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寬帶CDMA系統(tǒng)中的功控技術
摘要：簡述了功控技術的作用與分類，介紹了帶寬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(jié)果。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(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(chǎn)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(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(diào)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。從而不同的角度，可以有不同的功控技術分類。按功控效果可分為內(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(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，集中式功控考慮小區(qū)內(nèi)所有用戶的信息（鏈路增益等），對每個用戶進行統(tǒng)一的調(diào)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(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)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]基礎上，根據(jù)當前第k個TPC命令按照如下公式調(diào)整當前發(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標準規(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。文獻圖B.1列出了WCDMA功控定時關系，經(jīng)分析得出可用于SIR估計的時間為：
TSIR=2560 Tdata1-1024-2×Tprop-Tproc
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