專利名稱：多信道通信系統(tǒng)中的功率控制和信道選擇的制作方法
發(fā)明的技術領域在下文中將在一般意義上使用信道、連接和載波的表達。
由于信道的概念根據(jù)所使用的無線接入網(wǎng)(RAN)而不同，因此將不給出信道的全局定義。例如，在FDMA系統(tǒng)中，一個信道是一個頻率，并且信道是由頻率分離的。在TDMA系統(tǒng)中，一個信道是一個時隙，并且信道是由時間分離的。在CDMA系統(tǒng)中，一個信道是一個碼，并且信道是由碼分離的。RAN系統(tǒng)可以具有包括頻率、時隙和碼的不同組合的信道概念。實際上，可以為頻率、時隙和碼的每一種可能組合來規(guī)定信道的概念。最后應該注意，信道具有在空間上的擴展。載波的表達在一般意義上被使用，并且被定義為用于傳輸信息的裝置。在FDMA系統(tǒng)中，一個載波是一個頻率或窄的頻帶，在TDMA系統(tǒng)中，它是一個時隙，而在CDMA系統(tǒng)中，它是一個被分配的碼。連接可以包括單個載波或多個載波。多載波連接包括多個信道，其中每個信道使用一個單獨的載波。
信道質(zhì)量受到許多參數(shù)的影響，其中以非常一般并且非窮舉性的方式所表達的信道隔離度可以被認為是信道之間信號泄漏的量度。如果其他信道在空間上相互接近，那么這種泄漏會在這些其他信道上產(chǎn)生干擾。記住，信道在空間上具有有限的擴展。它們越是分離，信道泄漏就越少。信道質(zhì)量還受到連接之間的信號泄漏的影響。如果一個連接以高功率進行傳送，那么它將產(chǎn)生對一個或多個相同信道上的相鄰連接的干擾。與由連接的信道之間的信號泄漏所產(chǎn)生的干擾相比，由連接之間的信號泄漏所產(chǎn)生的干擾通常較小。
在技術上，防止時域中的泄漏比防止頻域中的泄漏更容易。頻域中的泄漏通常大于時域中的泄漏，因此TDMA系統(tǒng)具有優(yōu)于FDMA系統(tǒng)的信道隔離度。
功率控制和頻率控制是消除干擾的手段。
背景和定義在無線網(wǎng)絡中，常?？梢杂^察到系統(tǒng)容量與連接容量之間的折衷。
信道容量的非常一般并且非窮舉性的定義是在某個時段期間在一個信道上所傳送的信息量。
連接容量的非常一般并且非窮舉性的定義是在一個連接中所包括的所有信道的信道容量之和。
系統(tǒng)容量的非常一般并且非窮舉性的定義是在系統(tǒng)中存在的所有連接的連接容量之和。系統(tǒng)可以傳送的信息越多，系統(tǒng)容量就越好。
連接容量在系統(tǒng)中的分布使系統(tǒng)容量與建立連接的數(shù)量及其相應的容量相關。在一個系統(tǒng)中通常會爭取連接容量的窄的分布以及高的系統(tǒng)容量。常常可以觀察到，在這兩個目標之間存在沖突。如果對所有發(fā)射機給予發(fā)射的可能性，那么具有差信道質(zhì)量的連接將為了僅僅傳送少量的信息而占用大比例數(shù)量的可用系統(tǒng)資源。在其中存在的折衷在于，為了實現(xiàn)高系統(tǒng)容量，應該提供具有良好的信道質(zhì)量的連接。另一方面，為了獲得高度的公平性，可能不得不促成具有差的信道質(zhì)量的連接，并且不公平地對待具有良好信道質(zhì)量的連接。連接容量的分布可以被看作是公平性。需要高發(fā)射功率的不良連接應該有機會傳送，和/或為了不良連接的利益，良好的連接必須分發(fā)一些發(fā)射功率。
有時，無線接入網(wǎng)的容量可能受到其他連接的干擾以及發(fā)射信號的多徑、符號間干擾(ISI)的限制。如果對單獨連接提高發(fā)射功率最終導致所有的連接正在大聲“交談”(發(fā)射)以試圖被聽到的“雞尾酒會效應(party effect)”，那么對單獨連接提高發(fā)射功率可能不是有益的。換句話說，當檢測到差的或惡化的信道質(zhì)量時，該惡化的連接增大其發(fā)射功率以試圖提高質(zhì)量。通過對惡化的連接增大發(fā)射功率，對其他連接產(chǎn)生了干擾，這將降低其他連接的信道質(zhì)量。所以自然地，其他連接增大它們自己的發(fā)射功率，以便希望恢復它們的信道質(zhì)量。這個過程一直持續(xù)到發(fā)射功率電平達到最大值并且不允許進一步增大發(fā)射功率為止。
“雞尾酒會效應”可以通過下面的實例來例示。用戶A與用戶B正在一個信道上進行通信，該信道具有特定的可接受載波干擾質(zhì)量值C/I。與該通信同時發(fā)生的是，另一個用戶C與用戶D正在該相同信道上或者在一個不同信道上進行通信，該相同信道處于相同時隙/頻率/碼資源上并具有可接受C/I質(zhì)量值，該不同信道具有可接受C/I，在這種情況下在信道之間存在信道泄漏?，F(xiàn)在，假定用戶A的信道質(zhì)量惡化了1dB。為了對此進行補償，A把發(fā)射功率增大1dB。該功率增大將在C的信道上產(chǎn)生干擾。C的信道的信噪比受到該功率增大的影響。所以，C的信道質(zhì)量將惡化1dB。為了對此進行補償，C把發(fā)射功率增大1dB。該增大的發(fā)射功率在A的信道上產(chǎn)生干擾，并且A的信道質(zhì)量將下降1dB。所以A增大發(fā)射功率，等等。該過程一直持續(xù)到達到系統(tǒng)所允許的最大發(fā)射功率。
先前已知的一種防止“雞尾酒會效應”的方法是，避免完全補償惡化的信道質(zhì)量，并且代之以使用這樣一種補償方案，根據(jù)該補償方案，僅僅部分地補償惡化的信道質(zhì)量。舉例來說，假設用戶A的信道質(zhì)量惡化了1dB。為了對此進行補償，用戶A現(xiàn)在把發(fā)射功率只增大惡化程度的一半，也就是1/2dB。這個增大的功率將干擾C的信道。它將增大C信道上的噪聲。所以C的信道質(zhì)量將惡化1/2dB。為了對此進行補償，C把發(fā)射功率增大惡化程度的一半，也就是1/4dB。該增大的發(fā)射功率在A的信道上產(chǎn)生干擾，并且A的信道質(zhì)量將降低1/4dB。所以A把發(fā)射功率增大1/8dB，等等。該過程繼續(xù)進行，但是這次在A以及在C處的連續(xù)功率設置之和將收斂，并且達到一個低于系統(tǒng)所允許的最大發(fā)射功率的有限功率。在上面的第一實例中，補償系數(shù)是1，而在第二個實例中，該補償系數(shù)是1/2。當然，可以使用具有在0與1之間的其他系數(shù)或變化的系數(shù)的其他補償方案。
發(fā)明概要在廣義上，本發(fā)明的一個目的是提供一種在網(wǎng)絡中促進高的連接容量和系統(tǒng)容量的方法。
根據(jù)本發(fā)明，系統(tǒng)容量與連接容量之間的折衷通過應用一種方法來實現(xiàn)，該方法包括一個外循環(huán)和一個內(nèi)循環(huán)，所述外循環(huán)被稱為公平性循環(huán)，它通過在連接之間分配發(fā)射功率來平衡系統(tǒng)的連接容量，所述內(nèi)循環(huán)被稱為容量循環(huán)，它作用于單獨的連接，并且通過在組成一個連接的多個信道之間分配可用發(fā)射功率來使該連接容量最大化。
根據(jù)外部公平性循環(huán)的平衡的控制意味著下列公平性方面被獲得消耗大量資源(功率)并且由此在系統(tǒng)中產(chǎn)生大量干擾的連接必須用低數(shù)據(jù)速率來限制。由于分配給處于差位置的連接的每比特功率通常超出分配給處于良好位置的連接的每比特功率，因此對于差的連接至少在某種程度上補償其不利的情形。
根據(jù)內(nèi)部容量循環(huán)的功率的控制意味著，對于不同的信道給予不同的加權，以便在信道功率與每個單獨信道上的比特率之間獲得合理的平衡。在這種情況下，基本原理是功率應該在其能夠最有益的情況下使用。與具有低信道質(zhì)量的差信道相比，具有高信道質(zhì)量的良好信道被分配更多的功率。
根據(jù)本發(fā)明的方法可以應用于移動無線電網(wǎng)絡的上行鏈路或下行鏈路。
本發(fā)明還提供一種具有所指示的明確的(unambiguous)和分布式類型的方法。
所述明確意味著，該方法將始終在獨立于初始條件的相同解中結(jié)束。也就是，在給定無線電連接條件的情況下，該方法始終收斂到相同的功率分配而獨立于初始功率設置。
分布式特征可以被應用，或者可以不被應用。所述方法是分布式的事實意味著，它可以在無線電接入系統(tǒng)的節(jié)點中被本地實施，例如在終端或接入點中。一旦可以訪問某些系統(tǒng)參數(shù)，每個節(jié)點就必須僅僅跟蹤在不同信道上使用的發(fā)射功率以及在每個信道上的最終比特率。如果該分布式特征沒有被應用，那么該方法可以在無線電接入系統(tǒng)的中央節(jié)點(例如UTRAN中的NodeB)中執(zhí)行。
一個連接的每個信道的質(zhì)量在連續(xù)的時間步(n，n+1)被測量。來自前一個時間步(n)的測量結(jié)果、或者在幾個先前時間步上取得的測量的平均值或加權平均值，被用于在后一時間步(n+1)中分配一個連接的所有信道的平均功率(外部公平性循環(huán))、以及所述信道之間的單獨功率設置(內(nèi)部容量循環(huán)中的功率控制)。如果使用在幾個先前時間步上取得的測量的加權平均值，那么與先前的測量結(jié)果相比，最新的測量結(jié)果通常被給予更多的權重。平均功率是使用外部公平性循環(huán)來控制的。單獨功率設置是使用將許多功率分配給良好信道以及將有限功率分配給不良信道的內(nèi)部容量循環(huán)來控制的。每一個循環(huán)都具有相應的目標關系，并且這些循環(huán)的結(jié)果將被組合以便確定在下一個時間步(n+1)中的發(fā)射功率。
在所附權利要求書中陳述了本發(fā)明的這些特征。
附圖描述

圖1是說明在將本發(fā)明應用于多發(fā)射機多接收機無線電系統(tǒng)時在本發(fā)明中所使用的信道和連接定義的圖，圖2是在應用于蜂窩移動無線電系統(tǒng)時與圖1類似的圖，圖3是說明兩個連接以及相應的有用和干擾信號的圖，圖4是說明平均信道功率與平均數(shù)據(jù)速率之間的目標關系的對數(shù)-對數(shù)圖，圖5是說明單獨信道功率與相對于平均數(shù)據(jù)速率的數(shù)據(jù)速率之間的目標關系的對數(shù)-對數(shù)圖，圖6是與圖3類似的圖，其中每個連接都處于兩個信道上，圖7是說明常數(shù)α與β之間的關系的圖，圖8是應用本發(fā)明的方法的發(fā)射機的框圖，圖9是應用本發(fā)明的方法的接收機的框圖，以及圖10是說明在激活根據(jù)本發(fā)明的方法之前和之后的連接數(shù)據(jù)速率的圖。
發(fā)明詳述圖1說明信道和連接定義。在圖1中示意性示出一個使用上面的傳輸方案的無線電系統(tǒng)，并且該無線電系統(tǒng)包括多個發(fā)射機Tx1、TX2、...、TXm。發(fā)射機TX1同時在多個信道CH1、CH2、...、CHn上進行發(fā)射。上面已經(jīng)給出信道的定義。雖然示出了許多發(fā)射機TX1，但是通常只有一個發(fā)射機單元在多個信道CH1、CH2、...、CHn上進行發(fā)射。相同的情況還適用于所述多個發(fā)射機TX2、...、TXm。還存在在多個信道CH1、CH2、...、CHn上進行接收的多個接收機RX1、RX2、...、RXm。雖然示出了許多接收機RX1，但是通常只有一個接收機單元在多個信道上進行接收。相同的情況還適用于其他接收機RX2、...、RXm。
發(fā)射機TX1同時在所述多個信道CH1、CH2、...、CHn上向接收機RX1進行發(fā)射。相應的傳輸在單獨載波CA11...CAn1上進行。載波CA11...CAn1上的TX1傳輸被認為定義了一個連接CO1。在發(fā)射機TX2與接收機RX2之間的CA12...CAn2上進行類似的傳輸，并且這些傳輸形成了一個連接CO2。存在m個連接。在連接COm上，發(fā)射機TXm在載波CA1m...CAnm上向接收機RXm進行發(fā)射。
諸如TX1之類的發(fā)射機可以在相應信道上向多個接收機進行發(fā)射，而不是如所示的那樣只向RX1進行發(fā)射。換句話說，可能存在多個偵聽TX1的發(fā)射的接收機。
當TX1在信道CH1上進行發(fā)射時，它干擾信道CH2上的RX1以及信道CH1上的RX2，如由虛線箭頭所示。它還可能干擾其他信道上的接收機，這取決于單獨地理距離和功率設置。
在圖2中示出了移動無線電系統(tǒng)中傳輸方案的實施方式。該移動無線電系統(tǒng)包括多個基站BS1、BS2、...、BSm以及移動單元MS1、MS2、...、MSN。移動臺MS1同時在由橢圓1、2、...、i所示的多個信道CH1、CH2、...、CHO上向BS1進行發(fā)射。實際上，一個移動臺可以同時在幾百個信道上進行發(fā)射。因此，基站BS1在很多信道上接收到來自MS1的信號。注意，橢圓1、2、...、i中的BS1在物理上是同一個基站。同樣對于MS1、BS2、MS2、BSm以及MSO來說也是如此。
橢圓1說明CH1的地理擴展，也就是有可能捕獲來自MS1的信號的區(qū)域。以類似的方式，橢圓2說明CH2的地理擴展，以及橢圓i說明信道CHi的地理擴展。
箭頭3示出在CH1上MS1到BS1的傳輸，以及箭頭4示出在CH2上的傳輸。如箭頭5所示，CH1上的傳輸3在基站BS2的信道CH1上產(chǎn)生干擾。如箭頭6所示，CH1上的同一傳輸3還在MS1的信道CH2上產(chǎn)生干擾。
當MS2在CH1上向BS2進行發(fā)射時，在CH1和CH2上出現(xiàn)類似的干擾。應該注意，MS2可以與MS1同時在CH1上進行發(fā)射。
CH1與CH2之間的隔離度越好，干擾6就越小。
如由圖2中相應的橢圓7和8所示，移動臺MS1具有一個連接7，以及移動臺MSk具有另一個連接8。
根據(jù)本發(fā)明，一個連接關于在各種信道CH1、CH2、...、CHi上的發(fā)射功率和所獲得的比特率來控制它自己，而不需要使其功率設置與另一個連接的功率設置相協(xié)調(diào)。
已經(jīng)描述和說明了基本定義，現(xiàn)在參考圖3，該圖是說明BS1向MS1進行發(fā)射(箭頭9)并且同時BS2向MS2進行發(fā)射(箭頭10)的情況的示意信號圖。這些傳輸在信道CH1上。BS2的傳輸對在MS1接收的信號9產(chǎn)生干擾i(箭頭11)。如果p是BS1用于發(fā)射的功率，g是在CH1上BS1與MS1之間的增益g11，i是干擾11，c是在MS1處接收到來自BS1的傳輸?shù)墓β剩檬琴|(zhì)量值，以及i、p、g、c、γ都用對數(shù)值來表示，那么接收功率是c＝p+g.等式1舉例來說，如果BS1以1W(103mW)(其等于30dBm)進行發(fā)射，那么接收信號的功率c的可能值是10-12W(等于-90dBm)，該值表明大約億萬以上的功率降低。如果信道增益g是-120dB，那么將dB值插入等式1可以得到-90＝30+(-120)上面的i和h一起構(gòu)成一個信道。g的大值意味著良好的信道。
信道CH1的質(zhì)量值是接收功率減去干擾γ＝c-i等式2將等式2插入等式1可以得到γ＝p+g-i等式3有可能控制p，但是如果系統(tǒng)是分布式的，那么g和i無法被控制。干擾i的功率來源于與系統(tǒng)內(nèi)部的傳輸不相關的其他連接和來源(噪聲)。
在一個系統(tǒng)中，其中p被測量并且在規(guī)則時間步1，2，3，...n上被設置，如果想要控制和計算要在連續(xù)時間步n+1中使用的功率，那么進行下列計算pn＝γn-v等式4其中v＝γn-pn。
pn+1＝γn+1-v→pn+1＝γn+1-(γn-pn)等式5在等式5中，γn+1項是系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)中的通用功率常數(shù)α，以及γn-pn項是應該為連接而控制的功率設置。該項可以根據(jù)β而改變。將α插入等式5以及根據(jù)β來改變γn-pn可以得到pn+1＝α+β(γn-pn)等式6這適用于處于穩(wěn)定狀態(tài)的系統(tǒng)的所有連接。穩(wěn)定狀態(tài)意味著，迭代進行測量，直至pn和pn+1具有相同的值。在迭代期間，信道增益通常應該保持恒定。將βpn移到等式1的左邊并且兩邊都除以1+β可以得到p∞=α1+β+β1+βγ∞]]>等式7等式7給出了在系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)中連接的質(zhì)量與功率之間的關系。如果質(zhì)量突然下降，那么這將通過增大功率來補償，并且如果α和β滿足以下進一步論述的某些約束，那么補償系數(shù)小于1。從等式7中明顯的是，如果β＝-1，那么p∞增大超出所有的極限，并且系統(tǒng)功率失控，這是不期望的。然而，如果β＞-1，那么功率將受到控制，并且可以達到系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)。
代替使用γ作為信道質(zhì)量的值，在使用香農(nóng)關系式時，在信道上獲得的比特率r(數(shù)據(jù)速率)可以被使用r≈log(l+γ)，這可以用下式來近似r≈γ等式8通過在對數(shù)-對數(shù)圖中研究信道質(zhì)量γ相對于所獲得的比特率r之間的關系，可以使用任何一個或多個其他更實際的(realistic)函數(shù)。實際函數(shù)是通過檢查通信系統(tǒng)的編碼和調(diào)制方案的組合來得到的。這不是本發(fā)明的一部分，因此不將對其進行詳細描述。當信道質(zhì)量提高時，比特率不將增加到所有極限之上，而是將達到一個恒定狀態(tài)，知道這種情況就足夠了。一個簡單近似是
0<δrδγ<1]]>上面的等式6還可以根據(jù)下述被導出假設一個具有N個信道的傳輸方案。在時間步n，分配給連接k的第i個信道的功率被表示為pn，k，i。注意，下標i不將與上面用于干擾的符號i互換。同樣，連接k的第i個信道的數(shù)據(jù)速率被表示為rn，k，i。此外，連接k在時間步n的平均信道功率(用于信道傳輸?shù)墓β?以及平均信道數(shù)據(jù)速率分別被進一步表示為 和 并且被定義為p‾n,k=1NΣi=0N-1pn,k,i,]]>r‾n,k=1NΣi=0N-1rn,k,i]]>等式10和11同理，與平均數(shù)字相關的分配的功率和所獲得的數(shù)據(jù)速率的變化分別被表示為 和 并且被定義為p~n,k,i=pn,k,i-p‾n,k,]]>r~n,k,i=rn,k,i-r‾n,k]]>等式12和13本發(fā)明的方法包括兩個耦合的循環(huán)，即對連接容量進行控制的外部公平性循環(huán)和對系統(tǒng)容量(網(wǎng)絡中的資源劃分)進行控制的內(nèi)部容量循環(huán)。外部公平性循環(huán)控制每一個信道的平均信道功率 與平均數(shù)據(jù)速率 之間的平衡。根據(jù)圖4，用于外部公平性循環(huán)的目標關系是在對數(shù)-對數(shù)圖中具有負導數(shù)以及非負的二階導數(shù)的曲線。當平均數(shù)據(jù)速率降低時，平均信道功率增大，但是僅僅增大到最大值。負導數(shù)的基本原理是，消耗大量資源(功率)并且由此在系統(tǒng)中產(chǎn)生大量干擾的連接也必須用低數(shù)據(jù)速率來限制。然而，由于分配給處于差位置的連接的每比特功率通常超出分配給處于良好位置的連接的每比特功率，因此對于差的連接至少在某種程度上補償其不利的情形。
為了達到平均信道速率與平均數(shù)據(jù)速率之間的目標關系，平均信道功率在每個時間步中根據(jù)以下的等式14來更新。由于本發(fā)明的方法促成了高度的公平性，因此等式1中的常數(shù) 是負的(-1<β‾<0]]>)。
p‾n+1,k=α‾+β‾·(r‾n,k-p‾n,k)[dB]]]>等式14
在內(nèi)部容量循環(huán)中，對一個連接的多個信道之間的功率分配進行控制，以便在每個信道的信道功率 與數(shù)據(jù)速率 之間實現(xiàn)合理的平衡。在這種情況下，基本原理在于，功率應該在其能夠最有益的情況下使用。也就是，與差的載波相比，良好的載波被分配更多的功率。每個載波上的載波功率與數(shù)據(jù)速率之間的目標關系在圖5的對數(shù)-對數(shù)圖中被描繪。在這種情況下，該曲線的導數(shù)與其二階導數(shù)一樣都是非負的。當平均數(shù)據(jù)速率增大時，平均信道功率將增大，但是僅僅增大到最大值。此外，在每個時間步中，信道功率根據(jù)以下的等式14來更新。 的值為正(0<β~<1).]]>p~n+1,k,i=α~+β~·(r~n,k,i-p~n,k,i)[dB]]]>等式15注意在這兩個循環(huán)中，很明顯，一旦該算法收斂，即當p‾n+1=p‾n]]>以及p~n+1=p~n]]>時，功率與速率之間的關系是單調(diào)的(在對數(shù)-對數(shù)圖中)。參見圖4和圖5。此外，常數(shù) 和 的絕對值必須小于1，以便獲得穩(wěn)定的系統(tǒng)性能。
在本發(fā)明方法的最后一個步驟中，這兩個循環(huán)的結(jié)果被組合，以便確定在下一個時間步中在連接的單獨信道上要使用的實際發(fā)射功率。這一點根據(jù)以下的等式16來進行。
pn+1,k,i=p‾n+1,k+p~n+1,k,i[dB]]]>等式16該關系與以上的等式6相同。在 和 中分別包含 和 項。
應該記住，α和β是系統(tǒng)常數(shù)。在圖7中示意性示出α與β之間的關系。整個系統(tǒng)的功率電平和質(zhì)量水平利用α來控制。大的α值將提高質(zhì)量。
圖6說明一個多接入無線電系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括兩個連接CO1和CO2，每個連接都處于兩個信道CH1和CH2。在連接CO1上有兩個發(fā)射機TX1，每個發(fā)射機向相應的接收機RX1進行發(fā)送。在連接CO2上有兩個發(fā)射機TX2，每個發(fā)射機向相應的接收機RX2進行發(fā)送。每個信道的增益矩陣由加有下標的g值來示出。為了借助于內(nèi)部容量循環(huán)來獲得不同的比特率和不同的功率設置，必須滿足的一個條件是用于CH1的矩陣g11,1g12,1g21,1g22,1]]>與用于CH2的矩陣g11,2g12,2g21,2g22,2]]>是不同的。因為如果這兩個矩陣相等，那么外部公平性循環(huán)將為每一個連接分配功率，但是內(nèi)部容量循環(huán)不將在單獨信道上提供任何功率的劃分。于是，結(jié)果是在連接CO1中的所有載波都將以相同的功率進行發(fā)射，并且在連接CO2中的所有載波也都將以不同于CO1中的功率的相同功率進行發(fā)射。然而，如果這兩個矩陣不同，那么內(nèi)部容量循環(huán)將在單獨載波之間分發(fā)分配給CO1的功率。
如果圖6中的系統(tǒng)是頻分系統(tǒng)，那么合理的是所述增益矩陣依賴于頻率。雖然只示出了兩個連接，但是如圖1所示，真實世界的系統(tǒng)可以包括很多連接，并且在這些連接中，一些連接因為例如多徑衰落、大氣條件和其他情況而好于其他連接。一個連接的所有頻帶并非都是良好的，而是一些頻帶好于其他頻帶。假定在連接CO1和CO2中一個頻率(載波)優(yōu)于另一頻率(載波)。對連接CO1來說，可以假設g11，1大而g11，2弱。對連接CO2來說，可以假設g22，2大而g22，1弱。相應地，連接CO1將優(yōu)選使用信道CH1，而連接CO2將優(yōu)選使用信道CH2。如果把剛才給出的實例進一步前進一步，并且在不探究細節(jié)的情況下假設連接CO1的質(zhì)量好于連接CO2的質(zhì)量，那么與連接CO1相比，外部公平性循環(huán)將按比例把更多功率分配給連接CO2。在連接CO1中，內(nèi)部容量循環(huán)將分配比給CH2的功率多的功率給CH1，而在連接CO2中，內(nèi)部容量循環(huán)將分配比給CH1的功率多的功率給CH2。
在時分系統(tǒng)中，這些矩陣是依賴于時間并且隨時隙而改變的。
回到等式6，并且對于其信道的平均增益g例如作為連接的位置改變的結(jié)果而減小的一個連接應用外部公平性循環(huán)，這將導致γ的平均值減小。減小的γ轉(zhuǎn)而 將導致在該連接上要使用的平均功率pn+1增大。內(nèi)部容量循環(huán)以下面的方式對連接的信道起作用當信道增益g減小時，γ將減小，并且減小的γ將降低在下一個時間步中要使用的功率。
該方法是明確的和分布式的。明確是因為它始終在獨立于初始條件的相同解中結(jié)束。也就是，在給定無線電連接條件的情況下，該方法始終收斂到相同的功率分配而獨立于初始功率設置。該方法是分布式的事實意味著，該方法可以在節(jié)點中被本地實施，例如在終端或接入點中。不需要協(xié)調(diào)所有有效連接的活動的中央節(jié)點，盡管有可能存在其它考慮，這些考慮規(guī)定應當使用中央節(jié)點，并且因此中央節(jié)點處于本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
一旦可以訪問參數(shù) 以及 那么每個節(jié)點都必須僅僅(i)跟蹤在一個連接的不同信道上要使用的發(fā)射功率，以及(ii)跟蹤每個信道上的最終速率。
根據(jù)本發(fā)明的方法可以被用于多接入無線電系統(tǒng)的上行鏈路以及下行鏈路。
在圖8中，發(fā)射節(jié)點12在多個信道CH1、CH2、...、CHn上與接收節(jié)點13進行通信。該發(fā)射節(jié)點配備了多個發(fā)射機14和一個控制器15，其中本發(fā)明的方法以硬件、軟件或其組合的形式來體現(xiàn)。發(fā)射機在用于每一個連接的相應信道上進行發(fā)射。雖然未示出，但是單獨發(fā)射機配備了如由所用的單獨無線電接入系統(tǒng)所規(guī)定的編碼器、調(diào)制器、功率放大器和其他常規(guī)單元。在接收節(jié)點13，多個接收機16接收來自發(fā)射節(jié)點12的傳輸。每個接收機都被連接到一個相應的信道質(zhì)量檢測器17，該信道質(zhì)量檢測器用于測量相應信道的質(zhì)量，舉例來說，例如接收數(shù)據(jù)速率、比特差錯率或其他QoS量度。如由虛線箭頭18所示，各種測量的質(zhì)量信道質(zhì)量值γi(i＝1，...N)被報告給發(fā)射節(jié)點12，所以該發(fā)射節(jié)點可以計算將要在下一個時間步中在不同信道上使用的功率。
在圖9中，發(fā)射節(jié)點19與接收節(jié)點20進行通信。該發(fā)射節(jié)點配備了多個發(fā)射機21。該接收節(jié)點配備了多個接收機22和一個控制器23，其中本發(fā)明的方法以硬件、軟件或其組合的形式來體現(xiàn)。在用于每一個連接的相應信道上，發(fā)射機以相應的功率設置來進行發(fā)送，其中該功率設置由控制器計算并且經(jīng)由信令鏈路24用信號通知給發(fā)射機。雖然未示出，但是單獨發(fā)射機配備了如由所用的單獨無線電接入系統(tǒng)所規(guī)定的編碼器、調(diào)制器、功率放大器和其他常規(guī)單元。在接收節(jié)點20，每一個接收機被連接到信道質(zhì)量檢測器17。如由箭頭25所示，每一個檢測器17把相應信道的質(zhì)量報告給控制器23。由箭頭26所示的在時間步n-1中測量的、并且在未示出的存儲器中所存儲的該質(zhì)量信息，被控制器23使用以便計算在時間步n+1中將要在單獨信道上使用的功率。在時間步n期間，來自時間步n-1的所存儲的信道質(zhì)量值由控制器23取出，并被用于計算在時間步n+1中在不同信道上要使用的單獨功率設置，該計算根據(jù)等式8來進行。
發(fā)射和接收可以在上行鏈路以及下行鏈路上進行。這意味著圖8和圖9的節(jié)點可以被用于無線電接入系統(tǒng)的上行鏈路或下行鏈路。
如果圖8的節(jié)點被用于下行鏈路，那么發(fā)射節(jié)點12將是與多個接收節(jié)點13(例如多個移動臺)進行通信的中央節(jié)點(例如基站)。該中央節(jié)點將具有與所述多個接收節(jié)點相連的多個連接，并且將在每一次通信中計算要在各種信道上使用的單獨功率值。
如果圖8的節(jié)點被用于上行鏈路，那么接收節(jié)點13將是與多個發(fā)射節(jié)點(移動臺)進行通信的中央節(jié)點(基站)，并且一個連接的單獨信道的功率設置的所有計算將分布在發(fā)射節(jié)點(移動臺)之間。
類似的考慮適用于圖9的節(jié)點。如果圖9的節(jié)點被用于上行鏈路，那么接收節(jié)點20將是與多個發(fā)射節(jié)點19(例如多個移動臺)進行通信的中央節(jié)點(例如基站)。該中央節(jié)點將具有與所述多個接收節(jié)點相連的多個連接，并且將在每一次通信中計算要在各種信道上使用的單獨功率值。
如果圖9的節(jié)點被用于下行鏈路，那么發(fā)射節(jié)點19將是與多個接收節(jié)點(移動臺)進行通信的中央節(jié)點(基站)，并且一個連接的單獨信道的功率設置的所有計算將分布在接收節(jié)點(移動臺)之間。
在圖11中說明在激活根據(jù)本發(fā)明的信道和功率分配的方法之前(左側(cè)條)和之后(右側(cè)條)的連接數(shù)據(jù)速率。該連接信息(數(shù)據(jù)速率)是為本發(fā)明的一種實現(xiàn)方式描繪的，其中增益矩陣、α和β值被給定，并且根據(jù)本發(fā)明的兩個循環(huán)進行迭代，直至達到穩(wěn)定的狀態(tài)。在上文中，α和β值是算法中的參數(shù)。示出了在激活該方法之前和之后的七個連接的數(shù)據(jù)速率，其中所有這些連接都處于蜂窩系統(tǒng)的不同小區(qū)中。該方法是經(jīng)過參數(shù)化的，使得信道之間的平均功率和功率分配都適于系統(tǒng)中的條件。也就是，在本實例中(β‾,β~)=(-0.7,0.7).]]>從圖11中可以看出，該方案改善了處于差的條件的連接的性能，但卻降低了處于有利位置的連接的性能。系統(tǒng)中的總吞吐量在這兩種情況下是類似的。也就是，可以認為在這個特定情況中，有可能在不影響總效率的情況下改善系統(tǒng)的公平性。
以下的表1給出系統(tǒng)中的不公平性和吞吐量的數(shù)字結(jié)果，其中該系統(tǒng)具有7個小區(qū)，并且每個小區(qū)中有一個用戶。表1中所示的所有值是從許多不同實現(xiàn)方式中得到的平均值。表1中的上行(U＝32，R＝20)表示在應用本發(fā)明的方法之前處于初始狀態(tài)的通信系統(tǒng)。表1中的下行(U＝17(+15)，R＝18(-2))表示在應用了本發(fā)明的方法之后的通信系統(tǒng)。圖11說明在應用本發(fā)明的方法的時獲得的結(jié)果。在圖11中，分配給初始狀態(tài)中的相應用戶的相應比特率由黑色左側(cè)條來說明。在應用了本發(fā)明的方法之后分配給用戶的比特率由白色左側(cè)條來說明。系統(tǒng)容量將是黑條之和。同樣，系統(tǒng)容量將由白條之和來表示。
在表1中，字母R是系統(tǒng)容量，該系統(tǒng)容量被表示為由通信系統(tǒng)在每秒和每個小區(qū)中傳輸?shù)谋忍財?shù)量的平均值。字母U是一個在本實例中被稱為“不公平性”的量度，并且它是處于用戶比特率的95％與5％之間的系數(shù)。
以非常寬泛并且不完整的方式所表達的公平性是指，應該為用戶分配大致相同的比特率。如果用戶之間的用戶數(shù)據(jù)速率變化小，那么認為系統(tǒng)對待用戶是公平的。作為公平性的量度，使用了上面的“不公平性”關系。
如果不公平性量度接近于1，那么系統(tǒng)是公平的。如果U大，那么系統(tǒng)是不公平的。從一開始以及在應用本發(fā)明的方法之前，系統(tǒng)以不公平的方式為用戶分配比特率。
結(jié)果表明已經(jīng)減小了用戶之間的數(shù)據(jù)比特率變化。例如，具有不良信道的用戶2被分配了較高的數(shù)據(jù)速率，而具有良好信道的用戶3被分配了減小的數(shù)據(jù)速率。該結(jié)果還表明，通過應用本方法有可能改善系統(tǒng)的公平性(＝降低不公平性)，并且保持總的系統(tǒng)容量不變。
表1

上述的本發(fā)明可以在由所附權利要求書所設定的限度之內(nèi)進行改變和修改。
本發(fā)明的方法可以被表示為用于信道選擇和功率分配的組合方案。然而，它也可以被稱為軟信道分配方案，因為在不同信道上設置或多或少的權重。之所以這樣是因為，信道選擇在應用連接容量循環(huán)(公平性循環(huán))時進行，而功率分配在應用系統(tǒng)容量循環(huán)時進行。
權利要求
1.一種在基于多信道接入的無線通信系統(tǒng)(FDMA，TDMA)中對連接的功率分配和信道分配的方法，其中每個連接都是獨立于其他連接而起作用的，并且一個有效連接(k)同時使用多個(i＝1，2，...，N)信道，在系統(tǒng)中進行傳輸?shù)男诺劳ǔＪ钦坏?，該方法包括以下步驟-測量用于每一個連接的每個信道的質(zhì)量，并且利用所獲得的數(shù)據(jù)比特率來表示質(zhì)量，-在連續(xù)的時間步(n，n+1)重復該測量，其特征在于(a)使用來自一個或多個先前時間步(n，n-1，n-2，…)的關于單獨連接的測量結(jié)果，以便在后一時間步(n+1)中把該相同連接所使用的所有信道的“平均功率”分配給該相同連接，所述分配由相對于連接中的平均數(shù)據(jù)速率來平衡所述“平均功率”的外部公平性循環(huán)來控制，該外部公平性循環(huán)具有一個目標關系，以使向消耗大量功率的連接分配低的數(shù)據(jù)速率，(b)在所述相同的后一時間步(n+1)中，把所述所有信道中單獨信道之間的功率分配給該相同連接，所述后一分配由相對于在所述所有信道上所獲得的相應比特率來在所述所有信道之間平衡功率的內(nèi)部容量循環(huán)來控制，該內(nèi)部容量循環(huán)具有一個目標關系，以使向所獲得的數(shù)據(jù)速率高的信道比向所獲得的數(shù)據(jù)速率低的信道分配更多的功率，以及(c)組合來自所述分配步驟(a)和(b)的結(jié)果，以便確定在時間步(n+1)上在所述單獨連接的所述所有信道中的單獨信道上要使用的實際發(fā)射功率。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于-對系統(tǒng)中的每一個有效連接進行測量，以及-對系統(tǒng)中的每一個有效連接重復權利要求1的步驟(a)、(b)和(c)，從而提供功率分配和信道分配的分布式方法。
3.根據(jù)權利要求所述的方法，其特征在于使用下式作為系統(tǒng)容量循環(huán)的目標關系p‾n+1,k=f(r‾n,k,p‾n,k),]]>其中 是其導數(shù)具有下列屬性的函數(shù)0<dfdr<1,]]>r是外部公平性循環(huán)中的數(shù)據(jù)速率，以及-1<dfdr<0,]]>r是內(nèi)部容量循環(huán)中的數(shù)據(jù)速率，rn，k，i＝在時間步n處連接k的第i個載波上的數(shù)據(jù)速率pn，k，i＝在時間步n處分配給連接k的第i個載波的功率r‾n,k=1NΣi=0N-1rn,k,i]]>p‾n,k=1NΣi=0N-1pn,k,i]]>
4.根據(jù)權利要求1-3中任何一項所述的方法，其特征在于使用下式作為連接容量循環(huán)的目標關系(用對數(shù)值表示)p‾n+1,k=α‾+β‾(r‾n,k-p‾n,k)[dB],]]>等式1其中-1＜β＜0以及rn，k，i＝在時間步n處連接k的第i個載波上的數(shù)據(jù)速率pn，k，i＝在時間步n處分配給連接k的第i個載波的功率r‾n,k=1NΣi=0N-1rn,k,i]]>p‾n,k=1NΣi=0N-1pn,k,i]]>其中 是一個正量。
5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于使用下式作為內(nèi)部容量循環(huán)的目標關系(用對數(shù)值表示)p~n,k,i=α~+β~(r~n,k,i-p~n,k,i)]]>[dB]等式2其中 是一個正量，0<β~<1,]]>以及p~n,k,i=pn,k,i-p‾n,k]]>r~n,k,i=rn,k,i-r‾n,k]]>
6.根據(jù)權利要求5所述的方法，其特征在于把下列關系用于組合外部公平性循環(huán)和內(nèi)部容量循環(huán)的結(jié)果(用對數(shù)值表示)pn+1,k,i=p‾n+1,k+p~n+1k,i[dB]]]>
7.根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于β‾=-0.7]]>β~=0.7]]>α‾=15]]>α~=15]]>
8.根據(jù)權利要求1-7中任何一項所述的方法，其特征在于該方法被應用于下行鏈路，在這種情況下，每一個有效連接設備都執(zhí)行這些方法步驟并且設置其自己的功率電平。
9.根據(jù)權利要求1-7中任何一項所述的方法，其特征在于該方法被應用于上行鏈路，在這種情況下，中央結(jié)點執(zhí)行這些方法步驟，并且把所得到的功率設置用信號通知給有效連接設備。
10.一種具有同時在不同信道(CH1，...CHi)上進行發(fā)射的多個發(fā)射機(14)的發(fā)射節(jié)點(12)，所述發(fā)射節(jié)點包括控制器(15)，該控制器具有用于接收與在前一時間步(n)的相應信道相關聯(lián)的信道質(zhì)量值的輸入裝置，其中用于信道的質(zhì)量值是在幾個先前時間步上取得的測量的平均值或加權平均值，并且該輸入裝置用于從一個連接的信道的接收信道質(zhì)量值中計算將要在后一時間步(n+1)中在每一個信道上使用的單獨功率設置，該控制器還具有用于所述單獨功率設置的輸出裝置，所述輸出裝置被連接到相應的發(fā)射機，其特征在于所述控制器(15)使用了一個由外部公平性循環(huán)以及由內(nèi)部容量循環(huán)控制的算法，其中該外部公平性循環(huán)相對于所述連接的平均數(shù)據(jù)速率來平衡所有所述信道的平均功率，所述內(nèi)部容量循環(huán)相對于在所有所述信道上所獲得的相應比特率來平衡所述所有信道之間的功率，所述算法還組合所述循環(huán)的結(jié)果，以便確定在所述所有信道中的單獨信道上要使用的實際發(fā)射功率。
11.根據(jù)權利要求10所述的發(fā)射節(jié)點，其特征在于它被設置在移動無線電系統(tǒng)的下行鏈路中。
12.根據(jù)權利要求10所述的發(fā)射節(jié)點，其特征在于它被設置在移動無線電系統(tǒng)的上行鏈路中。
13.一種具有在不同信道上(CH1，...CHi)上同時進行接收的多個接收機(22)的接收節(jié)點(20)，所述接收節(jié)點包括多個質(zhì)量檢測器(17)，這些質(zhì)量檢測器被連接到相應的接收機以用于測量一個連接的單獨信道的質(zhì)量，并且該接收節(jié)點還包括控制器(23)，該控制器具有輸入裝置(25)，該輸入裝置用于接收與在前一時間步(n)的相應信道相關聯(lián)的信道質(zhì)量值，以用于從一個連接的信道的接收信道質(zhì)量值中計算將要在后一時間步(n+1)中在每一個信道上使用的單獨功率設置，該控制器還具有用于所述單獨功率設置的輸出裝置，所述輸出裝置被連接到相應的發(fā)射機(14)，其特征在于，所述控制器(23)使用了一個由外部公平性循環(huán)以及由內(nèi)部容量循環(huán)控制的算法，其中該外部公平性循環(huán)相對于所述連接的平均數(shù)據(jù)速率來平衡所有所述信道的平均功率，所述內(nèi)部容量循環(huán)相對于在所有所述信道上所獲得的相應比特率來平衡所述所有信道之間的功率，所述算法還組合所述循環(huán)的結(jié)果，以便確定在所述所有信道中的單獨信道上要使用的實際發(fā)射功率。
14.根據(jù)權利要求13所述的接收節(jié)點，其特征在于它被設置在移動無線電系統(tǒng)的上行鏈路中。
15.根據(jù)權利要求13所述的接收節(jié)點，其特征在于它被設置在移動無線電系統(tǒng)的下行鏈路中。
全文摘要
一種用于在基于多信道接入的無線通信系統(tǒng)中對連接的功率分配和信道分配的方法，其中每一個連接都是獨立于其他連接而起作用的。一個連接的每一個信道的質(zhì)量在連續(xù)時間步(n，n+1)被測量。來自前一時間步(n)的測量結(jié)果在后一時間步(n+1)中被用于分配該連接所使用的所有信道的平均功率以及所述信道之間的單獨功率設置。該平均功率是使用相對于每一個信道的平均比特率來平衡平均信道功率的外部公平性循環(huán)來控制的。單獨功率設置是使用內(nèi)部容量循環(huán)來控制的，該內(nèi)部容量循環(huán)向良好的信道分配大量功率，并且向差的信道分配有限的功率。每一個循環(huán)都具有相應的目標關系，并且這些循環(huán)的結(jié)果被組合以便確定下一個時間步的發(fā)射功率。該方法具有分布式特性，并且可以在單獨的接收節(jié)點上執(zhí)行。此外，它可以被應用于上行鏈路或下行鏈路。本發(fā)明還涉及配備了用于執(zhí)行該方法的裝置的發(fā)射和接收節(jié)點。
文檔編號H04B7/005GK101091329SQ200480044700
公開日2007年12月19日 申請日期2004年12月22日 優(yōu)先權日2004年12月22日
發(fā)明者M·阿爾姆格倫, P·斯基勒馬克 申請人:艾利森電話股份有限公司