CN1344444A - 时分双工通信系统中的外环/加权开环功率控制 - Google Patents

时分双工通信系统中的外环/加权开环功率控制 Download PDF

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Abstract

“外环/加权开环功率控制”控制扩频时分双工通信台的发射功率电平。第一通信台(110)向第二通信台发射的通信中包括在第一通信台根据对第二通信台发送向第一通信台的通信测得的差错率而产生的目标调整信息。第二通信台接收该通信并测量它的接收功率电平。路径损耗估计部分地根据接收到的通信的功率电平和该通信的发射功率电平来确定。路径损耗估计的质量也被确定。从第二通信台发向第一通信台的通信的发射功率电平部分地根据估计的质量对路径损耗估计的加权并根据从第一通信台发射的目标调整信息调整的接收目标来确定。

Description

时分双工通信系统中的外环/加权开环功率控制
技术领域
本发明涉及扩频时分双工(TDD)通信系统，特别是涉及一种时分双工通信系统中控制发射功率的系统和方法。
背景技术
图1描绘了一种无线扩频时分双工(TDD)通信系统。该系统有多个基站301-307。每个基站在其工作区内与用户设备(UE)321-323进行通信。由一个基站301发射至一个用户设备321的通信称为下行链路通信，而由一个用户设备321发射至一个基站301的通信称为上行链路通信。
除了在不同频谱进行通信外，扩频时分双工通信系统还在同一频谱进行多路通信。多个信号通过它们各自的码片序列(代码)来区别。为了更有效地利用扩频，如图2所示的时分双工系统使用了重复帧34，该重复帧34被分为若干时隙361-36n，例如16个时隙。在这样的系统中，在选中的时隙361-36n中利用选中的编码发送一个通信。由此，一个帧34就能够承载被时隙和编码共同区分开的多路通信。单个时隙中的单个编码的组合称为一个资源单元。根据支持通信所要求的带宽，将一个或多个资源单元分配给该通信。
大多数时分双工系统自动控制发射功率电平。在一个时分双工系统中，许多通信可以共享同一时隙和频谱。当一个用户设备321或一个基站301在接收一个特定通信时，所有其它共用该同一时隙和频谱的通信对该特定通信造成干扰。增加一个通信的发射功率电平会降低所有其它在同一时隙和频谱内的通信的信号质量。但是，发射功率电平过度降低的结果是在接受方造成不合要求的信噪比(SNR)和误码率(BER)。为了同时保持通信的信号质量和低的发射功率电平，采用了发射功率控制技术。
第5,056,109号美国专利(Gilhousen等人)描述了在码分多址(CDMA)通信系统中应用发射功率控制的一种方式。发射机向特定的接收机发送一个通信。在接收过程中，接收到的信号的功率被测量。接收到的信号的功率与要求的接收信号功率相比较。根据比较的结果，将控制码发送给发射机以将发射功率提高或降低一个固定量。由于接收机向发射机发送一个控制信号以控制发射机的功率电平，这样的功率控制技术通常称为闭环。
在特定条件下，闭环系统的性能会降低。例如，如果一个用户与一个基站之间的通信是在高速运动的环境中进行的，比如用户在移动，这样的系统可能不能够尽快地适应、补偿所发生的变化。在时分双工系统中的闭环功率控制的更新速率是每秒100周，对于快速衰落信道来说还不够快。由此，就需要通过其他的途径来保持信号质量和低发射功率电平。
发明内容
外环/加权开环功率控制在一个扩频时分双工通信系统中控制发射功率电平。在第一通信台，测量从第二通信台收到的通信的差错。部分地根据测得的差错来决定目标电平调整。第一通信台向第二通信台发射一个通信和目标调整。第二通信台测量第一通信台的通信的接收功率电平。路径损耗部分地根据该接收功率电平来确定。目标电平根据接收的目标调整被调整。路径损耗的质量根据后续的由第二通信台所发射的通信来确定。第二通信台的后续通信的发射功率电平部分地根据已确定了的路径损耗、已确定了的质量和已调整了的目标电平来调整。
附图说明
图1说明了一个现有技术的时分双工系统。
图2说明了一个时分双工系统的重复帧的时隙。
图3是外环/加权开环功率控制的流程图。
图4是应用外环/加权开环功率控制的两个通信台的组件示意图。
图5是外环/加权开环功率控制系统、加权开环功率控制系统和闭环功率控制系统的性能曲线图。
图6是上述三种系统在码组差错率(BLER)方面的性能曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对优选实施例进行说明，在整个过程中，类同的数字表示类同的元件。外环/加权开环功率控制将用图3的程序框图和图4所示的两个简化了的通信台110，112的组件来说明。在下面的说明中，发射机功率被控制的通信台称为发射台112而接收功率已被控制了的通信的通信台称为接收台110。由于外环/加权开环功率控制可被用于上行链路、下行链路或两种类型兼而有之的通信，功率被控制的发射机可涉及基站301、用户设备321或既涉及基站301又涉及用户设备321。由此，如果上行链路和下行链路的功率控制都被使用的话，则接收和发射台的组件都既涉及基站301又涉及用户设备321。
在步骤38中，接收台110接收各种射频信号，其中包括由发射台112使用一个天线78或一个天线阵发送的通信。接收到的信号经过一个隔离器66而传输到解调器68，以产生基带信号。该基带信号例如由一个信道估计装置70和一个数据估计装置72在时隙中利用分配给发射台通信的合适的编码进行处理。信道估计装置70通常运用基带信号中的训练序列成分来提供信道信息，例如信道脉冲响应。信道信息被数据估计装置72、干扰测量装置74和发射功率计算装置76使用。数据估计装置72使用信道信息从信道中通过估计软码元来恢复数据。
在发射台112的通信发射之前，通信中的数据信号通过一个检错/纠错编码器110被进行差错编码。尽管其它类型的差错编码方案也可被使用，但典型的编码方案是后跟前向纠错编码的循环冗余码(CRC)。
利用数据估计装置72产生的软码元，检错装置112检测软码元中的差错。在步骤39中，处理器111分析检测到的差错并确定接收到的通信的差错率。在步骤40中，根据该差错率，处理器111确定在发射台112目标电平需要改变的量(如果有改变的话)，例如目标信号与干扰之比(SIRTARGET)的改变量。根据已确定的量，目标调整发生器114产生目标调整信号。在步骤41中，该目标调整信号随后被发送至发射台，例如，目标调整信号通过如图4所示的专用信道或基准信道被发送给发射台112。
一种确定目标电平调整量的技术使用了上下限的方法。如果被确定的差错率超过了上限，则目标电平处于一个不可接受的低电平而需要被提高。发出一个目标电平调整信号以指示将目标电平增加。如果被确定了的差错率低于下限，则目标电平处于一个不必要的高电平而可被降低。通过降低目标电平，发射台的功率电平就被降低从而减少对其它使用同一时隙和频谱的通信的干扰。为了提高性能，差错率一超过上限，就发出目标调整。结果，高差错率被快速地改善而低差错率被缓慢地调整，例如每10秒一次。如果差错率处于上下限之间，就不发出目标调整量而维持目标电平不变。
下面说明的是将上述技术应用于一个使用循环冗余码(CRC)和前向纠错(FEC)编码的系统。每个循环冗余码(CRC)码组都被用于检验差错。每当确定一帧有一个差错时，就递增计数器。一旦计数器的数超过了上限，例如1.5到2倍于所要求的码组差错率(BLER)时，目标调整就被发送以提高目标电平。为了调整发射台112的目标信号干扰比(SIRTARGET)，SIRTARGET的增加量(SIRINC)就被发送，其值典型地在0.25dB至4dB的范围内。如果累计的CRC的帧数超过了一个预定的限度，例如1000码组，计数器的值就与前述的下限相比较，该下限的值例如可以是所要求的BLER的0.2到0.6倍。如果累计的码组差错数低于前述下限，就发送一个用以降低目标电平的目标调整信号SIRDEC，其典型的范围是0.25dB至4dB。SIRDEC的值可基于SIRINC和目标码组差错率BLERTARGET而定。BLERTARGET基于业务的类型而定，其典型的范围是0.1％至10％。等式1说明了确定SIRDEC的这种方法。
SIRDEC＝SIRINC×BLERTARGET/(1-BLERTARGET)    等式1
如果计数器中的数处于预定的码组上下限之间，则不发送目标调整信号。
另一方面，也可用单个的门限。如果差错率超过该门限，目标电平就被提高。如果差错率低于该门限，目标电平就被降低。另外，目标电平调整信号可有几个调整等级，例如，根据所确定的差错率与所要求的差错率之间的差，目标电平调整信号的值可在0dB至±4dB之间，以0.25dB为递增量。
接收台110的干扰测量装置74确定信道里以分贝为单位的干扰水平IRS，这种确定或基于信道信息，或基于由数据估计装置72所产生的软码元，或两者兼而有之。利用软码元和信道信息，发射功率计算装置76通过控制放大器54的增益来控制接收台的发射功率电平。
在步骤41中，接收台110向发射台112发送一个通信，用于估计接收台110和发射台112之间的路径损耗。该通信可通过诸多信道中的任意一个发送。在时分双工系统中，用于估计路径损耗的信道一般被称为基准信道，尽管其它的信道也可被用于估计路径损耗。如果接收台110是一个基站301，则优选为该通信通过下行链路公共信道或一个公共控制物理信道(CCPCH)来发送。通过基准信道被传输至发射台112的数据称为基准信道数据。该基准信道数据如所示那样可包括干扰水平IRS，该干扰水平IRS与其他基准数据，例如发射功率电平TRS，一起被多路传输。干扰水平IRS与基准信道功率电平TRS可被其他信道发送，例如信号信道。
基准信道数据由基准信道数据发生器56产生。根据通信的带宽要求，基准数据被分配一个或多个资源单元。一个扩频(spread)和训练序列插入装置58将基准信道数据扩频并使基准数据与合适的时隙内的训练序列及分配的资源单元的代码一起被时分复用。作为结果的序列称为通信脉冲串。随后，该通信脉冲串被一个放大器60放大。一个加法器62将该被放大了的通信脉冲串与通过其它装置如数据发生器50、扩频和训练序列插入装置52和放大器54所产生的通信脉冲串相加。
相加后的通信脉冲串被一个调制器64调制。被调制的信号如所示那样经过一个隔离器66后被一个天线78发射，或通过一个天线阵发射。该被发射的信号经过一个无线射频信道80到达发射台112的天线82。用于发射通信的调制的类型可以是熟悉此技术的人员所知的任何一种，例如直接相移键控(DPSK)或四相移相键控(QPSK)。
发射台112的天线82或天线阵接收各种射频信号，其中包括目标调整信号。接收到的信号经过一个隔离器84传送至一个解调器86以产生基带信号。该基带信号例如被一个信道估计装置88和一个数据估计装置90在该系列时隙中与被分配给接收台110的通信脉冲串的合适的代码一起处理。信道估计装置88通常利用基带信号中的训练序列成分来提供信道信息，例如信道脉冲响应。信道信息由数据估计装置90和功率测量装置92使用。
在步骤42中，对应于基准信道的经过处理的通信的功率电平RTS被功率测量装置92测量，然后被发送到一个路径损耗估计装置94。信道估计装置88和数据估计装置90都能够将基准信道与其它信道分开。如果一个自动增益控制装置或放大器被用于处理所接收到的信号，则测得的功率电平就或在功率测量装置92或在路径损耗估计装置94被调整以矫正自动增益控制装置或放大器的增益。功率测量装置是外环/加权开环控制装置100的一个组件。如图4所示，外环/加权开环控制装置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、目标更新装置101和发射功率计算装置98。
为了确定路径损耗L，发射台112也要求通信的发射功率电平TRS。通信的发射功率电平TRS可与通信数据一起被发送，或由信号信道发送。如果发射功率电平TRS与通信数据一起被发送，则数据估计装置90翻译功率电平并将翻译后的功率电平传送给路径估计装置94。如果接收台110是一个基站301，那么发射功率电平TRS最好经由来自基站301的广播信道传送。在步骤43中，通过从发送的通信的发射功率电平TRS减去接收的通信的功率电平RTS，路径损耗估计装置94估计两个通信台110，112之间的路径损耗L。另外，在步骤44中，路径损耗的长期估计L0被更新。路径损耗的长期平均值L0是路径损耗估计值的平均值。在某些情况下，接收台110可以发射一个发射功率电平基准而非发射功率电平TRS。这样，路径损耗估计装置94为路径损耗L提供基准电平。
由于时分双工系统在相同的频谱内发射下行链路和上行链路通信，这些通信所经历的情况是相似的。这种现象称为互易(reciprocity)。由于互易，下行链路所经历的路径损耗也将由上行链路所经历，反过来也一样。通过给目标电平施加一个估计的路径损耗，由发射台112向接收台110发送的通信的发射功率电平就被确定了。
如果在估计的路径损耗与发射的通信之间存在一个时延，发射的通信所受到的路径损耗可能与计算得到的路径损耗有差别。在时分双工系统中，如果通信在不同的时隙361-36n被发送，接收的和发送的通信间的时延会降低开环功率控制系统的性能。在步骤45中，为了克服这些缺点，加权开环功率控制系统利用一个质量测量装置96来确定估计得到的路径损耗的质量，并相应地对估计得到的路径损耗L和路径损耗的长期平均值L0加权。
为了进一步增强外环/加权开环的性能，目标电平就被调整。处理器103将数据估计装置90产生的软码元转换成比特并提取出目标调整信息，例如SIRTARGET调整。在步骤46中，目标更新装置101利用目标调整，来调整目标电平。目标电平可以是在接收台110的SIRTARGET或目标接收功率电平。
在步骤47中，发射功率计算装置98将调整的目标电平与加权了的路径损耗估计值L和路径损耗估计值的长期平均值L0结合来确定发射台的发射功率电平。
来自发射台112的通信中所要发射的数据产生于数据发生器102。该数据被差错检测/纠正编码器110进行差错检测/纠正编码。差错编码数据被扩频，并且是在合适的时隙与训练序列插入装置104产生的一个训练序列、和被分配给的资源单元的代码一起进行时分复用，由此产生一个通信脉冲串。扩频信号被一个放大器106放大并被一个调制器108调制至射频。放大器的增益由发射功率计算装置98控制以达到被确定了的发射功率电平。功率被控制的通信脉冲串通过隔离器84，然后被天线82发射。
下面是一个外环/加权开环功率控制的算法。以分贝为单位的发射台的发射功率电平PTS用等式2确定。
PTS＝SIRTARGET+IRS+α(L-L0)+L0+CONSTANTVALUE等式2
SIRTARGET具有根据接收到的目标调整信号的调整值。对于下行链路来说，SIRTARGET的初始值在发射台112是已知的。对于上行链路的功率控制来说，SIRTARGFT由接收台110传输至发射台112。另外，还可以传送经调整的SIRTARGET的最大值和最小值。经调整的SIRTARGET的值限制在最大值和最小值之间。IRS是接收台110的干扰功率电平的测量值。
L是路径损耗被估计的最近时隙361-36n的以分贝为单位的路径损耗估计值，即TRS-RTS。L0是以分贝为单位的路径损耗的长期平均值，是路径损耗的估计值L的动态平均值。CONSTANT VALUE是一个矫正项。CONSTANT VALUE矫正上行链路和下行链路信道之间的差异，例如补偿上行链路和下行链路之间增益的差异。另外，如果接收台的发射功率基准电平被发送以替代实际的发射功率TRS，则CONSTANT VALUE可以提供校正。如果接收台110是一个基站，则CONSTANT VALUE最好通过一个Layer3消息来发送。
加权值α是所估计路径损耗的质量量度，最好根据由发射台112发出的通信中最终的路径损耗估计时隙n和最初的时隙之间的时隙361-36n的数目n来确定。α的值在0和1之间。一般地，如果时隙之间的时差小，则最近的路径损耗估计值将会是相当精确的，α的值接近1。反之，如果时差大，则路径损耗估计值可能不精确，路径损耗测量值的长期平均值很可能是路径损耗的更好的估计。相应地，α设为更接近1的值。
等式3和4是确定α值的等式。
α＝1-(D-1)/(Dmax-1)                   等式3
α＝max{1-(D-1)/(Dmax-allowed-1)，0}      等式4
D是时隙361-36n中处于发射的通信中最终的路径损耗估计时隙和最初的路径损耗估计时隙之间的时隙的数目，其被称为时隙延迟。如果该延迟是一个时隙，α就是1。Dmax是最大的可能延迟，对于具有15个时隙的一帧来说，其典型值为7。如果延迟为Dmax，则α就为0。Dmax-allowed是利用开环功率控制所允许的时隙延迟的最大值。如果延迟超过了Dmax-allowed，则开环功率控制就通过将α设为0而有效地关闭。发射通信的发射功率由发射功率计算装置98所确定的发射功率电平PTS来设置。
图5和图6比较了加权外环/开环、开环和闭环系统的性能。图5和图6中的仿真与外环/加权开环模型的算法稍有不同。在这种模型中，每个码组的目标SIR都被更新。如果检测到一个码组差错，就增加SIRTARGET；如果没有检测到码组差错，就减少SIRTARGET。外环/加权开环系统使用等式2。等式3用于计算α。上述仿真比较了上述系统在控制一个用户设备321的发射功率电平时的性能。为进行仿真，每个码组被填充16比特循环冗余码，每个码组是四帧。当一个码组中发生至少两个原始比特的差错时，就声明一个码组差错。对上行链路的通信信道，每帧分配一个时隙。码组差错率的目标是10％。每4帧就更新SIRTARGET。上述仿真说明这些系统对于一个每小时移动30公里的用户设备UE321的性能。被仿真的基站使用两个天线分集用于接收，每个天线有一个三指RAKE接收器。该仿真近似于一个真实的信道，SIR估计基于加性高斯白噪声(AWGN)中的1型脉冲串段的中间段(midamble)序列。该仿真使用国际电信联盟(ITU)普通B型信道和四相移相键控(QPSK)调制。干扰电平假定为没有不确定性。信道编码方案没有被考虑。L0设为0dB。
图5中的图线120示出了在对于10-1的BLER所要求的ES/NO作为上行链路时隙和最近的下行链路时隙之间的时延函数的情况下，所期望的性能。延迟由时隙的数目来表达。ES是复合码元的能量。图5说明：当增益/干扰的不确定性被忽略时，该组合系统的性能就几乎等于加权开环系统。该组合系统对于所有的延迟在性能上都胜过了闭环系统。
在存在增益和干扰的不确定性的情况下，开环系统的发射功率电平相对于标称值来说，或是太高或是太低。在图6中的图线122中，使用了-2dB的增益不确定性。图6示出BLER作为延迟的函数。为了得到一个10-1的BLER，每个系统的初始基准SIRTARGET被设为由图5中得到的其相应的标称值。图6说明，在存在增益不确定性的情况下，组合系统和闭环系统都获得了所要求的BLER。加权开环系统的性能严重地下降了。

Claims (26)

1.一种在扩频时分双工通信系统中控制发射功率电平的方法，所述系统具有用于通信的具有时隙的帧，该方法包括：
在第一通信台接收来自于第二个通信台的通信并确定所接收的通信的差错率；
部分地根据该差错率产生所需的目标调整；
在第一时隙从第一通信台发射具有发射功率电平的第一通信和目标调整；
在第二通信台接收目标调整和第一通信，并测量接收到的第一通信的功率电平；
部分地根据所测得的接收到的第一通信的功率电平确定路径损耗估计；
部分地根据由第一系数加权的路径损耗估计，由第二系数加权的长期路径损耗估计，和由目标调整所调整的目标电平，设定在第二时隙从第二通信台发向第一通信台的第二通信的发射功率电平，其中第一和第二系数是第一和第二时隙的时间分隔的函数。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述目标电平是目标信号与干扰之比。
3.如权利要求2所述的方法，其中对于目标信号与干扰之比的调整被限定为最大值与最小值。
4.如权利要求2所述的方法，其中每个目标调整都位于0.25分贝至4分贝之间的范围。
5.如权利要求2所述的方法，其中
以SIRINC表示提高目标信号与干扰之比的目标调整；
以SIRDEC表示降低目标信号与干扰之比的目标调整；
以BLERTARGET表示目标码组差错率；
SIRDEC由下面的等式确定：
SIRDEC＝SIRINC×BLERTARGET/(1-BLERTARGET)。
6.如权利要求5所述的方法，其中BLERTARGET在1％到10％的范围内。
7.如权利要求1所述的方法，其中
如果差错率超过了上限或低于下限，则发送目标调整量；
如果差错率位于上限和下限之间，则不发送目标调整量。
8.如权利要求7所述的方法，其中一旦差错数超过上限，则发送提高目标电平的目标调整量。
9.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
部分地根据第一和第二时隙之间的时隙数D来确定路径损耗估计的质量α；
其中第一系数是α，第二系数是1-α。
10.如权利要求9所述的方法，其中最大时隙延迟以Dmax表示，所确定的质量α由下式确定：
α＝1-(D-1)/(Dmax-1)。
11.如权利要求9所述的方法，其中所允许的最大时隙延迟以Dmax-allowed表示，所确定的质量α由下式确定：
α＝max{1-(D-1)/(Dmax-allowed-1)，0}。
12.如权利要求1所述的方法，其中所设定的发射功率电平补偿上行链路增益和下行链路增益之间的差异。
13.如权利要求1所述的方法，其中所述第一通信台是基站，所述第二通信台是用户设备。
14.如权利要求1所述的方法，其中所述第一通信台是用户设备，第二通信台是基站。
15.一种具有第一和第二通信台的扩频时分双工通信系统，该系统使用具有时隙的帧进行通信，其包括：
第一通信台，该第一通信台包括：
用于从第二通信台接收通信并确定所接收通信差错率的装置；
用于部分地根据差错率来产生所需的目标调整的装置；
用于在第一时隙发射具有发射功率电平和目标调整的第一通信的装置；
第二通信台，该第二通信台包括：
用于接收目标调整和第一通信并测量所接收的第一通信的功率电平的装置；
用于部分地根据所测得的接收到的第一通信功率电平来确定路径损耗估计的装置；
用于部分地根据由第一系数加权的路径损耗估计与由第二系数加权的长期路径损耗估计和由目标调整所调整的目标电平的结合，来设定在第二时隙由第二通信台向第一通信台发送第二通信的发射功率电平的装置，其中所述第一和第二系数是第一和第二时隙的时间分隔的函数。
16.如权利要求15所述的系统，其中目标电平是目标信号与干扰之比。
17.如权利要求16所述的系统，其中目标信号与干扰之比的调整被限制为最大值和最小值。
18.如权利要求15所述的系统，其中每个目标调整量都在0.25dB至4dB的范围内。
19.如权利要求15所述的系统，其中
如果差错率超过了上限或低于下限，则发送目标调整量；
如果差错率位于上限和下限之间，则不发送目标调整量。
20.如权利要求19所述的系统，其中一旦差错数超过上限，则发送将目标电平提高的目标调整量。
21.如权利要求15所述的系统，其中：
第二通信台进一步包括用于部分地根据第一和第二时隙之间的时隙数D来确定路径损耗估计的质量α的装置；和
其中第一系数是α，第二系数是1-α。
22.如权利要求21所述的系统，其中最大时隙延迟以Dmax表示，所确定的质量α由下面的等式确定：
α＝1-(D-1)/(Dmax-1)。
23.如权利要求21所述的系统，其中所允许的最大时隙延迟以Dmax-allowed表示，所确定的质量α由下面的等式确定：
α＝max{1-(D-1)/(Dmax-allowed-1)，0}。
24.如权利要求15所述的系统，其中所设定的发射功率电平补偿上行链路增益和下行链路增益之间的差异。
25.如权利要求15所述的系统，其中所述第一通信台是基站，所述第二通信台是用户设备。
26.如权利要求15所述的系统，其中所述第一通信台是用户设备，所述第二通信台是基站。
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