宽带CDMA系统中的功控技术

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摘要：简述了功控技术的作用与分类，介绍了带宽CDMA系统的功控技术方案，讨论了实现的限制条件，仿真了影响性能的几个关键因素，并给出了硬件实现和测试结果。

    关键词：宽带CDMA 功控技术 信干比（SIR） 闭环功控 外环功控

无线蜂窝网络为每个用户提供的服务需要满足一定的服务质量（QOS），然而QOS主要由每个用户接收到信号的信干比（SIR）决定。因此，无线蜂窝网络对无线资源的分配，特别是对每个用户链路的功率分配就更加重要。对于CDMA蜂窝系统，同一小区内所有用户使用相同的频段和时隙，用户之间仅靠扩频码的（准）正交特性相互隔离。然而由于无线信道的多径、延时等原因使得各个用户信号间的互相关特性不理想，其它用户的信号对当前用户信号产生干扰，这类干扰被称为多址干扰（MAI）。这样，当小区中用户个数增加或者其它用户功率提升时都会增加对当前用户的干扰，导致当前用户的接收信号SIR下降，当这类干扰大到一定程度时，当前用户就不能正常通信了，因此CDMA系统是一个严重的干扰受限系统，干扰的大小直接影响到系统容量。解决这个问题主要有两个办法：多用户检测技术和功控技术。多用户检测技术充分考虑用户间存在的MAI，通过在接收端重构这些干扰，然后消除它的影响，提高性能，但由于其算法过于复杂，目前还没有进行商业应用。功控技术十分简单实用，被认为是CDMA系统的关键技术之一。功控技术调整每个用户的发射功率，补偿信道衰落、抵消远近效应，使各个用户维持在能保持正常通信的最低标准上，这样都能最大地减少对其他用户的干扰，从而提高系统容量，同时延长手机的待机时间。javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>

功控技术的控制准则大致可分为两大类：功率平衡准则和SIR平衡准则。它们分别控制各个用户信号在接收端的有用功率相等或SIR相等。从而不同的角度，可以有不同的功控技术分类。按功控效果可分为内环功控和外环功控。内环功控主要用来对抗信道衰落和损耗，使得接收端信号SIR或功率达到特定的目标值；外环功控根据特定环境下的服务质量要求，产生内环功控的SIR或功率门限值。按链路可分为反向功控和前向功控，由于CDMA系统容量主要受反向链路容量限制，因此反向功控尤为重要。按功控的环路类型可分为开环和闭环功控，开环功控是基于上下行信道对称假设的，它能够抵消路径损耗和阴影衰落，闭环功控不需作此假设，它同时还能抵消快衰落。按功控实现的方式可分为集中式功控和分布式功控，集中式功控考虑小区内所有用户的信息（链路增益等），对每个用户进行统一的调整，这个算法复杂度高，难以实现，但算法的收敛特性好；分布式控制只根据单个用户信息产生控制指令，易于实现，但分布式算法需要满足一定的条件才能收敛。

1 WCDMA系统的功控技术方案

WCDMA系统同时采用了反向开环、闭环、外环功控技术和前向闭环、外环功控技术。鉴于反向闭环功控的重要性和篇幅所限，本文将主要针对反向闭环功控进行讨论，后面的仿真曲线也是基于反向闭环功控做出的。WCDMA系统闭环轼控主要由四部分构成：SIR估计、功控比特（TPC）产生、本地TPC判决和功率高速单元等，如图1所示。

SIR估计单元采用某种SIR估计算法对接收专用数据信道（DPDCH）的SIR进行估计，然后将估计值送给TPC产生单元。WCDMA协议并没有规定SIR估计的算法，主要有两种算法：相干SIR估计和非相干SIR估计，后面将分析这两种方法的性能差异。另外，限制SIR估计精度的另一主要因素是SIR估计的长度，即可以用来估计样本数的多少，对于非相干估计样本数较多、相干估计样本数较少，它主要受前、反向功控的定时关系限制。TPC产生单元将SIR估计值SIResti和外环功控所产生的SIR参考门限SIRtarget相减，根据其差值的符号，即sign(SIResti-SIRtarget)，产生TPC比特。TPC判决单元根据本地接收的TPC比特重新生成本地TPC命令送给功控调整单元，用于调整前向或反向信道的发射功率。文献给出了WCDMA系统本地TPC命令生成的几种算法，其中在非宏分集状态下有两种算法。
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    算法一，针对当前的隙接收到的TPC指令，每个时隙产生一个TPC_cmd。

如果接收到的TPC命令等于0，那么该时隙的TPC_cmd为-1。

如果接收到的TPC命令等于1，那么该时隙的TPC_cmd为1。

算法二，在5个时隙中的前4个时隙，TPC_cmd=0,即不改变发送功率。在第5个时隙，对收到的5个TPC命令采用如下硬判决：

如果所有5个TPC命令的硬件判决都为1，那么第5个时隙的TPC_cmd=1

如果所有5个TPC命令的硬判决都为0，那么第5个时隙的TPC_cmd=-1

否则，在第5个时隙的TPC_cmd=0。

可以看到算法一在每个时隙都产生一次功控命令（±1），功率调整的频率为1.5kHz。算法二每5个时隙产生一次功控命令（±1），功率调整的最快频率为300Hz，它具有近0.2dB(1dB/5)功控步长的性能。算法二还具有防止功控误调的功能，当接收的功控比特交换±1时，产生的功控命令始终为0，从而不进行功率调整。功率调整单元在前一次发射功率p[k-1]基础上，根据当前第k个TPC命令按照如下公式调整当前发射功率p[k][dB]:

p[k]=p[k-1]+β.TPC_cmd （1）

其中，β为功控步长，WCDMA系统采用固定步长，前向功控采用0.5、1、1.5或2db四种步长，反向功控采用1或2dB两种步长，而TPC_cmd就是本地产生的TPC命令。

WCDMA标准规定功控速率为1.5kHz，即一个时隙内必须完成一次闭环功率调整，这就要求上述功控所有操作要在一定时间内完成。文献图B.1列出了WCDMA功控定时关系，经分析得出可用于SIR估计的时间为：

TSIR=2560+Tdata1-1024-2×Tprop-Tprocess (2)

Tprocess为接收机处理延时，2×Tprop是双程路径延时，而处理延时一般等于总路径延时，若忽略data1数据处理延时Tdata1,得出SIR估计时间大致为：

TSIR=1536-4×Tprop （3）

当单程延时Tprop≥384chips，对应小区半径大于30km时，基站没有时间在当前的时隙完成SIR估计并发送功控比特。此时必须 延时一个时隙进行SIR估计并发送功控比特。此时必须采用延时一个时隙进行SIR估计的750Hz功控方案。
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2 WCDMA系统的功控性能仿真

本节将通过计算机仿真的方法，说明SIR估计方法、估计精度、步长选择、功控比特传输错误以及功控比特时延等主要因素对功控性能的影响，给出反向闭环功控的仿真曲线并对结果做出一定的分析和解释。

首先分析SIR估计的两种方法，相干估计和非相干估计的原理。对于相干估计，由于导频信号已知，假设导频序列数值固定为1，则接收信号y(i)近似为一个高斯平稳随机过程，可以用其时间平均代替集平均。假设接收信号y(i)的N个采样点为{y1,y2,y3,…，yn},则接收信号功率、哭声功率和信干比估计值可分别表示如下：

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当采用非相干估计时，处理的数据不再是已知的导频信号，而是数据信道上的数据，其数值未知。可以采用如下方法进行信干比的估计：
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