功率控制

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功率控制是CDMA系统的一项关键技术。CDMA系统是干扰受限的系统,移动台的发射功率对小区内通话的其他用户而言就是干扰,所以要限制移动台的发射功率,使系统的总功率电平保持最小。功率控制能保证每个用户所发射功率到达基站础保持最小,既能符合最低的通信要求,同时又避免对其他用户信号产生不必要的干扰。功率控制的作用是减少系统内的相互干扰,使系统容量最大化。

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功率控制 - 概述

功率控制CDMA中的功率控制
CDMA技术构建的蜂窝移动通信系统,终端用户都采用相同的频谱进行上下行链路的数据传输,每一个频谱信道都不是完全正交而是近似正交的,因而用户与用户之间存在干扰。每一个用户都是本小区内及相邻小区内同时进行通信的用户的干扰源。以宽带CDMA即WCDMA技术标准为例,基站覆盖的小区存在“远近效应”,这与通信用户进行通信时的信道功率有关。”远近效应”的具体描述是离基站远的用户到达基站的信号较弱,离基站近的用户到达基站的信号强,假定终端用户以相同的上行功率进行通信,则由于信号在信道中传输距离的远近差异,基站处收到的信号强度的差别可以达到30-70db,信号弱的用户的信号完全有可能被信号强的用户信号淹没,从而造成较远距离的用户完不成通信过程,严重时有可造成整个系统的崩溃。因此,有必要采取措施对用户终端的信号功率进行控制。另外,为了使基站发射的功率在到达每个用户终端时有个合理的值,也有必要优化基站的发射功率,换言之,基站也要加入到功率控制的框架中来。

功率控制 - 历史

功率控制3G中的功率控制
3G的三大技术体系标准分别是UMTSWCDMA、IMT2000CDMA2000中国拥有自主知识产权的TD-SCDMA

WCDMA又称为宽带CDMA(带宽为5MHz或更高),CDNA2000是在IS95(带宽为1.23MHz的2G CDMA)基础上直接演进而来,TD-SCDMA又称为时分同步CDMA,这里的同步指的是所有终端用户上行链路的信号在到达基站接收端的解调器时完全同步。总之,3G的三大标准均以CDMA为基础技术。

CDMA技术是1949年由Claude Shannon首先提出来的。CDMA码分多址技术实质上是基于扩频通信的技术,其扩频通信原理可用传输速率、带宽信噪比之间关系的数学公式:Csh=BRF*LOG2(1+Eb/Io)来表示。CDMA提出后一直只应用在军事领域中的抗干扰通信。

功率控制功率控制

1978年Cooper等人提出了在蜂窝移动通信中使用CDMA扩频技术的设想,但并未引起业界的重视,只有美国Qullcomm(高通)公司投入了一定力量进行商用化研究,并于1989年成功地进行了第一次商用化测试。两年之后,高通公司全面掌握了CDMA系统商用化的核心技术,从而使CDMA蜂窝移动电话商用系统于1996年1月在世界上首次成功推出。鉴于CDMA技术有光明的发展前景,因此,3G技术体系纷纷采用了以CDMA技术为基础的技术体系标准。

FDMATDMA相比,CDMA具有许多独特的优点,归纳起来,CDMA应用于数字移动通信的优点有:

系统容量大。在CDMA系统中所有用户共用一个无线信道,当用户不讲话时,该信道内的所有其他用户会由于干扰减小而得益。因此利用人类话音特点的CDMA系统可大幅降低相互干扰,增大其实际容量近3倍。CDMA数字移动通信网的系统容量理论上比模拟网大20倍,实际上比模拟网大10倍,比GSM大 4-5倍。

系统通信质量更佳。软切换技术(先连接再断开)可克服硬切换容易掉话的缺点,CDMA系统工作在相同的频率和带宽上,比TDMA系统更容易实现软切换技术,从而提高通信质量,CDMA系统采用确定声码器速率的自适应阈值技术,强有力的误码纠错,软切换技术和分离分多径分集接收机,可提供TDMA系统不能比拟的,极高的数据质量。频率规划灵活,用户按不同的序列码区分,不同CDMA载波可在相邻的小区内使用,因此CDMA网络的频率规划灵活,扩展简单。 CDMA网络同时还具有建造运行费用低,基站设备费用低的特点,因而用户费用也较低。

频带利用率高。CDMA是一种扩频通信技术,尽管扩频通信系统抗干扰性能的提高是以占用频带带宽为代价的,但CDMA允许单一频率在整个系统区域内重复使用(即复用系数为1),即多用户共用这一频带同时通话,大大提高了频带利用率。这种扩频CDMA方式,虽要占用较宽的频带,但按每个用户占用的平均频带来计算,其频带利用率是很高的。CDMA系统还可以根据不同信号速率的情况,提供不同的信道频带动态利用,使给定频带得到更有效的利用。

适用于多媒体通信系统。CDMA系统能方便地使用多CDMA信道方式和多CDMA帧方式,传送不同速率要求的多媒体业务信息,处理方式和合成方式都比TDMA方式和FDMA方式灵活、简便、有利于多媒体通信系统的应用,比如可以在提供话音服务的同时提供数据服务,使得用户在通话时也可以接收寻呼信息。

CDMA手机的备用时间更长。低平均功率、高效的超大规模集成电路设计和先进的锂电池的结合显示了CDMA在便携式电话应用中的突破。用户可长时间地使用手机接收电话,也可在不挂机情况下接收短消息。然而,宽带CDMA系统的应用也还面临着一些技术困难,多址干扰的降低和抵消是CDMA的基本课题,也是提高宽带CDMA系统容量,发挥其系统特长的重要课题。其中最重要的问题之一就是功率控制问题。

功率控制 - 分类

功率控制功率控制构架图

功率控制分为前向功率控制和反向功率控制,反向功率控制又分为开环功率控制和闭环功率控制,闭环功率控制再细分为外环功率控制和内环功率控制。

前向功率控制指基站周期性地调低其发射到用户终端的功率值,用户终端测量误帧率,当误帧率超过预定义值时,用户终端要求基站对它的发射功率增加1%。每隔一定时间进行一次调整,用户终端的报告分为定期报告和门限报告。

反向功率控制在没有基站参与的时候为开环功率控制。用户终端根据它接收到的基站发射功率,用其内置的DSP数据信号处理器计算Eb/Io,进而估算出下行链路的损耗以调整自己的发射功率。开环功率控制的主要特点是不需要反馈信息,因此在无线信道突然变化时,它可以快速响应变化,此外,它可以对功率进行较大范围的调整。开环功率控制不够精确,这是因为开环功控的衰落估计准确度是建立在上行链路和下行链路具有一致的衰落情况下的,但是由于频率双工FDD模式中,上下行链路的频段相差190MHz,远远大于信号的相关带宽,所以上行和下行链路的信道衰落情况是完全不相关的,这导致开环功率控制的准确度不会很高,只能起到粗略控制的作用。WCDMA协议中要求开环功率控制的控制方差在10dB内就可以接受。

反向功率控制在有基站参与的时候为闭环功率控制。

其过程是基站对接收到的用户终端反向开环功率估算值作出调整,以便使用户终端保持最理想的发射功率。功率控制的实现是在业务信道帧中插入功率控制比特,插入速率可达1.6Kb/s,这样可有效跟踪快衰落的影响。其中“0”比特指示用户终端增加发射功率;“1”比特指示用户终端减少发射功率。闭环功率控制的调整永远落后于测量时的状态值,如果在这段时问内通信环境发生大的变化,有可能导致闭环的崩溃,所以功率控制的反馈延时不能太长,一般的意见是由通信本端的某一时隙产生的功率控制命令应该在两个时隙内回馈。

闭环功率控制由内环功率控制和外环功率控制两部分组成。在信噪比测量中,很难精确测量信噪比的绝对值。且信噪比与误码率(误块率)的关系随环境的变化而变化,是非线性的。比如,在一种多径传播环境时,要求百分之一的误块率BLER),信噪比SIR)是5dB,在另一种多径环境下,同样要求百分之一的误块率,可能需要5.5dB信噪比。而最终接入网提供给NAS的服务中QoS表征量为BLER,而非SIR,业务质量主要通过误块率来确定的,二者是直接的关系,而业务质量与信噪比之间则是间接的关系。所以在采用内环功控的同时还需要外环功控。

在外环闭环功率控制中,基站每隔20ms为接收器的每一个规定一个目标Eb/Io(从用户终端到基站),当出现帧误差时,该Eb/Io值自动按0. 2~0.3为单位逐步减少,或增加3~5db。在这里只有基站参与。外环功率控制的周期一般为TTI(10ms、20ms、40ms、80ms)的量级,即10-100Hz。外环功率控制通过闭环控制,可以间接影响系统容量和通信质量,所以不可小视。

在内环闭环功率控制中,基站每隔1.25ms比较一次反向信道的Eb/Io和目标Eb/Io,然后指示移动台降低或增加发射功率,这样就可达到目标Eb/Io。内环功率控制是快速闭环功率控制,在基站与移动台之间的物理层进行。

功率控制 - 实现过程

功率控制闭环功控示意图
功率控制的实现方式可以分为两大类:内环功控和外环功控。当手机处于软切换状态时,快速功控会导致下行功率飘移。为了解决下行功率漂移问题,Serving-RNC需要对NodeB进行功率均衡。

内环功控

内环功控的主要作用是通过控制物理信道的发射功率,使接收SIR收敛于目标SIRWCDMA系统是通过估计接收到的Eb/No来发出相应的功率调整命令的。Eb/No与SIR具有一定的对应关系,例如对于12.2kbit/s的语音业务,Eb/No的典型值为5.0dB,在码片速率 3.84Mchip/s的情况下,处理增益为10log10(3.84M/12.2k)=25dB。所以SIR=5dB-25dB=-20dB。即:载干比(C/I)>-20dB。

内环功控分为开环和闭环两种方式。开环功控目的提供初始发射功率的粗略估计,它根据测量结果对路径损耗和干扰水平进行估计,从而计算初始发射功率

开环功控

初始功率P_PRACH=P-CPICHDL TX power – CPICH_RSCP + UL interference + Constant Value。P-CPICH DL TX power–CPICH_RSCP为下行路径损耗。计算P_PRACH上行路径损耗,并是根据下行信号所得到的路径损耗来估计上行损耗。由于上下行频段间隔较大,上下行的快衰落情况是完全不相关的,因此,这个估计值是很不准确的。下面给出具体的说明:

刚进入接入信道时(闭环校正尚未激活)

平均输出功率(dbm)=-平均输入功率(dbm)-Pcon+NOM_PWR(db)+INIT_PWR(db),

其中:平均功率是相对于宽带CDMA(5MHz)的标称信道带宽而言。

INIT_PWR是对第一个接入信道序列所需作的调整;NOM_PWR是为了补偿由于前向CDMA信道和反向CDMA信道之间不相关造成的路径损耗。

其后的试探序列不断增加发射功率(步长为PWR_STEP),直到收到一个效应或序列结束。输出的功率电平为:

平均输出功率(dbm)=-平均输入功率(dbm)Pcon+NOM_PWR(db)+INIT_PWR+PWR_STEP之和(db)。

在反向业务信道开始发送之后一旦收到一个功率控制比特,移动台的平均输出功率变为:

平均输出功率(dbm)=-平均输入功率(dbm)-Pcon+NOM_PWR(db)+INIT_PWR+PWR_STEP之和(db)+所有闭环功率校正之和(db):

其中:Pcon为一个常数修正值,这由多种系统参数决定。

NOM_PWR与INIT_PWR以及PWR_STEP也有一定的数值限定范围。

针对3G移动技术体系标准普遍使用CDMA作为基础技术,要想在3G系统中真正发挥3G容量大、服务质量好、传输速率高等优势,就必须根据CDMA技术的特点,做好3G正反向的功率控制系统的优化建设。  

功率控制 - 在WCDMA中的应用

功率控制功控中的速率控制
功率控制是WCDMA系统的关键技术之一。由于远近效应和自干扰问题,功率控制是否有效直接决定了WCDMA系统是否可用,并且很大程度上决定了WCDMA系统性能的优劣,对于系统容量、覆盖、业务的QoS(系统服务质量)都有重要影响。

功率控制的作用首先是提高单用户的发射功率以改善该用户的服务质量,但由于远近效应自干扰的问题,提高单用户发射功率会影响其他用户的服务质量,所以功率控制在WCDMA系统中呈现出矛盾的两个方面。

WCDMA系统采用宽带扩频技术,所有信号共享相同频谱,每个移动台的信号能量被分配在整个频带范围内,这样移动台的信号能量对其他移动台来说就成为宽带噪声。由于在无线电环境中存在阴影、多径衰落和远距离损耗影响,移动台在小区内的位置是随机的且经常变动,所以信号路径损耗变化很大。如果小区中的所有用户均以相同的功率发射,则靠近基站的移动台到达基站的信号强,远离基站的移动台到达基站的信号弱,另由于在WCDMA系统中,所有小区均采用相同频率,上行链路为不同用户分配的地址码是扰码,且上行同步较难,很难保证完全正交。这将导致强信号掩盖弱信号,即远近效应

因此,功率控制目的是在保证用户要求的QoS的前提下最大程度降低发射功率,减少系统干扰从而增加系统容量。

功率控制 - 相关条目

CDMA3G无线通信系统信道频谱利用率

功率控制 - 参考资料

1.http://bbs.ednchina.com/ShowTopic.aspx?id=20270

2.http://www.mc21st.com/techfield/design/art/2004/d0422-24.htm

3.http://www.epc.com.cn/magzine/20070301/8593.asp

4.http://www.cww.net.cn/tech/html/2007/10/9/20071091023567798.htm

附图

 

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