控制信道质量方面信道编码比TX功率更有效。
有必要叙述另一个涉及AMR链路适配的细节。BTS命令MS在上行链路上使用何种模式。通常，MS被强制通过改变其上行链路码率来执行这一命令。GSM 05.09中存在一个有些含糊的声明，即MS必须在3个语音帧之内对新模式做出响应。存在一个GSM测试案例，其在没有测试定时的情况下确保BTS的命令迫使上行链路MS码率发生改变。到MS的下行链路的控制就不同了，因为MS可能仅要求一种编解码模式。BSS通常同意这一要求但不被强制这样做。
本发明提出一种折衷方案，其中当电池接近其负载尾声时降低TX功率。为了对降低的TX功率进行补偿，将增加编码增益来维持足够的信道质量。通过以信道编码为代价降低TX功率会降低电池能耗，由此延长电池的寿命。
发明内容
本发明包括用于延长移动站中电池寿命的方法和系统，该移动站可在多码率语音业务网络中运行。将移动站中的当前电池电压与阈值电池电压相比较。如果当前电池电压低于阈值电池电压，则对当前正被移动站使用的编解码模式进行检测。如果当前正被移动站使用的多码率语音业务的编解码模式能够被下调，则下调该编解码模式，由此导致更低的功率发射要求。
为了使可能的节能(电池寿命延长)达到最佳，当越过电池阈值等级时，便将编解码模式初始下调到最低的可能编解码模式。还可存在额外的电池阈值等级，其考虑功率发射等级中逐步的降低。例如，每当越过另一个阈值电池等级时，便以递增的步长将编解码模式调节到下一个更低的编解码模式。或者，每当越过一个阈值电池等级时，编解码模式向更低的编解码模式下调，以便达到2dB的发射功率降低。
实际上，可将本系统和方法应用于任何多码率语音业务，但可将其特别应用于GSM AMR语音业务。
图1为典型移动站电池的放电曲线。
图2展示说明在工业规范GSM 05.09中描述的针对GSM AMR的链路适配。
图3展示说明针对AMR全和半码率服务的语音编码和信道编码之间的带宽分配。
图4展示说明由移动站中的脉冲串传输引起的电压下降。
图5是描述本发明基本逻辑的流程图。
图6展示说明可利用本发明实现的电池通话时间延长。
具体实施例方式
本发明的目的是在接近电池寿命尾声处延长MS通话时间。这通过降低MS TX功率而提高编码增益(降低编解码模式)实现。通常，这在GSM中是不允许的，因为MS在TX功率和AMR编码率两方面都要服从BSS的命令。但是，确信它可用于这种例外情况。MS制造商宣布一个关机电压、一个上限电压以及一个下限电压。在工业规范GSM 05.05中的上限和下限范围之间必须满足TX功率要求。但是，在下限值和关机电压之间不必满足TX功率要求。因此，本发明在低于所宣布的下限值的范围内有效。
特别地，它既不会违反现有的测试情形也不会在该领域内造成负面效应，因为这些不覆盖低电池寿命的多余情况。延长通话时间的结果特别有利于处在紧急情况中的终端用户。
现将通过实例对本发明进行阐述。例如，假定MS配有类似表1中定义的电压阈值。还假设MS是具有AMR功能的。示例MS进一步配有针对AFS通话的4.75、7.95和12.2kbps的ACS，并且通话开始于MS电池高于3.4V待机模式截止电压时。可在其中被宣布为TX功率类别5的850频带处进行操作。
在描述通话情况之前，必须阐明最后一个关于电压读数的细节以便在参考附图时避免混淆。PA支取足够的电流并且具有足够低的阻抗，以致当PA被键下(即脉冲传输期间)时电池的电压等级实际上将下降。这一电压下降量将依赖当前功率等级而有所不同。所有的电话硬件(RF和数字的)都必须在这样的发射期间运行。这就希望在TX时隙期间获取通话电压读数，因为这代表最坏情况。以29dBm发射的MS的前述电压下降示于图4。特定地，图4示出通常情况(即，以12.2kbps和29dBm编解码)下无TX和TX时隙的电池电压对时间的图示。
图5为描述本发明基本逻辑的流程图。移动站监控其电池能耗与剩余寿命，不断地保持注意到剩余电池电压505。执行检测以确定电池电压是否低于阈值510。如果电池电压没有下跌到阈值以下，则515处不执行操作。但是，如果电池电压下跌到阈值电压等级以下，执行进一步的检测来确定是否能够将当前编解码模式下调到一个更低的编解码模式520。并非总是可以下调当前编解码模式。例如，编解码模式可能已经处于其最低等级处。此情况下，不能执行任何操作525来延长电池寿命。但是，如果存在降低编解码模式的空间，则下调编解码模式并且降低TX功率530。这将在某种程度上延长电池的寿命，而这将对MS用户带来可观的便利。参考下述特定实例可对该过程进行更好的说明。
通话以最大上行链路TX功率的4.75kbps码率开始。对于类别5GSM850MS而言最大功率等级为29dBm，其对应于PL7。该链路稳定良好，因此AMR码率跳至12.2kbps。此后很快便达到稳态，MS电池电压(TX时隙)越过3.4V阈值指示剩余电量很少。
第一个实例中，一旦越过3.4V阈值MS便采取措施。已知在4.75与12.2kbps码率之间存在至少4dB的编码增益，MS将其TX功率降低至PL9(即降低4dB)并且将其上行链路码率改变至4.75kbps。降低的TX功率能够较大延长通话。这可以在图6绘制的电压数据中看出。图6示出假定具有12.2kbps码率和PL7TX的AFS业务通话时的基准数据。绘制出直到通话结束电池寿命的最后几分钟的电压。图6上部分绘制的是这样的电压曲线，其假定达到通话低电量阈值(3.4V)时将码率转换到4.75kbps并将TX功率降至PL9。图示表明这一转换能够延长通话8分钟。由于降低了PA负载，TX时隙电压读数在转换处增大。
第二个实例中(未示出)，MS逐步改变其TX功率和编解码模式。在第一阈值(3.4V)处，TX功率可降低2dB且编解码模式改变至7.95kbps。一旦达到第二个更低阈值(例如3.3V)，编解码模式可再次降至4.75kbps且TX功率进一步降低2dB。由通话时间所测定的电池寿命被延长，但没有第一个实例延长幅度大。但是，由于当电池处于其使用寿命的最后一段时才引入最低语音码率，因此保持了更高的语音质量。
通常，TX功率不一定必须以2dB的步长调整。这是一种方便之选，因为在现有的GSM MS功率控制中已经支持这样的步长。最佳地，在每一步降低功率由编码率的改变所提供的编码增益的量。MS可保持这样的增益的列表。对于AFS，此列表可将12.2kbps码率作为参考并具有一个条目，来定义由7个更低码率中的每一个所达到的编码增益。
本发明不会为所有信道状况提供同样的益处。特别地，不良信道可能已经具有要求的最大编码增益和TX功率，此情况下本发明不会提供任何改进。边际信道最佳地使用中间码率之一，此情况下本发明能够提供中等的益处。显然，即将启动良好信道质量时可实现最好的结果。这是在前述实例中所考虑的情况。
AMR语音业务旨在调整信道编码以保持链路质量。但是，信道编码通常与TX功率进行相对的折衷。对于一直具有更高信道编码而传输更低功率的电话，它对给定的电池容量能够有效提高其通话时间。
将编码增益同TX功率进行相对折衷是公知的，但是通常在系统定义期间便做出折衷。但是，MS可包括一个用户界面选顶用于延长通话时间。例如，用户选顶可默认设定为标准AMR模式但允许“延长通话时间”运行模式。如果用户选择这一模式，在BSS要求的之外，MS用信道编码与TX功率折中。特别地(并假定足够的ACS)，MS将一直从ACS选择最低的编解码模式(而不是所要求的编解码模式)并且将TX功率设置为比所要求值低0-4dB。确切的降低量将由硬编码列表确定，该列表定义采用不同AMR模式可用的编码增益。
在此公开本发明的特定实施例。本领域的普通技术人员会认识到本发明可以在其它环境中具有其它应用。事实上，许多实施例和实现都是可能的。后续权利要求没有任何将本发明限制到前述特定实施例的意图。此外，任何“用于…的装置”的列举旨在将元件和权利要求理解为装置加功能，没有具体使用表述“用于…的装置”的任何元件都不被视为装置加功能的元件，即便该权利要求以其它方式包括了名词“装置”。
权利要求
1.一种延长移动站中电池寿命的方法，所述移动站可在多码率语音业务网络中运行，所述方法包括将在所述移动站中的当前电池电压505同阈值电池电压相比较510，并且如果所述当前电池电压低于所述阈值电池电压510，则确定是否能够下调所述移动站当前使用的多码率语音业务的编解码模式520，并且如果能够下调所述当前编解码模式，则下调所述编解码模式530，由此导致更低的功率发射要求。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述多码率语音业务为GSMAMR语音业务。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述编解码模式最初被下调530到可能的最低编解码模式。
4.根据权利要求1所述的方法，其还包括额外的阈值电池等级510。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述多码率语音业务为GSMAMR语音业务。
6.根据权利要求5所述的方法，其中每当越过另一个阈值电压等级510时，所述编解码模式以递增步长下调530至下一个更低的编解码模式。
7.根据权利要求5所述的方法，其中每当越过阈值电池等级510时，所述编解码模式向更低的编解码模式下调530，以实现2dB的发射功率降低。
8.一种用于延长移动站中电池寿命的系统，所述移动站可在多码率语音业务网络中运行，所述系统包括用于将所述移动站中的当前电池电压505同阈值电池电压相比较505的装置，并且如果当前电池电压低于阈值电池电压510，则用于确定是否能够下调所述移动站当前使用的多码率语音业务的编解码模式520的装置，并且如果能够下调所述当前编解码模式，则用于下调所述编解码模式530的装置，由此导致更低的功率发射要求。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述多码率语音业务为GSMAMR语音业务。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述编解码模式最初被下调530到可能的最低编解码模式。
11.根据权利要求8所述的系统，其还包括额外的阈值电池等级510。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述多码率语音业务为GSMAMR语音业务。
13.根据权利要求12所述的系统，其中每当越过另一个阈值电压等级510时，所述编解码模式以递增步长下调530至下一个更低的编解码模式。
14.根据权利要求12所述的系统，其中每当越过阈值电池等级510时，所述编解码模式向更低的编解码模式下调530，以实现2dB的发射功率降低。
全文摘要
一种方法，通过该方法在多码率语音业务环境中运行并且具有接近寿命尾声的电池的便携电话(移动站)可以延长剩余通话时间。移动站本质上降低其发射功率设置，同时调整其编解码模式530以对发射功率的下降进行补偿。当电话的电池接近其寿命尾声时，这种折衷方法能延长其可用的剩余通话时间。
文档编号H04B7/005GK1762171SQ200480007727
公开日2006年4月19日 申请日期2004年1月5日 优先权日2003年5月21日
发明者P·M·约翰逊, W·安德森 申请人:索尼爱立信移动通讯股份有限公司