CN1140077C - 无线多媒体cdma通信系统有效闭环功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明为无线多媒体CDMA通信系统有效闭环功率控制方法，具体流程为将各个用户的不同传输速率和不同QoS要求的多媒体业务分成不同的子业务流，经过本发明提出的、与现有协议不同的信道复接后，形成不同QoS要求子业务的闭环功率控制子信道，再对每个子业务流进行闭环功率控制。这样，在采用相关接收技术的多媒体CDMA移动通信系统中，采用基于本发明的不同QoS要求子业务的闭环功率控制，可以保证多媒体业务具有不同传输速率和不同QoS的要求，同时，最小化发射功率和对其它用户的干扰，增加系统容量。本发明能有效地对WCDMA移动通信中不同业务进行功率控制，以保证不同业务能达到不同的QoS要求，同时最小化发射功率和对其它用户的干扰。

Description

无线多媒体CDMA通信系统有效闭环功率控制方法

(一)技术领域：

本发明属于无线多媒体码分多址(CDMA)移动通信领域，尤其涉及有效闭环功率控制方法。

(二)背景技术：

未来无线移动通信系统将支持语音、数据、图像和视频等多媒体业务，由于CDMA通信系统具有大的系统容量，好的抗多径和抗干扰能力，可以方便地支持多媒体业务传输等特性，成为第三代移动通信的主要技术。频分多址和时分多址通信系统的容量是带宽受限的，而CDMA系统的容量则仅是干扰受限的，降低干扰可以直接增加CDMA移动通信系统的通信容量。在CDMA蜂窝移动通信系统中，由于频率重复利用，会形成蜂窝系统中小区间的干扰，位于小区边缘处的移动台将受到大的干扰，这种现象通常被称为“边缘问题”；由于无线信道的衰落和移动台与基站间的距离不同，基站接收到的强功率信号用户对弱功率信号用户造成很大的干扰，使弱功率信号用户的性能下降，甚至不能正常工作，这就被称为“远近效应”。

功率控制是采用相关接收技术的CDMA移动通信系统中克服“边缘问题”和“远近效应”，从而提高系统容量的有效方法。

此外，CDMA移动通信系统中通信链路的建立和用户所需的服务质量(QoS)的维护在很大程度上依赖于功率控制技术。

功率控制技术就是控制发射端的发射功率，减小小区间的干扰，补偿无线信道衰落，使得CDMA移动通信系统具有下列优点：

(1)功率消耗最小，延长移动台电池的寿命；

(2)降低干扰，最大化系统容量；

(3)保证通信链路要求的QoS以支持对QoS敏感的多媒体业务；

(4)提供服务区内不相等负载小区间的负载分流。

在只存在一种业务的无线移动通信系统中，所有业务具有相同的通信链路质量要求，因此，在单一业务的CDMA移动通信系统中采用了基于信噪比(SIR)平衡的功率控制方法，它是使所有通信链路达到相同的SIR，这样，系统可以达到最大可以达到的SIR，并且，它的收敛特性好。但它有以下问题：

(1)系统中各通信链路最终达到的SIR的值可能低于门限值；

(2)所有通信链路的SIR相同，这就意味着此通信系统不能使具有不同SIR要求的多媒体业务同时存在。

在无线多媒体移动通信系统中，存在着具有不同传输速率和不同SIR要求的业务，这就导致宽带多媒体CDMA移动通信系统中的功率控制将不同于窄带单一业务的CDMA系统中的功率控制，也就是说，对无线多媒体移动通信系统来说，其功率控制不仅是针对用户而言，还必须针对不同的业务进行。基于SIR平衡的功率控制方法不再适合于WCDMA蜂窝移动通信系统，因此，有必要寻找新的适合于WCDMA移动通信系统的功率控制方法。

无线多媒体移动通信系统中的功率控制是对物理信道进行的，应该考虑这样一个事实，尽管在WCDMA蜂窝移动通信系统中用户需要提供多媒体业务，但不可能为某一用户的每种业务提供一个专用物理信道，仍然是为每个用户提供一个专用物理信道。在目前的WCDMA协议中，闭环功率控制的周期是1500Hz，即每个时隙一次，为此，定义每个时隙为一个闭环功率控制子信道周期。也就是说闭环功率控制是对一个功率控制子信道进行的。以12.2kbps语音+64Kbps数据+3.4kbps信令为例，此用户不同QoS要求的子业务在经过信道复接后形成的10ms物理帧以及每个物理帧包含的闭环功率控制子信道如图1所示。

从图1我们可以看出，在一个闭环功率控制子信道中同时有3种不同的业务存在，而最小闭环功率控制单位是一个功率控制子信道的周期，即闭环功率控制是每个时隙进行一次的。这样，为了保证误码率(BER)要求小的业务的性能，在一个功率控制子信道中，发射功率的控制必须按BER要求最低的业务进行，这样，对BER要求不高(即BER可以比较高)的业务造成发射功率的浪费，同时，对其它用户的干扰也不必要地增加了，造成系统容量的下降。

为了能有效地对WCDMA移动通信中不同业务进行功率控制，以保证不同业务能达到不同的QoS要求，同时最小化发射功率和对其它用户的干扰，我们提出本发明的技术方案。

(三)发明内容：

我们将各个用户的不同传输速率和不同QoS要求的多媒体业务分成不同的子业务流，经过本发明提出的、与现有协议不同的信道复接后，形成不同QoS要求子业务的闭环功率控制子信道，再对每个子业务流进行闭环功率控制。这样，在采用相关接收技术的多媒体CDMA移动通信系统中，采用基于本发明的不同QoS要求子业务的闭环功率控制，可以保证多媒体业务具有不同传输速率和不同QoS的要求，同时，最小化发射功率和对其它用户的干扰，增加系统容量。

图2所示为基于不同QoS要求子业务功率控制子信道的多媒体CDMA移动通信系统中闭环功率控制方法流程图。

在发射端，首先将多媒体业务分成不同的信息流，如图2中的语音子业务、数据子业务等等，每个信息流都有其要求的QoS。对每个不同QoS要求的子业务分别进行不同的信道编码，再将编码后的各种业务的比特分别进行交织，交织的目的是提供时间分集增益，交织后的不同QoS要求的子业务再进行速率匹配，速率匹配的目的是将不同子业务的比特数适配成符合下一步进行物理信道复接要求的固定比特数。之后，对这些业务按不同的QoS要求进行优先级排队，需要实时传输的业务(例如：语音，video等)具有最高的优先级，其次是要求BER低的业务，它们的优先级仅次于实时业务，再其次是对BER要求不太高的业务，而时延不敏感的业务优先级最低，因为对时延不敏感的业务可以通过重传等其它方法来降低其BER，提高性能。将经过优先级排队后的不同QoS要求的子业务数据流进行信道复接(10ms物理帧形成)，将不同种类业务按优先级次序依次串接起来，形成连续的数据流进行传输。如果用户只有一种高优先级业务，例如，业务1具有高优先级，而业务2和业务3的优先级较低，并且这些业务的比特数量大时(大于1个10ms物理帧长)，我们将这些多媒体业务按优先级次序、按帧长(10ms)进行串接，这时，一个10ms物理帧中只有一种业务，如图3(a)所示，显然，这时，一个闭环功率控制子信道中只有一种业务。如果优先级高的业务有两个，业务1和业务2，并且这两种业务的比特数量都比较大时(大于1个10ms物理帧长)，就按图3(b)的方式进行串接，将两种业务以一个10ms物理帧为周期，交替串接、发送。在业务量不足一帧时，一帧中的不同QoS要求的子业务应按图3(c)所示的方法以时隙为单位串行连接以形成10ms物理帧。

进行上述三种信道复接后，就可以进行如图2所示的无线多媒体CDMA移动通信系统中上行链路的基于不同QoS业务闭环功率控制子信道的闭环功率控制。此闭环功率控制的过程下：

首先将多媒体业务按照要求的QoS分成不同的子业务流，将这些不同的子业务流分别进行信道编码、交织、速率匹配，再按照本发明所提出的信道复接方法形成不同QoS要求的功率控制子信道数据流，对这些数据流进行不同扩频因子的扩频，扩频因子SF的选择是这样的，另R_iSF_i＝R_jSF_j＝R_chip，其中R_i表示子业务i的速率，R_chip是系统规定的扩频码元速率，扩频后的数字信号经过数/模转换后送给功率放大单元，此功率放大器同时受控于闭环功率控制命令，经过闭环发射功率控制后的信号就通过天线发射出去。基站接收端接收到信号后，首先对接收信号进行匹配滤波，得到要解调用户的有用信号，CDMA移动通信系统中匹配滤波器的另一个作用就是可以将时延大于一个码元宽度的不同路径来的信号分离出来，将这些不同路径来的信号送给RAKE合并器进行相干合并后，可以提高接收端信号的接收SIR，从而提供系统性能。从RAKE合并器出来的信号要送给信道解复接器进行本发明提出的信道复接方法的反过程，从而将不同QoS要求的子业务分开，经过解信道复接后的两路不同QoS要求的子业务，一路送给去交织器进行去交织，再进行信道译码以恢复出发送的不同QoS要求的子业务流，另一路不同QoS要求的子业务数据流被送到SIR测量器，以便进行不同QoS要求子业务的接收SIR测量，将测量结果送给比较器，与目标SIR值进行比较，将比较结果送给闭环功率控制命令形成器，形成功率控制命令，如果比较结果是测量SIR>目标SIR，闭环功率控制命令形成器就输出“O”的功率控制命令，反之，则输出“1”的功率控制命令。此用于上行链路闭环功率控制的功率控制命令送给基站发送端的信道复接器，功率控制命令就按规定的格式插入了物理信道，上行物理信道经过基站发送端扩频后，送给基站发送端的模拟到数字信号转换模块，最后，此信号经过功率放大后发射出去。移动台接收端接收到信号后，首先对接收信号进行匹配滤波，得到要解调用户的有用信号，送给RAKE合并器进行相干合并。从RAKE合并器出来的信号要送给信道解复接器进行信道解复接，提取出上行链路功率控制比特后，送给移动台的可控功率放大器对用户的发射功率进行调整。至此，就完成了本发明提出的基于不同QoS业务功率控制子信道的有效的闭环发射功率控制过程。

进行上述的上行链路的基于不同QoS业务闭环功率控制予信道的闭环功率控制后，每一次发射功率的调整都只对一种业务进行，从而，可以在达到不同业务要求的QoS时，最小化发射功率。下面，就以计算机仿真的结果来说明本发明的有益效果：

我们假定  WCDMA蜂窝移动通信系统中有N个同信道小区，每个小区中有M_n(n＝1，2，...N)个多媒体终端，系统中共有Q个多媒体终端( $Q=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{M}_n$ )，每个多媒体终端最多可以提供K种业务。

为方便分析，我们用接收端的每比特信号能量与干扰之比( )来作为通信链路质量的衡量标准。采用了我们提出的功率控制子信道形成方法后，在一个闭环功率控制周期中，每个用户只提供K种业务中的一种，因此，在某一功率控制周期，对上行链路来说，基站接收到第n个小区中第m个用户的 为： ${\left(\frac{E_b}{I_o}\right)}_g\underset{\underset{\‾}{\‾}}{\mathrm{\Δ}}{\mathrm{\Γ}}_g^W\frac{G_{\mathrm{gn}}{p}_g}{\underset{j\≠g}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{G}_{\mathrm{jn}}{p}_j+\mathrm{\η}}\·\frac{B}{R_g}=\frac{p_g}{\underset{j=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{\mathrm{gj}}{p}_j+\mathrm{\η}/{\mathrm{SF}}_g{G}_{\mathrm{gn}}},n=\mathrm{1,2}...N$ 其中，g不是一个独立变量，它不仅与小区的编号有关，还与用户编号有关。

可以表示成： $g=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{M}_{i-1}+m,n=\mathrm{1,2},...,N,M_0=0.$ p_g是用户g的发射功率，B是系统带宽，R_g是某一功率控制周期用户g的传输速率G_gn是用户g与小区n中基站之间的链路增益，η是双边功率谱密度为 的加性高斯白噪声。

以上行链路为例，为了保证各用户要求的通信链路传输质量，在某一个功率控制周期，要求下式成立： ${\mathrm{\Γ}}_g^W\≥{\mathrm{\γ}}_g^W$ 式中，γ_g ^w是某一功率控制周期中用户g所要求的通信链路传输质量门限值。

为了方便书写，我们将(2)式写成如下的矩阵形式：

(I-γ^wW)P≥u这里，I是Q×Q的单位矩阵， ${\mathrm{\γ}}^W={({\mathrm{\γ}}_1^W,{\mathrm{\γ}}_2^W,...,{\mathrm{\γ}}_Q^W)}^T$ 是某一功率控制周期中各用户要求的通信链路传输质量门限值的列矢量，P=(p₁，p₂，...p_g)^T，P＞0是用户发射功率的列矢量， $u={(\frac{{\mathrm{\γ}}_1^W\mathrm{\η}}{{\mathrm{SF}}_1{G}_{11}},\frac{{\mathrm{\γ}}_2^W\mathrm{\η}}{{\mathrm{SF}}_2{G}_{21}},...\frac{{\mathrm{\γ}}_Q^W\mathrm{\η}}{{\mathrm{SF}}_0{G}_{\mathrm{ON}}})}^T$ 是归一化噪声功率的列矢量。

为了证明本发明的有益效果，我们进行了仿真；模拟条件如下：WCDMA移动通信系统的拓扑结构是蜂窝形的。N＝19，Q＝1900，每个小区中的用户数相同，用户在小区中均匀分布，系统中共有四种业务，它们的传输速率分别为8Kbps语音业务，64Kbps视频，32Kbps数据业务，128Kbps文件，数量的比例为4∶2∶2∶2。具体性能指标要求如表1所示。

                   表1模拟用的参数

我们用等效业务数来表示不同种类的业务，即速率为8Kbps的业务定义为摹本业务，64Kbps速率的业务等效为8个基本业务，依次类推。假定语音业务具有最鬲优先级，视频其次，其它两种业务是低优先级的，系统带宽为5MHz，且链路增益采用如下形式： $G_{\mathrm{gj}}=\frac{A_{\mathrm{gj}}}{d_{\mathrm{gj}}^{\mathrm{\ρ}}}$ 式中，A_gj是衰减因子，表示由衰落引起的功率波动，我们只考虑均值为0，方差为6dB的对数正态阴影衰落，d_gj是移动终端g和小区j中基站之间的距离，ρ表示传播损耗因子，我们取ρ＝4。经过100000次模拟，得到的模拟结果如图3和图4所示。

从图3中可以看出，用现有的功率控制子信道进行闭环功率控制时，得到的所有业务的平均误码率是相同的，并且，随着业务数量的增加而增加，达不到多媒体业务具有不同链路传输质量的要求，视频业务是具有高优先级的业务，其要求的传输质量必须得到满足，但在等效业务量大于156时，它要求的服务质量得不到满足。而采用本发明所提出的功率控制子信道进行闭环功率控制时，不同业务可以获得各自所需要的不同的平均误码率特性，即使在业务量大时(等效业务量大于200时)，优先级高的业务的平均误码率性能也能得到保证。由此可以说明，采用本发明所提出的功率控制子信道进行闭环功率控制时，可以最小化用户发射机的总功率，从而增加系统容量。

(四)附图说明：

图1是现有技术WCDMA标准中采用的信道复接示意图；

图2是本发明提出的基于不同QoS要求子业务闭环功率控制子信道的上行链路闭环功率控制方法流程图；

图3是用本发明提出的不同QoS要求子业务进行信道复接后形成不同QoS要求子业务闭环功率控制子信道的示意图；

图4是采用本发明提出的基于不同业务闭环功率控制子信道时进行闭环功率控制后的各种业务所能达到的性能图；

图5是采用现有技术WCDMA标准闭环功率控制子信道进行闭环功率控制后的各种业务所能达到的性能图。

(五)具体实施方式：

图2描述的是采用本发明的基于不同QoS要求子业务闭环功率控制子信道进行CDMA多媒体移动通信系统中反向链路闭环功率控制的实施图。我们把多媒体终端提供的业务分成多个信息流，每个信息流都有它自己的服务质量要求，再按照本发明提出的闭环功率控制子信道形成方法(图3)，形成帧长为10ms的物理信道。这样，在每个闭环功率控制子信道中只有一种业务，并且，不同QoS要求的业务不会出现在同一个闭环功率控制子信道中，就不会出现高BER要求的子业务发射功率浪费的现象，同时减小对其它用户的干扰，增加系统容量。

图中，101模块是用户端的信道编码器，它将多媒体终端来的不同QoS要求的子数据流进行不同的信道编码。102模块是用户端的交织器，它的作用就是将不同子业务的信源比特分散到不同的时间段中，以便出现深衰落或突发干扰时，来自信源比特中某一块的最重要的码位不会被同时干扰。103模块是速率匹配器，它的作用是将不同业务经过信道编码后的数据匹配成适合物理帧的比特数。104模块是10ms物理帧形成器，它按照本发明提出的如图3所示的功率控制子信道形成方法进行10ms物理帧形成。105模块是扩频模块，对不同业务的物理子信道进行不同扩频增益的扩频。扩频后的信号送给106模块，106模块是数字信号到模拟信号的转换器。107模块是可控功率放大器，受在上行链路闭环功率控制命令的控制调整其发射功率。108模块是用户端的发射天线。

用户发送的信号经过无线传播，达到基站接收端天线模块109模块。110模块为基站接收端的匹配滤波器模块，它的作用是对接收到的信号进行匹配滤波，得到需要的信号。111-1模块是用于数据解调的RAKE合并模块，它的作用是将多径信号进行合并，以提高接收端的信噪比。111-2模块是用于SIR测量的RAKE合并模块。112模块是信道解复接模块，它的作用是将不同的子业务按照与104模块所示的复接方法相反的操作将不同业务分开。113模块对解复接后的不同子业务信号分别进行解交织。114模块是SIR测量模块，它将以时隙为时间单位对RAKE合并和解复接后的不同子业务信号进行不同子业务的SIR测量，得到测量SIR。115模块是信道译码模块，它对解交织后的不同子业务信号进行译码后，就可以恢复出用户多媒体终端发送的信号。116模块是BER测量模块，基站根据测量到的各用户不同业务的BER，通过外环功率控制，给出闭环功率控制用的目标SIR值。117模块是一个比较器，它将目标SIR与测量得到的SIR进行比较，将比较结果送给118模块。118模块是闭环功率控制命令形成模块，如果比较结果是测量SIR＞目标SIR，119模块就输出“0”的功率控制命令，反之，则输出“1”的功率控制命令。此用于上行链路闭环功率控制的功率控制命令送给122模块，112模块是基站的10ms物理帧形成模块，功率控制命令按规定的格式插入物理信道。上行物理信道经过基站发送端扩频模块123模块扩频后，送给124模块。124模块是基站发送端的模拟到数字信号转换模块，作用同106模块。125模块是基站发送端的功率放大器，它将模拟信号进行功率放大后送给基站发射天线126，进行无线发射。127模块是用户端的接收天线，128模块是移动台接收端匹配滤波器。129模块是移动台接收端的RAKE合并模块。这两个模块的作用与110模块和111模块的作用类似。130模块是移动台中信道解复接模块，此模块的作用是将不同QoS要求的子业务分开来。131模块是移动台中上行链路功率控制比特提取模块，此模块的作用是提取出基站发送的规定位置上的功率控制比特，并将提取出的功率控制比特送给107模块，进行移动台闭环发射功率调整。至此，就完成了CDMA多媒体移动通信系统中上行链路的闭环功率控制过程。

Claims (5)

1.无线多媒体CDMA通信系统有效闭环功率控制方法，其特征在于按以下步骤进行：将多媒体业务分成不同Q_oS要求的子数据流，对每个不同Q_oS要求的子业务分别进行不同的信道编码，再将编码后的各种业务的比特分别进行交织，交织后的不同Q_oS要求的子业务再分别进行速率匹配，对这些经过速率匹配后的子业务按不同的Q_oS进行优先级排队，形成不同Q_oS要求的功率控制子信道，然后，进行有效的闭环发射功率控制。

2.如权利要求1所述的无线多媒体CDMA通信系统有效闭环功率控制方法，其特征在于将不同Q_oS要求的子业务进行优先级排队，对需要实时传输的业务具有最高的优先级，其次是要求BER低的业务，它们的优先级仅次于实时业务，再其次是对BER要求不太高的业务，而时延不敏感的业务优先级最低。

3.如权利要求2所述的无线多媒体CDMA通信系统有效闭环功率控制方法，其特征在于将不同Q_oS要求的子业务进行优先级排队后，将不同种类业务按时间顺序依优先级次序串接进行信道复接，形成不同Q_oS要求的子业务数据流。

4.如权利要求1所述的无线多媒体CDMA通信系统有效闭环功率控制方法，其特征在于将不同Q_oS要求的子业务分别进行不同扩频因子的扩频，扩频因子选择的原则为R_iSF₁＝R_jSF_j＝R_chip，其中R_i表示子业务i的速率，R_chip是系统规定的扩频码元速率。

5.如权利要求1所述的无线多媒体CDMA通信系统有效闭环功率控制方法，特征在于在每个闭环功率控制子信道中只有一种业务。

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