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寬帶CDMA系統(tǒng)中的功控技術(shù)
摘要:簡述了功控技術(shù)的作用與分類,介紹了帶寬CDMA系統(tǒng)的功控技術(shù)方案,討論了實現(xiàn)的限制條件,仿真了影響性能的幾個關(guān)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(luò)為每個用戶提供的服務(wù)需要滿足一定的服務(wù)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(luò)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(kuò)頻碼的(準(zhǔn))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(guān)特性不理想,其它用戶的信號對當(dāng)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(dāng)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(dāng)前用戶的干擾,導(dǎo)致當(dāng)前用戶的接收信號SIR下降,當(dāng)這類干擾大到一定程度時,當(dāng)前用戶就不能正常通信了,因此CDMA系統(tǒng)是一個嚴(yán)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(shù)和功控技術(shù)。多用戶檢測技術(shù)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(fù)雜,目前還沒有進(jìn)行商業(yè)應(yīng)用。功控技術(shù)十分簡單實用,被認(rèn)為是CDMA系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。功控技術(shù)調(diào)整每個用戶的發(fā)射功率,補(bǔ)償信道衰落、抵消遠(yuǎn)近效應(yīng),使各個用戶維持在能保持正常通信的最低標(biāo)準(zhǔn)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(jī)的待機(jī)時間。
功控技術(shù)的控制準(zhǔn)則大致可分為兩大類:功率平衡準(zhǔn)則和SIR平衡準(zhǔn)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(shù)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(dá)到特定的目標(biāo)值;外環(huán)功控根據(jù)特定環(huán)境下的服務(wù)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(shè)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(shè),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(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)整,這個算法復(fù)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(shù)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(shù)和前向閉環(huán)、外環(huán)功控技術(shù)。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(jìn)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(jìn)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(guān)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(xiàn)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(dāng)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(dāng)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(jìn)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(chǔ)上,根據(jù)當(dāng)前第k個TPC命令按照如下公式調(diào)整當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)圖B.1列出了WCDMA功控定時關(guān)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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