CN1194491C - 码分多址系统中一种外环功率控制方法 - Google Patents

Abstract

一种码分多址系统外环功率控制方法，系根据通信性能指标BLER/BER/FER来调整内环功率控制的目标值，其步骤包括提供BLER/BER/FER的当前测量值；根据BLER/BER/FER的当前测量值确定其预测值；根据该预测值与BLER/BER/FER的目标值确定目标信干比。本发明方法能加快目标信干比的调节速度，避免正常外环功率控制滞后，降低外环功率控制对调整周期的要求，从而可在保证通信质量的前提下增加系统的容量。

Description

码分多址系统中一种外环功率控制方法

技术领域

本发明涉及CDMA(码分多址)系统中的功率控制，特别地是指一种CDMA系统中外环功率控制的方法。

背景技术

CDMA是一种扩频通信技术，现已有商用的CDMA通信系统运行在电信网中。

CDMA系统是一个自扰系统，所有移动用户都占用相同带宽的频率，而且多用户所使用的扩频码之间存在着非理想的相关特性，使得“远近效应”问题特别突出，因此用户发射功率的大小将直接影响系统的总容量，从而使得功率控制技术成为CDMA系统中头等重要的技术之一。而CDMA系统中功率控制的目标，就是在保证用户通信质量的条件下，使用户的发射功率尽量地小。由于CDMA系统的容量取决于干扰的大小，降低系统的多址干扰能大大增加系统的容量。一般对于快衰落产生的干扰，可以通过编码、交织来降低，而慢衰落产生的干扰则能通过功率控制来克服。

常见的CDMA功率控制技术有开环功率控制和闭环功率控制。开环功率控制的基本工作原理是根据用户接收功率与发射功率之积为常数的原则，先行测量接收功率的大小，并由此确定发射功率的大小。开环功率控制常用于确定用户的初始发射功率，或用户接收功率突变时的发射功率的调节。开环功率控制主要用来克服阴影和路径损耗。开环功率控制由于未考虑到上、下行信道电波功率的不对称性，所以其精确性难以得到保证。

闭环功率控制可以很好地解决这个问题。闭环功率控制用于克服多普勒频率产生的衰落。可同时呼叫发射的移动台数目(系统容量)达到最大值所要求的条件是使每个移动台信号达到基站时具有相同的功率，而且应在满足链路性能的前提下信号功率尽可能地小。通过信干比(SIR)的测量估计与信干比目标值(SIRtarget)的对比，确定功率控制比特信息，然后通过信道把功率控制比特信息传送到发射端，并据此调节发射功率的大小。这个目标值就是能够正确解调有用信号所需的信干比。然而，在不同的多径环境(移动台的移动速度以及多径的数目等)下，这个值是不同的，因此需要引入外环功率控制(OLPC：Outer Loop Power Control)的机制。众所周知，通信的质量，常以接收信号的误块率(BLER：Block Error Rate)、误码率(BER：Bit Error Rate)和误帧率(FER：Fame Error Rate)来表征。外环功率控制机制，指的就是根据通信的质量(BLER/BER/FER)来调整内环控制的目标值，从而使系统能够始终用最小的功率来满足通信质量的要求。附图1表示CDMA系统中闭环功率控制的基本框架。

因为一条链路最终质量是由该链路的BLER/BER/FER所决定的，所以外环功率控制的思路就是监测链路的BLER/BER/FER，使得该链路的BLER/BER/FER逼近其目标值，最终达到保证链路接收质量的目的。假如测量到的BLER/BER/FER低于其目标值，则降低内环功率的目标SIR值，反之，则提高内环功率的目标SIR值。图2给出了现有外环功率控制的基本框图，由图可知，在已有的外环功率控制中，一般是根据所测量到的BLER/BER/FER和目标BLER/BER/FER的关系，设置目标SIR值。但是，这样做的缺点是外环功率控制滞后，也就是说会造成目标SIR超过目标BLER/BER/FER所需的目标SIR，导致内环发射功率的浪费；或者目标SIR小于目标BLER/BER/FER所需的目标SIR，从而未能快速跟踪，换句话说，在系统出现深度衰落时无法及时补偿，而在控制误差很小时，却引起了不必要的波动。此外，这种做法对外环功率控制调整周期的选取也变得较为困难。统计一段时间的BLER/BER/FER，观察时间的变化不会影响BLER/BER/FER测量值的均值，即其均值都为外环功率控制中的BLER/BER/FER目标值，但是会影响BLER/BER/FER测量值的标准方差。观察时间越小，BLER/BER/FER的标准偏差就越小，但是，观察时间太小的话，外环功率控制调整目标SIR的步长变化抖动太大。

发明内容

本发明的目的是提供一种CDMA系统中外环功率控制的方法，它可以克服现有外环功率控制滞后，可降低外环功率控制对调整周期的要求，并还具有容易实现及最大限度增加系统容量的特点。

为实现上述目的，本发明提供：一种CDMA系统中外环功率控制方法，系根据通信性能指标BLER/BER/FER用来调整内环功率控制的目标值，其特点是，该方法包括以下步骤：

(1)提供BLER/BER/FER当前测量值；

(2)根据所述的BLER/BER/FER的历史测量值和当前测量值，确定BLER/BER/FER预测值；

(3)根据所述的BLER/BER/FER预测值与BLER/BER/FER目标值确定目标信干比。

根据本发明的另一特征，所述的确定BLER/BER/FER预测值进一步包括以下步骤：

(1)根据原始BLER/BER/FER序列，形成BLER/BER/FER生成序列；

(2)建立所述生成序列的灰色微分方程；

(3)利用最小二乘估计所述灰色微分方程参数列；

(4)根据所述参数列的响应序列得出BLER/BER/FER预测值。

所述的建立灰色微分方程还进一步包括以下步骤：

(1)根据所述BLER/BER/FER生成序列，建立其紧邻均值生成序列；

(2)引入C＝(a，b)^T参数列。

附图说明

图1是CDMA系统闭环功率控制的基本框图。

图2是现有技术CDMA系统外环功率控制框图。

图3是本发明CDMA系统外环功率控制框图。

图4是本发明方法的流程图。

具体实施方式

参阅图3，本发明的基本框架是利用历史BLER/BER/FER和当前所测的BLER/BER/FER，对将来BLER/BER/FER进行预测，然后以BLER/BER/FER的预测值和目标值的差作为设置目标SIR的依据。也就是说，本发明在设置目标SIR时，用到的是BLER/BER/FER的预测值，而非现有技术中的BLER/BER/FER测量值；而BLER/BER/FER的预测值在本发明中可借助其历史值及测量值而得到。预测过程中所用的数据是新陈代谢的，当有新的BLER/BER/FER测量值时，增添新数据，而淘汰掉一个老的数据。

下面仅以通信质量指标BLER为例说明本发明的具体处理思路，显然也适用于其它通信质量指标BER或FER。

设原始序列为：

BLER⁽⁰⁾＝(BLER⁽⁰⁾(1)，BLER⁽⁰⁾(2)，…BLER⁽⁰⁾(N))。

由于原始序列是没有规律的，因此为了得到有规律的数据序列，便于预测，对原始序列进行生成处理，可得到如下的生成序列：

BLER⁽¹⁾＝(BLER⁽¹⁾(1)，BLER⁽¹⁾(2)，…BLER⁽¹⁾(N))，

其中： $\mathrm{BLE}{R}^{\left(1\right)}\left(k\right)=\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{BLE}{R}^{\left(0\right)}\left(i\right),k=\mathrm{1,2},\·\·\·N$

由此得到生成序列BLER⁽¹⁾的紧邻均值生成序列Z⁽¹⁾：

Z⁽¹⁾＝(Z⁽¹⁾(2)，Z⁽¹⁾(3)，…Z⁽¹⁾(N))，

其中，Z⁽¹⁾(k)＝0.5×BLER⁽¹⁾(k)+0.5×BLER⁽¹⁾(k-1)，k＝2，3，…N。为建立灰色预测模型，引入参数列C＝(a，b)^T，且

$Y=\left[\begin{array}{c}\mathrm{BLE}{R}^{\left(0\right)}\left(2\right)\\ \mathrm{BLE}{R}^{\left(0\right)}\left(3\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ \mathrm{BLE}{R}^{\left(0\right)}\left(N\right)\end{array}\right],$ $B=\left[\begin{array}{cc}-Z^{\left(1\right)}\left(2\right)& 1\\ -Z^{\left(1\right)}\left(3\right)& 1\\ \·& \·\\ \·& \·\\ \·& \·\\ -Z^{\left(1\right)}\left(N\right)& 1\end{array}\right]$

则灰色微分方程BLER⁽⁰⁾(k)+a×Z⁽¹⁾(k)＝b的最小二乘估计参数列满足C＝(B^TB)^-1B^TY

这一方程的响应序列(也就是它的解)是： ${\stackrel{\‾}{\mathrm{BLER}}}^{\left(1\right)}(k+1)=(\mathrm{BLE}{R}^{\left(0\right)}\left(1\right)-\frac{b}{a}){\stackrel{\‾}{e}}^{\mathrm{ak}}+\frac{b}{a},k=\mathrm{1,2},\·\·\·N;$

对生成序列的预测值还原可得原始序列的还原值为：

BLER⁽⁰⁾(k)＝ BLER⁽¹⁾(k+1)- BLER⁽¹⁾(k)，k＝1，2，…N

运用上面的演泽方法，可以得到BLER的预测值。用此预测值和BLER目标值就可以确定目标SIR。为此，本发明利用变步长法，并且在变步长中引入调整因子，以便灵活处理各种情况。

具体方法如下：

SIRtarget(n+1)＝SIRtarget(n)+(1-r)( BLER-BLERtarget)SP，

上式中， BLER是BLER的预测值；SP＞0是步长因子，可由仿真得到：r是调整因子，一个大于等于零小于等于1的数。

这种变步长法能够较为精确地跟踪实际情况，使得目标SIR不至于太大或太小。如果太大，则必须用更大发射功率，从而造成功率浪费；如果太小，则由于低的发射功率不能满足通信性能，从而达不到快速跟踪的目的。所以采用这种变步长方法，能更好达到在满足通信质量的条件下使发射功率最小，从而最大限度地提高系统的容量。

下面以一个具体实例说明上述各步骤。

设原始序列为：

BLER⁽⁰⁾＝(11.863，12.133，13.049，14.070，15.080，15.809，16.899)

实际测量得到的数据单位均为千分之一，这里为了书写简便起见而省略了，但这样做并不妨碍叙述的有效性。

根据 $\mathrm{BLE}{R}^{\left(1\right)}\left(k\right)=\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{BLE}{R}^{\left(0\right)}\left(i\right),k=\mathrm{1,2},\·\·\·7,$

得到生成序列；

BLER⁽¹⁾＝(11.863，23.996，37.045，51.115，66.195，82.004，98.903)

根据Z⁽¹⁾(k)＝0.5×BLER⁽¹⁾(k)+0.5×BLER⁽¹⁾(k-1)，k＝2，3，…7，

容易得到上述生成序列的紧邻均值生成序列

Z⁽¹⁾＝(Z⁽¹⁾(2)，Z⁽¹⁾(3)，…Z⁽¹⁾(7))

    ＝(17.930，30.521，44.080，58.655，74.100，91.454)

以C＝(a，b)^T为灰色微分方程的参数列，并且根据

$Y=\left[\begin{array}{c}\mathrm{BLE}{R}^{\left(0\right)}\left(2\right)\\ \mathrm{BLE}{R}^{\left(0\right)}\left(3\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ \mathrm{BLE}{R}^{\left(0\right)}\left(7\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}12.133\\ 13.094\\ \·\\ \·\\ \·\\ 16.899\end{array}\right],$ $B=\left[\begin{array}{cc}-Z^{\left(1\right)}\left(2\right)& 1\\ -Z^{\left(1\right)}\left(3\right)& 1\\ \·& \·\\ \·& \·\\ \·& \·\\ -Z^{\left(1\right)}\left(7\right)& 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}-17.903& 1\\ -30.521& 1\\ \·& \·\\ \·& \·\\ \·& \·\\ -91.454& 1\end{array}\right]$

则可算得灰色微分方程中的参数

C＝(B^TB)^-1B^TY＝(-0.06503，11.08438)^T

由此得到这一方程的响应序列(也即方程的解)：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{BLER}}}^{\left(1\right)}(k+1)=(\mathrm{BLE}{R}^{\left(0\right)}\left(1\right)-\frac{b}{a}){\stackrel{\‾}{e}}^{\mathrm{ak}}+\frac{b}{a}=182.3027e^{0.06503k}-170.4397$

其原始序列还原值可根据 BLER⁽⁰⁾(k)＝ BLER⁽¹⁾(k+1)- BLER⁽¹⁾(k)分别求得，其中a＝-0.06503，b＝11.08438。

为检验上述算法的有效性，通过下面的残差公式

$\mathrm{\ϵ}\left(k\right)=\frac{{\mathrm{BLER}}^{\left(0\right)}\left(k\right)-{\stackrel{\‾}{\mathrm{BLER}}}^{\left(0\right)}\left(k\right)}{{\mathrm{BLER}}^{\left(0\right)}\left(k\right)}\%$

算出残差为：

BLER⁽⁰⁾(2)＝12.2499；BLER⁽⁰⁾(2)＝12.133；ε(2)＝-0.963％；

BLER⁽⁰⁾(3)＝13.0730；BLER⁽⁰⁾(3)＝13.049；ε(3)＝-0.184％；

BLER⁽⁰⁾(4)＝13.9515；BLER⁽⁰⁾(4)＝14.070；ε(4)＝0.842％；

BLER⁽⁰⁾(5)＝14.8890；BLER⁽⁰⁾(5)＝15.080；ε(5)＝1.267％；

BLER⁽⁰⁾(6)＝15.8894；BLER⁽⁰⁾(6)＝15.809；ε(6)＝-0.508％；

BLER⁽⁰⁾(7)＝16.9572；BLER⁽⁰⁾(7)＝16.899；ε(7)＝-0.344％；

得出了BLER的预测值，就可以按照下式根据该预测值和BLER目标值来确定目标SIR：

SIRtarget(n+1)＝SIRtarget(n)+(1-r)( BLER-BLERtarget)SP

其中， BLER是BLER的预测值，SP＞0是步长因子，可由仿真得到：r是调整因子，范围为0≤r≤1。

根据以上描述，并结合图4给出的流程图，可知本发明方法开始于步骤400，即提供原始BLER/BER/FER序列，如上所述，这里的原始序列是新陈代谢的，也即是有新的测量值时，就增添新的数据，而淘汰掉一个老的数据。接着在410对原始序列进行生成处理，形成BLER/BER/FER生成序列。在420，建立BLER/BER/FER生成序列的灰色微分方程，并在430对该微分模型中的参数进行最小二乘估计。然后在440、450分别解出参数列的响应序列及得出BLER/BER/FER的预测值。最后在460根据BLER/BER/FER的预测值与BLER/BER/FER目标值确定目标信干比，并随之进入下一个调整周期。

Claims (5)

1、一种CDMA系统中外环功率控制方法，系根据通信性能指标误块率/误码率/误帧率用来调整内环功率控制的目标值，其特征是，该方法包括以下步骤：

(1)提供误块率或误码率或误帧率当前测量值；

(2)根据所述的误块率或误码率或误帧率的历史测量值和当前测量值，通过建立灰色微分方程并利用最小二乘估计所述的灰色微分方程来确定所述的误块率或误码率或误帧率的预测值；

(3)根据所述的误块率或误码率或误帧率预测值与误块率或误码率或误帧率目标值确定目标信干比。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的确定误块率或误码率或误帧率预测值进一步包括以下步骤：

(1)根据权利要求误块率或误码率或误帧率序列，形成误块率或误码率或误帧率生成序列；

(2)建立所述生成序列的灰色微分方程；

(3)利用最小二乘估计所述灰色微分方程参数列；

(4)根据所述参数列的响应序列得出误块率或误码率或误帧率预测值。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述的建立灰色微分方程还进一步包括以下步骤：

(1)根据所述误块率或误码率或误帧率生成序列，建立其紧邻均值生成序列；

(2)引入C＝(a，b)^T参数列，其中参数列中的a，b为所述的灰色微分方程中的参数。

4、根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征是，所述目标信干比的确定采用变步长的方法，其中步长因子由仿真得到。

5、根据权利要求4所述的方法，其特征是，在变步长中还引入调整因子r，并且0≤r≤1。

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