CN1744453A - 一种码分多址系统中的自适应上行闭环功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明中提出了一种码分多址系统中的自适应上行闭环功率控制方法，在上行闭环功率控制过程中，基站接收到用户站的上行信号后，测量并计算监控信噪比

，将其与目标信噪比比较，生成上行功率控制命令；通过引入无线信道传输特性相关系数

，计算相邻两个上行闭环功率控制周期n和n－1中无线信道传输特性h′(n)和h′(n－1)的相关性，得知无线信道的路径损耗、慢速衰落和快速衰落特性以及干扰特性的变化，从而自适应的调整当前上行闭环功率控制周期中所述上行接收信号的信噪比

、与所述上行接收信号的平均信噪比

Description

一种码分多址系统中的自适应上行闭环功率控制方法

技术领域

本发明涉及一种无线通信系统中的物理层(Physical Layer或Layer 1)控制方法，更具体地说涉及一种码分多址(Code Division Multiple Access)系统中的自适应上行闭环功率控制(Uplink Close Loop Power Control)方法，可以根据无线信道传输特性的变化，自适应的调整闭环功率控制的方法，从而改进上行闭环功率控制过程的性能。

背景技术

在无线通信系统中，无线信号在无线信道中传输时，随着信号传输距离的不同，无线信号会产生不同的损耗，称之为路径损耗(Path loss)；同时，由于无线传输环境中的地形起伏、建筑物及其他障碍物对无线电波的遮蔽，引起的所传输无线信号的慢速衰落，称为阴影衰落(Shading fading)；此外，又由于无线信号传输中的多径传播(Multi-path transmission)及多普勒频移(Doppler shift)效应，无线信号经无线信道传输后还会发生时间域及频率域中的快速衰落(Fast fading)，分别称之为时间选择性衰落(Time selective fading)和频率选择性衰落(Frequency selective fading)；上述无线信道的路径损耗、慢速衰落和快速衰落特性使得无线信道区别于有线信道，具有变化的传输特性。

在第三代移动通信系统CDMA2000(Code Division Multiple Access 2000)、WCDMA(Wide band Code Division Multiple Access)和TD-SCDMA(Time Division-Synchronous CodeDivision Multiple Access)等码分多址系统中，上行闭环功率控制过程是一种很重要的物理层过程，用于在上述系统的一个小区中，基站(Base Station)根据无线信道传输特性的变化，使用闭环控制的方法，周期性的控制所述小区中的各用户站(User Station)对其发送功率进行调整，以使所述小区中各用户站的无线信号在到达基站时具有基本相同的功率，克服码分多址无线通信系统中的远近效应(Near-far effect)，且使所述各用户站的发送功率为满足传送业务质量(Traffic Quality)要求的最小值，从而控制并减小系统中小区之间(Inter-cell)及小区内部(Intra-cell)的干扰电平，保证系统稳定工作，同时增大系统的容量，改进系统的性能。

例如，在TD-SCDMA第三代移动通信系统的一个小区中，在建立了一条无线链路(RadioLink)的节点B(Node B)和小区内的一个用户设备(User Equipment)之间，即在所述节点B和所述用户设备之间建立了上行(Uplink)及下行(Downlink)专用物理信道(DedicatedPhysical Channel)，所述用户设备对上行专用物理信道的发送功率经上行闭环功率控制过程由节点B进行控制，其中，节点B在接收到上行专用物理信道的无线信号之后，首先对接收信号的信噪比(Signal to Noise Ratio)进行测量，并根据测量的信噪比生成上行功率控制命令(Uplink Power Control Command)，然后使用下行专用物理信道发送给所述的用户设备，所述用户设备在接收到下行专用物理信道中传送的上行功率控制命令后，按照命令的内容对上行专用物理信道的发送功率进行调整；在上述的上行闭环功率控制过程中，节点B通常使用基于瞬时信噪比的闭环功率控制方法，即在每个上行闭环功率控制周期中，节点B在接收到上行专用物理信道的信号之后，测量当前功率控制周期中接收信号的瞬时信噪比，并将测量的瞬时信噪比与设定的目标信噪比(Target SIR)进行比较，当所述的瞬时信噪比高于设定的目标信噪比时，节点B生成上行功率控制命令“下降”，控制所述用户设备减小上行专用物理信道的发送功率，当所述的瞬时信噪比低于或等于设定的目标信噪比时，节点B生成上行功率控制命令“上升”，控制所述用户设备增大上行专用物理信道的发送功率；所述的目标信噪比可由高层(Higher Layers)根据传送业务质量的要求或通过外环控制(Out loop control)动态进行设定(请参见TD-SCDMA第三代移动通信系统标准文档3GPP TS 25.221、25.224和25.225，3GPP网站www.3gpp.org中提供文档的下载)。通过上行闭环功率控制过程，节点B根据无线信道传输特性的变化，时时地调整所述用户设备对上行专用物理信道的发送功率，不但减小了小区之间及小区内部的干扰电平，增大了系统容量，还能使用户设备节约发送功率，延长用户设备的工作时间。

在上述TD-SCDMA第三代移动通信系统的上行闭环功率控制过程中，上行闭环功率控制的频率在0～200次/秒之间可变，即上行闭环功率控制的最短周期为5ms，当无线信道的传输特性变化很快时，无线信道中传输的无线信号会经历所述的快速衰落，此时，所述节点B即使以最短的上行闭环功率控制周期，控制所述用户设备对上行专用物理信道的发送功率进行调整，依然可能无法适应无线信道传输特性的变化，导致所述用户设备对上行专用物理信道发送功率的调整，总是滞后于无线信道传输特性的变化，不仅致使上行闭环功率控制过程的性能下降，而且所述节点B发送的上行功率控制命令甚至可能相悖于无线信道传输特性的变化，致使所述用户设备对上行专用物理信道的发送功率进行错误的调整，使上行闭环功率控制过程失去其应有的功能，导致系统性能恶化。

当无线信道的传输特性变化很快时，对于上述TD-SCDMA第三代移动通信系统的上行闭环功率控制过程中，所述用户设备对上行专用物理信道发送功率的调整总是滞后于无线信道传输特性变化的问题，一种解决方法是：在上行闭环功率控制过程中，将所述的基于瞬时信噪比的闭环功率控制方法改为基于平均信噪比的闭环功率控制方法，即在每个上行闭环功率控制周期中，所述节点B在接收到上行专用物理信道的信号之后，测量当前上行闭环功率控制周期以及之前数个上行闭环功率控制周期中接收信号的平均信噪比，例如，对连续的15个上行闭环功率控制周期中接收信号的信噪比进行测量并滑动平均，当上行闭环功率控制周期为5ms时，即是测量连续15个子帧中上行专用物理信道接收信号的平均信噪比(对于子帧结构的定义，请参见TD-SCDMA第三代移动通信系统标准文档3GPPTS 25.221，3GPP网站www.3gpp.org中提供文档的下载)，将测量的平均信噪比与设定的目标信噪比进行比较，生成上行功率控制命令。

在无线信道中传输的无线信号经历快速衰落时，当采用最短的上行闭环功率控制周期，所述用户设备对上行专用物理信道发送功率的调整仍会滞后于无线信道传输特性的变化时，通过上述基于平均信噪比的闭环功率控制方法，使上行闭环功率控制过程适应于无线信道的慢速衰落特性，而非无线信道的快速衰落特性，可以减少所述用户设备对上行专用物理信道的发送功率错误调整的概率，使所述各用户设备的无线信号在到达基站时具有基本相同的平均功率，相比于所述的基于瞬时信噪比的闭环功率控制方法，可使上行闭环功率控制过程获得较好的性能。

然而，当无线信道的传输特性变化较慢时，即采用所述的上行闭环功率控制周期，可使所述用户设备对上行专用物理信道发送功率的调整适应于无线信道传输特性的变化，若仍使用基于平均信噪比的闭环功率控制方法，相比于所述的基于瞬时信噪比的闭环功率控制方法，又会降低上行闭环功率控制过程的性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种码分多址系统中的自适应上行闭环功率控制方法，可以根据无线信道传输特性的变化，自适应的调整闭环功率控制的方法，从而改进上行闭环功率控制过程在不同无线信道传输特性下的性能。

上述的发明目的是由本发明的以下方法实现的：一种码分多址系统中的自适应上行闭环功率控制方法，其特征在于在上行闭环功率控制过程中，基站接收到用户站的上行信号后，首先测量或计算如下量值：

a.当前上行闭环功率控制周期和之前一个上行闭环功率控制周期中无线信道传输特性的相关系数ρ， $\mathrm{\ρ}=\frac{E\left\{h^{\′}\right(n)-E[h^{\′}\left(n\right)\left]\right\}\{h^{\′}(n-1)-E[h^{\′}(n-1)\left]\right\}}{\sqrt{D\left[h^{\′}\left(n\right)\right]}\·\sqrt{D\left[h^{\′}(n-1)\right]}},$ 其中 $h^{\′}\left(n\right)=\frac{h\left(n\right)}{x\left(n\right)};$ h(n)和h(n-1)分别表示当前上行闭环功率控制周期和之前一个上行闭环功率控制周期中的无线信道传输特性，x(n)和x(n-1)分别表示当前上行闭环功率控制周期和之前一个上行闭环功率控制周期中的噪声功率，n表示当前上行闭环功率控制周期的序号；E(·)表示随机变量的数学期望，D(·)表示随机变量的方差；

b.当前上行闭环功率控制周期中所述上行接收信号的信噪比

c.所述上行接收信号的平均信噪比 SNR；

然后，计算监控信噪比snr(n)， $\mathrm{snr}\left(n\right)=[\widehat{\mathrm{snr}}\left(n\right)-\stackrel{\‾}{\mathrm{SNR}}]\mathrm{\ρ}+\stackrel{\‾}{\mathrm{SNR}};$ 将所得的监控信噪比与目标信噪比进行比较，生成上行功率控制命令。

根据本发明的一个方面，在计算所述的相关系数ρ时，所述的数学期望和方差以随机变量的时间平均值代替，所述的时间平均值为连续的15个上行闭环功率控制周期中随机变量的滑动平均，所述的15个上行闭环功率控制周期包括当前上行闭环功率控制周期以及之前14个上行闭环功率控制周期。

根据本发明的另一个方面，所述的噪声中包括加性白高斯噪声、所述小区之间和小区内部的干扰。

根据本发明的另一个方面，所述的平均信噪比为连续的15个上行闭环功率控制周期中所述上行接收信号信噪比的滑动平均，所述的15个上行闭环功率控制周期包括当前上行闭环功率控制周期以及之前14个上行闭环功率控制周期。

根据本发明的又一个方面，所述的目标信噪比由高层根据传送业务质量的要求或通过外环控制动态进行设定。

根据本发明的又一个方面，所述的码分多址系统为TD-SCDMA第三代移动通信系统。

根据本发明的再一个方面，所述无线信道的传输特性h(n)由所述上行信号接收功率P_r(n)与用户设备报告的上行信号发送功率P_t(n)相比，即 $h\left(n\right)=\frac{P_r\left(n\right)}{P_t\left(n\right)}.$

具体实施例

将本发明的方法应用于TD-SCDMA第三代移动通信系统的上行闭环功率控制过程中。

在TD-SCDMA第三代移动通信系统的一个小区中，在节点B和小区内的一个用户设备之间建立了上行及下行专用物理信道，所述用户设备对上行专用物理信道的发送功率经上行闭环功率控制过程由节点B进行控制，其中，根据本发明的方法，所述节点B接收到所述用户设备的上行专用物理信道信号后，首先测量或计算如下量值，以下n表示当前上行闭环功率控制周期的序号：

a.当前上行闭环功率控制周期和之前一个上行闭环功率控制周期中无线信道传输特性的相关系数ρ；

b.当前上行闭环功率控制周期中所述上行接收信号的信噪比

c.所述上行接收信号的平均信噪比 SNR；

在计算所述相关系数 $\mathrm{\ρ}=\frac{E\{h^{\′}\left(n\right)-E[h^{\′}\left(n\right)\left]\right\}\{h^{\′}(n-1)-E[h^{\′}(n-1)\left]\right\}}{\sqrt{D\left[h^{\′}\left(n\right)\right]}\·\sqrt{D\left[h^{\′}(n-1)\right]}}$ 时，随机变量的数学期望和方差可用随机变量的时间平均值近似，例如，对连续15个上行闭环功率控制周期中的随机变量进行滑动平均，所述的15个上行闭环功率控制周期包括当前上行闭环功率控制周期以及之前14个上行闭环功率控制周期； $h^{\′}\left(n\right)=\frac{h\left(n\right)}{x\left(n\right)},h^{\′}(n-1)=\frac{h(n-1)}{x(n-1)},$ h(n)和h(n-1)分别表示当前上行闭环功率控制周期和之前一个上行闭环功率控制周期中的无线信道传输特性，其中包括无线信道的路径损耗、慢速衰落和快速衰落特性，x(n)和x(n-1)分别表示当前上行闭环功率控制周期和之前一个上行闭环功率控制周期中的噪声功率，所述的噪声中包括加性白高斯噪声(additive white Gaussian noise)、所述小区之间和小区内部的干扰；所述上行接收信号的信噪比

为当前上行闭环功率控制周期中上行信号接收功率与噪声功率之比，上行接收信号的平均信噪比 SNR为连续的15个上行闭环功率控制周期中所述上行接收信号信噪比的滑动时间平均，所述的15个上行闭环功率控制周期包括当前上行闭环功率控制周期以及之前14个上行闭环功率控制周期；上述滑动平均窗口的长度可以根据信道传输特性的先验知识或者预测进行时时的调整。

然后，所述节点B利用上述的结果计算监控信噪比snr(n)， $\mathrm{snr}\left(n\right)=[\widehat{\mathrm{snr}}\left(n\right)-\stackrel{\‾}{\mathrm{SNR}}]\mathrm{\ρ}+\stackrel{\‾}{\mathrm{SNR}};$ 将所得的监控信噪比与目标信噪比进行比较，生成上行功率控制命令：当所述的监控信噪比高于设定的目标信噪比时，节点B生成上行功率控制命令“下降”，控制所述用户设备减小上行专用物理信道的发送功率，当所述的监控信噪比低于或等于设定的目标信噪比时，节点B生成上行功率控制命令“上升”，控制所述用户设备增大上行专用物理信道的发送功率；所述发送功率在之前发送功率的基础上每次减小或增大一个上行功率控制步长，一个上行功率控制步长可为1dB、2dB或3dB；所述的目标信噪比可由高层根据传送业务质量的要求或通过外环控制动态进行设定。

为了获得当前上行闭环功率控制周期中的无线信道传输特性h(n)，所述节点B可以利用其测量的所述上行信道的接收功率，与所述用户设备周期性报告(Periodic measurementreporting)的所述上行信号的发送功率P_t(n)相比，即 $h\left(n\right)=\frac{P_r\left(n\right)}{P_t\left(n\right)}.$

通过上述的自适应上行闭环功率控制方法，可以看出：当无线信道的传输特性变化较快时，在相邻的两个上行闭环功率控制周期中，无线信道传输特性的相关性较小，所述的相关系数ρ必然会较小，在所述的监控信噪比snr(n)中，所述平均信噪比 SNR的权值大于所述当前上行闭环功率控制周期中的信噪比 在极限情况下，当无线信道的传输特性变化很快时，相邻两个上行闭环功率控制周期中无线信道的传输特性相互独立，即相关性为0，此时所述的监控信噪比snr(n)即等于所述的平均信噪比 SNR；而当无线信道的传输特性变化较慢时，在相邻的两个上行闭环功率控制周期中，无线信道传输特性的相关性较大，所述的相关系数ρ必然会较大，在所述的监控信噪比snr(n)中，所述当前上行闭环功率控制周期中的信噪比

的权值大于所述平均信噪比 SNR，在极限情况下，当无线信道的传输特性变化很慢时，相邻两个上行闭环功率控制周期中无线信道的传输特性完全相同，即相关性为1，此时所述的监控信噪比snr(n)即等于所述当前上行闭环功率控制周期中的信噪比

因此，通过引入所述的相关系数ρ，所述节点B可根据无线信道传输特性的变化，自适应的调整监控信噪比，在无线信道的传输特性变化较慢时，更多的基于所述当前上行闭环功率控制周期中的信噪比，生成上行功率控制命令，而在无线信道的传输特性变化较快时，更多的基于所述的平均信噪比，生成上行功率控制命令，从而可以自适应的调整闭环功率控制的方法，改进上行闭环功率控制过程在不同无线信道传输特性下的性能。

Claims (8)

1.一种码分多址系统中的自适应上行闭环功率控制方法，其特征在于在上行闭环功率控制过程中，基站接收到用户站的上行信号后，首先测量或计算如下量值：

a.当前上行闭环功率控制周期和之前一个上行闭环功率控制周期中无线信道传输特性的相关系数ρ， $\mathrm{\ρ}=\frac{E\{h^{\′}\left(n\right)-E[h^{\′}\left(n\right)\left]\right\}\{h^{\′}(n-1)-E[h^{\′}(n-1)\left]\right\}}{\sqrt{D\left[h^{\′}\left(n\right)\right]}\·\sqrt{D\left[h^{\′}(n-1)\right]}},$ 其中 $h^{\′}\left(n\right)=\frac{h\left(n\right)}{x\left(n\right)};$ h(n)和h(n-1)分别表示当前上行闭环功率控制周期和之前一个上行闭环功率控制周期中的无线信道传输特性，x(n)和x(n-1)分别表示当前上行闭环功率控制周期和之前一个上行闭环功率控制周期中的噪声功率，n表示当前上行闭环功率控制周期的序号；E(·)表示随机变量的数学期望，D(·)表示随机变量的方差；

b.当前上行闭环功率控制周期中所述上行接收信号的信噪比

c.所述上行接收信号的平均信噪比SNR；

然后，计算监控信噪比snr(n)， $\mathrm{snr}\left(n\right)=[\widehat{\mathrm{snr}}\left(n\right)-\stackrel{\‾}{\mathrm{SNR}}]\mathrm{\ρ}+\stackrel{\‾}{\mathrm{SNR}};$ 将所得的监控信噪比与目标信噪比进行比较，生成上行功率控制命令。

2.如权利要求1所述的一种码分多址系统中的自适应上行闭环功率控制方法，其特征在于在计算所述的相关系数ρ时，所述的数学期望和方差以随机变量的时间平均值代替。

3.如权利要求2所述的一种码分多址系统中的自适应上行闭环功率控制方法，其特征在于所述的时间平均值为连续的15个上行闭环功率控制周期中随机变量的滑动平均，所述的15个上行闭环功率控制周期包括当前上行闭环功率控制周期以及之前14个上行闭环功率控制周期。

4.如权利要求1所述的一种码分多址系统中的自适应上行闭环功率控制方法，其特征在于所述的噪声中包括加性白高斯噪声、所述小区之间和小区内部的干扰。

5.如权利要求1所述的一种码分多址系统中的自适应上行闭环功率控制方法，其特征在于所述的平均信噪比为连续的15个上行闭环功率控制周期中所述上行接收信号信噪比的滑动平均，所述的15个上行闭环功率控制周期包括当前上行闭环功率控制周期以及之前14个上行闭环功率控制周期。

6.如权利要求1所述的一种码分多址系统中的自适应上行闭环功率控制方法，其特征在于所述的目标信噪比由高层根据传送业务质量的要求或通过外环控制动态进行设定。

7.如权利要求1至6之一所述的一种码分多址系统中的自适应上行闭环功率控制方法，其特征在于所述的码分多址无线通信系统为TD-SCDMA第三代移动通信系统。

8.如权利要求7所述的一种码分多址系统中的自适应上行闭环功率控制方法，其特征在于所述无线信道的传输特性h(n)由所述上行信号接收功率P_r(n)与用户设备报告的上行信号发送功率P_t(n)相比，即 $h\left(n\right)=\frac{P_r\left(n\right)}{P_t\left(n\right)}.$