专利名称：使用导频信号的接收器增益控制的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及一种通信系统设计，并且尤其涉及一种在发射和 接收周期交错的通信系统中调节接收器增益并且监视信号强度的方
法和系统o
,支A
通信系统通常包括通信链路两端的通信设备。例如，在一端建立 基站以与另一端的在蜂窝中移动的一个或者多个移动终端通信。通过 基站和移动终端发射并且接收信息。基站和移动终端均具有处理进入 信号的无线接收器电路。管理信号增益是这些接收器电路的功能的重
要方面。
在多数无线接收器中，使用增益控制器电路来控制接收器的输入 信号，因为输入信号强度通常由于环境改变或者信号特征改变而大幅 变化。例如，输入信号强度可能由于衰落信道而在若千毫秒内变化超
过10dB。由于接收器的动态范围有限，因此它不能处理很宽动态范 围的输入信号。超过接收器电路的动态范围的任何信号将作为噪声而 被拒绝。在接收器路径上安装增益控制器电路的主要目的是在输入信 号强度过高时降低接收器增益，并且在输入信号强度过低时提高增
益，从而信号强度几乎保持在接收器的可实现的动态范围内的最优电 平。
由于接收到的信号强度迅速改变，因此增益控制机制也必须为动 态的以跟踪其变化。通常的方法是让增益控制器连续监视接收信号强
度(RSS)并且根据最近的RSS值来调节接收器增益。然而，这种连 续RSS监视和增益调节对于使用时分双工(TDD)或者半双工频分 双工(FDD)技术的通信系统(其中接收和发射的时隙是交错的)而 言是不可能的。
在通常的TDD或者半双工FDD通信系统中，无线信道通过编码 序列和时间周期而划分，但是发射和接收的信息被承载在相同频率 上。为发射和接收分配单独的时隙，并且可以分配多个时隙以允许针 对下行链路和上行链路通信的不同数据传输速率。
对于TDD系统中每个接收周期的初始增益设置，必须依赖于上 个接收周期的过期RSS值。这样会导致不准确的初始增益设置，因为 两个接收周期的RSS值之间由于时间不同而可能存在较大差异，特别 是在存在快速信道衰落的情况下。换言之，如果依赖于上个接收周期 的RSS，则很可能在TDD系统中每个接收周期的开始处接收到的信 号处于接收器动态范围之外，从而导致很高的分组差错率。例如，假 定10ms的TDD帧具有5ms用于接收并且5ms用于发射，那么假设 移动速度为60km/h的话，则5ms内的距离变化大约为0.14m，其大 于2.6GHz频带中的l个波长距离0.12m，因此超出了衰落信道的相 干距离。
基于此原因，需要设计一种新的方法和系统以最小化接收信号强 度监视的不连续性效应，并且更加准确的调节TDD系统中的接收器 增益，从而建立通信系统的更好的通信质量。
发明内容
基于前述内容，本发明提供了一种方法和系统以调节通信系统中 的接收器增益，其中发射周期与其对应的接收周期交错。
在一个实施例中，在每个发射周期之前发射导频信号以便于针对 对应接收周期的初始接收器增益设置。这种导频信号具有已知属性， 并且需要比其余业务远远更小的接收器动态范围。初始增益设置是基 于对应接收周期的开始处接收到的导频信号而得出的。然后，基于初 始增益设置在接收周期中随导频信号之后而产生针对业务信号的增 益设置。
然而，本发明的构造和操作方法以及其他目的和优点通过下面的 结合附图对特定实施例的详细描述可以更好的理解。
图1示意了用于TDD系统中接收器的传统增益控制器；
图2A示意了传统TDD帧的发射和接收周期的时序图2B示意了表示传统接收器的动态范围的图表；
图3示意了根据本发明一个实施例的TDD帧的发射和接收周期
的时序图；以及
图4示意了表示根据本发明一个实施例的具有导频信号的TDD
帧的接收器的动态范围的图表。
具体实施例方式
本发明提供了一种方法和系统用于调节通信系统(例如TDD系统 或者半双工FDD系统)中的接收器增益，其中发射周期与其对应接收 周期交错。下面的示例可以使用TDD系统以解释本发明的细节，但是 应当理解，本发明并不仅限于TDD系统。
图1示意了用于TDD系统的接收器电路的增益控制器100。增益 控制器100包括可变增益模块102、模拟数字转换器(ADC)模块104、 RSS检测器模块106、业务监视模块108、增益计算模块110以及增益 控制模块112。
输入信号被设计为通过可变增益模块102进入传统的增益控制器 100，可变增益模块102控制输入信号强度。可变增益模块102的增益
是通过由增益控制模块112提供的增益控制信号而控制的。可变增益模 块102的输出信号然后通过ADC模块104从模拟信号转换为数字信号。 RSS检测器模块106、业务监视器模块108、增益计算模块110以及增 益控制模块112共同形成了反馈回路以调节控制可变增益模块102的增 益控制信号。RSS检测器模块106被设计为检测实时的即时接收信号强 度。检测到的信号强度被用于后续的接收器增益计算。业务监视器模块 108属于作为更高层通信协议的一部分的功能模块。它被设计为监视当 前的业务配置(profile)并且发送信号到增益计算模块110以计算参考 RSS。通过来自RSS检测器模块106和业务监视器模块108二者的信号， 增益计算模块IIO被设计为计算移动平均RSS、参考RSS以及增益设 置值。当RSS高于参考RSS时，它降低接收器增益；当RSS低于参考 RSS时，它提高接收器增益。增益控制模块112是增益设置电路，其中 它将来自增益计算模块IIO的数字增益值转换为增益控制信号并且将 其应用到可变增益模块102。通过控制可变增益模块102，将来的输入信号强度被调节并且输出到基带单元的信号也相应地被影响。图2A示意了 TDD系统的传统TDD帕202的发射和接收周期的图 示200，其中发射和接收周期交错。在TDD系统中，使用大量TDD帧 以在相同频率上通信，其中每个TDD帧例如TDD帧202包括用于基 站收发器台(BTS)的发射周期204、用于客户端设备(CPE)的接收 周期206、用于CPE的发射周期208以及用于BTS的接收周期210。 如上所述，由于发射周期和接收周期在时间上交错，连续的RSS监视 和增益调节是不可能的。对于每个接收周期的初始增益设置，必须依赖 于上一个接收周期的RSS值，该值可能过期，从而导致很高的分组差 错率。图2B示意了接收器的动态范围的图表212。图表212进一步显示 了存在输入信号电平的上限214和有效噪声基准216,它们的差值确定 了接收器动态范围218。超出该接收器动态范围的信号不被考虑。
输入信号电平上限214通常表示为接收器PldB。有效噪声基准216 是计算信号质量例如计算误码率(BER)或者转发差错率(FER)时的 基带单元所见的噪声基准。在TDD/码分多址(CDMA)通信系统中， 有效噪声基准是，环境热噪声基准加上接收器噪声系数再减去CDMA 扩频增益有效噪声基准=-174 + NF — 10*logl0(SF)(dBm/Hz) 其中SF是CDMA的扩频因子。不是所有的接收器动态范围218都是可用的。对于数字调制信号， 在动态范围的顶部需要用于信号尖峰的緩冲空间或者顶部空间，也称为 波顶(crest)因子220。范围在输入信号电平上限214和信号电平上边 界222之间的波顶因子220提供了包含关于调制、信道数量、编码等等 的信息的业务配置。通常，当数字调制信号呈现尖峰时，其峰均比的特 征表现为互补累积分布函数(CCDF)曲线。根据通信信道质量需求， 可以选择信号峰均CCDF曲线上的 一 点作为信号的波顶因子220 。例如， 可以选择0.1%作为标准，并且CCDF曲线上对应于0.1%的峰均值将作 为信号的波顶因子220。而且，要求动态范围底部的最低信噪比(SNR) 224以保证信号质 量。范围在有效噪声基准216和信号电平下边界226之间的最低SNR 224是依赖于业务配置确定的。例如，对于正交相移键控(QPSK)调 制，所需的最低SNR224大约为10dB。当使用例如64位正交幅度调 制(64QAM)等调制技术时，需要更好的SNR以克服任何千扰并且保 持一定的误码率(BER)。例如，在使用64QAM时最低SNR224需要 最低23dB。因此，可用的实际接收器动态范围227小于理论接收器动 态范围218。简而言之，通过从接收器动态范围218的两端排除波顶因 子220和最低SNR224而确定可用接收器动态范围227。而且，使用多个信道的信号还具有其自身动态范围，可以称之为信 号动态范围228。信号动态范围228定义为总接收功率与一个信道的最 低功率之间的差值，其中该一个信道的最低功率通过实际信号电平下边 界"2来表示。例如，假定TDD/CDMA信号包括三个信道， 一个信道 使用具有10dB SNR的QPSK， 一个使用具有17dB SNR的16QAM，并 且一个使用具有23dB SNR的64QAM。此处，所有SNR均关于假定公 共参考电平而给出。三个信道的总功率将为24dB，而一个信道的最低 功率为10dB，即QPSK信道的功率。因此，信号动态范围228将为14dB (=24dB-10dB)。当信号中的所有信道使用相同类型的调制时，信号 动态范围可以很容易如下计算10*logl0(N_ch),其中N一ch为信道数 量。对于正常操作，信号动态范围228应当定义为比接收器的可用动态 范围227更窄。因此，可以使用一些附加裕度，即针对信号波动和接收 器增益控制的缺陷的上裕度234和下裕度236。给定接收器的动态范围， 应当根据信号动态范围228来确定所允许的上裕度234和下裕度236。 具有更小动态范围的信号将具有更大的上裕度234和下裕度236，并且 具有更大动态范围的信号将具有更小的上裕度234和下裕度236。还应 当理解，信号动态范围228可以包括具有不同配置的多个信道。在此示 例中，信号动态范围228包括三个信道用于QPSK的信道238、用于 16QAM的信道240以及用于64QAM的信道242。图3示意了根据本发明一个实施例的TDD帧302的发射和接收周 期的图表300。与传统的TDD帧202不同，TDD帧302实现为具有大 量导频信号304。导频信号通过基站或者移动终端中的发射器电路发 射。导频信号还可以通过基站预先确定并且可以分配给移动终端。除了 导频信号之外，根据本发明一个实施例的TDD帧具有相似配置，即用 于BTS的发射周期306、用于CPE的接收周期308、用于CPE的发射 周期310以及用于BTS的接收周期312。为了便于每个接收周期的初始增益设置，在每个发射周期之前发射 导频信号304。由于这是其配置可以被预先控制的导频信号，因此导频 信号304可以具有固定的并且已知的属性，并且需要远低于正常业务的 动态范围。例如，导频信号可以为使用QPSK调制的单个信道，并且由 单个信道组成的信号理论上具有0dB的动态范围。很显然，具有远远 更低动态范围的导频信号可以具有较大的上裕度和下裕度，并且具有更 大可能性落在接收器的接收器动态范围之内，即使该增益是基于先前接 收周期中获得的过期RSS值来确定的。对于导频信号的初始增益设置，由于导频信号领先于每个接收周 期，因此必须依赖于上一个接收周期的、确定接收器增益的RSS值。 假定上一个接收周期中使用的最近的增益设置为GO,那么当前接收周 期的导频信号的、可以被视为调节值的初始增益设置Gp可以表示为Gp = G0+AGp△ Gp= AGpA + AGpB (公式l)其中△ GpA是从导频和业务信号的参考RSS之间的差值得到的增益调 节，并且AGpB是从导频信号和上一个接收周期的正常业务信号之间的 配置差异得到的增益调节。假定导频信号的参考RSS按照如下方式设置，即导频信号位于接 收器动态范围的中部并且具有相同的下裕度和上裕度，则△ GpA如下给 定△ GpA= (DR—rx - crest_factor - SNR_p)/2 + 5ioglO(N_p) — RSS一refO 其中DR—rx是以dB为单位的接收器动态范围，crest—factor是以dB为 单位的导频信号的波顶因子，以及SNRj是以dB为单位的导频信号 所需的最低SNR。对于QPSK调制，SNRj可以设置为10dB。 N_p是 导频信号中包含的信道数量。RSS_refO是上一个接收周期中使用的最 近的参考RSS值。AGpB如下给定△ GpB=SNR_p-SNR—min0+ 10*logl0(N_p) — 10*logl0(N_ch0) 其中SNR—minO是业务信号所需的SNR， N—ch0是业务中包含的信道 数量。公式1给出的导频信号的增益设置是基于上一个接收周期的RSS 加上导频信号和上一个接收周期中正常业务信号之间的配置差异的启 发。如果接收周期是连续的并且在其间没有时间间隙即没有发射周期和强加的防护(guard)时间，则将导频信号的工作点设置在接收器动态 范围的中间。然而，由于TDD系统中总是存在时间延迟，并且信号强 度会随着时间而改变，所以导频信号的实际RSS不可避免地会偏离于 所期望的工作点。由于它被设计为具有很小的动态范围(例如在单信道 的情况下，信号动态范围为0dB),这允许导频信号具有更大可能性落 入接收器动态范围之内，即使在很严重的信道衰落条件下。例如，如果 接收器具有20dB的可用动态范围，并且导频信号包括工作在接收器动 态范围中间的单个信道，则可以处理帧与帧之间+/- 10dB的信道变化。一旦将导频信道用于初始增益设置，则正常业务的后续增益设置可 以通过平滑转换进行，如下表示Gl =Gp+AGl△ Gl =AG1A + AG1B (公式2)其中Gp是基于通过公式1产生的导频信号得出的当前增益。厶G1包 括两个部分AGU是从导频信号的实际RSS和业务信号的期望参考 RSS之间的差异得到的增益调节，而厶Glb是从导频信号和正常业务信 号之间的业务配置差异得到的增益调节。AGU进一步由下式给出△ GlA= RSS—refl - RSS_p其中RSS—refl是业务的期望参考RSS,并且RSS_p是导频信号的实际 接收信号强度。从导频信号和当前周期中正常业务信号之间的业务配置差异得到 的增益调节AGlB可以通过如下得出△ GlB=SNR_p- SNR一minl + 10*logl0(N_p) - 10*logl0(N—chl) 其中SNRj 和SNR_minl分别为导频信号和业务所需的最低SNR。 N—chl为当前接收周期中业务的信道数量。在为正常业务的开始处设置增益之后，针对当前接收周期中剩余业 务的RSS监视和增益调节将是连续的。因此，可以使用适合于例如频 分双工(FDD)接收器等连续接收情形的任何自动增益控制(AGC)
调节过程。还应当理解，除了设置接收器增益之外，导频信号304可以同时用 于其他目的，包括系统定时/频率采集、承载消息等等。图4示意了表示根据本发明一个实施例的具有在每个接收周期之 前使用导频信号的TDD帧的接收器的动态范围的图表400。接收器动 态范围402内的两条信号线表示基站接收到的信号和移动终端接收到 的信号。在接收周期和发射周期之间存在防护时间周期404。防护时 间通常用于调节由于移动终端和基站之间的距离所导致的时间延迟。 在防护时间周期404期间，可以插入导频信号406。如图所示，导频信号406具有已知属性，并且领先于每个接收器 周期，并且它最可能落入接收器动态范围之内，即使在RSS监视中存 在TDD帧不连续性。导频信号引导接收周期的增益调节，并且避免 每个接收周期开始处信号的上溢出或者下溢出。总而言之，本公开中描述的方法和系统为TDD帧至少提供了应 用到每个新接收周期的导频信号。由于与相同接收周期内紧随的业务 信号连续，所以增益估计更加准确。增益控制可以在基站侧完成，也 可以在移动终端侧完成，只要存在接收器电路。上述内容提供了很多不同实施例或者用于实现本发明不同特征 的实施例。其中描述了组件和过程的特定实施例以帮助理解本发明。 当然，这些仅为示例实施例并且并不旨在限制本发明，本发明仅由权 利要求书限制。应当理解，上述内容使用TDD系统作为特定示例， 但是任何具有两个不连续接收周期的其他系统可以使用本方法以实现更好的增益控制。尽管在一个或者多个特定示例中描述了本发明，然而并不将本发明限制于这些细节，因为可以对本发明做出各种修改和结构变化，而 不背离本发明的实质，并且仍然在权利要求书的等同方案的范围之 内。因此，应当将所附权利要求书按照与本发明范围一致的方式广泛 理解。
权利要求
1.一种调节通信系统中的增益设置的方法，包括在每个发射周期之前发射导频信号；
2. 基于在对应接收周期的开始处接收到的导频信号而推导出初 始增益设置；以及
3. 基于所述初始增益设置而为所述接收周期中紧随所述导频信 号的业务信号产生增益设置。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中所述发射进一步包括将所 述导频信号设置为具有远小于业务信号动态范围的动态范围。
5. 根据权利要求1所述的方法，其中所述推导进一步包括基于 先前接收周期的接收信号强度(RSS )值而推导出所述初始增益设置。
6. 根据权利要求3所述的方法，其中所述推导进一步包括使用 来自最近接收周期的增益设置和调节值，其中所述调节值从下列二者 中推导出从所述导频信号的参考RSS和所述业务信号的参考RSS 之间的差值得到的第一增益调节以及从所述导频信号和最近接收周 期的业务信号之间的配置差异得到的第二增益调节。
7. 根据权利要求4所述的方法，其中所述第一增益调节至少是 接收器的动态范围、所述导频信号的波顶因子以及所述导频信号所需 的最低信噪比的函数。
8. 根据权利要求4所述的方法，其中所述第二增益调节是所述业务信号所需的信噪比以及所述业务信号使用的预定信道数量的函 数。
9. 根据权利要求1所述的方法，其中所述产生进一步包括基于 下列二者来推导出调节值从所述导频信号的实际RSS和所述业务信 号的期望参考RSS之间的差值得到的第一增益调节，以及从所述导频 信号和业务信号之间的配置差异得到的第二增益调节。
10. 根据权利要求7所述的方法，其中所述第一增益调节是通过 从所述业务信号的期望参考RSS中减去所述导频信号的实际RSS而 计算的。
11. 根据权利要求7所述的方法，其中所述第二增益调节是所述 导频信号和所述业务信号所需的最低信噪比以及所述接收周期中使 用的预定信道数量的函数。
12. 根据权利要求1所述的方法，其中所述导频信号为使用正交 相移键控调制的单信道信号。
13. 根据权利要求1所述的方法，其中所述导频信号为使用64 位正交幅度调制的单信道。
14. 根据权利要求1所述的方法，其中所迷导频信号在所述发射 周期之前的防护时间期间发射。
15. —种在接收周期与其对应发射周期交错的通信系统中调节增 益设置的方法，所述方法包括在帧内的每个发射周期之前发射具有小于业务信号动态范围的 预定动态范围的导频信号；基于在所述接收周期的开始处接收到的导频信号而推导出初始 增益设置；以及基于所述初始增益设置为所述接收周期中紧随所述导频信号的业务信号产生增益设置。
16. 根据权利要求13所述的方法，其中所述推导进一步包括使 用来自最近接收周期的增益设置和调节值，其中该调节值从下列二者 中推导出从所述导频信号的参考RSS和所述业务信号的参考RSS 之间的差值得到的第一增益调节以及从所述导频信号和最近接收周 期的业务信号之间的配置差异得到的第二增益调节。
17. 根据权利要求14所述的方法，其中所述第一增益调节至少 是所述接收器的动态范围、所述导频信号的波顶因子以及所述导频信 号所需的最低信噪比的函数。
18. 根据权利要求14所述的方法，其中所述第二增益调节是所 述业务信号所需的信噪比以及所述业务信号使用的预定信道数量的 函数。
19. 根据权利要求14所述的方法，其中所述产生进一步包括基 于下列二者来推导出调节值从所述导频信号的实际RSS和所述业务 信号的期望参考RSS之间的差值得到的第三增益调节，以及从所述导 频信号和业务信号之间的配置差异得到的第四增益调节。
20. 根据权利要求17所述的方法，其中所述第三增益调节是通 过从所述业务信号的期望参考RSS中减去所述导频信号的实际RSS 而计算的。
21. 根椐权利要求17所述的方法，其中所述第四增益调节是所 述导频信号和所述业务信号所需的最低信噪比以及所述接收周期中 使用的预定信道数量的函数。
22. —种通信系统中的信号增益调节系统，包括 发射器电路，用于在每个发射周期之前发射导频信号；以及 接收器电路，用于基于在对应接收周期的开始处接收到的导频信号而推导出初始增益设置，并且进一步基于所述初始增益设置为所述 接收周期中紧随所述导频信号的业务信号产生增益设置。
23. 根据权利要求20所述的系统，其中所述推导进一步包括使 用来自最近接收周期的增益设置和调节值，其中该调节值从下列二者 中推导出从所述导频信号的参考接收信号强度(RSS)和所述业务 信号的参考RSS之间的差值得到的第 一增益调节以及从所述导频信 号和最近接收周期的业务信号之间的配置差异得到的第二增益调节。
24. 根据权利要求20所述的系统，其中所述产生进一步包括基 于下列二者来推导出调节值从所述导频信号的实际RSS和所述业务 信号的期望参考RSS之间的差值得到的第一增益调节，以及从所述导 频信号和业务信号之间的配置差异得到的第二增益调节。
25. 根据权利要求20所述的系统，其中所述导频信号为使用正 交相移键控调制的单信道信号。
26.根据权利要求20所述的系统，其中所述导频信号在所述发 射周期之前的防护时间期间发射。
全文摘要
公开了一种执行接收器增益控制的方法和系统。在每个发射周期之前发射导频信号以便于对应接收周期的初始增益设置。所述导频信号具有已知的属性，并且需要比其余业务远远更小的接收器动态范围。初始增益设置是基于对应接收周期的开始处接收到的导频信号而得出的。然后基于初始增益设置在接收周期中随导频信号之后产生业务信号的增益设置。
文档编号H04L27/08GK101107826SQ200580032652
公开日2008年1月16日 申请日期2005年9月13日 优先权日2004年9月27日
发明者航 金 申请人:娜维尼网络技术公司