3G通信中功率控制分析

0 引言

在第三代移動(dòng)通信技術(shù)中，最具代表性的方案有北美的CDMA2000、歐洲與日本的WCDMA及我國的TD-SCDMA。其中CDMA2000是在IS95(帶寬為1．23 MHz的2G CDMA)基礎上直接演進(jìn)而來(lái)；WCDMA又稱(chēng)寬帶CDMA，其帶寬為5 MHz或更高；TD-SCDMA又稱(chēng)時(shí)分同步CDMA，其同步主要指所有終端用戶(hù)上行鏈路的信號在到達基站接收端的解調器時(shí)完全同步。以上三大標準均以 CDMA為基礎技術(shù)。相比于帶寬受限的FDMA和TDMA系統，CDMA系統能夠提供足夠大的系統容量，其主要受限制于系統所受干擾，降低干擾可以直接增加系統的通信容量。由于對CDMA系統采用同時(shí)同頻載波，控制各移動(dòng)臺的功率就是實(shí)現最大容量的關(guān)鍵，可以通過(guò)功率控制技術(shù)將移動(dòng)臺之間的干擾減到最小，實(shí)現信道的最大容量。

功率控制存在著(zhù)兩面性：從功耗、干擾及電磁輻射方面考慮，其發(fā)射功率越小，手機的耗電量就越小，待機及通話(huà)時(shí)間越長(cháng)，對同系統其他手機的干擾就越小，同時(shí)擴大了小區容量。此外手機發(fā)射功率越小，對其他無(wú)線(xiàn)設備干擾越小，對人體的輻射也就更小。另一方面，為了能保證通信質(zhì)量又希望手機發(fā)射功率大些，如手機在小區的遠端時(shí)，為了保證手機信號經(jīng)過(guò)長(cháng)距離傳輸到達基站后，信號仍能被正確解調，需要發(fā)射功率要足夠大，以克服信號經(jīng)過(guò)長(cháng)距離傳輸的衰減；手機在被建筑物或其他遮擋的無(wú)線(xiàn)陰影區內，其發(fā)射功率也要足夠大，以克服手機信號經(jīng)過(guò)多次的反射、折射及長(cháng)距離傳輸的衰減；在干擾(鄰信道干擾、同信道干擾、阻塞等)比較大的情況下，發(fā)射功率也要足夠大以克服噪聲的干擾。所以統一表述為：手機必須有足夠的發(fā)射功率以保證通信，在保證通信質(zhì)量的前提下，其發(fā)射功率越小越好。

1 功率控制技術(shù)及分類(lèi)

在目前使用的移動(dòng)通信系統中，PHS(Personal Handyphone System)以其低廉的建設成本、簡(jiǎn)單的協(xié)議標準等優(yōu)勢興起一時(shí)。PHS在中國常被稱(chēng)為小靈通，其應用微蜂窩技術(shù)，提供簡(jiǎn)單低廉的協(xié)議標準，降低了手機制造成本，采用RCR-STD28標準規定發(fā)射平均功率小于等于10 mW，峰值功率小于等于80 mW，發(fā)射功率不可控。

在第二代移動(dòng)通信GSM系統中規定，手機發(fā)射功率是可以被基站控制的?；緳z測接收信號的功率等級，通過(guò)下行SACCH信道發(fā)出命令控制手機的發(fā)射功率等級，相鄰功率等級相差2 dB，其移動(dòng)臺功率等級及最大、最小功率如表1所示。

GSM功率控制速率比較慢，對功率控制升降要求不是很精準，也不是很?chē)栏?。此外，GSM對功率控制依賴(lài)程度也遠遠比CDMA系統低。而在CDMA技術(shù)為基礎的通信系統中，就完全離不開(kāi)功率控制技術(shù)。CDMA本身是一個(gè)干擾受限系統，即干擾的大小直接影響系統容量。因此要控制干擾的大小，在不影響通信質(zhì)量(QoS)的情況下，盡量使每個(gè)MS的信號到達BS時(shí)都達到最小所需的SIR，以提高系統的容量與可靠性。而功率控制可以控制SIR并有效地克服和抑制干擾，是改善與提高3G蜂窩移動(dòng)通信系統可靠性的核心技術(shù)之一。

通常從通信的上、下行鏈路角度考慮，功率控制分為前向功率控制和反向功率控制，前向功率控制是根據移動(dòng)臺測量報告，基站調整對移動(dòng)臺的發(fā)射功率。反向功率控制又分為開(kāi)環(huán)功率控制和閉環(huán)功率控制。其中反向開(kāi)環(huán)功率控制主要是移動(dòng)臺根據接收功率變化，調整發(fā)射功率；反向閉環(huán)功率控制是移動(dòng)臺根據接收到的功率控制比特調整平均輸出功率。

2 反向及前向功率控制

2．1 反向開(kāi)環(huán)控制

開(kāi)環(huán)功率控制是移動(dòng)臺根據它收到基站的導頻信號強度，估計前向傳輸路徑的損耗，從而確定發(fā)射功率的大小。它是移動(dòng)臺根據在小區中接受功率的變化，調節移動(dòng)臺發(fā)射功率以達到所有移動(dòng)臺發(fā)出的信號在基站時(shí)都有相同的功率。其主要是為了補償陰影、拐彎等效應，所以很大的動(dòng)態(tài)范圍，根據IS95標準，它至少應該達到±32 dB的動(dòng)態(tài)范圍。其控制過(guò)程如圖1所示。

開(kāi)環(huán)功率控制的主要特點(diǎn)是不需要反饋信息。在無(wú)線(xiàn)信道突然變化時(shí)，它可以快速響應，此外它可以對功率進(jìn)行較大范圍的調整。開(kāi)環(huán)功率控制不夠精確，這是因為開(kāi)環(huán)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，而在頻率雙工模式中，上下行鏈路的頻段相差190 MHz，遠大于信號的相關(guān)帶寬，所以上行和下行鏈路的信道衰落情況是完全不相關(guān)的，這導致開(kāi)環(huán)功率控制的準確度不會(huì )很高，只能起到粗略控制的作用。在 WCDMA協(xié)議中要求開(kāi)環(huán)功率控制的控制方差在10 dB內就可以接受。

2．2 反向閉環(huán)控制

反向功率控制在有基站參與的時(shí)候為閉環(huán)功率控制，其設計目標是使基站對移動(dòng)臺的開(kāi)環(huán)功率估計迅速做出糾正，以使移動(dòng)臺保持最理想的發(fā)射功率。

閉環(huán)功率控制是在移動(dòng)臺的協(xié)助下完成的?；窘邮找苿?dòng)臺的信號，并測量其信噪比，然后將其與門(mén)限作為比較，若收到的信噪比大于門(mén)限值，基站就在前向傳輸信道上傳輸一個(gè)減小發(fā)射功率的命令；反之，就送出一個(gè)增加發(fā)射功率的命令。其控制過(guò)程如圖2所示。

閉環(huán)功率控制可以修正反向傳輸和前向傳輸路徑增益的變化，消除開(kāi)環(huán)功率控制的不準確性?；緦邮盏降挠脩?hù)終端反向開(kāi)環(huán)功率估算值做出調整，以便使用戶(hù)終端保持最理想的發(fā)射功率。功率控制的實(shí)現是在業(yè)務(wù)信道幀中插入功率控制比特，插入速率可達1．6 Kb／s，可有效跟蹤快衰落的影響。不過(guò)閉環(huán)功率控制的調整永遠落后于測量時(shí)的狀態(tài)值，如果在這段時(shí)間內通信環(huán)境發(fā)生大的變化，有可能導致閉環(huán)的崩潰，所以功率控制的反饋延時(shí)不能太長(cháng)，一般由通信端某一時(shí)隙產(chǎn)生的功率控制命令應該在兩個(gè)時(shí)隙內回饋。

閉環(huán)功率控制由內環(huán)功率控制和外環(huán)功率控制兩部分組成。在內環(huán)閉環(huán)功率控制中，基站每隔1．25 ms比較一次反向信道的Eb／Io和目標Eb／Io，然后指示移動(dòng)臺降低或增加發(fā)射功率，使信道Eb／Io達到目標值。內環(huán)功率控制是快速閉環(huán)功率控制，主要在基站與移動(dòng)臺之間的物理層進(jìn)行。而在外環(huán)閉環(huán)功率控制中，基站每隔20 ms為接收器的每幀規定目標Eb／Io(從用戶(hù)終端到基站)，當出現幀誤差時(shí)，其值自動(dòng)單位逐步減少。外環(huán)功率控制的周期一般為T(mén)TI(10 ms，20 ms，40 ms，80 ms)的量級，即10～100 Hz。外環(huán)功率控制通過(guò)閉環(huán)控制，可以間接影響系統容量和通信質(zhì)量。

3 前向功率控制

前向功率控制指基站根據移動(dòng)臺的測量結果調整對每個(gè)移動(dòng)臺的發(fā)射功率的控制?；局芷谛缘陌l(fā)送測試移動(dòng)臺檢測前向傳輸的誤幀率，并向基站報告該誤幀率的統計結果?；靖鶕苿?dòng)臺報告的誤幀率統計結果，決定增大或是減小前向傳輸功率。在基站系統緩慢減少移動(dòng)臺的前向鏈路發(fā)射功率過(guò)程中，當移動(dòng)臺檢測到誤幀率(FER)超過(guò)預定義值時(shí)，請求基站系統增大前向鏈路發(fā)射功率。每隔一定時(shí)間進(jìn)行一次調整，用戶(hù)終端的報告分為定期報告和門(mén)限報告。其控制過(guò)程如圖 3所示。

在前向功率控制中，對路徑衰落小的移動(dòng)臺分派較小的前向鏈路功率，而對那些遠離基站的和誤碼率高的移動(dòng)臺分派較大的前向鏈路功率，通過(guò)在各個(gè)前向業(yè)務(wù)信道上合理的分配功率來(lái)確保各個(gè)用戶(hù)的通信質(zhì)量，同時(shí)使前向鏈路容量達到最大。

4 結語(yǔ)

在第三代移動(dòng)通信系統中有許多關(guān)鍵技術(shù)，如多載波技術(shù)、智能天線(xiàn)技術(shù)、軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)、多用戶(hù)檢測技術(shù)等。功率控制技術(shù)是CDMA系統的核心技術(shù)之一，它使系統能維護高質(zhì)量通信，顯著(zhù)提高系統通信容量，同時(shí)可以延長(cháng)手機電池使用壽命，并減低建網(wǎng)成本。本文分析目前PHS、GSM系統中的功率要求，詳細闡述了在CDMA系統中的功率控制，針對其中的前向功率控制和反向功率控制技術(shù)，分析其控制過(guò)程及優(yōu)缺點(diǎn)，對于3G系統的設計具有一定指導意義。

功率控制的能力和性能很大程度上依賴(lài)于功率測量的精度和功率控制命令產(chǎn)生和傳輸處理時(shí)延。由于信號在移動(dòng)通信傳輸中呈瑞利衰落，功率控制系統無(wú)法補償由快衰落引起的信號功率的變化，特別是當移動(dòng)臺的運動(dòng)速度很快時(shí)，功率控制技術(shù)會(huì )失效。要提高CDMA系統中的功率控制技術(shù)，最終需要多種關(guān)鍵技術(shù)的有機結合，才能夠實(shí)現3G的高質(zhì)量通信。此外，在CDMA中除了功率控制以外，還包括功率的分配，它們共同構成了功率管理。對于功率控制技術(shù)，更深入地研究是結合功率和速率控制技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合控制，達到系統的最大優(yōu)化。