寬帶CDMA系統(tǒng)中的功控技術(shù)

南京東南大學(xué)移動(dòng)通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(210096) 朱勁松 范偉飛
 
　　摘　要：簡(jiǎn)述了功控技術(shù)的作用與分類,介紹了寬帶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。
　　關(guān)鍵詞：寬帶CDMA 功控技術(shù) 信干比(SIR) 閉環(huán)功控 外環(huán)功控

　　無線蜂窩網(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,無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)對(duì)無線資源的分配,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,但由于其算法過于復(fù)雜,目前還沒有進(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,這樣就能最大地減少對(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: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。從不同的角度,可以有不同的功控技術(shù)分類。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)路類型可分為開環(huán)和閉環(huán)功控,開環(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,集中式功控考察小區(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]。
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)功控主要由四部分構(gòu)成:SIR估計(jì)、功控比特(TPC)產(chǎn)生、本地TPC判決和功率調(diào)整單元等,如圖1所示。

圖1 WCDMA系統(tǒng)閉環(huán)功控組成部分

　　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SIR_esti和外環(huán)功控所產(chǎn)生的SIR參考門限SIR_target相減,根據(jù)其差值的符號(hào),即sign(SIR_esti-SIR_target)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)[2]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)前時(shí)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(