CN101350642B - 基于组策略的功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于组策略的功率控制方法，属于宽带无线通信技术领域，采用组策略的控制方法和基于多普勒补偿的功率调整算法，基站根据用户终端信号强度的变化判断其移动速度、位置信息和运行状态，结合信道状况计算基站根据多普勒补偿的调整功率，对于具有相同功率调整值的用户插入同一个组内，在上行子帧结束后，各组信息分别写入管理消息集中广播通知用户终端实现功率控制。本发明可有效减少通信系统的运行开销，特别是在高速列车或地下铁路等运行速度较快、运载用户较多的、交通密集的场所，有较频繁功控需求的环境，本发明的效果将更为明显，系统的整体性能将得到更大提升。

Description

基于组策略的功率控制方法

技术领域

本发明涉及基于组策略的功率控制方法，属于宽带无线通信技术领域，主要适用于OFDM系统，尤其适用于高速移动环境下多小区多用户环境下的功率控制。

背景技术

随着无线通信技术的不断发展，人们使用移动通信的时间越来越长。在能量受限的通信环境中，如何节省移动终端的电池提高其续航能力一直为人们所关注和研究。功率控制作为一种广泛使用的手段，不仅能够减少移动终端的发射功率，更能通过减少功率来降低系统用户间的相互干扰，提高系统的整体性能。

当小区半径变的越来越小，用户数越来越多，基站所需处理的负担将变得非常大，同时整个系统中用于传输信令的开销也会占据有限资源的很大一部分。特别是在高速移动环境下，信道状况的变化会非常剧烈，同时由此产生的多普勒效应将明显加大邻近子载波之间的相互干扰，基站需要更多控制信息来调整小区内移动终端的发射功率及其他参数，此时信令开销将随着用户数增大而严重影响系统性能。因此传统的上行功率控制存在以下问题：

1、移动终端处于高速运动状态时，由于速度变大载波间干扰相应增加；

2、在同一小区内，信道状况相似的，调整值一样的多个用户的功率控制必须独立完成，直接增加了系统开销。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于组策略的功率控制方法，主要适用于OFDM系统，采用了组策略的控制方法和基于多普勒补偿的功率调整算法，将具有相同功率调整值的用户分配在同一组内，进而以同一消息完成组内成员功率控制，使整个功率控制过程大大减少了控制信令的交互，同时也减少移动速度变化带来的载波间干扰，提高了系统带宽的有效利用。

为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：

一种基于组策略的功率控制方法，主要采用了组策略控制方法和多普勒补偿功率调整方法，基站根据用户终端信号强度的变化判断其移动速度、位置信息和运行状态，结合信道状况计算基站根据多普勒补偿的调整功率，对于具有相同功率调整值的用户插入同一个组内，在上行子帧结束后，各组信息分别写入管理消息集中广播通知用户终端实现功率控制。

进一步，组策略控制中设计一个组控制消息GP_MESSAGE，功率调整值相同的用户的组成一组，插入GP_MESSAGE消息中，然后通过此消息的发送完成对所有组成员的功率控制。

多普勒补偿的功率调整算法主要就是通过调整功率来补偿由移动速度所产生的多普勒影响，用户功率调整值η＝0.5·int{[10log₁₀ΔP_X(j)]/(0.5dBm)}，其中功率补偿增量 $\mathrm{\Δ}{P}_X\left(j\right)=\frac{P_N\left(j\right)+\underset{\underset{j\≠i}{j=0}}{\overset{N_c-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|H\left(i\right)\right|}^2{P}_X\left(i\right)\sin c^2(i-j+(f_{c}v\left(i\right)/c+f_o\left(i\right))T)}{{\left|H\left(j\right)\right|}^2}.$

计算出多普勒补偿功率调整值后，在用户所属小区的扇区内查询是否存在具有相同发射功率调整值的用户终端，若存在，则将用户插入该该用户终端的组内；若不存在，则新建组并插入。

由于采用了上述方案，本发明具有以下特点：组策略的控制方法的主要目的在于减少系统开销，基站将根据更新后的移动终端功率值进行分类，将调整值相同的移动终端归为一组，对组内成员通过同一的广播消息进行功率更新通知。在基于多普勒补偿的功率调整算法中，引入功率补偿增量，基站通过用户信道增益，移动速度和用户当前功率计算出移动终端功率补偿增量，并通过广播消息通知各个用户。本发明基于组策略的功率控制方法减少了多普勒效应引起相邻载波间干扰，降低了信令开销，提高了带宽的利用率，尤其是在高速列车或地下铁路等运行速度较快，运载用户较多的，交通密集的场所，有较频繁功控需求的环境，本发明的效果将更为明显。

附图说明

图1是GP_MESSAGE消息格式图。

图2是本发明基于组策略控制方法时序图。

图3是本发明基于组策略控制方法流程图。

图4是本发明基于组策略控制方法基本步骤图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

组策略的控制方法

在Wimax系统中，协议所规定的功控步长为0.5dBm，基于用户的调整值为0.5dBm的倍数，当小区内用户数较多时，一帧之内的必然有许多用户的调整值相同。本发明将根据这一特点，基于分组的思想，设计一个组控制消息GP_MESSAGE，将功率调整值相同的用户的组成相同的组，插入GP_MESSAGE消息中，然后通过此消息的发送完成对所有组成员的功率控制。GP_MESSAGE的消息格式如图1所示，参考802.16协议消息定义格式，完全符合Wimax要求。图2和图3分别描述了组策略的控制方法的时序图和流程图，整个方法设计严格按照802.16系统信令流程，能行之有效的实施。在本发明可以有效解决当今负载日益严重的通信系统中信令开销过大的问题，特别是在高速列车或地下铁路等运行速度较快，运载用户较多的，交通密集的场所，由于用户密度非常高，各用户信道状况非常相近，会有更多的用户功率调整值一样，通过组策略的控制方法，系统信令的开销的减少将得到进一步体现。

基于多普勒补偿的功率调整算法

一直以来，多普勒效应所带来的邻近信道干扰没有得到很好的解决。对TDD通信系统而言的，上行通信中多普勒效应所带来的载波频率抖动会对基站接收机的解调性能产生明显影响。不考虑邻小区干扰，ith载波对jth载波的影响可以表现为

P_ICI(i，j)＝|H(i)|²P_X(i)sinc²(i-j+(f_c(i)v/c+f_o(i))T)          (1)

jth载波接受到的总的ICI为：

$P_{\mathrm{ICI}}\left(j\right)=\underset{\underset{i\≠j}{i=0}}{\overset{N_c-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|H\left(i\right)\right|}^2{P}_X\left(i\right)\sin c^2(i-j+(f_c\left(i\right)v/c+f_o\left(i\right))T)---\left(2\right)$

其中i，j为载波号，Px(i)为用户x在载波i上的发射功率，|H(i)|是载波i获得的增益，T为OFDM的symbol间隔，v为运动速率，fc为载频，fo为振荡器频移。通过上式可以发现影响系统性能的载波间干扰(ICI)可以转换用户信道增益，移动性和传输功率的函数。由此通过对信道状况，移动速度，服务质量要求信息来调整移动用户的最大发射功率可以控制信道状况较好和移动速度较快用户的最大发射功率，以此来减少多普勒效应带来的载波间干扰，提高系统整体性能。

本发明的实施例为运行中的高速城际列车，在这种大型公共交通运输系统中，有较多的移动终端，而这类位于固定移动场所的移动终端一般情况移动路线固定，可以对移动轨迹做出正确的跟踪和预测。在不断移动过程中，基站根据位置信息变化和移动预测，判断用户的移动速度和信道状况，并计算出用户的发射功率调整值，然后再结合用户服务类型、速度、所在扇区和信道信息来进行分组，通过组管理方法发射广播消息，以完成功率控制过程。

以列车所有终端用户从当前出发地A驶向目的地B为例，实施例中的组策略控制如下所示，包括如下步骤：

1.当有用户反馈数据进入基站时，基站首先判断上行子帧时间是否已经结束，如果已经结束，则直接进行GP_MESSAGE消息得创建，完成整个功率控制过程。否则，以列车为载体的所有用户终端在移动的过程中，处于接测距状态的用户终端与基站进行通信，基站会根据所接收到用户终端的信号强度的变化情况，判断出处于此大型公共交通系统的用户终端的运行状态和位置信息，并判断其移动速度。同时，结合所判断出的信道状况，根据基于多普勒补偿的功率调整算法来计算移动用户终端发射功率的调整值。

2.基站要获取接入用户所属的小区的扇区号。在小区的每个扇区内，首先判断是否存在与所判断用户终端近似的分组，即是否存在相似的发射功率调整值分组，如果存在则直接将此用户信息插入到组内的末尾，如果不存在，则新建组，再将此用户插入到组内。接下来对组内各个移动用户调整后的发射功率进行加权平均，然后对各组进行管理消息的写入。其中包括用户的ID和发射功率调整值。

3.在下行子帧的OFDM的symbol中，通过广播消息来通知各个移动用户终端，即以同一广播消息来实现组内成员的功率控制。

与现有技术相比，上述流程中主要就是通过移动预测出用户移动速度、运行状态和位置信息，然后通过所提出的多普勒补偿的功率调整算法计算出用户终端的功率调整值。然后结合移动速度、所在扇区以及信道状况等信息对相近用户终端进行分组，进而以同一消息完成组内成员功率控制，使整个功率控制过程大大减少了控制信令的交互，同时也减少移动速度变化带来的载波间干扰，提高了系统带宽的有效利用。

基于多普勒补偿的功率调整算法主要就是通过调整功率来补偿由移动速度所产生的多普勒影响，具体实施步骤如下：

存在多普勒影响时，基站接收到的第i个载波上的信号可以表示为：

Y(i)＝H(i)X(i)sinc(f_θ(i)T)+N(i)

＝H(i)X(i)sin c((f_d(i)+f_o(i))T)+N(i)                            (3)

其中T为OFDM的symbol间隔，fc为载频，fo为振荡器频偏，N(i)为噪声，v为用户的速度。f_d(i)□f_cv(i)/c；sin c(x)＝sin(πx)/πx。

X(i)是载波i的发射信号；f_θ(i)为变化总频率，f_d(i)，f_o(i)之和。

根据载干比(CIR)定义：

$\mathrm{Cir}\left(j\right)=10{\log }_{10}\frac{{\left|H\left(j\right)\right|}^2{P}_X\left(j\right)}{P_N\left(j\right)}---\left(4\right)$

其中Px为用户的上行发射功率。P_N为用户干扰功率。

可以计算得到多普勒效应带来的Cir的丢失：

$\mathrm{\ΔCir}=10{\log }_{10}\frac{{\left|H\left(j\right)\right|}^2{P}_X\left(j\right)}{P_X\left(j\right)}-10{\log }_{10}\frac{{\left|H\left(j\right)\right|}^2{P}_X\left(j\right)}{P_X\left(j\right)+P_{\mathrm{ICI}}\left(j\right)}$ (5)

$=10{\log }_{10}[1+\frac{P_{\mathrm{ICI}}\left(j\right)}{{\left|H\left(j\right)\right|}^2{P}_X\left(j\right)}{10}^{\frac{\mathrm{Cir}\left(j\right)}{10}}]$

其中

$\mathrm{Cir}\left(j\right)=10{\log }_{10}\frac{{\left|H\left(j\right)\right|}^2{P}_X\left(j\right)}{P_N\left(j\right)}---\left(6\right)$

引入功率补偿增量ΔP来弥补多普勒影响的Cir，得到

$\mathrm{\ΔCir}\left(j\right)=10{\log }_{10}\frac{{\left|H\left(j\right)\right|}^2\mathrm{\Δ}{P}_X\left(j\right)}{P_N\left(j\right)}---\left(7\right)$

将(5)和(7)两式联立：

$10{\log }_{10}\frac{{\left|H\left(j\right)\right|}^2\mathrm{\Δ}{P}_X\left(j\right)}{P_N\left(j\right)}=10{\log }_{10}\frac{{\left|H\left(j\right)\right|}^2{P}_X\left(j\right)}{P_N\left(j\right)}-10{\log }_{10}\frac{{\left|H\left(j\right)\right|}^2{P}_X\left(j\right)}{P_N\left(j\right)+P_{\mathrm{ICI}}\left(j\right)}---\left(8\right)$

化简可得：

$\mathrm{\Δ}{P}_X\left(j\right)=\frac{P_N\left(j\right){+P}_{\mathrm{ICI}}\left(j\right)}{{\left|H\left(j\right)\right|}^2}---\left(9\right)$

由(2)式代入可得：

$\mathrm{\Δ}{P}_X\left(j\right)=\frac{P_N\left(j\right)+\underset{\underset{i\≠j}{i=0}}{\overset{N_c-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|H\left(i\right)\right|}^2{P}_X\left(i\right)\sin c^2(i-j+(f_{c}v\left(i\right)/c+f_o\left(i\right))T)}{{\left|H\left(j\right)\right|}^2}---\left(10\right)$

由于上行发射功率步长为0.5dBm和调整值为步长的倍数，可以得到最终调整值η

η＝0.5·int{[10log₁₀ΔP_X(j)]/(0.5dBm)}                      (11)

所得到的η即为用户所需调整的功率值。

在开环功率控制模型中，用户可以通过如下公式更新其发射功率：

P(dBm)＝L+C/N+NI-10log10(R)+η                               (12)

其中L为MS(Mobile Station移动台)端所估计的路损，C/N为FEC(ForwardError Correction，前向纠错)的调制速率可从UCD广播消息中得到。NI为MS端估测的干扰和噪声，R为FEC调制方式的循环数。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种无线通信功率控制方法，其特征在于：采用了组策略控制方法和多普勒补偿功率调整方法，基站根据用户终端信号强度的变化判断其移动速度、位置信息和运行状态，结合信道状况计算基站根据多普勒补偿的调整功率，对于具有相同功率调整值的用户插入同一个组内，在上行子帧结束后，各组信息分别写入管理消息集中广播通知用户终端实现功率控制；多普勒补偿的功率调整算法是通过调整功率来补偿由移动速度所产生的多普勒影响，用户功率调整值η＝0.5·int{[10log₁₀ΔP_X(j)]/(0.5dBm)}，其中功率补偿增量

$\mathrm{\Δ}{P}_X\left(j\right)=\frac{P_N\left(j\right)+\underset{\underset{i\≠j}{i=0}}{\overset{N_c-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|H\left(i\right)\right|}^2{P}_X\left(i\right)\sin c^2(i-j+(f_{c}v\left(i\right)/c+f_o\left(i\right))T)}{{\left|H\left(j\right)\right|}^2},$

其中i，j为载波号，P_x(i)为用户x在载波i上的发射功率，P_N(j)为用户在载波j上的干扰功率，N_c为总载波号，|H(i)|是载波i获得的增益，T为OFDM的symbol间隔，v为运动速率，c为波速，f_c为载频，f_o为振荡器频移。

2.如权利要求1所述的无线通信功率控制方法，其特征在于：组策略控制中设计一个组控制消息GP_MESSAGE，功率调整值相同的用户组成一组，插入GP_MESSAGE消息中，然后通过此消息的发送完成对所有组成员的功率控制。

3.如权利要求1所述的无线通信功率控制方法，其特征在于：计算出多普勒补偿功率调整值后，在用户所属小区的扇区内查询是否存在具有相同发射功率调整值的用户终端，若存在，则将用户插入该用户终端的组内；若不存在，则新建组并插入。

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