移动通信系统中的功率控制技术研究

移动通信系统中的功率控制技术研究摘要；在阐述功率控制在移动通信系统中的发展过程的基础上，着重研究了 3G 通信系统的功率控制技术，最后对功率控制未来的研究方向做了简要说明关键词；语音激活技术 反向功率控制 闭环功率控制 I 外环功率控制引言在移动通信系统中，功率控制技术对保证系统的 QOS 提高系统容量有着至关重要的作用。功率控制技术随着移动通信系统的发展也在不断的演进，在第二代移动通信系统中采用的语音激活技术是基于用户发射机发射功率随用户语音的大小，强弱，有无来对发射机进行的输出功率调整，从而大大增加了系统容量，为了补偿路径损耗和阴影衰弱在 GSM 系统中采用了频率大约为 2HZ 的慢速功率控制。随着 CDMA 系统的发展更多的转向克服“远近效应”的研究。移动通信系统的特点移动通信系统是在复杂的干扰环境中运行的采用多信道共用技术，在一个无线小区内，同时通信者会有成百上千，基站会有多部收发信机同时在同一地点工作，会产生许多干扰信号，还有各种工业干扰和认为干扰。归纳起来有通道干扰、互调干扰、邻道干扰、多址干扰等，以及近基站强信号会压制远基站弱信号，这种现象称为“远近效应” 。功率控制 power control 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。移动通信系统中的功率控制技术无线城域网(IEEE802.16)标准是一种高带宽、低投入、且覆盖范围广的无线通信技术,在宽带无线接入市场具有重要的应用前景。功率控制是一种无线资源管理技术,在无线城域网系统中,采用功率控制技术可以降低无线系统的同频道干扰并节约终端能量,从而增加系统容量,在无线通信系统中起着非常重要的作用。如何将功率控制技术应用于无线城域网,同时在一定复杂度的情况下使功率控制技术发挥最大的作用,是无线城域网中的重要研究课题。针对上述情况,论文主要有以下工作:在理解无线通信系统中功率控制技术各种算法与准则的基础上,分析了每种算法的特点和对系统性能的影响,指出了影响功率控制性能的因素。 对 WiMAX 系统功率控制机制中的上行开环、上行闭环功率控制算法进行了总结和深入研究。综合考虑两种算法的优缺点,针对提高精确度、降低时延这一优化目标,得出一种实用的上行开环/闭环相结合的功率控制算法。该算法先通过上行开环功率控制对发射功率进行粗略的调整,然后通过更精确的闭环功率控制来补偿。仿真分析表明,在一定的误码率和时延的条件下,该算法明显降低了发射功率,有更优的性能。 针对 OFDM 系统中各个子信道具有不同程度衰落的特点,结合自适应调制编码和自适应功率分配技术对传统的功率控制算法进行了改进。算法根据每个子信道的信噪比自适应的改变调制编码方式和初始化功率分配,通过调整调制编码和初始化功率分配方案而不是调整发射功率的方法来降低信道间的干扰。基于系统数据速率和自适应调制编码方式的平均差错率的条件下,将调制编码方式的信噪比门限值和系统性能所需的目标信噪比分别与接收信噪比相比较来判断调制编码方式和功率控制命令。仿真表明该算法降低了系统发送功率,从而减小能量损耗和对其他链路或小区的干扰。最后分析并仿真了基于自适应功率分配的功率控制算法,实现了在最小化发射功率的条件下,降低系统的误码率并最大限度地提高频谱利用率。 论文研究结果表明,把功率控制算法和自适应技术相结合可以大大提高系统的性能,降低系统的传输功率,并且适用于多径频率选择性衰落信道,满足宽带无线接入系统提高频谱利用率和系统性能的需要。在蜂窝系统中，如果移动台以相同功率发射信号，则距离接收机近的信道将严重干扰距离接收机近的信道的接收，使近端强信号掩盖远端弱信号，这就是所谓的远近效应。在 CDMA 数字蜂窝系统中，多址是通过给每一个用户分配一个伪随机序列（PN）码而获得的，任何一个信道将收到其他不同地址码信道的干扰，即多址干扰问题。此外，移动信道的另一个特点是多径衰落，这些衰落可能造成信号在最坏情况下减弱多达 30dB。功率控制必须能跟踪这些衰落的大多数。而 CDMA 系统的容量主要受限于系统的多址干扰以及多径衰落、阴影和“远近效应” ，是一个干扰受限的系统。所以为了维持高质量的同时又不对同频信道的其他码分信道产生干扰，最大化系统容量，所以非常有必要进行功率控制。功率控制技术是 CDMA 系统的核心技术。功率控制分为正向功率控制和反向功率控制，而反向功率控制又分为开环功率控制、闭环功率控制和外环功率控制。正向功率控制也称下行链路功率控制，在正向功率控制中，基站根据测量结果调整每个移动台的发射功率，其目的是对路径衰落小的移动台分派较小的前向链路功率，而对那些远离基站的和误码率高的移动台分派较大的前向链路功率。其要求是：调整基站对每个移动台的发射功率，使任一移动台无论处于小区的什么位置上，收到基站信号的电平都刚刚达到所要求信干比所要求的门限值。这样可以避免基站向较近的移动台辐射过大的功率。此外，若移动台进入传播条件恶劣或背景噪声过强的地区而发生误码率增大或通信质量下降的情况时，基站根据移动台提供的测量结果，对路径衰落小的移动台分配较小的正向链路功率，而对那些远离基站和误码率高的移动台分配较大的正向链路功率基站通过移动台对正向误帧率的报告决定是增加发射功率还是减小发射功率。正向功率的控制方法是：基站周期性的降低给移动台发送的功率。这个过程直到前向链路的误帧率上升时才停止。移动台给基站发送帧错误的数值，根据这个信息，基站决定是否增大一份功率，通常是 0.5dB反向开环功率控制是移动台根据在小区中接受功率的变化，调节移动台发射功率以达到所有移动台发出的信号在基站时都有相同的功率,而且刚刚达到信干比要求的门限。它主要是为了补偿阴影、拐弯等效应，所以它有一个很大的动态范围，根据 IS95 标准，它至少应该达到正负 32dB 的动态范围。进行反向开环功率控制的方法：移动台接收并测量基站发来的信号强度，并估计正向的传输损耗，然后调整移动台的反向发射功率。如果接收信号强，就降低其发射功率；如果接收信号弱，就增加其发射功率。控制原则：当信道的传播条件突然改善时，功率控制作出快速反应，以防止信号突然增强而对其他用户产生附加干扰；相反，当信道的传播条件突然变坏时，功率调整相对慢一些。也就是说，宁愿单个用户的通信质量短时间内受阻，也要防止许多用户都增大背景干扰。特点：方法简单直接，不需要在移动台和基站间交换信息。这种方法对某些情况例如车载移动台快速进出地形起伏区或高大建筑物遮蔽区所引起的信号变化时时分有效的。但对于因多径传播而引起的瑞利衰落效果不好。因为正向传播和方向传播使用不同的频率，通常这两个频率的间隔大大超过信道的相干带宽，因而不能认为移动台在正向信道上测得的衰落特性就等于在方向信道上的衰落特性，为了解决这个问题可采用方向闭环功率控制法。IS-95 CDMA 系统中的功率控制技术IS-95 中采用的功率控制方案，按方向分为上行（反向）和下行（前向）功控，按照功率控制中基站和移动台是否同时参与，又可以分为开环（不同时参与）与闭环（同时参与）两类。由于下行链路采用同步码分体制，而上行链路采用的是异步码分体制，IS-95 中下行（前向）链路性能优于上行（反向）链路。因此，IS-95 中功率控制主要针对上行链路，下行链路的功率控制是非重点，采用较简单的慢速闭环功率控制方案。对于 IS-95 上行链路，功率控制分为初控、精控和外环控制三个基本部分。初控：由移动台完成开环入网功率控制，实现初控功能。具体体现在入网信道的功率控制，每次用户移动台入网尝试都要通过多次入网探测，每次根据额定开环功率步长0.5dB 增加发射功率，一直到用户移动台接收到基站发送认可消息探测序列才结束。开环功控有两个主要功能：其一是调整移动台初始接入时的发射功率；其二是补偿和弥补由于路经慢时变损耗包含阴影效应和远近效应引入的损耗。开环功控有较大的动态范围，大约为32dB。精控：由移动台与基站之间相互配合共同完成闭环功率修正的精控功能，采用精控是因为 IS-95 是 CDMA/FDD 体制，其上下行频段相差 45MHz，远远大于 800MHz 频段上的相关带宽 200kHz，因此上下行链路衰落是不相关的，仅仅采用单向开环实现不了精确功率控制的功能。由于采用的是闭环功控，接收端提取信道估计信息并进行判断给出功控指令，通过反馈信道传送功控指令至发送端，发送端执行并调整发送功率。功控指令中，控制比特“0”表示增加功率， “1”表示减少功率。闭环功控控制范围小于开环功控动态范围，其值大约为24dB。在 IS-95 系统中，闭环控制可以达到 800Hz 的功率控制速率。闭环功率控制具体实现方案见图 3 示的 Qualcomm 功控方案：外环控制：在内环功控每 1.25ms 的基础上，每隔 20ms，基站控制器测量反向信道的误帧率并将测量结果与目标 FER 相比较，根据比较结果动态调整内环功控中信噪比的目标值Eb/Nt，然后再由内环功控来间接维持恒定的目标误帧率，即间接的控制通信质量。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。GSM 功率控制根据接收信号的强弱，智能调节发射功率的大小，可以达到节电的目的。GSM 功放功率控制是由 3 个基本的部分组成的。1 影响 PA 功率输出的电路。2 用于环路上面的功率检测电路3 运放比较电路。整个功率控制环路的工作原理是：通过功率检测电路来获得输出功率信息；反馈给运放比较电路，此时来自 PA 外部的Vramp信息和反馈回来的信息共同作用，产生控制信号；产生的控制信号作用于影响 PA 功率输出的电路上面；从而实现了整个模块的功率控制。根据电路中不同的功能部分，分三个部分来讨论：有 2 种方式能够影响 PA 的输出功率。一种是控制 Vcc 的电压，此时 Vbias 工作在恒定偏执。这种方式带来的好处是高低功率下面，稳定的 PA 输入阻抗（因为 Vbias 是稳定的） ，对 TC影响小。PA 的 ramp up, ramp down 曲线能保持很好的一致性。一般不需要校准也能保证大规模生产。但是 PA 输出容易受到负载的影响。第二种就是控制 PA 的 Vbias，但是 Vcc 是恒定的。这种方式也有自己的优缺点。可以对比上面的方式。PA 功率检测环路的问题分成 2 种。一种是直接的功率检测环路。直接就说通过检测 PA 的输出功率，反馈给运放比较电路，然后采用上面谈到 2 种功率控制方法来进行控制。一般采用二极管检波。第二种是非直接供率检测环路，电流控制和电压控制。都是通过检测 Vcc 的电压或者电流来获得电路工作信息，反馈到运放和比较电路，然后来采用上面谈到的 2 种功率控制方法来进行控制。因为并不是真正的检测到了功放的输出功率，所以这种方式是非直接的环路。反向功率控制在有基站参与的时候为闭环功率控制。功率控制也是 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。CDMA 中的功率控制 CDMA 中的功率控制是 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。CDMA 频道的收发频率间隔为 45MHz，大于移动信道相干带宽。下行和上行传输损耗完全不同，移动台的反向开环功率控制是根据由基站到移动台下行传输损耗而进行的，而上行传输的损耗可能由很大的差别。所以，反向闭环功率控制的设计目标是使基站对移动台的开环功率估计迅速做出纠正，以使移动台保持最理想的发射功率。应根据基站接收信噪比，决定移动台发送功率。其目标是由基站接收信噪比（或误码率）迅速调整移动台发送功率，以保证基站收到的信号足够强，同时对其他信道干扰最小。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。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。功率控制算法功率控制的主要目的是在保证通话质量的前提下尽量降低发信功率，从而有效地降低网络平均干扰电平，并节省手机电池步进功率控制(Step by s) tep power control Pc1 算法该算法是步进全路径损耗补偿法，即根据接收信号电平和功率控制门限之间的差值，按规定的步长一步一步地提高或降低发射功率，直至接收信号电平达到功率控制门限。步进功率控制算法的基本原则是：当接收信号电平高于门限值，并且误码率低于门限值时降低发射功率当接收信号电平低于门限值，或者误码率高于门限值时提高发射功率(如果发射功率还未达到最大值)。直接功率控制(One shot power control) Pc2 算法 该算法对部分路径损耗作一步到位的补偿。该算法先计算路径损耗，然后确定最佳发射功率，并直接将基站或移动台的发射功率调整到该最佳值。移动台在发往基站的测量报告中汇报其当前发射功率，L1M 将通过计算得到的新的最佳发射功率值通知移动台。对于基站，L1M 并不知道 BTS 的最大发射功率，需通过调整功率衰减值(基站当前发射功率和最大发射功率的差值)来控制发射功率。L1M 计算出新的最佳功率衰减值并将该值通知基站。直接功率控制算法大跨度调整发射功率，但是有的移动台可能会由于接收信号强度的大幅度变化而陷入混乱，而产生不真实的测量报告。例如，移动台接通时距离基站很近，因为信号很强，基站功率会大幅度直接降低到最佳发射功率，而移动台测量反馈的滞后可能使基站功率进一步下降而造成信号恶化，反过来又使基站再提高到最大发射功率，产生振荡效应。鉴于此，引入 8dB 最大功率变化步长。即在每一次执行算法，发射功率最多可变化 8dB。移动台的功率控制Pc3 算法在 RACH 信道，移动台的功率为 Min(msTxPwrMax，msTxPwrMaxCCH)，前者为移动台最大发射功率，后者为系统定义的移动台在 RACH 信道上的最大允许功率。在实际网络中，最大允许功率一般按手机功率定义，即 2W 或 33dBm。当移动台从 RACH 信道转到 SDCCH 或 TCH信道时保持该发射功率，即在接通过程中，普通手机将以全功率 2W 发射。在专用模式下，移动台按照基站发送的功率命令 (POWER COMMAND) 指定的功率发射。功率命令在第一层的 SACCH 块的头部发送，移动台在报告结束时(SDCCH 为 102 帧，TCH 为104 帧)接收到。然后移动台在下一个 SACCH 报告周期以每 13 帧 2dB 的变化速率开始执行该功率命令。在越区切换时，目的小区允许移动台发射的最大功率(msTxPwrMaxCell)随越区切换命令由基站发送给移动台。小区内切换时，移动台保持功率不变。移动台要保存当前发射功率值，以便在下一个上行 SACCH 中将该值发送给基站。对于基站，整个过程(从基站发出命令到基站收到确认)持续三个复帧。功率控制-分类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1.6Kbs，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 55dB 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 为接收器的每一个帧规定一个目标 EbIo(从用户终端到基站)，当出现帧误差时，该 EbIo 值自动按 0. 20.3 为单位逐步减少，或增加 35db。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 EbIo 和目标 EbIo，然后指示移动台降低或增加发射功率，这样就可达到目标 EbIo。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SIR。WCDMA 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SIR5dB-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 powerCPICH_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。3G 通信系统中的功率控制技术分析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。在内环闭环功率控制中，基站每隔 12