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寬帶CDMA系統(tǒng)中的功控技術(shù)
摘要：簡述了功控技術(shù)的作用與分類，介紹了帶寬CDMA系統(tǒng)的功控技術(shù)方案，討論了實現(xiàn)的限制條件，仿真了影響性能的幾個關(guān)鍵因素，并給出了硬件實現(xiàn)和測試結(jié)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
無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)為每個用戶提供的服務(wù)需要滿足一定的服務(wù)質(zhì)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(luò)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(nèi)所有用戶使用相同的頻段和時隙，用戶之間僅靠擴(kuò)頻碼的（準(zhǔn)）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(guān)特性不理想，其它用戶的信號對當(dāng)前用戶信號產(chǎn)生干擾，這類干擾被稱為多址干擾（MAI）。這樣，當(dāng)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(dāng)前用戶的干擾，導(dǎo)致當(dāng)前用戶的接收信號SIR下降，當(dāng)這類干擾大到一定程度時，當(dāng)前用戶就不能正常通信了，因此CDMA系統(tǒng)是一個嚴(yán)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(shù)和功控技術(shù)。多用戶檢測技術(shù)充分考慮用戶間存在的MAI，通過在接收端重構(gòu)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(fù)雜，目前還沒有進(jìn)行商業(yè)應(yīng)用。功控技術(shù)十分簡單實用，被認(rèn)為是CDMA系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。功控技術(shù)調(diào)整每個用戶的發(fā)射功率，補(bǔ)償信道衰落、抵消遠(yuǎn)近效應(yīng)，使各個用戶維持在能保持正常通信的最低標(biāo)準(zhǔn)上，這樣都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(jī)的待機(jī)時間。(范文先生網(wǎng)www.htc668.com收集整理)
功控技術(shù)的控制準(zhǔn)則大致可分為兩大類：功率平衡準(zhǔn)則和SIR平衡準(zhǔn)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。從而不同的角度，可以有不同的功控技術(shù)分類。按功控效果可分為內(nèi)環(huán)功控和外環(huán)功控。內(nèi)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(dá)到特定的目標(biāo)值；外環(huán)功控根據(jù)特定環(huán)境下的服務(wù)質(zhì)量要求，產(chǎn)生內(nèi)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(shè)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(shè)，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，集中式功控考慮小區(qū)內(nèi)所有用戶的信息（鏈路增益等），對每個用戶進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)整，這個算法復(fù)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(chǎn)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 WCDMA系統(tǒng)的功控技術(shù)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(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，后面的仿真曲線也是基于反向閉環(huán)功控做出的。WCDMA系統(tǒng)閉環(huán)軾控主要由四部分構(gòu)成：SIR估計、功控比特（TPC）產(chǎn)生、本地TPC判決和功率高速單元等，如圖1所示。
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(jìn)行估計，然后將估計值送給TPC產(chǎn)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(guān)系限制。TPC產(chǎn)生單元將SIR估計值SIResti和外環(huán)功控所產(chǎn)生的SIR參考門限SIRtarget相減，根據(jù)其差值的符號，即sign(SIResti-SIRtarget)，產(chǎn)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(diào)整單元，用于調(diào)整前向或反向信道的發(fā)射功率。文獻(xiàn)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(dāng)前的隙接收到的TPC指令，每個時隙產(chǎn)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命令的硬件判決都為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(chǎn)生一次功控命令（±1），功率調(diào)整的頻率為1.5kHz。算法二每5個時隙產(chǎn)生一次功控命令（±1），功率調(diào)整的最快頻率為300Hz，它具有近0.2dB(1dB/5)功控步長的性能。算法二還具有防止功控誤調(diào)的功能，當(dāng)接收的功控比特交換±1時，產(chǎn)生的功控命令始終為0，從而不進(jìn)行功率調(diào)整。功率調(diào)整單元在前一次發(fā)射功率p[k-1]基礎(chǔ)上，根據(jù)當(dāng)前第k個TPC命令按照如下公式調(diào)整當(dāng)前發(fā)射功率p[k][dB]:
p[k]=p[k-1]+β.TPC_cmd （1）
其中，β為功控步長，WCDMA系統(tǒng)采用固定步長，前向功控采用0.5、1、1.5或2db四種步長，反向功控采用1或2dB兩種步長，而TPC_cmd就是本地產(chǎn)生的TPC命令。
WCDMA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定功控速率為1.5kHz，即一個時隙內(nèi)必須完成一次閉環(huán)功率調(diào)整，這就要求上述功控所有操作要在一定時間內(nèi)完成。文獻(xiàn)圖B.1列出了WCDMA功控定時關(guān)系，經(jīng)分析得出可用于SIR估計的時間為：
TSIR=2560+Tdata1-1024-2×Tprop-Tprocess (2)
Tprocess為接收機(jī)處理延時，2×Tprop是雙程路徑延時，而處理延時一般等于總路徑延時，若忽略data1數(shù)據(jù)處理延時Tdata1,得出SIR估計時間大致為：
TSIR=1536-4×Tprop （3）
當(dāng)單程延時Tprop≥384chips，對應(yīng)小區(qū)半徑大于30km時，基站沒有時間在當(dāng)前的時隙完成SIR估計并發(fā)送功控比特。此時必須 延時一個時隙進(jìn)行SIR估計并發(fā)送功控比特。此時必須采用延時一個時隙進(jìn)行SIR估計的750Hz功控方案。
2 WCDMA系統(tǒng)的功控性能仿真
本節(jié)將通過計算機(jī)仿真的方法，說明SIR估計方法、估計精度、步長選擇、功控比特傳輸錯誤以及功控比特時延等主要因素對功控性能的影響，給出反向閉環(huán)功控的仿真曲線并對結(jié)果做出一定的分析和解釋。
首先分析SIR估計的兩種方法，相干估計和非相干估計的原理。對于相干估計，由于導(dǎo)頻信號已知，假設(shè)導(dǎo)頻序列數(shù)值固定為1，則接收信號y(i)近似為一個高斯平穩(wěn)隨機(jī)過程，可以用其時間平均代替集平均。假設(shè)接收信號y(i)的N個采樣點(diǎn)為{y1,y2,y3,…，yn},則接收信號功率、哭聲功率和信干比估計值可分別表示如下：
當(dāng)采用非相干估計時，處理的數(shù)據(jù)不再是已知的導(dǎo)頻信號，而是數(shù)據(jù)信道上的數(shù)據(jù)，其數(shù)值未知�？梢圆捎萌缦路椒ㄟM(jìn)行信干比的估計：
當(dāng)相干估計和非相干估計具有相同的估計樣本數(shù)目的，相干估計的性能要優(yōu)于非相干估計。從上一節(jié)的定時約束分析可知，相干估計的樣本數(shù)受小區(qū)半徑等因素的限制，而樣本數(shù)太少時相干估計的性能惡化很嚴(yán)重。而非相干估計雖然能夠獲得較多的估計樣本，但它的性能也受很多因素的制約，文獻(xiàn)詳細(xì)研究了非相干估計算法的問題，并得出相干SIR估計算法在多數(shù)情況下具有比非相干估計更為優(yōu)良的性能，后面的仿真結(jié)果也會說明這個問題。
閉環(huán)功率控制的目標(biāo)是把接收信號的實際信干比控制在目標(biāo)值上，因此衡量算法性能的最直接的方法就是考察實際信干比與目標(biāo)信干比的一臻性，為此定義功控誤差（PCE）如下：
PCE=SIResti-SIRtanget (10)
用其衡量各個功控算法性能的好壞。文獻(xiàn)證明了在理想功控情況下，PCE的對數(shù)值呈正態(tài)分布，其均值為零，而均方差的大小反映了功控算法的優(yōu)劣，均方差越小功控算法越好。
圖2給出相干估計情況、不同車速條件、不同功控調(diào)節(jié)步長的PCE性能�？梢钥吹�，在低速情況下，1dB步長的算法比較好，算法二次之，而中速情況下2dB步長的算法比較好，高速情況下三者的性能都比較差。圖2中也給出了沒有功控時的PCE均方差，在車速80km/h以下，功控能夠帶來好處，而在這個車速以上，從PCE的角度來看，功控就不能帶來增益了。由此可以得出，在固定步長算法中，低速時采用1dB步長，中速時采用2dB或1db步長，而高速時雖然不能補(bǔ)償快衰落，但考慮到補(bǔ)償路徑損耗和減少對其他用戶的影響，此時應(yīng)采用算法二進(jìn)行慢速功率調(diào)整。
圖3給出了非相干估計時不同車速條件下不同功控調(diào)節(jié)步長的PCE性能。這里非相干估計的長度為整個時隙，所以采用了延時一個時隙進(jìn)行功控的方法。為了進(jìn)行比較，也畫出了同樣估計長度，但是沒有延時的非相干估計的性能。可以看出：在采用非相干估計方法時，車速與最佳步長之間的關(guān)系和采用相干估計方法時類似。值得注意的是，僅在低車速20km/h左右時，
PCE的性能就比關(guān)閉功控時差，而在采用相干估計方法時，這個臨界車速達(dá)到了80km/h以上。由此，可以得出結(jié)論：非相干估計算法的性能差于相干估計。因此，后面的仿真都采用相干SIR估計算法。
從以上的仿真結(jié)果可以看出：不同車速條件下，若想功率控制性能最優(yōu)，需要不同的調(diào)整步長。因此為了提高功控的性能，一個很自然的想法就是通過估計車速選擇對應(yīng)該車速下最優(yōu)的功控步長進(jìn)行功控。文獻(xiàn)討論了這方面的問題，仿真了構(gòu)造新變量，電平通過率和盲估計變步長等算法，能取得一定的性能增益。
圖4給出了不同車速條件下SIR估計長度對功控性能的影響。顯然，相干估計長度越大，性能越好。由圖4可見，估計長度在3～5 pilot bits,即768～1280chips的情況下，功控的性能差異不大；如果估計長度只有2bits，即512chips時，性能變化比較大；若只有1bits，即256chips的估計長度，性能劣化很厲害，甚至不如關(guān)閉功控時的性能。從圖4中還可以看到，若小區(qū)半徑太大，在一個時隙內(nèi)不可能完成SIR相干估計和一次閉環(huán)功率調(diào)整，這時可以降低功控頻率。這樣雖然功率調(diào)整有一個時隙延時，但是由此獲得的高精度SIR估計可以在一定程序上抵消延時帶來的性能損失。從圖4中可看到，這種方案與沒延時、估計長度512chips時性能差不多。所以，當(dāng)小區(qū)半徑較小時，應(yīng)采用1.5kHz功控方案且采用盡可能長的SIR估計長度，當(dāng)小區(qū)半徑較大且移動臺在小區(qū)邊緣時，可以采用750Hz功控方案。
另外，功控比特延時帶來的性能損失也可以采用延時補(bǔ)償（TDC）方法進(jìn)行補(bǔ)償，文獻(xiàn)詳細(xì)研究了這個問題。這里給出一點(diǎn)有用結(jié)論。在功控延時一個時隙的情況下，中低車速時，功控比特延時帶來的影響并不大，高車速時影響比較明顯，這是因為在高車速時750Hz功控頻率已經(jīng)不能跟蹤快速信道變化，但此時應(yīng)該還能補(bǔ)償路徑損耗。因此，當(dāng)需采用750Hz功控方案時，若移動臺處于高速運(yùn)動狀態(tài)，此時最好用算法二進(jìn)進(jìn)慢速功率調(diào)整。
圖5給出了3km/h，三徑衰落信道時，TPC傳輸錯誤率從0.001～0.1情況下的誤傳輸塊率（BLER）性能。從圖5中可以看到，TPC錯誤率較低，例如0.01以下時，性能并沒有明顯的劣化，而若TPC錯誤率不斷上升，例如達(dá)到0.1時，性能將劣化0.3～0.5dB。若考慮典型情況，即前向鏈路的誤符號率為0.05時，可以看到，性能劣化較大，達(dá)0.2dB左右，此時前向鏈路質(zhì)量已經(jīng)對反向閉環(huán)功控性能產(chǎn)生較大影響。由此可見，閉環(huán)功控的性能要同時受兩個鏈路影響，改善某條鏈路的性能會給另一條鏈路帶來增益，反之亦然。
3 WCDMA系統(tǒng)功控的FPGA實現(xiàn)
在上一節(jié)仿真了影響功控性能幾個主要因素，為設(shè)計WCDMA系統(tǒng)控制方案提供了有益的幫助。根據(jù)前面的仿真結(jié)構(gòu)筆者選擇了合理的參數(shù)，設(shè)計出了基于FPGA平臺的WCDMA系統(tǒng)前向、反向閉環(huán)功控模塊。本設(shè)計采用Verilog代碼作硬件描述語言，采用Cadence公司的NC-SIM仿真器進(jìn)行驗證，最后采用Xilinx公司ISE6.1i集成環(huán)境進(jìn)行綜合布線，下載到Xilinx公司Virtex II-6000E系列FPGA器件平臺，實現(xiàn)了WCDMA系統(tǒng)反向和前向鏈路的閉環(huán)功控功能。本設(shè)計在WCDMA系統(tǒng)移動臺和基站的聯(lián)調(diào)測試中驗證了設(shè)計的正確性，在進(jìn)行語音和數(shù)據(jù)通信時都能很好地控制前反向鏈路的發(fā)送功率，同時本設(shè)計還和Anritsu公司W(wǎng)CDMA信令測試儀MD8480B進(jìn)行了聯(lián)合調(diào)試，也驗證了設(shè)計功能的正確性。
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