CN1177417C

CN1177417C - 改进码分多址中的信道自适应快速功率控制

Info

Publication number: CN1177417C
Application number: CNB001064258A
Authority: CN
Inventors: 保罗·布内
Original assignee: Alcatel NV
Current assignee: Alcatel Lucent NV
Priority date: 1999-04-12
Filing date: 2000-04-06
Publication date: 2004-11-24
Anticipated expiration: 2020-04-06
Also published as: DE69900975D1; US6760320B1; DE69900975T2; CN1270459A; EP1045530A1; EP1045530B1; ES2173716T3

Abstract

本发明涉及一个信道自适应功率控制的方法。根据本发明，这个方法采用任意大的一组的不同的TPC算法(TPCAs)，可以按照一种信道自适应方式控制发射功率。每个TPCA应当与一个特定类型的信道特性很好地适应。当这个TPCA组包含信道特性的最大可能范围时就运行得更好。在任何时间，发射功率由从这个算法组里选择的一些算法来控制，这些算法对这些实际的信道特性是最好的。

Description

改进码分多址中的信道自适应快速功率控制

技术领域

本发明的领域是数字无线电通信。更精确地说，本发明涉及在采取闭环功率控制方案的数字式CDMA无线电发射系统中的信道自适应功率控制方法，涉及CDMA收发信装置和数字CDMA无线电通信系统。

背景技术

功率控制方法应用于调整一个基站中的一个发射机的发射功率，或用于在一个移动站中，分别地根据这个移动站通过无线电信道与移动站的对方通信收到的信息，分别地调整移动站中的一个发射机的发射功率。

在CDMA系统中，所有的信道源都同时地分配给所有的用户。一方面，必须适当地补偿“近-远端(Near-far)”效应，使所有与这个基站通信的移动站，不论它们到基站的距离如何，它们对于在这个基站收到的总的信号有几乎同样的贡献。另一方面，这个移动无线电信道有一个宽带动态频段。这些特性直接和移动用户的性质有关，并且通常受到无线电链路的多普勒(Doppler)衰落效应和瑞利(Rayleigh)衰落效应的影响。曾经采用一些相应的措施，以避免相对于干扰来说由于信号已经被过分的衰减造成的连接退化或损耗。

在这种条件下，需要一个快速而准确的功率控制，以保证向用户提供适当水平的传输质量。同时功率控制使系统中的通信密度的水平达到最大。对于上行链路，如果基站对每个连接的移动站测量出的信号-干扰比率(SIR)尽可能接近以目标的信号-干扰比率(SIR_target)，就能够做到这样。

在已有的技术中，在例如“CDMA-Principles of Spread SpectrumCommunication(CDMA-扩展频谱通信原理)”Andrew J.Viterbi1998，Addison-Wesley，182-183页，用一个开环或闭环功率控制方案实现上行链路的功率控制。

在这个开环控制方案中，一个移动站跟踪这个基站在接收和发射业务量时发送的一个导频信号。这个导频信号的功率水平与SIR_target值有关并且是这个移动站已知的。于是下行链路路径损失就可以随时估计出来。假定在物理上，信道是完全对称的，这个下行路径损失也就是上行路径损失，并且这个移动站可以随时得出它必需使用的恰当的发射功率。

一个闭环功率控制考虑传输损失的动态部分是不对称的，因为瑞利(Rayleigh)衰落受载频的影响很大，它可能在这两个方向上有很大的差别。在这种情况，发射的功率是根据在接收方的基站或移动站周期地测量来确定。这些测量可以估计被接收方的基站或移动站周期地测量来确定。这些测量可以估计被接收信号的SIR。在UMTS W-CDMA，ETSI XX.03，1.0.0版(Dec.1998)，适用于上行链路的Section 5.2.1(Page 6)，适用于下行链路的Section5.3.1(Page 9)，其中规定每0.625ms时隙做一次SIR取样。这个接收站把估计出SIR与SIR_target比较然后根据一个算法产生一个发射功率控制(TPC)命令指出对方的站应当把它现在的功率提高或降低的程度。这个TPC命令通过一个信令信道传送回对方的站。这个对方的站按照TPC命令指出的方法改变它的发送功率。按照UMTS W-CDMA的规定，TPC命令的产生也是每0.625ms时隙做一次。

在已有的技术中，用一个所谓“乒乓(bang-bang)”算法产生TPC命令。这是在UMTS W-CDMA，ETSI XX.07，1.0.0版(Dec.1998)，适用于上行链路的Section 4.1.1(page 5)，适用于下行链路的Section 4.2.1(page 6)，中规定的。在每个取样实刻，简单地把估计出的SIR与SIR_target比较，并且产生一个二进制值，如果SIR_target-SIRestimated(SIR目标-SIR估计)差的符号是正的，这个值等于“向上(up)”，如果这个差的符号是负的，这个值等于“降”。改变这个发射功率的方法是量化的：固定一个发射功率价值(TPS)。在接收到这个TPC消息后，这个移动站把值“向下”转换成指示“把发射功率减少TPS dB(分贝)”和把值“向上”转换成指示“把发射功率增加TPS dB”。

闭环功率控制和“乒乓”算法结合，特别是在市区的环境中，它的缺点就表现出来了。在市区中，移动信道衰减变化显得这么快，以致由于环路形成的延迟，包括在基站中的测量，TPC命令的产生，它向移动站的传输和发送基功率的调整，造成一个明显的可能性，即，这个TPC命令在这个移动站的这个发射机的这个命令的接收点可能已经无效。也就是如果基站认为被接收的功率过高，因此为了使这个移动站减少它的发射功率而产生一个TPC命令“向下”。当这个TPC命令到达这个移动站中的发射机时，连接这个基站和这个移动站之间的无线电信道衰减，可能已经增加到这样的程度，使这个SIR在这个TPC发生作用之前就已降低到SIR_target以下，临到这个TPC发生作用时，它实际上是使这个SIR更加偏离它的目标值，而不是降低功率误差。

这些效果使CDMA中的潜在用户容量大为减少。为了降低这些作用，预测性的算法或许是有益的，但却是不够充分的。事实上这些预测性算法可能对某一类型的信道特性能很好地适应，但是对其它类型的信道特性，它们的预测性可能与实际表现的值有相当大的偏差。

发明内容

本发明的一个目标就是提供一个改进功率控制的方法，使它能够以一个信道自适应的方式控制发射功率。

本发明的目标通过在采取闭环功率控制方案的数字式CDMA无线电发射系统中由一个部件根据一种操作算法控制发射功率的方法来实现，其中这种算法根据信道的特性产生命令以调整发射的功率，该方法包括以下步骤：

-处理至少另一个与上述操作算法有差别的与之竞争的算法；

-根据一个普遍的质量准则评估所有上述算法的性能；

-如果上述与之竞争的诸算法中的某一个的性能更好，就用它代替当前的操作算法。

本发明的目标还通过一种基于CDMA的数字无线通信系统来实现，其中该系统包含至少一个发射机，至少一个接收机和一个控制发射功率的装置，其中控制发射功能的装置包括：

-一个测量和处理信道信号的估计部件(41)；

-一个提供纯信道信息的重构部件(42)；

-一个由n个竞争的算法组成的、产生发射功率控制命令的操作部件(43)；

-n个计算所述n个竞争的算法的仿真部件(441…44n)；

-一个根据普遍的质量准则从所述n个竞争算法中激活其中一个算法的选择部件(45)。

本发明的目标还通过一个用在CDMA的数字无线通信信道中的收发信机来实现，该收发信机包含一个控制发射功率的控制电路(4)，该控制电路包括：

-一个测量和处理信道信号的估计部件(41)；

-一个提供纯信道信息的重构部件(42)；

-n个计算所述n个竞争的算法的仿真部件(441…44n)；

本发明的特性提供由各种需用的TPC算法(TPCAs)组成的一个任意大的集。每个TPCA应当与一个特定类型的信道特性很好地适应。这个TPCA集当它包含信道特性的最大可能范围时就运行得更好。在任何时间，发射功率由从这个算法集里选择的一些算法来控制，这些算法对这些实际的信道特性是最好的。这个方法具有在合适的时间采用合适的算法的优点。

本发明的其它优点可以从说明书的具体实施方式中看出。

特别是使用一个第一和第二阈值的算法对一个受瑞利衰落影响的信道能很好地适应。

附图说明

从下面结合一些附图对一些实施例的叙述将使本发明更加明确，这些附图有：

图1表示一个数字CDMA无线通信网络的两个收发信机，通过话务信道在单方向互相通信并且实现功率控制。

图2表示仿真和评估部件。

图3中包括一个流程卡，表示根据本发明的实现功率控制的方法的步骤。

具体实施方式

图1中表示的数字式CDMA无线系统由一个装置A1和一个装置B2组成。在这个例子说明中，装置A是一个移动站1，装置B是一个基站2。这两个装置都包括一个发射机12，22和一个接收机11，21。移动站1用发射机12发出一个话务信息，它在取样实例i的发射功率是STX i。这个信息通过一个无线电通信话务信道31进入基站2和接收机21。基站2的发射机22在一个信令信道32上向移动站1的接收机11发送信令信息。在基站2中，接收机21连接到一个控制电路4以实现改进的功率控制。控制电路4的任务是从话务信道31取得接收到的信号，并在取样实例i在输出端产生一个发射功率控制命令TPC i。控制电路4连接到基站2的发射机22。TPC i由基站2的发射机22通过信令信道31发送到移动站1的接收机11。

在CDMA传输的下一个时隙中，计算一个新的TPC i并且发送出去。

基站2的发射机12在取样实例i+1新的发射功率(STX i+1)计算如下：

(STX i+1)＝STX i*TPC i

实现改进的功率控制的控制电路4由一个连接到接收机21的估计部件41和一个操作部件43组成。操作部件43的输出端连接到基站2的发射机22的输入端。估计部件41和操作部件43的输出端连接到通向一个重构部件42的输入端的第二条线路。重构部件42通过并联的仿真部件441…44n连接到一个选择部件45。这个选择部件45有一条触发线可以切换开关3，3′。

-一个估计部件41负责在每个取样实例得到SIR。SIR i的估计如下：

基站的接收机通过话务信道收到的信号功率SRX i除以在装置B的接收机部分的干扰功率IRX I：

SIR i＝SRX i/IRX i。

-一个包含n个算法A1，A2，…An的操作部件43。图1中在取样实例i，A1是操作的算法，并且由A1控制TPC的产生。TPC i用于调整装置A的发射机部分的发射功率。在取样实例i，其它算法不参与一个调整基站发射功率的TPC的产生。

-一个重构部件42负责重构在实时的信道性质。这个信道性质特征在于，通过以下每一步骤确定绝对信道损失ACL i的随时间的变化：

在移动站1的信号发射功率STX i，除以在该基站的同一信号的经过无线电信道衰减后的功率SRX i

ACL i＝STX i/SRX i

这个重构部件42把估计部件41给出的测量的SIR值和由操作部件43产生TPC命令的值作为输入。

由重构部件42操作得到的实时的信道重构的结果在每个取样实例i被存储到n个存储器中备用。

-N个仿真部件441，442…44n中的每个部件负责一个算法的仿真和有效性检验。这n个仿真部件441，442…44n同时运行而且互不相干。它们并行地产生虚拟的TPCs(VTPCs)。这些VTPCs只用于仿真。它们不直接影响功率控制，因为它们不被发送到移动站1。请注意，操作的算法也可以按这个方法被仿真和进行有效性检验。

-一个选择部件45负责根据普遍的质量准则选择最好的算法。如果最好的算法不同于操作的算法，选择部件就触发开关3的切换，进行在步骤i的操作算法和这个最好的算法之间的转换，这个最好的算法成为在步骤i+1的操作算法。

在每个步骤i，对于算法AK的仿真部件44K表示于图2，其中包含：

●一个快速存储器42k，在每个取样实例i由重构部件42把信道信息存入到快速存储器42K中。

●一个计算部件Ak，按照算法Ak计算在步骤i的VTPC(VTPCk，i)。

●一个第二存储器46k，其中存储在每个取样实例i由算法Ak的仿真而重构的虚拟SIR信息(VTPCk，i)。

●一个有效性检验部件45k，在这里根据对所有算法都适用的一个普遍质量准则，用一个定量的质量估计，检验由算法Ak的仿真提供的结果的有效性。这个定量的质量估计指出由算法Ak产生的序列VTPCk，i怎样使序列VSIRk，i接近当前信道条件下的SIR_target。有效性检验是由n个并行的部件同时提供n个定量的质量估计而进行的。

在本发明叙述的实施例中，由它的实刻A1和A1’表示的一个TPCA是“乒乓”算法。

●TPC i＝+TPSdB 如果SIR i＜SIR_target

●TPC i＝-TPSdB 如果SIR i＞SIR_target

另一个由它的实刻A2和A2′表示的TPCA是专门对一个受瑞利衰落现象影响的信道进行的。当测量出的SIRi低于SIRtarget但高于另一个称为“预制动SIR”的恒定SIR阈值(SIRpb)而且检测到SIRi至少按一个最低的比率增长(即每个控制循环增长dpb dB，p这里dpb可以是正的，零或负的)时，就发送一个“向下”TPC命令，使这个TPCA偏离标准的“乒乓”算法。

●TPCi＝-TPSdB 如果SIRi＞SIR_targets或(SIRi＞SIRpb和SIR_i-1+dpb＜SIRi)

●在其它的情况 TPCi＝+TPSdB

它可以为认为是当SIR达到要求的SIR值之前把TPC命令翻转而对这个SIR的正向变化进行“制动(braking)”，称为正斜率预制动(PSPB)算法。

这个PSPB算法的一个变化是检测ACL值的下降而不是这个SIR值的增长。

●TPCi＝-TPSdB 如果SIRi＞SIR_targets或(SIRi＞SIRpb和ACL_i-1+dpb＞ACLi)

●在其它的情况 TPCi＝+TPSdB

由负责实时重构信道性质的部件给出ACL的变化。如果发射功率是从移动站或基站通过信令信道发射，则这种变化还可以直接得到。

另外的TPCAs由它们的实例A3，A3′，…An，An′表示，它们可能是预测性的或非预测性的算法。这些TPCAs彼此间的差异程度是可以变化的，例如算法集的一部分或全部除其中有一个或几个参数的数值不同之外其它相同，但它们也可以并行进行完全不同的算法操作。一个算法并不限于一类算法。

一个根据本发明实现改进的功率控制的方法的实施例表示在流程卡图3中。这个方法包含下列步骤：

●步骤S1：初始化参数。根据在一算法集相互之间的外部判断，选择一个操作算法作为开始的算法。

●步骤S2：测量在信息信道上接收的信号。对取样实例i进行估计SIRi。

●步骤S3：根据操作的算法产生在取样实例i的TPCi。以后，步骤S4和包含S5到S11的步骤并行进行。

●步骤S4：操作算法产生的TPCi通过信令信道被送回到装置A。

●步骤S5：重构在取样实例i的信道影像。在图1表示的配置中，信道的性质可以从只适用于基站2的住处推演出：

-由估计部件41给出的SIRi

-由操作算法产生的TPCi

如果假定对于每个i，IRXi是恒定的：

ACLi+1/ACLi＝STXi+1/STXi*SRXi/SRXi+1＝TPCi*SIRi/SIRi+1。

使用重构的信道数值，并行地仿真所有算法的性质。

●步骤S6：按照以下的公式，在每个步骤i，由VSIRk，i-1，VTPCk，i-1，ACLi推导VSIRk，i的值：

VSIRk，i/VSIRk，i-1＝VTPCk，i-1 ACLi-1/ACLi当1≤k≤n时

●步骤S7：为在取样实例i的每个算法Ak产生VTPCk，i，仿真算法Ak用来把VSIRk，i输入，以产生VTPCk，i。

VTPCk，i＝Ak(VSIRk，i)当1≤k≤n时

●步骤S8：根据一个普遍的质量准则对每个算法的质量进行评估。所有的算法都用同样的方法检验有效性，例如它们的质量用VSIR相对于SIR_target的差距的均方差Qk来衡量。这样，当Qk的数值最小时就达到最好的质量：

Qk = av ({({SIR}_{t \arg et} - VSIRk, i)}^{2}) = n^{- 1} Σ_{i = 0}^{n - 1} {({SIR}_{t \arg et} - VSIRk, i)}^{2}

●步骤S9：选择达到最好质量的算法。

●步骤S11：如果选择的算法不同于操作算法，用选择的算法代替操作算法，其它什么都不变。

●步骤S12：增加步骤的计数，过程从步骤S2再开始。

本发明不限于一个可以处理另外的算法的基站。它也可以是一个具备能够按本发明的方法，适用于TPC(发射功率控制)的所有必需的装置的移动站。

所有的线路与一个能够处理输入数据的处理器一起集成在一个单独的模块中。

本发明不限制一个在每个时隙发送TPC的方法。它允许在测量后的下一个时隙发送TPC。在某些情况下，它足以按一个较低的频率来调整功率。

决定把操作的算法转换到另一个算法可以在检测到一个能达到更好质量的算法后立刻进行。也可以由于一个确定的阈值而作出这个决定。只有当一个算法的质量优于这个阈值时才触发这个切换。

另一个可能的办法是如果一个算法在某一段时间是最好的就做出这样决定。

Claims

1.在采取一个闭环功率控制方案的一个数字式CDMA无线电发射系统中由一个部件根据一个操作算法控制发射功率的方法，这个算法根据信道的特性产生命令以调整发射的功率，其特征在于该方法包括以下步骤：

-处理至少另一个与上述操作算法有差别的与之竞争的算法；

-根据一个普遍的质量准则评估所有上述算法的性能；

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于

这些竞争的算法

-提供关于无线电信道的信息；

-同时而且独立地计算各个发射功率控制命令，由此来仿真每个算法的性质。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于

在减少发射功率时，这上普遍的质量准则确定由一个算法产生的TPC命令能够在多大程度上接近在CDMA无线传输系统中的一个目标传输质量。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于

根据这个普遍的质量准则确定最适合的算法，并且触发这些算法之间的切换，使该算法成为操作算法，而原来的操作算法作为一个竞争的算法保留。

5.如权利要求1所述的方法，用一个算法处理一个测量得到的信号干扰比与一个第一阈值的关系，由此产生一个发射功率控制命令，其特征在于

当这个测量得到的信号干扰比以一个大于一个预定的阈值的梯度的梯度增长并且这个测量得到的信号干扰比大于一个第二阈值时，要求降低这个发射功率。

6.如权利要求1所述的方法，用一个算法处理一个测量得到的信号干扰比以及一个估计的绝对或相对信道损失与一个第一阈值的关系，由此产生一个发射功率控制命令，其特征在于

当这个绝对或相对信道损失以一个低于一个预定的阈值的梯度的梯度降低并且这个测量得到的信号干扰比大于一个第二阈值时，要求降低这个发射功率。

7.基于CDMA的数字无线通信系统，其中包含至少一个发射机，至少一接收机和一个控制发射功率的装置，其特征在于该控制发射功率的装置包括：

一个测量和处理信道信号的估计部件(41)；

一个提供纯信道信息的重构部件(42)；

一个由n个竞争的算法组成的、产生发射功率控制命令的操作部件(43)；

n个计算所述n个竞争的算法的仿真部件(441...44n)；

一个根据普遍的质量准则从所述n个竞争的算法中激活其中一个算法的选择部件(45)。

8.一个用在CDMA的数字无线通信信道中的收发信机，其中包含一个控制发射功率的控制电路(4)，其特征在于该控制电路包括：

一个测量和处理信道信号的估计部件(41)；

一个提供纯信道信息的重构部件(42)；

n个计算所述n个竞争的算法的仿真部件(441...44n)；

9.如权利要求8所述的用于一个数字式CDMA无线通信系统的收发信装置，其特征在于

上述收发信装置是装在一个移动站中的。

10.如权利要求8所述的用于一个数字CDMA无线通信系统的收发信装置，其特征在于

上述收发信装置是装在一个基站中的。