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功率控制是CDMA系統的一項關鍵技術。CDMA系統是干擾受限的系統,移動台的發射功率對小區內通話的其他用戶而言就是干擾,所以要限制移動台的發射功率,使系統的總功率電平保持最小。功率控制能保證每個用戶所發射功率到達基站礎保持最小,既能符合最低的通信要求,同時又避免對其他用戶信號產生不必要的干擾。功率控制的作用是減少系統內的相互干擾,使系統容量最大化。

1 功率控制 -概述

功率控制CDMA中的功率控制
CDMA技術構建的蜂窩移動通信系統,終端用戶都採用相同的頻譜進行上下行鏈路的數據傳輸,每一個頻譜通道都不是完全正交而是近似正交的,因而用戶與用戶之間存在干擾。每一個用戶都是本小區內及相鄰小區內同時進行通信的用戶的干擾源。以寬頻CDMA即WCDMA技術標準為例,基站覆蓋的小區存在「遠近效應」,這與通信用戶進行通信時的通道功率有關。」遠近效應」的具體描述是離基站遠的用戶到達基站的信號較弱,離基站近的用戶到達基站的信號強,假定終端用戶以相同的上行功率進行通信,則由於信號在通道中傳輸距離的遠近差異,基站處收到的信號強度的差別可以達到30-70db,信號弱的用戶的信號完全有可能被信號強的用戶信號淹沒,從而造成較遠距離的用戶完不成通信過程,嚴重時有可造成整個系統的崩潰。因此,有必要採取措施對用戶終端的信號功率進行控制。另外,為了使基站發射的功率在到達每個用戶終端時有個合理的值,也有必要優化基站的發射功率,換言之,基站也要加入到功率控制的框架中來。

2 功率控制 -歷史

功率控制3G中的功率控制
3G的三大技術體系標準分別是UMTS的WCDMA、IMT2000的CDMA2000和中國擁有自主知識產權的TD-SCDMA。

WCDMA又稱為寬頻CDMA(帶寬為5MHz或更高),CDNA2000是在IS95(帶寬為1.23MHz的2G CDMA)基礎上直接演進而來,TD-SCDMA又稱為時分同步CDMA,這裡的同步指的是所有終端用戶上行鏈路的信號在到達基站接收端的解調器時完全同步。總之,3G的三大標準均以CDMA為基礎技術。

CDMA技術是1949年由Claude Shannon首先提出來的。CDMA碼分多址技術實質上是基於擴頻通信的技術,其擴頻通信原理可用傳輸速率、帶寬和信噪比之間關係的數學公式:Csh=BRF*LOG2(1+Eb/Io)來表示。CDMA提出后一直只應用在軍事領域中的抗干擾通信。

功率控制功率控制

1978年Cooper等人提出了在蜂窩移動通信中使用CDMA擴頻技術的設想,但並未引起業界的重視,只有美國Qullcomm(高通)公司投入了一定力量進行商用化研究,並於1989年成功地進行了第一次商用化測試。兩年之後,高通公司全面掌握了CDMA系統商用化的核心技術,從而使CDMA蜂窩行動電話商用系統於1996年1月在世界上首次成功推出。鑒於CDMA技術有光明的發展前景,因此,3G技術體系紛紛採用了以CDMA技術為基礎的技術體系標準。

與FDMA和TDMA相比,CDMA具有許多獨特的優點,歸納起來,CDMA應用於數字移動通信的優點有:

系統容量大。在CDMA系統中所有用戶共用一個無線通道,當用戶不講話時,該通道內的所有其他用戶會由於干擾減小而得益。因此利用人類話音特點的CDMA系統可大幅降低相互干擾,增大其實際容量近3倍。CDMA數字移動通信網的系統容量理論上比模擬網大20倍,實際上比模擬網大10倍,比GSM大 4-5倍。

系統通信質量更佳。軟切換技術(先連接再斷開)可克服硬切換容易掉話的缺點,CDMA系統工作在相同的頻率和帶寬上,比TDMA系統更容易實現軟切換技術,從而提高通信質量,CDMA系統採用確定聲碼器速率的自適應閾值技術,強有力的誤碼糾錯,軟切換技術和分離分多徑分集接收機,可提供TDMA系統不能比擬的,極高的數據質量。頻率規劃靈活,用戶按不同的序列碼區分,不同CDMA載波可在相鄰的小區內使用,因此CDMA網路的頻率規劃靈活,擴展簡單。 CDMA網路同時還具有建造運行費用低,基站設備費用低的特點,因而用戶費用也較低。

頻帶利用率高。CDMA是一種擴頻通信技術,儘管擴頻通信系統抗干擾性能的提高是以佔用頻帶帶寬為代價的,但CDMA允許單一頻率在整個系統區域內重複使用(即復用係數為1),即多用戶共用這一頻帶同時通話,大大提高了頻帶利用率。這種擴頻CDMA方式,雖要佔用較寬的頻帶,但按每個用戶佔用的平均頻帶來計算,其頻帶利用率是很高的。CDMA系統還可以根據不同信號速率的情況,提供不同的通道頻帶動態利用,使給定頻帶得到更有效的利用。

適用於多媒體通信系統。CDMA系統能方便地使用多CDMA通道方式和多CDMA幀方式,傳送不同速率要求的多媒體業務信息,處理方式和合成方式都比TDMA方式和FDMA方式靈活、簡便、有利於多媒體通信系統的應用,比如可以在提供話音服務的同時提供數據服務,使得用戶在通話時也可以接收尋呼信息。

CDMA手機的備用時間更長。低平均功率、高效的超大規模集成電路設計和先進的鋰電池的結合顯示了CDMA在攜帶型電話應用中的突破。用戶可長時間地使用手機接收電話,也可在不掛機情況下接收短消息。然而,寬頻CDMA系統的應用也還面臨著一些技術困難,多址干擾的降低和抵消是CDMA的基本課題,也是提高寬頻CDMA系統容量,發揮其系統特長的重要課題。其中最重要的問題之一就是功率控制問題。

3 功率控制 -分類

功率控制功率控制構架圖

功率控制分為前向功率控制和反向功率控制,反向功率控制又分為開環功率控制和閉環功率控制,閉環功率控制再細分為外環功率控制和內環功率控制。

前向功率控制指基站周期性地調低其發射到用戶終端的功率值,用戶終端測量誤幀率,當誤幀率超過預定義值時,用戶終端要求基站對它的發射功率增加1%。每隔一定時間進行一次調整,用戶終端的報告分為定期報告和門限報告。

反向功率控制在沒有基站參與的時候為開環功率控制。用戶終端根據它接收到的基站發射功率,用其內置的DSP數據信號處理器計算Eb/Io,進而估算出下行鏈路的損耗以調整自己的發射功率。開環功率控制的主要特點是不需要反饋信息,因此在無線通道突然變化時,它可以快速響應變化,此外,它可以對功率進行較大範圍的調整。開環功率控制不夠精確,這是因為開環功控的衰落估計準確度是建立在上行鏈路和下行鏈路具有一致的衰落情況下的,但是由於頻率雙工FDD模式中,上下行鏈路的頻段相差190MHz,遠遠大於信號的相關帶寬,所以上行和下行鏈路的通道衰落情況是完全不相關的,這導致開環功率控制的準確度不會很高,只能起到粗略控制的作用。WCDMA協議中要求開環功率控制的控制方差在10dB內就可以接受。

反向功率控制在有基站參與的時候為閉環功率控制。

其過程是基站對接收到的用戶終端反向開環功率估算值作出調整,以便使用戶終端保持最理想的發射功率。功率控制的實現是在業務通道幀中插入功率控制比特,插入速率可達1.6Kb/s,這樣可有效跟蹤快衰落的影響。其中「0」比特指示用戶終端增加發射功率;「1」比特指示用戶終端減少發射功率。閉環功率控制的調整永遠落後於測量時的狀態值,如果在這段時問內通信環境發生大的變化,有可能導致閉環的崩潰,所以功率控制的反饋延時不能太長,一般的意見是由通信本端的某一時隙產生的功率控制命令應該在兩個時隙內回饋。

閉環功率控制由內環功率控制和外環功率控制兩部分組成。在信噪比測量中,很難精確測量信噪比的絕對值。且信噪比與誤碼率(誤塊率)的關係隨環境的變化而變化,是非線性的。比如,在一種多徑傳播環境時,要求百分之一的誤塊率(BLER),信噪比(SIR)是5dB,在另一種多徑環境下,同樣要求百分之一的誤塊率,可能需要5.5dB信噪比。而最終接入網提供給NAS的服務中QoS表徵量為BLER,而非SIR,業務質量主要通過誤塊率來確定的,二者是直接的關係,而業務質量與信噪比之間則是間接的關係。所以在採用內環功控的同時還需要外環功控。

在外環閉環功率控制中,基站每隔20ms為接收器的每一個幀規定一個目標Eb/Io(從用戶終端到基站),當出現幀誤差時,該Eb/Io值自動按0. 2~0.3為單位逐步減少,或增加3~5db。在這裡只有基站參與。外環功率控制的周期一般為TTI(10ms、20ms、40ms、80ms)的量級,即10-100Hz。外環功率控制通過閉環控制,可以間接影響系統容量和通信質量,所以不可小視。

在內環閉環功率控制中,基站每隔1.25ms比較一次反向通道的Eb/Io和目標Eb/Io,然後指示移動台降低或增加發射功率,這樣就可達到目標Eb/Io。內環功率控制是快速閉環功率控制,在基站與移動台之間的物理層進行。

4 功率控制 -實現過程

功率控制閉環功控示意圖
功率控制的實現方式可以分為兩大類:內環功控和外環功控。當手機處於軟切換狀態時,快速功控會導致下行功率飄移。為了解決下行功率漂移問題,Serving-RNC需要對NodeB進行功率均衡。

內環功控

內環功控的主要作用是通過控制物理通道的發射功率,使接收SIR收斂於目標SIR。WCDMA系統是通過估計接收到的Eb/No來發出相應的功率調整命令的。Eb/No與SIR具有一定的對應關係,例如對於12.2kbit/s的語音業務,Eb/No的典型值為5.0dB,在碼片速率 3.84Mchip/s的情況下,處理增益為10log10(3.84M/12.2k)=25dB。所以SIR=5dB-25dB=-20dB。即:載干比(C/I)>-20dB。

內環功控分為開環和閉環兩種方式。開環功控目的提供初始發射功率的粗略估計,它根據測量結果對路徑損耗和干擾水平進行估計,從而計算初始發射功率。

開環功控

初始功率P_PRACH=P-CPICHDL TX power – CPICH_RSCP + UL interference + Constant Value。P-CPICH DL TX power–CPICH_RSCP為下行路徑損耗。計算P_PRACH上行路徑損耗,並是根據下行信號所得到的路徑損耗來估計上行損耗。由於上下行頻段間隔較大,上下行的快衰落情況是完全不相關的,因此,這個估計值是很不準確的。下面給出具體的說明:

剛進入接入通道時(閉環校正尚未激活)

平均輸出功率(dbm)=-平均輸入功率(dbm)-Pcon+NOM_PWR(db)+INIT_PWR(db),

其中:平均功率是相對於寬頻CDMA(5MHz)的標稱通道帶寬而言。

INIT_PWR是對第一個接入通道序列所需作的調整;NOM_PWR是為了補償由於前向CDMA通道和反向CDMA通道之間不相關造成的路徑損耗。

其後的試探序列不斷增加發射功率(步長為PWR_STEP),直到收到一個效應或序列結束。輸出的功率電平為:

平均輸出功率(dbm)=-平均輸入功率(dbm)Pcon+NOM_PWR(db)+INIT_PWR+PWR_STEP之和(db)。

在反向業務通道開始發送之後一旦收到一個功率控制比特,移動台的平均輸出功率變為:

平均輸出功率(dbm)=-平均輸入功率(dbm)-Pcon+NOM_PWR(db)+INIT_PWR+PWR_STEP之和(db)+所有閉環功率校正之和(db):

其中:Pcon為一個常數修正值,這由多種系統參數決定。

NOM_PWR與INIT_PWR以及PWR_STEP也有一定的數值限定範圍。

針對3G移動技術體系標準普遍使用CDMA作為基礎技術,要想在3G系統中真正發揮3G容量大、服務質量好、傳輸速率高等優勢,就必須根據CDMA技術的特點,做好3G正反向的功率控制系統的優化建設。  

5 功率控制 -在WCDMA中的應用

功率控制功控中的速率控制
功率控制是WCDMA系統的關鍵技術之一。由於遠近效應和自干擾問題,功率控制是否有效直接決定了WCDMA系統是否可用,並且很大程度上決定了WCDMA系統性能的優劣,對於系統容量、覆蓋、業務的QoS(系統服務質量)都有重要影響。

功率控制的作用首先是提高單用戶的發射功率以改善該用戶的服務質量,但由於遠近效應和自干擾的問題,提高單用戶發射功率會影響其他用戶的服務質量,所以功率控制在WCDMA系統中呈現出矛盾的兩個方面。

WCDMA系統採用寬頻擴頻技術,所有信號共享相同頻譜,每個移動台的信號能量被分配在整個頻帶範圍內,這樣移動台的信號能量對其他移動台來說就成為寬頻雜訊。由於在無線電環境中存在陰影、多徑衰落和遠距離損耗影響,移動台在小區內的位置是隨機的且經常變動,所以信號路徑損耗變化很大。如果小區中的所有用戶均以相同的功率發射,則靠近基站的移動台到達基站的信號強,遠離基站的移動台到達基站的信號弱,另由於在WCDMA系統中,所有小區均採用相同頻率,上行鏈路為不同用戶分配的地址碼是擾碼,且上行同步較難,很難保證完全正交。這將導致強信號掩蓋弱信號,即遠近效應。

因此,功率控制目的是在保證用戶要求的QoS的前提下最大程度降低發射功率,減少系統干擾從而增加系統容量。

6 功率控制 -相關條目

CDMA、3G、無線通信系統、通道、頻譜利用率

7 功率控制 -參考資料

1.http://bbs.ednchina.com/ShowTopic.aspx?id=20270

2.http://www.mc21st.com/techfield/design/art/2004/d0422-24.htm

3.http://www.epc.com.cn/magzine/20070301/8593.asp

4.http://www.cww.net.cn/tech/html/2007/10/9/20071091023567798.htm

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