Способ и устройство внешней петли системы управления мощностью в системе мобильной связи

Изобретение относится к области беспроводной связи, а именно к внешней петле системы управления мощностью в системе мобильной связи с сотовой инфраструктурой. Изобретение обеспечивает выполнение заданных требований качества обслуживания (QoS-требований) при минимально необходимом уровне мощности. Внешняя петля системы управления мощностью обеспечивает установку требуемого целевого отношения сигнала к помехе (SIR_tgt) при различных условиях распространения сигнала по каналу связи, характеризуемых стохастическими моделями. Предложенный способ основан на применении способа итерации Ньютона-Рафсона для цифровых аппроксимаций различных функций плотности вероятности отсутствия связи в различных условиях распространения. После установки этой вероятности и получения динамической оценки характеристик второго порядка каждой рассматриваемой статистической величины, получают допустимое значение, превышающее медианное значение SIR и, таким образом, значение SIR_tgt, соответствующее вышеуказанной вероятности отсутствия связи. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области беспроводной связи и, более конкретно, к внешней петле системы управления мощностью сети сотовой телефонной связи.

Уровень техники

В январе 1998 г. Европейский институт стандартизации электросвязи (ETSI) выбрал базовую технологию для Универсальной системы мобильной связи (UMTS) (см. ETSI, "The ETSI UMTS Terrestrial Radio Access (UTRA) ITU-R RTT Candidate Submission", июнь 1998 г.). В этом стандарте в качестве основного интерфейса радиосвязи предложено использовать (WCDMA-интерфейс), широкополосный многостанционный доступ с кодовым разделением каналов), характеристики которого позволяют обеспечить полную совместимость с требованиями мобильной телефонной связи третьего поколения (3G-связь). Благодаря высокой скорости передачи данных и более высоким требованиям к качеству обслуживания (QoS) в 3G-связи, возникла необходимость разработки новых стратегий планирования. Наиболее исследованной среди них, вероятно, является система управления мощностью, в частности способ, используемый для организации внешней петли этой системы.

Такая система управления мощностью описана ниже в общих чертах в отношении функций внешней петли, для которой в настоящем изобретении предложен способ, построенный на основе других компонентов системы.

В сотовой сети на основе WCDMA-интерфейса требуется использовать систему управления мощностью, поскольку в этой технологии существует ограничение уровня взаимных помех в связи с тем, что все пользователи используют один и тот же спектр частот, и их коды не являются полностью ортогональными (см. Holma & Toskala: "WCDMA by UMTS, Radio Access for Third Generation Mobile Communications", John Wiley & Sons). Конечная цель системы управления мощностью в системах WCDMA-интерфейса состоит в обеспечении качества услуги, требуемое в конкретном канале связи (от абонента к базовой станции, или от базовой станции к абоненту) при минимальном уровне мощности передачи. Настоящее изобретение, в частности, направлено на этот аспект.

- Устранение эффекта ближний-дальний: если бы все мобильные станции передавали на базовую станцию сигнал с одинаковой мощностью, независимо от их расстояния или уровня затухания, сотовые телефоны, расположенные ближе к этой станции, оказывали бы значительные помехи для более удаленных сотовых телефонов.

- Защита от глубокого затухания.

- Минимизация взаимных помех в сети, в результате чего улучшается пропускная способность сети.

- Большая длительность работы батарей мобильной станции.

Система управления мощностью WCMDA выполнена на основе трех раздельных петель:

- Открытая петля: во время процесса случайного доступа в начале установления связи базовая/мобильная станция выполняет оценку потерь мощности в канале связи от абонента к базовой станции/от базовой станции к абоненту и соответствующим образом регулирует свою выходную мощность.

- Замкнутая или внутренняя петля: Также известна, как быстрое управление мощностью (1500 Гц), состоит из следующих трех стадий:

- соответствующий приемный терминал (базовая станция или мобильный блок) сравнивает полученное отношение полезного сигнала к уровню получаемых помех (SIR_rec отклонение) и целевое значение отношения полезного сигнала к уровню передаваемых помех (SIR_tgt целевое отклонение), которое зависит от качества услуги, требуемого в этом конкретном канале связи, который определяется с помощью внешней петли, как дополнительно описано ниже.

- Тот же приемный терминал передает биты управления мощностью, указывающие, требуется ли увеличить мощность передачи (если SIR_rec<SIR_tgt) или уменьшить - (если SIR_rec>SIR_tgt) на определенную величину (обычно 1 дБ).

- Блок передачи данных увеличивает или уменьшает свою мощность на заранее определенную величину.

- Внешняя петля: она работает гораздо медленнее, чем замкнутая петля (10-100 Гц), устанавливая требуемый сигнал в соответствии с целевым отношением помех SIR_tgt, что позволяет поддерживать заданное целевое значение качества. Один из показателей качества канала связи представляет собой оценка ошибки оснащения (FER-оценка), которая зависит от требуемого значения отношения сигнала к уровню помех SIR. Поскольку внутренняя петля помогает поддерживать значение SIR, близким к SIRtgt, то FER, в конечном счете, определяют по этому целевому значению. При этом для получения требуемого качества услуги в среде с определенным уровнем затухания, значение SIR_tgt требуется отрегулировать до приемлемого значения для данной среды.

К сожалению, не существует значение SIR_tgt, которое позволяет получить требуемое значение PER для всех возможных случаев затухания. По этой причине регулировка такого целевого соотношения в настоящее время представляет собой объект изучения, в результате которого был соответствующим образом описан механизм регулировки SIR_tgt. В таких конструкциях измеряют значения FER при изменении SIR_tgt в соответствии с тем, является ли он выше или ниже требуемого порогового значения. В любом случае, поскольку измерения FER происходят достаточно медленно (приблизительно 2 секунды), рабочие характеристики этих систем значительно ухудшаются в динамически изменяющихся условиях окружающей среды, характеристики затухания которых изменяются за очень короткие периоды времени.

Таким образом, для увеличения скорости внешней петли, в заявке на патент под названием "Symbol Error Based Power Control For Mobile Telecommunications System" (Carl Weaver, Wei Peng), Ser. No. 08/346800, 30 ноября 1994 г., описан способ, основанный на ошибке символа (SE-ошибке), который улучшает характеристики петли в условиях динамического изменения затухания. Такая процедура основана на исходном условии, что оценка ошибки символа (SER-оценка) и FER-оценка в высокой степени скоррелированы, и, таким образом, делается попытка поддержания значения SER-оценки близким к заданному целевому значению FER-оценки. Как и ранее, это достигается путем увеличения или уменьшения SIR_tgt.

Автор Kirian M.Rege в американском патенте 6434124 В1, от 13 августа 2002 г. поясняет, что вышеуказанная корреляция между SER и FER изменяется в различных радиоэлектрических условиях, и что, поэтому, ранее описанный способ, основанный на фиксированном целевом значении SER, не позволяет поддерживать значение FER, близкое к целевому значению в таких разных условиях. Поэтому он делает вывод, что для получения требуемой SER-оценки при различных радиоэлектрических условиях требуется использовать несколько целевых значений SER-оценки, и предлагает технологию, основанную на параметре подсчета SE-ошибки, который обеспечивает достижение требуемой величины SER-оценки в различных условиях затухания.

Кроме того, авторы Jonas Blom, Fredrik Gunnarson и Fedrik Gustafsson в своем американском патенте 6449462, от 10 сентября 2002 г. установили способ управления SIRtgt, также основанный на измерении FER и оценке определенных параметров, представляющих различные условия радиоэлектрического канала и статистическое распределение сигналов, представляющих помеху. Этот способ основан на определении функции качества, определенной как вероятность ошибки оснащения, которая зависит от вышеуказанных параметров. Хотя эта стратегия подразумевает увеличение пропускной способности емкости, приблизительно, на 30%, процесс получения указанной функции качества вводит задержку, которая, как указано выше, приводит к задержке достижения требуемых рабочих характеристик в моделях такого типа. Кроме того, в статье тех же авторов, в которой данное изобретение описано технически более подробно: "Estimation and Outer Loop Power Control in Cellular Radio Systems", поданной в АСМ Wireless Networks, указано, что параметры системы могут деградировать из-за затухания в радио-электрическом канале.

Осуществление изобретения

Способ и устройство, описанные для внешней петли системы управления мощностью в системе мобильной связи, позволяют определять допустимую величину затухания для получения требуемого отношения уровня сигнала к уровню помехи (M_SIR (дБ)), и, таким образом, значения SIR_tgt для критерия качества услуги при условии учета вероятности отсутствия радиосвязи (P_outage-вероятности) и характеристики статистических характеристик радиоэлектрического канала. Это позволяет обеспечить выполнение вышеуказанных требований качества обслуживания (QoS-требований) при минимальном требуемом уровне мощности, который, поскольку эта технология ограничена взаимными помехами, также позволяет оптимизировать пропускную способность системы.

Как указано выше, в качестве критериев качества, на которых основано настоящее изобретение, вместо PER, как в предыдущих случаях, используют параметр вероятности отсутствия радиосвязи, который представляет собой другой параметр качества, часто используемый в сотовых инфраструктурах. Величину вероятности P_outage часто определяют на этапе планирования сетевой сотовой сети, которая, помимо прочих параметров, зависит от:

характеристик соответствующей ячейки в области внутри нее и от типа услуги, обеспечиваемой каналом связи.

Ниже описаны теоретические основы, на которых построено настоящее изобретение. Радиоволны распространяются в среде, в которой происходят случайные изменения ее физических свойств, что влияет на интенсивность поля сигнала, так, что значения поля изменяются в эквидистантных точках от передатчика (изменения по местоположению) и по времени (изменения по времени). Вариации поля описываются различными статистическими распределениями, зависящими от характеристик канала связи.

Таким образом, возможно получить вероятность P_outage отсутствия связи для заданного предела допустимого значения SIR_rec и для заданных статистических характеристик путем интегрирования функции плотности вероятности (pdf-функции), полученной путем комбинирования соответствующих pdf-функций полезного сигнала и сигналов помех. Наиболее часто встречающийся случай состоит в том, что вышеуказанный интеграл нельзя выразить элементарными функциями, так, что требуется использовать численные методы.

Настоящее изобретение решает задачу в порядке, обратном к описанному в предыдущем параграфе, применяя его для получения требуемого целевого значения отношения сигнала к помехе SIR_tgt внешней петли в системе управления мощностью WCMDA. При этом, используя цифровые аппроксимации к статистическим данным, которые описывают вариацию SIR, в данных условиях используют итерационный способ, который позволяет получить допустимое значение, превышающее предельное значение, требуемое для соответствия с условиями QoS требований для данного конкретного канала связи, а также для значений статистического момента второго порядка (таких, как типичное значение девиации), оценка которых производится динамически и которые, таким образом, совместимы с различными условиями затухания, характеризующими среду в данный момент времени. Следует отметить, что описанный способ основан на способе стохастического распространения и, поэтому, не предназначен для оценки величины отношения полезного сигнала к помехе (SIR), необходимого для соответствия условий QoS требований, но вместо этого направлен на получение величины требуемого допустимого значения M_(SIR) (дБ), который превышает предельное значение этой функции плотности вероятности.

В результате, настоящее изобретение позволяет получить математически строгий способ поддержания качества в соответствии с QoS требованиями конкретного канала связи, который также соответствует постоянным статистическим вариациям радиоэлектрического канала, в отличие от вышеуказанных способов, основанных на измерениях FER.

Раскрытие изобретения

Поскольку настоящее изобретение основано на стохастических способах, в которых делается попытка описания вариации радиоэлектрического сигнала в определенных средах, и предназначено для использования в реальных системах, эти модели должны быть как можно более точными, даже если это требует применения более сложного математического аппарата.

Статистические данные, учитываемые для полезного сигнала и сигналов помехи, в определенных радиоэлектрических условиях приведены ниже в обоснованном виде.

Статистические характеристики полезного сигнала

Настоящее изобретение можно применять для каналов в макро- или микроячейках в сельской, пригородной и городской среде.

В среде микроячеек в городской застройке статистические вариации интенсивности полезного сигнала могут быть описаны различным образом в зависимости от того, существует ли прямой луч между излучателем и приемником. При этом в первом случае используется связь на линии видимости (LOS-связь), и во втором случае используется связь при отсутствии линии видимости (NLOS-связь). Ниже описаны статистические распределения, моделирующие эти ситуации.

NLOS-связь при отсутствии линии видимости

В соответствии с моделью автора Suzuki (см. F.Hansen, F.L.Meno, "Mobile Fading-Rayleigh and Lognormal Superimposed", IEEE Trails. On Vehicular Tech., vol.26, no.4, стр.332-335, ноябрь 1977) описана огибающая сигнала с помощью релеевского-логарифмически нормального (Rayleigh-Lognormal) распределения.

В этом случае флуктуации значений поля рассматривают вдоль эквидистант (относительно передатчика) (изменение по местоположению), которые подчиняются логарифмически нормальному закону, с учетом вариации времени в этой же точке в результате многоканального распространения, описанного релеевским распределением. В зависимости от полученного в результате типа затухания сигнала, вариации за счет местоположения называются медленным затуханием или затенением, вариации за счет многоканального распространения называются быстрым или релеевским затуханием.

Недостатки управления мощностью приводят к модуляциям полезного сигнала, которые также могут быть описаны логарифмически нормальным распределением (см. Wai-Man Tarn, Francis С.М. Lau "Analysis of Power Control and its Imperfections in CDMA Cellular Systems", IEEE Trans. On Vehicular Tech., vol.48, no.5, p.1706-1717, Sept. 1999).

LOS-связь на линии видимости

Здесь используется модель в соответствии с Накагами-Райса-логарифмически нормальным распределением (см. G.E.Corazza, F.Vatalaro, "A Rice-Lognormal Terrestrial and Satellite Channel Model", IEEE Trans. Veh. Tectmol, vol.43, no.3, p.738-742, 1994). Использование этого распределения можно оправдать следующим: статистическое описание вариаций сигнала, содержащего детерминированную компоненту (прямой луч) и несколько случайных компонент, приводит к получению распределения Накагами-Райса. Логарифмически нормальная компонента появляется как представление эффектов медленного затухания или затенения, которые могут наблюдаться во время связи, а также в виде указанного выше влияния на недостатки управления мощностью.

Следует отметить, что случайная переменная, измеряемая в ваттах Вт, которая изменяется в соответствии с логарифмически нормальным распределением, будучи выраженной в дБВт посредством функции 10log(x), описывается гауссовым распределением. Это свойство указано здесь, поскольку его часто применяют в следующих выражениях.

Статистические характеристики помех

В WCDMA множество пользователей, сигналы которых представляют собой помехи, одновременно осуществляют передачу в одной ячейке (внутри ячейки) или в соседних ячейках (между ячейками). При применении центральной предельной теоремы случайная переменная, получаемая в результате суммирования этих компонент, имеет гауссово распределение (см. A.M.Viterbi, A.J.Viterbi, E.Zehavi, "Other-cell interference in Cellular Power-Controlled CDMA", IEEE Trans. On Communications, Vol.42, no.2/3/4, p.1501-1504, February/March/April 1994). Тепловой шум, а также шумы антропогенного характера обычно являются незначительными по сравнению с величинами помех, получаемыми в результате воздействия вышеуказанных сигналов помех.

Функция плотности вероятности SIR

SIR-оценка определяется следующим выражением:

S/I (Б)=S (дБм) -I (дБм)

Следует отметить: измерения в дБм получены в результате применения функции 10log(x) к измерениям в мВт.

Где S и I, соответственно, представляют значения мощности полезного сигнала и помех. Допуск в отношении медианного значения распределения, как функция, по которой рассчитывают вероятность отсутствия связи, определяется следующим уравнением:

М_(S/I) (дБ) =-S/I (дБ)

С учетом вышеприведенного, функция плотности вероятности (pdf) для SIR может быть задана с помощью свертки pdf полезного сигнала и сигналов помех, в результате чего получают следующее выражение как функция допустимого значения:

и для функции распределения, с помощью которой получают вероятность отсутствия связи для заданного допустимого значения M_(S/I)0, можно получить:

Если в вышеприведенном выражении изменить порядок интегрирования, можно видеть, что будет получена функция распределения полезного сигнала, и его функция плотности вероятности может быть проинтегрирована:

где F_S представляет собой вышеуказанную функцию распределения для случайной переменной S, которая соответствует полезному сигналу. Как указано выше, эта функция представляет собой Накагами-Райса-логарифмически нормальное распределение или релеевское-логарифмически нормальное распределение, в зависимости от того, существует или нет прямой луч между излучателем и приемником. Интеграл уравнения (1) ни в одном случае не может быть выражен элементарными функциями и должен быть рассчитан численными методами.

Наконец, получим следующее выражение для вероятности отсутствия связи для заданного допустимого значения отношения полезного сигнала к уровню помехи SIR:

Таким образом, задача состоит в оценке выражения в соответствии с уравнением (2) для случаев NLOS и LOS. С этой целью подставим вышеуказанные численные выражения для F_S, где f₁ представляет собой функцию плотности вероятности помех, которая, как указано выше, имеет гауссово распределение, определяемое следующим выражением:

где σ_I представляет собой типичную девиацию нормального распределения в децибелах, которая, как будет понятно ниже, представляет собой один из параметров динамической оценки, используемый для оценки статистических вариаций канала.

Численные аппроксимации для функций распределения полезного сигнала:

Релеевское-логарифмически нормальное распределение (модель Сузуки)

Эта функция распределения вероятности определяется следующим выражением:

где представляет собой среднее значение, соответствующее временным релеевским вариациям, и представляет собой секторное усредненное значение, соответствующее логарифмически нормальным вариациям местоположения. Типичное значение девиации этой компоненты составляет σ_N (дБ), которое является еще одним параметром, оценку которого производят для получения изменения условий затухания радиоэлектрического канала. Как ожидается, σ_N=0, поскольку распределение вырождается в релеевское распределение.

В этом случае допустимое значение в дБ определяется следующим выражением:

В натуральных единицах это допустимое значение может быть представлено как:

Для того чтобы выразить вышеприведенный интеграл в виде функции допустимого значения, сделана следующая замена переменных:

Чтобы, таким образом, получить:

Как и предполагалось, интеграл в вышеприведенном выражении должен быть вычислен с помощью численных методов. В этом случае существует неопределенность при х=0, поэтому используют формулу открытого интегрирования для исключения этой точки. В любом случае, при изменении переменной:

Y=ln(x)

эта неопределенность исключается, и может быть получено следующее выражение:

При этом остается интеграл со взвешенной функцией Гаусса-Эрмита (е^-x2) и интервал интегрирования составляет (-∞,∞) так, что формулу этого типа применяют для получения требуемого результата.

Анализ ошибки, выполненный при сравнении с существующими схемами (см. Hernando Rábanos Jose Maria, "Transmisión por radio", Centro de Estudios Ramón Areces, S.A, 1993), показал, что эта ошибка меньше, чем 10^-4 для всех значений вероятности отсутствия связи, при типичном значении девиации логарифмически нормальной компоненты, равной или меньшей 12 дБ, и для значений допустимого значения меньше 35 дБ; то есть эти значения включают самые крайние условия.

Накагами-Райса-логарифмически нормальное распределение

В данном случае требуемый сигнал содержит одну детерминированную компоненту и несколько случайных компонент. Получаемая в результате функции плотности вероятности представляет собой функцию Накагами-Райса:

где 2b: среднеквадратичное значение случайной компоненты;

С: эффективная величина детерминированной компоненты;

I₀: модифицированная функция Бесселя первого рода, нулевого порядка.

Эффективная величина суммарной усредненной мощности сигнала задается выражением 2b+с², которое без потери общности, как можно предположить, можно нормализовать к 1, то есть:

2b+с²=1

так что, когда один из этих двух параметров описан, другой будет однозначно определен.

Это распределение также обычно выражают как функцию коэффициента Райса К, который выражен в дБ и определяется как частное детерминированной и случайной компоненты, так, что:

Коэффициент Райса представляет собой параметр, оценку которого производят для динамической характеристики канала, как будет описано ниже. Среднеквадратичное значение случайной компоненты может быть выражено как функция коэффициента Райса в следующем виде:

Для учета эффекта медленного затухания (затенения) случайную переменную, описывающую предыдущую ситуацию (Накагами-Райса), умножают на случайную переменную, которая имеет логарифмически нормальное распределение. При работе в дБ вышеуказанное эквивалентно добавлению случайной компоненты, которая имеет гауссово или нормальное распределение, характеризуемое типичной девиацией σ_N, так, что получаемая в результате функция плотности вероятности будет представлять собой свертку предыдущей функции Накагами-Райса с такой гауссовой функцией. Таким образом, применяя те же принципы, которые использовали для получения уравнения (2), получим то же выражение, где случайная переменная S теперь представляет собой переменную типа Накагами-Райса, и случайная переменная I, которая здесь представлена вкладом помехи, теперь называется N, поскольку она представляет эффект медленного затухания, модель которого представлена нормальным распределением, которое всегда соответствует требуемому сигналу. Таким образом, для заданного допустимого значения m₀:

F_NR в соответствии с уравнением (3) может быть теперь определено в следующем виде:

Цель состоит в получении выражения, с использованием способов численного интегрирования, которое затем можно ввести в предыдущее выражение. При этом вначале получим аппроксимацию функции Бесселя в следующей форме:

После проведения соответствующей замены переменной для получения пределов интегрирования 1 и -1 можно применить формулу Гаусса-Лежандра для численного решения предыдущего интеграла.

После того как будет проведена вышеприведенная аппроксимация уравнения (5), выполняют еще одну замену переменной для того, чтобы снова получить пределы интегрирования 1 и -1, чтобы еще раз применить формулу Гаусса-Лежандра.

Наконец, получают выражение, требуемое для функции распределения F_NR-LN путем ввода в уравнение (4) аппроксимации, полученной для F_NR и замены ƒ_N(u) уравнением, соответствующим гауссову распределению

Соответствующая замена переменной приводит к получению интеграла со взвешенной функцией (е^-x2) Гаусса-Эрмита, и оставляют интервал (-∞,∞) интегрирования, так что формулу этого типа применяют для получения требуемого результата.

Как и в предыдущем случае для модели Сузуки, был проведен анализ полученной ошибки путем сравнения существующих графиков (см. Hernando Rábanos Jose Maria, "Transmisión por radio", Centro de Estudios Ramyn Areces, S.A., 1993), в результате чего было устанавлено, что полученная ошибка составляет порядка 10^-4 для всех значений параметра 2b, или, эквивалентно, для коэффициента Раиса К, допустимое значение М₀(дБ) и вероятности отсутствия связи в интервале, представляющем интерес, ниже или равно 1%.

Численные аппроксимации функций распределения вероятности SIR:

Цель состоит в решении интеграла по уравнению (2) для двух функций распределения полезного сигнала: релевского-логарифмически нормального распределения (F_R-LN) и Накагами-Райса-логарифмически нормального распределения (F_NR-LN).

В первом случае имеем:

Что приводит, с точки зрения цифровой интеграции, к тому же типу проблемы, что и в уравнении (4), так, что после соответствующей замены переменной применяют формулу Гаусса-Эрмита.

В результате получим следующее выражение:

С помощью которого получают вероятность отсутствия связи для варианта связи NLOS при заданном допустимом значении M_(S/I)0 отношения полезного сигнала к помехе и значении типичной девиации сигнала σ_N (соответствующей медленному или логарифмически нормальному затуханию полезного сигнала) и σ_I (которое статистически описывает совместный вклад всех сигналов помехи внутри ячейки и между ячейками).

Для случая Накагами-Райса-логарифмически нормального распределения (LOS-распределения) можно сделать следующее наблюдение: моделирование со случайной переменной, логарифмически нормальной компоненты полезного сигнала приводит к преобразованию в гауссово распределение (с типичной девиацией σ_N), которое, описывая статистическое распределение сигналов помехи, также представляет собой гауссово распределение с типичной девиацией σ_I.

Полезный сигнал и сигналы помехи, выраженные в дБ, линейно взаимосвязаны в вычислениях SIR (вычитаются), и случайная переменная, получаемая из линейной комбинации двух статистически независимых гауссовых распределений (как в данном случае), также является гауссовой, с тем отличием, что представляет собой сумму отдельных переменных в соответствии с теоремой свертки (см. Peyton Z.Peebles, JR.: "Probability, Random Variables, and Random signal principles", McGRAW-HILL INTERNATIONAL EDITIONS Electrical Engineering Series, 1987). При этом можно получить нормальную функцию плотности вероятности, которая здесь называется fN-I, характеризуемую типичной девиацией, определяемой следующим выражением:

Так, что, в конце концов, вероятность отсутствия связи для случая LOS-распределение можно вычислить в виде:

которая снова решается численным методом с помощью квадратурной формулы Гаусса-Эрмита.

Наконец, остается выражение, которые определяет вероятность отсутствия связи при передаче в условиях LOS-распределения для заданного допустимого значения М_(S/I)0 отношения полезного сигнала к помехам и величин типичной девиации σ_N (соответствующих медленному или логарифмически нормальному затуханию полезного сигнала) и σ_I (которое статистически описывает совместный вклад всех сигналов помех внутри ячейки и между ячейками):

Способ проверки надежности значений вероятности отсутствия связи, получаемых с помощью уравнений (6) и (7), состоял в наложении условия, что типичная девиация σ_I помех равна нулю, так, что проблема уменьшается до случая помех, графы для которых описаны в литературе.

Решение обратной задачи

Цель состоит в получении допустимого значения M_(S/I) (дБ), которое для определенных статистических условий выполняет заданную спецификацию для вероятности отсутствия связи P_outage (QoS). С этой целью используют уравнения (6) и (7) для получения вероятности отсутствия связи для случаев LOS и NLOS, в результате чего получают следующие две вероятности:

Для объединения критериев, приведенные выше выражения обобщают следующим образом:

где m_i представляет собой статистические моменты второго порядка, соответствующие каждому случаю. Поскольку величины этих статистических моментов являются постоянными во время итерации, на которой основан способ, отсюда и дальше допустимое значение M_(S/I) следует рассматривать, как являющееся единственной переменной функции F.

Способ Ньютона-Рафсона (см. H.R.Schwarz, J.Waldvogel: "Numerical Analysis", John Wiley&Sons) был выбран для решения проблемы, представленной в уравнении (8).

Была определена функция g, переменная которой, представляет собой допустимое значение в следующем виде:

Как следует из (8) и (9), задача состоит в том, чтобы получить нули функции g. С этой целью, из исходной величины для допустимого значения применяют следующее выражение:

Аналогично вычисляют как функцию .

Процесс заканчивается, когда разность между двумя последними найденными значениями для допустимого значения отличается меньше, чем на заданную величину, которая в данном случае установлена равной 10^-4.

Выражение (10) предполагает расчет производной в отношении допустимого значения выражений (6) и (7), фактически с учетом (9), отсюда очевидно следует, что:

Величины допустимого значения, определенные с помощью вышеописанного способа, должны быть скорректированы на соответствующий коэффициент, если используют методики разнообразия или рецепторы RAKE (см. Don Torrieri: "Instantaneous and Local-Mean Power Control for Direct-Sequence CDMA Cellular Networks", U.S. Army Research Laboratory).

Рассмотрим фигуру 1, на которой представлена часть системы (100) мобильной связи WCDMA. В отличие от настоящего изобретения, элементы, показанные на чертеже, являются хорошо известными и не будут подробно описаны. При этом базовая станция 102 включает процессоры, запоминающее устройство, карты интерфейса и установленные программные приложения. На чертеже показаны RNC, контроллер удаленной сети 101, который помимо других функций выполняет вызовы; две базовые станции: 102, 103; и одна мобильная станция 104, которая представлена изображением автомобиля. Две базовые станции и мобильная станция представляют конечные точки беспроводного интерфейса. Каждая базовая станция должна быть ассоциирована с одним RNC 101 через наземные линии 105 и 108. В дальнейшем предполагается, что мобильная станция 104 связана с базовой станцией 102 через сигнал 107 от базовой станции к абоненту и сигнал 108 от абонента к базовой станции.

На фигуре 2 показана часть обеих станций (102 и 104), которая включает принципы, на которых основано настоящее изобретение. Элементы, показанные на чертеже, которые не относятся к настоящему изобретению, хорошо известны и не будут описаны. Как базовая станция, так и мобильная станция содержат контроллер 201, излучатель 202 и приемник 203. При этом, в случае базовой станции 102, принятый сигнал соответствует каналу связи 108 от абонента к базовой станции, и в случае мобильной станции 104, принятый сигнал соответствует сигналу 107 от базовой станции к абоненту, причем оба эти сигнала поступают в контроллер 201 через приемник 203. Система управления мощностью передает через излучатель 202 команду, содержащую инструкцию для другой станции на увеличение или уменьшение ее мощности, в зависимости от результата способа оптимизации, описанного ниже, который устанавливает целевое отношение полезного сигнала к уровню помех, которое действует как пороговое значение в замкнутой петле этой системы управления мощностью.

Один из компонентов такой системы управления мощностью представляет собой внешнюю петлю, для построения которой в настоящем изобретении предложен новый способ, как указано выше.

Этапы, которые выполняются в контроллере 201 и которые соответствуют этой внешней петле, подробно показаны на фигуре 3.

В соответствии с настоящим изобретением, как базовая станция 102, так и мобильная станция 104 производят оценку отношения полезного сигнала к помехе получаемого SIR_rec (см. Sáez Ruiz, Juan Carlos: "Una Arquitectura Hardware para la Estimación de la Relación Señal a Interferencia en Sistemas WCMDA" (A Hardware Architecture for Estimation of the Signal to Interference Ratio in WCMDA Systems), Department of Electroscience, Digital ASIC University of Luna), а также соответствующие статистические параметры для каждого типа связи (см. Ali Abdi, Georgios В. Giannakis, Kaveh Mostaza: "Estimation of Doppler spread and signal strength in mobile communications with applications to handoff and adaptative transmission", WIRELESS COMMUNICATIONS AND MOBILE COMPUTING 2001; 1:221-242 (DOI: 10.1002/WCM. 1)). Для случая NLOS выполняют следующие оценки: типичную девиацию, соответствующую логарифмически нормальному затуханию полезного сигнала σ_N, и которая соответствует гауссову распределению, которое описывает изменения сигналов помех σ_I; для случая LOS, кроме вышеуказанных параметров, также выполняют оценку коэффициента Райса К. Затем для заданной вероятности отсутствия связи (P_outage) вышеуказанный способ итерации Ньютона-Рафсона используют для получения допустимого значения в дБ, требуемого для обеспечения вышеуказанного QoS. Предыдущее допустимое значение используют для расчета нового целевого отношения полезного сигнала к помехе SIR_tgt, которое затем используют как опорное пороговое значение для замкнутой петли системы управления мощностью.

Ниже приведены определения всех используемых параметров, хотя для некоторых из них уже были приведены комментарии:

σ_N = типичное значение девиации логарифмически нормального затухания полезного сигнала (в дБ);

σ_I = типичное значение девиации случайной гауссовой переменной, которая описывает вариацию сигналов помехи (в дБ);

К = коэффициент Раиса (в дБ);

Т_п = период внешней петли, в течение которого производят оценку статистических характеристик канала (в секундах);

P_outage = требуемая вероятность отсутствия связи, в данном случае этот параметр определяет качество услуги (QoS) канала связи;

= исходная величина допустимого значения SIR (в дБ);

= значение допустимого значения в предыдущем этапе процесса итерации Ньютона-Рафсона (в дБ);

= обновленная величина допустимого значения в процессе итерации Ньютона-Рафсона (в дБ);

g(x) = функция, нулевые значения которой представляют собой решение способа Ньютона-Рафсона;

= величина оценки целевого значения SIR за текущий период (в дБ);

SIR_max = максимально разрешенная величина SIR для рассматриваемого канала связи (в дБ);

SIR_min = минимально разрешенная величина SIR для рассматриваемого канала связи (в дБ).

Этапы способа определены ниже со ссылкой на блоки, представленные на фигуре 3.

Оценку отношения SIR сигнала к помехам выполняют в блоке 301, где содержится соответствующая аппаратная архитектура. Оценку статистических моментов второго порядка выполняют во время периода Т_п внешней петли в блоке 302, всегда используя в качестве входа значения SIR, получаемое в блоке 301; при этом, для случая NLOS выполняют оценку значения σ_N и σ_I, и в случае прямого луча (LOS), также выполняют оценку соответствующего коэффициента Райса.

Блок 303 является наиболее представительным в настоящем изобретении, поскольку в нем применяют способ итерации Ньютона-Рафсона, что позволяет получать допустимое значение (в дБ), что обеспечивает спецификацию P_outage - вероятности отсутствия связи для статистических характеристик, оценка которых проведена в 302. При этом для исходного значения вычисляют функцию в соответствии с (9) и применяют (10), при этом получают новые значения для допустимого значения до тех пор, пока разность между последними двумя значениями, и не станет меньше, чем 10^-4.

После того как будет получено допустимое значение, адаптированное к характеристикам канала за период Т_п, целевое значение SIR, соответствующее этому допустимое значению, которое здесь называется рассчитывают в блоке 304. При этом устанавливают следующие условия для предотвращения превышения допустимых пределов SIR:

Если значение SIR ограничивается этой максимальной величиной в блоке 305. Если , значение SIR ограничивается его минимальной величиной в блоке 306.

На фигуре 4 показано представление на более высоком уровне способа, в соответствии с настоящим изобретением, который показан на фигуре 3. При этом блок 401 эквивалентен блоку 301 на предыдущей фигуре, блок 402 представляет функцию, описанную в блоках 302, 403 (эквивалент 303), включает способ итерации Ньютона-Рафсона и известен как контроллер качества канала. Наконец, максимальные и минимальные ограничения мощности были собраны в блоке 404 по вышеуказанной фигуре.

Проверка нового способа для внешней петли системы управления мощностью сигнала связи WCMDA

Прежде всего, определяют результат, полученный для прямой задачи в двух случаях, LOS и NLOS, то есть вероятность P_outage отсутствия связи для допустимого значения M_(S/I) (дБ) и в для заданных статистических моментов σ_N (дБ) и σ_I (дБ) для случая NLOS. Для случая LOS, в качестве входных значений обычно используют типичную девиацию, получаемую из логарифмически нормального затухания и гауссова распределения помех:

а также из коэффициента Райса К (дБ).

После получения величины вероятности отсутствия связи ее используют как исходное значение для решения обратной задачи, для которой поддерживают предыдущие значения статистических моментов. Таким образом, должна быть получена величина для допустимого значения M_(S/I) (дБ), аналогично той, которая используется в качестве исходного значения в случае прямой задачи:

Прямая задача для NLOS:

Входные значения:

M_(S/I)=20 дБ

σ_N=4 дБ

σ_I=4 дБ

Выходные величины:

P_outage=0,0223

Обратная задача для NLOS:

Входные значения:

P_outage=0,0223

σ_N=4 дБ

σ_I=4 дБ

Полученные выходные значения:

M_(S/I)=20,000 дБ

Прямая задача для LOS:

Входные значения:

Выходное значение:

M_(S/I)=20 дБ

σ_N-I=4 дБ

K=0 дБ

P_outage=0,0113

Обратная задача для LOS:

Входные значения:

P_outage=0,0113

σ_N-I=4 дБ

K=9 дБ

Выходное значение:

М_(S/I)=19,9891 дБ

Как можно видеть, в обоих случаях для LOS В и для NLOS, аппроксимация, обеспечиваемая с помощью способа Ньютона-Рафсона, является очень точной. Полученная ошибка имеет порядок 10^-3 дБ.

Предыдущая конструкция использовалась для описания принципов настоящего изобретения. Однако также возможны другие альтернативы, которые здесь не описаны, имеющие ту же сущность и назначение. Например, хотя настоящее изобретение было представлено здесь в виде отдельных функциональных блоков (таких, как контроллер 201), функции любого из этих блоков могут быть выполнены с помощью одного или нескольких соответствующим образом запрограммированных процессоров.

Учитывая общность рассмотренных статистических моделей, настоящее изобретение можно применять в наземных, морских или аэронавигационных спутниковых системах (геостационарных или других) (см. G.E.Corazza, F.Vatalaro, "A Rice-Lognormal Terrestrial and Satellite Channel Model", IEEE Trans. Veh. Technol., vol.43, no.3, p.738-742, 1994). Эти модели также воспроизводят условия распространения внутри помещения (см. Tadeusz A. Wysocki, Hans Jurgen Zepemick, "Characterization of the indoor radio propagation channel at 2.4 GHz", 3-4 2000, Journal of Telecommunications and information Technology), в соответствии с этим, настоящее изобретение можно использовать для конструкции и управления мощностью систем, используемых в этих условиях.

В том же смысле, настоящее изобретение можно применять для других стандартов, помимо WCDMA, а также для управления мощностью любого сигнала, принимаемого базовой или мобильной станциями.

В области моделирования настоящее изобретение можно использовать как имитатор уровня канала операторами на этапе планирования сети сотовой связи (см. Moreno González J.A., Miranda Sierra J.L., Eliseo Barandilla Torregrosa I., Lorca Hernando J., "Simulador de enlaces para el sistema UMTS en modo FDD" (Links Simulator for the УСМС system in FDD mode), Telefónica Móviles España, Telefónica I+D).

Краткое описание чертежей

Все чертежи и все блоки, показанные на них, были соответственно описаны в предыдущем описании, так что в этой секции указано, что:

На фигуре 1 показана часть системы мобильной связи, представляющая принципы, на которых основано настоящее изобретение.

На фигуре 2 показана часть базовой или мобильной станции, относящейся к настоящему изобретению.

На фигуре 3 представлен способ в соответствии с настоящим изобретением, то есть который соответствует внешней петле системы управления мощностью сотовой сети на основе WCDMA.

На фигуре 4 показан способ в соответствии с настоящим изобретением на более высоком уровне, то есть соответствующий внешней петле системы управления мощностью сотовой сети на основе WCDMA.

1. Способ определения целевого значения отношения полезного сигнала к помехам для внешней петли системы управления мощностью в системе мобильной связи с сотовой инфраструктурой, характеризующийся:

принимают сигнал от базовой или мобильной станции,

на основе этого сигнала рассчитывают целевое значение отношения полезного сигнала к помехам для внешней петли системы управления мощностью, причем способ включает следующие этапы:

оценивают отношение полезного сигнала к помехам принимаемого сигнала,

оценивают следующие статистические характеристики отношения полезного сигнала к помехам: типичную девиацию медленной или логарифмически нормальной компоненты затухания, типичную девиацию гауссова распределения, описывающего совместную статистическую вариацию всех сигналов помех, и в случае, когда между излучателем и приемником существует прямой луч, коэффициент Раиса, который представляет собой частное детерминированной компоненты и случайной компоненты полезного сигнала; и

на основе вышеуказанных статистических характеристик и с учетом спецификации вероятности отсутствия связи рассчитывают допустимое значение отношения полезного сигнала к помехам с использованием способа итерации Ньютона-Рафсона; и

на основе вышеуказанного допустимого значения получают целевое значение отношения полезного сигнала к помехам для указанной внешней петли.

2. Способ по п.1, в котором, используя численную аппроксимацию для функции распределения вероятности, соответствующей отношению полезного сигнала к помехам, для связи с отсутствием прямого луча между излучателем и приемником, используют способ Ньютона-Рафсона для получения допустимого значения указанного отношения, которое соответствует спецификации вероятности отсутствия связи для статистических условий, определенных типичной девиацией медленной или логарифмически нормальной компоненты затухания и типичной девиацией гауссова распределения, которое описывает совместную статистическую вариацию всех сигналов помех.

3. Способ по п.1, в котором, используя численную аппроксимацию функции распределения вероятности, соответствующей отношению полезного сигнала к помехам, для связи с ненулевой детерминированной компонентой, соответствующей наличию прямого луча между излучателем и приемником, используют способ Ньютона-Рафсона для получения допустимого значения указанного отношения, которое соответствует спецификации вероятности отсутствия связи для статистических условий, определенных типичной девиацией медленной или логарифмически нормальной компонентой затухания и типичной девиацией гауссова распределения, которое описывает совместную статистическую вариацию всех сигналов помех, и коэффициентом Раиса, который представляет собой частное между детерминированной компонентой и случайной компонентой полезного сигнала.

4. Способ по п.2, в котором путем численного интегрирования функции плотности вероятности, соответствующей отношению полезного сигнала к помехам, для связи, при отсутствии прямого луча между излучателем и приемником, получают выражение для вероятности отсутствия связи с заданными статистическими условиями, а именно типичной девиации медленной или логарифмически нормальной компоненты затухания и типичной девиации гауссова распределения, которое описывает совместную статистическую вариацию всех сигналов помех, так что вышеуказанное выражение пригодно для последующего применения способа Ньютона-Рафсона, описанного в указанном пункте.

5. Способ по п.2, в котором путем численного интегрирования функции плотности вероятности, соответствующей отношению полезного сигнала к помехам, для связи с ненулевой детерминированной компонентой, при наличии прямого луча между излучателем и приемником, получают выражение для вероятности отсутствия связи в заданных статистических условиях, а именно типичной девиации медленной или логарифмически нормальной компоненты затухания, типичной девиации гауссова распределения, которая описывает совместную статистическую вариацию всех сигналов помехи и коэффициента Раиса, который представляет собой частное между детерминированной компонентой и случайной компонентой полезного сигнала, так что вышеуказанное выражение пригодно для последующего применения способа Ньютона-Рафсона, описанного в указанном пункте.

6. Устройство, предназначенное для выполнения способа определения целевого значения отношения полезного сигнала к помехам для внешней петли системы управления мощностью в системе мобильной связи с сотовой инфраструктурой по п.1, характеризующееся тем, что содержит:

приемник, который принимает сигнал от базовой станции или мобильной станции,

и процессор, который выполняет оценку следующих статистических характеристик отношения полезного сигнала к помехам: типичная девиация медленной или логарифмически нормальной компоненты затухания, типичная девиация гауссова распределения, описывающего совместную статистическую вариацию всех помех, и коэффициент Раиса, который представляет собой частное детерминированной компоненты и случайной компоненты полезного сигнала; на основе этих статистических характеристик и с учетом спецификации вероятности отсутствия связи рассчитывает допустимое значение отношения полезного сигнала к помехам с помощью способа итерации Ньютона-Рафсона и по этому допустимому значению получают целевое значение отношения полезного сигнала к помехам для вышеуказанной внешней петли.

7. Устройство по п.6, которое также включает излучатель, который передает информацию управления мощностью в базовую станцию, если устройство представляет собой мобильную станцию,

или в мобильную станцию, если устройство представляет собой базовую станцию.

8. Устройство по п.6, в котором процессор выполняет расчет отношения полезного сигнала к помехам с использованием способа итерации Ньютона-Рафсона, который обеспечивает выполнение заданной спецификации вероятности отсутствия связи для статистических условий, характеризующихся оценкой статистических характеристик.