CN1127808C

CN1127808C - 在一个零差接收机中实行信号强度测量时节省电流的方法和装置

Info

Publication number: CN1127808C
Application number: CN99815686A
Authority: CN
Inventors: P·雅各布松
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1998-11-17
Filing date: 1999-11-15
Publication date: 2003-11-12
Anticipated expiration: 2019-11-15
Also published as: DE69908969T2; JP2002530923A; CN1333952A; ATE243391T1; MY124628A; WO2000030265A2; WO2000030265A3; DE69908969D1; JP4237414B2; TR200101373T2; EP1131896B1; EP1131896A2; AU1901300A; US6246867B1

Abstract

为了解决与使用零差接收机的传统信号强度测量有关的问题，本发明通过使零差接收机的一部分“断电”能够经济地减少该零差接收机空闲时间的电源使用。对于某些信号的调制，在零差接收机的每个通道中接收的功率是相等的，结果是，估计的接收信号强度测量的计算被简化而导致减少电源使用，这是非常有用的，特别是在移动通信行业中。

Description

在一个零差接收机中实行信号强度测量时节省电流的方法和装置

背景

本发明涉及零差无线接收机，更特别是涉及一种减少零拍接收机内实行信号强度测量所需的电流量的方法和设备。

传送语音和数据消息的通信系统广泛用于电话和无线通信系统中。例如，欧洲电信标准协会(ETSI)已规定了一个全球移动通信的标准(GSM)，即通过射频(RF)信道，采用时分多址接入(TDMA)来传送控制、语音和数据信息。在美国，电信工业协会(TIA)已公布了多个过渡标准，比如IS-54和IS-136，以定义数字高级移动电话业务(D-AMPS)的各种版本，具有给用户发送语音和数据的能力。这些类型的通信系统覆盖了细分成若干通信小区的地理区域，这些通信小区共同提供通信覆盖给一个业务区域，例如整个城市。

举例来说，在一个GSM通信系统中，与移动站通信的一个或多个基站通过下行链路和上行链路的RF信道为每个小区服务。RF信道又细分成多个被称为逻辑信道的时隙。话音或数据在被指定为业务信道(TCH)的逻辑信道中发送，而与系统中呼叫管理有关的信令信息，包括同步和切换则通过控制信道来处理。在GSM系统中，控制信道分为广播信道(BCH)、公共控制信道(CCH)、专用控制信道(DCCH)和SMS广播信道(S-BCCH)几组。BCH用于频率校正、同步和传送小区特定信息。BCH映射为RF信道的0时隙，它包含频率校正信道(FCCH)、同步信道(SCH)和广播控制信道(BCCH)。FCCH用于发送一个正弦波信号，后者为识别BCH并使移动站能够同步于BCH频率来服务。SCH用于在一个特定的小区中使移动站与TDMA帧结构同步，并利用一个在越区切换过程中识别小区的基站身份码(BSCI)来识别一个选定的小区作为一个GSM小区。

CCH映射为多个时隙，用于信令控制信道的接入和分配。CCH包含寻呼信道(PCH)、接入允许信道(AGCH)和随机接入信道(RACH)。PCH是一个寻呼信道，它利用一个移动站标识号码(IMSI)来提醒一个被呼叫的移动站。AGCH用于指配一个信令信道。RACH被移动站用来请求一个呼叫发起或在被呼叫时以一个信道请求来响应。传统上，如果在小区中没有业务，则为了使一个小区中的移动站能够同步以通信，基站通过一个或多个分配的下行链路控制信道在小区中全功率地给移动站发送消息。

优选地，依照一种允许某些在空间上分离的小区使用同样的上行链路和下行链路RF信道的小区模式而将通信小区模式化。这样，系统的小区模式减少了覆盖业务区所需的RF信道数。RF信道以一种在呼叫建立和切换方面减少干扰以提高系统性能的方式被规划。需要对BCCH频率进行少量重复使用，今天它常被规划成一种12重复使用模式。然而，对RF信道，希望以一种更密集的重复使用模式来规划，当在一个有限的频谱内，例如5-6MHz内通信时，这一点尤其重要。因为，控制信道资源占整个可利用频谱的一大部分，所以越密集的控制信道重复使用就允许有更多的RF信道被分配为TCH从而提高业务能力。然而，密集的信道重复使用会导致控制信道的性能恶化。

在一个IS-54标准系统中，每个TDMA帧包含6个连续的时隙并有一段40毫秒(ms)的持续时间。这样，依照用来对通话进行数字化编码的语音编解码器(codec)的源速率，每一个无线信道能承载三到六个DTC(比如，三到六个电话会话)。这样的语音编解码器能在全速率或半速率下工作。在一个给定的时间段内一个全速率DTC需要两倍于半速率DTC的时隙，在IS-54标准中，每个全速率DTC占用每个TDMA帧中的两个时隙，即一个TDMA帧的六个时隙中的第一和第四个时隙，第二和第五个时隙，或第三和第六个时隙。每个半速率DTC占用每个TDMA帧中的一个时隙。在每个DTC时隙内，传输324比特，其中大部分-260比特用于编解码器的语音输出，其中包含用于对语音输出进行纠错编码的比特。剩余的比特用于象同步这样的目的的保护时间和开销信令。

能够看到，一个TDMA蜂窝系统工作在缓冲-突发或断续传输模式下：每个移动站只在它被指配的时隙内发送(和接收)。例如，在全速率下，一个移动站在第一时隙发送，在第二时隙接收，在第三时隙空闲，在第四时隙发送，在第五时隙接收，和在第六时隙空闲，然后在接下来的TDMA帧内重复此循环。所以，可能用蓄电池供电的移动站在它既不发送也不接收的时隙内，可以被关机，或休眠以省电。

除了语音或业务信道外，蜂窝无线通信系统也提供寻呼/接入，或控制信道用于在基站和移动站间承载呼叫建立消息。例如，按照IS-54标准，有21个专用模拟控制信道(ACC)，它们具有预定的位于800MHz附近用于发送和接收的固定频率。因为这些ACC总是在同一频率处出现，所以它们能容易地被移动站定位和监视。

例如，当一个移动站处于空闲状态时(即开机，但既不呼叫也不接收呼叫)，它就调谐到并有规律地监视最强的控制信道(通常是此刻移动站所在小区的控制信道)并通过相应的基站接收或发起一个呼叫。当处于空闲状态的移动站在小区间移动时，它最终会“丢失”与“以前”小区控制信道的无线连接而调谐到“新”小区的控制信道上。对控制信道的最初的调谐和后来的重新调谐都是通过在其已知的频率上扫描所有可利用的控制信道以找到“最佳”控制信道来自动完成的。当一个具有好的接收质量的控制信道被找到时，移动站保持与这个信道的调谐直到质量再次恶化。用这种方式，移动站和系统保持“联系”。

当一个移动站处于空闲状态时，它必须监视控制信道上寻址它的寻呼消息。例如，当一个普通电话(陆线)用户呼叫一个移动用户时，这个呼叫被直接从公用电话交换网(PSTN)引导到移动交换中心(MSC)，在那儿对已拨号码进行分析。如果已拨号码有效，MSC就通过在多个无线基站中的一些或全部基站各自的控制信道上发送包含被呼叫移动站的移动站识别码(MIN)的寻呼消息，来请求它们寻呼被呼叫的移动站。接到寻呼消息的每个空闲移动站将接收到的MIN和它自己存储的MIN进行比较。含有能匹配的存储的MIN的移动站会通过特定的控制信道发送一个寻呼响应到基站，后者传递寻呼响应到MSC。

一旦接收到寻呼响应，MSC选择一个接收到寻呼响应的基站可利用的AVC或DTC，在那个基站打开一个相应的无线收发信机，使基站通过控制信道给被呼叫的移动站发一个消息指引被呼叫的移动站调谐到所选择的语音或业务信道上。一旦移动站已经调谐到所选择的AVC或DTC上，呼叫的直通连接就建立起来了。

含有IS-54规定的ACC的系统性能已经在一个含有TIA/EIA/IS-136(IS-136)规定的数字控制信道(DCCH)的系统中提高了。用这样的DCCH，每个IS-54无线信道能只承载DTC、只承载DCCH或承载DTC和DCCH的混合。在IS-136框架内，每个无线载频能包含最多三个全速率的DTC/DCCH，或六个半速率的DTC/DCCH，或中间任意组合，比如，一个全速率和四个半速率的DTC/DCCH。

然而，一般而言，DCCH的传输速率不必与IS-54规定的半速率和全速率相符，DCCH时隙的长度可以不一致，且可以不与DTC时隙的长度相符。DCCH可以定义在IS-54无线信道上，可以包含例如连续TDMA时隙流中的每第n个时隙。在这种情况下，每个DCCH时隙的长度是一个可以等于或不等于6.67毫秒，后者按照IS-54标准的DTC时隙的长度。可选择地(对其它可能的选择没有限制)，这些DCCH时隙可以以本领域技术人员所知道的其它方式来定义。

图-1(a)显示了一个前向(或下行链路)DCCH的一般例子，它被配置成与IS-136标准有关的一连串时隙1，2，...N，...，被包含在一个载频上发送的连续时隙1，2，...中。这些DCCH时隙可以被定义在一个比如被IS-136所规定的无线信道上，且可以包含如图-1(a)所示的例如连续时隙序列中的每第n个时隙。每个DCCH时隙的持续时间可以是或者不是6.67毫秒，后者是一个按照IS-136标准的DTC时隙的长度。

如图-1(a)所示，DCCH时隙可以组成超帧(SF)，每一超帧包含多个承载不同种信息的逻辑信道。一个或多个DCCH时隙可以分配给超帧中的每一逻辑信道。在图-1(a)中作为例子的下行链路超帧中包含三个逻辑信道：一个广播控制信道(BCCH)包含六个用于开销消息的连续时隙；一个寻呼信道(PCH)包含一个用于寻呼消息的时隙；和一个接入响应信道(ARCH)包含一个用于信道指配和其它消息的时隙。在图-1(a)例子中，超帧的剩余时隙可以用于其它逻辑信道，比如附加的寻呼信道PCH或其它信道。由于移动站的数量通常比超帧的时隙数大的多，所以每个寻呼时隙用于寻呼几个移动站，它们共享某一唯一特性，比如，MIN的最后一位数字。

图-1(b)举例说明了一种优选的用于一个前向DCCH的时隙的信息格式。在每个时隙中传输的信息包括多个字段，图-1(b)指明了在每个字段上该字段的比特数。在同步字段内发送的比特以一种常规的方式用来帮助确保CSFP和数据字段的正确接收。同步字段承载一种由基站使用来找到时隙的起始位置的预定的比特组合。SCF字段用于控制一个随机接入信道(RACH)，可被移动站用来请求接入到系统。CSFP信息传送一个编码超帧相位值，使移动站能够找到每一超帧的起始位置。这只不过是前向DCCH时隙的信息格式的一个例子。图-1(c)举例说明了分配给CSFP字段的12比特，它包含比特位d₇-d₀和校验位b₃-b₀。

为了达到有效的休眠模式操作和快速小区选择的目的，BCCH可以划分为多个子信道。已知一个BCCH结构在移动站能接入系统(发起或接到一个呼叫)之前允许它在开机时(当它锁定到一个DCCH时)读取最少量的信息。开机后，一个空闲移动站只是需要有规律地监视分配给它的PCH时隙(通常一个超帧内有一个)；在其它时隙期间，移动站能够休眠。移动站用在读取寻呼信息上的时间和它用在休眠上的时间之比是可控制的，它表现了在呼叫建立时延和电源消耗之间的一种折衷。

图-2表示了一个作为例子的蜂窝移动无线电话系统的方框图，包含一个作为例子的基站210和移动站220。基站包含一个连到MSC240的控制和处理单元230，MSC 240进而又连到PSTN(未画出)。本领域中已经知道这种蜂窝无线电话系统的一般方面，正如授予Wejke等人的美国专利第5,175,867号，题为“一个蜂窝通信系统的近邻辅助的越区切换”中所描述的。

基站210通过一个由控制和处理单元230控制的语音信道收发器250处理多个语音信道。同样地，每个基站包含一个控制信道收发器260，它能处理多于一个的控制信道。控制信道收发器260由控制和处理单元230所控制。控制信道收发器260通过基站或小区的控制信道向已锁定该控制信道的移动站广播控制信息。应理解收发器250和260能作为单一的一个设备被实现，就象语音和控制收发器270，来在共享同一无线载频的DCCH和DTC上使用。

移动站220在它的语音和控制信道收发器270上接收一个控制信道的信息广播。之后，处理单元280估计接收到的控制信道信息，其中包含移动站要锁定的侯选小区的特性，并决定移动站应锁定哪一个小区。有利地，接收到的控制信道信息不仅包含涉及与之有关的小区的绝对信息，还包含涉及与控制信道有关的与小区接近的其它小区的相对信息，正如给Raith等人的美国专利第5,353,332号，题为“用于一个无线电话系统的通信控制的方法和装置”中所描述的。

由IS-54和IS-136标准规定的系统采用电路交换技术，它是一种“面向连接”的通信类型，建立起一个物理呼叫连接并且只要通信的端系统有数据要交换就一直保持该连接。虽然以上讨论的是电路交换技术，但是也可通过使用时分重复使用技术展望分组交换技术。

在用于IS-136和GSM标准系统的信号强度测量技术中，控制信道用于在休眠模式期间实行信号强度的测量，其中移动站清醒一个时隙(它的寻呼时隙)，而在超帧的剩余时隙内休眠。一个零差接收机一般被用来在移动站内接收信号并在空闲时隙期间实行信号强度测量。一个超外差接收机，它是零差接收机的一个更普通的变体，在第一频带内接收信号并把接收到的信号与一个本地产生的振荡信号相混频，把它们变换到第二或中间频带内。通过选择本地振荡器信号以得到一个相对于第一频带内一个已选定信号的恒定频率偏移，已选定的信号总是在中间频带内的同一频率处出现。这样，通过一个固定调谐的中频滤波器能很方便地锁定已选定的信号。

在一个零差接收机中，选择的中间频带是DC或直流。所以本地振荡器包含一个来自选定信号的直流分离。任何对选定信号的调制都会导致频谱成分高于和低于标称信号频率，它在混频器输出中变得折叠，因为一个低于或高于信号频率的成分会出现在高于标称零的中频处。考虑到这种折叠成分的解析，在一个零差接收机中提供两个混频器，使用相位偏移90度的本地振荡器信号。之后，高于和低于标称信号频率的成分会在一个混频器中表现折叠成I而在另一个混频器中表现折叠成Q_j。

由于事实是一个零差接收机将接收到的信号划分成一个I通道和一个Q通道，所以需要更多的硬件(例如，放大器和模数转换器)被激活来接收和计算信号强度。这样，在移动站中使用零差接收机能导致更大量的电流消耗，因此减少了移动站蓄电池寿命。减少一个接收机接收用于计算信号强度的数据的监视时间不是一个可行的方案，因为所允许的监视时间越短，信号强度的计算就越不确定。因此，当使用一个零差接收机在一个移动通信系统中进行信号强度测量时，需要减少电流的消耗量，而又不减少接收机的监视时间。

概述

为了解决与使用零差接收机的传统信号强度测量有关的问题，本发明通过使一个零差接收机的一部分“断电”来经济地减少该零差接收机空闲时间的电源使用，同时又不减少接收机的监视时间。对于某些信号的调制，在零差接收机的每个通道接收的功率是相等的，结果是，估计的接收信号强度测量的计算被简化而导致减少电源使用，这是非常有用的，特别是在移动通信行业中。

本发明作为例子的实施方案包含一个用于实行信号强度测量的零差接收机，它进一步包含：一个用于接收输入信号的天线；一个连接到所述的放大器的下变频器，用于将接收到的信号转换成两个独立通道上的复数基带信号I和Q；和一个连接到所述的下变频器的信号处理器，用于使该I通道单元或者该Q通道单元断电并处理剩余的通道以产生一个估计信号强度测量。

在本发明作为例子的另一个实施方案中，在一个零差接收机中实行信号强度测量的方法被阐明，它包含的步骤有：接收一个输入信号；将该接收信号转换成两个独立通道上的复数基带信号I和Q；使该I通道单元或者该Q通道单元断电并处理剩余的通道以产生一个估计信号强度测量。

在本发明作为例子的另一个实施方案中，接收发送信号的接收机被描述成包含：一个用于接收发送信号的天线；一个连接到所述放大器的下变频器，用于将接收到的信号转换成两个独立通道上的复数基带信号I和Q；和一个连接到所述的下变频器的信号处理器，用于使该I通道单元或者该Q通道单元断电并处理剩余的通道以产生一个估计信号强度测量。

附图

通过阅读下面的详述并结合附图可以更容易的理解与本发明有关的这些及其它的特征、目的和优点，图中相似的参考数字指的是图中相似的单元，其中：

图-1(a)举例说明了一个前向DCCH被设定成一连串时隙，被包含在一个载频上发送的连续时隙中。

图-1(b)举出了一个IS-136 DCCH字段时隙格式的例子；

图-1(c)举出了一个CSFP比特分配的例子；

图-2是按照本发明作为例子的实施方案，一个蜂窝移动无线电话系统的方框图；

图-3是在蜂窝通信系统中使用的一个传统的零差接收机的示意图；

图-4是按照本发明使用的一个作为例子的零差接收机的示意图。

详述

现在本发明将参考附图被描述，其中本发明作为例子的多种实施方案示于附图中。然而，本发明可以以多个不同的形式来实施，不应该理解为受限于附图所示特定的实施方案。例如，当本发明在一个TDMA环境中被描述时，它也可用于一个码分多址接入(CDMA)环境。

图-3描绘了一个传统的零差接收机300，它能在上面描述的关于图-2中的移动通信系统中使用。如图所示，接收机300包含一个天线305，第一个滤波器310，第一个(低噪声)放大器(LNA)320，第一个混频器330，第二个滤波器340，第一个数模(D/A)转换器350，一个移相器375，一个本地振荡器385，第二个混频器360，第三个滤波器370和第二个数模(D/A)转换器380。

图-3中，天线305的输出耦合进第一个滤波器310的输入，第一个滤波器310的输出耦合进第一个放大器320的输入。第一个放大器320的输出耦合进第一个混频器330的输入及第二个混频器360的输入。此外，第一个混频器30的输出耦合进第二个滤波器340的输入，第二个滤波器340的输出耦合进D/A转换器350的输入。数模转换器350的输出作为接收机300的第一个输出I。

另外，第二个混频器360的输出耦合进第三个滤波器370的输入，第三个滤波器370的输出耦合进第二个D/A转换器380的输入。数模转换器380的输出作为接收机300的第二个输出Q。本地振荡器385的输出耦合进移相器375的输入。移相器375的0°输出耦合进第一个混频器330的输入，移相器375的π/2输出耦合进第二个混频器360的输入。在实施中，RF信号被直接向下变频成基带或DC。之后来自零差接收机300的两个输出被发送到信号处理器390作进一步处理。

当实行信号强度测量时，为了确定在时隙区间内平均接收信号的强度，信号处理器390进行如下计算：其中N为抽样数，I(n)和Q(n)表示已测量的接收信号强度指示器(RSSI)电平。用这个公式计算零差接收机中被检测的信号的平均信号强度既需来自接收机的I输出，又需来自接收机的Q输出。这一算法如下确定RSSI：在当前信道接收一数据帧，取RSSI抽样。之后抽样结果存储在位于信号处理器390内的缓冲器中。将接收机接收的大约25个数据帧的值进行累加并取平均。然而，这种确定方案需要接收机全部的功率放大器320，340，370和两个D/A转换器350，380都要“加电”，因此减少了接收机供电的蓄电池的寿命。

如等式(1)所示，为了在一个时间段内的抽样时段内计算平均接收信号强度，两个通道都必须被加电。然而，如果可以使两个通道接收到的功率相同，那么，信号强度测量的计算可以作如下简化：或

\frac{\sqrt{2}}{N} \underset{N}{Σ} \sqrt{Q {(n)}^{2}}

其中N是抽样数，I(n)和Q(n)表示已测量的RSSI电平。

结果是，一个零差接收机可以利用上面所述的有利的计算来构造。如图-4所示的，按照本发明作为例子的实施方案，此构造通过提供一个包含与图-3有关的描述中零差接收机一样的基本组成部分的零差接收机500被提出。然而，按照本发明作为例子的实施方案，从信号处理器390到功率放大器370及模数转换器380的输出410示于图。如果要在一个时间段内检测信号强度测量，则接收机300中的信号处理器390将放大器370和D/A转换器380断电。尽管断电信号被显示连接到图-4中的I通道，但是如果是本领域的技术人员就会理解，按照本发明，只要每个通道接收到的功率相同，接收机就能将I通道或者Q通道断电。

举例来说，如果接收机300正接收已经用PN序列调制的信号，那么I通道中的功率应与Q通道中的功率相等。按照本发明作为例子的实施方案，其它类型的调制序列象GMSK调制序列，也能用于零差接收机300。如果接收到的信号被调制以便I通道和Q通道接收到同样的功率，那么一个通道可以在信号强度测量期间断电。因此，减少了接收机对蓄电池的使用同时又保持了相同的监视时间。

Claims

1.一种接收机包含：

一个用于接收输入信号的天线(305)；

一个连接到放大器的下变频器(330，360)，用于将接收信号转换成两个通道上的复数基带信号I和Q；其特征在于

一个连接到所述下变频器的信号处理器(390)，用于使该I通道单元或者该Q通道单元断电并处理所述I通道和所述Q通道中剩余的通道以产生所述信号强度测量，其中所述I通道和所述Q通道有相同的接收功率电平。

2.权利要求1中的接收机，其中所述的信号处理器计算

或

\frac{\sqrt{2}}{N} \underset{N}{Σ} \sqrt{Q {(n)}^{2}}

以确定该信号强度测量，其中N是抽样数，I(n)和Q(n)表示已测量的接收信号强度指示器电平。

3.权利要求1中的接收机，其中所述的I通道单元进一步包含：

一个连接到所述下变频器的第一个输出的放大器；和

一个连接到该放大器输出的模数转换器。

4.权利要求1中的接收机，其中所述的Q通道单元进一步包含：

一个连接到所述下变频器的第一个输出的放大器；和

一个连接到该放大器输出的模数转换器。

5.在一个零差接收机中实行信号强度测量的一种方法，包含的步骤有：

接收一个输入信号；

将该接收信号转换成包含一个I通道和一个Q通道的复数基带信号，其特征在于；和

将该I通道单元或者该Q通道单元断电并处理该剩余的通道以产生所述的信号强度测量，其中所述I通道和所述Q通道有相同的接收功率电平。

6.权利要求5中的零差接收机中实行信号强度测量的方法，进一步包含的步骤有：

计算

或

\frac{\sqrt{2}}{N} \underset{N}{Σ} \sqrt{Q {(n)}^{2}}

7.权利要求5中的零差接收机中实行信号强度测量的方法，其中所述断电的步骤进一步包含的步骤有：

在所述Q通道中将一个连接到所述下变频器中第一个输出的放大器断电；和

在所述Q通道中将一个连接到该放大器输出的模数转换器断电。

8.权利要求5中的零差接收机中实行信号强度测量的方法，其中所述断电的步骤进一步包含的步骤有：

在所述I通道中将一个连接到所述下变频器中第一个输出的放大器断电；和

在所述I通道中将一个连接到该放大器输出的模数转换器断电。

9。权利要求5中的零差接收机中实行信号强度测量的方法，其中所述接收的步骤进一步包含接收一个调制信号以便在I和Q通道提供相等功率。

10.权利要求9中的零差接收机中实行信号强度测量的方法，其中所述接收的步骤进一步包含接收一个调制的pn序列。

11.权利要求9中的零差接收机中实行信号强度测量的方法，其中所述接收的步骤进一步包含接收一个GMSK调制信号。