CN1322683C - 在时分双工通信系统中的组合闭环/开环功率控制 - Google Patents

Abstract

组合闭环/开环功率控制在一个扩频时分双工通信站中控制发送功率电平。一个第一通信站(50)从一个第二通信站(52)接收通信。第一站部分地基于接收的通信的接收质量发送多个功率命令。第一站在一个第一时隙中发送具有一个发送功率电平的第一通信。第二站接收第一通信和多个功率命令。测量接收的第一通信的功率电平。部分地基于测量的接收的第二通信功率电平和第一通信发送功率电平确定路径损耗估计。第二站在一个第二时隙中向第一站发送一个第二通信。部分地基于由一个因数加权的路径损耗估计和功率命令设置第二通信发送功率电平。该因数是第一和第二时隙的时间分隔的函数。

Description

在时分双工通信系统中的组合闭环/开环功率控制

本申请是申请人于2000年3月22日提交的申请号为00804964.5，题为“在时分双工通信系统中的组合闭环/开环功率控制”专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及扩频时分双工(TDD)通信系统。具体涉及用于在TDD通信系统中控制发送功率的系统和方法。

背景技术

图1说明一个无线扩频时分双工(TDD)通信系统。该系统具有多个基站30₁～30₇。每个基站30₁与在其操作区域中的用户设备(UE)32₁～32₃进行通信。从基站30₁向UE32₁发送的通信被称为下行链路通信，而从UE32₁向基站30₁发送的通信被称为上行链路通信。

除了在不同频谱上通信，扩频TDD系统还在相同频谱上进行多个通信。多个信号由其各自的码片码序列(代码)来区分。而且，为了更有效地利用扩频，如图2所示的TDD系统利用被分成若干个时隙36₁～36_n，比如15个时隙的重复帧(repeating frame)34。在那些系统中，利用选择的代码在选择的时隙36₁～36_n中发送一个通信。因此，一个帧34能够携带由时隙36₁～36_n和代码区分的多个通信。单个代码在单个时隙中的组合被称为一个资源单元。基于支持一个通信所要求的带宽，一个或多个通信单元被分配给那个通信。

大多数TDD系统自适应地控制发送功率电平。在一个TDD系统中，许多通信可能共享相同的时隙和频谱。当一个UE32₁或基站30₁正在接收一个特定通信时，使用相同时隙和频谱的所有其他通信引起对该特定通信的干扰。增加一个通信的发送功率电平会降低在那个时隙和频谱中的所有其他通信的信号质量。但是，过快地降低发送功率电平会导致在接收机端的不希望的信噪比(SNR)和误码率(BER)。为了保持通信的信号质量和低的发送功率电平，使用发送功率控制。

控制发送功率电平的一种方法是开环功率控制。在开环功率控制中，典型地，一个基站30₁向UE32₁发送一个参考下行链路通信和该通信的发送功率电平。UE32₁接收该参考通信，并测量其接收的功率电平。通过从发送功率电平中减去接收的功率电平，确定参考通信的路径损耗。为了确定上行链路的发送功率电平，在基站30₁将下行链路路径损耗添加到希望的接收功率电平上。UE的发送功率电平被设置为所确定的上行链路发送功率电平。

控制发送功率电平的另一种方法是闭环功率控制。在闭环功率控制中，典型地，基站30₁确定从UE32₁接收的通信的信号干扰比率(SIR)。把确定的SIR与目标SIR(SIR_TARGET)进行比较。基于比较结果，基站30₁发送一个功率命令，b_TPC。在接收到功率命令之后，UE32₁基于接收的功率命令增加或减少发送功率电平。

闭环和开环功率控制都有缺点。在某些情况下，闭环系统的性能降低。比如，如果UE和基站之间发送的通信是在高度动态的环境中，比如由于UE的移动引起的，那些系统可能不能迅速地适应以补偿这些变化。TDD中闭环功率控制的更新速率是每秒100周期，对于快衰落信道这种更新速率尚不足。开环功率控制对上行链路和下行链路增益链(gain chain)和干扰电平的不确定性敏感。

组合闭环和开环功率控制的一种方法由无线电工业和商业协会(ARIB)建议，其利用等式1、2和3。

T_UE＝P_BS(n)+L    等式1

P_BS(n)=P_BS(n-1)+b_TPCΔ_TPC    等式2

$b_{\mathrm{TPC}}=\left\{\begin{array}{cc}1:\mathrm{if}& {\mathrm{SIR}}_{\mathrm{BS}}<{\mathrm{SIR}}_{\mathrm{TARGET}}\\ -1:\mathrm{if}& {\mathrm{SIR}}_{\mathrm{BS}}>{\mathrm{SIR}}_{\mathrm{TARGET}}\end{array}\right.$ 等式3

T_UE是UE32₁的确定的发送功率电平。L是估计的下行链路路径损耗。P_BS(n)是由等式2调整的基站30₁的希望的接收功率电平。对于每个接收的功率命令，b_TPC，把希望的接收功率电平增加或减少Δ_TPC。Δ_TPC通常为一分贝(dB)。当在基站30测量的UE的上行链路通信的SIR，即SIR_BS小于目标SIR，即SIR_TARGET时，功率命令b_TPC是一。相反地，当SIR_BS大于SIR_TARGET时，功率命令b_TPC是负一。

在某些情况下，这些系统的性能降低。例如，如果UE32和基站30之间发送的通信是在一种高度动态的环境中，比如由于UE32的移动引起，开环的路径损耗估计严重降低了系统的整体性能。

WO97/49197公开了一种用于分组交换数据的功率控制的GSM系统。该功率控制系统使用开环信号特征和闭环信号特征。开环信号特征是一个开环变量Si(ti)，其中ti是上一次开环更新的时间。闭环信号特征是一个从接收的确认分组确定的闭环变量Sc(tc)，其中tc是上一次闭环更新的时间。功率多控的发送的发送功率由：S(t)=Si(ti)+(Sc(tc)-Si(ti))*e^-α(t-tc)确定。α是一个正参数。

发明内容

因此，需要一些在所有的环境和情况下保持信号质量和低发送功率电平的用户设备。

为此，本发明提供了一种扩频时分双工用户设备，所述用户设备使用具有用于通信的时隙的帧，所述用户设备接收功率命令及接收在第一时隙中具有发送功率电平的第一通信，在接收时，所述用户设备测量所述第一通信的功率电平，并决定一路径损耗估计，所述路径损耗估计是部分地基于所测量的接收到的第一通信功率电平、及所述第一通信发送功率电平，所述用户设备包括：

设定装置，用于在来自所述用户设备的第二时隙中，设定第二通信的发送功率电平，所述发送功率电平是部分地基于通过以所述功率命令调整的质量因数进行加权的所述路径损耗估计，其中当介于所述第一和第二时隙之间的时隙数目增加时，所述质量因数减少。

附图说明

图1表示现有技术的TDD系统。

图2表示TDD系统的重复帧中的时隙。

图3是组合闭环/开环功率控制的流程图。

图4是利用组合闭环/开环功率控制的两个通信站的组件的图。

图5-10是描述闭环、ARIB的协议和组合闭环/开环功率控制的两(2)个方案的曲线图。

优选实施方式

下面将参考附图描述优选实施例，在所有附图中相同标号表示相同单元。将利用图3的流程图和如图4所示的两个简化的通信站50、52的组件来解释组合闭环/开环功率控制。对于下面的讨论，其发射机的功率受控的通信站被称为发送站52，接收功率受控的通信的通信站被称为接收站50。因为组合闭环/开环功率控制可以被用于上行链路、下行链路或者两种类型的通信，其功率受控的发射机可能位于基站30₁、UE32₁或者两者。因此，如果同时使用上行链路和下行链路功率控制，接收和发送站的组件既位于基站30₁，又位于UE32₁。

接收站50利用一个天线56，或者另选地，一个天线阵，接收包括来自发送站52的通信的各种射频信号。接收的信号通过隔离器60被传到解调器68用来产生一个基带信号。该基带信号在各个时隙中利并用分配给发送站的通信的适当代码被处理，比如由一个信道估计设备96和一个数据估计设备98处理。信道估计设备96通常使用基带信号中的训练序列分量(training sequence component)来提供信道信息，比如信道脉冲响应。信道信息由数据估计设备98、干扰测量设备90、信号功率测量设备92和发送功率计算设备94来使用。数据估计设备98通过利用信道信息估计软码元(soft symbols)来从信道中恢复数据。利用软码元和信道信息，发送功率计算设备94通过控制放大器76的增益来控制接收站的发送功率电平。

信号功率测量设备92利用软码元或者信道信息、或者两者来以分贝(dB)为单位确定通信的接收信号功率。干扰测量设备90基于信道信息或者由数据估计设备102产生的软码元，或者这两者确定信道中的干扰电平I_RS(以dB为单位)。

闭环功率命令生成器88利用测量的通信的接收功率电平和干扰电平I_RS来确定接收的通信的信号对于扰比率(SIR)。基于确定的SIR和目标SIR(SIR_TARGET)的比较，生成闭环功率命令，即b_PTC，比如一个功率命令比特，b_PTC，步骤38。另选地，功率命令可能基于接收的信号的任何质量测量。

为了用于估计接收和发送站50、52之间的路径损耗和发送数据，接收站50向发送站58发送一个通信，步骤40。该通信可能在这些不同信道的任何一个中被发送。典型地，在一个TDD系统中，用于估计路径损耗的信道被称为参考信道，尽管可以使用其他信道。如果接收站50是一个基站30₁，优选地通过一个下行链路公用信道或一个公用控制物理信道(CCPCH)发送该通信。要通过参考信道向发送站52传送的数据被称为参考信道数据。参考数据可能包括，如示，干扰电平I_RS，其与其他参考数据，比如参考信道的发送功率电平T_RS，多路复用。干扰电平I_RS，和参考信道功率电平T_RS可以在其他信道中发送，比如在信令信道中发送，步骤40。闭环功率控制命令b_TPC，典型地被通过一个专用信道发送，该专用信道专用于接收站50和发送站52之间的通信。

参考信道数据由参考信道数据生成器86生成。基于通信的带宽要求为参考数据分配一个或多个资源单元。一个扩展和训练序列插入设备82扩展参考信道数据，并使扩展的参考数据与训练序列在分配的资源单元的适当时隙和代码中时间多路复用。结果序列被称为一个通信脉冲串(communication burst)。之后，通信脉冲串被一个放大器78放大。一个加法设备72可以把放大的通信脉冲串与通过一些设备(比如数据生成器84、扩展和训练序列插入设备80和放大器76)所生成的任何其它通信脉冲串相加。

相加后的通信脉冲串由调制器64调制。调制的信号通过隔离器60，并由如示的天线56或者，另选地，通过一个天线阵来辐射。通过一个无线电信道54，辐射信号被传播给发送站52的天线58。用于发送的通信的调制类型可以是本领域技术人员已知的任何类型，比如直接相移键控(DPSK)或者正交相移键控(QPSK)。

发送站52的天线58或者，另选地，天线阵接收各种射频信号。接收的信号通过一个隔离器62被传播到一个解调器66用来产生一个基带信号。基带信号在时隙中并利用分配给接收站50的通信脉冲串的适当代码被处理，比如由一个信道估计设备100和一个数据估计设备102处理。信道估计设备100共同使用基带信号中的训练序列分量来提供信道信息，比如信道脉冲响应。信道信息由数据估计设备102和功率测量设备110来使用。

对应于参考信道的处理的通信的功率电平R_TS由功率测量设备110来测量，并被发送给一个路径损耗估计设备112，步骤42。信道估计设备100和数据估计设备102都能够把参考信道从所有其他信道中分离出来。如果使用一个自动增益控制设备或者放大器来处理所接收的信号，那么调整所测量的功率电平以便在功率测量设备110或者在路径损耗估计设备112校正这些设备的增益。功率测量设备110是组合闭环/开环功率控制器108的一个组件。如图4所示，组合闭环/开环功率控制器108包括功率测量设备110、路径损耗估计设备112、质量测量设备114和发送功率计算设备116。

为了确定路径损耗L，发送站52还需要该通信的发送功率电平T_RS。发送功率电平T_RS可能和通信的数据一起或者在一个信令信道中发送。如果发送功率电平T_RS和通信的数据一起发送，数据估计设备102解译该功率电平，并把解译的功率电平发送给路径损耗估计设备112。如果接收站50是一个基站30₁，优选地通过广播信道(BCH)从基站30₁发送该发送功率电平T_RS。通过从发送的通信的发送功率电平T_RS(以dB为单位)中减去接收的通信的功率电平R_TS(以dB为单位)，路径损耗估计设备112估计两个站50和52之间的路径损耗L，步骤42。在某些情况下，接收站50可能不发送该发送功率电平T_RS，而是发送一个该发送功率电平的参考值。在那种情况下，路径损耗估计设备112为路径损耗L提供参考电平。

如果在估计的路径损耗和发送的通信之间存在一个时间延迟，发送的通信所经历的路径损耗可能不同于计算的损耗。在通信被在不同的时隙36₁-36_n发送的TDD系统中，接收的和发送的通信之间的时隙延迟可能降低开环功率控制系统的性能。组合闭环/开环功率控制利用闭环和开环功率控制信号特征(aspect)。如果路径损耗测量的质量高，系统主要作为一个开环系统。如果路径损耗测量的质量低，系统主要作为一个闭环系统。为了组合两种功率控制信号特征，系统基于路径损耗测量的质量对开环信号特征加权。

在一个组合闭环/开环功率控制器108中的质量测量设备114确定估计的路径损耗的质量，步骤46。可以利用由信道估计设备100生成的信道信息、由数据估计设备102生成的软码元或者其他质量测量技术来确定质量。发送功率计算设备116利用估计的路径损耗质量对路径损耗估计加权。如果功率命令b_TPC在通信数据中被发送，数据估计设备102解译闭环功率命令b_TPC。利用闭环功率命令b_TPC和加权的路径损耗，发送功率计算设备116设置接收站50的发送功率电平，步骤48。

以下是优选的组合闭环/开环功率控制算法之一。发送站的功率电平P_TS(以分贝为单位)由等式4和6确定。

P_TS＝P_O+G(n)+αL          等式4

P_O是接收站50希望用来接收发送站的通信的功率电平(以dB为单位)。利用等式5，由在接收站50的希望的SIR，即SIR_TARGET和在接收站50的干扰电平I_RS来确定P_O。

P_O＝SIR_TARGET+I_RS         等式5

从接收站50到发送站52以信令或者广播方式发送I_RS。对于下行链路功率控制，SIR_TARGET在发送站52已知。对于上行链路功率控制，SIR_TARGET被以信令方式从接收站50发送到发送站52。G(n)是闭环功率控制因数。等式6是确定G(n)的一个方程。

G(n)＝G(n-1)+b_TPCΔ_TPC    等式6

G(n-1)是前一个闭环功率控制因数。在等式6中使用的功率命令b_TPC或者为+1或者为-1。确定功率命令b_TPC的一个方法是等式3。典型地，功率命令b_TPC在一个TDD系统中以100ms的速率被更新，尽管也可以使用其他更新速率。Δ_TPC是功率电平的变化。功率电平的变化典型地是1dB，尽管可以使用其他值。结果，如果b_TPC为+1，闭环因数加1，而如果b_TPC为-1，闭环因数减1。

加权值α由质量测量设备114确定。α是估计的路径损耗的质量的测量，优选地，它建立在由发送站52所发送的通信的最后一个路径损耗估计的时隙和第一个时隙之间的时隙数目D的基础上。α值可以从0到1。通常，如果时隙之间的时间差D很小，最近的路径损耗估计将相当精确，并且α被设置为一个接近1的值。相反，如果时间差很大，路径损耗估计可能不精确，闭环信号特征可能会更精确。因而，α被设置为一个接近零的值。

等式7是用于确定α的一个等式，尽管可以利用其他的等式。

α＝1-(D-1)/D_MAX              等式7

D_MAX是最大可能延迟。具有15个时隙的一个帧的典型值是六。如果延迟是D_MAX或更大值，α接近零。利用由发送功率计算设备116所确定的计算的发送功率电平P_TS，组合闭环/开环功率控制器108设置发送的通信的发送功率。

要在来自发送站52的通信中发送的数据由一个数据生成器106来产生。通信数据由扩展和训练序列插入设备104扩展并在分配的资源单元的适当时隙和代码中与一个训练序列时间多路复用，产生一个通信脉冲串。扩展信号由放大器74放大，并由调制器70调制成射频。

组合闭环/开环功率控制器108控制放大器74的增益以获得用于通信的确定的发送功率电平P_TS。功率受控的通信通过隔离器62，由天线58辐射。

等式8和9是另一个优选的组合闭环/开环功率控制算法。

P_TS＝P_O+K(n)                  等式8

K(n)＝K(n-1)+b_TPCΔ_TPC+αL    等式9

K(n)是组合闭环/开环因数。如示，该因数包括闭环和开环功率控制信号特征。等式4和等式5分开表示这两种信号特征。

尽管上述两种算法仅仅加权开环因数，加权可以被应用到闭环因数或者开环和闭环因数。两者在某些情况下，网络运营商可能希望使用只是开环或者只是闭环的功率控制。例如，运营商可能通过把α设置为0来使用只是闭环的功率控制。

图5-10描述说明组合闭环/开环功率控制系统的性能的曲线图。这些曲线图描述比较ARIB建议的系统、闭环系统、使用等式4和6(方案I)的组合开环/闭环系统和使用等式8和9的组合系统(方案II)的性能的仿真结果。以码元速率执行仿真。对于上行链路和下行链路都使用扩展因数16。上行链路和下行链路信道是国际电信同盟(ITU)信道模型[ITU-RM.1225，车辆的，类型B]。对加性噪声以独立于具有单位方差(unity variance)的白高斯噪声的方式进行仿真。在发送站52估计路径损耗，发送站52是一个UE32₁，具体地说是一个移动站。BCH信道被用于路径损耗估计。路径损耗每帧被估计两次，以每秒200周期的速率进行估计。接收站50，其为一个基站30₁，通过BCH发送BCH发送功率电平。对UE32₁和基站30₁使用RAKE组合。在基站30₁使用天线分集组合。

图5，7和9描述在基站30₁，UE的功率受控通信的接收信噪比(SNR)的标准方差作为时隙延迟D的函数。图6，8，和10描述接收SNR的规格化偏差(normalized bias)作为延迟D的函数。规格化是针对希望的SNR执行的。曲线图118-128中的每个点代表3000个蒙特卡罗运算(Monte-Carlo runs)的平均值。

图5和6描述将α设置为1的结果。对于低时隙延迟(D＜4)，方案I和II的性能优于闭环功率控制。对于更大的延迟(D≥4)，闭环的性能优于方案I和II，这显示出对开环和闭环信号特征加权的重要性。

图7和8描述将α设置为0.5的结果。如示，对于不包括最大值的所有延迟，方案I和II的性能优于闭环功率控制。ARIB建议仅仅在最低延迟(D＝1)胜过其他方案。

图9和10描述利用等式7(其D_MAX等于6)设置α的结果。如示，方案I和II在所有延迟D处都优于闭环和ARIB建议。

Claims (9)

1.一种扩频时分双工用户设备，所述用户设备使用具有用于通信的时隙的帧，所述用户设备接收来自第一站的功率命令、并接收来自所述第一站的在第一时隙中具有发送功率电平的第一通信，在接收时，所述用户设备测量所述第一通信的功率电平，并决定一路径损耗估计，所述路径损耗估计是部分地基于所测量的接收到的第一通信功率电平、及所述第一通信发送功率电平，所述用户设备：

设定第二时隙中第二通信的发送功率电平，所述发送功率电平是部分地基于通过以所述功率命令调整的质量因数进行加权的所述路径损耗估计，其中当介于所述第一和第二时隙之间的时隙数目增加时，所述质量因数减少。

2.根据权利要求1所述的用户设备，其特征在于，部分地基于介于所述第一和第二时隙之间的时隙数目D，来决定所述路径损耗估计的所述质量因数α。

3.根据权利要求2所述的用户设备，其中最大时隙延迟为D_MAX，并且所述决定的质量因数α由以下公式来确定：

α＝1-(D-1)/D_MAX。

4.根据权利要求2所述的用户设备，其中设定所述发送功率电平是部分地基于所需的接收功率电平、闭环因数、和开环因数，其中所述闭环因数是部分地基于所述接收的功率命令，而开环因数是部分地基于由质量因数加权的路径损耗估计。

5.根据权利要求2所述的用户设备，其中设定所述发送功率电平是部分地基于在所述第一站所需的接收功率电平、及组合的闭环/开环功率控制因数，所述组合的闭环/开环功率控制因数是部分地基于接收的功率命令、及由所述质量因数加权的所述路径损耗估计。

6.根据权利要求4所述的用户设备，其中对每一接收的功率命令更新所述闭环因数。

7.根据权利要求5所述的用户设备，其中对每一接收的功率命令更新所述组合的闭环/开环功率控制因数。

8.根据权利要求4所述的用户设备，其中所需接收的功率电平是部分地基于一目标信号对干扰的比率、及一测量的干扰电平。

9.根据权利要求5所述的用户设备，其中所需接收的功率电平是部分地基于一目标信号对干扰的比率、及一测量的干扰电平。

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