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发信人: bossmai (bossmai), 信区: Communication
标  题: 1910-宽带CDMA系统中的功控技术 
发信站: BBS 哈工大紫丁香站 (Mon Dec  6 19:28:52 2004)

宽带CDMA系统中的功控技术 

 
　　摘　要：简述了功控技术的作用与分类,介绍了宽带CDMA系统的功控技术方案,讨论了
实现的限制条件,仿真了影响性能的几个关键因素,并给出了硬件实现和测试结果。 
　　关键词：宽带CDMA 功控技术 信干比(SIR) 闭环功控 外环功控 

　　无线蜂窝网络为每个用户提供的服务需要满足一定的服务质量(QOS),然而QOS主要由每
个用户接收到信号的信干比(SIR)决定。因此,无线蜂窝网络对无线资源的分配,特别是对每
个用户链路的功率分配就更加重要。对于CDMA蜂窝系统,同一小区内所有用户使用相同的频
段和时隙,用户之间仅靠扩频码的(准)正交特性相互隔离。然而由于无线信道的多径、延时
等原因使得各个用户信号间的互相关特性不理想,其它用户的信号对当前用户信号产生干扰
,这类干扰被称为多址干扰(MAI)。这样,当小区中用户个数增加或者其它用户功率提升时都
会增加对当前用户的干扰,导致当前用户的接收信号SIR下降,当这类干扰大到一定程度时,
当前用户就不能正常通信了,因此CDMA系统是一个严重的干扰受限系统,干扰的大小直接影
响到系统容量。解决这个问题主要有两个办法:多用户检测技术和功控技术。多用户检测技
术充分考虑用户间存在的MAI,通过在接收端重构这些干扰,然后消除它的影响,提高性能,但
由于其算法过于复杂,目前还没有进行商业应用。功控技术十分简单实用,被认为是CDMA系
统的关键技术之一。功控技术调整每个用户的发射功率,补偿信道衰落、抵消远近效应,使
各个用户维持在能保持正常通信的最低标准上,这样就能最大地减少对其他用户的干扰,从
而提高系统容量,同时延长手机的待机时间。 
　　功控技术的控制准则大致可分为两大类:功率平衡准则和SIR平衡准则。它们分别控制
各个用户信号在接收端的有用功率相等或SIR相等。从不同的角度,可以有不同的功控技术
分类。按功控效果可分为内环功控和外环功控。内环功控主要用来对抗信道衰落和损耗,使
得接收端信号SIR或功率达到特定的目标值;外环功控根据特定环境下的服务质量要求,产生
内环功控的SIR或功率门限值。按链路可分为反向功控和前向功控,由于CDMA系统容量主要
受反向链路容量限制,因此反向功控尤为重要。按功控的环路类型可分为开环和闭环功控,
开环功控是基于上下行信道对称假设的,它能够抵消路径损耗和阴影衰落,闭环功控不需作
此假设,它同时还能抵消快衰落。按功控实现的方式可分为集中式功控和分布式功控,集中
式功控考察小区内所有用户的信息(链路增益等),对每个用户进行统一的调整,这个算法复
杂度高,难以实现,但算法的收敛特性好;分布式控制只根据单个用户信息产生控制指令,易
于实现,但分布式算法需要满足一定的条件才能收敛[1]。 
1 WCDMA系统的功控技术方案 
　　WCDMA系统同时采用了反向开环、闭环、外环功控技术和前向闭环、外环功控技术。鉴
于反向闭环功控的重要性和篇幅所限,本文将主要针对反向闭环功控进行讨论,后面的仿真
曲线也是基于反向闭环功控做出的。WCDMA系统闭环功控主要由四部分构成:SIR估计、功控
比特(TPC)产生、本地TPC判决和功率调整单元等,如图1所示。 

图1 WCDMA系统闭环功控组成部分

　　SIR估计单元采用某种SIR估计算法对接收专用数据信道(DPDCH)的SIR进行估计,然后将
估计值送给TPC产生单元。WCDMA协议并没有规定SIR估计的算法,主要有两种算法:相干SIR
估计和非相干SIR估计,后面将分析这两种方法的性能差异。另外,限制SIR估计精度的另一
主要因素是SIR估计的长度,即可以用来估计样本数的多少,对于非相干估计样本数较多、相
干估计样本数较少,它主要受前、反向功控的定时关系限制。TPC产生单元将SIR估计值SIR
esti和外环功控所产生的SIR参考门限SIRtarget相减,根据其差值的符号,即sign(SIResti
-SIRtarget),产生TPC比特。TPC判决单元根据本地接收的TPC比特重新生成本地TPC命令送
给功控调整单元,用于调整前向或反向信道的发射功率。文献[2]给出了WCDMA系统本地TPC
命令生成的几种算法,其中在非宏分集状态下有两种算法。 
　　算法一,针对当前时隙接收到的TPC指令,每个时隙产生一个TPC_cmd。 
　　如果接收到的TPC命令等于0,那么该时隙的TPC_cmd为-1。 
　　如果接收到的TPC命令等于1,那么该时隙的TPC_cmd为1。 
　　算法二,在5个时隙中的前4个时隙,TPC_cmd=0,即不改变发送功率。在第5个时隙,对收
到的5个TPC命令采用如下硬判决: 
　　如果所有5个TPC命令的硬判决都为1,那么第5个时隙的TPC_cmd = 1 
　　如果所有5个TPC命令的硬判决都为0,那么第5个时隙的TPC_cmd = -1 
　　否则,在第5个时隙的TPC_cmd=0。 
　　可以看到算法一在每个时隙都产生一次功控命令(±1),功率调整的频率为1.5kHz。算
法二每5个时隙产生一次功控命令(±1),功率调整的最快频率为300Hz,它具有近似0.2dB(1
dB/5)功控步长的性能。算法二还具有防止功控误调的功能,当接收的功控比特交错±1时,
产生的功控命令始终为0,从而不进行功率调整。功率调整单元在前一次发射功率p[k-1]基
础上,根据当前第k个TPC命令按照如下公式调整当前发射功率p[k][dB]: 
　　p[k]=p[k-1]+β.TPC_cmd(1) 
　　其中, β为功控步长,WCDMA系统采用固定步长,前向功控采用0.5、1、1.5或2db四种步
长,反向功控采用1 或2dB两种步长,而TPC_cmd 就是本地产生的TPC命令。 WCDMA标准规定
功控速率为1.5kHz,即一个时隙内必须完成一次闭环功率调整,这就要求上述功控所有操作
要在一定时间内完成。文献[2]图B.1列出了WCDMA功控定时关系,经分析得出可用于SIR估计
的时间为: 
　　TSIR=2560+Tdata1-1024-2×Tprop-Tprocess(2) 
　　Tprocess为接收机处理延时, 2×Tprop是双程路径延时,而处理延时一般等于总路径延
时,若忽略data1数据处理延时Tdata1,得出SIR估计时间大致为: 
　　TSIR=1536-4×Tprop(3) 
　　所以小区半径和相干估计的最大长度可以用表1表示。 
表 1


　　当单程延时Tprop≥384chips,对应小区半径大于30km时,基站没有时间在当前时隙完成
SIR估计并发送功控比特。此时必须采用延时一个时隙进行SIR估计的750Hz功控方案。 
2 WCDMA系统的功控性能仿真 
　　本节将通过计算机仿真的方法,说明SIR估计方法、估计精度、步长选择、功控比特传
输错误以及功控比特时延等主要因素对功控性能的影响,给出反向闭环功控的仿真曲线并对
结果做出一定的分析和解释。 
　　首先分析SIR估计的两种方法,相干估计和非相干估计的原理。对于相干估计,由于导频
信号已知,假设导频序列数值固定为1,则接收信号y(i)近似为一个高斯平稳随机过程,可以
用其时间平均代替集平均。假设接收信号y(i)的N个采样点为{y1,y2,y3,…,yN},则接收信
号功率、噪声功率和信干比估计值可分别表示如下: 
　　 
　　当采用非相干估计时,处理的数据不再是已知的导频信号,而是数据信道上的数据,其数
值未知。可以采用如下方法进行信干比的估计: 
　　 
　　当相干估计和非相干估计具有相同的估计样本数目时,相干估计的性能要优于非相干估
计。从上一节的定时约束分析可知,相干估计的样本数受小区半径等因素的限制,而样本数
太少时相干估计的性能恶化很严重。而非相干估计虽然能够获得较多的估计样本,但它的性
能也受很多因素的制约,文献[3]详细研究了非相干估计算法的问题,并得出相干SIR估计算
法在多数情况下具有比非相干估计更为优良的性能,后面的仿真结果也会说明这个问题。 

　　闭环功率控制的目标是把接收信号的实际信干比控制在目标值上,因此衡量算法性能的
最直接的方法就是考察实际信干比与目标信干比的一致性,为此定义功控误差(PCE)如下: 

　　PCE=SIResti-SIRtarget(10) 
　　用其衡量各个功控算法性能的好坏。文献[4]证明了在理想功控情况下, PCE的对数值
呈正态分布,其均值为零,而均方差的大小反映了功控算法的优劣,均方差越小功控算法越好
。 
　　图2给出相干估计情况、不同车速条件、不同功控调节步长的PCE性能。可以看到,在低
速情况下,1dB步长的算法比较好,算法二次之,而中速情况下2dB步长的算法比较好,高速情
况下三者的性能都比较差。图2中也给出了没有功控时的PCE均方差,在车速80km/h以下,功
控能够带来好处,而在这个车速以上,从PCE的角度来看,功控就不能带来增益了。由此可以
得出,在固定步长算法中,低速时采用1dB步长,中速时采用2dB或1dB步长,而高速时虽然不能
补偿快衰落,但考虑到补偿路径损耗和减少对其他用户的影响,此时应采用算法二进行慢速
功率调整。 

图2 功控步长对功控性能的影响(相干估计)

　　图3给出了非相干估计时不同车速条件下不同功控调节步长的PCE性能。这里非相干估
计的长度为整个时隙,所以采用了延时一个时隙进行功控的方法。为了进行比较,也画出了
同样估计长度,但是没有延时的非相干估计的性能。可以看出:在采用非相干估计方法时,车
速与最佳步长之间的关系和采用相干估计方法时类似。值得注意的是,仅在低车速20km/h左
右时,PCE的性能就比关闭功控时差,而在采用相干估计方法时,这个临界车速达到了80km/h
以上。由此,可以得出结论:非相干估计算法的性能差于相干估计。因此,后面的仿真都采用
相干SIR估计算法。 

图3 非相干估计时不同车速条件下不同功控调节步长的PCE性能

　　从以上的仿真结果可以看出:不同车速条件下,若想功率控制性能最优,需要不同的调整
步长。因此为了提高功控的性能,一个很自然的想法就是通过估计车速选择对应该车速下最
优的功控步长进行功控。文献[5]讨论了这方面的问题,仿真了构造新变量,电平通过率和盲
估计变步长等算法,能取得一定的性能增益。 
　　图4给出了不同车速条件下SIR估计长度对功控性能的影响。显然,相干估计长度越大,
性能越好。由图4可见,估计长度在3~5 pilot bits,即768~1280chips的情况下,功控的性能
差异不大;如果估计长度只有2bits,即512chips时,性能变化比较大;若只有1bits,即256ch
ips的估计长度,性能劣化很厉害,甚至不如关闭功控时的性能。从图4中还可以看到,若小区
半径太大,在一个时隙内不可能完成SIR相干估计和一次闭环功率调整,这时可以降低功控频
率。这样虽然功率调整有一个时隙延时,但是由此获得的高精度SIR估计可以在一定程度上
抵消延时带来的性能损失。从图4中可看到,这种方案与没延时、估计长度512chips时性能
差不多。所以,当小区半径较小时,应采用1.5kHz功控方案且采用尽可能长的SIR估计长度,
当小区半径较大且移动台在小区边缘时,可以采用750Hz功控方案。 

图4 不同车速条件下SIR估计长度对功控性能的影响

　　另外,功控比特延时带来的性能损失也可以采用延时补偿(TDC)方法进行补偿,文献[6]
详细研究了这个问题。这里给出一点有用结论。在功控延时一个时隙的情况下,中低车速时
,功控比特延时带来的影响并不大,高车速时影响比较明显,这是因为在高车速时750Hz功控
频率已经不能跟踪快速信道变化,但此时应该还能补偿路径损耗。因此,当需采用750Hz功控
方案时,若移动台处于高速运动状态,此时最好用算法二进行慢速功率调整。 
　　图5给出了3km/h,三径衰落信道时,TPC传输错误率从0.001～0.1情况下的误传输块率(
BLER)性能。从图5中可以看到,TPC错误率较低,例如0.01以下时,性能并没有明显的劣化,而
若TPC错误率不断上升,例如达到0.1时,性能将劣化0.3～0.5dB。若考虑典型情况,即前向链
路的误符号率为0.05时,可以看到,性能劣化较大,达0.2dB左右,此时前向链路质量已经对反
向闭环功控性能产生较大影响。由此可见,闭环功控的性能要同时受两个链路影响,改善某
条链路的性能会给另一条链路带来增益,反之亦然。 

图5 TCP传偷错误对功控性能的影响

3 WCDMA系统功控的FPGA实现 
　　在上一节仿真了影响功控性能的几个主要因素,为设计WCDMA系统控制方案提供了有益
的帮助。根据前面的仿真结果笔者选择了合理的参数,设计出了基于FPGA平台的WCDMA系统
前向、反向闭环功控模块。本设计采用Verilog代码作硬件描述语言,采用Cadence公司的N
C-SIM仿真器进行验证,最后采用Xilinx公司ISE6.1i集成环境进行综合布线,下载到Xilinx
 公司Virtex II-6000E系列FPGA器件平台,实现了WCDMA系统反向和前向链路的闭环功控功
能。本设计在WCDMA系统移动台和基站的联调测试中验证了设计的正确性,在进行语音和数
据通信时都能很好地控制前反向链路的发送功率,同时本设计还和Anritsu公司WCDMA信令测
试仪MD8480B进行了联合调试,也验证了设计功能的正确性。 


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※ 修改:·bossmai 於 Dec  6 19:32:26 2004 修改本文·[FROM: 210.21.227.*]
※ 来源:·哈工大紫丁香 http://bbs.hit.edu.cn·[FROM: 210.21.227.*]