寬帶CDMA系統(tǒng)中的功控技術(shù)

摘要：簡(jiǎn)述了功控技術(shù)的作用與分類(lèi)，介紹了帶寬CDMA系統(tǒng)的功控技術(shù)方案，討論了實(shí)現(xiàn)的限制條件，仿真了影響性能的幾個(gè)關(guān)鍵因素，并給出了硬件實(shí)現(xiàn)和測(cè)試結(jié)果。

無(wú)線蜂窩網(wǎng)絡(luò)為每個(gè)用戶提供的服務(wù)需要滿足一定的服務(wù)質(zhì)量（QOS），然而QOS主要由每個(gè)用戶接收到信號(hào)的信干比（SIR）決定。因此，無(wú)線蜂窩網(wǎng)絡(luò)對(duì)無(wú)線資源的分配，特別是對(duì)每個(gè)用戶鏈路的功率分配就更加重要。對(duì)于CDMA蜂窩系統(tǒng)，同一小區(qū)內(nèi)所有用戶使用相同的頻段和時(shí)隙，用戶之間僅靠擴(kuò)頻碼的（準(zhǔn)）正交特性相互隔離。然而由于無(wú)線信道的多徑、延時(shí)等原因使得各個(gè)用戶信號(hào)間的互相關(guān)特性不理想，其它用戶的信號(hào)對(duì)當(dāng)前用戶信號(hào)產(chǎn)生干擾，這類(lèi)干擾被稱為多址干擾（MAI）。這樣，當(dāng)小區(qū)中用戶個(gè)數(shù)增加或者其它用戶功率提升時(shí)都會(huì)增加對(duì)當(dāng)前用戶的干擾，導(dǎo)致當(dāng)前用戶的接收信號(hào)SIR下降，當(dāng)這類(lèi)干擾大到一定程度時(shí)，當(dāng)前用戶就不能正常通信了，因此CDMA系統(tǒng)是一個(gè)嚴(yán)重的干擾受限系統(tǒng)，干擾的大小直接影響到系統(tǒng)容量。解決這個(gè)問(wèn)題主要有兩個(gè)辦法：多用戶檢測(cè)技術(shù)和功控技術(shù)。多用戶檢測(cè)技術(shù)充分考慮用戶間存在的MAI，通過(guò)在接收端重構(gòu)這些干擾，然后消除它的影響，提高性能，但由于其算法過(guò)于復(fù)雜，目前還沒(méi)有進(jìn)行商業(yè)應(yīng)用。功控技術(shù)十分簡(jiǎn)單實(shí)用，被認(rèn)為是CDMA系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。功控技術(shù)調(diào)整每個(gè)用戶的發(fā)射功率，補(bǔ)償信道衰落、抵消遠(yuǎn)近效應(yīng)，使各個(gè)用戶維持在能保持正常通信的最低標(biāo)準(zhǔn)上，這樣都能最大地減少對(duì)其他用戶的干擾，從而提高系統(tǒng)容量，同時(shí)延長(zhǎng)手機(jī)的待機(jī)時(shí)間。

功控技術(shù)的控制準(zhǔn)則大致可分為兩大類(lèi)：功率平衡準(zhǔn)則和SIR平衡準(zhǔn)則。它們分別控制各個(gè)用戶信號(hào)在接收端的有用功率相等或SIR相等。從而不同的角度，可以有不同的功控技術(shù)分類(lèi)。按功控效果可分為內(nèi)環(huán)功控和外環(huán)功控。內(nèi)環(huán)功控主要用來(lái)對(duì)抗信道衰落和損耗，使得接收端信號(hào)SIR或功率達(dá)到特定的目標(biāo)值；外環(huán)功控根據(jù)特定環(huán)境下的服務(wù)質(zhì)量要求，產(chǎn)生內(nèi)環(huán)功控的SIR或功率門(mén)限值。按鏈路可分為反向功控和前向功控，由于CDMA系統(tǒng)容量主要受反向鏈路容量限制，因此反向功控尤為重要。按功控的環(huán)路類(lèi)型可分為開(kāi)環(huán)和閉環(huán)功控，開(kāi)環(huán)功控是基于上下行信道對(duì)稱假設(shè)的，它能夠抵消路徑損耗和陰影衰落，閉環(huán)功控不需作此假設(shè)，它同時(shí)還能抵消快衰落。按功控實(shí)現(xiàn)的方式可分為集中式功控和分布式功控，集中式功控考慮小區(qū)內(nèi)所有用戶的信息（鏈路增益等），對(duì)每個(gè)用戶進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)整，這個(gè)算法復(fù)雜度高，難以實(shí)現(xiàn)，但算法的收斂特性好；分布式控制只根據(jù)單個(gè)用戶信息產(chǎn)生控制指令，易于實(shí)現(xiàn)，但分布式算法需要滿足一定的條件才能收斂。

1 WCDMA系統(tǒng)的功控技術(shù)方案

WCDMA系統(tǒng)同時(shí)采用了反向開(kāi)環(huán)、閉環(huán)、外環(huán)功控技術(shù)和前向閉環(huán)、外環(huán)功控技術(shù)。鑒于反向閉環(huán)功控的重要性和篇幅所限，本文將主要針對(duì)反向閉環(huán)功控進(jìn)行討論，后面的仿真曲線也是基于反向閉環(huán)功控做出的。WCDMA系統(tǒng)閉環(huán)軾控主要由四部分構(gòu)成：SIR估計(jì)、功控比特（TPC）產(chǎn)生、本地TPC判決和功率高速單元等，如圖1所示。

SIR估計(jì)單元采用某種SIR估計(jì)算法對(duì)接收專用數(shù)據(jù)信道（DPDCH）的SIR進(jìn)行估計(jì)，然后將估計(jì)值送給TPC產(chǎn)生單元。WCDMA協(xié)議并沒(méi)有規(guī)定SIR估計(jì)的算法，主要有兩種算法：相干SIR估計(jì)和非相干SIR估計(jì)，后面將分析這兩種方法的性能差異。另外，限制SIR估計(jì)精度的另一主要因素是SIR估計(jì)的長(zhǎng)度，即可以用來(lái)估計(jì)樣本數(shù)的多少，對(duì)于非相干估計(jì)樣本數(shù)較多、相干估計(jì)樣本數(shù)較少，它主要受前、反向功控的定時(shí)關(guān)系限制。TPC產(chǎn)生單元將SIR估計(jì)值SIResti和外環(huán)功控所產(chǎn)生的SIR參考門(mén)限SIRtarget相減，根據(jù)其差值的符號(hào)，即sign(SIResti-SIRtarget)，產(chǎn)生TPC比特。TPC判決單元根據(jù)本地接收的TPC比特重新生成本地TPC命令送給功控調(diào)整單元，用于調(diào)整前向或反向信道的發(fā)射功率。文獻(xiàn)給出了WCDMA系統(tǒng)本地TPC命令生成的幾種算法，其中在非宏分集狀態(tài)下有兩種算法。

算法一，針對(duì)當(dāng)前的隙接收到的TPC指令，每個(gè)時(shí)隙產(chǎn)生一個(gè)TPC_cmd。

如果接收到的TPC命令等于0，那么該時(shí)隙的TPC_cmd為-1。

如果接收到的TPC命令等于1，那么該時(shí)隙的TPC_cmd為1。

算法二，在5個(gè)時(shí)隙中的前4個(gè)時(shí)隙，TPC_cmd=0,即不改變發(fā)送功率。在第5個(gè)時(shí)隙，對(duì)收到的5個(gè)TPC命令采用如下硬判決：

如果所有5個(gè)TPC命令的硬件判決都為1，那么第5個(gè)時(shí)隙的TPC_cmd=1

如果所有5個(gè)TPC命令的硬判決都為0，那么第5個(gè)時(shí)隙的TPC_cmd=-1

否則，在第5個(gè)時(shí)隙的TPC_cmd=0。

可以看到算法一在每個(gè)時(shí)隙都產(chǎn)生一次功控命令（±1），功率調(diào)整的頻率為1.5kHz。算法二每5個(gè)時(shí)隙產(chǎn)生一次功控命令（±1），功率調(diào)整的最快頻率為300Hz，它具有近0.2dB(1dB/5)功控步長(zhǎng)的性能。算法二還具有防止功控誤調(diào)的功能，當(dāng)接收的功控比特交換±1時(shí)，產(chǎn)生的功控命令始終為0，從而不進(jìn)行功率調(diào)整。功率調(diào)整單元在前一次發(fā)射功率p[k-1]基礎(chǔ)上，根據(jù)當(dāng)前第k個(gè)TPC命令按照如下公式調(diào)整當(dāng)前發(fā)射功率p[k][dB]:

p[k]=p[k-1] β.TPC_cmd （1）

其中，β為功控步長(zhǎng)，WCDMA系統(tǒng)采用固定步長(zhǎng)，前向功控采用0.5、1、1.5或2db四種步長(zhǎng)，反向功控采用1或2dB兩種步長(zhǎng)，而TPC_cmd就是本地產(chǎn)生的TPC命令。

WCDMA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定功控速率為1.5kHz，即一個(gè)時(shí)隙內(nèi)必須完成一次閉環(huán)功率調(diào)整，這就要求上述功控所有操作要在一定時(shí)間內(nèi)完成。文獻(xiàn)圖B.1列出了WCDMA功控定時(shí)關(guān)系，經(jīng)分析得出可用于SIR估計(jì)的時(shí)間為：

TSIR=2560 Tdata1-1024-2×Tprop-Tproc

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