CDMA系統(tǒng)中的功率控制技術(shù)及過程分析

0 引言
在第三代移動通信技術(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；WCDMA又稱寬帶CDMA，其帶寬為5 MHz或更高；TD-SCDMA又稱時分同步CDMA，其同步主要指所有終端用戶上行鏈路的信號在到達(dá)基站接收端的解調(diào)器時完全同步。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CDMA系統(tǒng)采用同時同頻載波，控制各移動臺的功率就是實(shí)現(xiàn)最大容量的關(guān)鍵，可以通過功率控制技術(shù)將移動臺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)及通話時間越長，對同系統(tǒng)其他手機(jī)的干擾就越小，同時擴(kuò)大了小區(qū)容量。此外手機(jī)發(fā)射功率越小，對其他無線設(shè)備干擾越小，對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，為了保證手機(jī)信號經(jīng)過長距離傳輸?shù)竭_(dá)基站后，信號仍能被正確解調(diào)，需要發(fā)射功率要足夠大，以克服信號經(jīng)過長距離傳輸?shù)乃p；手機(jī)在被建筑物或其他遮擋的無線陰影區(qū)內(nèi)，其發(fā)射功率也要足夠大，以克服手機(jī)信號經(jīng)過多次的反射、折射及長距離傳輸?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
在目前使用的移動通信系統(tǒng)中，PHS(Personal Handyphone System)以其低廉的建設(shè)成本、簡單的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)等優(yōu)勢興起一時。PHS在中國常被稱為小靈通，其應(yīng)用微蜂窩技術(shù)，提供簡單低廉的協(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。基站檢測接收信號的功率等級，通過下行SACCH信道發(fā)出命令控制手機(jī)的發(fā)射功率等級，相鄰功率等級相差2 dB，其移動臺功率等級及最大、最小功率如表1所示。

GSM功率控制速率比較慢，對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，就完全離不開功率控制技術(shù)。CDMA本身是一個干擾受限系統(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MS的信號到達(dá)BS時都達(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)移動臺測量報告，基站調(diào)整對移動臺的發(fā)射功率。反向功率控制又分為開環(huán)功率控制和閉環(huán)功率控制。其中反向開環(huán)功率控制主要是移動臺根據(jù)接收功率變化，調(diào)整發(fā)射功率；反向閉環(huán)功率控制是移動臺根據(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 反向開環(huán)控制
開環(huán)功率控制是移動臺根據(jù)它收到基站的導(dǎo)頻信號強(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。它是移動臺根據(jù)在小區(qū)中接受功率的變化，調(diào)節(jié)移動臺發(fā)射功率以達(dá)到所有移動臺發(fā)出的信號在基站時都有相同的功率。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的動態(tài)范圍。其控制過程如圖1所示。

開環(huán)功率控制的主要特點(diǎn)是不需要反饋信息。在無線信道突然變化時，它可以快速響應(yīng)，此外它可以對功率進(jìn)行較大范圍的調(diào)整。開環(huán)功率控制不夠精確，這是因?yàn)殚_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)致開環(huán)功率控制的準(zhǔn)確度不會很高，只能起到粗略控制的作用。在WCDMA協(xié)議中要求開環(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候?yàn)殚]環(huán)功率控制，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是使基站對移動臺的開環(huán)功率估計(jì)迅速做出糾正，以使移動臺保持最理想的發(fā)射功率。
閉環(huán)功率控制是在移動臺的協(xié)助下完成的。基站接收移動臺的信號，并測量其信噪比，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減小發(fā)射功率的命令；反之，就送出一個增加發(fā)射功率的命令。其控制過程如圖2所示。