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IWCDMA 移动通信中功率控制的研究与仿真专业：通信工程 学号：1002575 姓名：罗健隆 指导教师：陈坚翀中文摘要随着社会的发展，人类的政治、经济活动范围日益扩大、效率不断提高，这些对通信服务提出了更高的要求。新一代的移动通信是个人通信，也叫做第三代移动通信系统（3G） ，这是当今通信领域最热门的话题之一。移动通信的目标就是要实现无论任何人在任何时候和任何地点，都能够和任何其他人进行任何类型的信息交换。目前，国际电信联盟（ITU）接受的宽带CDMA方案有三种：WCDMA、CDMA2000以及TD-SCDMA。本文主要研究WCDMA下行链路的功率控制。文章首先介绍了移动通信的发展历史和第三代移动通信的发展状况；接下来介绍了WCDMA的相关知识和其关键技术；然后介绍功率控制的准则、分类、方法和国内外的研究现状等；最后介绍对下行功率控制的SIR参数的研究仿真，深入探讨了功率控制。在移动通信系统中，技术频带和发射功率都是有限的系统资源，如何更好地利用这些资源是所有相关技术研究的最终目标。由于要求第三代移动通信系统，是一个能支持多业务、多媒体、综合化的系统，在干扰抑制技术没有达到令人满意效果的时候，下行链路的负荷更大，前向链路将成为系统容量的瓶颈，故作为WCDMA关键技术之一的下行功率控制也就显得更加重要。随着前向链路的瓶颈问题越来越突出，对下行功率控制的要求也随之提高，所以研究下行功率控制具有很好的现实意义。关键词：3G，WCDMA，功率控制，SIRIIResearch and simulation about power control in WCDMA mobile communication system Abstract With the development of society, the scope of human political and economic activities are trend to expand and efficiency continues to improve, there has been a corresponding increase in demand for communication service. A new generation of mobile communications is personal communications, also known as third generation mobile communication system. This is one of the most popular topics among the field of communications, the goal is to achieve whoever at whenever and wherever, will be able to carry out whatever information with whomever . Currently, the International Telecommunication Union(ITU) accepted three types of broadband CDMA project : WCDMA、CDMA2000 and TD-SCDMA。In this paper ,the major research is WCDMA downlink power control. First ,introduced the history of the mobile communications development and development of the third generation mobile communications; Second, introduced WCDMA related knowledge and its key technologies; Third ,introduced the rules, classifications, and methods of research and domestic and foreign the research status on power control; Finally introduced the research and simulation on SIR parameters in the downlink power control ,probing into the power of control .In mobile communication system, frequency and power are limited system resource, and how to make better use of these resources is the ultimate goal of all relevant technology research. For the third generation mobile communications system must be able to support more serves, multimedia, integrated system, interference suppression technology in the absence of satisfactory ,downlink load is greater and limits the system capacity. So as one of the key technologies of WCDMA ,downlink power control becomes more important. With the problem of downlink is more and more serious, the requirements of downlink power control increase. So the research of downlink power control has good significance.Key words: 3G，WCDMA，Power control, SIR 本科生毕业设计（论文）题 目：WCDMA 移动通信中功率控制的研究与仿真 姓 名：罗健隆 学 号：1002575 学 院：物理与信息工程学院 专 业：通信工程 年 级：2002 级 指导教师： （签名）2006 年 06 月 10 日目录第一章 绪论 11.1 移动通信系统的发展历史 11.2 未来移动通信的发展前景 21.3 本论文的内容与意义 3第二章 3G 的发展与 WCDMA通信系统 42.1 3G 的发展概况 42.2 3G 与前两代通信系统的区别 52.3 第三代移动通信的系统组成及演进策略 62.4 第三代移动通信系统关键技术 72.5 WCDMA 的产生背景及标准化 9第三章 功率控制技术 143.1 功率控制概述 143.1.1 功率控制目标 143.1.2 功率控制准则 143.1.3 功率控制分类 153.2 功率控制主要影响因素及存在问题 16第四章 下行功率控制技术 184.1 下行链路功率控制的原理 184.2 WCDMA 下行功率控制技术标准 194.3 下行外环功率控制 204.4 下行内环功率控制 214.5 软切换时的功率控制 22第五章 功率控制技术的研究与仿真 235.1 功率控制的研究现状 235.2 方案比较 235.3 研究仿真 24结论 32谢辞 33参考文献 34附录 35WCDMA 移动通信中功率控制的研究与仿真- 1 -第一章 绪论1.1 移动通信系统的发展历史从移动通信的诞生到今天，移动通信已经有 100 多年的历史了。近 10 几年来，移动通信的发展极为迅速，大规模集成电路技术的不断进步，新的超大规模集成电路技术的产生和其它便携移动设备做得更小巧、更可靠。在这些新技术的推动下，无线通信技术获得了巨大的发展。同时，程控交换技术也推动了移动通信网络的迅速发展。移动通信已经广泛应用于国民经济的各个部门和人民的各个领域之中，将在新世纪对人类的生活和社会发展产生重大的影响。我国的移动通信最早应用于军事部门。建国后有几家生产无线电台的工厂，主要为部队提供通信设备。从 70 年代开始，民用移动通信在我国开始发展。1974 年制定了民用无线电话机的技术条件，简称 74 系列标准。80 年代初，又制定了 80 系列标准。目前，在我国，各种移动通信系统如蜂窝网、无线电寻呼、无绳电话和集群系统都以极快的速度在发展 1。移动通信的发展过程及趋势可以从不同的方面来描述：（1）工作频段由短波、超短波、微波到毫米波、红外和超长波；（2）频道间隔由 100kHz、50 kHz、 25 kHz 到 12.5 kHz 和宽带扩频信道；（3）调制方式由振幅压扩单边带、模拟调制到数字调制；（4）多址方式由频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）到混合多址，以及固定多址和随机多址的结合；（5）网络覆盖由蜂窝到微蜂窝、微微蜂窝和混合蜂窝；（6）网络服务范围由局部地区、大中城市到全国、全世界，并由陆地、水上、空中发展到海陆空一体化；（7）业务类型由通话为主，到传送数据、传真、静止图象，到传送综合业务。而在现实生活中，我们经常按代（Generation）来划分移动通信的发展。由此，其已经经历了第一代蜂窝移动通信系统 (1G)-模拟蜂窝移动通信和现在的第二代蜂窝移动通信系统 (2G)- 数字蜂窝移动通信系统，并向第三代迈进。模拟蜂窝网移动系统采用的是频率再用技术，实现了小区制大容量公用移动电话系统，1975 年到 1978 年，美国 AT&T 公司研制了第一套蜂窝移动电话系统，取名为先进的移动电话业务(AMPS)。我国于 1983 年规定蜂窝式移动电话系统频段为 870889.975MHz与 915935.975MHz，频道间隔为 25kHz。1990 年 8 月确定采用 TACS 制式，频段为890915MHz 与 935960MHz，双工频率间隔 45MHz。随着市场的发展，模拟蜂窝系统的频谱利用率低、价格昂贵、设备复杂、业务种类福州大学本科生毕业设计（论文）- 2 -有限、系统不兼容等问题变得越来越突出，而且还面临着阻塞概率增高、呼叫中断率增高、蜂窝系统迫切需要增容的压力。至此，新一代移动通信的出现顺应了潮流的发展。第二代移动通信（2G）起于 90 年代初期，流行于 90 年代中后期。第二代移动通信系统主要采用数字式时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）技术。其产品类型又可分为两大类，即第一类数字式 TDMA 系统和第二类数字式窄带 CDMA 系统。与（1G）相比较其在射频调制技术、多址方式、话音编码和数字信号处理、控制信道、及保密等六个方面采用了全新的数字技术，因而使得移动通信性能增强了许多。第二代系统发展到现在，也越来越暴露出其不足：(1)业务仍然较单一。第二代移动通信系统通常只提供低速率的语音业务，由于社会信息化进程越来越快，仅仅通话已不能满足人们对信息交流的需要，除话音外，数据、图像、视频等各种信息都希望能随时获取和彼此相通，多媒体服务就变得越来越必要。（2）无法实现全球漫游，由于没有形成全球统一的标准系统（欧洲建立 GSM 系统;日本建立了 JDC 系统，等等），全球统一和全球漫游无法实现，因此也无法降低系统的运营成本。(3)通信容量不足。开始是在900MHz 频段，虽然后来扩充到 1800MHz 频段了，可系统的通信容量依然不能满足市场的需要。这一切都要求移动通信系统必然要发生另一场革命第三代蜂窝移动通信系统(3G)宽带蜂窝移动通信系统第三代移动通信系统，是一种能提供多种类型，高质量、高速率的多媒体业务；能实现全球无缝覆盖，具有全球漫游能力；与其它移动通信系统、固定网络系统、数据网络系统相兼容；主要以小型便携式终端，能在任何时间、任何地点、进行任何种类通信的移动通信系统。国际电联 ITU 称为 IMT-2000。可以预见，在市场需求的不断刺激和新技术的不断涌现下，移动通信系统将会有更加迅猛的发展。1.2 未来移动通信的发展前景移动通信发展之快，应用之广和是通信领域最突出的。移动通信技术现在己经发展到了以 WCDMA、cdma2000 为代表的第三代。可以预料，在 3G 大规模商用以后，多媒体服务将会得到广泛应用。但是，随着 3G 在速率、QoS、无缝传输等方面的局限性将日益显露出来，势必需要带宽更宽的无线系统。人们已经开始认真探索第三代以后的无线移动，以便在移动环境中支持高清晰度视像和其它宽带多媒体业务与应用，暂时称之为第四代移动通信系统 4G2。移动通信是实现未来理想个人通信服务的必由之路。在信息技术、市场竞争和需求的共同作用下，移动通信技术的发展更是突飞猛进，呈现出以下几大趋势：（1）网络业务数据化、分组化。无线数据业务的主要驱动力在于用户的应用、Internet 和数据速率的发展。 （2）网络技术宽带化。 （3）网络技术智能化，移动通信需求的不断增长以及新技术在移动通信中的广泛应用，促使移动网络得到了迅速发展。移动网络由单纯地传递WCDMA 移动通信中功率控制的研究与仿真- 3 -和交换信息，逐步向存储和处理信息的智能化发展，移动智能网由此而生。 （4）更高的频段，更有效利用频率，无线电频率是一种宝贵资源。随着移动通信的飞速发展，频谱资源有限和移动用户急剧增加的矛盾越来越尖锐，出现了“频率严重短缺”的现象。解决频率拥挤问题的出路是采用各种频率有效利用技术和开发新频段。 （5）各种网络趋于融合。技术的发展、市场需求的变化、市场竞争的加剧以及市场管制政策的放松将使计算机网、电信网、电视网等加快融合为一体，宽带 IP 技术成为三网融合的支撑和结合点。未来的网络将向宽带化、智能化、个人化方向发展，形成统一的综合宽带通信网。1.3 本论文的内容与意义功率控制技术是 3G 的关键技术之一，对整个系统有非常重要的意义：我们知道码分多址 CDMA 与频分多址 FDMA 相比较，具有容量大、低功率、软切换、抗干扰强等一系列优点。但是，在 CDMA 系统中所有的用户使用相同频段的无线信道，用户间仅靠地址扩频码的不同（它们之间的相关特性）加以区分。若用户间的互相关特性不为零，则用户间存在干扰，我们称之为多址干扰。同时由于 CDMA 系统为一干扰受限系统，即干扰大小影响系统容量。因此有效克服和抑制多址干扰就成为 CDMA 系统中最重要、最关键的问题。除了多址干扰本身影响直接以外，在上行链路中，如果保持小区内所有移动台的发射功率相同，由于小区内移动台用户的随机移动，使得移动台与基站间的距离是不同的，离基站近的移动台的信号强，离基站远的移动台的信号弱。将会产生以强压弱的现象，这就是所谓的“远近效应”。在下行链路中，当移动台位于相邻小区的边界时，收到所属基站的有用信号很低，同时还会收到相邻小区基站的强干扰，这就是所谓“角效应”。除此之外，电波传输中由于物体的阻挡，形成“阴影效应”产生了慢衰弱。这些现象将会导致系统容量的下降和实际通信服务范围的缩小等。解决这些问题的一个有效方法是采用功率控制技术。因此可以认为，功率控制技术是 CDMA 系统的一项核心技术。本文通过对功率控制的理论研究及仿真，从而可以清楚的认识到功率控制对 WCDMA系统的重要性，从而，对 WCDMA 系统原理和其关键技术功率控制有更深刻的认识。福州大学本科生毕业设计（论文）- 4 -第二章 3G 的发展与 WCDMA 通信系统2.1 3G 的发展概况由于 3G 是以 CDMA 为基础发展而来的，有必要先谈谈 CDMA 的发展。1949 年，Claude Shannon 等人首次给出了 CDMA 框架，1956 年，Price 和 Green 提出 RAKE 接收机的概念，1978 年 Cooper 等人给出在蜂窝移动通信系统中采用 CDMA 的建议。可以说 CDMA 技术由来已久，但在当时，CDMA 或者确切地说扩频技术除了应用在军事领域外，还找不到更好的应用 3。上个世纪 80 年代可以说是移动通信发展的重要时期，因为这个时候几乎同时萌芽了两种重要的移动通信体制：一种是 TDMA 体制，另一种是 CDMA 体制。1987 年，欧洲确立了下一代移动通信体制将以 TDMA 技术为主，谈到 CDMA 时则认为是几乎无法实现的体制，国内的技术评论和分析也大致给出了相似的结论，TDMA 的研究开发热情最终导致一个几乎被全球接收的 GSM 和其它类似系统如 DAMPS 和 PDC。而几乎与此同时，一家美国的公司Quallcomm 则坚定地研究 CDMA 技术，在当时，力量显得非常微弱，1989 年 Quallcomm 进行了首次 CDMA 试验，并在以后的几年中验证了两项 CDMA 关键技术：功率控制和软切换，随后通过网络运营说明 CDMA 的可行性。90 年代中后期 CDMA 研究、开发热潮正式来临，就连老牌的 TDMA 设备制造商 Ericcson 也在 3G 中支持 CDMA 技术，NOKIA 很早就在积蓄CDMA 力量，因此出现这样的局面，在 3G 标准化进程中 CDMA 成了主流技术。第三代移动通信系统简称 3G，被国际电联称为 IMT-2000，意指在 2000 年开始商用并工作在 2000MHz 频段上的国际移动通信系统。IMT-2000 的标准化工作开始于 1985 年，当时被国际电联称为未来陆地移动通信系统（FPLMTS），1996 年更名为 IMT-2000，在欧洲被称为通用移动系统（UMTS）。3G 网络是以无线媒质作为接入和传输手段的个人通信网，包括高密度慢速移动通信、高速远距离移动通信以及卫星移动通信等，它是第二代数字移动通信系统发展的必然趋势，必将推动移动通信产业的巨大发展。据 UMTS 会议估计，到 2010 年欧洲大约有 60%的业务由移动多媒体的应用来完成。同时，全世界范围内移动数据通信也将有相应的增加，预计在下一个五年中，每一年的增长率为 70%左右。多媒体应用使用诸如语音、音频/视频、图形、数据与电子邮件、电路交换与分组数据业务等等类似的业务，它们受到无线接口和网络子系统的支持。近几年来 Internet 业务呈指数规律的迅猛增长成为驱动数据业务发展的一个主要因素。第三代移动通信系统(IMT - 2000/UMTS)中，不同的业务需求是通过频分双工(FDD)与时分双工(TDD)的相互结合来提高频谱利用率而得以实现的。FDD 在很大范围内主要支持对称业务，而 TDD 则适用非对称业务。只有将这两种模式结合在一起才能够为第三代通信网络提供最高的效率和最大的灵活性。第三代系统是为多媒体通信设计的:通过该系统提供高质量图像和视频，人与人WCDMA 移动通信中功率控制的研究与仿真- 5 -之间的通信能力进一步增强，而第三代系统所带来的更新、更灵活的通信能力和更高的数据速率使得公用网和专用网上的信息与业务的接入能力大大增强。与第三代蜂窝移动通信系统密切联系的 IMT-2000 标准不但要满足多速率、多环境、多业务的要求，而且还应能将现存的通信系统集成为统一的可替代的系统，因此它能够实现下列基本目标:(1)统一的全球标准。下一代移动通信系统即便不能形成统一的全球标准，但也要实现兼容的标准，从而实现全球漫游。目前，WCDMA 和 CDMA2000 基本上得到多方认可.但在中国，时分空分码分多址(TD-SCDMA)仍可能作为重点加以发展。只有用户不再被限制于一个地区或者网络，才是真正意义上的随时随地个人通信。(2)具备多媒体传输能力。未来的移动系统能够在低速移动的情况下，实现综合慢速视像业务的传输，支持的最高传输速率达到 2Mbps（3）增加分组交换业务。第二代移动通信系统停留在传统的电路交换模式，在信道效率方面相对较低。在第三代移动通信系统中，电路交换和分组交换将共同存在，提高传输的灵活性和信道效率。(4)增加非对称传输模式。由于新的数据业务，比如 www 浏览等，具有固有的非对称特性，上行传输往往只需要几千比特每秒，而下行却需要上兆比特每秒才能满足需要。而第二代移动通信系统只支持对称业务。(5)加强的数据能力。未来的移动通信系统在 www 浏览和数据传送方面的能力，比之第二代系统将有极大的提高，最高的数据传送速度达到 2Mbps。 (6)更好的传输质量。未来的移动通信系统使得传输质量达到或者接近有线系统的传输质量，可以为车载用户提供 144kbps，为行人提供 384 kbps，为室内用户提供高达 2 Mbps 的传输速率。(7)提高电池的使用寿命。低功耗集成技术对于移动终端是非常重要的。(8)更高的频谱效率。通过软切换、快速精确的功率控制、相干检测、RAKE 合并接收、智能天线系统等新技术的应用，有效地提高新系统的频谱效率。(9)更高的信道效率。混合接入，特别是考虑到空间多址的基于智能天线的接入技术，必将有效改善系统的信道效率 4。2.2 3G 与前两代通信系统的区别第三代移动通信区别于现有的第一代和第二代移动通信系统，其主要特点概括为 5： （1）全球普及和全球无缝漫游的系统：第二代移动通信系统一般为区域或国家标准，而第三代移动通信系统将是一个在全球范围内覆盖和使用的系统。它将使用共同的频段，统一全球标准。 （2）具有支持多媒体业务的能力，特别是支持 Internet 业务：现有的移动通信系统主要以提供话音业务为主，随着发展一般也仅能提供 100kb/s-200kb/s 的数据业务，GSM 演进到最高阶段的速率能力为 384kb/s。而第三代移动通信的业务能力将比第二代有明显的改进。它应能支持从话音到分组数据到多媒体业务；应能根据需要，提供带宽。ITU 规定的第三代移动通信无线传输技术的最低要求中，必须满足在以下三个环境的三种福州大学本科生毕业设计（论文）- 6 -要求。即:快速移动环境，最高速率达 144kb/s室外到室内或步行环境，最高速率达 384kb/s室内环境，最高速率达 2Mb/s （3）便于过渡、演进：由于第三代移动通信引入时，第二代网络已具有相当规模，所以第三代的网络一定要能在第二代网络的基础上逐渐灵活演进而成，并应与固定网兼容。 （4）高频谱效率。 （5）高服务质量。 （6）高保密性。（7）低成本。2.3 第三代移动通信的系统组成及演进策略IMT-2000 系统构成见图 2-1，它主要有四个功能子系统构成，即核心网(CN)、无线接入网(RAN)、移动台(MT)和用户识别模块(UIM)组成。分别对应于 GSM 系统的交换子系统(SSS)、基站子系统(BSS)、移动台(MS)和 SIM 卡 6。图 2-1 IMT-2000 功能模型及接口另外 ITU 定义了 4 个标准接口，即: 网络与网络接口(NNI) ：由于 ITU 在网络部分采用了“家族概念” ，因而此接口是指不同家族成员之间的标准接口，是保证互通和漫游的关键接口。 无线接入网与核心网之间的接口(RAN-CN)，对应于 GSM 系统的 A 接口。 无线接口(UNI) 用户识别模块和移动台之间的接口(UIM-MT)WCDMA 移动通信中功率控制的研究与仿真- 7 -图 2-2 第三代移动通信系统分层结构图 2-2 示出了第三代移动通信系统的分层结构，其中： 物理层：它由一系列下行物理信道和上行物理信道组成。 链路层：它由媒体接入控制（MAC）子层和链路接入控制（LAC）子层组成；MAC 子层根据 LAC 子层不同业务实体的要求对物理层资源进行管理与控制，并负责提供 LAC子层业务实体所需的 QoS 级别。LAC 子层与物理层相对独立的链路管理与控制，并负责提供 MAC 子层所不能提供的更高级别的 QoS 控制，这种控制可以通过 ARQ 等方式来实现，以满足来自更高层业务实体的传输可靠性。 高层：它集 OSI 模型中的网络层，传输层，会话层，表达层和应用层为一体。高层实体主要负责各种业务的呼叫信令处理，话音业务（包括电路类型和分组类型）和数据业务（包括 IP 业务，电路和分组数据，短消息等）的控制与处理等。2.4 第三代移动通信系统关键技术(1)初始同步与 Rake 多径分集接收技术CDMA 通信系统接收机的初始同步包括 PN 码同步，符号同步、帧同步和扰码同步等。cdma2000 系统采用与 IS-95 系统相类似的初始同步技术，即通过对导频信道的捕获建立PN 码同步和符号同步，通过同步(Sync)信道的接收建立帧同步和扰码同步。WCDMA 系统的初始同步则需要通过“三步捕获法”进行，即通过对基本同步信道的捕获建立 PN 码同步和符号同步，通过对辅助同步信道的不同扩频码的非相干接收，确定扰码组号等，最后通过对可能的扰码进行穷举搜索，建立扰码同步 7。移动通信是在复杂的电波环境下进行的，如何克服电波传播所造成的多径衰落现象是移动通信的另一基本问题。在 CDMA 移动通信系统中，由于信号带宽较宽，因而在时间上可以分辨出比较细微的多径信号。对分辨出的多径信号分别进行加权调整，使合成之后的信号得以增强，从而可在较大程度上降低多径衰落信道所造成的负面影响。这种技福州大学本科生毕业设计（论文）- 8 -术称为 Rake 多径分集接收技术。为实现相干形式的 Rake 接收，需发送未经调制的导频(Pilot)信号，以使接收端能在确知已发数据的条件下估计出多径信号的相位，并在此基础上实现相干方式的最大信噪比合并。WCDMA 系统采用用户专用的导频信号，而 cdma2000 下行链路采用公用导频信号，用户专用的导频信号仅作为备选方案用于使用智能天线的系统，上行信道则采用用户专用的导频信道。Rake 多径分集技术的另外一种极为重要的体现形式是宏分集及越区软切换技术。当移动台处于越区切换状态时，参与越区切换的基站向该移动台发送相同的信息，移动台把来自不同基站的多径信号进行分集合并，从而改善移动台处于越区切换时的接收信号质量，并保持越区切换时的数据不丢失，这种技术称为宏分集和越区软切换。WCDMA 系统和 cdma2000 系统均支持宏分集和越区软切换功能。(2)高效信道编译码技术第三代移动通信的另外一项核心技术是信道编译码技术。在第三代移动通信系统主要提案中（包括 WCDMA 和 cdma2000 等） ，除采用与 IS-95 CDMA 系统相类似的卷积编码技术和交织技术之外，还建议采用 Turbo 编码技术及 RS-卷积级联码技术。Turbo 编码器采用两个并行相连的系统递归卷积编码器，并辅之以一个交织器。两个卷积编码器的输出经并串转换以及凿孔(Puncture)操作后输出。相应地，Turbo 解码器由首尾相接、中间由交织器和解交织器隔离的两个以迭代方式工作的软判输出卷积解码器构成。虽然目前尚未得到严格的 Turbo 编码理论性能分析结果，但从计算机仿真结果看，在交织器长度大于 1000、软判输出卷积解码采用标准的最大后验概率(MAP)算法的条件下，其性能比约束长度为 9 的卷积码提高 1 至 2.5dB。目前 Turbo 码用于第三代移动通信系统的主要困难体现在以下几个方面：（1）由于交织长度的限制，无法用于速率较低、时延要求较高的数据（包括语音）传输；（2）基于 MAP 的软输出解码算法所需计算量和存储量较大，而基于软输出 Viterbi 的算法所需迭代次数往往难以保证；（3Turbo 编码在衰落信道下的性能还有待于进一步研究。RS 编码是一种多进制编码技术，适合于存在突发错误的通信系统。RS 解码技术相对比较成熟，但由 RS 码和卷积码构成的级联码在性能上与传统的卷积码相比较提高不多，故在未来第三代移动通信系统采用的可能性不大。(3)智能天线技术从本质上来说，智能天线技术是雷达系统自适应天线阵在通信系统中的新应用。由于其体积及计算复杂性的限制，目前仅适应于在基站系统中的应用。智能天线包括两个重要组成部分，一是对来自移动台发射的多径电波方向进行到达角(DOA)估计，并进行空间滤波，抑制其它移动台的干扰。二是对基站发送信号进行波束形成，使基站发送信号能够沿着移动台电波的到达方向发送回移动台，从而降低发射功率，减少对其它移动台的干扰。智能天线技术用于 TDD 方式的 CDMA 系统是比较合适的，能够起到在较大程度上WCDMA 移动通信中功率控制的研究与仿真- 9 -抑制多用户干扰，从而提高系统容量的作用。其困难在于由于存在多径效应，每个天线均需一个 Rake 接收机，从而使基带处理单元复杂度明显提高。(4)多用户检测技术在传统的 CDMA 接收机中，各个用户的接收是相互独立进行的。在多径衰落环境下，由于各个用户之间所用的扩频码通常难以保持正交，因而造成多个用户之间的相互干扰，并限制系统容量的提高。解决此问题的一个有效方法是使用多用户检测技术，通过测量各个用户扩频码之间的非正交性，用矩阵求逆方法或迭代方法消除多用户之间的相互干扰。从理论上讲，使用多用户检测技术能够在极大程度上改善系统容量。但一个较为困难的问题是对于基站接收端的等效干扰用户等于正在通话的移动用户数乘以基站端可观测到的多径数。这意味着在实际系统中等效干扰用户数将多达数百个，这样即使采用与干扰用户数成线性关系的多用户抵消算法仍使得其硬件实现显得过于复杂。如何把多用户干扰抵消算法的复杂度降低到可接受的程度是多用户检测技术能否实用的关键。(5)功率控制技术在 CDMA 系统中，由于用户共用相同的频带，且各用户的扩频码之间存在着非理想的相关特性，用户发射功率的大小将直接影响系统的总容量，从而使得功率控制技术成为CDMA 系统中的最为重要的核心技术之一。常见的 CDMA 功率控制技术可分为开环功率控制、闭环功率控制和外环功率控制三种类型。开环功率控制的基本原理是根据用户接收功率与发射功率之积为常数的原则，先行测量接收功率的大小，并由此确定发射功率的大小。开环功率控制用于确定用户的初始发射功率，或用户接收功率发生突变时的发射功率调节。开环功率控制未考虑到上、下行信道频段的不对称性，因而其精确性难以得到保证。闭环功率控制可以较好地解决此问题，通过对接收功率的测量值及与信干比门限值的对比，确定功率控制比特信息，然后通过信道把功率控制比特信息传送到发射端，并据此调节发射功率的大小。外环功率控制技术则是通过对接收误帧率的计算，确定闭环功率控制所需的信干比门限。外环功率控制通常需要采用变步长方法，以加快上述信干比门限的调节速度。在 WCDMA 和cdma2000 系统中，上行信道采用了开环、闭环和外环功率控制技术，下行信道则采用了闭环和外环功率技术。但两者的闭环功率控制速度有所不同，前者为每秒 1500 次，后者为每秒 800 次。第三代移动通信系统面临的问题有:多径衰减;时延扩展;多址干扰;远近效应;体制问题。3G 系统必须兼容前两代系统，而且将来能够平滑过渡到第四代移动通信系统，甚至个人通信的最高目标，但是当前，第一代和第二代系统的种类繁多，标准和体制多种多样，因此，如何使 3G 系统起到一个承上启下的作用，也是一个有待解决的问题。2.5 WCDMA 的产生背景及标准化福州大学本科生毕业设计（论文）- 10 -在欧洲，在选择第三代技术之前就已经进行了长期的研究工作。1998 年欧洲先进通信技术研究计划 RACE I（Research of Advanced Communication Technologies in Europe）开始了第三代基础研究工作。随后的 RACE II 计划在 19921995 年间开发了基于 CDMA 的 CODIT（Code Division Testbed ,码分测试床）和基于 TDMA 的高级时分多址移动接入空中接口。此外，欧洲的其他一些工程中也对宽带空中接口的提议进行了研究 8。为了支持移动通信的研究和开发，欧洲研究计划 ACTS（Advanced Communication Technologies and Service）于 1995 年底启动。 ACTS 制定了 FRAMES（Future Radio Wideband Multiple Access System）计划，其目的是为 UMTS 无线接入系统定义一个提案。FRAMES 中主要的产业合作伙伴有诺基亚、西门子、爱立信等。基于 FRAMES 中的初期建设评估阶段的工作，定义了一个包容了众多意见的多址平台，包括两种模式：FMA1宽带 TDMA，FMA2宽带 CDMA。在日本，ARIB（Association for Radio Industries and Business,无线电产业与商业联合会）对基于 WCDMA、WTDMA、OFDMA 三种不同技术的第三代系统进行了评估。日本的 WCDMA 技术同欧洲 ETSI 考虑的很相似。1997 年。ARIB 的选择结果是 WCDMA 方案，包括 FDD 和 TDD 两种工作模式。在韩国，电信技术协会（Telecommunication Technology Association ,TTA）采纳了一种“双轨”方式来开发第三代 CDMA 技术。他们开发的 TTA1 和 TTA2 空中接口建议（后来分别改名为全球 CDMA1 和全球 CDMA2）分别基于异步和同步 CDMA 技术。TTA1WCDMA类似于 ETSI、ARIB 和 T1P1 中的 WCDMA 技术；TTA2 则类似于 TR45.5 中的 cdma2000。美国存在着多种第二代技术，其中应用最广泛的数字系统是基于 GSM-1900、US-TDMA（D-AMPS） 、US-CDMA（IS-95）标准的，而且也已经为所有这些技术定义了一种向第三代演进的自然路径。此外，TR46.1 标准化委员会还制定了一个与第二代系统没有直接关系的第三代 CDMA 提案，即 WIMS W-CDMA。1999 年后半年，CWTS（China Wireless Telecommunication Standard Group,中国无线通信标准研究组）也加入到 3GPP 中来并贡献了 TD-SCDMA 技术一种基于 TDD 的CDMA 第三代技术。世界上的几个不同的地区都在进行着类似技术的标准化，很显然，在这种各地区工作各自并行展开的环境下，要想为保证设备的全球兼容性而获得一致的规范是非常困难的。此外，在各个不同地区讨论这些相似的问题对参与的厂商来说是一种资源的浪费。因此，建立一个单一的 WCDMA 标准的论坛来制定共同的 WCDMA 规范的动议就应运而生。CDMA 技术中的 WCDMA、TD-SCDMA 技术初期将采用基于 GSM/MAP 的核心网，最终过渡到第三代的核心网；而 cdma2000 核心网的演进则是基于 IS-41 及正在完善的 IS-634 RAN-CN 接口标准。WCDMA 移动通信中功率控制的研究与仿真- 11 -图 2-3 GSM/WCDMA 网络演进形态图 2-3 给出了一种可能的 GSM/WCDMA 网络演进形态，它建立在已有的 GSM/MAP 和正在发展中的 GSM 通用分组无线业务(GPRS)网的基础上。WCDMA 的物理层技术标准：WCDMA 方案包括 FDD 与 TDD 两种工作方式。前者工作在覆盖面积较大的范围内，提供中、低速业务；后者主要侧重在业务繁重的小范围内，提供高至 2Mbps 的业务。下面仅就 FDD 方式进行讨论 9。基本参数：WCDMA 工作频段：19201980MHz 频段分配给 FDD 上行链路使用；21102170MHz 频段分配给 FDD 下行链路使用；19001920MHz 频段由于在高频段没有相应的镜像频段，被分配给 TDD 双工方式使用。基本标称带宽 5MHz，但其实际值可以以 200kHz 为步长，根据需要在 4.45.2MHz 之间调整。基本带宽可以扩展至 1020MHz。基本扩频码速率 4.096Mcps，它也可以扩展到 8.19216.384MHz。帧长 10ms，每帧包含 16 个时隙，每时隙 0.625ms，代表一个功控周期。信道结构：WCDMA 信道可分为专用信道和公共信道两大类。专用信道包括：业务信道、独立专用控制信道、伴随专用控制信道。公共信道包括：广播控制信道、前向接入信道、伴随专用控制信道。这些信道通过不同的方式映射到相应的物理信道，下面我们分别对上下行链路进行介绍。（1）上行链路上行链路专用物理信道分为：专用物理数据信道（DPDCH）和专用物理控制信道（DPCCH） 。公用物理信道为物理随机接入信道（PRACH） 。专用物理信道：上行链路专用物理数据信道用来承载第二层和更高层的专用数据。专用物理控制信道用来承载第一层产生的控制信息，包括：用于信道估计的导频信号（Pilot） ；功率控制信号（TPC）以及传送格式指示比特（TFI） 。上行链路专用物理信道帧结构如图 2-4 所示。每帧 10ms，分成 16 个时隙。72 个连接的帧组成一个超帧，时长 720ms。福州大学本科生毕业设计（论文）- 12 -图 2-4 上行链路 DPDCH/DPCCH 帧结构公共物理信道：上行链路公共物理信道只有一种：物理随机接入信道（PRACH） 。移动台仅在相对于所在小区广播控制信道帧边界的一系列给定时间偏置处发起接入尝试。这样的时间偏置称为接入时隙。每个接入时隙都会与别的接入时隙之间有 1.25ms 的时间间隔，以防止接入尝试的相互碰撞。本小区中哪些接入时隙可用的消息在广播控制信道中发布。每个接入时隙随机接入突发的结构如下图 2-5 所示 10。图 2-5 随机接入突发结构接入突发由长度为 1ms 的前导部分和长度为 10ms 的消息部分组成。两部分之间为0.25ms 的空闲时隙。其中前导部分是由 16 个复数符号 A 或-A（A=1+j，这里 j 是虚部的标记）组成特征序列，共有 16 个不同的这样的序列。在一个小区中，哪些特征序列可以使用的消息通过基站下行信道予以广播。消息部分由数据部分（对应于 DPDCH）和第一层控制信息部分（对应于 DPCCH）组成，这两部分是通过两条物理信道并行发送的。控制信息部分时隙由 TPC，TFI 和 Pilot 组成。数据部分时隙由 16 比特的移动台识别码，3 比特的所要求服务类型指示码，可选的用户短信息包，8 比特的循环冗余比特组成。（2）下行链路下行链路物理信道由专用物理数据信道（DPDCH）和专用物理控制信道（DPCCH） ，基本公共控制物理信道（Primary CCPCH） ，基本公共控制物理信道（Primary CCPCH）和辅助公共控制物理信道（Secondary CCPCH）组成。专用物理信道的功能与上行链路相同。基本公共物理控制信道用来承载广播控制信道（BCCH） ，辅助公共控制物理信道用来承载前向接入信道（FRACH） ，寻呼信道（PCH）和同步信道（SCH） 。专用物理数据信道：下行链路专用物理信道是 DPCCH 和 DPDCH 的时分复用。第二层WCDMA 移动通信中功率控制的研究与仿真- 13 -及高层的数据与第一层的控制信息（TPC，TFI，Pilot）通过时分复用复用到同一条信道上。其帧结构如图 2-6。图 2-6 下行链路 DPCH 时隙结构同样，下行链路 DPCH 一帧也是由 16 个 0.625ms 的时隙组成的，帧长为 10ms。72 个连续的帧组成一个超帧。当总的比特率大于一条物理信道所能承载的最大码速率时，可采用多码传输的方法，即在下行链咱发送多个并行的相同的物理信道。此时，第一层控制信息只需要在第一条物理信道发送，其它物理信道在相应的时间段中不发送任何信息。多码传输的另一种方法是每个发送的物理信道的扩频增益不同。因此，此时每条物理信道都需要发送第一层的控制信息。基本公共控制物理信道：Primary CCPCH 承载 BCCH，它的码速是固定的，为32kbps。其帧结构与下行链路 DPCH 的差别是它不包含 TPC 和 TFI，只包含 Pilot 和DATA。每时隙有 8 比特的 Pilot 和 12 比特的 DATA。辅助公共控制物理信道：Secondary CCPCH 承载 FACH 和 PCH，FACH 和 PCH 分别映射到不同的 Secondary CCPCH。Secondary CCPCH 码速是恒定的。但这里的恒定，只是对一条 Secondary CCPCH 而言。对不同的辅助公共控制物理信道，它的码速是可以不同的，以适应不同的 FACH 和 PCH 容量。Secondary CCPCH 和 Primary CCPCH 的主要区别是前者的码速对不同信道是不同的，虽然在同一信道中是恒定的，后者码速对每个小区都是相同的；并且前者是在有数据时才发送，且可能只在某个方向发送，前者在整个小区连续发射的。同步信道由两个子信道组成；基本同步信道和辅助同步信道。可见，上下行链路有很大不同，下行链路专用数据信道和专用控制信道是时分复用的，而上行链路专用数据信道和专用控制信道是并行发送的。福州大学本科生毕业设计（论文）- 14 -第三章 功率控制技术3.1 功率控制概述3.1.1 功率控制目标功率控制是采用相关接收技术的 CDMA 移动通信系统中克服“边缘问题”和“远近效应” ，从而提高系统容量的有效方法。此外，CDMA 移动通信系统中通信链路的建立和用户所需要的 QoS 的维护在很大程度上依赖于功率控制技术 11。功率控制技术就是控制发射端的发射功率，减少小区间的干扰，补偿无线信道衰落，防止功率攀升、满足通信质量要求下尽量减少发射功率，使得 CDMA 移动通信系统具有（1）功率消耗最少，延长移动台电池的寿命；（2）降低干扰，最大化系统容量；（3）保证通信链路要求的通信质量，支持对通信质敏感的多媒体业务。在 WCDMA 系统中，作为无线资源管理的功率管理是非常重要的环节。这是因为在WCDMA 系统中，功率是最终的无线资源，一方面，提高针对用户的发射功率能够改善用户的服务质量；另一方面，WCDMA 采用宽带扩频技术，所有信号共享相同的频谱，每个移动台(用户)的信号能量被分配在整个频带范围内，这样对其他移动台来说就成为宽带噪声，这种提高会带来对其他用户接收质量的降低。且各用户的扩频码之间存在着非理想的相关特性，用户发射功率的大小将直接影响系统的总容量，所以功率的使用在 WCDMA 系统是矛盾的，从而使得功率控制技术成为 WCDMA 系统中的最为重要的关键技术之一。因此如何有效的进行功率控制，在保证用户要求的服务质量(QoS)的前提下，最大程度降低发射功率，减少系统干扰，增加系统容量，是 WCDMA 关键技术中的关键。2G 和 3G 功率控制的区别在于:(1) GSM 功率控制速率要慢得多，采用频率约为 2Hz 的慢速功率控制，WCDMA 采用频率为 1. 5kHz 的快速功率控制;(2) GSM 对功率控制依赖程度低，而 WCDMA 若没有功率控制则几乎无法工作3.1.2 功率控制准则功率控制准则是指功率控制的基本依据，从原理上看，功率控制准则可以大致分为:功率平衡准则、信干比平衡准则两大类，也有人提出误码率平衡准则 12。（1）功率平衡准则功率平衡准则是指经过功率控制后在接收端收到的有用信号功率相等，对于上行链路，功率平衡的目标是使各个移动台到达基站的信号功率相等;对于下行链路，目标则是WCDMA 移动通信中功率控制的研究与仿真- 15 -各个移动台接收到基站的有用信号功率相等。（2）信干比(SIR)平衡准则SIR 平衡是指接收到的信号干扰比相等，对于上行链路，SIR 平衡的目标是使基站接收到的各个移动台信号干扰比 SIR 相等;对于下行链路，SIR 平衡的目标是使各个移动台接收到的基站信号的信号干扰比相等。基于功率平衡准则的功率控制方法易于实现，但是性能不如基于 SIR 平衡的功控准则;而 SIR 平衡准则在上行链路中有可能导致正反馈，从而使系统失去稳定性。在 WCDMA系统中，功率控制准则采用了 SIR 平衡准则与误帧率(FER)相结合的方法，即准则是选用SIR 平衡准则，但是 SIR 的目标函数也就是参考阈值则是由 FER 决定的。3.1.3 功率控制分类功率控制是为每一个无线信道提供尽量小、但是足够高的功率以满足业务的传输质量要求(基于信噪比)。由于反向导频信号水平难以进行有效的开环功率控制，因此前向链路一般采用基于移动台的导频强度测量报告来分配接入初期的发射功率，等到接入完成后采用闭环功率控制 13。开环功控是指移动台和基站间不需要交互信息而根据接收信号的好坏减少或增加功率的方法一般用于在建立初始连接时,进行比较粗略的功率控制,开环功控目标值的调整速度典型值为 10100Hz开环功控是建立在上下行链路具有一致的信道衰落的基础之上的,然而 WCDMA 系统是频分双工(FDD)的,上下行链路占用的频带相差 190MHz,远远大于信道的相关带宽,因此上下行链路的衰落情况是不相关的所以,开环功控的控制精度受到信道不对称的影响,只能起粗控的作用。闭环功控是指移动台和基站之间需要交互信息而采用的功率控制方法前向闭环功控中,基站根据移动台的请求及网络状况决定增加或减少功率;反向闭环功控中,移动台根据基站的功率控制指令增加或减少功率闭环功控的主要优点是控制精度高,也是实际系统中常采用的精控手段其缺点是从控制命令的发出到改变功率,存在着时延,当时延上升时,功控性能将严重下降同时还存在稳态误差大占用系统资源等缺点外环功控的目的是保证通信质量在一定的标准上,而此标准的提出是为了给内环功率控制提供足够高的信噪比要求具体实现过程是根据统计接收数据的误块率(BLER),为内环功控提供目标 SIR,而目标 SIR 是同业务的数据速率相关联的外环功控的速度比较缓慢,因此外环功控又称为慢速功控,一般是每 10100ms 调整一次内环功控用来补偿由于多径效应引起的衰落,使接收到的 SIR 值达到由外环功控提供的目标 SIR 值 同外环功控相比,内环功控的速度一般较快,WCDMA 系统为 1500Hz,因此内环功控又称为快速功控集中式功控根据接收到的信号功率和链路预算来调整发射端的功率,以使接收端的SIR 基本相等 其最大的难点是要求系统在每一时刻获得一个归一化的链路增益矩阵,这在福州大学本科生毕业设计（论文）- 16 -用户较多的小区内是较难实现的分布式功控首先是在窄带蜂窝系统中提出来的,它通过迭代的方式近似地实现最佳功控,而在迭代的过程中只需各个链路的 SIR 即可即使对 SIR 的估计有误差,分布式平衡算法仍是一种有效的算法对于 WCDMA 系统,当不考虑 SIR 估计误差时,分布算法非常有效,但是当 SIR 估计存在误差时,分布式 SIR 平衡算法有可能不再收敛于一个平衡 SIR随 SIR 误差的增加,系统的性能很快下降下行快速功率控制就是实现合理分配前向业务信道功率，在保证通讯质量的前提下，使其对相邻基站/扇区产生的干扰最小，也就是使前向信道的发射功率在满足移动台解调最小需求信噪比的情况下尽可能小。通过调整，既能维持基站同位于小区边缘的移动台之间的通信，又能在较好的通信传输特性时最大限度地降低前向发射功率，减少对相邻小区的干扰，增加下行链路的相对容量。下行快速功率控制分为下行外环功率控制和下行闭环功率控制。在外环启动的情况下，两种功率控制机制共同起作用，达到下行快速功率控制的目标。3.2 功率控制主要影响因素及存在问题影响功率控制精度和稳定性的因素主要包括以下几个方面:(1)控制速度：功率控制速度就是控制周期的倒数。功控速度越快，则能跟踪补偿更快的衰落。但是功率周期越短，在此期间测量到的信干比均值涨落越大，造成发射功率起伏增大，影响控制稳定性。同时，缩短信号测量周期会降低信号质量均值间的相关性，这样要求降低控制延时，否则无法对信道做出正确估计。(2)控制延时：实际系统中功率控制总会存在延时，而无线移动系统的信道是一个时变的信道，时变的信道参数具有复杂的相关特性。因此功率控制实际上是一种预测控制。延时越长，信道参数相关性越差，预测的精确性就越低。因此功率控制算法必须考虑实际延时的影响，否则控制性能难以保证。(3)信道估计与预测：由于功率控制是典型的预测控制，需要对信道参数精确的预测和估计。因此高效的功率控制需要准确信道估计和预测参数。(4)误帧率与信号信干比关系：实际系统中，用户业务质量是通过误帧率(误块率)来反映的，而误帧率(误块率)受信号信干比、多径状况、移动台速度、编码调制技术等共同作用。在现代功率控制中，分别采用误帧率(误块率)和信干比作为外环和内环功率控制的判决指标，如何确定误帧率与信号信干比在各种条件下的变化关系影响到功率控制算法的稳定性和精确性 14。功率控制存在的问题及解决方法：(1)功率控制命令的传输速率快速功率控制可以补偿快衰落，而慢速功率控制可以补偿路径损耗和阴影衰落。由WCDMA 移动通信中功率控制的研究与仿真- 17 -于测量时延、功率控制命令信令以及接收机中对控制命令的处理产生时延等原因，在移动台高速移动时很难跟踪快衰落，功控的结果就很不理想。有结果表明，快速功率控制对移动速度较低的用户的控制效果比对高速移动用户的控制效果要好。(2)功率峰值问题为了满足接收端对信号的要求，在功控下，发射功率会出现一些峰值。我们都知道，无论上行，还是下行链路，过高的发射功率会使系统内部相互之间的干扰增加，从而降低容量。软切换提供了更多的分集， 并降低了小区间干扰。因此采用软切换、分集技术和功控相结合，就可改善这种情况，发射端的功率波动就很小。(3)下行链路功率漂移问题当某一移动台处在软切换状态中时，它要对和它