CN101091329B - 用于多信道通信系统中功率控制和信道选择的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于在基于多信道接入的无线通信系统中对连接的功率分配和信道分配的方法，其中每一个连接都是独立于其他连接而起作用的。一个连接的每一个信道的质量在连续时间步(n，n+1)被测量。来自前一时间步(n)的测量结果在后一时间步(n+1)中被用于分配该连接所使用的所有信道的平均功率以及所述信道之间的单独功率设置。该平均功率是使用相对于每一个信道的平均比特率来平衡平均信道功率的外部公平性循环来控制的。单独功率设置是使用内部容量循环来控制的，该内部容量循环向良好的信道分配大量功率，并且向差的信道分配有限的功率。每一个循环都具有相应的目标关系，并且这些循环的结果被组合以便确定下一个时间步的发射功率。该方法具有分布式特性，并且可以在单独的接收节点上执行。此外，它可以被应用于上行链路或下行链路。本发明还涉及配备了用于执行该方法的装置的发射和接收节点。

Description

用于多信道通信系统中功率控制和信道选择的方法和装置

发明的技术领域 

在下文中将在一般意义上使用信道、连接和载波的表达。 

由于信道的概念根据所使用的无线接入网(RAN)而不同，因此将不给出信道的全局定义。例如，在FDMA系统中，一个信道是一个频率，并且信道是由频率分离的。在TDMA系统中，一个信道是一个时隙，并且信道是由时间分离的。在CDMA系统中，一个信道是一个码，并且信道是由码分离的。RAN系统可以具有包括频率、时隙和码的不同组合的信道概念。实际上，可以为频率、时隙和码的每一种可能组合来规定信道的概念。最后应该注意，信道具有在空间上的扩展。载波的表达在一般意义上被使用，并且被定义为用于传输信息的装置。在FDMA系统中，一个载波是一个频率或窄的频带，在TDMA系统中，它是一个时隙，而在CDMA系统中，它是一个被分配的码。连接可以包括单个载波或多个载波。多载波连接包括多个信道，其中每个信道使用一个单独的载波。 

信道质量受到许多参数的影响，其中以非常一般并且非穷举性的方式所表达的信道隔离度可以被认为是信道之间信号泄漏的量度。如果其他信道在空间上相互接近，那么这种泄漏会在这些其他信道上产生干扰。记住，信道在空间上具有有限的扩展。它们越是分离，信道泄漏就越少。信道质量还受到连接之间的信号泄漏的影响。如果一个连接以高功率进行传送，那么它将产生对一个或多个相同信道上的相邻连接的干扰。与由连接的信道之间的信号泄漏所产生的干扰相比，由连接之间的信号泄漏所产生的干扰通常较小。 

在技术上，防止时域中的泄漏比防止频域中的泄漏更容易。频域中的泄漏通常大于时域中的泄漏，因此TDMA系统具有优于FDMA系统的信道隔离度。 

功率控制和频率控制是消除干扰的手段。 

背景和定义 

在无线网络中，常常可以观察到系统容量与连接容量之间的折 衷。 

信道容量的非常一般并且非穷举性的定义是在某个时段期间在一个信道上所传送的信息量。 

连接容量的非常一般并且非穷举性的定义是在一个连接中所包括的所有信道的信道容量之和。 

系统容量的非常一般并且非穷举性的定义是在系统中存在的所有连接的连接容量之和。系统可以传送的信息越多，系统容量就越好。 

连接容量在系统中的分布使系统容量与建立连接的数量及其相应的容量相关。在一个系统中通常会争取连接容量的窄的分布以及高的系统容量。常常可以观察到，在这两个目标之间存在冲突。如果对所有发射机给予发射的可能性，那么具有差信道质量的连接将为了仅仅传送少量的信息而占用大比例数量的可用系统资源。在其中存在的折衷在于，为了实现高系统容量，应该提供具有良好的信道质量的连接。另一方面，为了获得高度的公平性，可能不得不促成具有差的信道质量的连接，并且不公平地对待具有良好信道质量的连接。连接容量的分布可以被看作是公平性。需要高发射功率的不良连接应该有机会传送，和/或为了不良连接的利益，良好的连接必须分发一些发射功率。 

有时，无线接入网的容量可能受到其他连接的干扰以及发射信号的多径、符号间干扰(ISI)的限制。如果对单独连接提高发射功率最终导致所有的连接正在大声“交谈”(发射)以试图被听到的“鸡尾酒会效应(party effect)”，那么对单独连接提高发射功率可能不是有益的。换句话说，当检测到差的或恶化的信道质量时，该恶化的连接增大其发射功率以试图提高质量。通过对恶化的连接增大发射功率，对其他连接产生了干扰，这将降低其他连接的信道质量。所以自然地，其他连接增大它们自己的发射功率，以便希望恢复它们的信道质量。这个过程一直持续到发射功率电平达到最大值并且不允许进一步增大发射功率为止。 

“鸡尾酒会效应”可以通过下面的实例来例示。用户A与用户B正在一个信道上进行通信，该信道具有特定的可接受载波干扰质量值C/I。与该通信同时发生的是，另一个用户C与用户D正在该相同信道上或者在一个不同信道上进行通信，该相同信道处于相同时隙/频 率/码资源上并具有可接受C/I质量值，该不同信道具有可接受C/I，在这种情况下在信道之间存在信道泄漏。现在，假定用户A的信道质量恶化了1dB。为了对此进行补偿，A把发射功率增大1dB。该功率增大将在C的信道上产生干扰。C的信道的信噪比受到该功率增大的影响。所以，C的信道质量将恶化1dB。为了对此进行补偿，C把发射功率增大1dB。该增大的发射功率在A的信道上产生干扰，并且A的信道质量将下降1dB。所以A增大发射功率，等等。该过程一直持续到达到系统所允许的最大发射功率。 

先前已知的一种防止“鸡尾酒会效应”的方法是，避免完全补偿恶化的信道质量，并且代之以使用这样一种补偿方案，根据该补偿方案，仅仅部分地补偿恶化的信道质量。举例来说，假设用户A的信道质量恶化了1dB。为了对此进行补偿，用户A现在把发射功率只增大恶化程度的一半，也就是1/2dB。这个增大的功率将干扰C的信道。它将增大C信道上的噪声。所以C的信道质量将恶化1/2dB。为了对此进行补偿，C把发射功率增大恶化程度的一半，也就是1/4dB。该增大的发射功率在A的信道上产生干扰，并且A的信道质量将降低1/4dB。所以A把发射功率增大1/8dB，等等。该过程继续进行，但是这次在A以及在C处的连续功率设置之和将收敛，并且达到一个低于系统所允许的最大发射功率的有限功率。在上面的第一实例中，补偿系数是1，而在第二个实例中，该补偿系数是1/2。当然，可以使用具有在0与1之间的其他系数或变化的系数的其他补偿方案。 

发明概要

在广义上，本发明的一个目的是提供一种在网络中促进高的连接容量和系统容量的方法。 

根据本发明，系统容量与连接容量之间的折衷通过应用一种方法来实现，该方法包括一个外循环和一个内循环，所述外循环被称为公平性循环，它通过在连接之间分配发射功率来平衡系统的连接容量，所述内循环被称为容量循环，它作用于单独的连接，并且通过在组成一个连接的多个信道之间分配可用发射功率来使该连接容量最大化。 

根据外部公平性循环的平衡的控制意味着下列公平性方面被获得：消耗大量资源(功率)并且由此在系统中产生大量干扰的连接必 须用低数据速率来限制。由于分配给处于差位置的连接的每比特功率通常超出分配给处于良好位置的连接的每比特功率，因此对于差的连接至少在某种程度上补偿其不利的情形。 

根据内部容量循环的功率的控制意味着，对于不同的信道给予不同的加权，以便在信道功率与每个单独信道上的比特率之间获得合理的平衡。在这种情况下，基本原理是功率应该在其能够最有益的情况下使用。与具有低信道质量的差信道相比，具有高信道质量的良好信道被分配更多的功率。 

根据本发明的方法可以应用于移动无线电网络的上行链路或下行链路。 

本发明还提供一种具有所指示的明确的(unambiguous)和分布式类型的方法。 

所述明确意味着，该方法将始终在独立于初始条件的相同解中结束。也就是，在给定无线电连接条件的情况下，该方法始终收敛到相同的功率分配而独立于初始功率设置。 

分布式特征可以被应用，或者可以不被应用。所述方法是分布式的事实意味着，它可以在无线电接入系统的节点中被本地实施，例如在终端或接入点中。一旦可以访问某些系统参数，每个节点就必须仅仅跟踪在不同信道上使用的发射功率以及在每个信道上的最终比特率。如果该分布式特征没有被应用，那么该方法可以在无线电接入系统的中央节点(例如UTRAN中的NodeB)中执行。 

一个连接的每个信道的质量在连续的时间步(n，n+1)被测量。来自前一个时间步(n)的测量结果、或者在几个先前时间步上取得的测量的平均值或加权平均值，被用于在后一时间步(n+1)中分配一个连接的所有信道的平均功率(外部公平性循环)、以及所述信道之间的单独功率设置(内部容量循环中的功率控制)。如果使用在几个先前时间步上取得的测量的加权平均值，那么与先前的测量结果相比，最新的测量结果通常被给予更多的权重。平均功率是使用外部公平性循环来控制的。单独功率设置是使用将许多功率分配给良好信道以及将有限功率分配给不良信道的内部容量循环来控制的。每一个循环都具有相应的目标关系，并且这些循环的结果将被组合以便确定在下一个时间步(n+1)中的发射功率。 

在所附权利要求书中陈述了本发明的这些特征。 

附图描述 

图1是说明在将本发明应用于多发射机多接收机无线电系统时在本发明中所使用的信道和连接定义的图， 

图2是在应用于蜂窝移动无线电系统时与图1类似的图， 

图3是说明两个连接以及相应的有用和干扰信号的图， 

图4是说明平均信道功率与平均数据速率之间的目标关系的对数-对数图， 

图5是说明单独信道功率与相对于平均数据速率的数据速率之间的目标关系的对数-对数图， 

图6是与图3类似的图，其中每个连接都处于两个信道上， 

图7是说明常数α与β之间的关系的图， 

图8是应用本发明的方法的发射机的框图， 

图9是应用本发明的方法的接收机的框图，以及 

图10是说明在激活根据本发明的方法之前和之后的连接数据速率的图。 

发明详述 

图1说明信道和连接定义。在图1中示意性示出一个使用上面的传输方案的无线电系统，并且该无线电系统包括多个发射机Tx1、TX2、...、TXm。发射机TX1同时在多个信道CH1、CH2、...、CHn上进行发射。上面已经给出信道的定义。虽然示出了许多发射机TX1，但是通常只有一个发射机单元在多个信道CH1、CH2、...、CHn上进行发射。相同的情况还适用于所述多个发射机TX2、...、TXm。还存在在多个信道CH1、CH2、...、CHn上进行接收的多个接收机RX1、RX2、...、RXm。虽然示出了许多接收机RX1，但是通常只有一个接收机单元在多个信道上进行接收。相同的情况还适用于其他接收机RX2、...、RXm。 

发射机TX1同时在所述多个信道CH1、CH2、...、CHn上向接收机RX1进行发射。相应的传输在单独载波CA₁₁...CA_n1上进行。载波CA₁₁...CA_n1上的TX1传输被认为定义了一个连接CO1。在发射机 TX2与接收机RX2之间的CA₁₂...CA_n2上进行类似的传输，并且这些传输形成了一个连接CO2。存在m个连接。在连接COm上，发射机TXm在载波CA_1m...CA_nm上向接收机RXm进行发射。 

诸如TX1之类的发射机可以在相应信道上向多个接收机进行发射，而不是如所示的那样只向RX1进行发射。换句话说，可能存在多个侦听TX1的发射的接收机。 

当TX1在信道CH1上进行发射时，它干扰信道CH2上的RX1以及信道CH1上的RX2，如由虚线箭头所示。它还可能干扰其他信道上的接收机，这取决于单独地理距离和功率设置。 

在图2中示出了移动无线电系统中传输方案的实施方式。该移动无线电系统包括多个基站BS1、BS2、...、BSm以及移动单元MS1、MS2、...、MSN。移动台MS1同时在由椭圆1、2、...、i所示的多个信道CH1、CH2、...、CHO上向BS1进行发射。实际上，一个移动台可以同时在几百个信道上进行发射。因此，基站BS1在很多信道上接收到来自MS1的信号。注意，椭圆1、2、...、i中的BS1在物理上是同一个基站。同样对于MS1、BS2、MS2、BSm以及MSO来说也是如此。 

椭圆1说明CH1的地理扩展，也就是有可能捕获来自MS1的信号的区域。以类似的方式，椭圆2说明CH2的地理扩展，以及椭圆i说明信道CHi的地理扩展。 

箭头3示出在CH1上MS1到BS1的传输，以及箭头4示出在CH2上的传输。如箭头5所示，CH1上的传输3在基站BS2的信道CH1上产生干扰。如箭头6所示，CH1上的同一传输3还在MS1的信道CH2上产生干扰。 

当MS2在CH1上向BS2进行发射时，在CH1和CH2上出现类似的干扰。应该注意，MS2可以与MS1同时在CH1上进行发射。 

CH1与CH2之间的隔离度越好，干扰6就越小。 

如由图2中相应的椭圆7和8所示，移动台MS1具有一个连接7，以及移动台MSk具有另一个连接8。 

根据本发明，一个连接关于在各种信道CH1、CH2、...、CHi上的发射功率和所获得的比特率来控制它自己，而不需要使其功率设置与另一个连接的功率设置相协调。 

已经描述和说明了基本定义，现在参考图3，该图是说明BS1向MS1进行发射(箭头9)并且同时BS2向MS2进行发射(箭头10)的情况的示意信号图。这些传输在信道CH1上。BS2的传输对在MS1接收的信号9产生干扰i(箭头11)。如果 

p是BS1用于发射的功率， 

g是在CH1上BS1与MS1之间的增益g11，i是干扰11， 

c是在MS1处接收到来自BS1的传输的功率， 

γ是质量值，以及 

i、p、g、c、γ都用对数值来表示，那么接收功率是： 

c＝p+g.    等式1 

举例来说，如果BS1以1W(10³mW)(其等于30dB_m)进行发射，那么接收信号的功率c的可能值是10^-12W(等于-90dB_m)，该值表明大约亿万以上的功率降低。如果信道增益g是-120dB，那么将dB值插入等式1可以得到： 

-90＝30+(-120) 

上面的i和h一起构成一个信道。g的大值意味着良好的信道。 

信道CH1的质量值是接收功率减去干扰： 

γ＝c-i    等式2 

将等式2插入等式1可以得到： 

γ＝p+g-i    等式3 

有可能控制p，但是如果系统是分布式的，那么g和i无法被控制。干扰i的功率来源于与系统内部的传输不相关的其他连接和来源(噪声)。 

在一个系统中，其中p被测量并且在规则时间步1，2，3，...n上被设置，如果想要控制和计算要在连续时间步n+1中使用的功率，那么进行下列计算： 

pn＝γn-v    等式4 

其中v＝γ_n-p_n。 

p_n+1＝γ_n+1-v  →p_n+1＝γ_n+1-(γ_n-p_n)    等式5 

在等式5中，γ_n+1项是系统的稳定状态中的通用功率常数α，以及γ_n-p_n项是应该为连接而控制的功率设置。该项可以根据β而改变。将α插入等式5以及根据β来改变γ_n-p_n可以得到： 

p_n+1＝α+β(γ_n-p_n)    等式6 

这适用于处于稳定状态的系统的所有连接。稳定状态意味着，迭代进行测量，直至p_n和p_n+1具有相同的值。在迭代期间，信道增益通常应该保持恒定。将βp_n移到等式1的左边并且两边都除以1+β可以得到： 

$p_{\∞}=\frac{\mathrm{\α}}{1+\mathrm{\β}}+\frac{\mathrm{\β}}{1+\mathrm{\β}}{\mathrm{\γ}}_{\∞}$ 等式7 

等式7给出了在系统的稳定状态中连接的质量与功率之间的关系。如果质量突然下降，那么这将通过增大功率来补偿，并且如果α和β满足以下进一步论述的某些约束，那么补偿系数小于1。从等式7中明显的是，如果β＝-1，那么p_∞增大超出所有的极限，并且系统功率失控，这是不期望的。然而，如果β＞-1，那么功率将受到控制，并且可以达到系统的稳定状态。 

代替使用γ作为信道质量的值，在使用香农关系式时，在信道上获得的比特率r(数据速率)可以被使用： 

r≈log(1+γ)，这可以用下式来近似： 

r≈γ    等式8 

通过在对数-对数图中研究信道质量γ相对于所获得的比特率r之间的关系，可以使用任何一个或多个其他更实际的(realistic)函数。实际函数是通过检查通信系统的编码和调制方案的组合来得到的。这不是本发明的一部分，因此不将对其进行详细描述。当信道质量提高时，比特率不将增加到所有极限之上，而是将达到一个恒定状 态，知道这种情况就足够了。一个简单近似是： 

$0<\frac{\mathrm{\&delta;r}}{\mathrm{\&delta;\&gamma;}}<1$

上面的等式6还可以根据下述被导出： 

假设一个具有N个信道的传输方案。在时间步n，分配给连接k的第i个信道的功率被表示为p_n，k，i。注意，下标i不将与上面用于干扰的符号i互换。同样，连接k的第i个信道的数据速率被表示为r_n，k，i。此外，连接k在时间步n的平均信道功率(用于信道传输的功率)以及平均信道数据速率分别被进一步表示为 

和 

并且被定义为： 

${\stackrel{\&OverBar;}{p}}_{n,k}=\frac{1}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_{n,k,i},$ ${\stackrel{\&OverBar;}{r}}_{n,k}=\frac{1}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{r}_{n,k,i}$ 等式10和11 

同理，与平均数字相关的分配的功率和所获得的数据速率的变化分别被表示为 

和 

并且被定义为： 

${\tilde{p}}_{n,k,i}=p_{n,k,i}-{\stackrel{\&OverBar;}{p}}_{n,k},$ ${\tilde{r}}_{n,k,i}=r_{n,k,i}-{\stackrel{\&OverBar;}{r}}_{n,k}$ 等式12和13 

本发明的方法包括两个耦合的循环，即对连接容量进行控制的外部公平性循环和对系统容量(网络中的资源划分)进行控制的内部容量循环。外部公平性循环控制每一个信道的平均信道功率 

与平均数据速率 之间的平衡。根据图4，用于外部公平性循环的目标关系是在对数-对数图中具有负导数以及非负的二阶导数的曲线。当平均数据速率降低时，平均信道功率增大，但是仅仅增大到最大值。负导数的基本原理是，消耗大量资源(功率)并且由此在系统中产生大量干扰的连接也必须用低数据速率来限制。然而，由于分配给处于差位置的连接的每比特功率通常超出分配给处于良好位置的连接的每比特功率，因此对于差的连接至少在某种程度上补偿其不利的情形。 

为了达到平均信道速率与平均数据速率之间的目标关系，平均信道功率在每个时间步中根据以下的等式14来更新。由于本发明的方法促成了高度的公平性，因此等式1中的常数 是负的 

${\stackrel{\&OverBar;}{p}}_{n+1,k}=\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&alpha;}}+\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&beta;}}\&CenterDot;({\stackrel{\&OverBar;}{r}}_{n,k}-{\stackrel{\&OverBar;}{p}}_{n,k})\left[\mathrm{dB}\right]$ 等式14 

在内部容量循环中，对一个连接的多个信道之间的功率分配进行控制，以便在每个信道的信道功率 

与数据速率 

之间实现合理的平衡。在这种情况下，基本原理在于，功率应该在其能够最有益的情况下使用。也就是，与差的载波相比，良好的载波被分配更多的功率。每个载波上的载波功率与数据速率之间的目标关系在图5的对数-对数图中被描绘。在这种情况下，该曲线的导数与其二阶导数一样都是非负的。当平均数据速率增大时，平均信道功率将增大，但是仅仅增大到最大值。此外，在每个时间步中，信道功率根据以下的等式14来更新。 

的值为正 

${\tilde{p}}_{n+1,k,i}=\widetilde{\mathrm{\&alpha;}}+\widetilde{\mathrm{\&beta;}}\&CenterDot;({\tilde{r}}_{n,k,i}-{\tilde{p}}_{n,k,i})\left[\mathrm{dB}\right]$ 等式15 

注意在这两个循环中，很明显，一旦该算法收敛，即当 

以及 

时，功率与速率之间的关系是单调的(在对数-对数图中)。参见图4和图5。此外，常数 

和 

的绝对值必须小于1，以便获得稳定的系统性能。 

在本发明方法的最后一个步骤中，这两个循环的结果被组合，以便确定在下一个时间步中在连接的单独信道上要使用的实际发射功率。这一点根据以下的等式16来进行。 

$p_{n+1,k,i}={\stackrel{\&OverBar;}{p}}_{n+1,k}+{\tilde{p}}_{n+1,k,i}\left[\mathrm{dB}\right]$ 等式16 

该关系与以上的等式6相同。在 

和 

中分别包含 

和 

项。 

应该记住，α和β是系统常数。在图7中示意性示出α与β之间的关系。整个系统的功率电平和质量水平利用α来控制。大的α值将提高质量。 

图6说明一个多接入无线电系统，该系统包括两个连接CO1和CO2，每个连接都处于两个信道CH1和CH2。在连接CO1上有两个发射机TX1，每个发射机向相应的接收机RX1进行发送。在连接CO2上有两个发射机TX2，每个发射机向相应的接收机RX2进行发送。 每个信道的增益矩阵由加有下标的g值来示出。为了借助于内部容量循环来获得不同的比特率和不同的功率设置，必须满足的一个条件是用于CH1的矩阵 

与用于CH2的矩阵 

是不同的。因为如果这两个矩阵相等，那么外部公平性循环将为每一个连接分配功率，但是内部容量循环不将在单独信道上提供任何功率的划分。于是，结果是在连接CO1中的所有载波都将以相同的功率进行发射，并且在连接CO2中的所有载波也都将以不同于CO1中的功率的相同功率进行发射。然而，如果这两个矩阵不同，那么内部容量循环将在单独载波之间分发分配给CO1的功率。 

如果图6中的系统是频分系统，那么合理的是所述增益矩阵依赖于频率。虽然只示出了两个连接，但是如图1所示，真实世界的系统可以包括很多连接，并且在这些连接中，一些连接因为例如多径衰落、大气条件和其他情况而好于其他连接。一个连接的所有频带并非都是良好的，而是一些频带好于其他频带。假定在连接CO1和CO2中一个频率(载波)优于另一频率(载波)。对连接CO1来说，可以假设g_11，1大而g_11，2弱。对连接CO2来说，可以假设g_22，2大而g_22，1弱。相应地，连接CO1将优选使用信道CH1，而连接CO2将优选使用信道CH2。如果把刚才给出的实例进一步前进一步，并且在不探究细节的情况下假设连接CO1的质量好于连接CO2的质量，那么与连接CO1相比，外部公平性循环将按比例把更多功率分配给连接CO2。在连接CO1中，内部容量循环将分配比给CH2的功率多的功率给CH1，而在连接CO2中，内部容量循环将分配比给CH1的功率多的功率给CH2。 

在时分系统中，这些矩阵是依赖于时间并且随时隙而改变的。 

回到等式6，并且对于其信道的平均增益g例如作为连接的位置改变的结果而减小的一个连接应用外部公平性循环，这将导致γ的平均值减小。减小的γ转而将导致在该连接上要使用的平均功率p_n+1增大。内部容量循环以下面的方式对连接的信道起作用：当信道增益g减小时，γ将减小，并且减小的γ将降低在下一个时间步中要使用的 功率。 

该方法是明确的和分布式的。明确是因为它始终在独立于初始条件的相同解中结束。也就是，在给定无线电连接条件的情况下，该方法始终收敛到相同的功率分配而独立于初始功率设置。该方法是分布式的事实意味着，该方法可以在节点中被本地实施，例如在终端或接入点中。不需要协调所有有效连接的活动的中央节点，尽管有可能存在其它考虑，这些考虑规定应当使用中央节点，并且因此中央节点处于本发明的范围之内。 

一旦可以访问参数 

以及 

那么每个节点都必须仅仅(i)跟踪在一个连接的不同信道上要使用的发射功率，以及(ii)跟踪每个信道上的最终速率。 

根据本发明的方法可以被用于多接入无线电系统的上行链路以及下行链路。 

在图8中，发射节点12在多个信道CH1、CH2、...、CHn上与接收节点13进行通信。该发射节点配备了多个发射机14和一个控制器15，其中本发明的方法以硬件、软件或其组合的形式来体现。发射机在用于每一个连接的相应信道上进行发射。虽然未示出，但是单独发射机配备了如由所用的单独无线电接入系统所规定的编码器、调制器、功率放大器和其他常规单元。在接收节点13，多个接收机16接收来自发射节点12的传输。每个接收机都被连接到一个相应的信道质量检测器17，该信道质量检测器用于测量相应信道的质量，举例来说，例如接收数据速率、比特差错率或其他QoS量度。如由虚线箭头18所示，各种测量的质量信道质量值γ_i(i＝1，...N)被报告给发射节点12，所以该发射节点可以计算将要在下一个时间步中在不同信道上使用的功率。 

在图9中，发射节点19与接收节点20进行通信。该发射节点配备了多个发射机21。该接收节点配备了多个接收机22和一个控制器23，其中本发明的方法以硬件、软件或其组合的形式来体现。在用于每一个连接的相应信道上，发射机以相应的功率设置来进行发送，其中该功率设置由控制器计算并且经由信令链路24用信号通知给发射机。虽然未示出，但是单独发射机配备了如由所用的单独无线电接入系统所规定的编码器、调制器、功率放大器和其他常规单元。在接收 节点20，每一个接收机被连接到信道质量检测器17。如由箭头25所示，每一个检测器17把相应信道的质量报告给控制器23。由箭头26所示的在时间步n-1中测量的、并且在未示出的存储器中所存储的该质量信息，被控制器23使用以便计算在时间步n+1中将要在单独信道上使用的功率。在时间步n期间，来自时间步n-1的所存储的信道质量值由控制器23取出，并被用于计算在时间步n+1中在不同信道上要使用的单独功率设置，该计算根据等式8来进行。 

发射和接收可以在上行链路以及下行链路上进行。这意味着图8和图9的节点可以被用于无线电接入系统的上行链路或下行链路。 

如果图8的节点被用于下行链路，那么发射节点12将是与多个接收节点13(例如多个移动台)进行通信的中央节点(例如基站)。该中央节点将具有与所述多个接收节点相连的多个连接，并且将在每一次通信中计算要在各种信道上使用的单独功率值。 

如果图8的节点被用于上行链路，那么接收节点13将是与多个发射节点(移动台)进行通信的中央节点(基站)，并且一个连接的单独信道的功率设置的所有计算将分布在发射节点(移动台)之间。 

类似的考虑适用于图9的节点。如果图9的节点被用于上行链路，那么接收节点20将是与多个发射节点19(例如多个移动台)进行通信的中央节点(例如基站)。该中央节点将具有与所述多个接收节点相连的多个连接，并且将在每一次通信中计算要在各种信道上使用的单独功率值。 

如果图9的节点被用于下行链路，那么发射节点19将是与多个接收节点(移动台)进行通信的中央节点(基站)，并且一个连接的单独信道的功率设置的所有计算将分布在接收节点(移动台)之间。 

在图11中说明在激活根据本发明的信道和功率分配的方法之前(左侧条)和之后(右侧条)的连接数据速率。该连接信息(数据速率)是为本发明的一种实现方式描绘的，其中增益矩阵、α和β值被给定，并且根据本发明的两个循环进行迭代，直至达到稳定的状态。在上文中，α和β值是算法中的参数。示出了在激活该方法之前和之后的七个连接的数据速率，其中所有这些连接都处于蜂窝系统的不同小区中。该方法是经过参数化的，使得信道之间的平均功率和功率分配都适于系统中的条件。也就是，在本实例中 

$(\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&beta;}},\widetilde{\mathrm{\&beta;}},\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&alpha;}},\widetilde{\mathrm{\&alpha;}})=(-\mathrm{0.7,0.7,15,15}).$

从图11中可以看出，该方案改善了处于差的条件的连接的性能，但却降低了处于有利位置的连接的性能。系统中的总吞吐量在这两种情况下是类似的。也就是，可以认为在这个特定情况中，有可能在不影响总效率的情况下改善系统的公平性。 

以下的表1给出系统中的不公平性和吞吐量的数字结果，其中该系统具有7个小区，并且每个小区中有一个用户。表1中所示的所有值是从许多不同实现方式中得到的平均值。表1中的上行(U＝32，R＝20)表示在应用本发明的方法之前处于初始状态的通信系统。表1中的下行(U＝17(+15)，R＝18(-2))表示在应用了本发明的方法之后的通信系统。图11说明在应用本发明的方法的时获得的结果。在图11中，分配给初始状态中的相应用户的相应比特率由黑色左侧条来说明。在应用了本发明的方法之后分配给用户的比特率由白色左侧条来说明。系统容量将是黑条之和。同样，系统容量将由白条之和来表示。 

在表1中，字母R是系统容量，该系统容量被表示为由通信系统在每秒和每个小区中传输的比特数量的平均值。字母U是一个在本实例中被称为“不公平性”的量度，并且它是处于用户比特率的95％与5％之间的系数。 

以非常宽泛并且不完整的方式所表达的公平性是指，应该为用户分配大致相同的比特率。如果用户之间的用户数据速率变化小，那么认为系统对待用户是公平的。作为公平性的量度，使用了上面的“不公平性”关系。 

如果不公平性量度接近于1，那么系统是公平的。如果U大，那么系统是不公平的。从一开始以及在应用本发明的方法之前，系统以不公平的方式为用户分配比特率。 

结果表明已经减小了用户之间的数据比特率变化。例如，具有不良信道的用户2被分配了较高的数据速率，而具有良好信道的用户3被分配了减小的数据速率。该结果还表明，通过应用本方法有可能改善系统的公平性(＝降低不公平性)，并且保持总的系统容量不变。 

表1 

上述的本发明可以在由所附权利要求书所设定的限度之内进行改变和修改。 

本发明的方法可以被表示为用于信道选择和功率分配的组合方案。然而，它也可以被称为软信道分配方案，因为在不同信道上设置或多或少的权重。之所以这样是因为，信道选择在应用连接容量循环(公平性循环)时进行，而功率分配在应用系统容量循环时进行。 

Claims (15)

1.一种在基于多信道接入的无线通信系统中对连接的功率分配和信道分配的方法，其中每个连接都是独立于其他连接而起作用的，并且一个有效连接同时使用多个信道，在所述基于多信道接入的无线通信系统中进行传输的信道是正交的，所述方法包括以下步骤：

-测量用于每一个连接的每个信道的质量，并且利用所获得的数据比特率来表示质量，

-在连续的时间步重复所述测量，

其特征在于：

(a)使用来自一个或多个先前时间步的关于单独连接的测量结果，以便在后一时间步中把相同连接所使用的所有信道的“平均功率”分配给所述相同连接，所述分配由相对于所述连接中的平均数据速率平衡所述“平均功率”的外部公平性循环来控制，所述外部公平性循环具有一个目标关系，以使当所述平均数据速率降低时，所述“平均功率”增大，直到最大值，

(b)在所述后一时间步中，在所述相同连接所使用的所述所有信道中的单独信道之间分配功率，在所述后一时间步中的分配由相对于在所述所有信道上所获得的相应比特率来在所述所有信道之间平衡功率的内部容量循环来控制，所述内部容量循环具有一个目标关系，以使向所获得的数据速率高的信道比向所获得的数据速率低的信道分配更多的功率，以及

(c)组合来自两个分配步骤(a)和(b)的结果，以便确定在所述后一时间步上在所述单独连接的所述所有信道中的单独信道上要使用的实际发射功率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

-对所述基于多信道接入的无线通信系统中的每一个有效连接进行所述测量，以及

-对所述基于多信道接入的无线通信系统中的每一个有效连接重复权利要求1的步骤(a)、(b)和(c)，从而提供功率分配和信道分配的分布式方法。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于使用下式作为系统容量循环的目标关系：

${\stackrel{\&OverBar;}{p}}_{n+1,k}=f({\stackrel{\&OverBar;}{r}}_{n,k},{\stackrel{\&OverBar;}{p}}_{n,k}),$

其中

是其导数具有下列属性的函数：

r是所述外部公平性循环中的数据速率，以及r是所述内部容量循环中的数据速率，

r_n，k，i＝在时间步n连接k的第i个信道上的数据速率，

p_n，k，i＝在时间步n分配给连接k的第i个信道的功率，

${\stackrel{\&OverBar;}{r}}_{n,k}=\frac{1}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{r}_{n,k,i},$

${\stackrel{\&OverBar;}{p}}_{n,k}=\frac{1}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_{n,k,i}.$

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于使用下式作为连接容量循环的目标关系，用对数值表示：

${\stackrel{\&OverBar;}{p}}_{n+1,k}=\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&alpha;}}+\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&beta;}}({\stackrel{\&OverBar;}{r}}_{n,k}-{\stackrel{\&OverBar;}{p}}_{n,k})\left[\mathrm{dB}\right],$ 等式1

其中 $-1<\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&beta;}}<0,$

以及r_n，k，i＝在时间步n连接k的第i个信道上的数据速率，

p_n，k，i＝在时间步n分配给连接k的第i个信道的功率，

${\stackrel{\&OverBar;}{r}}_{n,k}=\frac{1}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{r}_{n,k,i},$

${\stackrel{\&OverBar;}{p}}_{n,k}=\frac{1}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_{n,k,i},$

其中

是一个正量。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于使用下式作为所述内部容量循环的目标关系，用对数值表示：

${\tilde{p}}_{n+1,k,i}=\widetilde{\mathrm{\&alpha;}}+\widetilde{\mathrm{\&beta;}}\&CenterDot;({\tilde{r}}_{n,k,i}-{\tilde{p}}_{n,k,i})\left[\mathrm{dB}\right]$ 等式2

其中

是一个正量，

$0<\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&beta;}}<1,$

以及

${\tilde{p}}_{n,k,i}=p_{n,k,i}-{\stackrel{\&OverBar;}{p}}_{n,k},$

${\tilde{r}}_{n,k,i}=r_{n,k,i}-{\stackrel{\&OverBar;}{r}}_{n,k}.$

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于把下列关系用于组合所述外部公平性循环和所述内部容量循环的结果，用对数值表示：

$p_{n+1,k,i}={\stackrel{\&OverBar;}{p}}_{n+1,k}+{\tilde{p}}_{n+1,k,i}\left[\mathrm{dB}\right].$

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：

$\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&beta;}}=-0.7,$

$\widetilde{\mathrm{\&beta;}}=0.7,$

$\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&alpha;}}=15,$ 以及

$\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&alpha;}}=15.$

8.根据权利要求1-7中任何一项所述的方法，其特征在于：所述方法被应用于下行链路，在这种情况下，每一个有效连接设备都执行这些方法步骤并且设置其自己的功率电平。

9.根据权利要求1-7中任何一项所述的方法，其特征在于：所述方法被应用于上行链路，在这种情况下，中央节点执行这些方法步骤，并且把所得到的功率设置用信号通知给有效连接设备。

10.一种具有同时在不同信道上进行发射的多个发射机(14)的发射节点(12)，所述发射节点包括：控制器(15)，所述控制器具有用于接收在前一时间步的与所述信道中的相应信道相关联的信道质量值的输入装置，其中用于信道的质量值是在几个先前时间步上取得的测量的平均值或加权平均值，并且所述输入装置用于根据一个连接的信道的所接收的信道质量值计算将要在后一时间步中在所述信道中的每一个信道上使用的单独功率设置，所述控制器还具有用于所述单独功率设置的输出装置，所述输出装置被连接到相应的发射机(14)，其特征在于：所述控制器(15)使用一个由外部公平性循环以及由内部容量循环控制的算法，其中所述外部公平性循环相对于所述连接的平均数据速率来平衡所有所述信道的平均功率，所述内部容量循环相对于在所有所述信道上所获得的相应比特率来平衡所述所有信道之间的功率，所述算法还组合所述外部公平性循环和所述内部容量循环的结果，以便确定在所述所有信道中的单独信道上要使用的实际发射功率。

11.根据权利要求10所述的发射节点，其特征在于：它被设置在移动无线电系统的下行链路中。

12.根据权利要求10所述的发射节点，其特征在于：它被设置在移动无线电系统的上行链路中。

13.一种具有在不同信道上同时进行接收的多个接收机(22)的接收节点(20)，所述接收节点包括多个质量检测器(17)，这些质量检测器被连接到相应的接收机以用于测量一个连接的单独信道的质量，并且所述接收节点还包括控制器(23)，所述控制器具有输入装置(25)，所述输入装置用于接收在前一时间步的与所述信道中的相应信道相关联的信道质量值，以用于根据一个连接的信道的所接收的信道质量值计算将要在后一时间步中在所述信道中的每一个信道上使用的单独功率设置，所述控制器还具有用于所述单独功率设置的输出装置，所述输出装置被连接到相应的发射机(14)，其特征在于，所述控制器(23)使用一个由外部公平性循环以及由内部容量循环控制的算法，其中所述外部公平性循环相对于所述连接的平均数据速率来平衡所有所述信道的平均功率，所述内部容量循环相对于在所有所述信道上所获得的相应比特率来平衡所述所有信道之间的功率，所述算法还组合所述外部公平性循环和所述内部容量循环的结果，以便确定在所述所有信道中的单独信道上要使用的实际发射功率。

14.根据权利要求13所述的接收节点，其特征在于：它被设置在移动无线电系统的上行链路中。

15.根据权利要求13所述的接收节点，其特征在于：它被设置在移动无线电系统的下行链路中。

Images