CN102655671B - 一种用于卫星cdma系统的功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于卫星CDMA系统的功率控制方法，属于通信技术领域。本发明的方法为：1)中心站确定使所有移动站的信干噪比均达到预期值时，各移动站信号接收功率的下界P_Thr；2)在第k次循环中，中心站对来自各移动站的接收信号进行解扩、信干噪比估计，得到信干噪比估计值3)中心站根据得到信道功率增益4)中心站根据得到每个移动站的发射功率P_i(k)，并根据P_i(k)设定相应移动站的第k次循环时的功控信息；5)中心站将设定的相应移动站第k次循环时的功控信息发送给相应移动站；6)各移动站根据收到的功控信令，调整第k次循环时的发射功率。本发明典型的LMS信道中可达到更好的SINR稳定性，同时减少了MS的发送功率。

Description

一种用于卫星CDMA系统的功率控制方法

技术领域

本发明通信技术领域，涉及一种用于卫星CDMA系统的功率控制方法。

背景技术

作为陆地蜂窝系统的重要补充，卫星移动通信(LMS)系统是一个正在快速发展的研究领域，有越来越多的研究和应用正在将3G的CDMA技术运用到这一领域中。在CDMA系统中，上行链路(UL)的功率控制(PC)的作用是使得接收机中各个用户信号的信干噪比(SINR)都能稳定于门限以上，才能保障各用户的通信质量。功率控制可以分为开环和闭环两类。开环功率控制(OLPC)只需根据下行链路(DL)的信号强度变动而逆向调整上行链路信号功率即可；闭环功率控制(CLPC)是由中心站判断各个移动站(MS)的发送功率应进行如何调整(调整方向和调整幅度)，并将相应的控制信息通过DL告知MS，以便后者调节自身的发射功率，从而使得各用户的SINR尽可能地稳定在门限要求之上。本专利的研究对象是CLPC。

LMS信道同时遭受阴影遮挡等因素导致的慢衰落和多径等因素导致的快衰落。由于同步轨道(GEO)卫星信道的长时延特点(时延往往大于多径快衰落的相干时间)，因此用CLPC来对抗快衰落是不切实际的，对抗快衰落只能依靠各种显式或者隐式的分集技术(如信道编码、天线分集等)。本专利研究CLPC对抗慢衰落的问题。

在卫星应用中，CLPC的传统实现方法[Ernestina Cianca，“Outer Loop Power Control inCDMA Satellite Systems with On-Board Power Contraints”，IEEE Trans.WirelessCommunications，2006]是估计实际SINR和目标SINR的差距，并根据这一差距的大小而逆向调节MS的发送功率。虽然这种方式可以在信道增益稳定后有可能收敛于最佳的发射功率，但一方面收敛速度不快，在信道变化频繁时往往不能收敛于最佳发射功率；另一方面，在部分用户信道突变时，有可能会出现调节过程的振荡。[Chang Jiang，Investigation of a CombinedPower Control Scheme for a Time-Division Duplex CDMA System.APCCAS’2000，2000]提出了加权的方式进行调节，这样可以减小调节过程的振荡，但是收敛速度并没有本质的改善。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于对CDMA卫星通信系统提供一种新的上行链路闭环功率控制方法：分块解逆算法(Block-wise Reversing Algorithm，下文简称BWR)。该算法不是根据实际SINR与目标SINR的差值来调整终端发射功率，而是根据实际SINR与接收功率之间的关系来估算各个用户信号到达接收机时的功率，进而相应地调整终端发射功率，以便在典型的LMS信道中达到更好的SINR稳定性，同时尽量减少MS的发送功率。

本发明的技术方案为：

一种用于卫星CDMA系统的功率控制方法，其步骤为：

1)中心站确定使所在CDMA系统中所有移动站的信干噪比均达到预期值时，各移动站

信号接收功率的下界P_Thr；

2)在第k次循环中，中心站对来自各移动站的接收信号进行解扩、信干噪比估计，得到信干噪比估计值

3)中心站根据得到信道功率增益其中，

P(k)＝diag[P₁(k-1)，P₂(k-1)，..，P_N(k-1)]、N×N矩阵N是移动站数，P_i(k-1)是第i个移动站第k-1次循环时的发射功率，G_PG是CDMA系统的处理增益，diag表示以该矢量为主对角线的对角矩阵；

4)中心站根据得到每个移动站的发射功率P_i(k)，并根据P_i(k)设定相应移动站的第k次循环时的功控信息；

5)中心站将设定的相应移动站第k次循环时的功控信息发送给相应移动站；

6)各移动站根据收到的功控信令，调整第k次循环时的发射功率。

进一步的，所述P_Thr由公式确定；其中，S_Thr是信干噪比预期值，P_rec为移动站的信号接收功率，P_n是移动站接收到的噪声功率。

进一步的，所述信干噪比预期值S_Thr小于移动站接收信号的最大信干噪比S_max，

$S_{\max }=\underset{P_{\mathrm{rec}}\→\∞}{\lim }\frac{P_{\mathrm{rec}}}{\frac{1}{G_{\mathrm{PG}}}[(N-1)P_{\mathrm{rec}}+P_n]}.$

进一步的，移动站使用解扩后的连续M个符号进行信干噪比估计。

进一步的，所述M取值为：M＞100。

进一步的，当中心站求出的信道功率增益中某移动站信道功率增益为负值时，则放弃当前计算的信道功率增益采用上一次循环时的信道功率增益所求出的每个移动站的发射功率P_i(k-1)，并根据P_i(k-1)设定相应移动站的第k次循环时的功控信息。

本发明涉及到卫星通信系统架构：典型的星形网络结构的LMS系统由移动站、中心站、卫星等节点构成，其中中心站的收发信机功能可以在卫星上实现，也可以在地面实现(卫星仅作为透明转发器)，如图1所示。卫星CDMA系统和地面CDMA系统有相仿的结构，主要的差别是信道有所不同。对于GEO卫星系统而言，巨大的信道延迟是其中影响最大的因素之一。

在本发明所涉及的中心站CDMA接收机中，通过相关解扩运算后，各个MS的信号质量可以用其信干噪比(SINR)来衡量，其形式如下式所示：

$S_i=\frac{G_i{P}_i}{\frac{1}{G_{\mathrm{PG}}}[\underset{j\≠i}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(G_j{P}_j\right)+P_n]}---\left(1\right)$

其中，P_i和G_i分别是第i用户的发送功率和信道功率增益，P_n是接收到的噪声功率，G_PG是扩频信号的处理增益，而N是系统中的MS数量。

本发明认为中心站接收机是知晓MS的发送功率P_i的：一方面，在未采用开环功率控制的情形下，MS发送功率是受接收机的指令而调整的，因此接收机是预知MS的发射功率的；另一方面，如果MS引入了开环功率控制等手段，则可以在UL的信号中包含发射功率的信息，以便中心站接收机获悉。

在假设噪声功率基本不变的条件下(因为噪声主要是接收机自身的热噪声和来自空间的背景干扰)，可以将N个MS的信干噪比估计值代入(1)式，经过解方程，可以得到求解出的各个MS的信道功率增益的估计值

$\hat{G}=P^{-1}{A}^{-1}\hat{S}---\left(2\right)$

其中对角矩阵P＝diag[P₁，P₂，..，P_N]是由各个MS的发送功率组成的，而是各个MS信号SINR的估计值，而式中矩阵A形如：

在获得信道功率增益的估计值之后，接收机可以发布功控调整指令，指示各个MS今后的发送功率和信道功率增益的估计值之积为常数P_Thr，即：

${\hat{G}}_i{\tilde{P}}_i=P_{\mathrm{Thr}}---\left(4\right)$

其中P_Thr是使所有MS的SINR相等且达到预期目标值S_Thr(即，使得所有用户的误码率BER都满足要求时)的条件下，各MS信号接收功率P_rec的下界，即：

$P_{\mathrm{Thr}}=\underset{P_{\mathrm{rec}}}{\arg \min }(\frac{P_{\mathrm{rec}}}{\frac{1}{G_{\mathrm{PG}}}[(N-1)P_{\mathrm{rec}}+P_n]}>S_{\mathrm{Thr}},i=1,...,N)---\left(5\right)$

上式中S_Thr的取值取决于系统采用的调制方式、编码增益和预期的BER等因素。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

本发明在典型的LMS信道中可达到更好的SINR稳定性，同时减少了MS的发送功率。

附图说明

图1是典型的卫星移动通信系统架构图；

图2是本发明方法一种实施方式的流程图。

具体实施方式

下面结合附图2对本发明方法的具体实施方式作进一步详细描述。本发明方法主要有五个步骤。

步骤A：根据

$P_{\mathrm{Thr}}=\underset{P_{\mathrm{rec}}}{\arg \min }(\frac{P_{\mathrm{rec}}}{\frac{1}{G_{\mathrm{PG}}}[(N-1)P_{\mathrm{rec}}+P_n]}>S_{\mathrm{Thr}},i=1,...,N)$ 计算P_Thr。

其中N是用户数，G_PG是CDMA系统的处理增益，S_Thr是SINR目标值，它应略小于接收机中解扩后各MS信号可能达到的最大SINR值S_max，P_rec为MS信号接收功率，其中：

$S_{\max }=\underset{P_{\mathrm{rec}}\→\∞}{\lim }\frac{P_{\mathrm{rec}}}{\frac{1}{G_{\mathrm{PG}}}[(N-1)P_{\mathrm{rec}}+P_n]}---\left(6\right)$

例如，若一个CDMA系统的处理增益G_PG＝13，N＝5，CLPC完全理想时各用户信号的接收功率相同(即G_iP_i＝P_rec)，则按(6)式可得S_max约为13/(5-1)＝3.25(即5.1dB)，故可以取目标S_Thr略小于5.1dB(譬如取为4.5dB)。由此根据(5)式可以算出P_Thr。

步骤B：接收端解扩后，对于用户i，使用连续M个符号进行信噪比估计。在第k次循环中，对用户i的解扩信号的SINR估计值记为显然，若M取值越大，BWR算法的计算量就越低(单位时间内矩阵求逆运算的次数越少)。由于在一定范围内调整M值并不会明显影响CLPC性能，所以在实际运用中可以使用较大的M值，譬如M可取为100。

步骤C：根据求出信道功率增益其中对角矩阵P是中心站接收端已知的各个MS的发送功率P＝diag[P₁(k-1)，P₂(k-1)，..，P_N(k-1)]，而P^-1是P矩阵的逆矩阵；N×N矩阵A形如：

而A^-1是A矩阵的逆矩阵。由于噪声和多址干扰(MAI)的影响，有时较小，结果会引入较大的估计误差，从而导致少数情形下矩阵A(k)较为奇异，从而计算出负值等异常解。此时抛弃该次运算结果，沿用前次的结果即可。

步骤D：根据则第i个MS下一循环阶段的最佳发射功率P_i(k)即可求出。由此可以设定CLPC信息，并通过DL的功率控制信令告知MS。

步骤E：MS在DL上收到功率控制信令之后，将每个MS功率调整为P_i(k)。前进至步骤B继续执行循环。

Claims (5)

1.一种用于卫星CDMA系统的功率控制方法，其步骤为：

1)中心站确定使所在CDMA系统中所有移动站的信干噪比均达到预期值时，各移动站

信号接收功率的下界P_Thr；其中，根据公式 $P_{\mathrm{Thr}}=\underset{P_{\mathrm{rec}}}{\arg }\min (\frac{P_{\mathrm{rec}}}{\frac{1}{G_{\mathrm{PG}}}[(N-1)P_{\mathrm{rec}}+P_n]}>S_{\mathrm{Thr}})$

确定所述下界P_Thr；S_Thr是信干噪比预期值，P_rec为移动站的信号接收功率，P_n是移动站接收到的噪声功率；

2)在第k次循环中，中心站对来自各移动站的接收信号进行解扩、信干噪比估计，得到信干噪比估计值 ${\hat{S}}_i\left(k\right),i=1,..,N;$

3)中心站根据得到信道功率增益其中，P(k)＝diag[P₁(k-1),P₂(k-1),..,P_N(k-1)]、N×N矩阵

N是移动站数，P_i(k-1)是第i个移

动站第k－1次循环时的发射功率，G_PG是CDMA系统的处理增益，diag表示以该矢量为主对角线的对角矩阵；

4)中心站根据得到每个移动站的发射功率P_i(k)，并根据P_i(k)设定相应移动站的第k次循环时的功控信息；

5)中心站将设定的相应移动站第k次循环时的功控信息发送给相应移动站；

6)各移动站根据收到的功控信息，调整第k次循环时的发射功率。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述信干噪比预期值S_Thr小于移动站接收信号的最大信干噪比S_max， $S_{\max }=\underset{P_{\mathrm{rec}}\→\∞}{\lim }\frac{P_{\mathrm{rec}}}{\frac{1}{G_{\mathrm{PG}}}[(N-1)P_{\mathrm{rec}}+P_n]}.$

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于移动站使用解扩后的连续M个符号进行信干噪比估计。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于所述M取值为：M>100。

5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于当中心站求出的信道功率增益中某移动站信道功率增益为负值时，则放弃当前计算的信道功率增益采用上一次循环时的信道功率增益所求出的每个移动站的发射功率P_i(k-1)，并根据P_i(k-1)设定相应移动站的第k次循环时的功控信息。