CN101772142B

CN101772142B - 单跳卫星通信终端功率控制方法和单跳卫星通信终端

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Publication number: CN101772142B
Application number: CN2010101168694A
Authority: CN
Inventors: 吴建军; 郭健; 程宇新; 杜建成; 王坤
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2010-03-02
Filing date: 2010-03-02
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2030-03-02
Also published as: CN101772142A

Abstract

本发明公开了一种单跳卫星通信终端功率控制方法和单跳卫星通信终端，属于卫星通信技术领域。本发明所述的单跳卫星通信终端功率控制方法包括主控端和被控端之间的闭环功率控制，其特征在于，所述闭环功率控制在主控端中进行。所述闭环功率控制包括上行闭环功率控制，下行闭环功率控制。所述终端功率控制方法还包括发射端的开环功率控制。本发明还公开相应的单跳卫星通信终端。本发明可用于卫星通信，尤其是基于WCDMA的3G卫星通信。

Description

单跳卫星通信终端功率控制方法和单跳卫星通信终端

技术领域

本发明涉及卫星通信终端的功率控制，尤其涉及一种卫星通信系统单跳情况下的功率控制方法及相应的通信终端，属于卫星通信技术领域。

背景技术

在卫星通信中，作为无线资源管理的功率控制管理是非常重要的环节，和地面蜂窝移动通信类似，功率控制能够适应快速变化的信道变化，起到增加通信系统容量和减少系统干扰的好处。特别是在基于WCDMA的3G卫星通信系统中，在上行链路中，各个终端(UserEquipment，简称UE)与卫星之间的距离是不同的，各个UE与卫星之间的用户链路条件也是可能不同的，卫星接收到的不同UE发来的信号功率可能差别数十个dB。由于WCDMA系统是同频接收系统，这就造成弱信号淹没在强信号中，使得弱信号在卫星处不能正确接收，造成转发错误。与上行链路不同，下行链路的干扰主要来自于其他波束小区的信号和本波束小区内其他用户的信号，仍需要对卫星的发射功率进行一定的控制。除了抗干扰外，功率控制还可以通过补偿方式来提高信道衰落或卫星信道雨衰等情况下的系统性能。

根据不同的分类方式，功率控制可以分为开环功率控制和闭环功率控制，也可分为内环功率控制和外环功率控制。

开环功率控制控的目的是提供初始发射功率的粗略估计，根据测量结果对路径损耗和干扰水平进行估计，从而计算初始发射功率。假定前向和反向信道对称，开环功率控制就是要保证移动台的接收与发射功率之和为常数。在WCDMA系统中，开环功率控制上下行都用到，但由于上下行频段间隔较大，所以上下行的快衰落情况是完全不相关的。因此，开环功率控制根据下行信号得到的路径损耗的估计对于上行情况来说是很不准确的。解决这个问题的方法就是引入快速闭环功率控制。闭环功率控制是对上、下行链路进行快速功率调整，以使链路的质量收敛于目标SIR(Signal-to-Interference Ratio，接收信号干扰比，简称信干比)。开环和闭环两种功率控制的方式的区别为：开环采用上行(下行)链路的干扰情况来估计下行(上行)链路，是不闭合的；而闭环则存在一反馈环。开环功率控制的初始发射功率由无线网络控制器RNC或移动台MS确定，而闭环功率控制由基站完成。

内环功率控制的主要作用是通过控制物理信道的发射功率，使接收信干比收敛于目标信干比。外环功率控制则是通过动态地调整内环功率控制的SIR目标值，使通信质量始终满足要求，即达到规定的FER/BLER(Block Error Rate，误块率)/BER值。由于无线信道的复杂性，仅根据SIR进行功率控制并不能真正反映链路质量。比如：对于静止、低速和高速用户来说，在保证相同FER的基础上，对SIR的要求是不同的。而最终的通信质量通过FER/BLER/BER衡量，因此有必要根据实际FER/BLER接收信号动态地调整目标SIR。

关于功率控制和卫星通信系统中的功率控制的方法，在此之前已经有了相应的研究工作并取得了一定的成果。

[E.G.蒂德曼，中国专利公开号CN1320307A，“在多址信道上发送的信号的快速功率控制方法和设备”，2001.2]公开了一种用于控制在多个接入信道上从移动台到基站的发送的方法和装置。

[P.J.布莱克E.A.S.埃斯泰夫斯，中国专利公开号CN1555611A，“根据错误功率控制命令的概率来发送反向链路功率控制信号的方法和设备”，2004.12]公开了一种方法和设备，用于在移动无线电话系统中控制多个移动无线单元发送到基站的发射功率。

[E.希施菲尔德；R.A.韦迪曼；S·坎特，中国专利公开号CN1131849，“卫星通信功率管理系统”，1996.9]公开了一种操作通信信号发射机的方法及其装置，包括，接收通信信号；检测收到的信号强度，依据检测的信号强度调整电源输出，放大器放大收到的通信信号，检测步骤包括提取噪声成分。

[颜存明，中国专利公开号CN101527382，“多路组合式卫星功率分配器”，2009.9]涉及一种多路组合式卫星功率分配器，包括至少多路并列的信号传输电路，通过将单个分配器组合到一个整体，大大缩小了体积，简化了许多繁琐工艺。

[朴振秀；金尹善；安宰民；尹淳暎；姜熙原，中国专利公开号CN1390396，“移动通信系统中的功率控制设备和方法”，]公开了一种移动通信系统中的功率控制设备和方法。移动台中的接收器多路复用从基站中的发送器接收的、至少两个业务信道的帧接收结果指示位，把多路复用的帧接收结果指示位逐位插入导频信号中，和发送反向帧。然后，发送器从反向帧中提取导频信号，多路分解帧接收结果指示位，和根据帧接收结果指示位的值，对业务信道进行功率控制。

[陈道；周渔君，中国专利公开号CN1418411，“无线通信系统中多信道功率控制的方法和装置”，2003.5]公开了一种在无线通信系统中控制多重发送的发送功率的技术。发送源(如基站)从接收设备(如远程终端)接收一个或多个(编码或不编码的)位流和可能的一个和多个消息的一系列反馈。位流能包括用于对一组或多组信道送出一个或多个度量(如功率控制命令、消除指示位、或质量指示位)的一个或多个功率控制子信道。分配给每个子信道的位能累积以形成一个或多个具有改善的可靠性的低速率反馈子流。两个或多个信道的发送功率可以(1)根据来自各个子信道的反馈独立地调节，或(2)根据来自一个子信道的反馈一起调节，根据来自另外子信道的反馈调节功率差。

可以看出，目前涉及功率控制的方法多局限于功率控制中的算法以及功率控制设备的研究，少有针对一个网络研究功率控制的实例；特别是针对卫星通信中单跳业务的功率控制方法，目前尚未有特别成熟的方案。

总而言之，有效地进行功率控制才能消除卫星通信中信道衰落和用户链路不均匀的影响，保证用户的服务质量，有效提高系统容量。本发明将重点阐述基于WCDMA的3G卫星通信系统中单跳通信方式下的功率控制。

发明内容

本发明的一个目的，是提供一种在基于WCDMA的3G卫星通信系统中单跳通信方式下的功率控制方法，该方法避免了单跳通信时功率控制信令双跳产生的较长链路延迟，能更好的适应链路变化。

本发明的另一个目的，是提供一种在UE(比如手机终端)上实现GNB(NodeB)和GNC(RNC)的部分功能的方案，以实现上述功率控制的方法。

本发明提供的功率控制方法适合于具有单跳话音或数据业务通信能力的卫星通信系统，例如欧洲电信标准化协会(ETSI：European Telecommunications Standards Institute)的S-UMTS(Satellite-Universal Mobile Telecommunications System)规范[“Satellite component ofUMTS/IMT-2000：General aspects and principles”，ETSI TR 101 865 v1.2.1.2002-09]给出的基于WCDMA技术和3GPP系统网络模型。如图1所示，在双跳通信转为单跳通信时或者在业务连接直接成为单跳通信时，采取功率控制信令随单跳业务一起进行单跳交互的方式进行功率控制，直接的好处就是能缩短功率控制的延时，尤其对高轨轨道卫星通信更有效果。

具体来说，本发明单跳卫星通信终端功率控制方法包括主控端和被控端之间的闭环功率控制，所述闭环功率控制在主控端中进行。

所述闭环功率控制包括上行闭环功率控制，所述上行闭环功率控制包括：

主控端收到来自被控端的上行信号后，测量该信号的信干比，将测量值与预设的目标信干比相比，根据比较结果生成相应的功率控制命令并发送给被控端；同时，主控端收到所述上行信号后，测量该信号的误块率，将测量值与预设的目标误块率比较，根据比较结果相应地调节所述目标信干比。

所述闭环功率控制还包括下行闭环功率控制，所述下行闭环功率控制包括：

被控端将设定的目标误块率发送给主控端，主控端据此计算目标信干比；主控端收到来自被控端的下行信号后，测量该信号的信干比，将测量值与所述目标信干比相比，根据比较结果生成相应的功率控制命令并发送给被控端；同时，主控端收到所述上行信号后，测量该信号的误块率，将测量值与所述目标误块率比较，根据比较结果相应地调节所述目标信干比。

所述终端功率控制方法还包括发射端的开环功率控制，所述开环功率控制包括：所述发射端根据接收到的信号衰落情况计算发射链路的衰落情况，并由此调整发射功率。

优选地，所述开环功率控制在单跳通信建立之初进行；且所述闭环功率控制在所述开环功率控制之后进行。

本发明所述的主控端指的是信息链路的接收端，被控端指的是信息链路的发送端，如图2所示。相同的UE在不同的上下行链路中充当的主控或被控角色可以互换。

此外，本发明单跳卫星通信终端，包括sub_nodeB模块和sub_RNC模块，所述sub_nodeB模块测量上行或下行信号的信干比，将测量值和预设的目标信干比相比，根据比较结果生成相应的功率控制命令并发送给被控端；所述sub_RNC模块检测上行或下行信号的误块率，将测量值和预设的目标误块率比较，并根据比较结果相应地调节所述目标信干比。

可见，本发明所述UE结构方案的特征在于，在原有WCDMA的UE终端上完成部分NodeB和部分RNC功能。

下面结合图2更具体地说明本发明闭环功率控制的实现方式：

单跳情况下上行内环功率控制时，信号传送方向由UE_A到UE_B，在DPCCH(专用物理控制信道)信道上执行，UE_B为主控端，UE_B在接收到信号后，测量该信号的SIR_meas，将该值和预先设定的SIR_target相比较(本发明中，下标meas表示测量值，下标target表示目标值)，生成功率控制命令，调节被控UE(即UE_A)的发射功率。下行内环功率控制时，原理与上行内环功率控制相同，只是出发点不同，主控UE和被控UE互换位置。在内环功率控制时，并不需要主控UE中的sub_RNC模块参与。

单跳情况下上行外环功率控制时，基本原理是把被控UE传来的信号，在sub_RNC模块中进行BLER_meas与BLER_target的比较，然后慢速调整SIR_target，以使业务质量不因无线环境变化而受影响，保持相对恒定的通信质量。下行外环功率控制时，原理与上行内环功率控制相同，只是出发点不同，主控UE和被控UE互换位置。在外环功率控制时，需要主控UE中的sub_RNC模块参与。

本发明提供了一种实用的单跳通信情况下以UE为核心的功率控制方法及相应的UE。和现有技术相比，本发明具有如下的一些有益效果：

(1)可以实现功率控制过程经过卫星转发器的信令单跳方式，缩短功率控制的延时。

(2)无须修改基本卫星通信系统的相应通信接口、协议规范及处理流程；仅在话音或数据流单跳通信时相应采取功率控制过程的单跳流程。

(3)适用于各种类型的卫星通信系统，特别适用于高轨卫星通信系统，在缩短功率控制延时方面上效果显著。

(4)终端无需做出重大调整，硬件上仅需加入sub_RNC模块，sub_NodeB模块中的SIR测量模块可以复用普通UE中的已有模块，并在软件上加入相应的流程处理即可。

附图说明

图1是S-UMTS规范[ETSI TR 101 865 v1.2.1]中的卫星移动系统网络结构示意图，图中标示出了单跳和双跳情况下功率控制信令的流向。

其中各个术语的中文含义如下：

Node B：地面无线接入网的节点B；

RNC：地面无线接入网的无线网络控制器；

NCC：网络控制中心；

图2是上下行链路中的被控端和主控端示意图。

图3是本发明实施例的UE结构示意图。

图4是单跳通信时上行闭环功率控制流程图。

其中各个术语的中文含义如下：

UE：User Equipment，终端。

SIR：Signal-to-Interference Ratio，信干比。

BLER：Block Error Rate，误块率。

sub_RNC：sub Radio Network Control，子无线网络控制器。

sub_NodeB：sub WCDMA Base Station，子NodeB节点。

TPC_cmd：Transmit Power Control command，发射功率控制命令。

图5是单跳通信时下行闭环功率控制流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施例结合附图对发明作进一步描述。

本实施例提供基于3G兼容体制(具体而言是基于3GPP/UMTS Release 4参考模型[3rdGPP Technical Specification Group Services and Systems Aspects：Network architecture，Release 4，3GPP TS 23.002 V4.8.0，2003-06])，同时具备有限单跳通信能力的卫星移动通信系统的单跳业务功率控制方案。

1.UE结构方案

如图3所示，本实施例涉及的UE具有下列组分部分：

信道提取模块

该模块从上行用户链路提取业务信道上的单跳数据流，并进行下变频处理，送往基带解调L1处理模块；同时送往sub_NodeB模块进行SIR测量等操作。

基带解调L1处理模块

该模块接收来自信道提取模块的数据流，进行空中接口的基带解调等L1层处理；同时在进行外环功率控制时，将解调后的数据流送往sub_RNC模块进行BLER测量等操作；并将L1层处理后的结果发往数据帧生成模块。

sub_NodeB

该模块是基于现有UE新增的模块，旨在实现NodeB的部分功能。

该模块接收来自信道提取模块的数据流，进行SIR测量等操作；并在进行外环功率控制时接收来自sub_RNC发来的SIR_target调整命令；并将SIR的比较结果发往功率控制比特产生模块。sub_NodeB是进行内环功率控制的主要模块。内环功率控制是快速功率控制，在主控UE和被控UE之间进行。被控端接收主控端发出的功率控制命令控制本端的发射功率，主控端的功率控制命令通过下列方法产生：主控端测量本端的接收信号的功率和信干比，与预置的目标功率或信干比相比，产生功率控制命令以弥补测量值与目标值的差距，当测量值低于预设值时，功率控制命令就是上升；当测量值高于预设值时，功率控制命令就是下降。具体来说，sub_NodeB通过内部的SIR测量模块来测量链路的SIR，将该值和预先设定的SIR_target相比较，生成功率控制命令调节被控UE的发射功率。若SIR_meas≥SIR_target，则手机产生的TPC_cmd指令为“0”，即要求减少被控UE的发射功率，若SIR_meas＜SIR_target，TPC_cmd指令为“1”，即要求增加被控UE的发射功率。

sub_RNC

该模块也是基于现有UE新增的模块，旨在实现RNC的部分功能。

该模块接收来自基带解调L1处理模块的数据，进行外环功率控制中的BLER测量等操作；并将BLER_meas发往sub_NodeB来调整sub_NodeB的SIR_target。sub_RNC是进行外环功率控制的主要模块。外环功率控制的作用是通过为内环快速功率控制设定目标值，使通信链路的质量满足需要。外环功率控制的目的在于提供所需的通信质量：既不要太差，也不要太好。太高的质量将浪费容量。由于上行链路和下行链路中均存在内环快速功率控制，因此上下行链路都需要外环功率控制机制。sub_RNC进行宏分集合并后，检测上行链路质量，通过内部的BLER测量模块测量BLER，然后为sub_nodeB设置SIR目标值SIR_target。具体说来，一个简单的方法是：sub_RNC根据通信链路中的每一个用户数据帧中的“帧可靠性指示符”的标签，例如解码后检测某个用户帧的CRC校验结果，如果帧质量指示符显示传输质量在下降，sub_RNC就命令sub_NodeB把SIR_target设定点值提高某个值；接收质量也可以通过基于帧可靠性的软信息来进行估计，软信息包括信道译码前的误比特率(BER)估计，对卷积码进行译码的维特比译码器的软信息，Turbo译码器的软信息如中间迭代译码的BER或BLER和接收到的E_b/N₀等。

功率控制比特产生模块

该模块从sub_NodeB模块接收SIR比较信息，从而产生TPC_cmd信令，并产生功率控制比特流发往数据帧生成模块。

数据帧生成模块

该模块从基带解调L1处理模块和功率控制比特产生模块接收数据，进行数据帧的重新组合，并插入功率控制比特。

基带调制模块

该模块从数据帧生成模块接收数据，进行基带的L1层调制，如卷积，交织等编码，将功率控制子信道插入其中，形成待发送的基带数据流。

信道生成模块

该模块从基带调制模块接收数据，进行上变频等操作，形成待发送的射频信号，送往下行链路。

2.开环功率控制

开环功率控制不需要接收端UE的反馈，发射端UE根据自身测量得到的信息对发射功率进行控制。发射端UE根据接收到的链路的信号衰落情况估计自身发射链路的衰落情况从而确定发射功率。开环功率控制的主要特点是不需要反馈信息，因此在无线通道突然变化例如在卫星通信中从双跳通信变成单跳通信时，它可以快速响应变化。开环功率控制的准确度是建立在上行链路和下行链路具有一致的衰落情况下的，但是上行链路和下行链路的衰落情况一般是不相关的，这就导致开环功率控制的准确度不会很高，只能起到粗略控制的作用，必须使用闭环功率控制才能达到比较精确的控制效果。因此，在本实施例中，开环功率控制只在链路刚刚建立时如单跳通信刚刚建立时才使用或者不使用。如果使用开环功率控制，则闭环功率控制在其后使用。

3.上行闭环功率控制

单跳通信上行闭环功率控制流程图如图4所示。

上行闭环功率控制过程的目的是在通信质量可接受的基础上使UE的发射功率保持在较低的水平，从而克服远近效应，减少UE间的干扰，提高网络质量和一个波束内的用户容量。

在建立卫星单跳通信的业务信道(DCH)(图4的步骤1)之后，系统将调动主控UE和被控UE启动闭环功率控制，包括外环和内环功率控制，两者同时发挥作用。如流程图所示，sub_RNC将根据不同类型业务对BLER目标值的要求和无线链路测量值(SIR_meas)依照一定的算法为每一种业务设置SIR目标值(SIR_target)(步骤2)。即在当前信号传播环境下，当主控UE接收到的上行SIR_meas≥SIR_target时，传输数据块的BLER将满足目标值要求，并将当前SIR_target发送给sub_NodeB；sub_NodeB对SIR_meas和SIR_target进行比较，并根据比较结果设置上行功率控制命令(步骤3)，即内环功率控制。如果无线信号传播环境变化，BLER测量值(BLER_meas)有可能超过BLER目标值(BLER_target)，并且随着传播环境持续恶化，BLER_meas已经不再收敛于BLER_target，业务质量也开始下降，此时，为了使BLER_meas收敛于BLER_target，sub_RNC将改变SIR_target(步骤4)，改善上行链路的信号质量，上行BLER_meas重新收敛于BLER_target，即外环功率控制。

所以，上行外环功率控制的目的就是为了满足各种业务质量要求而设定上行链路质量目标(BLER_target/SIRv2_target)，要求的是上行链路质量收敛于业务质量目标。内环功率控制的目标是根据外环功率控制设定的业务和上行链路质量目标来控制UE发射功率的大小，以保证上行链路质量。

4.下行闭环功率控制

单跳通信下行闭环功率控制流程图如图5所示。

下行闭环功率控制在地面移动通信系统或者在功率控制信令双跳进行的卫星通信系统中与在这两种系统中的上行闭环功率控制目的有所不同。但是在功率控制信令单跳进行的卫星通信系统中时，下行闭环功率控制过程与上行闭环功率控制过程相近，如流程图所示。sub_RNC为每种类型业务分别设定一个BLER目标值(步骤1)，并在无线承载建立(“RRC RB SETUP”消息)时发送给主控UE。主控UE通过BLER目标值计算出所需的SIR目标值，完成初始质量目标的设定。主控UE不断地测量下行信号质量(SIR_meas)，并将其与SIR_target进行比较，根据比较结果生成功率控制命令并发给被控端的sub_NodeB(步骤2)。所述sub_NodeB根据收到的功率控制命令，结合功率参数，判断下行码发射功率是否需要改变以及变化的幅度，并对该连接的被控UE的发射功率进行调整。

若对传输信道进行重配置(如数据业务速率改变)，sub_RNC将根据业务需求重新设置质量目标即新的BLER_target(步骤3)。主控UE也将把新的BLER_target作为功率控制的目标。

本发明所述的卫星通信中功率控制单跳进行的方案缩短了一般功率控制双跳进行产生的“测量-指示-反应”循环的周期，较明显的改善了卫星通信中路径延迟造成的功率控制跟不上链路变化情况。

以上虽然仅仅是参考特定的具体实施例对本发明进行了图示和说明，但是任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭示的技术范围内，可以对本发明进行形式和细节上的任何修改，都应该包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.单跳卫星通信终端功率控制方法，包括主控端和被控端之间的闭环功率控制，其特征在于，所述闭环功率控制在主控端中进行，

主控端收到来自被控端的上行信号后，测量该信号的信干比，将测量值与预设的目标信干比相比，根据比较结果生成相应的功率控制命令并发送给被控端；

同时，主控端收到所述上行信号后，测量该信号的误块率，将测量值与预设的目标误块率比较，根据比较结果相应地调节所述目标信干比；

被控端将设定的目标误块率发送给主控端，主控端据此计算目标信干比；

主控端收到来自被控端的下行信号后，测量该信号的信干比，将测量值与所述目标信干比相比，根据比较结果生成相应的功率控制命令并发送给被控端；

同时，主控端收到所述下行信号后，测量该信号的误块率，将测量值与所述目标误块率比较，根据比较结果相应地调节所述目标信干比。

2.如权利要求1所述的单跳卫星通信终端功率控制方法，其特征在于，所述终端功率控制方法还包括发射端的开环功率控制，所述开环功率控制包括：

所述发射端根据接收到的信号衰落情况计算发射链路的衰落情况，并由此调整发射功率。

3.如权利要求2所述的单跳卫星通信终端功率控制方法，其特征在于，所述开环功率控制在单跳通信建立之初进行；所述闭环功率控制在所述开环功率控制之后进行。

4.单跳卫星通信终端，其特征在于，所述终端包括sub_nodeB模块和sub_RNC模块，所述sub_nodeB模块测量上行或下行信号的信干比，将测量值和预设的目标信干比相比，根据比较结果生成相应的功率控制命令并发送给被控端；所述sub_RNC模块检测上行或下行信号的误块率，将测量值和预设的目标误块率比较，并根据比较结果相应地调节所述目标信干比。