CN1157862C - 时分复用通信系统中的加权开环功率控制 - Google Patents

时分复用通信系统中的加权开环功率控制 Download PDF

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Abstract

本发明可以对扩频时分复用通信站内的发射功率电平进行控制。第一通信站(110)将通信发射到第二通信站(112)。第二通信站接收该通信并对其接收的功率电平进行测量。部分地根据接收的通信功率电平，确定路径损耗估计和长期路径损耗估计。还根据路径损耗估计与之后的发射时隙之间的时差确定路径损耗估计的质量。从第二通信站发射到第一通信站的通信的发射功率电平部分地基于根据估计质量对路径损耗估计和长期路径损耗估计进行加权后得到的值。

Description

时分复用通信系统中的加权开环功率控制
背景技术
本发明一般地涉及扩频时分复用(TDD)通信系统。更具体地说，本发明涉及在TDD通信系统内用于控制发射功率的一种系统和方法。
图1示出了无线扩频时分复用(TDD)通信系统。该系统具有多个基站301至307。各基站301与在其所运行的区域内的用户设备(UE)321至323进行通信。将从基站301发送到UE 321的通信称为下行链路通信，而将从UE 321发送到基站301的通信称为上行链路通信。
除了通过不同频谱进行通信之外，扩频TDD系统通过同一频谱可以进行多个通信。利用它们各自的片码序列(代码)识别多个信号。此外，为了更有效地利用扩频，如图2所示的TDD系统使用被划分为多个时隙361至36n的重复帧34，例如被划分为15个时隙的重复帧。在此系统中，利用选定的代码，在选定的361至36n时隙内发送通信。因此，一个帧34可以携带多个利用时隙361至36n和代码识别的通信。在单个时隙内使用的单个代码被称为资源单元。根据支持通信所要求的带宽，对该通信分配一个或多个资源单元。
大多数TDD系统适于对发射功率电平进行控制。在TDD系统内，许多通信可以共享同一个时隙和频谱。当UE 321或基站301正在接收某个通信时，使用相同时隙和频谱的所有其它通信会对此特定通信产生干扰。提高一个通信的发射功率电平会降低该时隙和频谱内的所有其它通信的信号质量。然而，将发射功率电平降低得太多会在接收机产生不良信噪比(SNR)和误码率(BER)。为了保持通信的信号质量并降低发射功率电平，所以采用发射功率控制。
在第5,056,109号美国专利(授予Gilhousen等人)中，公开了一种在码分多址(CDMA)通信系统内采用发射功率控制的方法。发射机将通信发送到特定接收机。接收之后，对所接收的信号功率进行测量。将接收信号功率与要求的接收信号功率进行比较。根据比较结果，将控制位发送到发射机或者将发射功率增加固定值或者减小固定值。由于接收机将控制发射机发射功率的控制信号发送到发射机，所以这种功率控制技术常被称为闭环控制技术。
在某些情况下，会降低闭环系统的性能。例如，如果在高动态环境下，例如由于UE 321运动导致的高动态环境，在UM 321与基站301之间发送通信，则这种系统不能以足够快的速度适应对这种变化进行补偿。典型TDD系统内闭环功率控制的更新速率为每秒100周，它不能满足快速衰落信道。
EPO 462 952 A公开了一种用于对在数字移动电话系统内在移动站与基站之间传送的信号的发射功率进行控制和调节的方法。为了确定发射功率电平，确定信号强度的平均值和信号发射质量的平均值。假定发射功率保持不变，根据这两个平均值，为后续周期内计算预期信号强度和信号质量。根据预期值对后续周期内的发射功率电平进行调节。
WO 98 45962 A公开了一种在卫星通信系统内用于控制移动终端发射功率电平的方法。此功率控制方法具有闭环单元和开环单元。对于闭环单元，根据从移动终端接收的信号强度，基站计算移动终端的功率设置。基站考虑了功率设置确定过程中卫星系统的传播延迟。对于开环单元，将在各帧内从基站接收的信号的强度与在先前帧内接收的信号的强度进行比较。与所观察的信号强度的变化成反比地对移动终端的发射功率进行调节。因此，需要可以保持信号质量和低发射功率电平的其它方法。因此，需要可以保持信号质量和低发射功率电平的其它方法。
发明内容
在扩频时分复用通信站内，利用本发明可以控制发射功率电平。第一通信站向第二通信站发送通信。第二通信站接收此通信并对其接收的功率电平进行测量。部分地根据接收的通信功率电平和通信发射功率电平，确定路径损耗估计。部分地根据加权路径损耗估计和长期路径损耗估计，设置从第二通信站发射到第一通信站的通信的发射功率电平。
附图的简要说明
图1示出了现有技术的TDD系统；
图2示出了TDD系统的重复帧内的各时隙；
图3示出了加权开环功率控制过程的流程图；
图4示出了采用加权开环功率控制方法的两个通信站的各部件的示意图；
图5示出了对于以每小时30公里(km/h)速度移动的UE采用加权开环功率控制系统、开环功率控制系统以及闭环功率控制系统的性能曲线图；
图6示出了对于以60km/h移动的UE上述三种系统的性能曲线图。
优选实施例的详细说明
以下将参考附图对优选实施例进行说明，在所有附图中相同的标号表示相同的部件。利用图3所示的流程图以及如图4所示的两个简化通信站110和112的各部件，对加权开环功率控制方法进行说明。为了进行后续讨论，将对其发射功率进行控制的通信站称为发射站112，而将接收受控功率通信的通信站称为接收站110。由于可以对上行链路通信、下行链路通信或两种通信采用加权开环功率控制，所以具有功率控制的发射机可以位于基站301、UE 321或位于基站301和UE321。因此，如果采用上行链路和下行链路功率控制，则接收站的部件和发射站的部件可以位于基站301和UE 321。为了估计接收站110与发射站112之间的路径损耗之用，接收站110将通信发送到发射站112。可以通过多个信道中的任何一个信道发送此通信。通常，在TDD系统中，将用于估计路径损耗的信道称为基准信道，但是也可以使用其它信道。如果接收站110为基站301，则优先通过下行链路公共信道或公共控制物理信道(CCPCH)发送此通信。
将待通过基准信道传送到发射站112的数据称为基准信道数据。基准信道数据由基准信道数据发生器56产生。根据通信带宽的要求，将基准数据分配到一个或多个资源单元。扩展与训练(tranining)序列插入装置58扩展基准信道数据并在适当时隙和分配资源单元的编码内使扩展基准数据与训练序列时分复用。将获得的序列称为通信短脉冲串。然后，利用放大器60对通信短脉冲串进行放大。求和装置62将放大的通信短脉冲串与通过诸如数据发生器50、扩展与训练序列插入装置52以及放大器54的各装置产生的任何其它通信短脉冲串相加。调制器64对合计的通信短脉冲串进行调制。在步骤38，调制信号通过隔离器66后被如图所示的天线78发射，或者通过天线阵列发射。发射的信号通过无线电信道80到达发射站112的天线82。对发射通信进行调制的方式可以是本领域技术人员公知的任何一种方式，例如直接相移键控(DPSK)或正交相移键控(QPSK)。
发射站112的天线82，或天线阵列接收各种射频信号。所接收的信号通过隔离器84到达解调器86以产生基带信号。在时隙内利用对通信短脉冲串分配合适的代码，例如利用信道估计装置88和数据估计装置90对基带信号进行处理。信道估计装置88通常利用基带信号内的训练序列分量提供信道信息，例如信道脉冲响应。信道信息被数据估计装置90和功率测量装置92使用。在步骤40，利用功率测量装置92对与基准信道对应的处理过的通信的功率电平RTS进行测量并发送到路径损耗估计装置94。信道估计装置88可以将基准信道从所有其它信道中分离出来。如果自动增益控制装置或放大器用于处理所接收的信号，则可以在功率测量装置92或者在路径损耗估计装置94对测量的功率电平进行调节以对这些装置的增益进行校正。
为了确定路径损耗L，发射站112还需要通信的发射功率电平TRS。可以将发射功率电平RRS与通信数据一起发送或在信令信道内进行发送。如果将功率电平TRS与通信数据一起发送，则数据估计装置90对功率电平进行译码，然后将译码后的功率电平发送到路径损耗估计装置94。如果接收站110为基站301，则优选通过广播信道(BCH)从基站301发送发射功率电平TRS。在步骤42，通过从所发送的以dB为单位的通信发射功率电平TRS中减去接收的以dB为单位的通信功率电平RTS，路径损耗估计装置94对接收站110与发射站112之间的路径损耗L进行估计。此外，在步骤44，对路径损耗的长期平均值L0进行更新。在某些情况下，接收站110不是发送发射功率电平TRS，而是发送发射功率电平的基准。在这种情况下，路径损耗估计装置94提供路径损耗的基准电平L和路径损耗的长期平均值L0。
由于TDD系统以同一频谱发送下行链路通信和上行链路通信，所以这些通信所经历的条件相似。将这种现象称为互易。因为互易，所以上行链路将承受下行链路所承受的路径损耗，同样下行链路将承受上行链路所承受的路径损耗。通过将估计的路径损耗与要求的接收功率电平相加，可以确定从发射站112发送到接收站110的通信的发射功率电平。这种功率控制技术被称为开环功率控制技术。
开环系统存在缺陷。如果在估计路径损耗与发射的通信之间存在时间延迟，则发射通信所承受的路径损耗会与所计算的路径损耗不同。在以不同时隙361至36n中发送通信的TDD系统中，接收通信与发射通信之间的时隙延迟会降低开环功率控制系统的性能。在步骤46，为了克服这些缺陷，加权开环功率控制器100内的质量测量装置96确定所估计的路径损耗的质量。在步骤48，质量测量装置96还对估计的路径损耗L和路径损耗的长期平均值L0进行加权以利用发射功率计算装置98设置发射功率电平。如图4所示，加权开环功率控制器100包括功率测量装置92、路径损耗估计装置94、质量测量装置96以及发射功率计算装置98。
以下是一种优选的加权开环功率控制算法。利用公式1确定发射站的以dB为单位的功率电平PTS。
  PTS＝PRS+α(L-L0)+L0+常数             公式1
PRS为以dB为单位的接收站110要求接收发射站的通信的功率电平。利用接收站110要求的SIR，SIRTARGET，和位于接收站110的干扰电平IRS确定PRS。
为了确定位于接收站的干扰电平IRS，利用解调器68对从发射站112接收的通信进行解调。例如利用信道估计装置70和数据估计装置72在时隙内并利用分配到发射站通信的合适的代码对得到的基带信号进行处理。干扰测量装置74利用信道估计装置70产生的信道信息确定干扰电平IRS。信道信息还可以用于控制接收站110的发射功率电平。将信道信息输入到数据估计装置72和发射功率计算装置76。数据估计装置72产生的数据估计和发射功率计算装置76的信道信息被用于对放大器54进行控制，放大器54控制接收站的发射功率电平。
利用公式2确定PRS。
  PRS＝SIRTARGET+IRS                 公式2
或者将IRS从接收站110发送到发射站112，或者将IRS从接收站110广播到发射站112。对于下行链路功率控制，在发射站112已知SIRTARGET。对于上行链路功率控制，将SIRTARGET从接收站110发送到发射站112。利用公式2，可以将公式1重写为公式3或公式4。
  PTS＝SIRTARGET+IRS+α(L-L0)+L0+常数      公式3
  PTS＝αL+(1-α)L0+IRS+SIRTARGET+常数     公式4
L为dB为单位的路径损耗估计，TRS-RTS对于估计路径损耗的最近时隙361至36n。路径损耗的长期平均值L0是路径损耗估计L的游动平均值。常数为校正项。常数对上行链路信道和下行链路信道之间的差值进行校正，例如对上行链路增益与下行链路增益之间的差值进行补偿。此外，如果发射接收站的发射功率基准电平，而非发射实际发射功率TRS，则常数可以提供校正。如果接收站为基站301，则优先利用层3信令发送常数。
质量测量装置96确定的加权值α是估计路径损耗质量的测量值，并优选根据最后路径损耗估计的时隙n与发射站112发射的通信的第一时隙之间的时隙361至36n的数进行测量。α的值在0至1之间。通常，如果时隙之间的时间差小，则最近路径损耗估计会十分准确并将α值设置为接近1。相反，如果此时间差大，则路径损耗估计就不准确，而且长期平均值路径损耗测量大概不会成为对路径损耗的较好估计。因此，将α设置为接近0。
公式5是一个用于确定α的公式，但是也可以采用其它公式。
  α＝1-(D-1)/Dmax                    公式5
D是最后一次路径损耗估计的时隙与发射通信的第一时隙之间的时隙361至36n的数目，可以将它称为时隙延迟。如果此延迟为一个时隙，则α为1。Dmax是最大可能延迟。具有15个时隙的帧的典型值是6。如果延迟为Dmax或更大，则α接近0。在步骤48，利用发射功率计算装置98确定的发射功率电平PTS，加权开环功率控制器100设置发射通信的发射功率。
数据发生器102产生将由发射站112发射的通信中发送的数据。在合适时隙内并利用分配资源单元的代码，扩展与训练序列插入装置104对通信数据进行扩展并与训练序列时分复用。放大器106对扩展信号进行放大并利用调制器108将它调制为射频信号。
加权开环功率控制器100控制放大器106的增益以获得通信的确定发射功率电平PTS。通信通过隔离器84，然后被天线82发射。
图5和图6所示的曲线图82、84示出采用公式4的加权开环系统的性能。公式5用于计算α。曲线图82、84示出了对用于控制发射站112的发射功率电平的加权开环系统、开环系统以及闭环系统的性能进行比较的模拟结果。此模拟给出这些系统在处于备用状况下的快速衰落信道内的性能。在此例中，接收站为基站301，发射站为UE 321。为了进行模拟，UE 321为移动站。所模拟的基站301使用两个天线分集进行接收，每个天线具有一个3指瑞克接收机。在存在附加高斯白噪声(AWGN)情况下，根据短脉冲串类型1字段的中大序列，此模拟可以近似估计真实信道和SIR。模拟过程采用国际电信联合会(ITU)普通B型信道和QPSK调制。假定明确知道干扰电平。不考虑信道编码方法。将常数和L0均设置为0dB。
对于各种功率控制技术，图5中的曲线图82示出了，利用以每小时30公里移动的UE 321，对于各种时隙延迟D保持1％BER所要求的所发射的复杂码元的以dB为单位的能量(Es/No)。如图所示，在较低时隙延迟情况下，加权开环和开环的性能优于闭环的性能。对于较高时隙延迟，加权开环的性能优于开环和闭环的性能。如图6的曲线图84所示，如果UE 321以60km/h的速度移动，会产生类似的结果。

Claims (20)

1.一种在扩频时分复用通信系统中控制发射功率电平的方法，所述扩频时分复用通信系统具有多个帧，帧中包括具有第一时隙及第二时隙的多个用于通信的时隙，第一通信站在第一时隙发射具有发射功率电平的第一通信(38)，第二通信站接收第一通信并对所接收的第一通信的功率电平进行测量(40)，部分地根据所测量的接收到的第一通信功率电平和第一通信发射功率电平，确定路径损耗估计(42)，该方法的特征在于：
部分地根据第一系数加权的路径损耗估计与利用第二系数加权的长期路径损耗估计的组合，设置在第二时隙从第二通信站发射到第一通信站的第二通信的发射功率电平(48)，其中第一系数和第二系数均为第一时隙与第二时隙之间的时隙延迟的函数。
2.根据权利要求1所述的方法，该方法的进一步特征在于：
至少部分地根据从第一通信站发送到第二通信站的通信的路径损耗估计平均值，确定长期路径损耗估计(42、44)。
3.根据权利要求1所述的方法，该方法的进一步特征在于：
部分地根据第一时隙与第二时隙之间的时隙数D确定路径损耗估计的质量α(46)；并且
其中第一系数为α，第二系数为1-α。
4.根据权利要求3所述的方法，该方法的进一步特征在于，最大时隙延迟为Dmax，并利用下式确定确定质量α：
α＝1-(D-1)/Dmax。
5.根据权利要求1所述的方法，该方法的进一步特征在于，所设定的发射功率电平对上行链路增益与下行链路增益之间的差值进行补偿。
6.根据权利要求1所述的方法，该方法的进一步特征在于，第一通信站为基站而第二通信站为用户设备。
7.根据权利要求1所述的方法，该方法的进一步特征在于，第一通信站为用户设备而第二通信站为基站。
8.一种具有第一通信站(110)和第二通信站(112)的扩频时分复用通信系统，该系统采用包括具有第一时隙及第二时隙的多个通信时隙的帧，在第一时隙内从第一通信站(110)发射具有发射功率电平的第一通信，第二通信站(112)接收第一通信并对所接收的第一通信的功率电平进行测量，部分地根据所测量的接收到的第一通信功率电平和第一通信发射功率电平确定路径损耗估计，该系统的特征在于：
第二通信站(112)，第二通信站包括：
用于部分地根据第一系数加权的路径损耗估计与利用第二系数加权的长期路径损耗估计的组合，设置在第二时隙内的第二通信的发射功率电平的装置(100)，其中第一系数和第二系数均为第一时隙与第二时隙之间的时隙延迟的函数；以及
用于以所设定的发射功率电平在第二时隙发射第二通信的装置(106)。
9.根据权利要求8所述的系统，该系统的进一步特征在于，第二通信站(112)进一步包括：
用于至少部分地根据从第一通信站发送到第二通信站的通信的路径损耗估计的平均值，确定长期路径损耗估计的装置(94)。
10.根据权利要求8所述的系统，该系统的进一步特征在于，第二通信站(112)进一步包括：
部分地根据第一时隙与第二时隙之间的时隙数D确定路径损耗估计的质量α的装置(96)；并且
其中第一系数为α，第二系数为1-α。
11根据权利要求10所述的系统，该系统的进一步特征在于，最大时隙延迟为Dmax，并根据下式确定确定质量α：
α＝1-(D-1)/Dmax。
12.根据权利要求8所述的系统，该系统的进一步特征在于设置装置(100)用于设定发射功率电平以对上行链路增益与下行链路增益之间的差值进行补偿。
13.根据权利要求8所述的系统，该系统的进一步特征在于第一通信站(110)为基站(30)而第二通信站(112)为用户设备(32)。
14.根据权利要求8所述的系统，该系统的进一步特征在于第一通信站(110)为用户设备(32)而第二通信站(112)为基站(30)。
15.一种在扩频时分复用通信系统中可以对其发射功率电平进行控制的通信站(112)，该系统采用包括具有第一时隙及第二时隙的多个通信时隙的帧并且具有用于在第一时隙内发射第一通信的第二通信站(110)，第二通信站包括：至少一个天线(82)，用于接收第一通信并在第二时隙内发射被放大的第二通信；信道估计装置(88)，具有被配置成接收所接收的第一通信的输入端用于产生信道信息；数据估计装置(90)，具有被配置成接收所接收的第一通信和信道信息的输入端用于产生译码数据；功率测量装置(92)，具有被配置成接收信道信息的输入端用于产生第一通信的接收功率电平的测量值；路径损耗估计装置(94)，具有被配置成接收所测量的接收到的功率电平的输入端并对所测量的接收到的功率电平与第一通信的发射功率电平进行比较用于产生第一通信的路径损耗估计，通信站(112)的特征在于：
质量测量装置(96)，用于至少部分地根据第一时隙与第二时隙之间的时隙延迟产生质量测量值；
发射功率计算装置(98)，具有被配置成接收路径损耗估计和质量测量值的输入端用于至少部分地根据第一系数加权的路径损耗估计与利用第二系数加权的长期路径损耗估计的组合产生功率控制信号，其中第一系数和第二系数均部分地基于质量测量值；以及
放大器(106)，具有被配置成接收功率控制信号和将在第二时隙发射的第二通信的输入端用于根据功率控制信号对第二通信进行放大以产生放大的第二通信。
16.根据权利要求15所述的通信站(112)，该通信站的进一步特征在于：
数据发生器(102)，用于产生通信数据；
扩展与训练序列插入装置(104)，具有被配置成接收通信数据的输入端用于在第二时隙产生第二通信；以及
调制器(108)，具有被配置成接收放大的第二通信的输入端用于在发射之前将放大的第二通信调制成射频信号。
17.根据权利要求15所述的通信站(112)，该通信站的进一步特征在于：
解调器(86)，具有被配置成接收所接收的第一通信的输入端用于产生基带信号；并且
其中信道估计装置和数据估计装置均具有被配置为接收基带信号的输入端。
18.根据权利要求15所述的通信站(112)，该通信站的进一步特征在于在0至1范围内进行质量测量并且第一系数为质量测量值而第二系数为1减质量测量值。
19.根据权利要求15所述的通信站(112)，该通信站的进一步特征在于第一通信站(112)为基站(30)而第二通信站(110)为用户设备(32)。
20.根据权利要求15所述的通信站，该通信站的进一步特征在于第一通信站(112)为用户设备(32)而第二通信站(110)为基站(30)。
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