CN101207415A - 功率控制方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种功率控制方法，包括步骤：接收端预先设置信干噪比门限值(SINR_thr)和信干噪比判决域(SINR_limit)，并且使两者之差大于系统要求的最小信干噪比(SINR_min)；测量并估计接收信干噪比(SINR_est)，将所述接收信干噪比与所设置的信干噪比门限值进行比较，如果二者之差的绝对值大于或等于所述信干噪比判决域，则向发射端发送功率控制指令。利用本发明的方法，可以灵活地在蜂窝无线通信系统中基站和移动台之间传输调整发送端的发射信号功率的功率控制信号。能够在保证移动通信质量的前提下，有效地减少控制信令的开销和小区间的干扰。根据本发明的方法适合于上行链路和下行链路的传输，并且易于工程实现。

Description

功率控制方法和设备

技术领域

本发明涉及OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiple正交频分复用)通信系统，具体涉及一种宽带OFDM无线通信系统的功率控制方法和设备。

背景技术

IEEE 802.16d/e和WCDMA(Wideband Code Division MultipleAccess)标准都采纳了功率控制技术。对于基于OFDMA(OrthogonalFrequency Division Multiple Access)技术的WiMAX(WorldInteroperability for Microwave Access(微波接入全球互通))或WiBro(Wireless Broadband access service)系统，大多数功率控制的研究集中在单独小区上行链路。但是，在多小区网络通信环境中，小区间的共道干扰大大地影响系统性能。对于CDMA系统，功率控制算法包括开环功控、闭环功控和外环功控。尤其是闭环功率能够减少干扰和确保传输质量。尽管功率控制技术在CDMA系统中已经相当成熟，但是这些方法直接应用于OFDMA系统还是相当麻烦的；或者说，不适用于OFDMA系统应用。这主要是由于OFDMA系统是将不同的子载波分配给不同的用户。如果每个子载波都进行功率调整，就会耗费大量的资源传输功率控制信令。

对于移动蜂窝通信的网络环境，由于频率复用因子接近于1，小区间的干扰会大大降低传输性能。通常，有以下几个原因影响CDMA系统中传统的功率控制算法在OFDMA系统中的直接应用。

首先，每个用户使用不同的子载波作为传输信道。对于不同用户，在各个子载波上传输的信号受到的信道衰落可能是不同的。其次，对于在一个小区的用户，其受到来自其他小区间的共道干扰影响也不尽相同。再者，如果一个用户使用一个小区内所有子载波，一条控制指令无法达到理想的传输效果。最后，如果对所有用户的所有子载波随时进行控制，需要过多的信令开销，就会减少数据的传输速率。同时，在实际通信系统中，如此多的功率控制信令并非十分的必要。

发明内容

因此，根据本发明的一个方面，针对OFDMA系统提出了一种功率控制方法，包括步骤：

a.接收端预先设置信干噪比门限值(SINR_thr)和信干噪比判决域(SINR_limit)，并且使两者之差大于系统要求的最小信干噪比(SINR_min)；

b.测量并估计接收信干噪比(SINR_est)，将所述接收信干噪比与所设置的信干噪比门限值进行比较，如果二者之差的绝对值大于或等于所述信干噪比判决域，则向发射端发送功率控制指令。

根据本发明的另一方面，提出了一种功率控制装置，包括；

接收SINR估计模块，用于测量并估计接收信干噪比(SINR_est)；

参数设置模块，用于设置信干噪比门限值(SINR_thr)和信干噪比判决域(SINR_limit)，并且使两者之差大于系统要求的最小信干噪比(SINR_min)；

比较模块，用于将所述接收信干噪比与所设置的信干噪比门限值进行比较；以及

功控指令产生模块，用于当所述接收信干噪比与所设置的信干噪比门限值之差的绝对值大于或等于所述信干噪比判决域时，向发射端发送功率控制指令。

本发明采用新的信干噪比(或信噪比，在干扰为0时采用)判决域方法来代替传统的信干噪(或信噪比)比判决点处理方法，并且可以对这个判决域进行控制。这种功率控制方法可以灵活地在蜂窝无线通信系统中基站和移动台之间传输调整发送端的发射信号功率的功率控制信号。根据本发明的方法能在保证移动通信质量的前提下，有效地减少控制信令的开销和小区间的干扰。根据本发明的方法适合于上行链路和下行链路的传输，并且易于工程实现。

附图说明

图1给出了一种具有功率控制的OFDMA系统结构图，其中图1(a)给出上行(MS到BS信号的传输)系统结构，图1(b)给出下行(BS到多个MS信号的传输)系统结构。

图2给出了一种根据本发明的功率控制处理模块结构图。

图3表示发射功率调整与接收信干噪比SINR_est和设定门限信干噪比SINR_thr的偏差值的映射关系图

图4给出了一种下行功率控制处理流程图。

图5给出了一种上行功率控制处理流程图。

具体实施方式

本发明针OFDMA系统的功率控制问题，提出一种基于信号干扰噪声比(SINR Signal Interference Noise Ratio)。当干扰为0时，采用信号噪比(SNR Signal Noise Ratio)判决域的混合功率控制方法。这种方法可以用于OFDM或OFDMA上行和下行链路。它不仅能够有效减少控制信令的开销，而且能降低发送机的发送功率和小区间的干扰。

根据本发明方法一个示例的上行功率控制和下行功率控制结构图分别如图1(a)和(b)所示。

在图1(a)中，首先，移动台(MS)发送端将数据送入调制编码器进行调制编码处理100，再进行串并转换102。然后，根据功率控制模块的指令对并行符号位进行功率调整104。可以采用两种调整方法，一种是采用每个子载波有一个控制信号，另一种是在子信道(由多个子载波和时隙组成的子信道)中采用一个控制符号，这个控制符号是由这个子信道中多个子载波随机抽出一个，或对接收到各子信道中的多个子载波求平均的到的控制信息。被调整功率后的符号位用子信道映射模块106进行子载波映射和IFFT正交调制108；最后通过并串转换110和加入循环前缀112完成基带处理，该信号通过数模转换和射频模块114处理后发射到无线信道130。

在基站(BS)接收端，首先通过射频模块和模数转换150将射频信号转换成基带信号，去掉循环前缀152，并通过串并转换器154和FFT处理156，再经过子信道反映射158和并串转换器170和解调译码器168；就得到各个子载波上的数据信号。

在解调译码器168中，在检测信号的同时，需要对每个子载波或从子信道中选取一个子载波的信号和干扰与噪声的功率进行估计300，计算出相应的估计信号干扰噪声功率比SINR_est。同时，通过计算FER模块166得到功率控制模块300的参考输入。如图2所示，例如根据估计的传输无线信道状态信息和估计FER值等，通过SINR门限和判决域产生和调整模块330预先确定门限值SINR_thr以及信干噪比判决域(功率调整范围)SINR_limit。通过SINR测量和估计模块350得到各子载波信号的SINR_est。然后，利用减法器340，将SINR_est与已设定好的门限SINR_thr进行比较。如果其偏差的绝对值大于或等于提前设定的信干噪比判决域SINR_limit，基站端的功控指令产生和存储模块360发出提高MS该子载波或子信道发射功率的指令。信令传输模块162发出升高功率(SINR_est小于SINR_thr)或减低功率(SINR_est大于SINR_thr)的指令；然后，基站就通过射频模块和模数转换160将功率控制命令转换射频信号，经无线信道把功控指令发送到移动台端。反之，如果SINR_est与已设定好的门限SINR_thr之间差值的绝对值小于提前设定的信干噪比判决域SINR_limit，基站的功率信令传输模块162就不发送功率控制指令。

在移动台端，通过射频变换和模数转换模块120和接收处理118模块收到功率控制的命令后，由功率控制调整模块116调整相应的子信道或子载波功率(依功控指令增加或减少其功率，或者不调整功率大小)。同时，基站还可以根据该用户的接收信号功率、FER(BER)、η、调制和编码模式、以及移动环境的不同，灵活地调整SINR_limit的大小和门限SINR_thr值。

在图1(b)中，首先，基站(BS)发送端将用户1的数据送入调制编码器200进行调制编码处理，再进行串并202转换。然后，根据功率控制模块204的指令对并行符号位进行功率调整。有两种调整方法，一种是采用每个子载波有一个控制信号，另一种是在子信道(由多个子载波和时隙组成的子信道)中采用一个控制符号，这个控制符号是由这个子信道中多个子载波随机抽出一个，或对其求平均的到的控制信息。对被调整功率后的符号位进行子载波映射206和IFFT正交调制208，最后通过并串转换230和加入循环前缀232完成基带处理，该信号通过数模转换和射频处理234后发射到无线信道250。在移动台(MS)接收端，首先将射频信号和模数转换器252转换成基带信号，去掉循环前缀254，通过串并转换256和FFT处理258得到各个子载波上的数据信号。

在移动台检测信号的同时，需要产生子信道功率控制指令。首先，对每个子载波或从子信道中选取一个子载波的参数进行估计，并计算出相应的信号干扰噪声功率比350。与上行功率控制过程相似，利用减法器340把估计的SINR_est与由SINR门限产生和调整模块330得到的门限SINR_thr进行比较。如果两者之差的绝对值大于(或等于)提前设定的判决域SINR_limit，功控指令产生和存储模块360发出提高BS发射功率相应子载波或子信道功率升高(或降低)的指令。移动台端的功率信令传输模块290就将功率控制指令发送升高(SINR_est小于SINR_thr)(或减低功率(SINR_est大于SINR_thr时))的命令，数模转换和射频模块(RF/DAC)288将其通过无线信道传输到基站。反之，如果接收估计的SINR_est与由模块330得到的门限SINR_thr之差的绝对值小于提前设定的判决域SINR_limit，基站就不发送功率控制指令。

基站通过射频模块和模数转换(RF/ADC)和功率控制接收处理模块246收到功率控制的命令后，判断是哪个用户的那个子载波或子信道需要调整功率，并由功率控制调整模块244对其相应用户的子信道或子载波增加或减少功率。同时，移动台还可以根据该用户的接收到信号功率、FER(BER)、预设的功率调整步长η、调制和编码模式、以及移动环境的不同，灵活地调整SINR_limit的大小和门限SINR_thr值。

为了满足移动蜂窝通信系统需求，本发明是一种具有一定SINR判决范围的方法。当接收到子信道信干噪比的估计值SINR_est和门限SINR_thr之间偏差的绝对值大于或等于提前设定的SINR_limit时，功率控制指令才被发送到发送端。反之，不用发送功率控制指令。根据本发明的功率控制过程可以包括三个阶段：

●初始阶段

-根据各用户各子信道的传输要求确定系统要求的SINR最小值SINR_min的值。

-根据各用户各子信道的传输模式和信道环境，设定SINR_limit值，0≤SINR_limit≤η，这里η是功率调整步长。

-设置SINR_thr门限值，使得满足SINR_min＝SINR_thr-SINR_limit。

●执行功率控制阶段

-测量、估计和平均，得到各用户各子信道在一帧内收到的SINR_est。这里，SINR_est应当大于SINR_min。

-比较接收到的SINR_est和预先设定门限SINR_thr之差是否大于功率调整范围SINR_limit.

-如果其偏差值小于SINR_limit，功率控制指令不必设置和发送，如图3中功率保持不变500.

-如果其偏差值大于或等于SINR_limit且SINR_est＜SINR_thr，功率控制指令被设置为增加发射功率命令“up”，如图3所示，将功率增加η520.

-如果其偏差值大于或等于SINR_limit且SINR_est＞SINR_thr，功率控制指令被设置为降低发射功率命令“down”，如图3所示来将功率减小η510.

-当一帧数据传输完成后，这些指令被反馈到相应用户的发射端。

●修改判决界阶段

根据本发明，可以根据系统误帧率FER(Frame Error Rate)或BER(Bit Error Rate)等其他服务质量QoS(Quality of Service)的要求来调整判决门限电平SINR_thr。例如，当利用系统误帧率进行调整时：

1)判决门限电平SINR_thr的步长范围Δ从η/N₁到η(N₁是一个正整数)。

2)当测量的误帧率FER小于期望的误帧率FER，SINR_thr增加Δ

3)当测量的误帧率FER小于期望的误帧率FER，SINR_thr减小Δ类似地，可以使用BEP等进行调整。

当接收到的信号功率，FER(BER)，η，调制和编码模式，移动环境发生后，需要调整SINR_limit的尺寸：

1)调整SINR_limit的尺寸的δ范围为从0到η.

2)当下述条件之一被满足时，δ值应减少。反之，δ值应增加.

(a)测量的FER大于期望的FER；

(b)η值被减小；

(c)使用更高阶的调制编码模式；

(d)移动台以更高速度移动.

可以同时调整SINR_thr门限电平和SINR_limit值以满足系统传输需求。

控制所有用户子载波的目的是通过SINR(Signal-Interference-NoiseRatio)的比较判决来保证用户的误码率BER。单个功率控制指令实际可用来指示一个用户的子信道，这个子信道是由各用户若干个在相关带宽和相关时间内的子载波和时隙组成的。

如图3所示，根据接收机收到信干噪比偏移量，该功率控制方法用于调整发射机的发射功率。有以下关系式.

P_i，k(t+1)＝P_i，k(t)+F[e_i，k(t)]                  (1)

这里，P_i，k(t+1)和P_i，k(t)表示第i用户在第t+1帧和第t帧，第k个子信道的发射功率，e_i，k(t)＝SNIR_est，i，k(t)-SINR_thr，i，k(t)表示第i个用户在其接收端第t帧时，第k个子信道接收到SINR_est(t)和门限SINR_thr(t)的偏差值。F[^*]基于该偏差值e_i，k(t)相对发射功率调整的映射函数。在本发明中，采用固定步长的功率控制模式。当接收到SINR_est和门限SINR_thr的偏差量小于SINR_limit时，F[e_i，k(t)]为零。当接收到SINR_est和门限SINR_thr的偏差量大于SINR_limit时，且SINR_est大于门限SINR_thr时，F[e_i，k(t)]输出为η；反之，F[e_i，k(t)]输出为η。其函数关系式如下：

$F\left[e_{i,k}\left(t\right)\right]=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&eta;}& e_{i,k}\left(t\right)<-{\mathrm{SINR}}_{\mathrm{lim\; it},i,k}\left(t\right)\\ 0& \left|e_{i,k}\left(t\right)\right|\&le;{\mathrm{SINR}}_{\mathrm{lim\; it},i,k}\left(t\right)\\ -\mathrm{\&eta;}& e_{i,k}\left(t\right)>{\mathrm{SINR}}_{\mathrm{lim\; it},i,k}\left(t\right)\end{array}\right.---\left(2\right)$

对于一个用户在一个确定的子载波或子信道的某一个时隙上，接收机所接收信干噪比与其门限信干噪比的偏差曲线如图3所示。

使用这样的函数关系用于控制发射功率调整。它既能减少无线移动通信系统的控制指令的传输负载，有能起到功率控制的作用。并且缓解了小区间的干扰。本发明主要体现在发送端和接收端两部分。发送端主要针对各用户的相应时隙和子信道在完成信号检测的同时，估计接收SINR的值，比较接收到SINR与SINR门限之差与SINR_limit大小，以决定在该子信道上是否反馈功控命令。

如果所接收信干噪比与其门限信干噪比之差大于或等于SINR_Limit。发送功率减低一个η的命令；接收端在收到功率控制命令后，分析并确定是哪个用户哪个子信道需要降低功率。就将对应的子信道幅度调整到相应的值。

如果门限信干噪比与所接收信干噪比之差大于或等于SINR_Limit。发送功率提高一个η的命令。接收端在收到功率控制命令后，分析并确定是哪个用户哪个子信道需要提高功率。就将对应的子信道幅度调整到相应的值。

当所接收信干噪比与其门限信干噪比差的绝对值小于SINR_Limit，功率命令就不发送。接收端没有收到功率控制命令，就不对该用户的子信道幅度进行调整。

接收机在估算SINR的同时，要进行信道的参数估计和误帧率分析。根据信道参数和误帧率来调整SINR_Limit范围。当信道较好时，可以减低SINR_Limit范围；即提高功控的灵敏度。当信道较好时，可以增加SINR_Limit范围，降低功控的灵敏度。同时，估计误帧率小于设定的误帧率时，可以降低SINR门限或增加SINR_Limit的范围。估计误帧率大于设定的误帧率时，可以提高SINR门限或减低SINR_Limit的范围；可以提高SINR门限或减少SINR_Limit的范围。

下面将参考图4的流程图，对根据本发明实施例的下行链路功率控制方法进行说明。如图4所示，功率控制的处理主要在移动台MS，即MS判断并发送功率控制命令到基站BS。

MS接收机的处理如下：

第1步：根据传输要求和用户QoS，设定MS接收系统内各子信道的SINR_thr和SINR_limit(0≤SINR_limit≤η)。

第2步：测量并估计该用户各子信道的信干噪比SINR_est。

第3步：计算比较该用户在一帧内各子信道接收到SINR_est和门限SINR_thr的偏移量。如果其偏差的绝对值小于SINR_limit，的范围，功率控制指令不被设置和发送；并转到第8步。否则进行下一步操作。

第4步：如果其SINR_est小于或等于SINR_thr和SINR_limit的差，MS设置该子信道处功控命令为“up”，并要求在下一帧增加BS的发射功率，转到第6步。

第5步：如果其SINR_est大于或等于SINR_thr和SINR_limit的差，MS设置该子信道处功控命令为“down”，并要求在下一帧减少BS的发射功率，转到第6步。

第6步：如果一帧传输没有结束，程序转至第2步。否则，统计该用户所有子信道的功率控制命令，转至第7步。

第7步：该用户所有子信道的功率控制命令通过上行链路的控制信道被反馈到基站。

第8步：该MS的SINR_thr不能与期望的FER(或BER)保持对应关系，SINR_thr的值将在一帧或几帧内按如下方式进行调整。否则转至第10步。

1)调整SINR_thr的步长Δ范围是从η/N₁到η(N₁是正整数)。

2)当测量到FER小于要求的FER时，以Δ值增加SINR_thr。

3)当测量到FER大于要求的FER时，以Δ值减小SINR_thr。

第9步：如果FER(BER)，η，调制和编码模式改变，移动台移动速率和周围传输环境发生变化，其SINR_limit将以步长δ被改变，其范围从0到η按下列条件变化；否则程序转至第10步。

1)SINR_limit值可以被改变。

2)下列条件之一被满足时，SINR_limit以δ步长被减少。否则，SINR_limit以δ步长被增加。

a)当接收功率较小；

b)测量FER值大于期望FER；

c)η变小；

d)使用更高阶的调制编码模式；

e)MS以更高速进行移动。

第10步：执行下一功率控制的循环步骤，转至第2步。

下面将参考图5的流程图，对根据本发明实施例的上行链路功率控制方法进行说明。如图5所示，对于发射端，BS根据是否能接收到来自各移动用户的功率控制命令，来进行下一步操作。

1)如果BS收到某MS从控制信道反馈的功率控制要求，BS就会在下一帧第k个子信道增加或降低发射功率(P_i，k(t)+ηdB or P_i，k(t)-ηdB)。

2)如果BS没有从MS控制信道得到反馈的功率控制要求，BS就会在下一帧第k个子信道保持原有的发射功率。

对于上行链路，其处理过程类似下行链路的功率控制的处理步骤，主要差异是功率控制的处理和判决在基站BS，即BS针对各移动终端的子信道进行功率调整的判断并发送功率控制命令到各移动终端MS。各MS根据收到来从BS的控制指令，调整其发射功率。

本发明通过在OFDMA系统混合的功率控制和信号干扰噪声比(SINR)判决域的处理方法，能够在保证传输性能的条件下减小整个网络的信令开销。同时还能够通过功率控制措施降低发送功率和小区间的干扰。

在多个子载波组成一个子信道时，仅仅需要估计测量一个子载波就能够控制整个子信道的功率。如果在一个子载波组成一个子信道时，就需要估计测量一个子载波来控制整个子信道的功率。

当OFDM系统传输N个子载波时，当所有子信道的SINR_est和预先设定门限SINR_thr之差小于SINR_limit，其功率控制信令开销为最大，约可减少2N位。当平均子信道信号功率均匀发布，收到的SINR_est和预先设定门限SINR_thr之差只有一半小于SINR_limit。平均可减少约N位信令开销。当平均子信道信号功率均匀分布，收到的SINR_est和预先设定门限SINR_thr之差都大于SINR_limit。功率控制信令开销最大；此时，与传统功率控制模式信令开销一致。

Claims (13)

1.一种功率控制方法，包括步骤：

a.接收端预先设置信干噪比门限值(SINR_thr)和信干噪比判决域(SINR_limit)，并且使两者之差大于系统要求的最小信干噪比(SINR_min)；

b.测量并估计接收信干噪比(SINR_est)，将所述接收信干噪比与所设置的信干噪比门限值进行比较，如果二者之差的绝对值大于或等于所述信干噪比判决域，则向发射端发送功率控制指令。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，如果所述接收信干噪比大于所述信干噪比门限值，且二者之差大于或等于所述信干噪比判决域，则向发射端发送降低功率的功率控制指令；如果所述信干噪比门限值大于所述接收信干噪比，且二者之差大于或等于所述信干噪比判决域，则向发射端发送增大功率的功率控制指令。

3.按权利要求1所述的方法，其特征在于，根据传输要求和信道条件来确定所述最小信干噪比、信干噪比门限值和信干噪比判决域。

4.按权利要求3所述的方法，其特征在于，所述传输要求和信道条件包括：接收信号功率、系统误帧率、误码率、功率调整步长、调制和编码模式以及移动环境。

5.按权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤b)中，各接收端测量和估计其各自所有的子信道的接收信干噪比，并计算相应的误帧率。

6.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信干噪比判决域(SINR_limit)满足条件0≤SINR_limit≤η，这里η是发射功率调整步长。

7.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于：当发射端接收到功率控制指令时，根据收到的功率控制指令以固定步长调整发射功率子信道。

8.按权利要求1到3之一所述的方法，其特征在于，利用以下方式来确定所述信干噪比判决域：

在确定的传输参数和信道环境中使用固定的信干噪比判决域；以及

在变化的传输参数和信道环境中使用变化的信干噪比判决域。

9.按权利要求1-4之一所述的方法，其特征在于，所述信干噪比门限值的调整步长(Δ)从η/N₁到η，其中η是功率调整步长，N₁是正整数，当测量的FER小于要求的FER时，以Δ为步长增加信干噪比门限值，以及当测量的FER大于要求的FER时，以Δ为步长降低信干噪比门限值。

10.按权利要求1所述的方法，其特征在于，根据传输要求和信道条件按一帧或多帧周期来调整所述信干噪比门限值和信干噪比判决域。

11.按权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述信干噪比判决域的调整步长的范围从0到功率调整步长(η)。

12.按权利要求11所述的方法，其特征在于，当下列情况之一出现时，减小所述信干噪比判决域：测量的FER大于期望FER值时、η变小时、使用更高阶调制编码方式时、移动台移动速度更快时、以及接收信号功率较大时。

13.一种功率控制装置，包括；

接收SINR估计模块，用于测量并估计接收信干噪比(SINR_est)；

参数设置模块，用于设置信干噪比门限值(SINR_thr)和信干噪比判决域(SINR_limit)，并且使两者之差大于系统要求的最小信干噪比(SINR_min)；

比较模块，用于将所述接收信干噪比与所设置的信干噪比门限值进行比较；以及

功控指令产生储模块，用于当所述接收信干噪比与所设置的信干噪比门限值之差的绝对值等于所述信干噪比判决域时，向发射端发送功率控制指令。

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