寬帶CDMA系統(tǒng)中的功控技術

南京東南大學移動通信國家重點實驗室(210096) 朱勁松 范偉飛
 
　　摘　要：簡述了功控技術的作用與分類,介紹了寬帶CDMA系統(tǒng)的功控技術方案,討論了實現(xiàn)的限制條件,仿真了影響性能的幾個關鍵因素,并給出了硬件實現(xiàn)和測試結果。
　　關鍵詞：寬帶CDMA 功控技術 信干比(SIR) 閉環(huán)功控 外環(huán)功控

　　無線蜂窩網(wǎng)絡為每個用戶提供的服務需要滿足一定的服務質量(QOS),然而QOS主要由每個用戶接收到信號的信干比(SIR)決定。因此,無線蜂窩網(wǎng)絡對無線資源的分配,特別是對每個用戶鏈路的功率分配就更加重要。對于CDMA蜂窩系統(tǒng),同一小區(qū)內所有用戶使用相同的頻段和時隙,用戶之間僅靠擴頻碼的(準)正交特性相互隔離。然而由于無線信道的多徑、延時等原因使得各個用戶信號間的互相關特性不理想,其它用戶的信號對當前用戶信號產生干擾,這類干擾被稱為多址干擾(MAI)。這樣,當小區(qū)中用戶個數(shù)增加或者其它用戶功率提升時都會增加對當前用戶的干擾,導致當前用戶的接收信號SIR下降,當這類干擾大到一定程度時,當前用戶就不能正常通信了,因此CDMA系統(tǒng)是一個嚴重的干擾受限系統(tǒng),干擾的大小直接影響到系統(tǒng)容量。解決這個問題主要有兩個辦法:多用戶檢測技術和功控技術。多用戶檢測技術充分考慮用戶間存在的MAI,通過在接收端重構這些干擾,然后消除它的影響,提高性能,但由于其算法過于復雜,目前還沒有進行商業(yè)應用。功控技術十分簡單實用,被認為是CDMA系統(tǒng)的關鍵技術之一。功控技術調整每個用戶的發(fā)射功率,補償信道衰落、抵消遠近效應,使各個用戶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的干擾,從而提高系統(tǒng)容量,同時延長手機的待機時間。
　　功控技術的控制準則大致可分為兩大類:功率平衡準則和SIR平衡準則。它們分別控制各個用戶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分類。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(jù)特定環(huán)境下的服務質量要求,產生內環(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稱假設的,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,它同時還能抵消快衰落。按功控實現(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)內所有用戶的信息(鏈路增益等),對每個用戶進行統(tǒng)一的調整,這個算法復雜度高,難以實現(xiàn),但算法的收斂特性好;分布式控制只根據(jù)單個用戶信息產生控制指令,易于實現(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)的功控技術方案
　　WCDMA系統(tǒng)同時采用了反向開環(huán)、閉環(huán)、外環(huán)功控技術和前向閉環(huán)、外環(huán)功控技術。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成:SIR估計、功控比特(TPC)產生、本地TPC判決和功率調整單元等,如圖1所示。

圖1 WCDMA系統(tǒng)閉環(huán)功控組成部分

　　SIR估計單元采用某種SIR估計算法對接收專用數(shù)據(jù)信道(DPDCH)的SIR進行估計,然后將估計值送給TPC產生單元。WCDMA協(xié)議并沒有規(guī)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估計的長度,即可以用來估計樣本數(shù)的多少,對于非相干估計樣本數(shù)較多、相干估計樣本數(shù)較少,它主要受前、反向功控的定時關系限制。TPC產生單元將SIR估計值SIR_esti和外環(huán)功控所產生的SIR參考門限SIR_target相減,根據(jù)其差值的符號,即sign(SIR_esti-SIR_target)產生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(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,針對當前時隙接收到的TPC指令,每個時隙產生一個TPC_cmd。
　　如果接收到的TPC命令等于0,那么該時隙的TPC_cmd為-1。
　　如果接收到的TPC命令等于1,那么該時隙的TPC_cmd為1。
　　算法二,在5個時隙中的前4個時隙,TPC_cmd=0,即不改變發(fā)送功率。在第5個時隙,對收到的5個TPC命令采用如下硬判決:
　　如果所有5個TPC命令的硬判決都為1,那么第5個時隙的TPC_cmd = 1
　　如果所有5個TPC命令的硬判決都為0,那么第5個時隙的TPC_cmd = -1
　　否則,在第5個時隙的TPC_cmd=0。
　　可以看到算法一在每個時隙都產生一次功控命令(