CN1154275C - 码分多址通信系统的功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种码分多址(CDMA)通信系统的功率控制方法，包括：规划无线小区时，进行将信道功率衰落定量表示的功率衰落指数与功率控制步长对应关系的定标；功率控制时，接收端测量信道的功率衰落指数，根据所述功率控制步长进行量化，得到本次的功率调整值，并通过功率控制命令发送到发射端，调整发射端的发射功率。本发明利用导频信号或导频信号和业务数据相结合，采用自适应信道估计器或信道衰落指数估算器等得到信道的平均功率衰落指数，对其进行整数量化后作为远地发射功率的调整值。

Description

码分多址通信系统的功率控制方法

技术领域

本发明涉及码分多址(CDMA)移动通信系统中功率控制应用技术领域，特别涉及一种基于信道衰落特性直接测量的功率控制方法。

背景技术

功率控制技术是CDMA移动通信系统的关键技术，其目的是为了克服远近效应、角效应、阴影效应等，使系统既能维持高质量通信，又不对占用同一信道的其它用户产生不应有的干扰，有效地克服和抑制系统的多址干扰，提高CDMA系统的性能和容量。

现有CDMA系统的功率控制方法从功控环路的类型来划分，可以分为开环功率控制和闭环功率控制。开环功率控制主要用来补偿诸如阴影效应、路径损耗以及地形地势引起的慢衰落，由移动台(或基站)根据下行链路(或上行链路)所接收的信号强度估算传播路径损耗，并调整基站(或移动台)的发射功率。接收的信号越强，基站(或移动台)的发射功率就越小，反之亦然。然而在CDMA/FDD的系统中，为了防止工作的发射机产生的泄漏信号或干扰信号进入接收机，上、下行链路信号具有一定的频率间隔，以保证两条链路的多径衰落成为相互独立的过程。这意味着接收端难以根据接收链路的传输损耗直接测量出发射链路的传输损耗，而在开环功率控制中假设该损耗与发射链路时完全相同，必然导致开环功率控制是不精确的。为保证移动台接收信号能对不相关的瑞利衰落进行正确的控制，要求移动台发射功率还需受基站信号的控制，即还应进行闭环功率控制。

闭环功率控制的执行主要是用来补偿快衰落，是由移动台根据基站发送的传输功率控制(TPC)命令调节移动台发射功率的过程。闭环功率控制又可以分为内环功率控制和外环功率控制，内环功率控制是对RAKE合并后的信号进行信号干扰比(SIR)测量，如果SIR的测量值大于SIR的参考门限值，则产生使基站发射功率下降的TPC信号。反之，如果SIR的测量值小于SIR的参考门限值，TPC信号将通知基站的发射功率上升；外环功率控制是根据接收信号的质量信息或误帧率修改内环功率控制的SIR门限值，如果是正确的质量信息，要求降低SIR的门限值，否则，增加SIR的门限值。

目前的功率控制方法是开环控制和闭环控制相结合的方法。开环功率控制应用于接入的时候。闭环的外环根据接收信号的误块率来计算需要的发射功率，闭环的内环根据计算出来的发射功率期望值和测量接收到的导频信号的信干比(SIR)来计算出调整值，并发出控制指令。

由此可见，现有技术中的功率控制方法着重于信干比(SIR)等间接反映信道衰落特性的物理量的测量，它的缺点是有明显的被动性和延迟。SIR测量值只反映当前的信道衰落，无记忆性。无法得到一段观察时间内的信道衰落情况，同时也难以预测将来的信道衰落情况。而且当前时隙的SIR测量结果要在1、2个时隙之后才会起作用，有明显的迟滞效应。因此，现有的功率控制方法不能准确反映信道衰落特性的在一段观察时间内的变化趋势。而移动通信信道的衰落是动态的，衰落深度是变化的，而且衰落的周期和衰落的持续时间也是变化的。

另外，功率控制在扩频通信网络中更多的表现为一种策略。在一个小区内，无线传播环境是时刻变化的，有快速变化也有慢速变化。更多的时候是一种混合的、动态变化的衰落环境。很难找到一组功率控制的参数(步长、TPC控制频率、TPC合并的策略、发射功率控制范围等)适应一个小区内的所有传播路径。现有的功率控制方法为了适应小区内多变的传播环境，需要在小区规划时构造比较复杂的控制策略表。由于控制策略表的很多表项是通过间接测量量联系起来，查询和使用这些策略都有一定的盲目性。功率控制参数的比较、选择很频繁，实现方法复杂，控制效率低。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种基于信道衰落特性直接测量的CDMA系统的功率控制方法，以提高功率控制对传播环境的适应性，提高功率控制的准确性、预测性、长期稳健性和效率。

本发明一种码分多址(CDMA)通信系统的功率控制方法，至少包括以下步骤：

无线小区规划时，进行将信道传输功率衰落定量表示的功率衰落指数与功率控制步长对应关系的定标；

功率控制时，接收端首先在一段观察窗口内测量传输信道的平均功率衰落指数，然后根据所述功率控制步长进行量化，得到本次的功率调整值，并通过功率控制命令发送到发射端，调整发射端的发射功率；

该窗口长度的确定是根据分析、仿真和现场测量相结合的方法得到最佳值。

根据上述本发明技术方案，所述的接收端测量信道的平均功率衰落指数是采用自适应信道估计器测量，具体包括：

(a)对接收到的解调解扩后的导频符号进行采样，作为自适应信道估计器的输入信号；

(b)将本地已知导频符号进行采样，作为自适应信道估计器的期望信号；

(c)调整自适应横向滤波器的权向量，使所述期望信号与所述输入信号间的均方误差最小；

(d)对自适应横向滤波器权向量的所有分量求平方和，得到信道的瞬时功率衰落指数；

(e)在所述的观察窗口长度内，对所有的瞬时功率衰落指数求平均值，从而得到信道传输的平均功率衰落指数。

根据上述本发明技术方案，所述的接收端测量信道的平均功率衰落指数是采用自适应信道估计器测量，具体包括：

(a)对接收信号进行解调解扩，对得到的导频符号和业务数据符号分别进行采样，作为自适应信道估计器的输入信号；

(b)将本地已知导频符号和经符号判决的业务数据符号进行采样，作为自适应信道估计的期望信号；

(c)调整自适应横向滤波器的权向量，使所述期望信号与所述输入信号间的均方误差最小；

(d)对自适应横向滤波器权向量的所有分量求平方和，得到信道的瞬时功率衰落指数；

(e)在所述的观察窗口长度内，对所有的瞬时功率衰落指数求平均值，从而得到信道传输的平均功率衰落指数。

上述的步骤(c)可采用最小均方误差(Minimum Mean Square Error)算法实现。

根据上述本发明技术方案，所述的接收端测量信道的平均功率衰落指数还可是采用信道衰落指数估算器测量，具体包括：

(a)对接收信号进行解调解扩，将得到的信号在所述观察窗口长度内求功率的平均值，得到接收信号平均功率；

(b)对本地已知的发射信号进行采样，将得到的信号在所述观察窗口长度内求功率的平均值，得到发射信号平均功率；

(c)用发射信号平均功率除以接收信号平均功率，得到信道传输的平均功率衰落指数。

上述的根据功率控制步长进行量化是将测量得到的信道功率衰落指数向下取整数量化。

信道传输的功率衰落指数是表征进入信道前的发射信号和进入接收机的接收信号之间差别的物理量。本发明利用导频序列或导频序列与业务数据相结合，直接测量反映信道传输衰落特性的功率衰落指数，根据信道的衰落特性进行功率控制的反校正。应用于闭环功率控制。主要有益效果有：

1、根据信道的衰落特性直接进行功率控制补偿，而不是根据误块率或信号质量等间接指标来控制，控制准确、迅速。

2、实现简单，只在物理层实现，不涉及其他协议层的变化，而且适合于WCDMA、TDD、TD-SCDMA等制式物理层帧格式的协议要求。

3、在导频序列比较短的情况下，例如每时隙只有一个导频符号，也能正常工作。

4、功率控制算法的稳健性好，能够适应比较复杂的小区传播环境，不用复杂的TPC指令合并策略。

附图说明

图1为本发明的自适应信道估计器的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细的说明。

本发明的技术可以应用于所有有导频序列信号并且需要功率控制的移动通信系统。下面以采用WCDMA FDD标准的移动通信的下行链路专用信道的功率控制为例对本发明进行详细的说明。

在WCDMA FDD标准的下行链路专用信道的信号格式中，每时隙包含的导频符号数是1～8个。当导频符号数少时，仅采用导频符号进行自适应信道估计是不够的，还必须考虑应用业务数据符号。假设有足够的导频符号，当然，导频符号和业务数据符号一起进行自适应信道估计的原理和过程也是一样的。

利用信道功率衰落特性来进行反校正。把信道功率衰落的定量表示称为功率衰落指数，功率衰落指数与信道的功率衰落成正比例关系。

功率调整是阶梯样的调整过程，每阶之间的差值称为功率控制的步长。假设步长是1dB。那么1dB对应衰落指数的范围是多少，也即衰落指数变化多少对应发射功率控制应该变化1dB，这个过程称为定标的过程。定标在小区规划的时候做。不同的小区1dB的衰落指数可以不同。同一个小区1dB的标定值也可以有几个值。具体在功率控制的时候选哪个标定值由小区的功率控制策略决定。功率控制策略表现为若干系统参数。

定标过程完成后，就可以按照衰落指数进行功率控制。下面叙述如何根据自适应信道估计得到信道的衰落指数。

在自适应信道估计的时候选用Normalized-LMS(Least Mean Square)算法。自适应信道估计采用自适应横向滤波器，滤波器的长度是L。发射机侧的导频信号的1个符号周期内的N个采样如下式所示：

d(k)＝β_kP_k，k＝0，1，…，N-1          (1)

其中β_k是第k个时刻的发射信号的幅度，P_k代表第k个采样时刻的导频信号。发射机的导频方案接收机是已知的，所以P_k已知。在接入过程完成的时候，转入闭环功率控制前的发射功率是已知的，称之为P_init。进入闭环功率控制后，TPC命令是由本地接收机发出的。从闭环功率控制开始到第k个时刻的功率变化值称为△P。所以第k个时刻的远地发射功率是P_init＋△P。进而可以知道远地发射信号的幅度β_k。发射机侧的导频信息在接收机侧是已知的，因此可以在接收机侧产生作为自适应算法的期望信号。

因为自适应横向滤波器具有低通特性，误码率很小的业务数据也可以作为本地期望信号，而不会使自适应滤波器发散或者振荡。利用业务数据生成本地期望信号的时候，同样的道理，可以知道远地发射信号的幅度β_k。P_k就是接收到的业务数据的符号判决结果在码片级的采样值。

因为LMS算法基于最小均方误差(Minimum Mean Square Error)准则，代价函数如下：

其中W(k)＝(w₁，w₂，…w_L)^T是自适应横向滤波器第k个采样时刻的权向量。是接收的导频符号或业务数据符号在第k个采样时刻的估计值，定义如下：

其中x(t)代表接收到扩频后的码片级的导频信号或业务数据信号，a(t)是基带扩频码信号。接收的信号在码片的匹配滤波之后以码片速率进行采样就是 T_b是解扩后的符号周期。

自适应横向滤波器权向量的调整是通过Normalized-LMS算法来实现的：

$w(k+1)=w\left(k\right)+\frac{\mathrm{\μ}}{\left|\right|r\left(k\right)|{|}^2}[r\left(k\right){]}^{*}e\left(k\right)----\left(4\right)$

其中μ是收敛步长。Normalized-LMS算法的收敛域是0＜μ＜2。r(k)代表采用LMS算法的横向滤波器第k个采样时刻的输入向量，参见附图1所示，r(k)＝{x(k)，x(k-1)，…，x(k-L+1))。

e(k)是第k采样时刻期望响应和接收机估计值之间的误差，也就是

其中，d(k)是期望响应，是导频信号或正确率较高的业务数据符号的码片级过采样，在接收侧是已知的。对于解调后正确率很高的业务数据也可以视为接收侧已知。

上述的过采样信号在符号数够多时，也可以是符号级采样信号。

信道衰落指数的测量可以按照上述的自适应方法进行，也可以采用其他方法。例如，首先对接收信号进行解扩解调，将得到的接收信号在一段观察窗口内求功率的平均值，作为信道衰落指数估算器的一个输入信号；其次对本地已知的发射信号进行采样，将得到的接收信号在一段观察窗口内求功率的平均值，作为信道衰落指数估算器的另一个输入信号；最后用发射信号平均功率除以接收信号平均功率，从而得到信道的平均功率衰落指数。

下面叙述如何利用信道衰落指数进行功率控制。

如果信道是无衰落信道，则期望响应等于接收机的估计值，它们之间的误差为零，自适应横向滤波器的权向量所有分量的平方和，即L个权向量的范数的平方等于1。然而由于实际信道是非理想的，存在有信道衰落，自适应过程的最终结果是使远地发射信号的功率等于自适应横向滤波器的输出功率。自适应横向滤波器的输入信号功率和输出信号功率的差别是由信道衰落引起的。假设自适应滤波器第k时刻的输入信号功率是1，则信道的瞬时衰落指数f＝||w(k)||²。w(k)代表第k时刻的自适应滤波器权向量。

为了提高功率衰落指数测量值的准确性，降低测量值的噪声，可以根据一段观察时间内瞬时衰落指数的平均值得到平均衰落指数。参加平均的数值共m个，则有

$\stackrel{\‾}{f}=\frac{1}{m}\underset{i=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i$

不同信道下m的最佳取值可以根据仿真和现场测量确定，一个可选的范围是4～512。对 f来说， f＝1表示信道无衰落， f＞1表示信道有衰落， f＜1表示信道的暂态功率高于远地发射功率。

接下来进行功率补偿，假设定标结果是平均衰落指数增大n代表信号功率衰落了1dB，则相应的应该补偿

具体到TPC命令来说，

表示远地发射功率不需要调整， 是小于0的负整数，则通过TPC命令远地发射功率减小

是大于0的正整数，则通过TPC命令远地发射功率增大

综上所述，本发明的技术方案包括以下步骤：

(1)在小区规划的时候确定本小区信号衰落指数对应的功率控制调整的步长，这个过程称为定标。信号衰落指数是信号功率衰落幅度或其平均值。

(2)首先判断出导频序列的时序位置，利用导频序列进行信道估计。信道估计采用自适应滤波器，自适应的准则采用最小均方误差准则。如果导频序列太短，并且业务数据误码率比较低的情况下，则可以利用业务数据和导频序列一起进行信道估计。

(3)根据系统制订的功率控制策略，如果需要，由自适应信道估计滤波器的输出序列，求信道平均功率衰落指数。

(4)利用平均信道衰落指数，根据功率调整的步长进行量化，得到本次计算的功率调整值。

(5)通过功率控制命令发送到发射端，发射端调整发射功率。

幅度衰落平均值的计算频率及按照无线传播信道幅度衰落的每次计算结果进行功率控制或按照无线信道的幅度衰落的平均值进行功率控制，按照小区规划时制订的功率控制策略进行。

自适应信道估计可以视为对无线传播信道建模。自适应建模方法比固定系数的滤波器准确，能够反映信道衰落的动态变化。另一方面，自适应滤波器的低通滤波特性和输出序列之间的记忆性和相关性，能够反映信道衰落的趋势和时间域的连续性，提高功率控制的预测性和长期稳健性。功率控制就是为了补偿信道衰落。基于自适应信道估计的功率控制算法应该比利用信干比(SIR)等间接指标进行功率控制准确，而且适应信道的变化。间接的信号质量指标看不到信道的衰落趋势，控制策略很被动。基于自适应信道估计的功率控制方法应用于闭环控制，只在无线空中接口物理层实现，准确简单，易于应用。

Claims (6)

1、一种码分多址(CDMA)通信系统的功率控制方法，其特征在于该方法至少包括以下步骤：

无线小区规划时，进行将信道传输功率衰落定量表示的功率衰落指数与功率控制步长对应关系的定标；

功率控制时，接收端首先在一段观察窗口内测量传输信道的平均功率衰落指数，然后根据所述功率控制步长进行量化，得到本次的功率调整值，并通过功率控制命令发送到发射端，调整发射端的发射功率；

该窗口长度的确定是根据分析、仿真和现场测量相结合的方法得到最佳值。

2、根据权利要求1所述的功率控制方法，其特征在于所述的接收端测量信道的平均功率衰落指数是采用自适应信道估计器测量，具体包括：

(a)对接收到的解调解扩后的导频符号进行采样，作为自适应信道估计器的输入信号；

(b)将本地已知导频符号进行采样，作为自适应信道估计器的期望信号；

(c)调整自适应横向滤波器的权向量，使所述期望信号与所述输入信号间的均方误差最小；

(d)对自适应横向滤波器权向量的所有分量求平方和，得到信道的瞬时功率衰落指数；

(e)在所述的观察窗口长度内，对所有的瞬时功率衰落指数求平均值，从而得到信道传输的平均功率衰落指数。

3、根据权利要求1所述的功率控制方法，其特征在于所述的接收端测量信道的平均功率衰落指数是采用自适应信道估计器测量，具体包括：

(a)对接收信号进行解调解扩，对得到的导频符号和业务数据符号分别进行采样，作为自适应信道估计器的输入信号；

(b)将本地已知导频符号和经符号判决的业务数据符号进行采样，作为自适应信道估计的期望信号；

(c)调整自适应横向滤波器的权向量，使所述期望信号与所述输入信号间的均方误差最小；

(d)对自适应横向滤波器权向量的所有分量求平方和，得到信道的瞬时功率衰落指数；

(e)在所述的观察窗口长度内，对所有的瞬时功率衰落指数求平均值，从而得到信道传输的平均功率衰落指数。

4、根据权利要求1所述的功率控制方法，其特征在于所述的接收端测量信道的平均功率衰落指数是采用信道衰落指数估算器测量，具体包括：

(a)对接收信号进行解调解扩，将得到的信号在所述观察窗口长度内求功率的平均值，得到接收信号平均功率；

(b)对本地已知的发射信号进行采样，将得到的信号在所述观察窗口长度内求功率的平均值，得到发射信号平均功率；

(c)用发射信号平均功率除以接收信号平均功率，得到信道传输的平均功率衰落指数。

5、根据权利要求2或3所述的功率控制方法，其特征在于所述的步骤(c)采用最小均方误差(Minimum Mean Square Error)算法实现。

6、根据权利要求1所述的功率控制方法，其特征在于所述的根据功率控制步长进行量化是将测量得到的信道功率衰落指数向下取整数量化。

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