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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)和測試結果。關鍵詞：寬帶CDMA 功控技術 信干比（SIR） 閉環(huán)功控 外環(huán)功控
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。(范文先生網(wǎng)www.qkfawen.com收集整理)
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環(huán)功控和外環(huán)功控。內環(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)境下的服務質量要求，產生內環(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)內所有用戶的信息（鏈路增益等），對每個用戶進行統(tǒng)一的調整，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成：SIR估計、功控比特（TPC）產生、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產生單元將SIR估計值SIResti和外環(huán)功控所產生的SIR參考門限SIRtarget相減，根據(jù)其差值的符號，即sign(SIResti-SIRtarget)，產生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命令送給功控調整單元，用于調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
每個時隙都產生一次功控命令（±1），功率調整的頻率為1.5kHz。算法二每5個時隙產生一次功控命令（±1），功率調整的最快頻率為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的功能，當接收的功控比特交換±1時，產生的功控命令始終為0，從而不進行功率調整。功率調整單元在前一次發(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就是本地產生的TPC命令。
WCDMA標準規(guī)定功控速率為1.5kHz，即一個時隙內必須完成一次閉環(huán)功率調整，這就要求上述功控所有操作要在一定時間內完成。文獻圖B.1列出了WCDMA功控定時關系，經分析得出可用于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）
當單程延時Tprop≥384chips，對應小區(qū)半徑大于30km時，基站沒有時間在當前的時隙完成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，由于導頻信號已知，假設導頻序列數(shù)值固定為1，則接收信號y(i)近似為一個高斯平穩(wěn)隨機過程，可以用其時間平均代替集平均。假設接收信號y(i)的N個采樣點為{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：
當采用非相干估計時，處理的數(shù)據(jù)不再是已知的導頻信號，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行信干比的估計：
當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，文獻詳細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，后面的仿真結果也會說明這個問題。
閉環(huán)功率控制的目標是把接收信號的實際信干比控制在目標值上，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償快衰落，但考慮到補償路徑損耗和減少對其他用戶的影響，此時應采用算法二進行慢速功率調整。
圖3給出了非相干估計時不同車速條件下不同功控調節(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行功控的方法。為了進行比較，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的性能就比關閉功控時差，而在采用相干估計方法時，這個臨界車速達到了80km/h以上。由此，可以得出結論：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該車速下最優(yōu)的功控步長進行功控。文獻討論了這方面的問題，仿真了構造新變量，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，在一個時隙內不可能完成SIR相干估計和一次閉環(huán)功率調整，這時可以降低功控頻率。這樣雖然功率調整有一個時隙延時，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，當小區(qū)半徑較小時，應采用1.5kHz功控方案且采用盡可能長的SIR估計長度，當小區(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償（TDC）方法進行補償，文獻詳細研究了這個問題。這里給出一點有用結論。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功控頻率已經不能跟蹤快速信道變化，但此時應該還能補償路徑損耗。因此，當需采用750Hz功控方案時，若移動臺處于高速運動狀態(tài)，此時最好用算法二進進慢速功率調整。
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0.2dB左右，此時前向鏈路質量已經對反向閉環(huán)功控性能產生較大影響。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)前面的仿真結構筆者選擇了合理的參數(shù)，設計出了基于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仿真器進行驗證，最后采用Xilinx公司ISE6.1i集成環(huán)境進行綜合布線，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。本設計在WCDMA系統(tǒng)移動臺和基站的聯(lián)調測試中驗證了設計的正確性，在進行語音和數(shù)據(jù)通信時都能很好地控制前反向鏈路的發(fā)送功率，同時本設計還和Anritsu公司W(wǎng)CDMA信令測試儀MD8480B進行了聯(lián)合調試，也驗證了設計功能的正確性。
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