CDMA系統(tǒng)中的功率控制技術(shù)及過(guò)程分析

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(guó)的TD-SCDMA。其中CDMA2000是在IS95(帶寬為1．23 MHz的2G CDMA)基礎(chǔ)上直接演進(jìn)而來(lái)；WCDMA又稱寬帶CDMA，其帶寬為5 MHz或更高；TD-SCDMA又稱時(shí)分同步CDMA，其同步主要指所有終端用戶上行鏈路的信號(hào)在到達(dá)基站接收端的解調(diào)器時(shí)完全同步。以上三大標(biāo)準(zhǔn)均以CDMA為基礎(chǔ)技術(shù)。

相比于帶寬受限的FDMA和TDMA系統(tǒng)，CDMA系統(tǒng)能夠提供足夠大的系統(tǒng)容量，其主要受限制于系統(tǒng)所受干擾，降低干擾可以直接增加系統(tǒng)的通信容量。由于對(duì)CDMA系統(tǒng)采用同時(shí)同頻載波，控制各移動(dòng)臺(tái)的功率就是實(shí)現(xiàn)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(tái)之間的干擾減到最小，實(shí)現(xiàn)信道的最大容量。
    功率控制存在著兩面性：從功耗、干擾及電磁輻射方面考慮，其發(fā)射功率越小，手機(jī)的耗電量就越小，待機(jī)及通話時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)同系統(tǒng)其他手機(jī)的干擾就越小，同時(shí)擴(kuò)大了小區(qū)容量。此外手機(jī)發(fā)射功率越小，對(duì)其他無(wú)線設(shè)備干擾越小，對(duì)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(jī)發(fā)射功率大些，如手機(jī)在小區(qū)的遠(yuǎn)端時(shí)，為了保證手機(jī)信號(hào)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳輸?shù)竭_(dá)基站后，信號(hào)仍能被正確解調(diào)，需要發(fā)射功率要足夠大，以克服信號(hào)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳輸?shù)乃p；手機(jī)在被建筑物或其他遮擋的無(wú)線陰影區(qū)內(nèi)，其發(fā)射功率也要足夠大，以克服手機(jī)信號(hào)經(jīng)過(guò)多次的反射、折射及長(zhǎng)距離傳輸?shù)乃p；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(tǒng)一表述為：手機(jī)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
    在目前使用的移動(dòng)通信系統(tǒng)中，PHS(Personal Handyphone System)以其低廉的建設(shè)成本、簡(jiǎn)單的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)等優(yōu)勢(shì)興起一時(shí)。PHS在中國(guó)常被稱為小靈通，其應(yīng)用微蜂窩技術(shù)，提供簡(jiǎn)單低廉的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，降低了手機(jī)制造成本，采用RCR-STD28標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(tǒng)中規(guī)定，手機(jī)發(fā)射功率是可以被基站控制的。基站檢測(cè)接收信號(hào)的功率等級(jí)，通過(guò)下行SACCH信道發(fā)出命令控制手機(jī)的發(fā)射功率等級(jí)，相鄰功率等級(jí)相差2 dB，其移動(dòng)臺(tái)功率等級(jí)及最大、最小功率如表1所示。

    GSM功率控制速率比較慢，對(duì)功率控制升降要求不是很精準(zhǔn)，也不是很嚴(yán)格。此外，GSM對(duì)功率控制依賴程度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)比CDMA系統(tǒng)低。而在CDMA技術(shù)為基礎(chǔ)的通信系統(tǒng)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(tǒng)，即干擾的大小直接影響系統(tǒng)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(hào)到達(dá)BS時(shí)都達(dá)到最小所需的SIR，以提高系統(tǒng)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(tǒng)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(jù)移動(dòng)臺(tái)測(cè)量報(bào)告，基站調(diào)整對(duì)移動(dòng)臺(tái)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(tái)根據(jù)接收功率變化，調(diào)整發(fā)射功率；反向閉環(huán)功率控制是移動(dòng)臺(tái)根據(jù)接收到的功率控制比特調(diào)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(tái)根據(jù)它收到基站的導(dǎo)頻信號(hào)強(qiáng)度，估計(jì)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(tái)根據(jù)在小區(qū)中接受功率的變化，調(diào)節(jié)移動(dòng)臺(tái)發(fā)射功率以達(dá)到所有移動(dòng)臺(tái)發(fā)出的信號(hào)在基站時(shí)都有相同的功率。其主要是為了補(bǔ)償陰影、拐彎等效應(yīng)，所以很大的動(dòng)態(tài)范圍，根據(jù)IS95標(biāo)準(zhǔn)，它至少應(yīng)該達(dá)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)線信道突然變化時(shí)，它可以快速響應(yīng)，此外它可以對(duì)功率進(jìn)行較大范圍的調(diào)整。開(kāi)環(huán)功率控制不夠精確，這是因?yàn)殚_(kāi)環(huán)功控的衰落估計(jì)準(zhǔn)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(yuǎn)大于信號(hào)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(dǎo)致開(kāi)環(huán)功率控制的準(zhǔn)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(nèi)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?yàn)殚]環(huán)功率控制，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是使基站對(duì)移動(dòng)臺(tái)的開(kāi)環(huán)功率估計(jì)迅速做出糾正，以使移動(dòng)臺(tái)保持最理想的發(fā)射功率。
    閉環(huán)功率控制是在移動(dòng)臺(tái)的協(xié)助下完成的。基站接收移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)，并測(cè)量其信噪比，然后將其與門限作為比較，若收到的信噪比大于門限值，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(zhǔn)確性?；緦?duì)接收到的用戶終端反向開(kāi)環(huán)功率估算值做出調(diào)整，以便使用戶終端保持最理想的發(fā)射功率。功率控制的實(shí)現(xiàn)是在業(yè)務(wù)信道幀中插入功率控制比特，插入速率可達(dá)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(diào)整永遠(yuǎn)落后于測(cè)量時(shí)的狀態(tài)值，如果在這段時(shí)間內(nèi)通信環(huán)境發(fā)生大的變化，有可能導(dǎo)致閉環(huán)的崩潰，所以功率控制的反饋延時(shí)不能太長(zhǎng)，一般由通信端某一時(shí)隙產(chǎn)生的功率控制命令應(yīng)該在兩個(gè)時(shí)隙內(nèi)回饋。 閉環(huán)功率控制由內(nèi)環(huán)功率控制和外環(huán)功率控制兩部分組成。在內(nèi)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(biāo)Eb／Io，然后指示移動(dòng)臺(tái)降低或增加發(fā)射功率，使信道Eb／Io達(dá)到目標(biāo)值。內(nèi)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(tái)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(guī)定目標(biāo)Eb／Io(從用戶終端到基站)，當(dāng)出現(xiàn)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TTI(10 ms，20 ms，40 ms，80 ms)的量級(jí)，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(tǒng)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(jù)移動(dòng)臺(tái)的測(cè)量結(jié)果調(diào)整對(duì)每個(gè)移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率的控制?；局芷谛缘陌l(fā)送測(cè)試，移動(dòng)臺(tái)檢測(cè)前向傳輸?shù)恼`幀率，并向基站報(bào)告該誤幀率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果?；靖鶕?jù)移動(dòng)臺(tái)報(bào)告的誤幀率統(tǒng)計(jì)結(jié)果，決定增大或是減小前向傳輸功率。在基站系統(tǒng)緩慢減少移動(dòng)臺(tái)的前向鏈路發(fā)射功率過(guò)程中，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)檢測(cè)到誤幀率(FER)超過(guò)預(yù)定義值時(shí)，請(qǐng)求基站系統(tǒng)增大前向鏈路發(fā)射功率。每隔一定時(shí)間進(jìn)行一次調(diào)整，用戶終端的報(bào)告分為定期報(bào)告和門限報(bào)告。其控制過(guò)程如圖3所示。

    在前向功率控制中，對(duì)路徑衰落小的移動(dòng)臺(tái)分派較小的前向鏈路功率，而對(duì)那些遠(yuǎn)離基站的和誤碼率高的移動(dòng)臺(tái)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)用戶的通信質(zhì)量，同時(shí)使前向鏈路容量達(dá)到最大。

4 結(jié)語(yǔ)
    在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中有許多關(guān)鍵技術(shù)，如多載波技術(shù)、智能天線技術(shù)、軟件無(wú)線電技術(shù)、多用戶檢測(cè)技術(shù)等。功率控制技術(shù)是CDMA系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，它使系統(tǒng)能維護(hù)高質(zhì)量通信，顯著提高系統(tǒng)通信容量，同時(shí)可以延長(zhǎng)手機(jī)電池使用壽命，并減低建網(wǎng)成本。本文分析目前PHS、GSM系統(tǒng)中的功率要求，詳細(xì)闡述了在CDMA系統(tǒng)中的功率控制，針對(duì)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(duì)于3G系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定指導(dǎo)意義。
    功率控制的能力和性能很大程度上依賴于功率測(cè)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(hào)在移動(dòng)通信傳輸中呈瑞利衰落，功率控制系統(tǒng)無(wú)法補(bǔ)償由快衰落引起的信號(hào)功率的變化，特別是當(dāng)移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)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(tǒng)中的功率控制技術(shù)，最終需要多種關(guān)鍵技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，才能夠?qū)崿F(xiàn)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(gòu)成了功率管理。對(duì)于功率控制技術(shù)，更深入地研究是結(jié)合功率和速率控制技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合控制，達(dá)到系統(tǒng)的最大優(yōu)化。