CN1139199C - 无线电通信***中的闭环功率控制 - Google Patents

无线电通信***中的闭环功率控制 Download PDF

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Abstract

在具有主站和多个辅站的无线电通信***中，通过从每一个站向其它站发送功率控制命令、以闭环方式控制主站和辅站之间上行链路和下行链路信道的功率。响应这些命令，接收站按照步长调整其输出功率。通过考虑多个接收的功率控制命令，接收站可以对使用非直接实行的功率控制步长、例如小于其最小值或所实行的步长之间的中间值的功率控制步长的能力进行仿真。从而，能够在一定的信道条件下改善性能。在一个实施例中，当接收到的功率控制步长小于接收站的最小步长时，所述站处理一组功率控制命令，以便确定是否按照其最小步长调整其输出功率。

Description

无线电通信***中的闭环功率控制
技术领域
本发明涉及无线电通信***，具体来说，涉及此类***中所用，到的主站和辅站以及操作此类***的方法。虽然本说明书专门涉及新兴的通用移动电信***(UMTS)的***，但是要明确的是，此技术同样适用于其他移动无线电***。
现行技术背景
无线电通信***中，基站(BS)和移动台(MS)之间需要有两类基本的通信。第一类是用户业务，例如，语音或分组数据。第二类是控制信息，它对于设置和监控传输信道的各种参数以确保BS和MS交换所需要的用户业务是必需的。
在许多通信***中，控制信息的各种功能之一就是实现电源的控制。对从MS向BS发送的信号进行功率控制是必需的，以便所述BS以基本上相同的功率电平从不同的MS接收信号，将每个MS所需的传输功率减至最低。对从BS向MS发送的信号进行功率控制也是必需的，以便MS可以以低误码率从BS接收信号，同时把传输功率减至最低，以便减小对其他小区和无线电***的干扰。在双向无线电通信***中，功率控制可以以闭合或开放回路的方式来操作。在闭合回路***中，MS确定从BS发送的传输功率中所需的变化，并将这些变化以信号形式通知该BS，反之亦然。在开放回路***中(可用于时分双工(TDD)***中)，MS测量从BS接收来的信号并使用此测量值确定MS传输功率中所需要的变化。
使用功率控制的时分复用和频分复用结合的接入***的一个示例是全球移动通信***(GSM)，其中都以2dB的步长控制BS和MS发射器的发射功率。同样的，在US-A-5 056 109中描述了使用扩频码分多址(CDMA)技术的***中功率控制的实现。
至于闭合回路功率控制，可以看出对于任何给定的信道情况，都有使Eb/No(每比特能量/噪声密度)最小的最优化功率控制步长。当信道变化很慢时，最优化步长大小可以小于1dB，因为此值足以跟踪信道中的变化且保证产生最少的跟踪错误。当多普勒频率提高时，使用较长步长提供较好的性能，最优化值达到2dB以上。但是，当该多普勒频率进一步提高时，就产生一个问题，为正确跟踪该信道使功率控制回路的等待时间(或更新速率)变得太长，于是最优化步长再次缩短，也许会小于0.5dB。其原因是信道快速变化无法被跟踪，所以所需要的是跟踪阴影的能力，它通常是一种慢处理过程。
由于最优化功率控制步长可以动态地变化，所以如果BS确定了用于从MS到BS的上行传输和从BS到MS的下行传输的适合功率控制步长并随即通知MS，就可以提高其性能。可以使用这种方法的***的一个示例是UMTS频分双工(FDD)标准，其中由于使用了CDMA技术，所以功率控制是很重要的。虽然由于具有小的最小步长例如0.25dB而获得性能的提高，但是这样会大大地增加站的成本。但是，如果一个站不是必须实现最小步长，则它可能无法实现所要求的步长。
在站的某些功率控制步长的实现可有可无的***中可能会出现另一个问题。例如，在符合UMTS规范操作的***中，当BS改变下行传输功率(如，0.5dB、1dB、1.5dB和2dB)时，用户可能会使用多个不同的功率控制步长。但是，此情况下可能只有强制性地实现1dB的步长。在某些环境中，可能更希望不同的BS以相似的方式操作。例如，在软切换过程中，MS参与多个BS(即所谓的BS有效集)的通信以确定它应当转移到哪个BS，如果存在这样的BS的话。因此，避免这些BS的传输功率过分离散是必要的。最好可以达到这样的情况，所述有效集内的BS以相似的方式改变它们的传输功率，例如响应接收到功率控制命令而使用相似的功率步长。
如果两个BS正处于与以一定速度移动的MS进行软切换，1.5dB步长是最佳的，但是只有其中一个BS支持1.5dB步长，则实现两个BS的最优化功率控制是不可能的。网络不得不进行这样的选择：或者指示BS使用不同的步长，以便BS可以使用它所支持的最优化步长(要冒两个BS传输功率过分离散的风险)，或者指示两个BS使用相同的非优化步长(如1dB或2dB)，以便避免传输功率的过分离散。显然，这两种选择都不是最佳方案。
发明的公开
本发明的目的在于允许选择最优化功率控制步长同时不要求所有的站实现相同的步长集。
根据本发明的第一个方面，提供一种无线电通信***，所述***具有在主站和辅站之间的通信信道，主站和辅站之一(发射站)具有用于向另一个站(接收站)发送功率控制命令以指示它调整其输出的传输功率的装置，其中接收站具有仿真装置，用于通过将具有至少一个被支持的步长的各功率控制步长组合来仿真不被支持的功率控制步长。
根据本发明的第二个方面，提供一种用在无线电通信***中的主站，所述***具有在主站和辅站之间的通信信道，所述主站具有用于响应辅站发送的功率控制命令而按步长调整其输出传输功率的装置，其中提供了仿真装置用于通过将具有至少一个被支持的步长的各功率控制步长组合来仿真不被支持的功率控制步长。
根据本发明的第三个方面，提供一种用在无线电通信***中的辅站，所述***具有在主站和辅站之间的通信信道，所述辅站具有用于响应主站发送来的功率控制命令而按步长调整其输出传输功率的装置，其中提供了仿真装置用于通过将具有至少一个被支持的步长的各功率控制步长组合来仿真不被支持的功率控制步长。
根据本发明的第四个方面，提供一种操作无线电通信***的方法，所述***具有在主站和辅站之间的通信信道，所述方法包括：主站和辅站之一(发射站)向另一个站(接收站)发送功率控制命令以指示它按照步长调整其功率，其中接收站通过将具有至少一个被支持的步长的各功率控制步长组合来仿真不被支持的功率控制步长。
本发明基于这样一种在现行技术水平中不存在的意识，即，站对小功率控制步长的仿真可以提供良好的性能。
附图简介
现在将参照附图以举例的方式说明本发明的实施例，附图中：
图1是无线电通信***的方框示意图；
图2是说明根据本发明用于在辅站执行功率控制的方法的流程图；
图3是误码率为0.01所需的接收的Eb/No对以300公里/小时移动的MS所使用的功率控制步长的曲线图，单位都是dB；以及
图4是误码率为0.01所需的接收的Eb/No对以1公里/小时移动的MS所使用的功率控制步长的图表，单位都是dB。
实现本发明的方式
参照图1，可以以频分双工或时分双工方式运行的无线电通信***包括一个主站(BS)100和多个辅站(MS)110。BS 100包括一个微控制器(μC)102、连接到无线电传输装置106的发射器装置(Tx/Rx)104、用于变更发送的功率电平的功率控制装置(PC)107以及用于连接到PSTN或其他适合的网络的连接装置108。每个MS 110包括微控制器(pC)112、连接到无线电传输装置116的发射器装置(Tx/Rx)114以及用于变更传输的功率电平的功率控制装置(PC)118。从BS 100到MS 110的通信发生在下行信道122上，而从MS 110到BS 100的通信发生在上行信道124上。
在UMTS FDD***中，以各有15个时隙的10ms帧的形式发送数据。BS 100每个时隙发送一个功率控制命令(包括两个位)，其中位11(下文为简化而称为值1)要求MS 110增加其功率而位00(下文称为0)要求MS 110降低其功率。对所需功率控制步长的变更单独经由控制信道来通知。
在根据本发明的***中，当要求MS 110实现比其能够达到的最小步长还要小的功率控制步长时，对此操作过程进行修改。在此情况下，只有MS 110接收到一系列相同的功率控制命令，它才会有所动作，从而仿真具有更精确功率控制能力的MS 110的性能。
例如，对于所要求步长为0.5dB而MS 110实现的最小步长为1dB的情况，MS 110处理成对的功率控制命令，且仅在两个命令相同的情况下才改变其输出功率。因此，如果所接收的两个命令是11，则增加功率；如果是00，则降低功率；如果是10或01，则功率不改变。这样的做法是有利的：使命令的比较与帧的传输一致，将特定帧的时隙1和时隙2传送的功率控制命令组合在一起，然后是时隙3和时隙4传送的命令，依此类推。
同样的，如果要求的步长是0.25dB且最小步长是1dB，则MS 110每次处理四个功率控制命令，且仅在它们都相同的情况下才改变其输出功率。这样，如果接收到的命令是1111，则增加功率；如果是0000，则降低功率；否则功率不变。这样的做法是有利的：使命令的比较与帧的传输一致，将特定帧时隙1至时隙4传送的功率控制命令组合在一起，然后是时隙5至时隙8传送的命令，依此类推。
将在三个或五个时隙中接收的命令组合特别有利于所考虑的UMTS实施例，因为它保持与15个时隙的帧的一致。当然，该方法并不限于此***。对于通常的情况，其中MS 110实现的最小步长是S而BS 100要求的步长是R。在这种情况下功率控制命令可以按G个一组进行组合，其中G＝S/R。
图2说明对比MS 110的最小步长小的功率控制步长进行仿真的方法。该方法从202处开始，MS 110确定组成一组的命令数G并设置接收的功率控制命令计数器i到0。在204处，MS 110接收到功率控制命令并递增计数器i。接着，在206处，将i的值与G比较。如果i小于G，则存储接收到的命令，同时MS 110等待接收下一条命令。或者，已经接收到要求数量的功率控制命令，在208处MS 110根据接收到的功率控制命令调整其功率。一旦此过程完成，计数器i复位为0(如果i等于G)或1(如果i大于G，发生在G不是整数的情况下)，同时MS 110等待接收下一条功率控制命令。
在另一个实施例中，不是按G个一组的方式组合功率控制命令，MS 110保持一个要求功率变更的执行总数，一旦该总数的要求功率变更量达到其最小步长时就进行一次变更。例如，如果要求的步长是0.25dB且最小步长是1dB，则接收到的命令序列是11010111将会使功率增加1dB。然后，MS 110减去要求功率变更的执行总数所实现的步长。但是，此方案实施起来更为复杂(因为它要求保持一个要求功率变更的执行总数)，并且对此方法性能似乎只有最低限度的提高。
作为一个替代方案，此实施例的一种变型是：MS 110使用一种保持要求功率变更的执行总数的软决定方法，而不是采用对每个单独的功率控制命令进行硬决定。每个功率控制命令在加入该执行总数之前，都通过该命令的接收信号振幅的函数进行加权，作为对MS110已正确解释该命令的似然的量度。例如，序列11010111011加权后可能依次对应于一系列要求的功率变更：0.8 0.3-0.3 0.4-0.1 0.5 0.90.8-0.4 0.7 0.5(单位是0.25dB)。此序列的执行总数是4.1，它触发MS 110执行1dB的上调步长并将该执行总数减少到0.1。这个变型应该对该方法的性能有稍微的提高。
已经进行两种模拟，以便说明根据本发明的方法的有效性。它们验证了相对于最小步长为1dB的MS 110的最小步长为0.25dB的MS 110比较的性能。这两种模拟作了一些理想化的假设：●在所述功率控制回路中存在1个时隙的延迟；●不存在信道编码；●存在由接收器完成的准确的信道估算值；●接收器的均衡由准确的RAKE接收器来完成；●Eb/No数字中不包含控制信道的开销；●功率控制命令的传输中有固定的误码率；●所述信道被构造为一个简单N路瑞利信道。
第一种模拟涉及一种高速变化的信道，同时MS 110以300公里/小时的速度在一个简单通道瑞利信道中移动，其功率控制命令的误码率为0.01。图3是上行误码率为0.01所需的接收Eb/No对所使用的功率控制步长的曲线图，单位都是dB。实线表示MS 110具有0.25dB以下的最小功率控制步长，而虚线表示MS 110具有1dB的最小功率控制步长，其中组合了两个或四个一组的功率控制位来分别仿真0.5dB和0.25dB功率控制步长。
在此情况下，对于小于1dB的小步长获得最佳性能。0.25dB和0.5dB步长的仿真使得实现损失仅为约0.05dB，与不实施仿真的情况下的约0.6dB相比，说明仿真方法是有用的。将功率控制命令的误码率增加到0.1一般导致接收Eb/No下降约0.2dB，但是仿真小步长的MS 110的性能仍接近于直接实现小步长的MS 110的性能。
第二种模拟涉及一种慢变化的信道，MS 110以1公里/小时的速度在六通道瑞利信道中移动，其功率控制命令的误码率为0.01。图4是上行误码率为0.01所需的接收Eb/No对所使用的功率控制步长的曲线图，单位都是dB。该图中的线条表示的含义与图3完全相同。
在此情况下，使用小于1dB的功率控制步长有一个小优点。同第一种模拟一样，使用仿真的小步长所产生的结果很接近于直接实现小步长的结果。
在本方法的另一种应用中，G值可以设为非S/R的值，这是考虑到一些有利的原因，诸如减少发送的功率控制命令解释中错误的影响(例如，通过在更长一些的时段内取平均值)。因此在某些环境下，MS 110可以选择使用较可实现的最小值长的步长。
上述方法的一种变型可以用于对比站实现的最小步长大而不被支持的功率控制步长进行仿真。考虑按照UMTS规范操作的***中的BS 100的情况。在这种***的一个示例中，当BS 100调整下行传输122的功率时可以使用四种步长中的一个，这四种步长是0.5dB、1dB、1.5dB和2dB，其中只有1dB是强制性的。
考虑网络基础设施指示BS 100使用1.5dB步长，但是该BS 100只实现1dB和2dB步长的情况。在根据本发明的方法中，BS 100考虑成对的接收功率控制命令。在软切换过程中使用它时，最好使这些组合或者与奇数的或者与偶数的帧边界对齐，因为一个帧包括奇数(15)个时隙。可以根据连接帧的数量或***帧的数量来确定偶数的或奇数的帧的定义。这种对齐方式确保所述有效集中执行根据本发明的仿真算法的不同的BS 100以相似的方式进行操作。
在每个命令对的第一个时隙中，BS 100总是按接收的功率控制命令符号所给定的方向实行1dB的步长，其中如果接收的命令是0，则该符号应为负号；如果是1，则该符号应为正号。在第二个时隙中，如果接收的功率控制命令的符号与第一个时隙的相同，则BS 100实行2dB的步长；如果这两个符号相反，则使用幅度为1dB的步长。如果BS 100只实行步长1dB，则在仿真算法要求更大步长的情况下，单个帧中可能会执行一个以上1dB步长。所产生的功率变化如下所示：
          命令          功率变化
第一个时隙 第二个时隙 第一个时隙 第二个时隙
 0  0 -1dB -2dB
 0  1 -1dB +1dB
 1  0 +1dB -1dB
 1  1 +1dB +2dB
上述方法可以推广来处理仿真步长等于(x+0.5)dB的情况，其中BS 100可以实行xdB和(x+1)dB的步长：在第一个时隙的功率步长为xdB，而在第二个时隙的功率步长为xdB或(x+1)dB为宜。
另一种推广也是可行的。考虑仿真步长等于(x+a)ΔdB的情况，其中Δ是BS 100支持的最小步长，x是一个整数，并且0＜a＜1。每当BS 100接收到功率控制命令时，就执行如下的计算：
               Si＝si-1+Pa
其中，当接收的命令为0值时P等于-1；而当接收的命令为1时等于+1。Si-1在第一个时隙被初始化为0，此后等于前一个时隙中Si的值。
如果Si≤0.5，则BS 100实行的功率步长为xΔdB。如果Si＞0.5，则BS 100实行的功率步长为(x+1)ΔdB，且该BS 100从Si中减去P。
现在考虑仿真步长等于(x+a/b)ΔdB的情况，其中x、a和b是整数且a＜b。BS 100考虑b个一组地接收的功率控制命令。对于软切换的情况，所述各组最好或者与奇数的或者与偶数帧的边界对齐，其原因与上述的基本仿真算法的原因相同。
BS 100将b个时隙的组分成几个子组，使得每个子组中的时隙数最多相差1。在每个子组中除最后一个外的其余时隙中，BS 100总是按该时隙中的接收功率控制命令的符号所给定的方向实行幅度xΔdB的步长。在每个子组的最后一个时隙中，如果该子组的所有时隙中的接收功率控制命令都具有相同的符号，则BS 100实行幅度为(x+1)ΔdB的步长；否则实现幅度为xΔdB的步长。本方法确保功率电平的误差始终小于a/bdB和(1-a/b)dB中较大的一个值。
上述方法还可以进一步推广，以便包括对介于BS 100或MS 110所支持两个步长之间的任何步长的仿真。
在上面的说明中，所有涉及用于控制上行传输124的功率的MS110步长仿真的内容都可以等效地运用于BS 100控制下行传输122的功率，反之亦然。
再者，上述的详细说明涉及一种***，其中功率控制命令被单独地从指令发送到站，以设置其功率控制步长。但是，本发明也适用于其他范围的***。具体来说，它可以用于任何具有可变功率控制步长的***以及指示站使用特定的步长值的***。它也可以用于具有固定功率控制步长的***，或至少在使用功率控制步长仿真方法时功率控制步长固定的***。站要使用的特定步长可以由网络基础设施BS 100或MS 110来确定。也可以由这些实体之间的协商来确定。
通过阅读本公开，对于本专业的技术人员来说一些其他的修改是显而易见的。这些修改可以包含无线电通信***中已经为人熟知的其他特征，这些特征可以用于取代或者附加到上文所述的那些特征。
在本说明书和权利要求中，某个元件前的词汇“a”或“an”并不排除存在多个这样的元件。还有，词“Comprcsing”并不排除所列举的之外的其他元件的存在。
业界话用范围
本发明适用于无线电通信***所涉及的范围，例如UMTS。

Claims (18)

1.一种无线电通信***，它具有在第一站和第二站之间的通信信道，所述第一站用于向第二站发送功率控制命令以指示它步进地调整其输出的传输功率，其特征在于，该第二站具有一个控制器，该控制器用于处理所接收的多个功率控制命令以确定是否将其传输功率调制一个步长。
2.按照权利要求1中所要求的***，其特征在于，该控制器用于处理成对接收的功率控制命令和用于响应于第一功率控制命令来执行一个幅度为xΔ的步长，其中x是一个整数，Δ是第二站所实现的最小步长，然后，如果第二功率控制命令具有与第一功率控制命令相同的符号则接着执行一个幅度为(x+1)Δ的步长和如果第二功率控制命令具有与第一功率控制命令相反的符号则接着执行一个幅度为xΔ的步长。
3.按照权利要求1中所要求的***，其特征在于，该控制器用于维持一个在所接收的功率控制命令的步长和与所执行的功率控制步长和之间差值的连续和，以及如果在上述步长和之间差值大于0.5Δ时执行一个幅度为(x+1)Δ的步长，否则执行一个幅度为xΔ的步长，其中x是一个整数，Δ是第二站所实现的最小步长。
4.按照权利要求1中所要求的***，其特征在于，该控制器仅当所接收的多个功率控制命令相同时才将该传输功率调制一个步长。
5.按照权利要求1中所要求的***，其特征在于，该第一站用于在一帧中预定位置处传输多个功率控制命令。
6.按照权利要求5中所要求的***，其特征在于，所述多个功率控制命令的数目是可由在该帧中传输的功率控制命令的数目所精确整除的。
7.一种用在一个无线电通信***中的无线电站，该无线电站具有一个控制器，该控制器用于响应于所接收的功率控制命令来步进地调整该无线电站的传输功率，其特征在于，该控制器用于处理所接收的多个功率控制命令以确定是否将其传输功率调制一个步长。。
8.按照权利要求7中所要求的无线电站，其特征在于：该控制器用于处理成对接收的功率控制命令和用于响应于第一功率控制命令来执行一个幅度为xΔ的步长，其中x是一个整数，Δ是第二站所实现的最小步长，以及如果第二功率控制命令具有与第一功率控制命令相同的符号则接着执行一个幅度为(x+1)Δ的步长和如果第二功率控制命令具有与第一功率控制命令相反的符号则接着执行一个幅度为xΔ的步长。
9.按照权利要求7中所要求的无线电站，其特征在于：该控制器用于维持一个在所接收的功率控制命令的步长和与所执行的功率控制步长和之间差值的连续和，以及如果在上述步长和之间差值大于0.5Δ时执行一个幅度为(x+1)Δ的步长，否则执行一个幅度为xΔ的步长，其中x是一个整数，Δ是第二站所实现的最小步长。
10.按照权利要求7中所要求的无线电站，其特征在于：该控制器仅当所接收的多个功率控制命令相同时才将该传输功率调制一个步长。
11.一种操作无线电通信***的方法，所述***具有在主站和辅站之间的通信信道，所述方法包括：第一站向第二站发送功率控制命令以指示它按照步长调整其功率，其特征在于：第二站处理所接收的多个功率控制命令以确定是否将其传输功率调制一个步长。
12.按照权利要求11中要求的方法，其特征在于：第二站处理成对接收的功率控制命令和用于响应于第一功率控制命令来执行一个幅度为xΔ的步长，其中x是一个整数，Δ是第二站所实现的最小步长，然后，如果第二功率控制命令具有与第一功率控制命令相同的符号则接着执行一个幅度为(x+1)Δ的步长和如果第二功率控制命令具有与第一功率控制命令相反的符号则接着执行一个幅度为xΔ的步长。
13.按照权利要求12中要求的方法，其特征在于：所述信道上的传输以帧形式进行，并且所述各功率控制命令对与偶数帧的起始位置对齐。
14.按照权利要求12中要求的方法，其特征在于：所述信道上的传输以帧形式进行，并且所述各功率控制命令对与奇数帧的起始位置对齐。
15.按照权利要求11中要求的方法，其特征在于：第二站维持一个在所接收的功率控制命令的步长和与所执行的功率控制步长和之间差值的连续和，以及如果在上述步长和之间差值大于0.5Δ时执行一个幅度为(x+1)Δ的步长，否则执行一个幅度为xΔ的步长，其中x是一个整数，Δ是第二站所实现的最小步长。
16.按照权利要求11中要求的方法，其特征在于：第二站仅当所接收的多个功率控制命令相同时才将该传输功率调制一个步长。
17.按照权利要求11中要求的方法，其特征在于：所述信道上的传输以帧形式进行，并且所述多个功率控制命令具有相对于每个帧起始位置的预定位置。
18.按照权利要求12中要求的方法，其特征在于：所述多个功率控制命令的数目是可由在该帧中传输的功率控制命令的数目所精确整除的。
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