（通信与信息系统专业论文）wcdma前向功率控制的研究及移动台发射的硬件实现.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 w c d m a 是第三代移动通信系统中最具竞争力的标准之一。在移动台低速运动的信道环境中， 信道长时间处于深衰落。同时在c d m a 系统中由于所有的用户均使用相同的频带，用户之间彼此干 扰。除此以外，路径损耗等因素都导致了系统容量的下降，解决这些问题的最有效的方法就是采用 功率控制技术。 在本文的第一部分中，我们对功率控制作了一个全面的介绍，讲述了功率控制中的一些基本概 念，特别分析了闭环功率控制的稳定性问题。在第二部分，首先给出了w c d m a 前向闭环功率控制 的仿真模型，其次讨论了影响闭环功控的因素，最后给出了功率控制下计算机仿真结果和实现时的 注意点。在第三部分中，我们给出了外环功率控制的仿真性能，讨论了宏分集下调整环的作用。论 文的最后一部分介绍了w c d m a 上行链路物理层协议，复用流程及上行发射的硬件实现，给出了资 源占用情况和测试结果。 【关键词】w c d m a 闭环功率控制外环功率控制 东南大学硕士学位论文 a bs t r a c t w c d m ai so n eo ft h em o s tc o m p e t i t i v ec d m as y s t e m si nt h et h i r dg e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m w h e nam o b i l ei si nl o ws p e e d ，i tw i l lb ei nd e e pf a d i n gf o ral o n gt i m e a tt h e s a m et i m e ，i nc d m as y s t e ma l lu s e r ss h a r et h es a m eb a n d w i d t h ，s ot h e yw i l li n t e r f e r ew i t he a c ho t h e r t h e y , i n c l u d i n gp a t hl o s s e se t c ，r e s u l ti nl o ws y s t e mc a p a c i t y p o w e rc o n t r o li sa ne f f e c t i v ew a yt os o l v e t h i sp r o b l e m i nt h ef i r s tp a r to ft h i st h e s i s ，w ep r o v i d eaf u l lv i e wo fp o w e rc o n t r o la n dg i v es o m eb a s i cp r i n c i p l e s w ee s p e c i a l l ya n a l y z et h es t a b i l i t yo fc l o s e dl o o pp o w e rc o n t r 0 1 i nt h es e c o n dp a r t ，t h es i m u l a t i o nm o d e l o fc l o s e d l o o pp o w e rc o n t r o li nw c d m ad o w n l i n ki si n t r o d u c e d t h e n ，w ed i s c u s st h ef a c t o r sp e r t i n e n tt o p o w e rc o n t r 0 1 f i n a l l y , s i m u l a t i o nr e s u l t sa r eg i v e n w ea l s ot a k et h ei m p l e m e n t a t i o ni n t oa c c o u n t i nt h e t h i r dp a r t ，w ep r o v i d es i m u l a t i o nr e s u l t so fo u t e rl o o pp o w e rc o n t r o la n dt h ea d j u s t m e n tl o o pi no u t e rl o o p p o w e rc o n t r o li su n d e rc o n s i d e r a t i o n i nt h el a s tp a r to ft h et h e s i s ，t h ep h y s i c a ll a y e r so fw c d m au p l i n k a n dt h ep r o c e s so fm u l t i p l e x i n ga r ei n t r o d u c e d w es u c c e s s f u l l yi m p l e m e n t e dw c d m au et r a n s m i s s i o n m o d u l ei nf p g ap l a t f o r m k e yw o r d s w c d m ac l o s e d l o o pp o w e rc o n t r o lo u t e r - l o o pp o w e rc o n t r o l i i 东南大学学位论文独创性声明 y9 4 2 8 9 8 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文1 特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：疆盘：勃 日 期：埋牛弓、从 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：益盘盥导师签名：趁日 期：叼弘三，2 第一章绪论 第一章绪论 随着人类社会步入信息时代，近几年来移动通信系统得到了飞速发展。到了今天，第三代移动 通信系统已经得到了商用化，与第二代移动通信相比，它除了能保证任何人在任何地点、任何时候， 以任何方式与任何人进行通信以外，还能满足人们日益增长的对数据、图像等多种业务并存的多媒 体通信的需求。调查显示c d m a 是第三代无线个人通信系统的最强候选者。 1 1 本文背景 对更高比特率数据业务，更好的频谱利用率和更高容量的迫切要求，是推动第三代移动通信系 统发展的主要动力。与前两代移动通信系统相比，第三代移动通信系统采用了许多新颖的技术：r a k e 接收技术、智能天线技术、功率控制技术，t u r b o 编码技术等。在众多的技术之中，功率控制技术 是c d m a 系统中最为重要的核心技术之一。 在无线蜂窝网络中，网络必须为每个用户保持一定的q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 。s i r ( s i g n a lt o i n t e r f e r e n c er a t i o ) 是衡量q o s 的一种有效标准，因此网络会为每个用户分配目标s i r 。为了达到合理 的s i r ，我们必须对网络资源作出有效的分配。发射功率是网络中最宝贵的资源，通过准确的控制 发射功率，可以降低相互之间的干扰，同时也延长了电池的使用时间。 考虑如下一个简单的多用户场景： b s l b s 2 、 ，二 ： 9 2 1g l m b l m s 2 图1 1 图中移动台m s l 和m s 2 分别和b s l 和b s 2 相连，实线、衣不- - 伺川1 一。丐r 2 1 ，虚线表示干扰信号。从基站b s f 到移动台m s j 的链路增益为g u ( f ) 。令基站b s f 的瞬时发射功率为只( f ) ，则移动台m s l 收到的有 用信号功率为： 1 ( f ) = e ( f ) g 。，( t ) ( 1 1 ) 东南大学硕士学位论文 干扰功率为： i m s ，( t ) = 只( t ) 9 2 。( t ) + n 。( t ) 其中刀l 代表噪声功率。则移动台m s l 的s i r 定义为： 爪r ，兰丽p m s i ( t ) = 蔫蓦 同理移动台m s 2 的s i r 定义为： ( 1 2 ) ( 1 3 ) 以r 葶糕= 纛等 n 4 ， 假设移动台m s 的目标s i r 是y j ，功率控制的作用在于分配恰当的鼻( f ) ，使得在每个时刻y ，( f ) 尽量达到y ，1 。从上面的简单例子可以看到，功率控制实际上是个功率全局优化的问题，由于链路增 益g ，( f ) 随着天气、用户所处的位置、移动速度等因素发生着变化，给功率优化带来了相当的难度。 1 9 9 2 年，z a n d e r 首先研究了窄带系统中基于s i r 的功率控制问题，其后y a t e s ， f o s c h i n i ，h e r d m e r , c h o n g ，g u n n a r s s o n 等人进行了一系列的研究工作。近几年来宽带c d m a 技术得到 了飞速发展，在c d m a 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直接影响了系统的容量，功率控制显得更加重要。 1 2 本文的主要内容 本论文研究的主要内容是w c d m a 前向功率控制和上行链路基带发射的硬件实现。全文共分为 五章： 第一章为绪论，论述了本文产生的背景，概括了全文主要内容。 第二章对功率控制作了全面的描述，阐明了其中的基本概念，并从控制论的角度对功率控制进 行了分析。 第三章主要研究了前向闭环功率控制。对影响前向闭环功率控制的各种因素进行了讨论，对功 率控制下的系统进行了仿真，最后给出了在实现前向功率控制时的一些建议。 第四章研究了前向外环功率控制。对三种外环功率控制算法进行了仿真，比较了他们的优劣。 特别对基于c r c 的前向外环功率控制进行了研究。在宏分集的情况下，仿真了调整环的作用。 第五章首先介绍了和上行发射相关的物理层协议和复用流程。在此基础上，描述了上行发射系 统结构的总体设计，然后给出了系统模块的具体实现。最后一部分则给出了最终的硬件实现资源使 用量和实际的测试结果。 2 第二章c d m a 中的功率控制 第二章c d m a 中的功率控制 c d m a 与f d m a 和t d m a 相比较，具有容量大、低功率、抗干扰强等优点。然而，c d m a 系 统中，所有的用户都使用相同的频率资源，用户问仅靠扩频码的不同来区分，若用户间的互相关性 不为零，则用户间就存在着干扰，这种干扰称为多址干扰。c d m a 系统是个干扰受限系统，干扰越 大，系统的容量就越小。因此，有效的克服和抑制多址干扰( m a i ) 成为c d m a 的关键问题。 除了多址干扰本身的直接影响以外，上行链路中，如果各移动台的发射功率相同，由于他们距 离基站的距离不同，离基站近的基站端接收到的信号就强，反之，就弱，形成强信号淹没弱信号的 现象，这就是“远近效应”。在下行链路中，当移动台位于相邻小区的交界处时，收到所属基站的有 用信号很小，同时还会受到相邻小区基站的干扰，这就是“角效应”。解决这些问题的最有效的方法 是采用功率控制技术。 2 1 功率控制分类 2 1 1 前向功控和反向功控 前向功控： 指由移动台来控制基站的发射功率，使所有移动台接收到的信号功率或s i r 基本相等。 如果基站采用同步c d m a ，且选用完全正交的扩频码，理想情况下，每个移动台的信号完全正 交，则移动台之间就没有干扰。因此，在单小区同步码分时，可以不考虑前向功控。但是，由 于实际的衰落信道，理想的同步很难达到，特别是在多小区的情况下，前向功控是必须的，但 其作用不如反向功控。 前向功控可使基站平均发射功率最小，减少了相邻小区间的干扰，可以克服“角效应”。 反向功控： 反向功控用来控制移动台的发射功率，使所有移动台在基站端的信号功率或s i r 基本相等。 反向功控使各用户之问的干扰最小，克服了“远近效应”。 2 1 2 集中式功控和分布式功控 集中式功率控制： 它根据接收到的信号功率和链路增益来调整发射端的功率，以使接收端的s i r 基本相等。 集中式功控最大的难点是要求系统在每一时刻获得一个归化的链路增益矩阵，这在一个用户 较多的小区内是难以实现的。因此，集中式功控算法很难实现。 分布式功控： 分布式功控算法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的实现最佳功控， 而在迭代的过程中只需各个链路的s i r 即可。即使对s i r 的估计有误差，分布式平衡算法仍是 一种有效的算法。 对于宽带c d m a 系统，当不考虑s i r 估计误差时，分布算法非常有效，但是当s i r 估计存在误 差时，分布式s i r 平衡算法有可能不再收敛于一个平衡s i r 。随s i r 误差的增加，系统的性能 3 东南大学硕士学位论文 很快下降。 2 1 3 内环功控和外环功控 内环功控： 内环功控用来补偿由于多径效应引起的衰落，使接收到的s i r 值达到由外环功控提供的目标 s i r 值。 内环功控的速度一般是较快的，i s 一9 5 a 为8 0 0 h z ，w c d m a 为1 5 0 0 h z ，因此内环功控又称为快 速功控。 外环功控： 外环功控为内环功控提供目标s i r ，而目标s i r 是同业务的数据速率相关联的。同内环功控相 比，外环功控的速度是比较慢的。 2 1 4 闭环功控和开环功控 开环功控： 一般在建立初始连接时，进行比较粗略的功率设置。接收端根据收到信号功率的强弱来决定是 增加还是减少功率。 开环功控的基础是建立在上下行链路具有一致的信道衰落情况之上的，然而实际的频率双工双 向f d d 系统中，上下行链路占用的频带相差4 5 m h z 以上，远远大于信道的相关带宽，因此上 行链路和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。 对于c d m a t d d 方式，上下行链路处于同一频段的不同时隙，这时，上下行的信道基本是对 称的，开环功控可以达到相当高的精度要求。 闭环功控： 闭环功控是接收端将控制命令传送给发射端，发射端根据此命令来决定是增加还是减少功率。 闭环功控的主要优点是控制精度高，是实际系统中常采用的精控手段。 闭环功控的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。同时还存在过调量大、上升时间长、稳态误差大等缺点。 为了发挥闭环功控的优点，克服它的缺点，可以采用自适应功控、自适应模糊功控等各种改进 性措施和实现算法。 2 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，功率控制准则大致可以分为：功率平衡 准则和信干l l ( s i r ) 平衡准则。 功率平衡是指接收端收到的有用信号功率相等。s i r 平衡是指接收到的信号干扰比相等。在单 小区蜂窝系统的上行链路，当各个移动台到达基站的信号功率相等时，s i r 也相等。因此在单小区 系统中，上行链路功率平衡准则与s i r 平衡准则等效。但是在单小区蜂窝系统的下行链路和多小区 蜂窝系统中，功率平衡准则与s i r 平衡准则具有不同的含义。 功率平衡准则与s i r 平衡准则相比，两者各有优缺点：( 1 ) 功率平衡准则的功率摔制方法易于 实现，但性能不如基于s i r 的功率控制。( 2 ) s i r 平衡准则也有局限，比如在上行链路中，可能导 4 第二章c d m a 中的功率控制 致正反馈，各移动台都增加发射功率，使系统失去稳定性。 在实际的功率控制系统中，比如w c d m a 采用了s i r 平衡准则和误帧率f e r 相结合的方法。 即准则选用s i r 平衡准则，但目标s i r 由f e r 来决定。 2 3 功率控制对系统容量的影响 功率控制的最终目的是减少发射功率，增大系统容量。下面简单的分析一下功率控制对下行链 路容量的影响。考虑如下的一种与距离有关的功率控制算法， p ( r ) = 乃木p 。 ( 2 1 ) 其中，；定义如下： 弓螺： 0 r l 一r r ( 2 2 ) p j 是基站发射的对第个移动台功率，p m a x 是到达小区最远点用户所需的基站发射功率，r 为 小区半径，以为功控因子，l 为门限距离，r 为用户到基站的距离。同时假设，小区共有个用户， 且均匀分布，则单位面积的用户数为： p ：旦 ( 2 3 ) 2 z r 2 ( 2 3 ) 则基站的发射功率： p = 髓p d a 2 舻一分刎+ 妒一刎 = 坳一三n + 2 + 素( 2 如果没有功率控制，那么必须给每个用户分配最大的功率，则基站的总发射功率为： p = u p 。、 比较( 2 4 ) 和( 2 5 ) ，可以看出进行功率控制以后，基站的发射功率减少了，定义 g = 熹+ 亳c 妒2 经过功率控制，根据2 2 1 用户的数量： ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 东南大学硕士学位论文 ： 堡 ( c i ) 惭g ( 1 一f o ) + f ( 2 7 ) 其中( c i ) ，叼是为了保证通信质量所需的载干比。f o 是正交因子，表示小区内干扰占总接收功率的 比值，f o = 1 表示完全正交，f o = 0 表示不正交。i f 表示小区间干扰。由于g 1 ，因此通过功率 控制技术，用户数量得到了增加，增大了系统容量。 2 4 功率控制算法 在早期的点对点的通信系统中，功率控制用来补偿信道的变化和噪声的影响，使得接收端具有 最大的s n r 。理想的功控方式是发射的功率是信道的反转，那么就可以完全补偿信道衰落的影响。 然而实际中，由于移动信道环境极其复杂，这是很难达到的。实用的功率控制算法主要分为两类， 一类是基于接收信号功率的算法，另一种是基于信干比的算法。 2 4 1 基于接收信号功率的算法 1 9 9 7 年a n d e r l i n d 提出了c o n s t a n tr e c e i v e dp o w e r ( c r p ) 算法： b o “) _ 见o 南 q 名) 式中c 表示目标信号功率，g ( f ) 表示接收到的功率。这个算法在i s 一9 5 a 中得到了应用： p ，o + ，= 筹：7 。i 兰7 。丢三c ， c 2 9 ， 由于该算法只需要知道目标信号功率和接收功率差值的符号，所以单个信息比特就可以用作控制命 令，因此带宽效率较高，可以较快的速度进行功率的更新( 8 0 0 h z ) 。 2 4 2 基于s i r 的功控算法 文献2 4 峙旨出在蜂窝系统中，一种更有效的控制功率的方法是利用接收端的信干比，在性能方面， 基于s i r 的功率控制方法优于基于信号强度的功率控制方法。基于s i r 的功率控制方法又可以分为 基于s i r 的集中式功控算法和分布式功控算法。集中式功控算法中，需要知道所有的链路增益，例 如在图1 1 中我们需要知道各个时刻g 打的值，然后可以找到发射功率的最优解。正如在前面指出的， 在实际系统中这种方法是不现实的。而基于s i r 的分布式功率控制算法所需的唯一信息就是接收端 的s i r 值，同集中式功控算法相比具有简单易行的优点，因此在c d m a 系统中得- n y 广泛的应用。 第一个将分布式算法应用于蜂窝网络的是z a n d e r ，1 9 9 2 年它提出了d b 算法( d i s t r i b u t e d b a l a n c i n ga l g o r i t h m ) ： p ( t + 1 ) = 励( ) ( 1 + 亩) ( 2 舯) 6 第二章c d m a 中的功率控制 从本质上讲，d b 算法并不是真正意义上的分布式算法。从公式中可以看到，功率的变化不仅仅只依 赖于接收端的s i r 值( s i r 。) ，还依赖于的选择。如果选择不当的话，发射功率p ( t ) 会越来越小 或越来越大，使算法不稳定。这样，的选择还是同全局的信息相关。 d p c ( d i s t r i b u t e dp o w e rc o n t r 0 1 ) 算法是d b 算法的变形： 卅1 m 爱 仿真结果显示d p c 算法的性能较d b 算法优，收敛的速度也快于d b 算法。但的问题仍没有解决。 以上算法的共同之处在于，他们并不是完全分布的。直至1 9 9 3 年f o s o h i n i 和m i l j a n i c 证明了在 含噪声情况下d p c 算法的收敛性，指出可以看作目标s i r ( s i r ，) ，重写d p c 算法如下： 州h 器 ( 2 1 2 ) 这就是最终的d p c 算法，可以看到这是个完全分布式的算法。加上一定的限制条件，例如功率的限 制，得到d c p c 算法( d i s t r i b u t e dc o n s t r a i n e dp o w e rc o n t r 0 1 ) ： p ”1 ) _ m a x m i n 删器) ( 2 1 3 ) p 。，p 疵分别是发射功率的最大和最小值。第三代移动通信系统w c d m a 中的功率控制方法是 对d p c 算法的变形： 加删= 般淼戋，胗， 仁 当固定时，式( 2 1 4 ) 被称作f s p c ( f i x e ds t e pp o w e rc o n t r 0 1 ) ，如果改变，则被称为a s p c ( a d a p t i v e s t e pp o w e rc o n t r 0 1 ) 。n ( 2 1 2 ) 式相比，( 2 1 4 ) 式的反馈信息只需一个比特即可，即反馈接收端的s i r 与目标s i r 的大小。 2 4 3 功率控制中的反馈 功率控制系统是个带反馈的系统，在功控的过程中，发射端根据接收端反馈的信息来决定是增 加功率还是减少功率，一般存在两种反馈机制： 信息反馈： 接收端返回测得的s i r 值或与目标s i r 的差值： e ( t ) = s i r ，一s i r 。 ( 2 1 5 ) d p c 算法( 2 1 2 ) 就是使用信息反馈技术。 判决反馈 7 东南大学硕士学位论文 其中s i g n ( x ) 定义如下： s ( f ) = s i g n ( e ( t ) ) s i g n ( x ) 2 一x 1x 0o 1 很显然，判决反馈只是将差值的符号返回，如果为正，发射端增加功率，为负， 反馈相比，判决反馈占用的信道资源更小，式( 2 1 4 ) 就是使用判决反馈技术。 2 5 闭环功率控制的稳定性 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 减少功率。同信息 功率控制的过程是一个含有反馈的过程，良好的反馈使得系统的稳定性增加， 但稍有不慎，反馈反而使系统性能恶化。同时闭环的稳定是整个系统稳定的基础， 稳定性具有重要的意义。 性能更加优良。 因此研究闭环的 限flf 户 。s ! 艘，t p c 指令为“0 ”，表示基站端应减少d p c h 信道的发射 功率，反之，t p c 指令为“1 ”，表示基站端应增加d p c h 信道的发射功率。t p c 指令通过上行d p c c h 信道立刻回馈给基站，基站检测出t p c 指令，根据指令改变下行d p c h 信道发射功率。所以，整个 功率控制的过程是个“测量一反馈一变功率一再测量”的过程，频率为1 5 k h z 。由于闭环功率控制 的速度很快，因此我们又称它为快速功率控制。 根据上面的过程，建立了如图3 1 的闭环功率控制模型： 图3 1 前向闭环功率控制模型 它分为移动台、信道和基站三个部分。这个模型具有普遍的意义，是基于s i r 估计，功率控制的通 东南大学硕士学位论文 用模型。 移动台部分： 外环功控算法单元：外环功控根据接收端提供的b l e r 或解码器的c r c ，来决定是提高还 是降低目标s i r 。本章的目标s i r 都是不变的，在下一章，我们将研究外环功控算法。 s i r 估计单元：移动台对接收到的信号进行信干比的估计，把估计值送入判决器进行t p c 产生。s i r 估计是功率控制中的一个重点，也是一个难点。s i r 估计关键在于反映出s i r 的变化趋势。 判决单元：对估计s i r 和目标s i r 的差值进行判决，实际上执行的是符号函数的功能。 w c d m a 协议规定了t p c 只能为1 比特，这样做节省了资源。但是引起了另外的问题：发 射端只知道要提高或降低发射功率，而不知道功率改变的大小。 基站部分： 步长控制单元：基站可以支持0 5 、1 、1 5 、2 d b 四种步长，各种步长的应用场景都不相同， 对系统有一定的影响。 功率累加单元：根据接收到的t p c 指令，对原先的发射功率进行调节。分为功率受限和不 受限两种情形。 信道部分： 和前向功控相关的上行信道是d p c c h 信道，它是t p c 的载体。由于d p c c h 信道上的数 据没有经过任何的处理( 编码、交织) ，通过信道时加上一定的干扰，基站端恢复的t p c 指令会存在一定的误码率，造成功率向相反的方向调节，易造成系统的不稳定。 和前向功控相关的下行信道是d p c h 信道，s i r 的估计就是利用d p c h 信道的信息。 3 2s i r 估计算法 s i r 估计是功率控制中的关键部分，在一定程度上决定了功率控制的性能。如果s i r 估计错误， 会引起功率朝相反的方向调节，造成功率误调。 假设移动台收到的信号为： y t ，k _ h 1 p 1 d 1 ，k + n 1 ，k ( 3 1 ) 其中m ， 是信道在时隙，的复冲击响应。p z 是时隙，的发射功率，在一个时隙中保持不变，每个时 隙根据功率控制指令改变一次。d 1 ，k 是发射的数据。n ( k ) 是干扰项，包括多径干扰、多址干扰、 邻小区干扰以及加性高斯白噪声干扰( a w g n ) ，假设用户数足够多，积分长度足够长( 扩频码的自相 关以及互相关性足够理想) ，那么根据中心极限定理，n ( k ) 趋向于复高斯随机分布，且其均值为0 ， 方差为仃：。则信号能量为： 只= l h 1 p 1 d 1 ，硎2 ( 3 2 ) 因此，时隙，的信干比为： 1 4 第三章w c d m a 前向闭环功率控制 s i r 矿旦2 盯“ 信干比的估计可分为相关估计和非相关估计。 相关估计 相关估计即最大似然估计，下行d p c h 信道每个时隙存在一些已知的导频序列， 利用这些导频序列进行的。我们假设导频序列为1 ，则信号能量为： 只= 睦川卅1 2 只的方差： ( 3 3 ) 相关估计正是 v a r ( 只) = 嘉吒4 + 万2 仃。2 埘z 非相关估计 如果不局限于导频序列，所有的序列都可以用来估计，而不必事先知道序列的值， 法称为非相关估计。与相关估计相比，非相关估计可以利用的样值更多。 信号能量为： 只= 砖m 尼妒 v 一1 p 的方差： ( 3 4 ) ( 3 5 ) 这种估计方 ( 3 6 ) 砌，( 只) = 丙1 仃。4 + 号吒2 球 ( 3 7 ) 从能量的方差上来讲，相关估计比非相关估计具有更好的性能。 混合估计 混合估计将相关估计和非相关估计相结合，对导频序列作相关估计，对其余的作非相关估计， 然后进行加权处理，因此它同时拥有两者的优点。记s i r 。和s i r 。分别为相关和非相关估计的s i r 的值，则： s i r 。，= s s r 。+ s i r 。( + = 1 ) ( 3 8 ) 上面的分析假设盯。的值是已知的，实际上仃。的值我们不可能事先知道，也是要通过估计才能 够知道的。下面是一种实用的估计算法： s i r 的计算公式如下： y a 女：- - - ；7 ( 3 9 ) o 女根据相干估计还是非相干估计，计算式不同： 东南大学硕士学位论文 相干黼忙击缸氏， 糊干估计：忙丙1 善ni 魂 ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) 其中x k , i 表示第k 个时隙中序号为i 的接收到的比特，p 女f 表示导频比特，是己知的。相干估计时， 利用该时隙内的m 个导频比特估计。而非相干估计，则利用该时隙内的n 个数据比特( 导频比特可 选) 。 仃t 2 的计算式无论是相干估计还是非相干估计，都是一样的( 求和下标不同) 。 相干估计：仃；= 土m 兰i = ih 2 2 ( 3 1 2 ) 棚干估计：= 专善圳2 柳 盯。2 代表干扰项的功率，由于干扰的变化比较缓慢，通过滤波平滑，希望可以得到较精确的干扰功 率。有两种滤波器可供选择： 粕= 盟型半坐业 ( 3 1 4 ) 仃( 尼) = a c r ( k 一1 ) + ( 1 一a ) a ( k )( 3 1 5 ) 其中三为窗长，0 口 1 。为了易于硬件实现，口一般取2 的负幂次。以下仿真所使用的滤波器默 认为( 3 1 5 ) 1 揣数滤波器。 由于下行d p c h 信道使用的是时隙导频2 1 ： d p 乜h ， 立h ， 立p 旦c h ，早q e b d a t a lt p ct f c i d a t a 2p i l o t n d a t a lb i t sn t p cb i t sn t f c ib i t sn d a t a 2b i t s n d i l o tb i t s f 1 曲i ps 1 0 7 s l o t 群0s l o t 撑1s l o t # i s l o t 撑1 4 一个无线帧t f _ 1 0m s 图3 2 下行d p c h 的帧结构 而时隙导频的数量一般来讲都比较少( 2 ，4 ，8 ，1 6 ，3 2 ) 。在使用相关估计时，受导频符号数的限 制，使得相关估计的精度受到了极大的影响。为了解决这个问题，对导频序列采用较小的扩频比来 解扩，从而获得更多的导频比特序列。假设导频序列的长度为k ，扩频比为胪，而解扩时的扩频比 1 6 第三章w c d m a 前向闭环功率控制 为s f ，则经过解扩以后可以获得的导频长度为： m ：_ _ k * s f ( 3 1 6 ) s f 、7 但是随着业务速率的增加，每个时隙的导频c h i p 数越来越少，与之相反，数据比特却越来越多，此 时非相关估计的性能好于相关估计。 3 2 1 不加功控衰落信道s i r 估计 3 2 1 1 不同解扩长度时s i r 估计 6 k m ，h 单径信道 一厂 v 、。 v 06 0 0 0 1 2 8 解扩 1 8 0 0 0 瓶如删争山啼蝴黼出 。_ 小删铘删蝴j 。t + w 弘鼍獬 飘 i 1 i 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 0 2 0 1 0 o 器1 0 - 2 0 3 0 0 5 要加 叱 历。1 5 2 0 2 5 3 2 解扩 。上 鸭锄j 峨心静、舟城 ，。 呵”伊铂 嘲 1 ij 1 i l 溱 飞 1 n r d1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0b 0 07 0 08 0 0 1 6 解扩 州时蝴舯悯却蝴i u 1 。& i l 。l 铲f 再 劓吨。一1 w t嘲 形郴 l0酽 01 0 02 0 03 0 04 0 06 0 0b 0 07 0 08 0 0 图3 3 导频不同解扩长度对s i r 相干估计的影响 从图中可以看到在衰落信道下，未经功率控制时，s i r 的估计值跟随信道的变化而变化。解扩 1 7 5 o 巧 们 佰 扣 加 口 扣 加 一c|罟；o c 【 一c | p ) 坚 东南大学硕士学位论文 长度与估计的精度存在着折中：一方面解扩长度的减少( 可利用的导频序列增多) 使得估计曲线变 得平滑，另一方面解扩长度过小时( 图3 3 中1 6 解扩) ，s i r 的估计值已经不能反映信道的变化，导 致s i r 估计产生了严重的错误。这主要是由于解扩长度的减少，积分长度变短，各个信道间的正交 性已难以保证，其余信道对d p c h 信道的导频部分产生了极大的干扰。同时，虽然此时解扩得到的 导频序列变多了，但是由于序列的错误增加了，因此s i r 估计的精度已得不到保证。 3 2 1 2 不同估计长度时s i r 估计 6 k m h 单径信道 估计长度5 0 2 0 1 5 置 吕1 0 历 5 0 估计长度8 0 “ 群蚺蝻 05 0 01 0 0 01 5 0 0 图3 4 估计长度对s i r 非相干估计的影响 图3 4 是衰落信道下非相关估计时，估计长度不同对s i r 的影响。从图中看到估计长度的增加， s i r 估计曲线变的平滑，估计的方差变小了。在高速数据业务时，此时的数据比特远远大于时隙导频 的数量，在这种情况卜，非相关估计更能体现出优势。 1 8 第三章w c d m a 前向闭环功率控制 3 2 1 3 不同导频个数时s i r 估计 4 0 喜2 0 匹 历0 2 0 4 0 4 0 2 0 o 吕0 历 - 2 0 - 4 0 2 0 3 k m h 单径信道 一 彩一j i v 。 v 0 2 个导频 1 5 0 0 0 删糊黼 f 删” 孵 。一f 01 0 d2 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 0 ，一0 叱 2 0 4 0 4 个导频 一 t 懒辆嗍战“。汹删 哪 叫h荆1 i 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0b 0 07 0 08 0 0 8 个导频 帅氐缈i “必 帅 3 l tr f 俐4 q 1 1 i | 01 d 0 2 0 0 3 0 0 4 0 05 0 06 0 07 0 08 0 0 图3 5 导频个数不同对s i r 估计的影响 从图3 5 中可以看到，在导频数为2 ，4 时s i r 估计的性能都不是太理想。当导频数为8 时，s 取 估计的曲线基本上反映了信道的变化。随着导频个数的增加，s i r 曲线会更平滑，估计得到的方差 会更小。因此如果使用相关估计，8 个导频才是比较好的。 在导频长度受限的情况下，为了提高估计的准确度，可以利用混合的估计方法。图3 6 给出了 3 k m 单径信道下，导频长度分别为2 个，8 个时相关估计和非相关估计长度为3 0 时的混合法的性能。 1 9 o o 与 加 舶 珈 印 一c i p ) j 8 ；。c | 东南大学硕士学位论文 3 0 2 0 o 苫1 0 历 0 1 0 2 个导频 i - 脚蚺渖f 晦蝴 。i ，m魄 诋 ”酽 乡，一缸 一 矿。 1 1 01 0 d2 0 03 0 04 0 0r i 0 06 0 07 0 08 0 0 图3 6 混合估计 同图3 5 只有2 个导频的情形相比，混合估计在很大程度上提高了估计的性能，反映出了信道 的变化。同8 个导频的情形相比，混合法的性能也有所提高。由于在导频受限的情况下，相关估计 的性能不够理想，所以在混合估计时，相关估计所占权重较小，而非相关估计所占权重较大。 3 2 2 加功控后衰落信道s i r 估计 上面分析了未加功率控制时s i r 估计的性能，最后我们来看一下加入闭环功率控制以后s i r 估 计的性能。 文献3 0 1 中给出了相关估计时接收端的信干比： 姗。= 硒，) 2 e r a _ 1 厂j(317)p z 仃 式中m g 。为系统的处理增益，不随移动台发射功率以及信道衰落的影响。功率控制的目的是使得 s i r 为定值，因此有如下公式成立： l o l g ( c 2 。) + l o l g ( p ，) = l o l o g ( c 0 2 ) ( 3 1 8 ) 其中c 是常量，p ，是发射功率，c 。是一个时隙内的信道系数，在一个时隙内可以看成常数。盯2 是 干扰项的方差，同时干扰项服从高斯分布。 在图3 7 中，设定目标s i r 为3 5 d b ，步长固定为l d b ，为了便于观察，使用单径信道。在加入闭 环功率控制以后，下行d p c h 信道的发射功率刚好是信道的翻转，这与式( 3 1 8 ) 的分析是一致的。信 道衰落时，增加发射功率，反之降