CN1697342A - 用于cdma无线通信网络中的功率控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种无线通信网络中的功率控制方法，当一个接收节点收到来自一个发送节点的无线信号后，根据该接收的无线信号，该接收节点预测其受到的链路之间的干扰功率数值，并向该发送节点发送一个功率控制消息；该发送节点在收到来自一个接收节点的一个功率控制消息后，从该功率控制消息中提取该接收节点通过预测得到的其所受到的链路之间的干扰功率数值，并根据该预测的链路之间的干扰功率数值，调整该发送节点的发射功率。

Description

用于CDMA无线通信网络中的功率控制方法和装置

技术领域

本发明涉及一种无线通信网络中的功率控制方法和装置，尤其涉及一种用于CDMA无线通信网络中的功率控制方法和装置。

技术背景

在当今社会中，无线通信网络，凭借其日益丰富快捷的信息服务，正在人们生活中扮演着愈加重要的角色。

目前，有两种类型的无线通信网络：一种是基于固定设施的无线通信网络，如蜂窝电话网络；另一种是无固定设施的无线通信网络，如Ad hoc(临时)无线通信网络。

在基于固定设施的网络中，基站或接入点的发射范围决定了小区的大小，在小区内的移动终端是直接与基站或接入点进行通信的。但是，在Ad hoc无线通信网络中，移动终端是自行组织的，两个移动终端或者建立直接的通信，或者通过该两个移动终端之间的其他移动终端的转发(多跳)而建立彼此间的通信。由于Ad hoc无线通信网络的这种固有特性，使得其在许多领域，诸如个人区域网络(PAN)、军事环境以及搜索与营救行动中，具有广泛的应用前景。

在过去几年中，国内外学者对基于CDMA技术的Ad hoc无线通信网络进行了多方面的研究，其中包括：欧洲的″舰队网络-因特网在路上(Fleetnet-Internet)″，以及中国的863高科技项目″基于3G技术的自组织无线网络″。随着研究的逐步深入，基于CDMA技术的Adhoc无线通信网络也呈现出更多的具有挑战性的问题，例如：系统的组织构架、信息路由、功率控制、系统同步、接入控制以及无线资源分配等。由于远近效应使得CDMA系统具有自干扰或干扰受限的特点，因此，在上述问题中，功率控制成为影响基于CDMA技术的Adhoc无线通信网络的性能的重要因素。

当前，在基于CDMA技术的Ad hoc无线通信网络的研究中，采用了类似于蜂窝无线通信网络中使用的开环功率控制方法或闭环功率控制方法，即：发送节点的发射功率，是根据历史信息(如先前几个无线帧的误码率)进行调整的。这种常规的功率控制方法，在R.Ramanathan和R.Rosales-Hain在IEEE INFOCOM，Vol.2上发表的″使用发射功率调整的多跳无线网络的拓扑控制(Topology control ofmultihop wireless networks using transmit power adjustment)″，Eun-SunJung和Nitin H.Vaidya在ACM International Conference on MobileComputing and Networking(Mobicom)、2002年9月刊上发表的″用于多跳网络的功率控制协议(A Power Control MAC Protocol for Ad HocNetworks)″以及T.J.Kwon和M.Gerla在IEEE MILCOM，Vol.2上发表的″使用功率控制的簇(Clustering with power control)″中均有详细描述。

然而，在Ad hoc无线通信网络中，由于多跳网络的动态拓扑和节点的移动性，位于网络中的一个接收节点所受到的其他正在进行通信的链路对其产生的链路之间的干扰(inter-link interference)波动很大。如果在接收节点处基于历史信息进行SIR(信干比)和干扰的测量，并将得到的功率控制信息反馈给相应的发送节点，则该功率控制信息不可能准确地反映当前网络中潜在干扰的影响。因此，若发送节点根据该接收节点反馈的功率控制信息周期性地调整其发射功率，则这种功率控制方法收敛速度将会很慢，进而会降低能量效率、增加网络干扰，并影响该Ad hoc无线通信网络的性能。

为了解决上述造成系统性能降低的问题，需要一种新的功率控制方法。

发明内容

本发明的其中一个目的是提出一种新的功率控制方法和装置，利用该方法和装置，处于Ad hoc无线通信网络中的各个节点能够平等地共享网络资源，从而有效地提高能量效率、降低网络干扰和优化网络的性能。

按照本发明的一种无线通信网络中的功率控制方法，由一个接收节点执行的该方法，包括步骤：接收来自一个发送节点的无线信号；根据该接收的无线信号，预测该接收节点受到的链路之间的干扰功率数值；向该发送节点发送一个功率控制消息，以使得该发送节点能够根据该功率控制消息中包括的该预测的链路之间的干扰功率数值调整其发射功率。

按照本发明的一种无线通信网络中的功率控制方法，由一个发送节点执行的该方法，包括步骤：接收来自一个接收节点的一个功率控制消息；从该功率控制消息中提取该接收节点通过预测得到的其所受到的链路之间的干扰功率数值；根据该预测的链路之间的干扰功率数值，调整该发送节点的发射功率。

通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其他目的及结果将更加明白及易于理解。

附图说明

以下将结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，其中：

图1是一个典型的Ad hoc无线通信网络的示意图；

图2是按照本发明的功率控制方法的流程图；

图3是按照本发明的一个实施例的用于执行功率控制方法的移动终端的组成示意图。

在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。

发明详述

按照本发明提供的功率控制方法：在无线通信网络中的一个接收节点处，根据语音、图象以及IP数据等业务(traffic)特有的突发性(burst)和自相似性(self-similarity)，预测该接收节点所受到的其他正在进行通信的链路对其产生的链路之间的干扰功率数值，并将该预测的干扰功率数值，反馈给发送节点，从而发送节点可以根据该反馈信息，调整其发送无线信号的功率。

下面，将以附图1所示的工作于TDD(时分复用)模式的Ad hoc无线通信网络为例，详细说明本发明的功率控制方法。

如图1所示，在由多个移动终端(节点)组成的该Ad hoc网络中，当每个节点与其邻近(neighbor)节点进行通信时，在该节点与其邻近节点之间都保持有一条链路连接。分配在不同时隙中的节点，彼此间的通信链路不会产生信号干扰；而分配在同一时隙中使用不同扩频码接收和发送无线信号的发送节点和接收节点对(pair)之间，将会产生链路之间的干扰。

假定网络中有一个接收节点i，其接收来自一个发送节点j发送的无线信号。为了满足在接收节点i处接收的信号的信干比SIR(signalinterference ratio)的要求，发送节点j发送信号的功率应当满足下述公式(1)：

$G\·\frac{p_j\left(t\right)\·r_{\mathrm{ij}}\left(t\right)}{I_{\mathrm{inter}}\left(t\right)+N_{\mathrm{bk}}}={\mathrm{SIR}}_{t\arg \mathrm{etij}}\left(t\right)---\left(1\right)$

其中，

G：是处理增益；

t：是时隙的编号，在一帧起始时其数值设置为0；

p_j(t)：是以mW为单位的发送节点j的发射功率；

r_ij(t)：是从发送节点j到接收节点i的信道增益；

I_inter(t)：是以mW为单位，它是除去发送节点-j以外，同时正在进行相互通信的其它节点的发射功率在接收节点-i处形成的干扰功率的总和，即：接收节点i受到的其他正在进行通信的链路对其产生的链路之间的干扰。这些其它节点使用的传输信道也是在同一时隙，但使用不同的扩频码。

N_bk：是以mW为单位的背景噪声；

SIR_targ et ij(t)：是接收节点i处的目标SIR，用于提取发送节点j发送的信号。通常SIR_targ et ij(t)是由无线资源管理层设置的，根据通信信道的质量其数值可以进行调整。例如，根据计算的误码率BER(BitError Rate)可以对SIR_targ et ij(t)进行调整，当BER高时，SIR_targ et ij(t)应当增加，在BER低时，SIR_targ et ij(t)应当降低。

上述公式(1)还可以改写为：

$p_j\left(t\right)=\frac{{\mathrm{SIR}}_{t\arg \mathrm{etij}}\left(t\right)}{r_{\mathrm{ij}}\left(t\right)\·G}\·E---\left(2\right)$

其中，

E＝I_inter(t)+N_bk                             (3)

根据公式(2)和(3)可以计算发送节点j的发射功率。

然而，由于I_inter(t)是接收节点i受到的链路之间的干扰，是一个实时的随机过程，而且，Ad hoc网络的多变性使得该链路之间的干扰随着时间的变化会产生很大波动，因此，不可能预先知道I_inter(t)的准确信息。

从上述公式(2)和(3)可以看到，如何使得发送节点j获知关于I_inter(t)的当前信息，成为发送节点j及时准确地调整其发射功率的一个重要因素。

在目前以及未来的无线通信网络中，语音、图象以及IP数据仍旧是网络中传递的主要业务。对于这种业务，突发性和自相似性是其最重要的统计特性，这意味着接收节点i所受到的链路之间的干扰，从一个时隙到下一个时隙是相关的，从而根据I_inter(t)的这种时间相关性，在接收节点i中，可以利用卡尔曼(Kalman)滤波器对所接收的无线信号进行检测，以预测该I_inter(t)的数值。当采用预测的I_inter(t)数值时，上述公式(3)修改为：

$E={\tilde{I}}_{\mathrm{inter}}\left(t\right)+N_{\mathrm{bk}}---\left(4\right)$

其中，

是I_inter(t)的预测值。

若将i_inter(t)定义为：

i_inter(t)＝101g[I_inter(t)](dBm)

则采用一阶马尔可夫(Markov)过程表示链路之间的干扰功率数值(以dBm为单位)的动态过程为：

i_inter(t-1)＝α·i_inter(t-2)+W(t-1)                (5)

其中，α是加权系数，0＜α＜1，且α可以定义为：

$\mathrm{\α}=e^{-(c\·\frac{v}{\mathrm{\η}}+\mathrm{\Δ})}---\left(6\right)$

其中，ν是接收节点i的速度，η是功率控制率，c和Δ分别是由高层定义的常系数和常数偏移量。

公式(6)中的W(t)是零均值高斯白噪声序列，方差为σ_w ²(t)。

i_inter(t)的方差可以表示为：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{inter}}^2\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\σ}}_w^2\left(t\right)}{1-{\mathrm{\α}}^2}---\left(7\right)$

假设Y(t)是在第t时隙中测量到的干扰功率，则：

   Y(t-1)＝i_inter(t-1)+U(t-1)               (8)

其中，U(t)是测量噪声，它也是零均值高斯白噪声序列，方差为σ_U ²。

由于i_inter(t)与U(t)无关，因此可以得到Y(t)的方差为：

${\mathrm{\σ}}_Y^2(t-1)={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{inter}}^2(t-1)+{\mathrm{\σ}}_U^2---\left(9\right)$

当利用卡尔曼滤波器对接收节点i受到的干扰信号进行处理时，卡尔曼滤波器的公式可以表示为：

${\hat{i}}_{\mathrm{inter}}(t-1)={\tilde{i}}_{\mathrm{inter}}(t-1)+K(t-1)\·[Y(t-1)-{\tilde{i}}_{\mathrm{inter}}(t-1)]---\left(10\right)$

${\tilde{i}}_{\mathrm{inter}}\left(t\right)=\mathrm{\α}\·{\tilde{i}}_{\mathrm{inter}}(t-1)---\left(11\right)$

$K(t-1)=\frac{\tilde{p}(t-1)}{\tilde{p}(t-1)+{\mathrm{\σ}}_U^2}---\left(12\right)$

$\tilde{P}\left(t\right)={\mathrm{\α}}^2\·\hat{p}(t-1)+{\widehat{\mathrm{\σ}}}_w^2(t-1)---\left(13\right)$

$\hat{p}(t-1)=(1-K(t-1))\·\tilde{p}(t-1)---\left(14\right)$

其中， 和

分别表示i_inter(t)的后验(posteriori)和先验(priori)估计值，即：检测的i_inter(t)值和预测的i_inter(t)值，K(t)是卡尔曼增益，

和

是误差方差的后验和先验估计。

假定在正常情况下，对于所测量的i_inter(t)而言，需要达到±4dB的测量精度，若假定σ_U＝3dB，即： ${\mathrm{\σ}}_U^2=9.$ 根据公式(7)和(9)，可以得出：

${\mathrm{\σ}}_w^2(t-1)=(1-{\mathrm{\α}}^2)\·[{\mathrm{\σ}}_r^2(t-1)-{\mathrm{\σ}}_U^2]---\left(15\right)$

根据对最近L个时隙的干扰进行测量，可以通过下述公式(16)至(18)得到σ_w ²(t)的估计值

${\hat{m}}_Y(t-1)=\frac{1}{L}\·\underset{j=t-1-(L-1)}{\overset{t-1}{\mathrm{\Σ}}}Y\left(j\right)---\left(16\right)$

${\widehat{\mathrm{\σ}}}_Y^2(t-1)=\frac{1}{L}\·\underset{j=t-1-(L-1)}{\overset{t-1}{\mathrm{\Σ}}}{[Y\left(j\right)-{\hat{m}}_Y(t-1)]}^2---\left(17\right)$

${\widehat{\mathrm{\σ}}}_w^2(t-1)=(1-{\mathrm{\α}}^2)\·({\widehat{\mathrm{\σ}}}_Y^2(t-1)-{\mathrm{\σ}}_U^2)---\left(18\right)$

接收节点i在每个接收时隙中都对受到的干扰进行测量，这些干扰的测量值作为公式(16)到(18)的输入值以用于估算得到 该估算得到的

与当前测量得到的干扰值又作为上述卡尔曼滤波器公式(10)到(14)的输入值以计算得到预测的干扰功率

事实上，由公式(11)得到的 是以dBm为单位的。如果以mW为单位，则

应当表示为：

${\tilde{I}}_{\mathrm{inter}}\left(t\right)={10}^{\left(\frac{{\tilde{i}}_{\mathrm{inter}}\left(t\right)}{10}\right)}\left(\mathrm{mW}\right)$

在经过上述计算得到 后，将

的数值代入公式(4)和(2)中，即可计算出发送节点j的发射功率p_j。

由上述公式推导可见，在一个接收节点中，数据业务特有的突发性和自相似性，可以使得在该接收节点中，能够预测该接收节点受到的链路之间的干扰功率数值，即：上述公式(4)中的 接收节点只需将该预测的链路之间的干扰功率数值反馈给网络中的发送节点，则发送节点可以根据该反馈信息，调整其发送无线信号的功率。

下面将结合附图2，描述在一个Ad hoc网络中，按照本发明的内容，在发送节点j与对应的接收节点i中执行的发射功率控制方法。

如图2所示，首先，接收节点i在收到来自发送节点j的无线信号后，检测该无线信号的背景噪声，并利用其中的卡尔曼滤波器预测得到链路之间的干扰功率数值 (步骤S10)。

其次，接收节点i根据该接收的信号，以常规方式估算该接收信道的误码率BER_est，并按照如下准则调整SIR_targ et ij的值(步骤S20)：

其中，Δ是固定功率控制步长；BER_req是满足服务质量所需要的BER。

然后，接收节点i按照常规方式生成一个TSC(目标SIR控制)指令，并将该指令按照如下准则发送给相应的发送节点j(步骤S30)：

接着，接收节点i根据公式(4)计算E的数值(步骤S40)。

之后，接收节点i经由控制信道，将一个包括该计算的E值的功率控制消息，广播给邻近的多个节点(步骤S50)。对应的发送节点j可以根据该功率控制消息调整其发送信号的功率，其他邻近的多个节点也可以利用这一广播消息来进行信道估计，获得接入信息和路由信息。

发送节点j在收到上述的来自接收节点i的功率控制消息后，首先从该功率控制消息中提取E的信息(步骤S60)。

然后，发送节点j根据收到的来自接收节点i的该TSC指令，按照下述规则调整SIR_targ et ij(t)的数值(步骤S70)：

接着，发送节点j以常规方式预测信道增益r_ij(步骤S80)。

根据上述提取的E值、调整后的SIR_targ et ij(t)值以及预测的信道增益r_ij，发送节点j可以根据公式(2)再计算发射功率p_j，并根据计算的结果调整其发送无线信号的功率(步骤S90)。

从上文结合附图2的描述中可以看到，由于接收节点i在利用公式(2)计算E值时，其中的链路之间的干扰功率数值

是使用卡尔曼滤波器预测得到的，因此，当发送节点j从接收到的功率控制信息中提取到E值，并利用该E值，按照公式(2)计算得到的功率p_j调整其发送信号的功率时，发送节点j使用的是当前接收节点受到的干扰功率预测信息，而不是象常规模式中的基于历史信息调节发送信号的功率。

本发明的上述用于CDMA无线通信系统的功率控制方法，可以采用计算机软件实现，也可以采用计算机硬件实现，或采用计算机软硬件结合的方式实现。

按照本发明的一个实施例的用于CDMA无线通信系统的实行功率控制的移动终端的硬件组成如附图3所示，其中，与传统移动终端相同的部件未在附图3中示出。

如图3所示，当作为上述发送节点j的移动终端10中的发送单元40向作为上述接收节点i的另一移动终端10发送一个无线信号时，作为接收节点i的另一移动终端10中的接收单元20，在收到该无线信号后，其中的预测单元30，利用上述的卡尔曼滤波器对该无线信号进行处理，以预测该接收节点i受到的链路之间的干扰功率数值；之后，接收节点i中的发送单元40，向该发送节点j发送一个功率控制消息，以使得该发送节点j能够根据该功率控制消息中包括的该预测的链路之间的干扰功率数值调整其发射功率。

当发送节点j中的接收单元20收到来自接收节点i的功率控制消息时，其中的提取单元50，从该功率控制消息中提取接收节点i通过预测得到的其所受到的链路之间的干扰功率数值，并将该功率控制消息中还包括的背景噪声一同提供给调整单元60，从而调整单元60可以利用上述的公式(2)，根据该预测的链路之间的干扰功率数值和该背景噪声，调整发送节点j中的发送单元40的发射功率。

有益效果

综上所述，由于在本发明所提供的功率控制方法和装置中，在一个接收节点处，可以根据数据业务特有的突发性和自相似性，采用卡尔曼滤波器预测计算该接收节点受到的链路之间的干扰功率数值，并将该预测值反馈给发送节点，以使得处于该基于CDMA技术的Adhoc网络中的各个节点可以平等地共享网络资源，因此，在相应发送节点中，可以使用当前接收节点受到的干扰功率预测信息，而不是象常规模式中的基于历史信息调节发送信号的功率，从而相对于常规功率控制算法，本发明可以使得整个网络具有更高的能量效率、更低的干扰和更好的系统性能。

本领域技术人员应当理解，本发明所公开的用于CDMA无线通信系统的功率控制方法和装置，可以在不脱离本发明的内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (18)

1、一种无线通信网络中的功率控制方法，由一个接收节点执行的该方法，包括步骤：

(a)接收来自一个发送节点的无线信号；

(b)根据该接收的无线信号，预测该接收节点受到的链路之间的干扰(inter-link interference)功率数值；

(c)向该发送节点发送一个功率控制消息，以使得该发送节点能够根据该功率控制消息中包括的该预测的链路之间的干扰功率数值调整其发射功率。

2、如权利要求1所述的功率控制方法，其中，所述链路之间的干扰功率数值是除去所述发送节点以外、正在进行通信的其它节点的发射功率对所述接收节点形成的干扰功率的总和。

3、如权利要求2所述的功率控制方法，其中，所述功率控制消息中还包括背景噪声。

4、如权利要求1或2或3所述的功率控制方法，其中，通过卡尔曼滤波器(Kalman filter)对所述无线信号进行处理，以得到所述预测的链路之间的干扰功率数值。

5、如权利要求4所述的功率控制方法，其中，所述功率控制消息是经由控制信道广播的。

6、如权利要求5所述的功率控制方法，还包括步骤：

根据所述接收的无线信号，生成一个TSC(目标信干比控制)指令；

将该TSC指令发送给所述发送节点。

7、一种无线通信网络中的功率控制方法，由一个发送节点执行的该方法，包括步骤：

(a)接收来自一个接收节点的一个功率控制消息；

(b)从该功率控制消息中提取该接收节点通过预测得到的其所受到的链路之间的干扰功率数值；

(c)根据该预测的链路之间的干扰功率数值，调整该发送节点的发射功率。

8、如权利要求7所述的功率控制方法，其中，所述链路之间的干扰功率数值是除去所述发送节点以外、正在进行通信的其它节点的发射功率对所述接收节点形成的干扰功率的总和。

9、如权利要求8所述的功率控制方法，其中，所述功率控制消息中还包括背景噪声，且该方法还包括步骤：

根据该背景噪声，调整所述发送节点的发射功率。

10、如权利要求7或8或9所述的功率控制方法，其中，所述预测的链路之间的干扰功率数值是所述接收节点通过卡尔曼滤波器(Kalman filter)对所述无线信号进行处理得到的。

11、如权利要求10所述的功率控制方法，其中，所述发送节点经由控制信道接收所述功率控制消息。

12、如权利要求11所述的功率控制方法，还包括步骤：

接收来自所述接收节点的一个TSC(目标信干比控制)指令；

根据该TSC指令，调整所述发送节点的发射功率。

13、如权利要求12所述的功率控制方法，还包括步骤：

测量所述发送节点与所述接收节点之间的信道增益；

根据该信道增益，调整所述发送节点的发射功率。

14、一种移动终端，包括：

一个接收单元，用于接收来自另一移动终端发送的无线信号；

一个预测单元，用于根据该接收的无线信号，预测该移动终端受到的链路之间的干扰(inter-link interference)功率数值；

一个发送单元，用于向该另一移动终端发送一个功率控制消息，以使得该另一移动终端能够根据该功率控制消息中包括的该预测的链路之间的干扰功率数值调整其发射功率。

15、如权利要求14所述的移动终端，其中，所述链路之间的干扰功率数值是除去所述另一移动终端以外、正在进行通信的其它移动终端的发射功率对所述移动终端形成的干扰功率的总和。

16、如权利要求15所述的移动终端，其中，所述预测单元利用卡尔曼滤波器(Kalman filter)对所述无线信号进行处理，以得到所述预测的链路之间的干扰功率数值。

17、一种移动终端，包括：

一个接收单元，用于接收来自另一移动终端的一个功率控制消息；

一个提取单元，用于从该功率控制消息中提取该另一移动终端通过预测得到的其所受到的链路之间的干扰功率数值；

一个调整单元，用于根据该预测的链路之间的干扰功率数值，调整该移动终端的发射功率。

18、如权利要求17所述的移动终端，其中，所述链路之间的干扰功率数值是除去所述移动终端以外、正在进行通信的其它移动终端的发射功率对所述另一移动终端形成的干扰功率的总和。

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