寬帶CDMA系統中的功控技術(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(lèi),介紹了寬帶CDMA系統的功控技術(shù)方案,討論了實(shí)現的限制條件,仿真了影響性能的幾個(gè)關(guān)鍵因素,并給出了硬件實(shí)現和測試結果。
　　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(wú)線(xiàn)蜂窩網(wǎng)絡(luò )為每個(gè)用戶(hù)提供的服務(wù)需要滿(mǎn)足一定的服務(wù)質(zhì)量(QOS),然而QOS主要由每個(gè)用戶(hù)接收到信號的信干比(SIR)決定。因此,無(wú)線(xiàn)蜂窩網(wǎng)絡(luò )對無(wú)線(xiàn)資源的分配,特別是對每個(gè)用戶(hù)鏈路的功率分配就更加重要。對于CDMA蜂窩系統,同一小區內所有用戶(hù)使用相同的頻段和時(shí)隙,用戶(hù)之間僅靠擴頻碼的(準)正交特性相互隔離。然而由于無(wú)線(xiàn)信道的多徑、延時(shí)等原因使得各個(gè)用戶(hù)信號間的互相關(guān)特性不理想,其它用戶(hù)的信號對當前用戶(hù)信號產(chǎn)生干擾,這類(lèi)干擾被稱(chēng)為多址干擾(MAI)。這樣,當小區中用戶(hù)個(gè)數增加或者其它用戶(hù)功率提升時(shí)都會(huì )增加對當前用戶(hù)的干擾,導致當前用戶(hù)的接收信號SIR下降,當這類(lèi)干擾大到一定程度時(shí),當前用戶(hù)就不能正常通信了,因此CDMA系統是一個(gè)嚴重的干擾受限系統,干擾的大小直接影響到系統容量。解決這個(gè)問(wèn)題主要有兩個(gè)辦法:多用戶(hù)檢測技術(shù)和功控技術(shù)。多用戶(hù)檢測技術(shù)充分考慮用戶(hù)間存在的MAI,通過(guò)在接收端重構這些干擾,然后消除它的影響,提高性能,但由于其算法過(guò)于復雜,目前還沒(méi)有進(jìn)行商業(yè)應用。功控技術(shù)十分簡(jiǎn)單實(shí)用,被認為是CDMA系統的關(guān)鍵技術(shù)之一。功控技術(shù)調整每個(gè)用戶(hù)的發(fā)射功率,補償信道衰落、抵消遠近效應,使各個(gè)用戶(hù)維持在能保持正常通信的最低標準上,這樣就能最大地減少對其他用戶(hù)的干擾,從而提高系統容量,同時(shí)延長(cháng)手機的待機時(shí)間。
　　功控技術(shù)的控制準則大致可分為兩大類(lèi):功率平衡準則和SIR平衡準則。它們分別控制各個(gè)用戶(hù)信號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(lèi)。按功控效果可分為內環(huán)功控和外環(huán)功控。內環(huán)功控主要用來(lái)對抗信道衰落和損耗,使得接收端信號SIR或功率達到特定的目標值;外環(huán)功控根據特定環(huán)境下的服務(wù)質(zhì)量要求,產(chǎn)生內環(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稱(chēng)假設的,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,它同時(shí)還能抵消快衰落。按功控實(shí)現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內所有用戶(hù)的信息(鏈路增益等),對每個(gè)用戶(hù)進(jìn)行統一的調整,這個(gè)算法復雜度高,難以實(shí)現,但算法的收斂特性好;分布式控制只根據單個(gè)用戶(hù)信息產(chǎn)生控制指令,易于實(shí)現,但分布式算法需要滿(mǎn)足一定的條件才能收斂[1]。
1 WCDMA系統的功控技術(shù)方案
　　WCDMA系統同時(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,本文將主要針對反向閉環(huán)功控進(jìn)行討論,后面的仿真曲線(xiàn)也是基于反向閉環(huán)功控做出的。WCDMA系統閉環(huán)功控主要由四部分構成:SIR估計、功控比特(TPC)產(chǎn)生、本地TPC判決和功率調整單元等,如圖1所示。

圖1 WCDMA系統閉環(huán)功控組成部分

　　SIR估計單元采用某種SIR估計算法對接收專(zhuān)用數據信道(DPDCH)的SIR進(jìn)行估計,然后將估計值送給TPC產(chǎn)生單元。WCDMA協(xié)議并沒(méi)有規定SIR估計的算法,主要有兩種算法:相干SIR估計和非相干SIR估計,后面將分析這兩種方法的性能差異。另外,限制SIR估計精度的另一主要因素是SIR估計的長(cháng)度,即可以用來(lái)估計樣本數的多少,對于非相干估計樣本數較多、相干估計樣本數較少,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估計值SIR_esti和外環(huán)功控所產(chǎn)生的SIR參考門(mén)限SIR_target相減,根據其差值的符號,即sign(SIR_esti-SIR_target)產(chǎn)生TPC比特。TPC判決單元根據本地接收的TPC比特重新生成本地TPC命令送給功控調整單元,用于調整前向或反向信道的發(fā)射功率。文獻[2]給出了WCDMA系統本地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,針對當前時(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(