CN101258692B - 高速共享无线信道发射功率控制的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

为了增大吞吐量效率并且达到在高速共享信道上数据传输所获得的更高比特率，可变的发射功率增大因子被用来控制在高速共享信道上发射数据的功率可以增大的最大速率。在一个非限制性实施方式中，功率增大因子F随着高速下行链路传输可用的当前总下行链路发射功率而变化。例如，当可用高速共享信道功率大时，可变的发射功率增大因子采用更保守的值，例如在高速下行链路传输的开始时采用较小的F值，接下来稍后在高速下行链路传输期间采用更自由的值，例如较大的F值。

Description

高速共享无线信道发射功率控制的方法和设备
技术领域
本技术领域是无线多小区通信。本发明涉及当向无线的无线电单元提供高速下行链路分组接入(HSDPA)服务时对基站所用的发射功率的控制。
背景技术
在通用移动电信系统(UMTS)版本R99/R4和R5的操作方案中概述了第三代合作伙伴计划(3GPP)的宽带码分多址(W-CDMA)系统。UMTS频分双工(FDD)和时分双工(TDD)模式的版本5已经结合了被称作高速下行链路分组接入(HSDPA)的特征，以用于提高从无线网络到被称作用户设备(UE)或移动台的无线的无线电单元的下行链路中的吞吐量、等待时间和频谱效率。HSDPA的原理是基于不同的UE瞬时经历的无线电条件和服务条件将空中接口上的分组传输以动态的方式调度给不同的UE。(例如在FDD中每2ms或者在宽带TDD中每10ms)。
在FDD和TDD这两种模式中的关键HSDPA功能包括：(i)在空中接口上错误接收的下行链路分组的快速重传(混合ARQ)，(ii)错误接收的下行链路分组的快速上行链路通知(肯定应答/否定应答)，(iii)在上行链路中关于UE的下行链路信道状态的快速信道反馈，以及(iv)在下行链路中用于高效服务众多用户的宽管道调度。动态HSDPA分组调度器位于基站(在3GPP中被称作Node B)中，并且基本上独立于无线网络控制器(RNC)来操作。
UMTS网络中的RNC负责网络控制和无线资源管理(RRM)。RNC使用动态信道分配(DCA)算法来执行诸如用户接纳控制和干扰管理之类的任务，以便提供可靠的系统操作和良好的系统效率。高效率的一种量度是何时达到高级别的总吞吐量。
在FDD系统中，RNC为每个小区分配一定数目的扩频码以供HSDPA数据信道(高速下行链路共享信道(HS-DSCH))使用。此外，在FDD系统中，HS-DSCH在3个连续时隙(3*0.66ms＝2ms)的HS传输时间间隔(TTI)长度上传输。RNC与基站进行通信以指示哪些扩频码可以被用于HSDPA，随后传递关于何时使用这些码向基站发送下行链路分组的控制。RNC还通过控制关于哪些物理信道要侦听HSDPA控制信道(即高速共享控制信道(HS-SCCH))的信令来通知UE，所述信道又被基站用来向UE动态地通知调度的下行链路分组在其HS-DSCH上的到达。同样，从RNC向基站发送相同的信息，从而向基站通知关于当要将HSDPA数据发送给UE时哪个HS-SCCH要向UE告警。正如已经提到的，基站独立地发挥作用，以便基于其HSDPA调度器来确定何时要向特定UE发射HSDPA数据。
在TDD系统中，RNC为每个小区分配一定数目的时隙(TS)以供HSDPA数据信道(HS-DSCH)使用。RNC向基站传达可以用于HSDPA的TS和扩频码，并且随后将何时使用这些TS和代码来发送下行链路分组的控制传递给基站。接下来遵循与上面对FDD系统所述的类似过程。
在任何CDMA系统中，高效的功率管理对于保持低干扰和最大化系统容量(即同时支持的用户数目以及在一个区域中所有小区的总数据吞吐量)来说是重要的。对于干扰管理，FDD和TDD在专用信道的下行链路中都使用快速闭环功率控制(PC)。此外，对于FDD和TDD常规版本99，4和5(R99，R4和R5)的专用信道(DCH)的最常见情况而言，闭环功率控制在RNC控制的功率极限内操作。因此，动态功率范围是在专用信道(DCH)建立时预先确定的，并且最终在DCH的使用期限期间由RNC进行调整。RNC向基站发信通知以不被超出的最大发射(Tx)功率并且被保持的最小Tx功率的形式的PC动态范围，因为RNC必须做出复杂的判定以便增强系统性能。例如，需要过多功率并且因此频繁地需要所容许的动态范围的上限的UE，对系统中的其他用户产生过多干扰。RNC可能希望撤销(drop)或切换该UE的连接。对于TDD和FDD系统的公共信道而言，对可能功率设定的控制对于确保足够的覆盖和服务是可用的来说也是重要的。
RNC分配最大量的下行链路(DL)功率以作为总的可用基站TxDL功率的一小部分，以便把由HSDPA信道所产生的相对较高级别的干扰保持在合理极限内。这是通过当在基站中配置下行链路信道时在RNC/基站接口(Iub)上发信来实施的。否则，在小区边界处的HSDPAUE可能最终由基站以高的HSDPA数据速率来服务，并且产生如此高级别的干扰，以至于相邻小区中的服务将受到严重影响，并导致总系统容量或者对非HSDPA UE的服务的不可接受的降级。这种控制机制存在的另一个理由是，需要为非HSDPA信道保留一定量的基站下行链路Tx功率，所述非HSDPA信道例如是导频信道、公共控制信道和非HSDPA DCH。RNC设定每个小区的最大HSDPA功率份额，其又间接地确定可以对任何给定的UE提供的最大数据速率。
与功率控制相关的是从基站到UE的无线信道或链路的可变质量。所检测到的无线信道或链路质量取决于多种因素，其中包括发射功率电平(level)、无线网络中移动终端和发射基站之间的距离、来自其他发射基站和移动终端的干扰、路径损耗、阴影(shadowing)、短期多径衰落等等。如果信道质量良好，则基站可以修改信号传输参数，以便增大从基站到UE的数据传输速率。另一方面，如果信道质量差，则信号传输参数可能需要进行调整以便降低数据传输速率，从而确保信号被可靠地接收。
修改一个或多个信号传输参数以补偿信道质量变化的过程被称作“链路自适应”，其中“链路”是指基站和移动终端之间的无线链路。链路自适应可以通过改变基站的发射功率或者在链路上的有效比特率(例如增大发射功率电平或者降低以差信道质量向移动终端发射的数据的比特率)来完成。链路自适应还可以通过改变调制类型以及施加于要由基站发射的数据的信道编码数量来完成。
UE通过测量导频信号或由邻近“候选者”所发射的其他广播信号的信号质量来估计信道质量。基于所估计的信道质量，每个UE向无线网络发送信道质量指数(CQI)报告，所述报告推荐UE可以从各个候选基站接收数据的最大数据速率。链路自适应方案的性能取决于由UE所做的信号质量测量的精度。尤其重要的是，信号质量测量不会过高估计将来的信号质量。在过高估计的情况下，链路自适应将选择对实际信道条件来说不够鲁棒的传输参数。理论上，当从基站传输数据分组时UE应当准确地估计将来的无线信道条件，并且将这些当前的信号质量测量用作在发生将来分组传输时无线信道条件的估计。遗憾的是，存在这种估计不准确的情况。
一种这样的情况出现在这样的系统中，其中HSDPA信道可能使用总的可用功率中未被其他非高速(非HS)信道使用的剩余功率。因此，当系统中存在很少非HS用户时，小区中的总功率电平在HS-DSCH用户开始在小区中接收数据之前和之后可能存在非常大的差别。在这种情况下，小区中的用户在HS-DSCH用户开始接收数据之前和之后将会经历大的干扰差别。通常，大的干扰增加具有降低所获得的比特率的效应，因为选择了更鲁棒的传输格式。对传输格式进行选择，以便基于UE报告的CQI和可用功率来获得一定的BLER(误块率)。因此，为了精确地选择恰当的传输格式，报告的CQI与发生实际传输时的信道质量之间应当有良好的匹配。但是在上述情形下，在报告的CQI与实际信道质量之间可能有大的失配。具体而言，由于在HS-DSCH用户进入系统之前和之后总发射功率的大的差别，在传输格式的初始选择中可能有大的失配。在以许多小突发生成数据分组的应用的情况下，例如基于TCP的应用，这种失配可能会频繁地出现。例如在TCP“缓慢起动”阶段期间，所述阶段通过基于由UE返回的先前所传输分组的分组肯定应答的速率，控制新分组应当在下行链路上发射的速率来操作。这引起了一系列频繁的重传，所述重传导致了由于TCP的“指数回退(backoff)”而引起的显著吞吐量降低，其中重传定时器对于每次重传都进行了加倍。如果在重传定时器期满之前没有接收到TCP段的肯定应答，则重传TCP段。
图1示出向处于良好接收位置的UE下载10M字节web对象的比特率的累积分布函数(CDF)。CDF描述了一个变量具有特定值的概率。该曲线图假设只有单个小区，并且在该小区中不存在其他UE。如所示，在大约50％的下载中，比特率都低于1Mbit/s，这比大约5.25Mbit/s的最大可达比特率低得多。
处理该问题的一种方式是只允许将数据发射给新HS-DSCH用户的功率的逐渐增大。例如，将小区中总发射功率Ptx电平可以增大的速率限制为一个恒定的功率增大因子。基站发射功率的逐渐变化不会显著地影响移动终端信道质量估计的精度，并且由于更少的受破坏数据分组和重传，实现了低吞吐量的概率的降低。但是恒定的逐渐功率调整方法的缺陷在于，对于小的恒定功率增大因子，降低了最大可达吞吐量。该问题在图2中进行说明。
图2中的曲线图示出使用不同的恒定逐渐功率调整因子F的CDF。这些CDF显示出，以较低可达比特率的代价来获得低比特率的概率的降低。例如，对于F＝1.03，CDF显示出，在0.1的概率下，即在10％的下载中，达到了小于或等于4.6Mbit/s的web对象比特率。在90％的下载中，达到了高于4.6Mbit/s的比特率。尽管改进了很多，但是4.6Mbit/s仍然低于大约5.25Mbit/s的最大可达比特率。
发明内容
本发明人认识到，该问题的解决方案是使用可变的发射功率增大因子而不是恒定的发射功率增大因子。在一个非限制性实施方式中，功率增大因子F随着高速下行链路传输可用的当前总下行链路发射功率而变化。例如，当可用高速共享信道功率大时，可变的发射功率增大因子在高速下行链路传输开始时采用更保守的值，例如较小的F值，接下来稍后在高速下行链路传输期间，采用更自由的值，例如较大的F值。
附图说明
图1是说明在没有任何发射功率增大限制的情况下累积分布函数(CDF)与下载对象比特率之间的关系的曲线图；
图2是说明使用恒定发射功率增大限制的、累积分布函数(CDF)与下载对象比特率之间的关系的曲线图；
图3是说明一个示例无线通信系统的简化功能方框图；
图4是说明在图3的示例无线通信系统中所示的RNC和BS的更多细节的简化功能方框图；
图5是说明各种功率值与时间之间的关系的曲线图；
图6是说明使用可变发射功率增大因子控制HS信道功率电平的示例非限制性过程的流程图；以及
图7是说明与使用可变发射功率增大限制相比的、使用恒定发射功率增大限制的累积分布函数(CDF)与下载对象比特率之间的关系的曲线图。
具体实施方式
为了解释说明而非限制的目的，下面的描述阐述了特定细节，例如特定实施例、过程、技术等。但是本领域技术人员将会认识到，也可以使用脱离这些特定的细节的其他实施例。例如，尽管使用3G环境中下行链路高速共享信道的非限制性例子来帮助下面的描述，但是本发明还可以被用于上行链路数据传输，以及被用在将得益于所述技术的任何类型的无线通信系统中。
在一些实例中省略了对公知的方法、接口、电路和信令的详细描述，以便不会因不必要的细节而使所述描述变得含糊。而且，在其中一些附图中示出单独的块。本领域技术人员将会认识到，可以使用单独的硬件电路、使用软件程序和数据、结合适当编程的数字微处理器或通用计算机、使用专用集成电路(ASIC)和/或使用一个或多个数字信号处理器(DSP)来实施这些块的功能。
图3示出被称为UMTS(通用移动电信系统)和IMT-2000(国际移动电信2000)的第三代无线系统的一个非限制性例子。尽管本发明可用于本例子，但是本发明还可以被用于其他无线系统。该无线系统包括一个或多个核心网络10、无线接入网12和用户设备(UE)20。术语“UTRAN”是指UMTS地面无线接入网，并且是由3GPP所规定的无线接入网，以及使用宽带码分多址(WCDMA)技术来实施。UTRAN包括一个或多个无线网络控制器(RNC)16，它们被耦合到有时称作Node B18的一个或多个基站。UTRAN 12通过Iu接口与核心网络10进行通信。RNC 16通过Iub接口来管理各个基站18。各RNC 16通过Iur接口进行通信。
UTRAN 12通过Uu无线接口与多个用户设备(UE)20进行通信。UE可以包括移动设备(ME)22和UMTS用户身份模块(USIM)24。USIM 24包含与用户相关的信息和与安全相关的信息，例如加密算法。UE包括但不限于用户终端、移动终端、移动电话、蜂窝电话、移动台、无线终端等等。
无线网络12中由基站或基站扇区服务的每个小区区域均使用用以与UE 20进行通信的各种类型的无线信道，其中包括专用信道、公共信道、导频或广播信道、以及一个或多个高速信道。在该例子中，下行链路高速信道包括高速下行链路共享信道(HS-DSCH)和高速下行链路共享控制信道(HS-SCCH)。
图4说明在RNC 16中的功率控制器30与基站18中的HSDPA控制器32之间的控制信令。HSDPA控制器32包括：调度器34，用于调度在(多个)高速下行链路信道上向UE 20的发射；以及一个或多个缓冲器，用于存储要在高速下行链路信道上发射给UE 20的数据。RNC控制器30向每个基站18中的HSDPA控制器32发送发射功率极限，其包括最大容许HSDPA发射(Tx)功率和可能的最小容许HSDPA发射(Tx)功率。基站18从UE接收CQI(信道质量指示符)报告和ARQ或混合ARQ反馈信息。
HSDPA控制器32支持快速链路自适应(LA)，其中高速传输信道上的比特率在各个传输时间间隔(TTI)中都发生变化。通过将高速传输信道映射到具有可变有效码率(ECR)的可变数目的并行扩频码中来改变比特率。通过使用QPSK(正交相移键控)或16QAM(16正交调幅)调制来执行映射。在CQI报告的帮助下，HSDPA控制器32选择要在下一个传输时间间隔期间使用的传输块大小(TBS)、以及包含调制方案和并行扩频码数目的传输格式(TF)。
在执行高速传输信道的链路自适应时，HSDPA控制器32必须确保不超出最大发射功率极限，同时确保HSDPA吞吐量不会受到不必要的约束。图5说明在高速传输信道功率控制中感兴趣的各种功率电平。由RNC设定的最大发射功率电平Pmax被显示为该曲线图顶部的虚线。该最大功率的一部分被分配给活动的非高速信道UE-Pnon-HS。在包括高速信道和非高速信道二者的小区中的总发射功率是Ptx。在时间t，所测量的Pnon-HS值被用作将来的Pnon-HS的估计值。这给出了从该估计电平到最大功率电平Pmax的可用发射功率Phs，假设对总功率可以增大得多快没有限制的话。在该例子中很明显，如果全部可用量的功率被直接用于到UE的高速传输，则在时间t报告的CQI(例如低干扰)与基站开始在高速信道上向新用户发射之后即刻的实际信道质量(例如更高干扰)之间很可能会有严重的失配。由于传输格式是基于在时间t所报告的CQI来选择的，所以误差和增加重传的可能性很高，这是因为估计的信道质量很可能低得多。如在背景技术中所述，这种失配可能在TCP缓慢起动阶段期间频繁地出现，并且导致相当大地降低吞吐量的频繁重传。
HSDPA控制器32限制了高速传输信道可以增大其向新UE的发射功率的速率，这在可用功率很大时尤其重要。不是使用恒定的功率增大率极限，这会消极地影响高速下行链路信道上的可达比特率，HSDPA控制器32使用可变的功率增大率极限方法。该可变性可以根据一个或多个因素来确定或设定，并且能够以任何适当的方式来实施。
在一个非限制性的示例实施方式中，可变功率增加因子随着最后一个子帧中的总下行链路发射功率而变化。该变化是线性的，非线性的，连续的，或不连续的。根据来自UE的CQI报告以及HS-DSCH的可用功率，HSDPA控制器32计算在这些条件下可允许的功率增大率。HSDPA控制器32知道可以在小区中使用的最大功率以及当前用于HS发射的功率。在没有附加功率限制的情况下，最大可能功率与未用于HS传输的功率之间的差可以用于HS传输。如果可允许的功率增大不是太大，则HSDPA控制器32可以快速地增大一直到可用功率，从而使吞吐量最大化。但是对于较大的可用功率增大，HSDPA控制器32缓和该增大。例如，HSDPA控制器32在高速下行链路传输开始时对于发射功率增大因子使用更保守的值，接下来稍后在高速下行链路传输中使用更自由的值。
图6以流程图的形式说明用于确定HS传输的传输格式的示例过程，其中用于该HS传输的发射功率在HS传输期间以变化的方式受到控制。一开始，测量小区中所有非高速传输的发射功率电平(步骤S1)。基于步骤S1中的测量和为该小区设定的最大功率极限来确定可用的HS发射功率(步骤S2)。确定可变发射功率增大因子的值，并将其用来限制实际的HS发射功率(步骤S3)。接下来将该受限的HS发射功率分配给各HS信道，假设存在多于一个的信道(步骤S4)。接下来，基于信道质量(例如CQI)、HS传输的用户缓冲器中可用的数据量、和/或可用的无线资源(例如扩频码)来选择HS信道的传输格式(步骤S5)。
考虑下面的非限制性示例实施例。小区中最后一个子帧的总发射功率为Ptx。PHS表示(多个)HSDPA信道可用的功率(以瓦特为单位)，并令Pnon-HS表示其他(非HS)信道所用的功率。发射功率限制算法计算如下。如果
PHS+Pnon-HS＞Ptx*F，
则使用下式来确定PHS：
PHS＝Ptx*F-Pnon-HS    (1)
所述因子F是功率增大因子。本发明人认识到，不可能找到在最坏情况的下载情形和最好情况的下载情形下都能最大化web对象比特率的单个F值。如果对于最好情况的情形最大化web对象比特率，则代价是对于最坏情况的情形降低了可达到的比特率。由于Ptx是所使用的功率而不是可用功率，因此当所用功率小时，例如当新用户进入系统时，期望具有更小的F因子。但是当Ptx大时，允许更大的F因子。
如何改变功率增大因子F的一个非限制性例子是令F根据下式来取决于先前发射的功率：
F ( β ) = 1 + ( β - 1 ) · ( P tx P max ) β - - - ( 2 )
其中β≥1是参数。参数β可以是运营商控制的常数或者系统常数。通常，参数β并不打算在HS传输的使用期限期间发生变化。Ptx是最后一个子帧、时间传输间隔(TTI)、或时隙(TS)等中的总发射功率，以及Pmax是所允许的最大发射功率。更大的β值意味着更大的F值，并且更大的F值意味着HS传输功率增大得更快。
可选择地，不是直接限制高速信道发射功率的增大，而是可以通过控制传输格式选择来限制高速信道发射功率。在HS传输开始时将传输格式选择得更保守，例如使用比当前CQI表示的或给出的比特率更低的传输格式(TF)。例如，如果CQI报告与可用的总功率相结合建议在传输开始时具有4Mbps比特率的TF，则HSDPA控制器可以选择具有更小速率(例如2Mbps)的TF。最终，随着HS传输的继续，以及CQI报告考虑到增大的干扰并且更可靠，HSDPA控制器可以依赖于CQI报告。例如，HSDPA控制器可以应用在传输开始时由CQI报告所建议的相对于TF的偏移量，并且随着传输的继续而逐渐地降低偏移量。如果误块率(BLER)概率与BLER目标相同，则该替代方法还导致以可变步长增大的功率，因为对于相同的BLER，较小的传输格式比较大的传输格式需要更少的功率。
图7比较由处于良好接收位置的单个UE所执行的10M字节web对象下载的比特率的累积分布函数(CDF)。如上所述，CDF描述了一个变量具有一个小于或等于某一数目的值的概率。该曲线图假设只有单个小区，并且在该小区中不存在其他UE。在β为3的公式(1)和(2)中所用的可变F的方法给出了比具有恒定F值1.03、1.04和1.5的固定功率增大算法出现低吞吐量的更低概率。换句话说，可变F的算法比恒定F的算法具有更高吞吐量的更高概率。在可达吞吐量方面以小的性能代价来实现该改进。对于给出相对较高概率的低吞吐量的功率增大步长因子，仅仅具有F＝1.5的恒定F曲线优于可变F曲线。
上面的描述都不应该被当作暗示任何特定的元件、步骤、范围、或功能是必要的，从而它必须被包含在权利要求的范围内。取得专利的主题范围仅由权利要求书来限定。法律保护的程度由在所允许的权利要求中叙述的措辞及其等同物来限定。任何权利要求都不打算援引35USC§112中的第6段，除非使用“用于...的装置”的措辞。

Claims (6)

1.一种用于调节在无线通信系统的小区中高速共享无线信道上数据传输的发射功率的方法，该方法包括以下步骤：
确定所述高速共享无线信道上数据传输的可用功率量；
基于来自用户设备的信道质量指数报告以及所述可用功率量来确定可允许的功率增大率，所述可允许的功率增大率控制在所述高速共享无线信道上的数据传输的发射功率可以增大的速率，所述可允许的功率增大率在所述高速共享无线信道上数据传输的开始时低，以及在所述高速共享无线信道上的随后的数据传输中，所述可允许的功率增大率高；
基于所确定的可允许的功率增大率来设定所述数据传输的所述发射功率；并且
基于所设定的发射功率来在所述高速共享无线信道上传输数据。
2.权利要求1所述的方法，进一步包括：
测量在所述小区中非高速无线信道上的传输的功率；
其中使用所测量的功率来确定所述高速共享无线信道上数据传输的可用功率量。
3.权利要求1所述的方法，进一步包括：在设定所述数据传输的所述发射功率之后选择所述数据传输的传输格式。
4.一种用于调节在无线通信系统的小区中高速共享无线信道上数据传输的发射功率的装置，该装置包括：
确定所述高速共享无线信道上数据传输的可用功率量的部件；
基于来自用户设备的信道质量指数报告以及所述可用功率量来确定可允许的功率增大率的部件，所述可允许的功率增大率控制在所述高速共享无线信道上的数据传输的发射功率可以增大的速率，所述可允许的功率增大率在所述高速共享无线信道上数据传输的开始时低，以及在所述高速共享无线信道上的随后的数据传输中，所述可允许的功率增大率高；
基于所确定的可允许的功率增大率来设定所述数据传输的所述发射功率的部件；并且
基于所设定的发射功率来在所述高速共享无线信道上传输数据的部件。
5.权利要求4所述的装置，进一步包括：
测量在所述小区中非高速无线信道上的传输的功率的部件；
其中使用所测量的功率来确定所述高速共享无线信道上数据传输的可用功率量。
6.权利要求4所述的装置，进一步包括：在设定所述数据传输的所述发射功率之后选择所述数据传输的传输格式的部件。
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