CN1134917C - 码分多址移动通信系统中前向链路功率控制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种码分多址移动通信系统中前向链路功率控制的方法，可使基站总发射功率最小同时满足各用户的通讯质量要求。包括：设置一个对特定用户的误帧指示比特(EIB)进行计数的计数器；根据累计的计数值N及当前接收的帧质量对该特定用户的发射功率按变化的步长进行调整。若当前EIB为“1”，则将发射功率提高一个步长并对计数器加1，示为U/(2＾(2N))；若当前EIB为“0”，则将发射功率下降一个步长，示为U/(2＾abs(K-N))；在计数器不为零时对其减1，否则不变，U为调整单位步长。

Description

码分多址移动通信系统中前向链路功率控制的方法

技术领域

本发明涉及一种移动通信技术，特别是一种第三代(3G)码分多址(CDMA)移动通信系统的前向链路功率控制方法。

背景技术

在码分多址移动通信系统中，所采用的是统一的频率复用工作方式，信号的多次反射会造成严重的多址干扰(MAI)。此外，所有的用户都使用同一频率(载频)、具有相同频率的用户又可能在同一时间内向基站发送消息，由于电磁传播的衰减特性，基站接收到的近距离用户的信号必然大于来自远距离用户的信号，因此远距离用户的信号很容易被近距离用户的信号屏蔽掉，该远近效应会严重影响移动通信系统的覆盖范围。因而，多址干扰与远近效应是移动通信系统必须克服的技术问题。

为使移动通信系统的容量达到最大，理想的情况是让所有的用户，不论其距离基站远近，所发射的信号在到达基站后的强度都大致相等，功率控制机制就是为实现该效果而建立的。通常采用的功率控制方法是基于路径损耗的功率控制(简称功控)和基于通信质量的功率控制，而实际使用时则更多使用两者的结合方式。

另一方面，当前流行的CDMA2000移动通信系统是由国际电联提出的第三代移动通信标准IMT-2000中的一个标准，要求能支持IMT-2000要求承载的各项业务，不同的业务有不同的服务质量，而且这些业务的基带信号所占用的带宽也各不相同。然而系统的扩频带宽是相同的，采用两级扩频的方法就是为了解决这一矛盾的，以使不同业务的扩频增益不同。在理想功率控制的条件下，对于同类型的业务，基站的接收功率应该相同；对于不同类型的业务，基站接收的功率应该不同。同样，基站对于同类型的业务，分配的功率应该相同；对于不同类型的业务，基站分配的功率应该不同。

综上所述，功率控制是码分多址移动通信系统中的一项关键技术，可包括前向链路功率控制和反向链路功率控制。其中，前向链路功率控制的目的主要用于合理调整前向发射功率，以满足用户要求的服务质量，并在必要时能有效降低前向发射功率以减小对邻近小区的干扰；反向链路功率控制则不仅要克服通信系统中固有的″远近效应″，更重要的是减少用户间的多址干扰从而提高系统容量。

CDMA2000系统中的前向功率控制有以下几种方法：快速功率控制方法；EIB(或称QIB，擦除指示比特或误帧测试比特)功率控制方法；和根据测量报告的功率控制方法。对于支持CDMA2000的移动用户应选择第一种快速功率控制方法。后两种控制方法是为了兼容IS-95系统的移动台，对于IS-95B的手机移动用户选择第二种EIB功率控制方法，对于IS-95A的手机移动用户，其不支持FPC-MODE制式的则只能采用第三种慢速的根据测量报告的功率控制方法。因此在CDMA2000系统中的移动台应选择其所能支持的最快的功率控制方法。

CDMA2000方案中的前向快速功率控制过程是：移动台接收来自基站的信号，对此信号进行估计并与设定的目标值进行比较，再根据比较结果，以800次/秒的频率向基站发送功率控制比特位，基站根据该功率控制比特位相应增加或减少对该移动台的发射功率。

前向闭环EIB功率控制方法，主要适用于CDMA2000的信道，当配置FPC_MODE＝011时(FPC_MODE指系统设置，一种前向功率控制模式)，前向信道就会采用这种功率控制方式，是通过手机上报的EIB或QIB标志对前向信道的发射功率进行调整。手机不断地检测前向帧的好坏，接收到好帧就将EIB或QIB标志置为“0”，接收到坏帧就将EIB或QIB标志置为“1”，因此EIB是一种手机接收帧的正误标志，手机将EIB或QIB填入功率控制子信道中，以50Hz的频率上报给基站，基站根据接收到的该EIB或QIB标志，对前向信道的发射功率进行调整，使总的发射功率最小，同时又能满足各用户的通讯质量要求。在根据EIB或QIB标志进行功率控制时，由于向上的调整及时，而向下的调整比较缓慢，所以当通信链路的质量迅速恢复时，如何快速地将发射功率降下来就成了衡量功率控制方法好坏的关键因素。

参见图1，图中示意出前向EIB功率控制的过程。移动台11接收发自基站(BTS)中基站传输接收系统12的一个前向帧，判断该帧是好帧还是坏帧；延迟两帧后，将判断结果以一个擦除指示比特位EIB填充到下一个发向上述基站的反向帧中；上述基站在接收到来自上述移动台11的信号后，对信号进行解码并恢复业务帧，以反向帧上传到基站控制器13的帧选择器14；帧选择器14在EIB功率控制模式下根据上述接收到的反向帧中的标志来增加或者减小前向业务链路的信道增益，并将前向信道增益结果下发给基站传输接收系统12；然后，基站根据上述前向业务信道增益来相应地改变对该移动台11的发射功率。

参见图2，图中示出一种前向链路功率控制的系统仿真模型，包括基站发射单元10、信道及干扰部分20、手机接收单元30和前向功控单元40。其中基站发射单元10包括信道编码11、加扰/插入功控12、Walsh扩频及功率增益13、扩频(PN)扰码14和成型滤波15；信道及干扰部分20包括信道衰落21和模拟干扰噪声的软件模块(AWGN)22；手机接收单元30包括匹配滤波31、RAKE接收32、信道解码33和误码率(FER)统计34；前向功控单元40包括EIB时延401和EIB功控402。

基站的基本信道(FCH)数据经过卷积编码后，进行扩频调制和成形滤波后发射，以克服同一小区内其它用户以及其它信道的干扰。其它信道包含有前向导航信道，寻呼信道、同步信道以及多个与以上信道及基本信道(FCH)都正交的其他业务信道。每条业务信道都采用64倍的Walsh码进行扩频，每条业务信道功率设置为：信道总发射功率中除了前向基本信道、前向导航信道、寻呼信道以及同步信道功率以外的剩余功率的四分之一。所有信道还要用扩(导)频PN序列复扩频，扩(导)频PN序列由I、Q两个周期为2¹⁵的序列组成。经过移动衰落信道20后的信号送入RAKE接收机，RAKE接收机将最大比值合并的输出送入译码模块进行信道解码以及CRC(一种循环校验码)校验。信道解码后的输出，包括数据以及误帧(擦除)指示比特EIB，用于进一步统计误帧率(FER)、进行CRC校验指示(EIB)，误帧指示比特(EIB)经过延迟，最后进行EIB功率控制，通过控制前向功率增益来控制基站的发射功率，达到功控目的。

为了准确理解本发明的技术方案，有必要结合图3所示的EIB功控环路时序先说明时延对EIB控制的重要影响。

基站发送数据帧1、2、3、4、5，...，以基站发送第1帧数据的功控时间特性为例说明。由于存在传播时延，手机收到第1帧数据的时刻肯定迟于基站，例如图中1’位置，再经过基站解码等的处理时延，解调出第1帧、得到EIB的时刻已发生在图中2’的位置，手机发送该EIB的时刻则发生在图中3’的位置，即手机只能在第3帧反馈EIB，又由于传播时延，基站只能在3″帧的位置接收到该EIB，此时该3″帧结束的时刻已滞后于基站发第4帧的起始时刻，即在基站发第4帧后才能根据反馈的EIB进行功控，再经过基站前向链路的功控算法，最快也只能在第5帧位置进行发射功率调节。所以，从上述时序可以看出，基站发第1帧后，相应功控环路的控制作用最快只能在第5帧体现。

由于上述环节中的各种时延不可避免，必然降低了EIB功控的反应速度。因此，就目前的技术水平而言，EIB功控的最快反应时间为3帧，即60ms。而在动态信道中，3帧的延时已经足以引起信道质量的变化，因此，EIB功控方法的关键技术是：克服因时延造成的控制盲目性；同时保证系统有合理的误帧率(FER)，即需将误帧率作为衡量EIB算法优劣的标准，使在保证误帧率(FER)达到目标误帧率(FER_tar)的前提下，尽量减小前向发射功率。

综上所述，在前向链路功率控制过程中，是通过提取1位EIB的过程来直接调整基站发射功率的。从整个控制过程来看，信息反馈本身已占用了相当的时间，因此用于计算前向信道发射功率的算法就要求尽量的快；另一方面，基站根据接收的EIB状态进行功控时，由于向上的调整比较及时，而向下的调整比较缓慢，所以当链路的质量迅速恢复时，如何快速地将发射功率降下来，就成了衡量前向链路功率控制算法优劣的关键因素。

相关的实现前向功率控制的技术方案大致有如下二种，包括：

第一种技术方案是：设置一个计数器，当连续接收到好帧紧接着接收到一个坏帧时，将发射功率提高一个较大的步长U，同时给计数器赋值(一般为3)；此时，当接收到好帧时再将该计数器减1，如果该计数器还大于零则将功率下降一个较大的值Db，如果计数器等于零则下降一个较小的值Ds；如果又接收到坏帧则将计数器减1，手机发射功率则保持不变。

第二种技术方案是：在比较长的一段时间内(例如1000帧)，对所接收到的EIB进行统计，根据统计周期内EIB等于1的个数与EIB的总数之比，可以算出当前的实际接收到的误帧率(FER_AVE1)。然后用统计的误帧率(FER_AVE1)结果与目标误帧率FER_TARGET相比较，并按比较后的结果用公式进行调整，表示为：

如果FER_AVE1＞FER_TARGET，则P(i+N_INT)＝P(i)+SAVE

如果FER_AVE1＝FER_TARGET，则P(i+N_INT)＝P(i)

如果FER_AVE1＜FER_TARGET，则P(i+N_INT)＝P(i)-SAVE

式中，P(i)为第i帧时对应的前向发射功率；SAVE为调整步长；N_INT为调整周期。

从上述介绍的现有前向链路EIB功率控制方法中，可以看出是根据EIB为“0”或者为“1”，让基站的发射功率固定地增加或减小某一步长。为了保证一定的误帧率，上升的步长需远远大于下降的步长，并采用某一固定步长。该技术方案的缺点是无法跟踪信道质量的快速变化，当信道质量突然变好时，这种方法无法使前向功率迅速达到最佳状态，因而极大地浪费了前向发射功率。同时，由于前向链路EIB功率控制存在控制延时，因此这种方法还存在控制失误的隐患。

发明内容

本发明的目的是设计一种码分多址移动通信系统中前向链路功率控制的方法，能实现减少通话中的误帧数，将接收的误帧率维持在某一恒定值上和使总的前向发射功率最小的前向功率控制目标。

实现本发明目的的技术方案是：一种码分多址移动通信系统中前向链路功率控制的方法，其特征在于包括如下步骤：

A.设置一个初值为零的计数器，该计数器对接收的特定用户的误帧指示比特(EIB)进行计数，计数值为N，N为正整数；

B.根据该计数器累计的计数值N及当前接收的帧质量对该特定用户的发射功率按变化的步长进行调整。

所述的对接收的特定用户的误帧指示比特(EIB)进行计数，是对接收的该特定用户的误帧指示比特(EIB)为“1”的错帧标志进行计数。

所述的根据该计数器累计的计数值及当前接收的帧质量对特定用户的发射功率按变化的调整步长进行调整，进一步包括：

设置一个功率调整单位步长U，U为自然数；

在接收的特定用户当前的误帧指示比特(EIB)为“1”时，将当前发射功率的调整步长按与计数器累计的计数值N的幂次相关的值作上升调整，然后对计数器进行加1处理；

在接收的特定用户当前的误帧指示比特(EIB)为“0”时，将当前发射功率的调整步长按与计数器累计的计数值N的幂次相关的值作下降调整，然后在计数器不为零时对计数器进行减1处理，在计数器为零时对计数器不作加1或减1处理。

所述的将当前发射功率的调整步长按与计数器累计的计数值N的幂次相关的值作上升调整，其上升功率是按调整单位步长U除以以X为底的2乘计数器累计的计数值N的幂计算获得的，表示为U/(X^(2×N))。

所述的X为2或3或4。

所述的将当前发射功率的步长按与计数器累计的计数值N的幂次相关的值作下降调整，是将功率调整单位步长U除以以X为底的一正整数K与计数器累计的计数值N之差的绝对值的幂计算获得的，表示为U/(X^abs(K-N))。

所述的X为2或3或4。

所述的K是根据通信环境选取的，以K为7作为选取基准。

实现本发明目的的技术方案还可以是这样的：一种码分多址移动通信系统中前向链路功率控制的方法，其特征在于包括以下步骤：

A.基站接收由特定手机用户上报的其功率控制子信道中的误帧指示比特(EIB)标志；

B.基站判断该误帧指示比特(EIB)标志的状态，“1”为错(坏)帧，“0”为好帧；

C.若误帧指示比特(EIB)标志为“1”，则根据计数器中累计的错帧数N将发射功率提高一个步长，功率上升的每一步是按功率调整单位步长U，除以以2为底的2乘计数器累计的计数值N的幂计算，表示为U/(2^(2N))，然后对计数器加1后结束；

D.若误帧指示比特(EIB)标志为“0”，则根据计数器中累计的错帧数N将发射功率下降一个步长，功率下降的每一步是按功率调整单位步长U除以以2为底的正整数K与计数器累计的计数值N之差的绝对值的幂计算，表示为U/(2^abs(K-N))，K是根据通信环境选取的转折点；

E.检查计数器，如果此时计数器不为零，则对计数器减1后结束，若此时计数器为零则直接结束，不对计数器作任何操作。

本发明的码分多址移动通信系统中前向链路功率控制的方法，当连续接收到好帧(EIB为“0”)，然后接下来接收到一个坏帧(EIB为“1”)时，将发射功率提高一个较大的步长，同时给计数器加1；如果又接收到坏帧(EIB为“1”)，则再将发射功率提高一个较前次步长小的步长，同时计数器加1。依次类推，如果连续收到坏帧，发射功率上升的每一步是按照X(X可为2、3、4等)的指数次幂分之一上升，该指数次幂与计数器累计的坏帧(EIB为“1”)数N有关。如X为2、N分别为0、1、2、3时，发射功率分别按U、U/4、U/16及U/64的调整步长进行上升调整。

如果连续接收到好帧(EIB为“0”)，则发射功率下降的每一步是按照X(X可为2、3、4等)的指数次幂分之一下降，该指数次幂与计数器累计的坏帧(EIB为“1”)数N有关。如X为2、K为7、N分别为3、2、1、0时，发射功率分别按U/16、U/32、U/64及U/128的调整步长进行下降调整。在算法中引入转折点K，可以在有限的调整步(如K＝7)之后，将调整步长再反过来作加大下降，使调整步长产生相反方向的变化。

本发明的码分多址移动通信系统中前向链路功率控制的方法，是一种自适应变步长的前向链路EIB功率控制方法，由于它的调整步长是根据通信环境不断变化的，当信道质量突然变坏时，能够迅速地增加基站的发射功率；当信道质量突然变好时，又能够及时调整，以快速恢复通信链路质量，同时又可尽量减小前向发射功率，使得前向发射功率始终保持最佳状态。

附图说明

图1是CDMA 2000方案中反向链路功率控制的内环功控与外环功控示意图。

图2是移动通信系统中前向链路功率控制的系统仿真模型结构示意图。

图3是移动通信系统中EIB功率控制环路的时序控制过程示意图。

图4是本发明的EIB功率控制方法的流程框图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图进一步说明本发明的技术。

图1至图3的说明前已述及，不再赘述。

参见图4。当系统配置的FPC_MODE＝011时，其前向信道就会采用基于手机接收帧的正误标志-EIB状态的功率控制方法。手机根据接收的好帧或坏帧将擦除(误帧)指示比特(EIB)“0”或“1”填入功率控制子信道中，以50Hz的频率上报给基站。基站控制器BSC对该擦除指示比特(EIB)进行统计，通过统计结果来对前向信道的发射功率进行调整。原则是使总的发射功率最小，同时又能满足各用户的通讯质量的要求。

在本发明的方法中，我们利用一个计数器对所接收到的错帧数(EIB全为1)进行记数，再根据累计的错帧数(即计数器的累计值N)和当前接收的帧质量进行变步长的功率调整。本发明设功率调整单位步长为U，计数器从零开始计数。本发明的技术方案是在连续接收到坏帧时，将前向信道的发射功率提高一个较大的值；在连续接收到好帧时，将前向信道的发射功率下降一个较大的值。

步骤41，基站接收由特定手机用户上报的其功率控制子信道中的误帧指示比特EIB；

步骤42，基站判断该误帧指示比特(EIB)的状态，“1”为错(坏)帧，“0”为好帧；

步骤43，若误帧指示比特(EIB)为“1”即接收到一个坏帧时，则根据计数器中累计的错帧数N和当前帧质量进行功率调整，需将发射功率提高一个较大的步长，如基站将发射功率提高U/(2^(2N))，即上升步长为U、U/4、U/16、U/64...，如果连续收到坏帧，功率上升的每一步是按照2的指数次幂分之一上升(实施时，基站也可将发射功率按U/(2^(N))提高，但以按U/(2^(2N))为佳)；

步骤45，然后对计数器加1，即N＝N+1；

步骤44，若误帧指示比特(EIB)为“0”即接收到一个好帧时，则根据计数器中累计的错帧数N和当前帧质量进行功率调整，需将发射功率下降一个步长，如基站发射功率下降步长为U/(2^abs(K-N))，即下降步长为U、U/2、U/4、U/8、U/16、U/64...，式中K相当于转折点，K的选取可以根据当地的通信环境选取，本发明推荐取为7，如果通信环境是较多高楼大厦的喧闹市区，则K可以再取大一点，而在平坦广阔的郊区，K则可以取得小一点，如果连续接收到好帧，则功率每一步是以2的指数次幂分之一下降，K的设置可以使在有限步之后，将步长再反过来加大地下降；

步骤46，检查计数器，如果此时计数器不为零，则执行步骤47，如果此时计数器为零则不对计数器作任何操作；

步骤47，将计数器减1，N＝N-1；

步骤48，执行完步骤45、47或在步骤46中判断计数器为零后则结束本次当前发射功率步长的调整。

本发明的这种EIB功率控制的方法，除了上述步骤中的2分法即X为2的情况外，还可以有相关的形式与改进。如采用3分法，即X为3的情况，步长按U、U/3，U/9，U/81...递增；4分法，也就是X为4的情况，步长按U、U/4、U/16、U/256...递增，即是以X的次幂递增或递减等等。而其中的次幂则与计数器的累计计数值N有关。

在本发明的方法中，只要有错帧出现，基站的发射功率都会有变化，这种变化充分考虑了计数器的记录，是根据计数器对错帧的累计记录来调整基站的当前发射功率，而可快速地跟上环境的变化，减少通话中的误帧数，减小出错的误帧率和将接收的误帧率维持在某一恒定值上；在功率下降的过程中，通过设置转折点K，可让调整步长有一个相反方向的变化，这样会在很短的时间内，将功率减小得很大，有利于提高收敛速度，即当无线链路迅速恢复时，能够很快的降低基站的前向发射功率，使总的前向发射功率最小。

本发明的方法可应用于CDMA2000系统中，经在图2所示的仿真系统上试验，能获得预期的效果，且利用CDMA2000系统现有的软件与硬件，是不难实现本发明的方法的。

Claims (9)

1.一种码分多址移动通信系统中前向链路功率控制的方法，其特征在于包括如下步骤：

A.设置一个初值为零的计数器，该计数器对接收的特定用户的误帧指示比特进行计数，计数值为N，N为正整数；

B.根据该计数器累计的计数值N及当前接收的帧质量对该特定用户的发射功率按变化的步长进行调整。

2.根据权利要求1所述的一种码分多址移动通信系统中前向链路功率控制的方法，其特征在于：所述的对接收的特定用户的误帧指示比特进行计数，是对接收的该特定用户的误帧指示比特为“1”的错帧标志进行计数。

3.根据权利要求1或2所述的一种码分多址移动通信系统中前向链路功率控制的方法，其特征在于：所述的根据该计数器累计的计数值及当前接收的帧质量对特定用户的发射功率按变化的调整步长进行调整，进一步包括：

设置一个功率调整单位步长U，U为自然数；

在接收的特定用户当前的误帧指示比特为“1”时，将当前发射功率的调整步长按与计数器累计的计数值N的幂次相关的值作上升调整，然后对计数器进行加1处理；

在接收的特定用户当前的误帧指示比特为“0”时，将当前发射功率的调整步长按与计数器累计的计数值N的幂次相关的值作下降调整，然后在计数器不为零时对计数器进行减1处理，在计数器为零时对计数器不作加1或减1处理。

4.根据权利要求3所述的一种码分多址移动通信系统中前向链路功率控制的方法，其特征在于：所述的将当前发射功率的调整步长按与计数器累计的计数值N的幂次相关的值作上升调整，其上升功率是按调整单位步长U除以以X为底的2乘计数器累计的计数值N的幂计算获得的，表示为U/(X^(2×N))。

5.根据权利要求4所述的一种码分多址移动通信系统中前向链路功率控制的方法，其特征在于：所述的X为2或3或4。

6.根据权利要求3所述的一种码分多址移动通信系统中前向链路功率控制的方法，其特征在于：所述的将当前发射功率的步长按与计数器累计的计数值N的幂次相关的值作下降调整，是将功率调整单位步长U除以以X为底的一正整数K与计数器累计的计数值N之差的绝对值的幂计算获得的，表示为U/(X^abs(K-N))。

7.根据权利要求6所述的一种码分多址移动通信系统中前向链路功率控制的方法，其特征在于：所述的X为2或3或4。

8.根据权利要求6所述的一种码分多址移动通信系统中前向链路功率控制的方法，其特征在于：所述的K是根据通信环境选取的，以K为7作为选取基准。

9.一种码分多址移动通信系统中前向链路功率控制的方法，其特征在于包括以下步骤：

A.基站接收由特定手机用户上报的其功率控制子信道中的误帧指示比特标志；

B.基站判断该误帧指示比特标志的状态，“1”为错帧，“0”为好帧；

C.若误帧指示比特标志为“1”，则根据计数器中累计的错帧数N将发射功率提高一个步长，功率上升的每一步按功率调整单位步长U，除以以2为底的2乘计数器累计的计数值N的幂计算，表示为U/(2^(2N))，然后对计数器加1后结束；

D.若误帧指示比特标志为“0”，则根据计数器中累计的错帧数N将发射功率下降一个步长，功率下降的每一步是按功率调整单位步长U除以以2为底的正整数K与计数器累计的计数值N之差的绝对值的幂计算，表示为U/(2^abs(K-N))，K是根据通信环境选取的转折点；

E.检查计数器，如果此时计数器不为零，则对计数器减1后结束，若此时计数器为零则直接结束，不对计数器作任何操作。

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