CN1665157A - 码分多址移动通信系统中的反向外环功率控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种码分多址移动通信系统中的反向外环功率控制方法，包括下列步骤：(1)分别计算下述四个参量：用户当前瞬时误帧率，在设定时间内的瞬时误帧率的加权平均值(作为当前实际误帧率)，当前实际误帧率与目标误帧率的差值，当前实际误帧率与前一实际误帧率的差值，用作调整步长参量；(2)利用当前实际误帧率、当前实际误帧率与目标误帧率的差值、当前实际误帧率与前一实际误帧率之间的差值以及设定的目标误帧率四个参量，对该用户当前的Eb/Nt门限进行调整，以便在保证系统传输质量前提下，以较小功率发射信号，减小系统各个移动台之间的干扰。该方法既可对多变的无线通信环境做出快速准确的反应，又可以保证链路通信质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种反向外环功率控制方法，确切地说，涉及一种用于第三代3G码分多址CDMA移动通信系统中的反向外环功率控制方法，属于移动通信
技术领域。
背景技术
码分多址(CDMA，Code Division Mutiple Access)是一个扩频技术平台，它允许多个用户在同一时间使用相同的无线频段进行通信。由于所有的移动台都在相同的频段传送信号，系统内产生的互相干扰在决定系统的容量和话音质量方面起到了关键作用，所以必须对来自每个移动台的发射功率进行控制，使其既能维持高质量通信，同时又避免对其他移动台产生不必要的干扰。
当移动台MS移动时，射频环境处于不断变化中，对其进行功率控制，可以在各种条件下保证链路传输质量的同时，限制前向和反向链路的发射功率。由于基站的非相干检测，反向链路的干扰要比前向链路的干扰严重的多。所以，反向链路功率控制是必不可少的。
由于电磁波的衰减特性，基站接收到的近距离用户的信号强度要高于远距离用户的信号强度，当所有用户都使用相同的功率发射信号时，近距离用户必然对远距离用户造成严重干扰，这就是移动通信中的“远近效应”。为了克服“远近效应”，CDMA系统必须进行功率控制，以确保所有的移动台在基站达到相同的接收功率。
因此，可以说功率控制是CDMA中的一项关键技术，它在很大程度上决定了系统的性能。CDMA的功率控制分为前向功率控制和反向功率控制，其中，前向功率控制用于减少对邻近小区的干扰；反向功率控制则不仅要克服“远近效应”，更重要的是用于减少用户间的多址干扰，以提高通信系统的容量。
反向功率控制又分为开环和闭环两种类型。在开环功率控制中，移动台根据接收到的前向信道的功率强度估算反向业务的发射功率。闭环功率控制分成内环功率控制、外环功率控制和外外环功率控制三部分，其工作流程参见图1所示。
反向内环功率控制在基站收发信机BTS和移动台MS之间进行。BTS测量接收到的反向信道的Eb/Nt(每比特信号能量与有效噪声功率谱密度之比，适用于IS-2000系统)或Ew/Nt(每Walsh符号能量与有效噪声功率谱密度之比，适用于IS-95系统)，再把测量值跟一个由反向外环功率控制事先设定的外环门限进行比较，以此来决定功率控制位：当测量值小于外环门限时，BTS将功率控制位设置为0，指示移动台提高发射功率；反之，当测量值大于外环门限时，BTS将功率控制为设置成1，指示移动台降低发射功率。
反向外环功率控制是选择分发单元SDU根据反向业务信道的误帧率(FER)对各个软支路的反向外环功率控制门限进行动态调节的过程。在进行外环功率控制过程中，SDU从BTS接收反向业务信道的帧质量报告，统计软支路的误帧率，然后将这个统计值与设定的软支路误帧率门限进行比较，根据比较的结果动态调整各个软支路的外环功率控制门限。
参见图2，反向业务信道外环功率控制可能有两个状态：误帧率偏低状态和误帧率偏高状态，它们随着误帧率的变化而发生转换：当误帧率上升到一定限度时，SDU进入误帧率偏高状态；反之，如果误帧率持续下降，达到某一门限后，SDU将进入误帧率偏低状态。
在误帧率偏低状态时，如果信道质量较好，能继续保持较低误帧率，SDU将降低外环功率控制的Eb/Nt门限；而在信道质量逐渐恶化，导致误帧率上升到一定限度时，SDU从误帧率偏低状态转换到误帧率偏高状态。
在误帧率偏高状态时，如果信道质量持续恶化，导致误帧率不断上升，SDU将提高外环功率控制的Eb/Nt门限；而在信道质量持续好转，导致误帧率下降到一定限度时，SDU从误帧率偏高状态转换到误帧率偏低状态。
反向外环功率控制的作用是调整基站的接收信号的目标Eb/Nt值，以满足误帧率FER要求。目前，获取Eb/Nt门限估值的算法已经有多种，下面选择介绍其中的两种，概述如下：
一种方法是：根据接收的不同情况选取不同的调整步长值。如果连续出现坏帧，则将调整步长加大；如果误帧率超过标准，但是最近几帧都是好帧，则调整步长取小一些。如果实际接收的误帧率FER大于目标误帧率，并且前若干帧中有连续两帧的错误，则调整步长为setp1；如果实际接收的误帧率FER大于目标误帧率，但只是最近一帧有错，则调整步长为setp2；如果实际接收的误帧率FER大于目标误帧率，且连续接收的正确帧数超过一个设定的帧数N，则调整步长为setp3；如果实际接收的误帧率FER小于理想误帧率，且连续接收的正确帧数超过设定的帧数N，则调整步长为setp4；其他情况不作调整。其中各个调整步长之间的关系为：setp1＞setp2＞setp4＞setp3。
另一种方法是：基站将接收到的帧送入一个先进先出FIFO缓存器中缓存，缓存长度为320帧，然后统计该缓存器中的误帧数，得到实际的误帧率。其计算公式是：实际接收的误帧率FER＝缓存中的坏帧数/缓存长度。
实际执行时，基站每收到一帧后，由一个比较器对实际接收的误帧率与目标误帧率进行比较，并以此校正Eb/Nt门限步长。如果实际接收的误帧率大于目标误帧率，步长加1；如果实际接收的误帧率小于目标误帧率，步长减1；如果实际接收的误帧率等于目标误帧率，步长保持不变。然后对75帧的步长进行积分，获得最终的调整步长。
总之，以上方法都是通过比较误帧率来调整相应的步长值，最后调整Eb/Nt门限。在这些外环功率控制的调整方法中，对于Eb/Nt门限值的调整、调整量的确定以及调整步长的确定，都还没有一个较好的模型。其存在的缺陷，主要体现在以下几个方面：首先，这些方案中，对实际误帧率的计算比较粗略、笼统，没有明确的计算步骤和公式。其次，在确定调整步长时，现有的方案都是先判断误帧率是否大于或小于目标误帧率，据此按照一个固定的步长调整Eb/Nt门限。这种方法的最大缺陷是：只有经过一段时间的Eb/Nt门限调整后，才能使实际误帧率达到目标误帧率的要求。而且，当Eb/Nt门限的值能够满足系统当前误帧率的需要，且实际误帧率已经开始下降时，其实际误帧率的值可能仍然会超过目标误帧率。这样根据传统的调整步长的方法，就会使Eb/Nt门限在达到最佳值时仍在上升，超过实际需要所需要的值，造成相应的干扰和功率浪费。同理，在降低Eb/Nt门限的值时，也会存在同样的问题。因此，如何对反向外环功率控制的方法进行改进，就成为业内人士研究的新课题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种码分多址移动通信系统中的反向外环功率控制方法，该方法既可以对多变的无线通信环境做出快速准确的反应，又可以保证链路通信质量，是一种灵活、方便、容易实现的外环功率控制算法。
为了达到上述目的，本发明提供了一种码分多址移动通信系统中的反向外环功率控制方法，其特征在于：包括下列步骤：
(1)分别计算下述四个参量：用户当前瞬时误帧率，用作第一调整步长参量；在设定时间段内瞬时误帧率的加权平均值，用作实际误帧率和第二调整步长参量；当前实际误帧率与目标误帧率的差值，用作第三调整步长参量；当前实际误帧率与前一实际误帧率的差值，用作第四调整步长参量；
(2)利用实际误帧率、当前实际误帧率与目标误帧率的差值、当前实际误帧率与前一实际误帧率之间的差值以及设定的目标误帧率四个参量，对该用户当前的EB/Nt限进行调整，以便在保证系统链路传输质量的前提下，以较小功率发射信号，减小系统各个移动台之间的干扰。
所述步骤(1)进一步包括下列步骤：
(11)计算用户的当前瞬时误帧率FER_i＝n_error/N1；式中N1是以数据帧的个数作为计量单位而确定的瞬时误帧率的统计周期，n_error是在N1帧时间内统计的错帧数，FER_i是第i个瞬时误帧率，N1、n_error和i均为自然数；
(12)确定实际误帧率的统计周期N2和计算该统计周期N2中的各个瞬时误帧率FER_i；其中，统计周期N2是瞬时误帧率的统计周期N1的整数倍，即N2＝m×N1，系数m为自然数，m的数值大小根据情况进行选择调整；再将计算出的统计周期N2中的各个瞬时误帧率的数值FER_1、FER_2、...、FER_m按照时间先进先出的顺序放入一个长度为m的数组中，用作计算实际误帧率的数据，且对该数组中的值进行实时更新；
(13)在统计周期N2时间内计算各个瞬时误帧率的加权平均值，进而得到当前实际误帧率FER(n)：
FER(n)＝fac_1×FER_1+fac_2×FER_2+…+fac_m×FER_m；
式中，各个权重数值fac_1、fac_2、…、fac_m均为正数，由仿真环境得到或者根据实际环境进行动态调整，其中越接近当前瞬时误帧率FER_m的权重数值fac_m越大，以便快速完成调整；
(14)计算当前实际误帧率FER(n)与目标误帧率Target_FER的绝对差值ΔFER_ABS(n)：ΔFER_ABS(n)＝FER(n)-Target_FER；
式中，目标误帧率Target_FER由系统事先设定；
(15)计算当前实际误帧率FER(n)与前一实际误帧率FER(n-1)的相对差值ΔFER_REL(n)：ΔFER_REL(n)＝FER(n)-FER(n-1)；
式中，前一实际误帧率FER(n-1)是在前一个统计周期N2时间内计算得到的各个瞬时误帧率的加权平均值。
所述步骤(2)进一步包括下列步骤：
(21)如果当前实际误帧率与目标误帧率的绝对差值ΔFER_ABS(n)小于0，即当前实际误帧率FER(n)小于目标误帧率Target_FER，且实际误帧率FER(n)等于0时，则减小Eb/Nt门限；具体调整方法为：
Eb/Nt(n)＝Eb/Nt(n-1)-Ka；
式中Eb/Nt(n)为第n次调整的Eb/Nt门限值，调整参数Ka为正参量，其初始值由仿真环境设置，再根据实际环境中的测量进行优化调整；
(22)如果当前实际误帧率与目标误帧率的绝对差值ΔFER_ABS(n)小于0，即当前实际误帧率FER(n)小于目标误帧率Target_FER，且实际误帧率FER(n)不等于0时，保持Eb/Nt门限不变；
(23)如果当前实际误帧率与目标误帧率的绝对差值ΔFER_ABS(n)大于0，即当前实际误帧率FER(n)大于目标误帧率Target_FER时，Eb/Nt门限的调整的方法取决于误帧率的变化趋势，也就是根据当前实际误帧率与前一实际误帧率的相对差值ΔFER_REL(n)来调整Eb/Nt门限。
所述步骤(23)进一步包括下列步骤：
(231)如果当前实际误帧率与目标误帧率的绝对差值ΔFER_ABS(n)＞0，且当前实际误帧率与前一实际误帧率的相对差值ΔFER_REL(n)＞0，表明误帧率仍然处于上升趋势中，则继续提高Eb/Nt门限，具体调整方法为：
Eb/Nt(n)＝Eb/Nt(n-1)+Kb×ΔFER_REL(n)；
(232)如果当前实际误帧率与目标误帧率的绝对差值ΔFER_ABS(n)＞0，且当前实际误帧率与前一实际误帧率的相对差值ΔFER_REL(n)＝0，表明误帧率仍然处于较高水平，没有下降趋势，则继续提高Eb/Nt门限，具体调整方法为：
Eb/Nt(n)＝Eb/Nt(n-1)+Kc；
(233)如果当前实际误帧率与目标误帧率的绝对差值ΔFER_ABS(n)＞0，且当前实际误帧率与前一实际误帧率的相对差值ΔFER_REL(n)＜0，表明误帧率已经处于下降趋势中，则降低Eb/Nt门限，具体调整方法为：
Eb/Nt(n)＝Eb/Nt(n-1)+Kd×ΔFER_REL(n)；
上述各个步骤的计算公式中的Eb/Nt(n)为第n次调整的Eb/Nt门限值，调整参数Kb、Kc、Kd均为正参量，其初始值由仿真环境设置，再根据实际环境中的测量进行优化调整。
本发明是一种用于码分多址移动通信系统中的反向外环功率控制方法，具有以下突出的优点：
第一，本发明中计算当前瞬时误帧率和实际平均误帧率的方法，具有准确、方便、灵活、容易实现的特点，既可根据实际射频环境对实际误帧率的参数进行调整计算，又兼顾了实际误帧率计算的快速和稳定性。
其中作为调整Eb/Nt门限依据的实际误帧率的计算，是由瞬时误帧率加权平均后计算得到的，这样综合考虑了当前的即时情况和一段时间内的平均情况，具有很高的灵活性：可以通过调整统计周期N2内的每个瞬时误帧率的加权因子权重来对实际误帧率进行调整个计算，既能够比较准确地代表当前业务信道的传输质量，又兼顾了计算的快速和稳定性。
第二，本发明中涉及的四个调整参量Ka、Kb、Kc、Kd，都不是一个固定数值，而是根据各种误帧率趋势的不同变化情况进行调整，即根据当前实际误帧率与目标误帧率的绝对差值ΔFER_ABS(n)，以及当前实际误帧率与前一实际误帧率之间的相对差值ΔFER_REL(n)作为实际情况的变化参量而进行调整。即在调整过程中，充分考虑了实际误帧率的变化趋势，并根据这种趋势进行相应调整，使得调整步长的大小同变化趋势成正比。
在当前实际误帧率大于目标误帧率的情况下，当变化趋势上升或维持在较高水平时，提高Eb/Nt门限；当变化趋势开始下降时，降低Eb/Nt门限。这样，使实际误帧率可以迅速收敛到目标误帧率，从而能够达到将移动台的发射功率迅速调整到最佳水平的目的。而在当前实际误帧率小于目标误帧率的情况下，当误帧率为0时，降低Eb/Nt门限；其他情况，都维持Eb/Nt门限不变。
这样做的好处是，在射频环境突然恶化时，既可以快速提高Eb/Nt门限，使手机迅速提高发射功率，保证链路的通信质量；又可以做到在维持链路通信质量的前提下，使手机的发射功率保持在合理的范围内，不会造成功率的浪费以及对其他用户的明显干扰。
总之，本发明的控制方法简单、快捷、容易实现，能够适用于各种环境，具有很好的使用价值和推广应用前景。
附图说明
图1是CDMA移动通信系统中反向闭环功率控制的工作流程示意图。
图2是CDMA移动通信系统中反向外环功率控制的状态转换示意图。
图3是本发明反向外环功率控制方法的总体方框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
参见图3，本发明是一种码分多址移动通信系统中的反向外环功率控制方法，主要包括两个步骤：
(1)分别计算四个参量：计算用户当前瞬时误帧率，用作第一调整步长参量；在设定时间段内计算瞬时误帧率的加权平均值，用作当前实际误帧率和第二调整步长参量；计算当前实际误帧率与目标误帧率的差值，用作第三调整步长参量；计算当前实际误帧率与前一实际误帧率的差值，用作第四调整步长参量；
(2)利用当前实际误帧率、当前实际误帧率与目标误帧率的差值、当前实际误帧率与前一实际误帧率之间的差值以及设定的目标误帧率四个参量，对该用户当前的Eb/Nt门限进行调整，以便在保证系统链路传输质量的前提下，以最小功率发射信号，减小系统各个移动台之间的干扰。
本发明反向外环功率控制方法中提出一个计算实际误帧率的算法，该算法不仅可以准确计算出实际误帧率，还可以根据实际射频环境对计算实际误帧率的各个参量进行调整，同时兼顾了误帧率调整的快速和稳定性。此外，本发明还提出一种根据当前实际误帧率和目标误帧率的绝对差值，以及当前实际误帧率与前一实际误帧率之间的相对差值，来调整和控制反向外环功率的方法：先确定实际误帧率的变化趋势，然后结合当前实际误帧率和前一实际误帧率的变化趋势，综合考虑这两个因素来调整Eb/Nt门限。该方法既可以使Eb/Nt门限根据实际误帧率的情况迅速提高，以保证通信链路的传输质量，又能够使得Eb/Nt门限的调整量在合理范围之内，减少移动台相互间的干扰和功率浪费，达到迅速收敛到最佳的Eb/Nt门限的目的。同样地，本发明也可以使Eb/Nt门限迅速下降到最佳值，使得系统在满足链路传输质量的条件下，以最小的功率发射信号，尽量减小各个移动台间的干扰和功率浪费。
Claims (4)
1、一种码分多址移动通信系统中的反向外环功率控制方法，其特征在于：包括下列步骤：
(1)分别计算下述四个参量：用户当前瞬时误帧率，用作第一调整步长参量；在设定时间段内瞬时误帧率的加权平均值，用作实际误帧率和第二调整步长参量；当前实际误帧率与目标误帧率的差值，用作第三调整步长参量；当前实际误帧率与前一实际误帧率的差值，用作第四调整步长参量；
(2)利用实际误帧率、当前实际误帧率与目标误帧率的差值、当前实际误帧率与前一实际误帧率之间的差值以及设定的目标误帧率四个参量，对该用户当前的Eb/Nt门限进行调整，以便在保证系统链路传输质量的前提下，以较小功率发射信号，减小系统各个移动台之间的干扰。
2、根据权利要求1所述的反向外环功率控制方法，其特征在于：所述步骤(1)进一步包括下列步骤：
(11)计算用户的当前瞬时误帧率FER_i＝n_error/N1；式中N1是以数据帧的个数作为计量单位而确定的瞬时误帧率的统计周期，n_error是在N1帧时间内统计的错帧数，FER_i是第i个瞬时误帧率，N1、n_error和i均为自然数；
(12)确定实际误帧率的统计周期N2和计算该统计周期N2中的各个瞬时误帧率FER_i；其中，统计周期N2是瞬时误帧率的统计周期N1的整数倍，即N2＝m×N1，系数m为自然数，m的数值大小根据情况进行选择调整；再将计算出的统计周期N2中的各个瞬时误帧率的数值FER_1、FER_2、...、FER_m按照时间先进先出的顺序放入一个长度为m的数组中，用作计算实际误帧率的数据，且对该数组中的值进行实时更新；
(13)在统计周期N2时间内计算各个瞬时误帧率的加权平均值，进而得到当前实际误帧率FER(n)：
FER(n)＝fac_1×FER_1+fac_2×FER_2+...+fac_m×FER_m；
式中，各个权重数值fac_1、fac_2、...、fac_m均为正数，由仿真环境得到或者根据实际环境进行动态调整，其中越接近当前瞬时误帧率FER_m的权重数值fac_m越大，以便快速完成调整；
(14)计算当前实际误帧率FER(n)与目标误帧率Target_FER的绝对差值ΔFER_ABS(n)：ΔFER_ABS(n)＝FER(n)-Target_FER；
式中，目标误帧率Target_FER由系统事先设定；
(15)计算当前实际误帧率FER(n)与前一实际误帧率FER(n-1)的相对差值ΔFER_REL(n)：ΔFER_REL(n)＝FER(n)-FER(n-1)；
式中，前一实际误帧率FER(n-1)是在前一个统计周期N2时间内计算得到的各个瞬时误帧率的加权平均值。
3、根据权利要求1所述的反向外环功率控制方法，其特征在于：所述步骤(2)进一步包括下列步骤：
(21)如果当前实际误帧率与目标误帧率的绝对差值ΔFER_ABS(n)小于0，即当前实际误帧率FER(n)小于目标误帧率Target_FER，且实际误帧率FER(n)等于0时，则减小Eb/Nt门限；具体调整方法为：
Eb/Nt(n)＝Eb/Nt(n-1)-Ka；
式中Eb/Nt(n)为第n次调整的Eb/Nt门限值，调整参数Ka为正参量，其初始值由仿真环境设置，再根据实际环境中的测量进行优化调整；
(22)如果当前实际误帧率与目标误帧率的绝对差值ΔFER_ABS(n)小于0，即当前实际误帧率FER(n)小于目标误帧率Target_FER，且实际误帧率FER(n)不等于0时，保持Eb/Nt门限不变；
(23)如果当前实际误帧率与目标误帧率的绝对差值ΔFER_ABS(n)大于0，即当前实际误帧率FER(n)大于目标误帧率Target_FER时，Eb/Nt门限的调整的方法取决于误帧率的变化趋势，也就是根据当前实际误帧率与前一实际误帧率的相对差值ΔFER_REL(n)来调整Eb/Nt门限。
4、根据权利要求3所述的反向外环功率控制方法，其特征在于：所述步骤(23)进一步包括下列步骤：
(231)如果当前实际误帧率与目标误帧率的绝对差值ΔFER_ABS(n)＞0，且当前实际误帧率与前一实际误帧率的相对差值ΔFER_REL(n)＞0，表明误帧率仍然处于上升趋势中，则继续提高Eb/Nt门限，具体调整方法为：
Eb/Nt(n)＝Eb/Nt(n-1)+Kb×ΔFER_REL(n)；
(232)如果当前实际误帧率与目标误帧率的绝对差值ΔFER_ABS(n)＞0，且当前实际误帧率与前一实际误帧率的相对差值ΔFER_REL(n)＝0，表明误帧率仍然处于较高水平，没有下降趋势，则继续提高Eb/Nt门限，具体调整方法为：
Eb/Nt(n)＝Eb/Nt(n-1)+Kc；
(233)如果当前实际误帧率与目标误帧率的绝对差值ΔFER_ABS(n)＞0，且当前实际误帧率与前一实际误帧率的相对差值ΔFER_REL(n)＜0，表明误帧率已经处于下降趋势中，则降低Eb/Nt门限，具体调整方法为：
Eb/Nt(n)＝Eb/Nt(n-1)+Kd×ΔFER_REL(n)；
上述各个步骤的计算公式中的Eb/Nt(n)为第n次调整的Eb/Nt门限值，调整参数Kb、Kc、Kd均为正参量，其初始值由仿真环境设置，再根据实际环境中的测量进行优化调整。
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