专利名称：发射功率控制方法和采用该方法的通信系统的制作方法
本申请是1995年5月11日申请的、发明名称为“发射功率控制方法和采用该方法的通信系统”(申请号95105384.1)的分案申请。
本发明涉及一种发射功率控制方法和采用该方法的通信系统，具体地说是涉及在移动通信中采用扩频技术进行多路传输的码分多址(CDMA)系统的发射功率控制方法和采用该方法的通信系统。
众所周知，CDMA系统分为两类直接序列(DS)系统，其使用高速扩展码扩展经常规调制的信号；和跳频(FH)系统，其将一符号分解为叫做信段的单元并将每个信段高速转化成不同中心频率的信号。由FH系统在现有技术状态下难以实现，所以通常采用DS系统。扩频无线电系统与用于卫星数据网的常规通信系统如每载波一个通道/频分多址(SCPC/FDMA)系统或时分多址(TDMA)系统的不同之处在于，扩频无线电系统在发射机端发射经过普通调制的信号、然后用扩展码进行二次调制展宽其信号带宽。另一方面，在接收机端，宽带接收信号被去扩展恢复成窄带信号，再接着进行常规解调处理。去扩展通过检测接收信号的扩频序列和接收站产生的、该通道特有的扩展码序列间的校正值进行。以一个单元中用户数目表示的容量由实现所要求的误差率所需的信号干扰比确定，因为CD-MA系统对这些用户使用相同的频带。
将CDMA系统用于移动通信会产生一个问题，即在基站所接收的来自各移动站的信号电平随移动站位置显著变化，这导致了“近-远问题”，其中大功率信号掩盖了小功率信号，从而减少了在同一时间可通信移动站的数目。换句话说，信道的通信质量被其它通信单元的信号降低，因为同一频带为多个通信单元共享，来自其它通信单元的信号成为了干扰信号。
图1说明在反向(从移动站到基站)信道中由其它移动站引起的干扰状态。参考字符BS1-BS3代表基站，MS1-MS3代表与基站BS1有关的单元中的移动站。当比移动站MS2更接近基站BS1的移动站MS1与同时还与移动站MS2通信的基站BS1通信时，基站BS1从较近移动站MS1所接收的功率将大于从较远移动站MS2接收的功率。结果，较远移动站MS2和基站BS1间的通信将由于较近移动站MS1的干扰而变差。
为克服这个远-近问题，引入了发射功率控制。发射功率控制调节接收站的接收功率或由接收功率确定的SIR以使无论移动站位置如何接收功率或SIR都是常数，从而在业务地区中实现一致的通信质量。
图2给出了当进行反向发射功率控制时基站接收的功率电平与未进行功率控制时接收功率电平的比较。由于靠近相邻单元边界的移动站接收来自相邻单元的干扰，由于远-近问题引起的通信质量下降在反向和正向(基站到移动站)通信中都出现。
图3说明从基站BS1到移动站MS3的正向信道中由于其它单元的基站BS2和BS3引起的干扰状态。如该图所示，其它通信单元的信号功率变成了干扰，因此必须进行发射功率控制以防止其它通信单元的信号功率变得比预期信道的发射功率大。
具体地说，对于反向信道，每个移动站对发射功率进行控制以使其在基站接收的功率恒定。由于在CDMA系统中干扰被认为是白噪声，所以发射功率中的误差是确定以一个单元中用户的数目表示的容量最重要的因素。例如，发射功率1dB的误差将使以用户数表示的容量减少约30％。
另一方面，对于正向信道，由于预期信道的信号和该单元内其它用户信号引起的干扰信号通过相同路径传播，所以它们遭受相同的长间隔的波动、相同的短间隔的波动和相同的瞬时波动以致其SIR保持恒定。因而，如果仅在一单元内引起干扰，就没有必要进行发射功率控制。然而，实际上必须考虑来自其它单元的干扰。这是因为虽然其它单元的干扰功率由于瑞利衰落象该单元内的干扰功率一样经历瞬时波动，但其波动与预期信道中的不同。
图4说明移动站所接收信号的行为。在由美国电信工业协会(TIA)标准化的CDMA系统中，基本上不在正向信道中进行发射功率控制。与之相反，基站检测所接收信号的帧错误率，并且如果帧错误率超过一预定值就增加向移动站的发射功率。这是因为很大地增加发射功率会增加对其它单元的干扰。其它单元基站的发射功率构成瞬时波动干扰。
图5说明根据接收SIR进行的第一常规闭环发射功率控制的工作原理。图5(和图6)中，参考字符S代表有用信号的接收功率，I代表干扰信号的接收功率，pg代表处理增益。进行CDMA系统中的第一常规发射功率控制以使实际的SIR与事先确定的基准SIR一致以保证所要求的通信质量。这里，SIR被定义为预期信道的接收功率与热噪声和来自非预期用户的干扰信号总和的干扰信号功率的比值。在第一常规方法中，为获得基准SIR而增加用户所接收信号功率将导致对其它用户干扰信号功率的增加。这样会形成一个使各移动站的发射功率相继增加的恶性循环，每个移动站将以其最大发射功率发射。
图6说明根据接收的热噪声电平进行的第二常规闭环发射功率控制。第二发射功率控制根据比值S/(Imax+N)进行，其中S是预期电波的接收信号电平，Imax是系统可容纳的最大用户数引起的最大干扰功率，N是热噪声功率。换句话说，是根据由热噪声电平N测量电平的电平S与电平Imax的比值进行发射功率控制。在这种情况下，即使单元内实际通信单元的数目小于最大数，移动站辐射的发射功率也将保证假设最大数目的用户同时通信时所要求的基站接收质量(图6中信噪比SNR将在后面予以描述)。
结果，在图5和图6中任何一种情况下，移动站都会辐射对应于以用户数表示的最大容量的最大发射功率。这使得移动站不得不消耗额外的功率。在从基站到移动站的正向信道发射中也将出现相似的问题。
因而，本发明的一个目的是提供一种发射功率控制方法和采用该方法的通信系统，该方法可通过按照预期电波的接收信号电平与其它通信单元功率的比值来控制发射功率而防止发射功率增加到发射机放大器的最大输出功率。
本发明的第一个方面是提供用于码分多址(CDMA)系统的发射功率控制方法，其包括下列步骤在基站计算第一实际SIR(信号－干扰比)，第一实际SIR定义为基站正与之通信的移动站发出的有用信号的接收功率与其它站的干扰功率和热噪声功率之和的比值；在基站判断第一实际SIR是否大于满足预定通信质量的第一预定基准SIR根据判定步骤的结果在基站形成一个或更多个第一发射功率控制位；在基站将第一发射功率控制位周期性地插入正向(基站到移动站)帧；在移动站根据基站发出的正向帧中的第一发射功率控制位计算暂定的反向(移动站到基站)发射功率；
在移动站确定反向发射功率，当暂定反向发射功率等于或小于第一预定最大发射功率时使反向发射功率与暂定的反向发射功率相等，当暂定反向发射功率大于第一预定最大发射功率时使反向发射功率等于第一预定最大发射功率；以反向发射功率从移动站向基站发射信号。
这里，第一预定最大发射功率可根据用单元中用户数表示的最大容量，单元半径和单元停用概率来确定。
本发明的第二方面是提供用于码分多址(CDMA)系统的发射功率控制方法，其包括步骤在移动站计算实际的信号－干扰比SIR，实际的SIR定义为移动站与之通信的基站发出的有用信号的接收功率与其它站的干扰功率和热噪声功率之和的比值；在移动站判断实际的SIR是否大于满足预定通信质量的预定基准SIR；在移动站根据判断步骤的结果形成一个或更多的发射功率控制位；在移动站将发射功率控制位周期性地插入反向(由移动站到基站)帧中；在基站根据移动站发出的反向帧中的发射功率控制位计算暂定正向(基站到移动站)发射功率；在基站确定正向发射功率，当暂定的正向发射功率等于或小于预定的最大发射功率时使正向发射功率等于暂定正向发射功率，当暂定正向发射功率大于预定的最大发射功率时使正向发射功率等于预定的最大发射功率；以正向发射功率从基站向移动站发射信号。
这里，预定的最大发射功率可根据以单元中用户数表示的最大容量、单元半径和单元停用概率来确定。
发射功率控制方法还可包括步骤在移动站计算第二实际SIR(信号－干扰比)，第二实际SIR定义为移动站与之通信的基站发出的有用信号的接收功率与其它站的干扰功率和热噪声功率之和的比；在移动站判断第二实际SIR是否大于满足预定通信质量的第二预定基准SIR；在移动站根据判断步骤的结果形成一个或更多第二发射功率控制位；在移动站将第二发射功率控制位周期性地插入反向(由移动站到基站)帧；在基站根据移动站发出的反向帧中的第二发射功率控制位计算暂定的正向(基站到移动站)发射功率；在基站确定正向发射功率，当暂定的正向发射功率等于或小于第二预定最大发射功率时使正向发射功率等于暂定正向发射功率，当暂定正向发射功率大于第二预定最大发射功率时使正向发射功率等于第二预定最大发射功率；以该正向发射功率从基站向移动站发射信号。
本发明第三方面是提供用于码分多址(CDMA)系统的发射功率控制装置，其包括计算装置，其在基站计算第一实际SIR(信号－干扰比)，第一实际SIR定义为基站与之通信的移动站发出的预期信号的接收功率与其它站的干扰功率和热噪声功率之和的比；判断装置，其在基站判断第一实际SIR是否大于满足预定通信质量的第一预定基准SIR；形成装置，其在基站根据判断装置得到的结果形成一个或更多的第一发射功率控制位；插入装置，其在基站将第一发射功率控制位周期性地插入正向(基站到移动站)帧；计算装置，其在移动站根据基站发出的正向帧中的第一发射功率控制位计算暂定的反向(移动站到基站)发射功率；确定装置，其在移动站确定反向发射功率，当暂定反向发射功率等于或小于第一预定最大发射功率时使反向发射功率等于暂定反向发射功率，当暂定反向发射功率大于第一预定最大发射功率时使反向发射功率等于第一预定最大功率；发射装置，其以反向发射功率从移动站向基站发射信号。
这里，第一预定最大发射功率可根据以单元中用户数目表示的最大容量、单元的半径和单元的停用概率来确定。
本发明的第四方面是提供用于码分多址(CDMA)系统的发射功率控制装置，其包括计算装置，其在移动站计算实际的信号－干扰比(SIR)，实际SIR定义为移动站与之通信的基站发出的有用信号的接收功率与其它站的干扰功率和热噪声功率之和的比；判断装置，其在移动站判断实际SIR是否大于满足预定通信质量的预定基准SIR；形成装置，其在移动站根据判断装置得到的结果形成一个或更多的发射功率控制位；插入装置，其在移动站将发射功率控制位周期性地插入反向(移动站到基站)帧中；计算装置，其在基站根据移动站发出的反向帧中的发射功率控制位计算暂定的的正向(基站到移动站)发射功率；确定装置，其在基站确定正向发射功率，当暂定正向发射功率等于或小于预定的最大发射功率时使正向发射功率等于暂定的正向发射功率，当暂定的正向发射功率大于预定最大发射功率时，使正向发射功率等于预定的最大发射功率；发射装置，其以正向发射功率从基站向移动站发射信号。
这里，预定的最大发射功率可根据以单元中用户数目表示的最大容量、单元半径和单元的停用概率来确定。
用于码分多址(CDMA)系统的移动站的发射功率控制装置，其包括计算装置，其计算实际SIR，所述实际SIR定义为移动站与之通信的基站发出的有用信号的接收功率与其它站的干扰功率及热噪声功率之和的比；判断装置，其判断所述实际SIR是否大于满足预定通信质量的预定基准SIR；形成装置，其根据所述判断装置得到的结果形成一个或更多发射功率控制位；插入装置，其将所述发射功率控制位周期性地插入反向帧。
用于码分多址(CDMA)系统的基站的发射功率控制装置，其包括计算装置，其根据从移动站发出的反向帧中的一个或多个传输功率控制位来计算暂定反向的发射功率，且前述移动站与该基站通信；确定装置，其确定正向发射功率，当所述暂定正向发射功率等于或小于预定最大发射功率时，使所述正向发射功率等于所述暂定正向发射功率，当所述暂定正向发射功率大于所述预定最大发射功率时，使正向发射功率等于所述预定最大发射功率；发射装置，其以所述正向发射功率由所述基站向所述移动站发射信号。
根据本发明所述，由于移动站最大发射功率的上限值设定为在基站可满足系统最大数目的用户要求的质量这样的值，所以移动站的发射机放大器在发射功率控制过程中不会发散。对一正向信道也可实现能够跟随其它单元带来的干扰功率的类似发射功率控制。
本发明上述的及其它的目的、作用、特征及优点通过下面结合附图进行的其实施例的描述会更加显而易见。
图1是说明其它移动站对一反向信道的干扰的图；图2是说明进行反向发射功率控制时基站处所接收信号电平与未进行控制时的比较的图；图3是说明其它单元对一正向信道的干扰的图；图4是说明在移动站正向信道所接收的信号电平和干扰电平的图；图5是说明根据SIR进行的第一常规发射功率控制的图；图6是说明根据热噪声电平进行的第二常规发射功率控制的图；图7是说明根据本发明所述进行发射功率控制的原理的图；图8A和8B是显示与根据本发明所述的发射功率控制有关的移动站部分的框图；图9是显示与根据本发明所述的发射功率控制有关的基站部分的框图；图10是显示根据本发明所述的反向发射功率控制方法的流程图；图11是显示根据本发明所述的正向发射功率控制方法的流程图；图12是显示根据本发明所述的闭环发射功率控制的工作图。
现在将参考这些附图描述本发明。
图7说明根据本发明所述的发射功率控制方法的工作原理。基站的无线电设备控制移动站的发射功率以使预期移动站发出的有用信号的接收信号功率S与其它移动站的热噪声N和干扰功率I之和N-I的比S/(N+I)满足基站预期的接收质量。功率控制周期被设置成等于或小于能跟随与多普勒频率对应的瞬时波动的周期。当移动站的发射功率RT由于干扰增加而增加到最大发射功率Pmax时，移动站的发射功率就被固定到由以用户数表示的容量、单元的半径和停用概率确定的Pmax。停用概率代表一个业务区中不能满足要求的信道质量的地区的百分比。于是，移动站的发射功率不能超过与基站的最大信号电平Smax相应的最大发射功率Pmax。在单元的边界地区也在正向信道中进行闭环发射功率控制以便发射功率可跟随其它单元带来的干扰的瞬时波动。基站也根据移动站的接收SIR象在反向信道中一样进行正向信道的发射功率控制以使发射功率固定在最大发射功率P′max，从而防止基站发射功率增加到超过P′max。
图8A和8B是显示移动站中与发射功率控制有关的部分的框图。
在图8A和8B中，参考数字1代表用于将射频(RF)接收信号转换成中频(IF)信号的RF下变频器。RF下变频1的输出信号供给由输出信号形成固定电平信号的自动增益控制AGC放大器2。AGC放大器2的输出由正交检波器3进行正交检波。正交检波器3的输出通过由匹配滤波器或滑动相关器组成的去扩展部分4去扩展。去扩展部分4的输出被输入到RAKE组合器和解调器5、有用接收信号的功率检测器7和干扰功率检测器8。
定时信号发生器6检测输入信号中的同步信号，并根据所检测的同步信号给有用接收信号的功率检测器7和干扰功率检测器8提供定时时钟信号。有用接收信号功率检测器7根据定时时钟信号由输入信号中检测有用接收信号的功率。干扰功率检测器8根据定时时钟信号从输入信号中检测干扰信号功率。SIR计算部分9从这些检测输出中计算接收SIR，并将得到的接收SIR提供给发射功率控制位发生器10。发生器10将接收的SIR与满足预定接收质量的预定基准SIR进行比较，并确定要发送到基站的发射功率控制位。
RAKE组合器和解调器5解调RAKE组合的输入信号，并将其提供给帧分离部分11。帧分离部分11从帧中抽取发射功率控制位，并将其提供给发射功率判定部分12。发射功率判定部分12根据发射功率控制位确定发射功率PT，将发射功率PT与由最大功率计算部分计算的最大发射功率Pmax相比，当PT小于Pmax时输出与PT对应的值，当PT大于Pmax时输出与Pmax相应的值。
最大功率计算部分13对最大功率Pmax的计算如下第一，在基站所接收功率S由下面的方程表示。SNR=SNoTs+(1+α)(C-1)Spg------------(1)]]>其中SNR是有用接收功率与包括干扰功率的噪声功率的信噪比，其用来满足预定质量(错误率)，No是热噪声的功率密度，Ts是信息数据的符号间隔，Pg是处理增益，C是以每单元用户数表示的容量，α是来自其它单元的干扰功率与所关心单元干扰功率的比。基站接收功率S可由从方程(1)得到的下面的方程获得。S=SNR·No·pgTs[pg-(1+α)(C-1)SNR]-------------(2)]]>考虑到传播损耗PLOSS，移动站的最大发射功率Pmax表示为Pmax=SNR-Nc-pgTs[pg-(1+α)(C-1)SNR]+PLOSS----------(3)]]>基站的最大发射功率可用相似方式获得。
帧发生器14形成包括发射功率控制位发生器10的发射功率控制位、信息数据(如声音信息)和用于通信控制的导频数据的帧(反向帧)，并将该帧提供给扩展部分15。扩展部分15用扩展码发生器16提供的扩展码将帧发生器14的信号扩频，并将其提供给正交调制器17。正交调制器17对来自扩展部分15的信号进行正交调制，并将调制的信号提供给RF上变频器18。RF上变频器18将正交调制器17的信号转换成RF信号，并将其提供给功率放大器19。功率放大器19放大RF上变频器18的信号以使信号的发射功率变成由发射功率判定部分12确定的发射功率。功率放大器19的输出被馈送至天线，向基站辐射。在功率放大器19的发射功率控制周期被确定为能使发射功率控制跟随与多普勒频率对应的瞬时波动。
移动站具有如上所述的结构。除图9所示部分外基站的结构与之相似。图9中，功率控制部分20与RF上变频器18′的输入端相连。功率控制部分20响应发射功率确定部分12′提供的发射功率值控制(移位)正交调制器17′输出的信号(基带信号)的功率。这样便于组合基带的多个信道并将其一起放大，操作在基站进行。
图10是显示移动站发射功率控制的流程图。在步骤SP1，根据基站发出的发射功率位计算发射功率PT。然后在SP2将计算功率PT与最大发射功率Pmax相比。如果计算功率PT等于或小于最大功率Pmax，在步骤SP3将发射功率设为PT，但如果计算功率PT大于最大功率，在步骤SP4将发射功率设为Pmax。
图11是显示基站发射功率控制的流程图。在步骤11根据移动站发出的发射功率位计算发射功率PT。然后，在步骤SP12将计算功率PT与最大功率Pmax相比。如果计算功率PT等于或小于最大功率Pmax，在步骤SP13将发射功率设为PT，但如果计算功率PT大于最大功率Pmax，就在步骤SP14将发射功率设为Pmax。
图12给出根据本发明所述的闭环发射功率控制方法的例子。发射功率控制的实施如下(括号中数字对应于图12中的数字)〔1〕基站测量有用接收功率电平，并计算SIR。
〔2〕基站通过将测量SIR与预定的基准SIR进行比较来估计两个发射功率控制周期后的发射功率。
〔3〕基站产生指示移动站发射功率增或减的发射功率控制位，并将其周期性地插入正向帧。确定插入周期使得功率控制能跟随与多普勒频率有关的瞬时波动。
〔4〕移动站解码包括在基站发出的正向帧中的反向发射功率控制位。
〔5〕移动站以包括在正向帧中的反向发射功率控制位所指示的发射功率发射信号。
在反向通信中，移动站需要70dB或更大的动态范围来实现半径为几千米的单元中的通信。与此相反，在正向通信中基站发射功率的变化量必须限制在稳态最大功率P′max附近小于10dB的小范围内，因为当移动站在单元边界受到其它单元的干扰时增加基站的发射功率会引起对本单元内其它通信单元的干扰。
以上就一个实施例对本发明作了详细描述，显然本领域的那些技术人员从前面的描述应该知道，变化或修改都是允许而在其广泛的意义上没有脱离本发明，因而在所附权利要求中试图覆盖所有符合本发明实质精神的变化和修改。
权利要求
1．一种用于码分多址(CDMA)系统的发射功率控制方法，其包括步骤在移动站计算实际的信号－干扰比(SIR)，所述的实际SIR定义为移动站与之通信的基站发出的有用信号的接收功率与其它站的干扰功率和热噪声功率之和的比；在移动站判断所述实际SIR是否大于满足预定通信质量的预定基准SIR；在移动站根据所述判断步骤的结果形成一个或更多发射功率控制位；在移动站将所述发射功率控制位周期性地插入反向帧中，所述反向是指从移动站到基站的方向；在所述基站根据所述移动站发出的反向帧中所述的发射功率控制位计算暂定正向发射功率，所述正向是指从基站到移动站的方向；在基站确定正向发射功率，当所述暂定的正向发射功率等于或小于预定最大发射功率时，使所述正向发射功率等于所述暂定正向发射功率，而当所述暂定正向发射功率大于所述预定最大发射功率时，使正向发射功率等于所述预定最大发射功率；以所述正向发射功率由所述基站向所述移动站发射信号。
2．根据权利要求1所述的发射功率控制方法，其中所述预定最大发射功率根据以单元中用户数表示的最大容量、单元的半径和单元的停用概率来确定。
3．用于码分多址(CDMA)系统的发射功率控制装置，其包括计算装置，其在移动站计算实际SIR，所述实际SIR定义为移动站与之通信的基站发出的有用信号的接收功率与其它站的干扰功率及热噪声功率之和的比；判断装置，其在移动站判断所述实际SIR是否大于满足预定通信质量的预定基准SIR；形成装置，其在移动站根据所述判断装置得到的结果形成一个或更多发射功率控制位；插入装置，其在移动站将所述发射功率控制位周期性地插入反向帧；计算装置，其在所述基站按照所述移动站发出的反向帧中的所述发射功率控制位计算暂定正向发射功率；确定装置，其在基站确定正向发射功率，当所述暂定正向发射功率等于或小于预定最大发射功率时，使所述正向发射功率等于所述暂定正向发射功率，当所述暂定正向发射功率大于所述预定最大发射功率时，使正向发射功率等于所述预定最大发射功率；发射装置，其以所述正向发射功率由所述基站向所述移动站发射信号。
4．根据权利要求3所述的发射功率控制装置，其中所述预定最大发射功率根据以单元中用户数表示的最大容量、单元的半径和单元的停用概率来确定。
5．用于码分多址(CDMA)系统的移动站的发射功率控制装置，其包括计算装置，其计算实际SIR，所述实际SIR定义为移动站与之通信的基站发出的有用信号的接收功率与其它站的干扰功率及热噪声功率之和的比；判断装置，其判断所述实际SIR是否大于满足预定通信质量的预定基准SIR；形成装置，其根据所述判断装置得到的结果形成一个或更多发射功率控制位；插入装置，其将所述发射功率控制位周期性地插入反向帧。
6．用于码分多址(CDMA)系统的基站的发射功率控制装置，其包括计算装置，其根据从移动站发出的反向帧中的一个或多个传输功率控制位来计算暂定反向的发射功率，且前述移动站与该基站通信；确定装置，其确定正向发射功率，当所述暂定正向发射功率等于或小于预定最大发射功率时，使所述正向发射功率等于所述暂定正向发射功率，当所述暂定正向发射功率大于所述预定最大发射功率时，使正向发射功率等于所述预定最大发射功率；发射装置，其以所述正向发射功率由所述基站向所述移动站发射信号。
全文摘要
一种用于CDMA系统的发射功率控制方法,其包括步骤:计算有用信号的实际SIR;判断实际SIR是否大于满足预定通信质量的预定基准SIR;根据判断结果形成发射功率控制位;将发射功率控制位周期性地插入正向帧中;和根据正向帧中的发射功率控制位计算暂定反向发射功率;确定反向发射功率,使得在暂定反向发射功率小于预定最大发射功率时,等于暂定反向发射功率,否则就使其等于预定的最大发射功率;以反向发射功率由移动站向基站发射信号。
文档编号H04B7/005GK1296345SQ00125988
公开日2001年5月23日 申请日期1995年5月11日 优先权日1994年5月12日
发明者佐和桥卫, 梅田成视, 土肥智弘, 大野公士 申请人:Ntt移动通信网株式会社