CN1351783A - 无线通信系统中的功率控制装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于在CDMA系统中的第一电台与第二电台之间进行功率控制的装置和方法。在第一电台,将接收来自第二电台的信号的接收功率示数发送给第二电台,在第二电台,接收来自第一电台的接收功率示数,并且相应修改其发射功率。一个内控制环产生一功率控制量度估计值,而且一个外控制环根据接收到的服务质量(QoS)而产生一外环阈值信号(OLT)。外控制环装置产生一信道误码率信号(ChER),并能根据该信号来跟踪信道的变化。这种功率控制能够对信道类型和速度中的变化进行补偿。这种双外环方案可以使所需的QoS保持低FER/高数据速率的服务。

Description

无线通信系统中的功率控制装置和方法

发明领域

本发明涉及诸如CDMA蜂窝电话系统等无线通信系统中的功率控制。

发明背景

在CDMA系统中，需要用‘外环’功率控制来为恰好能够实现所需服务质量(QoS)的‘内环’功率控制环设定一个正确的目标。该目标点的数值将作为信道传播的函数(例如，耗散率或用户速度)而发生变化。没有有效的功率控制，就会使用户所接受的QoS严重下降或者使网络容量降低(这是由于当超过所需QoS时的过量功率传输的结果)。

具体来讲，在CDMA系统中，需要用动态外环功率控制来为内功率控制环调整Eb/No(每比特的能量与噪声功率谱密度之比)目标点，以在试图保持恒定QoS时达到跟踪信道传播变化的目的。

诸如已被提出的全球移动电话系统(UMTS)的下一代蜂窝电话业务将能提供很多种不同的服务，其每种服务在延时、误码率(BER)以及帧擦除率(FER)方面都有十分不同的QoS需求。这将是对移动无线设备制造商的一种挑战，因此他们必须将自己的产品设计成能够完全适应这些各种各样的需求。

用于执行外环功率控制的传统方法，例如基于现有CDMA网络(如：IS-95蜂窝标准)中所使用的‘锯齿’算法之类的那些方法，并不能适用于所有的服务类型。对于低FER或高延时业务(例如：视频业务)来说，尤其如此，而这些业务正是下一代网络将要遍布全球使用的。

发明概述

根据本发明的第一个方面，提供了一种在权利要求1中所述的装置。

根据本发明的第二个方面，提供了一种在权利要求7中所述的方法。

附图说明

以下将只用举例的方式参考附图对本发明的一个实施例进行说明，在附图中：

图1是一个系统的形成框图，该系统含有现有技术的内环和动态外环功率控制；

图2是本发明的优选实施例中所使用的一个方案的形成框图，该方案用于对信道误码率测量结果进行再编码；

图3是根据本发明一个优选实施例的系统的形成框图，该系统采用了一种双外环功率控制方案(DOLAP)；

图4说明用于为图3所示系统的计数器参数获得一个正确的数值；以及

图5的示意框图显示了在图3所示系统中使用的目标信道误码率(ChER_Target)更新方案。

优选实施例说明

双环(内环和外环)功率控制在CDMA蜂窝电话系统中已广为人知。在CDMA系统中，需要用动态外环功率控制来为内功率控制环调整Eb/No目标点，以达到跟踪信道传播(例如，耗散率或用户速度)中的变化的目的。没有有效的外环功率控制，就会使用户所接受的QoS严重下降或者会使网络容量降低(作为导致过高QoS的过量功率传输的结果)。

图1中显示了一种内环和动态外环功率控制的布局。在这种结构中，发射器4的发射功率2通过一包含在接收器单元R中的内环6受到控制。内环6包括：发射功率输入，一屏蔽(慢)衰减齿型(profile)8，一快衰减齿型12以及噪声干扰14。快衰减齿型12自身依赖于信道变化(如：速度/耗散率)10。对内环6来说，接收器电路16从接收器R所接收到的信号中产生一个功率控制量度估计值(PCM_Est)-它是接收的Eb/No的一个函数，并且用于调节发射器4的发射功率2。另外，外环18也被用于控制发射器4的发射功率2。在外环18中，一个服务质量估计值(QoS_Est)被从接收器R上所接收到的信号中获得，并且并被用于产生一个外环阈值(OLT)信号。内环6的PCM估计信号PCM_Est和外环18的OLT信号被进行比较，其结果用于控制发射器4的发射功率2。

诸如已被提出的全球移动电话系统(UMTS)的未来一代蜂窝电话业务将能提供多种不同的服务，其每种服务在延时、误码率(BER)以及帧擦除率(FER)方面都有十分不同的QoS需求。这将是对移动无线设备制造商的一种挑战，因此他们必须将自己的产品设计成能够完全适应这些各种各样的需求。

用于执行外环功率控制的传统方法，例如在IS-95 CDMA网络中通常使用的外功率控制环方案(基于‘锯齿’算法)，不能适用于所有的业务类型。对低FER或高延时业务(如：视频业务)来说尤其如此，而这些业务正是下一代网络将要遍布全球使用的。

‘锯齿’算法可由以下内容说明：从接收器能够得到以帧循环冗余校验(CRC)合格/失败形式的QoS信息。在第k个接收帧是坏帧的情况下，帧质量指示标志q_k被设定为+1，在第k个接收帧是好帧的情况下，帧质量指示标志q_k被设定为-1。函数f(q_k)根据QoS输入信息q_k返回外环步进值，即：

对q_k＝-1，f(q_k)＝-Δ  并且对q_k＝+1，f(q_k)＝+KΔ(1)

即，对每个接收到的好帧来说，OLT被减去一个量Δ，而对每个接收到的坏帧来说，OLT将被增加一个量KΔ。利用给定的符号，就可用更加数学化的形式将该算法表达为： $\mathrm{OLT}(k+1)=\mathrm{OLT}\left(k\right)+\frac{1}{2}\{(q_k+1)\mathrm{K\Δ}+(q_k-1)\mathrm{\Δ}\}--\left(2\right)$ K值可以通过作为所需FER的一个函数获得： $K=\frac{(1-2\mathrm{FE}{R}_{T\arg \mathrm{et}}+1)}{(1+2\mathrm{FE}{R}_{T\arg \mathrm{et}}-1)}=\frac{1}{{\mathrm{FER}}_{T\arg \mathrm{et}}}-1---\left(3\right)$

因此，假设所需的FER为1％，则对接收到的每个好帧，该算法将对OLT减去一个量Δ，而对接收到的每个坏帧，该算法将对OLT增加99Δ。这样就可达到所需FER中的这个结果。

该锯齿算法需要一个额外的传输功率(它是KΔ的函数)，用以达到所需的FER_Target。因此，可以明白，由于动态外环增加了K＝1/FER_Target，所以将发射过剩的功率，而这将使低FER UMTS业务的问题变得很明显。长约束延时(LCD)数据业务已在UMTS框架之内设计，用以提供QoS，它等于业务帧擦除率(SFER)的约10^-3。因此，由于Δ存在用于信道跟踪目的的低限，所以步进长度KΔ将变得很大，并且为了满足QoS，必须发射大量过剩的功率。此举将会大大降低网络容量，尤其是在这样一种情况中，即，各个高数据速率LCD用户在一个单元内比各低数据速率用户(如：语言通信)消耗更多的功率资源。

可以用一种更为通用的形式来归纳这个问题。外环的存在是为了跟踪信道中速度和耗散率的各种变化，这些变化可能在一段时间内发生(例如：在0.5-5秒之内)。作为一个例子，一个车载用户可以在5秒之内从120公里/小时变化成0公里/小时，而QoS上Eb/No中的变化则可能约为2dB的数量级。‘锯齿’外环算法被CRC失败信息单独驱动，按照定义，该信息的发生极为罕见(如：SFER＝10^-3)。考虑到一个典型的具有80ms的业务帧延续时间的UMTS LCD电路交换数据业务，这将使一个服务帧擦除每1.5分钟增加约SFER≈10^-3！所以，对任何合理的步进(KΔ)长度来说，外环将不能充分跟踪信道的变化，因为其相应的步减长度(Δ)必须被设定成一个很小的值。因此，从实际情况看，‘锯齿’算法只适用于服务帧擦除率为10^-2或更高的低延时业务，或者是采用自动重复请求(ARQ)的非实时(NRT)业务。对带有低误码概率的QoS请求的实时(RT)业务来说，需要有另一种解决方案。

可以理解，需要为具有潜在的长服务帧延续时间和/或很低的SFER QoS目标的LCD服务提供一个不同的解决方案。在这些服务中，流入外环机构的质量信息本身具有太低的频率，以致于在不依靠发射大量多余功率的情况下就不能充分跟踪任何信道变化。对Δ的任何实际值来说，‘锯齿’算法所需的多余功率发射将非常高，因为按照K假定的数值将会很大。因此，就需要对链路质量进行更为频繁的测量以实现信道跟踪。

本发明基于这样一种情况而实现，即，与一特定后信道解码QoS相对应的信道误码率(例如：在“RAKE”最大比率合并(MRC)之后，但在信道解码之前)相对于信道类型和速度是独立的(应该知道，RAKE MRC是CDMA系统中一种众所周知的技术)。也就是说，对于任何特定的QoS来说，都存在有一个相应的信道误码率(ChER)，它对信道类型和速度中的变化非常不敏感。因此，如果可以找到所需要QoS上的ChER，就可以在不需要任何其它信息的情况下对信道的变化进行连续地测量。但是，不可能为每个服务和数据速率都设置一个特定的所需ChER，因而需要有一些自动化的“ChER—目标—设定”过程。

参考图2，通过对解码信息位的一个再编码结果与一关于接收器/解调器发出的软信道比特的硬判决进行比较，就可从接收器中获得对ChER的精确估计。在图2所示的方案中，接收器/解调器20为信道解码器22提供输出，后者则在其输出中产生假定的信息比特。信道解码器的输出被加载到一个信道编码器24上，后者则在其输出中产生一个假定信息位的再编码版本。信道编码器24的输出被与接收器/解调器20的输出进行比较并被加载到一个积分器26上。在各个所需测量周期的结尾处，积分器26的输出通过一开关28得到采样和复位，从而在其输出端产生一个与测量周期内已接收到的信号部分等量且经再编码的信道错误量度(ReEnc_ChER)。

可以知道，对于确定的编码方案(如递归方案)来说，需要将经再编码的代码输入到比较器中以获取结果，而不是直接从经解码的位中获得。例如，通过将与最相似路径相对应的代码字经一解码器格构衔接起来，就可获得一个适当的备用再编码量度。在QoS点上，ReEnc_ChER将代表最接近的真实信道误码率ChER(由于按照定义，解码输出中只含有极少的错误)。另外，对BER为10^-6的turbo编码LCD业务来说，10％到20％之间的ChER是典型的，因此，在经再编码度量上的解码比特中不频繁出现错误的效果很小。

参考图3，根据上述原则，开发出一种外环算法，它含有两个组成环，为方便起见，我们将其称为“双—环算法”或“用于功率控制的双—外环算法(DOLAP)”。如图3所示，一个接收到的信号被加载到图2所示的信息比特还原结构上，从而产生一个经再编码的信道误码率量度(ReEnc ChER)以及一个被加载到‘外环1’(36)上的循环冗余校验(CRC)合格/失败信号(CRC_p/f)。ReEnc_ChER信号被加载到一个‘外环2’(40)上，在该环上，ReEnc_ChER信号被过滤并被与一来自‘外环1’(36)的目标信道误码率信号(ChER_Target)进行比较，用以驱动一个“小增益步进”递增器/递减器42。‘外环1’(36)还产生一个输出，用于驱动一个“大增益步进”递增器/递减器38。“小增益步进”递增器/递减器42和“大增益步进”递增器/递减器38的输出被合并起来，从而产生一个OLT递增/递减信号(OLT_+/-)，该信号用于获取内功率控制环阈值信号OLT。

这样，‘外环1’(36)就以CRC合格/失败事件的形式监视QoS信息。作为对CRC_p/f输入的响应，‘外环1’(36)将为‘外环2’(40)设置一个目标信道误码率(ChER_Target)，并还输出相对较大的OLT递增/递减调节量(Δ_big)。在没有更多的‘外环1’OLT调节事件时，外环2通过对ReEnc_ChER的过滤结果与ChER_Target进行比较，并以较小的步进值(Δ_small)将用于内PC环的OLT调高或调低，从而尝试保持指定的ChER_Target。Δ_small和Δ_big可以代表在线性范围内或是在对数范围内(按照与‘锯齿’算法相类似的方式)对OLT的倍增调节。

采用经再编码的信道的误码率量度(ReEnc_ChER)在一段较长时间内的平均值是有益的，这样就可在被外环2使用之前减少它的变化。该过滤延续时间与业务帧延续和数据速率无关。

从更加详细说明的角度来考虑外环1，它可以执行以下两种功能：

(i)监视业务帧的业务质量指示符(SFQI)信息，并据此对OLT调节步进值+/-Δ_big；和

(ii)为外环2确定ChER_Target。

首先考虑外环1的监视SFQI信息和调节OLT的功能，该过程的算法如下。SFQI_n表示在错误中是否找到第n个服务帧。数值为+1说明有错误，而数值为-1则说明是一个好服务帧。在遇到一个表明CRC失败的SFQI时，该过程将检查在最后T个服务帧是否找到一个服务帧存在错误。如果有，则OLT将被调节一个量+Δ_big。当CRC失败时，一个计数器将被复位。在没有其它错误的情况下，该计数器随着每个业务帧而递增，直到超过T值为止。当这种情况发生时，说明已经接收到T个没有错误的业务帧，然后OLT将被调节一个量-Δ_big。该计数器在这种情况下将被再次复位。

这种算法可用下述数学表达式表示： $\left[\mathrm{OLT}\left(n\right)\right]=[\mathrm{OLT}{(n-1)]}^{*}\frac{{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{big}}}{2}({\mathrm{SFQI}}_n+\frac{T-\mathrm{counter}}{\sqrt{{(T-\mathrm{counter})}^2}})--\left(4\right)$

Δ_big的步进长度值应足够大，以在不需要的业务帧擦除事件上给出一个适当的递增量，但也要足够小以防止在上述QoS工作点上超过发射功率太多。Δ_big的一个典型值可以为0.25dB。虽然在本例中给出了步进长度的推荐值，但也对Δ_big和Δ_small进行优化。

通过将该外环1过程建模成一个分立的3态Markov过程，就可找到导致所需SFER的T的数值。这种建模过程产生了如图4所示的内容，该图显示了(T^*SFER)与(P_err(tot)/SFER)之间的关系。从该图中可以看出，为了实现所需的SFER_Target，与计数器相关的参数T(公式(4)中)必须被选择成： $T=\left(\frac{1}{{\mathrm{SFER}}_{T\arg \mathrm{et}}}\right)\×0.66--\left(5\right)$

现在再考虑外环1所具有的为外环2确定ChER_Target的第二个功能。应该注意的是，上述外环1的第一个功能(监视SFQI信息和调节OLT)的算法在既没有出现大步增加也没有出现大步减小的情况下含有一个‘什么都不做’状态。在这些周期内，外环2会试图通过利用信道误码率估计值与信道误码率目标的比较结果将OLT以较小的步进值调高或调低，从而保持一个恒定的信道误码率。ChER_Target将在第一个功能中的计数器复位之后(即，当一个大步增加或减少完成时)被设定。再参考图5，将会出现以下的ChER_Target更新过程。当计数器复位在第一个功能中发生时(即，当一个大步增加或减少完成时)，检测到这个情况，并进入一个等待周期50(它等于再编码信道误码率过滤器52的延时)，在该周期中对ReEnc_ChER进行采样和取平均(用于外环2)，在这个延时周期之后，ReEnc_ChER平均过滤器52的输出被输入到一个ChER_Target过滤器54当中，它在第一个功能中的每个计数器复位之后被记录。该过滤器的输出就是外环2所使用的实际ChER_Target。

因此，外环1和外环2的操作可总结如下。当外环1的第一个功能确定出需要在OLT中进行相对较大步的改变时，将执行此操作并对新的信道误码率进行测量。一旦利用先前的这种测量结果而得到过滤，就可将其认为是外环2的一个新的可接受的信道误码率目标以进行跟踪。按照这种方法，外功率控制环就能够为业务确定在所需Qos点的平均信道误码率(它们对不同的服务是完全不同的)。然后，外环2就可对信道中的任何变化进行快速跟踪，而无需其它的CRC情况信息(按照定义，它将以极慢的速度到达)。

应该明白，需要用各种过滤参数以适应不同的服务帧延续时间和不同的SFER_Target值，因为它们影响着输入到ChER_Target过滤器中的平均速率和变化信息。

在开始一个通话时，必须设定一个初始信道误码率目标。该目标将随着外环1第一个功能中计数器的复位而被更新。应该将此初始目标设定为一个高的误码率(高于所需QoS上的任何服务ChER)，这样，在初始OLT设定太高的情况下，外环2将驱使功率降低直到遇到第一个错误为止。在此过程之后，它将自动为自己设定适当的ChER_Target。因此，必须小心，ChER_Target的初始值并未进入ChER_Target过滤器。在初始OLT目标太低的情况下，将会遇到错误，而该过程将会进行自适应。

外环2所执行的功能十分简单。它接受两个输入：(i)ReEnc_ChER的过滤结果，以及(ii)ChER_Target。外环2简单地对这两个值进行比较，并据此对OLT进行调节。

Δ_{small per second}的数值应该与用于语音服务的‘锯齿’算法中所使用的步减长度Δ_per second相类似，其目的是为了保证这两种算法具有相似的信道跟踪能力。

仿真测试表明，采用上述双环(DOLAP)方案的功率控制可以使所需的QoS保持低FER/高数据速率的服务。模拟测试还显示出，采用上述双环(DOLAP)方案的功率控制非常适应信道条件的变化，控制环适应于变化而无需CRC失败。

应该明白，虽然上文中对本发明的说明是针对CDMA系统，但本发明所适用的系统并不仅限于CDMA。例如，本发明也可在CDMA/TDMA系统的混合系统中得到使用。

Claims (7)

1.一种用于在无线通信系统中的第一电台(4)与第二电台(R)之间进行功率控制的装置，该装置的特征在于包括：

位于第一电台(4)的功率指示装置，其将第一电台上的信号接收功率示数发送给第二电台(R)；以及

位于第二电台(R)的功率控制装置，其接收来自第一电台(4)的接收功率示数，并根据该接收功率示数修改其发射功率；该功率控制装置含有：内控制环装置(6)，它用于产生功率控制量度；外控制环装置(18)，其根据接收到的服务质量(QoS)而产生外环阈值信号(OLT)，上述外控制环装置(18)含有用于产生信道误码率信号(ChER)的装置，该信号用于跟踪信道的变化；

上述外控制环装置(18)的特征在于包括：

第一外环装置(36)，其监视质量检查合格/失败事件，并响应该事件来设定目标信道误码率；以及

第二外环装置(40)，用于接收信道误码率信号，并对此信号与来自第一外环装置的目标信道误码率信号进行比较。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，上述用于产生一信道误码率(ChER)信号的装置含有：

装置(20)，它用于产生一含有编码信息位的信息信号；

装置(22)，它用于对来自上述信息信号的接收信息位进行解码；

装置(24)，它用于对已经解码的信息位进行再编码；以及

装置(26)，它用于对解码信息位的再编码结果与上述信息信号进行比较，以产生信道误码率信号。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于上述质量检查合格/失败事件指的是循环冗余校验合格/失败事件。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于上述第一外环装置(36)含有用于自动更新目标信道误码率的装置。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于上述第一外环装置(36)可操作以调节上述外环阈值信号。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于上述系统是码分多址(CDMA)系统。

7.一种用于在无线通信系统中的第一电台(4)与第二电台(R)之间进行功率控制的方法，该方法的特征在于包括：

在第一电台(4)上产生第一电台(4)的信号接收功率示数，并将其发送给第二电台(R)；以及

在第二电台(R)上接收来自第一电台(4)的接收功率示数，并操作以根据该接收功率示数修改第二电台(R)的发射功率；

在第一电台(4)上产生信号的步骤包括以下步骤：

在一内控制环(6)中产生一功率控制量度；

根据接收到的服务质量(QoS)在一外控制环(18)中产生一外环阈值信号(OLT)，上述外环阈值信号含有一信道误码率信号(ChER)，该信号用于跟踪信道的变化；

在上述外控制环(18)中产生信号的步骤，其特征在于包括以下步骤：

在第一外环(36)中监视质量检查合格/失败事件，并响应该事件来设定目标信道误码率；以及

在第二外环(40)中接收信道误码率信号，并将此信号与来自第一外环(36)的目标信道误码率信号进行比较。

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