3G通信中功率控制分析

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(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，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)過長距離傳輸?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(hào)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(dòng)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(shí)。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(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?；緳z測接收信號(hào)的功率等級(jí)，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(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(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 反向開環(huán)控制

開環(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(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(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?；窘邮找苿?dòng)臺(tái)的信號(hào)，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(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。不過閉環(huán)功率控制的調(diào)整永遠(yuǎn)落后于測量時(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，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。基站周期性的發(fā)送測試移動(dòng)臺(tái)檢測前向傳輸?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)射功率過程中，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)檢測到誤幀率(FER)超過預(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，通過在各個(gè)前向業(yè)務(wù)信道上合理的分配功率來確保各個(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

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)、軟件無線電技術(shù)、多用戶檢測技術(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。