（通信与信息系统专业论文）wcdma反向功率控制技术研究及接入前缀捕获的硬件实现.pdf

摘要 摘要 反向功率控制技术是第三代移动通信系统的关键技术之一，在保证系统正常工作、提高系统 容量方面起到了至关重要的作用。本文结合w c d m a 标准对这一技术进行了仿真研究。同时结 合实验系统的研制，研究了反向信道前缀捕获模块的设计以及硬件实现。 功率控制技术是w c d m a 系统的关键技术。本文结合w c d m a 标准，针对实际系统中可能 遇到的情况，考察了w c d m a 反向内环功率控制算法的性能。在此基础上，论文还针对 w c d m a 标准规定的业务类型以及信道模型，考察了单用户以及多用户情况下外环功率控制算 法的性能。仿真表明，内外环结合的功率控制算法，可以有效的控制用户业务质量、提高系统容 量。此外，在性能仿真的基础上，本论文还提出了易于实现的反向内、外环功率控制方案及其参 数配置。 在反向接入信道以及公共分组信道建立之初，移动台需要发送前缀信号，并由此与基站交换 必要信息，保证后继数据传输。如何有效的对这一前缀进行捕获，是本文探讨的第二个问题。本 文根据w c d m a 相关标准，考察了几种不同结构的捕获模块的性能。在仿真结果的基础上，综 合考虑硬件资源耗费，论文选择了一种适合硬件实现的结构。最后，整个设计采用v e f i l o g 硬件 描述语言进行开发，并在f p g a 平台上进行验证。 【关键词】w c d m a 反向功率控制内环功率控制外环功率控制前缀捕获 a b s t r a t c t a b s t r a c t u p l i n kp o w e rc o n t r o lt e c h n o l o g yp l a y s ak e yr o l ei nt h e3 “g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m s s i m u l a t i o n so nu p l i n kp o w e rc o n t r o li nw c d m a a r ep e r f o r m e di nt h ef i r s tp a r to ft h et h e s i s t h e nas t r u c t u r eo ft h ep r e a m b l ec a p t u r em o d u l ef o rp r a c hi se v a l u a t e da n di m p l e m e n t e di nt h e s e c o n dp a r t p o w e rc o n t r o li st h em o s ti m p o r t a n tr a d i ol i n kc o n t r o lf u n c t i o ni nw c d m as y s t e m i ti sm a i n l y d i v i d e di n t ot w op a r t s ：o p e n - l o o pa n dc l o s e d l o o pp o w e rc o n t r 0 1 c l o s e d l o o pp o w e rc o n t r o li s c o m p o s e do f i n n e r l o o p p o w e rc o n t r o la n do u t e r l o o p p o w e rc o n t r o l i n t h i s t h e s i sa na l g o r i t h mo f u p l i n k i n n e rl o o pp o w e rc o n t r o li ss t u d i e da n de v a l u a t e db ys i m u l a t i o n so nar e v e r s e dl i n kp l a t f o r ma c c o r d i n g t ow c d m as t a n d a r d sd i f f e r e n tp a r a m e t e rs e t t i n g sf o rt h i sa l g o r i t h ma r eu s e dt oe v a l u a t et h e p e r f o r m a n c eo ft h ea l g o r i t h m ，e s p e c i a l l yu n d e rs o m ep r a c t i c a lc o n d i t i o n s t h es c h e m eo fo u t e rl o o p p o w e rc o n t r o li s a l s os t u d i e do i ls a m ep l a t f o r m ，t os e et h ee f f e c t i v e n e s so fu p l i n kp o w e rc o n t r o l t e c h n o l o g yu n d e rs i n g l e - u s e ra sw e l la su n d e r m u l t i - u s e rc o n d i t i o n s t h ep r e a m b l ec a p t u r em o d u l ei sv e r yi m p o r t a n ti nt h ee s t a b l i s h m e n to fp r a c hc h a n n e li nt h e s e c o n dp a r to ft h et h e s i s ，s e v e r a ls t r u c t u r e so ft h ec a p t u r em o d u l ea r ec o m p a r e dw i t hc o m p u t e r s i m u l a t i o n s b a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，a ne f f e c t i v es t r u c t u r eo f p r e a m b l ec a p t u r em o d u l ew i t hl o w h a r d w a r ec o s ta n dg o o dp e r f o r m a n c ei sr e a c h e da n di m p l e m e n t e do nr t ll e v e lt h ew h o l em o d u l ei s v e r i f i e do nt h ef p g a p l a t f o r m 【k e y w o r d s lw c d m a ，u p l i n k p o w e r c o n t r o l ，o u t e r l o o pp o w e rc o n t r o l ，p r e a m b l e c a p t u r e i i 东南大学学位论文独创性声明 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，除了文中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。与我一扁工作的同志对本研究所做的饪何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 二 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( 包括于0 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： 导师签名：耋幽日期：3 叩夸3 、陀 第一章绪论 第一章绪论 移动通信是目前通信领域内发展最为迅速的领域之一。随着通信技术的飞速发展和人们对通 信需求的不断提高，未来的个人移动通信系统将达到以下目标。即不仅需要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，还必须满足人们日益增长的对语音、数据等多种 业务并存的多媒体通信的需求。第三代移动通信系统就是在这种背景下应运而生。它可以提供全 球漫游服务、支持多媒体业务并有足够的系统容量 w c d m a 标准采用了功率控制、软切换等一系列特有的核心技术，能为用户提供稳定、高 质量的多媒体业务，并可以极大的提高系统容量，从而成为了第三代移动通信系统的主流标准。 本论文将研究w c d m a 通信系统的功率控制技术以及反向同步捕获技术。本章将简单介绍本论 文研究内容的背景及概况。 1 1 功率控制技术在c d m a 系统中的作用 功率控制技术是c d m a 扩频通信系统的关键技术之一，在节省用户发送功率，减少多址干 扰，提高系统容量方面起着非常重要的作用。 在c d m a 系统中，功率控制系统试图为各个用户提供“够用就行”的服务。这里包含两层 意思，一个是“够用”，另一个是“够用就行”，即最好不要有余量。我们知道，用户的通话质 量与接收信号的信干比密切相关，在不能改变背景噪声功率的情况下，用户只有通过调整自己的 发射功率来调节传输数据的信干比，保证自己的通话质量。值得注意的是，不同用户采用不同的 业务类型，所需的信干比大小也不一样。功率控制系统运行的前提就是保证各个用户接收信号的 信干比必须能够维持所需业务的正常通信，此时用户通话正常，是“有效用户”。若这个条件不 能满足，所有的数据传输将没有意义，而用户也成为“无效用户”以上就是“够用”的意思。 除此之外，我们知道，c d m a 系统是一个严重的自干扰系统，影响各个用户通信质量的干 扰主要来自用户间的多址干扰，即其他用户发送信号功率带来的同频干扰多址干扰的大小严重 制约着系统容量。这就为功率控制系统提出了另一个重要的要求，即保证各个用户的发送信号功 率尽量小，也就是“够用就行”，用户的发送信号功率不能有余量。 在实际系统中，若想实现上面两点要求还存在很多困难。这些困难主要来自实际通信系统的 不确定性，例如，信道的多变性带来了接收信号功率的变化，这导致了接收端的信干比估计精度 受限：另外，在多用户情况下，用户数量的实时增减，各个用户业务类型的实时变化都会导致各 个用户所受干扰的大小实时变化，同时每个用户所需的信干比也有可能实时变化。在这样一个复 杂的条件下如何实现功率控制系统的功能，保证为用户提供“够用就行”的服务是功率控制技术 研究的重点。 1 2 w c d m a 系统中功率控制技术的分类 w c d m a 系统的功率控制技术，主要包括开环功率控制技术和闭环功率控制技术，其中闭 l 东南大学硕士学位论文 环功率控制又可以进一步的分为内环功率控制技术和外环功率控制技术。 下面以w c d m a 系统的反向信道为例，介绍这几种功率控制技术。 在开环功率控制方案里，移动台用接收到的信号的强度来决定移动台的传输功率，接收信号 平均功率的下降实时地表明前向链路信道变坏，这种情况可能是由于信道变化造成的。假设反向 链路和前向链路有同样的平均路径损失，则在开环功率控制下，移动台的平均发送功率只要作相 应调整就可以了。可见，这种开环控制提供了根据信道改变进行快速响应的方法。但是，在 w c d m af d d 模式中，反向链路和前向链路采用的载波频率相差较大，两个链路的路径传播损 耗在本质上互不相关，开环功率控制不能提供精确的功率控制。因此，在w c d m a 系统中，开 环功率控制技术主要用于在连接的开始阶段为移动台设置比较粗略的初始功率。 正如前面提到的，由于w c d m a 系统的反向和前向信道的衰落本质上不相关，开环功率控 制不可能为系统提供精确的功率控制，为此，我们采用闭环功率控制系统来解决整个问题，为用 户提供精确的“够用就行”的服务。闭环功率控制系统又可以再分为内环和外环功率控制。 w c d m a 系统内环功率控制方案又被称为快速闭环功率控制方案。内环功率控制韵目的是 通过改变发送信号的功率，将接收端信号的信干比保持在给定的目标值上。这个目标值必须能够 保证用户能够传输所需的业务类型。在内环功率控制中，基站频繁的估计接收信号信干比 ( s i r ) 并把它同目标信干比进行比较。如果接收信号的信干比大于目标值，则基站通过反馈回 路通知移动台减少发送功率，反之则提高发送功率。在w c d m a 系统中，这种“测量、反馈、 调节”的循环周期为每个时隙一次，即调节频率为1 5 0 0 h z ，这比任何比较明显的路径损耗的改 变都快。这样，内环功率控制能够有效防止在基站接收的上行信号中出现功率不平衡的现象。 由于实际系统存在不稳定性，各个用户所受到的干扰实时变化，而其所使用的业务类型也可 能实时变化，这就导致了每个用户所需的目标信干比会实时变化。外环功率控制系统的目标就是 根据实际情况改变内环功率控制的目标信干比，保证每个用户的发送信号功率够用并且尽量小。 在实际系统尤其是多用户这么一个复杂的条件下，如何稳定用户的通话质量同时控制用户的发送 功率是外环功率控制系统需要考虑的问题。 本论文的第一个内容就是研究w c d m a 系统的闭环功率控制系统，包括内环以及外环功率 控制技术。我们将针对w c d m a 协议要求，模拟实际系统的特点，研究功率控制系统的性能， 并结合仿真，给出一套内、外环功率控制系统的参数配置。 1 3 同步技术介绍 扩频通信系统在实现数据传输之前，必须完成码同步，即将本地序列与接收信号的扩频序列 在相位上对齐。这通常需要经过两个步骤来完成，第一步是捕获，即在所有可能的值上对实际序 列的相位差进行搜索，这种搜索的精度不高，一般在一个码片时间之内。第二步是跟踪，即利用 捕获得到的初始相位进行跟踪，使得两波形尽可能精确地保持对准。在w c d m a 系统中，反向 接入物理信道( p r a c h ) 以及反向公共分组物理信道( p c p c h ) 均采用发送接入前缀码的方法实 现移动台与基站的初始同步，保证数据的有效传输。 2 兰二兰竺笙 一般来说，初始相位的捕获要比跟踪困难一些。这主要是由于接收扩频序列的未知相位区间 比较大，完全搜索所需的运算量巨大而可用的时间又相对受限。如何快速有效的实现捕获，是衡 量接收系统性能的一个关键指标。此外，移动台与基站之间存在一定的晶振频偏、数据经过衰落 信道引入的多普勒频偏也是捕获模块的设计和实现中必须克服的困难。 本论文的另外一部分内容将用来研究捕获模块设计中出现的这些难点，并以p r a c h 信道的 前缀捕获为例，在f p g a 平台上设计并实现这一捕获模块。 1 4 本论文的主要内容 本论文主要研究两个方面的内容，一个是结合w c d m a 标准，研究w c d m a 系统的闭环功 率控制技术包括内环以及外环功率控制方案，第二个是对反向信道同步捕获技术进行研究与探 讨，并完成w c d m a 反向信道前缀捕获模块的硬件设计各章节安排如下： 第一章绪论，讨论本文所研究内容的背景及概述。简单介绍了c d m a 系统的功率控制技术 的作用及其分类、w c d m a 系统反向同步捕获技术的作用等内容。 第二、三章研究了w c d m a 系统闭环功率控制技术，包括内环以及外环功率控制系统其 中，第二章研究w c d m a 反向快速内环功率控制方案，研究内容以w c d m a 系统规定的方案为 主，并对某些环节进行了进一步的探讨，例如结合车速估计模块辅助关闭内环功率控制系统等技 术。我们还设置不同参数，考察各种方案在实际条件下，例如t p c 传输错误，传输延时，估计 时间不够等情况下的性能，并根据仿真结果给出一套实际系统中可行的参数配置方案。 第三章主要研究w c d m a 反向外环功率控制方案。介绍算法本身并讨论算法在实际系统情 况下，包括单用户以及多用户情况下的表现。同样的，我们也考察了外环功率控制算法的性能并 提出了一套可行的参数配置方案。 通过这两章的仿真，我们可以看出，内环功率控制算法可以有效的将系统的实际信干比保持 在给定值上，而外环功率控制算法可以有效的保持多用户条件下各个用户的通话质量，为内环设 定合适的目标信干比。二者结合可以比较有效的为用户提供“够用就行”的功率控制服务，减少 用户间多址干扰，提高系统容量。 捕获技术是扩频通信系统实现同步的重要步骤，第四章研究w c d m a 系统反向信道前缀码 捕获技术。我们以p r a c h 信道为例，简单介绍了接入前缀在系统中的作用，并比较各种捕获模 块的结构，最终结合资源耗费以及时间要求确定了一种串并结合的前缀捕获模块结构。在此基础 上，仿真了这种结构的捕获性能及其抗频偏性能，结果显示，采用这种结构的捕获模块可以达到 系统规定的各项性能要求，是一种实用的反向信道接入前缀捕获模块。最后，我们在f p g a 平 台上实现了这一前缀捕获模块并给出了硬件实现结果。 第五章是全文的总结。简单归纳了各个部分研究结果以及可以进一步讨论的问题。 第二章w c d m a 系统反向内环功率控制技术研究 第二章w c d m a 系统反向内环功率控制技术研究 在w c d m a 系统中，反向功率控制的主要解决方案是闭环功率控制，即快速内环功率控制 结合外环功率控制的方案前者保证接收端的信干比( s i r ) ，后者保证用户的服务质量 ( b l e r ) ，二者结合为每个用户提供“够用就行”的功率控制方案，从而有效的提高系统容 量 本章研究w c d m a 反向快速内环功率控制方案，这些方案将以w c d m a 标准规定的为主， 并就某些环节进行进一步的探讨。最后，我们将设置不同的参数，考察各种方案在实际条件下的 性能。并根据仿真结果提出一套实际系统中可行的参数配置方案。 有关外环功率控制方案的讨论将在第三章进行 2 1 反向内环功率控制方案介绍 我们知道，c d m a 扩频通信系统是自干扰系统，不同用户间的多址干扰是制约系统容量的 主要因素。而功率控制系统为每个用户提供“够用就行”的服务，即在保证一定通话质量的基础 上，使碍用户的发送功率尽量少，由此减少用户问的多址干扰，提高系统容量文献【l o l 证明了 这样一个观点，即在单小区条件下，若希望有效通信的用户数量达到最大，必须至少满足以下几 个条件：所有用户发送的信号在到达基站时必须功率相等并且尽量低，接收端信干比必须能够保 证通信质量，此外，若考虑到邻小区干扰，还需要保证每个小区内移动台发射到基站的总功率相 等。可见，为了保证通话质量、提高系统用户容量，功率控制技术必须提供行之有效的方法，使 得各用户到达基站端的信号功率相等并尽量小，除此之外，信干比还需要足够大 w c d m a 反向快速内环功率控制( 以下简称内环功率控制) 就提供这样一种机制，通过调 整发送信号的功率，使锝各个用户的信号在到达基站时信干比被控制在目标值上并尽量小，由此 控制各个移动台的信号功率。而外环功率控制策略则调节这个目标值，保证接收端各用户的误块 率稳定并且刚刚能够保证通信质量。可见，内外环结合的功率控制方案可以为系统提供达到最大 容量所需的条件，提高系统容量。 w c d m a 标准 4 1 规定了一套内环功率控制的方案，下面以上行专用分组传输信道( d p c h ) 为例，介绍内环功率控制的模型以及算法。 2 1 1 上行专用物理信道简介 在介绍上行内环功率控制算法之前，首先简单介绍上行专用物理信道( d p c h ) ，为了突出 重点，只介绍信道中与功率控制相关的内容，详细的介绍请参阅有关文献( 4 1 。 上行专用物理信道对应上行专用传输信道，由上行专用物理数据信道( d p d c h ：d e d i c a t e d p h y s i c a ld a t ac h a n n e l ) 和专用物理控制信道( d p c c h ：d e d i c a t e dp h y s i c a lc o n t r o lc h a n n e l ) 在每 5 东南大学硕士学位论文 个无线帧内以i q 两路码分复用构成 d p d c h 信道用于承载专用传输信道，负责传输数据，而d p c c h 用于承载物理层产生的控 制信息，包括导频信号( p i l o t ) ，传输格式组合指示信息( t f c i ) ，反馈信息( f b i ) ，发送功 率控制指令( t p c ) 。上行d p d c h d p c c h 信道的帧结构如图2 1 ： 啪伽 二二二二二委 二二二二 p i l o t i t f c i f b it p c n 。1 d b i t sln m b i t s q f a i b i t sn w c b i t s 2 5 6 。c “i p 5 i ：7 s l o t # 0 s l o t # 1 s l o t 撑is l o t # 1 4 图2 1 上行d p d c h d p c c h 的帧结构 上图显示了上行专用物理信道的帧结构，每帧长度为1 0 m s ，由1 5 个时隙组成，每个时隙长 2 5 6 0 c h i p s ，对应一个内环功率控制周期。d p d c h 的扩频比s f 与图中的参数k 有关，即 s f = 2 5 6 2 。，在上行链路中，d p d c h 扩频比的取值范围为4 至2 5 6 ，而d p c c h 的扩频比恒定为 2 5 6 。在进行q p s k 调制之前，两路信号还需要经过复数扰码加扰。 2 1 2 反向内环功率控制方案介绍 首先介绍上行功率控制的模型，如图2 2 移动台基站 l 移动台发射机l一i - 椭i t t 产一基站接收机l 乩紫卜+l l 调整发射功率1 ，a| 外环功率控制 ls i r 估计 # 张制 根据b l e i i 调整 ( 内环功率控制 i 选择步长 内环目标s i r 、v 与目标s i r目标s i r 比较产生t p c t p c 提取 i 移动台接收机l 一下p一基站发射机 图2 2w c d m a 反向功率控制模型 由前面的描述可以知道，若想达到系统容量的最大值，必须保证各个用户发送信号在到达基 站时功率相等并且信干比刚好可以保证通信质量。w c d m a 标准建议的内环功率控制策略就试 6 第二章w c d m a 系统反向内环功率控制技术研究 图为系统提供这样的保证。在基站端，系统为每个用户事先设定了一个目标信干比( s i r , 。) 参数，这个参数代表了各个用户信号在到达基站接收端时系统希望其达到的信干比在每个时 隙，基站会测量接收信号的信干比( s i r e , # ) ，这个值代表了该用户目前的信号质量，与发送信 号的功率以及经历的衰落有关在基站端，系统比较s i r r a 与s i r t 。的值，若 s i r r a 观q 。，代表目前用户的信干比过大，信号功率仍旧有下调的空间，此时下行链路的 发送功率控制指令( t p c ) 取值为0 ，通知移动台降低发射功率；若5 豫0 一一，一i 一 。_ 。 厥 耖 钐 十l d b s t e - p r 一一2 d bs t e p 一一a i g o d l h m2 ；十p c o f f ； o 2 0 4 06 0 8 0 l o o 1 2 0 1 4 01 6 0 v e l o c i t y ( k m h ) 图2 1 0 不同步长在各种车速条件下的p c e 性能( 相干估计) 上图画出了在不同车速条件下选用不同调节步长后的p c e 性能。可以看到，在低速情况 下，1 d b 步长的算法比较好，算法2 次之，而中车速情况下2 d b 步长的算法比较好，高车速情况 下三者的性能都比较差。图中也画了没有功率控制时的p c e 均方差，在车速8 0 k m h 以下，功控 能够带来好处，而在这个车速以上，从p c e 的角度来看，功控就不能带来增益了。 下面看看非相干信干比估计的p c e 性能。这里的估计长度为整个时隙，所以定时应该采用 了延时一个时隙的方法。为了进行比较，我们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。 p e r f o r m a n c e w i t h d i f f e r e n ts t e p s w h e n n o n c o h e r e n t e s t i m a t i o n 图2 1 1 不同步长在各种车速条件下的p c e 性能( 非相干估计) 从图2 1 1 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，仅在车速2 0 k m h 以上时，p c e 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8 0 y a v j h 以上。由此，我们可以得出以下结论，非相 干估计算法的性能差于相干估计。 1 8 第二章w c d m a 系统反向内环功率控制技术研究 由内环功率控制的时序图可以看出，对于相干s i r 估计方法，用于估计的导频序列长度受 限于小区半径，在极端情况下，可以延时一帧进行功率调节下面介绍不同导频长度对于p c e 均方差的影响，仿真条件如前。 p e r f o r m a n w i 椭d i f f e r e n te s l i m a d o nl e n g t h s l! 分 j； i ； !；等；一鼍 if 一二： ： 争专：专严多考妥要事三三毫 r 赡旁弓多豸莎孑卜r 一 么方和绨 7 钐髟o t ：兹形i i _ ：二涨2 ：炉o t s - 州e - - 4 。b 晦i t s p 叫i l 吣o t s 。 ： ；f - - 一d - - 擞譬字。- 0 ”8 岫删a y 0 2 04 06 0 8 01 0 01 2 0 v e l o c i t y ( k m m l 图2 1 2 相干估计条件下不同估计长度的p c e 性能 显然，相干估计的长度越大，性能就越好。图中可见，估计长度在3 - - s h i t s 即7 6 8 1 2 8 0 c h i p s 的情况下，功率控制的性能差异不大，但是如果估计长度只有5 1 2 c h i p s 时，性能变化比较大， 若只有2 5 6 c h i p s 的估计长度，性能就劣化的很厉害，甚至不如功率控制关闭时的性能。从图中 我们还可以看到另外一点，即若小区半径太大，在同一个时隙内不可能完成s i r 的相干估计并 通知移动台改变发送功率，我们可以调整功率控制的频率，即每个时隙的导频信号都在下一个时 隙估计，而相应的功率调整也留在下一个时隙。这样，虽然对发送信号功率的调节有延时，但是 估计的长度可以达到1 5 3 6 c h i p s ，高精度的信道估计可以在一定程度上抵消延时带来的性能损 耗。从图中也可以看到，这种定时方案与没有延时。相干长度5 1 2 c h i p s 的性能差不多，并明显 好于只有相干长度2 5 6 c h i p s 的定时方案。所以，从p c e 的角度来看，对于小区半径在2 0 3 0 k m 的情况，若移动台在小区边缘，功率控制的定时方案可以采用7 5 0 h z 的方案。 2 4 2 2误块率性能 下面考察内环功率控制的误块率性能，也是设计实际系统时最为关心的性能指标。 作为整体性能的考察，我们首先仿真了低车速、中等车速、高车速情况下，典型功率控制算 法带来的性能增益，即算法1 规定的固定步长l d b 的内环功率控制算法带来的增益。仿真采用 1 2 2 k 业务类型，信道为c a s e 3 模型。同样的，为了突出重点，我们仿真了比较理想的情况，即 单用户，采用5 x 2 5 6 - - - - - 1 2 8 0 c h i p s 相干估计，t p c 的传播没有错误。仿真结果如图所示。 ：2 ：。 拍 ：3 侣 仙 正p)山。正o_l-s 东南大学硕士学位论文 ik 、 。、 l 专 l 、 q l i 、 b_ “_ vd 占 日一 、 ；-n “ 1 l i 一p o , e r c o r 自d o n l。 、l l - t l ia i 。n 声、 i 、l 弋 l 一p o w e r c 口w o f f 、 i一power(ontre_o“ _ 、 l 、 i 】 i k il 八ili l i、 !，、 、l ii 、n i l 1 11l 产9 一。“l i 1 、i 1 n l l l o 1 r 31 2 1 5 1 4 j- z t xp o w e r ( d b ) 图2 1 3 步长l d b 条件下功率控制系统的b l e r 性能 从这张图中我们可以看到，功率控制算法在低车速情况下有比较好的性能，增益达到了4 7 d b ，中等车速时稍差，但也有大约l 1 5 d b 的增益，而在高车速( 1 2 0 k i n h ) 情况下只有o 3 d b 的增益，如果车速更高，达到1 5 0 k n f h ，功率控制算法几乎没有性能增益。如果考虑到实际系统 中的信道估计误差，t p c 传输错误，我们可以认为高车速条件下功率控制算法带来的性能增益 为负，应该关闭功率控制。这表明功率控制算法跟踪信道衰落的能力在中低车速条件下比较突 出，而在高车速情况下的跟踪能力就不强。综合考虑到信道估计误差以及t p c 传输误差时的性 能增益将在相应章节仿真。 下面，考察不同调整步长对误块率的影响。仿真条件如上，只比较采用不同步长调整方法时 的误块率性能，仿真结果如图2 1 4 。 图2 1 4 画出了四种车速情况下，采用标准介绍的几种算法的性能。主要包括固定步长l d b 与2 d b ，算法2 的性能。前面提到了，算法2 是为了逼近0 2 d b 固定步长的一种比较易于实现的 近似算法，为了考察这种逼近的能力，我们还仿真了固定步长为o 2 d b 时的性能。这里并没有画 出关闭功率控制之后的性能。从图中可以看出，在低速情况下，采用各种步长的性能依次为 o 2 d b 固定步长、算法2 、l d b 固定步长、2 d b 固定步长并且四种算法性能相差不大。这是由于在 低速情况下，信道变化缓慢，低步长能够提供足够的跟踪能力。中速情况下最优步长为2 d b 固定 步长，l d b 步长次之但是两者相差不大，算法2 以及o 2 d b 固定步长的性能比较差。而高速情况 下也是2 d b 固定步长的性能最佳。其中，l d b 固定步长与2 d b 固定步长算法的性能相差在o 2 d b 左右，而算法2 的性能与o ，2 d b 固定步长的方法性能相差0 5 l d b 左右。 第二章w c d m a 系统反向内环功率控制技术研究 芷 山 p o w e rc o n t r 0 1w i t hd i f f e r e n t f i x e ds t e p l 一r o = x i s t e p 2 o _ 自s t e p l = = 宴一- - a k x t h m 2 - p f i x e d s t e 0 1 x+ t n 、i， 忒 n i n 、h 。h i 、i 瓷 ff v “1 2 t xp o w e r d b ) - “ 3 图2 1 4 不同步长调节策略下内环功率控制算法的b l e r 性能 仔细观察算法2 以及0 2 d b 固定步长算法的性能差异，可以看到，后者的性能始终好于前 者。在b i e r 为o 0 1 的情况下，在低车速情况下，二者相差0 2 d b ，在中高速情况下二者的差异 逐渐变大，最终达到了0 4 d b 左右。可见，算法2 相比o 2 d b 固定步长的算法性能有一定损失。 但是如果综合各个车速下的最佳步长，即低车速下采用算法2 ，中等车速下2 d b 固定步长，高车 速下关闭功率控制，可以发现算法2 相比0 2 d b 固定步长的性能损失仅有o 2 d b ，而算法2 却更 易于实现。 从以上关于p c e 方差以及b l e r 性能的讨论中可以看到，在固定步长的功率控制算法中， 步长的选择最好遵循以下法则：低车速时采用算法2 或i d b 固定步长，中车速时采用2 d b 固定步 长或l a b 固定步长，而高车速时应关闭功率控制。而i d b 固定步长的性能在任何车速下都是次最 优的，并且固定的调节步长会使得算法更易实现。 下面考虑在实际系统中，相干估计长度受限情况下的b l e r 性能。 由上面的时序介绍可以看到，在实际系统中，小区半径的大小决定了相干估计长度的大小。 具体如下： 表2 2 不同小区半径条件下对应的最大相干估计长度 小区半径( h 1 ) 相干估计最大长度( c h i p s ) 5 5 x 2 5 6 = 1 2 8 0 l o 4 x 2 5 6 = 1 0 2 4 1 53 x 2 5 6 = 7 6 8 2 0 2 2 5 6 = 5 1 2 2 5l 2 5 6 = 2 5 6 3 0 在一个时隙内无法完成，必须延时 2 1 东南大学硕士学位论文 可以看到，若小区半径小于2 5 k m ，基站均有可能在一个时隙内完成信道估计并且发送 t p c ，若小区半径大于3 0 k m ，功率控制没有办法在一个时隙内完成所有操作，此时应采用估计 长度6 x 2 5 6 = 1 5 3 6 c h i p s ，并且延时一个时隙进行控制的方法。 下面比较在相干估计的情况下，不同估计长度的误块率性能。仍然比较不同发送功率条件下 的误块率性能，仿真条件如上，采用固定i d b 步长的调整方法，仿真结果如图2 1 5 。 p e r f o r m a n c ew i t hd i f i e r e n te s t i m a t i o nl e n g t h 氐1 ll 釜= = ，溉、xj 。 l 心k l 娥入 矗k 弋憋蕊 弋 慧卜 嵴 弋文泌 l 勰”一 淤。 。 蕊 ：篓5 7 i 篆誉巍。i 3 n ? 、 ：僦 一1 4 01 3 5 圳 q 2 5- 1 4 4- 1 a 1 2 t x p o w e r ( d b ) 图2 1 5 相干估计条件下不同估计长度 ( 不同小区半径) 的b l e r 性能 图2 1 5 列出了在不同车速条件下，采用不同估计长度的功率控制算法的性能。其中不同估 计长度对应了可能的小区半径，为了便于比较，也给出了估计长度为6 2 5 6 = 1 5 3 6 c h i p s 并且功 率控制没有延时的性能。从图中可以看到，在中低车速情况下，若用于相干估计的导频长度少于 3 b i t s ，即7 6 8 c h i p s ，功率控制的性能比较差，而在导频比特数大于4 时，功率控制性能随着估计 长度增加逐渐提高，但是性能相差不大。值得注意的是，在中低车速条件下，采用1 5 3 6 c h i p s 相 干估计并且延时一个时隙进行调节的功率控制算法性能明显优于3 b i t s 估计长度没有延时的算 法，甚至与4 、5 b i t s 估计长度时的性能差不多。而在中高车速情况下，延时算法的性能有所下 降，介于2 b i t s 以及3 b i t s 长度导频估计之间。可见，在中低车速条件下，7 5 0 h z 的功率控制频率 并不明显落后于信道变化速度，并且1 5 3 6 c h i p s 的积分长度保证了信道估计精度，这能够弥补一 部分由延时带来的性能损失。而在高车速情况下，延时带来的性能损失更加明显，当然，无论功 率控制频率采用1 5 0 0 h z 还是7 5 0 h z ，其跟踪信道的性能都很差，此时的功率控制已经跟不上信 道的实际变化速率。 从上面的仿真结果，我们可以给出采用相干估计进行功率控制时有关定时的参数配置：即若 叱山- 1 血 笙三童兰坚翌垒墨竺垦塑查! 堕兰丝墅垫查堡塞 小区半径在1 5 k i n 以下，算法应采用4 b i t s 导频或以上的相干长度，若小区半径大于1 5 k m ，算法 应采用o b i t s 导频相干估计并延时一个时隙的方法 2 4 3 内环调整步长算法仿真 从前面的仿真结果可以看到，在不同车速条件下，若想功率控制性能最优，需要不同的调整 步长。低车速情况下的最佳步长是i d b ，在中高车速条件下，2 d b 的步长比较好，而在高车速， 例如1 2 0 k i n 以上，最好关闭功率控制。 为了提高性能，一种最自然的想法就是，在不同车速条件下利用不同的调整步长。本节主要 考察各种变步长功率调整算法的性能。 2 4 3 1车速估计算法的性能仿真 前面提到几种估计车速的算法，下面结合硬件实现的特点，考察几种算法的优劣。 为了考察车速估计性能，我们定义如下性能指标：相对误差p 。，其大小表示估计车速 的标准方差与实际车速的比值。这个变量可以大致反映出车速估计算法在统计意义上的性能。 我们仿真了测量周期分别为1 0 2 4 时隙( o 7 秒) 以及4 0 9 6 时隙( 2 8 秒) 时，采用电平穿过 率方法以及采用构造新变量方法的相对误差性能以及估计车速的平均值，为了结合硬件实现的特 点，我们也仿真了利用i i r 结构实现式2 1 2 时的性能。仿真结果如下： 表2 - 3 不同车速估计模块性能 测量周期1 0 2 4 时隙0 7 秒铡量周期4 0 9 6 时隙2 8 秒 车速3 k m h车速1 2 0 k m h车速3 k m h车速1 2 0 k m h 构造新变量估计均值2 82 5 31 7 8 4 93 22 4 81 7 8 4 6 3 相对误差 0 7 3 1 0 0 0 3 3 92 ，7 0 6o o l 2 4 电平穿过率估计均值1 7 2 0 21 0 0 3 7 91 4 7 4 51 0 0 1 6 6 相对误差 3 0 3 3 0 0 3 0 10 3 7 80 0 2 4 4 电平穿过率估计均值 1 65 7 9 1 0 0 5 9 21 4 5 8 81 0 0 6 8 2 f i r 方法实现相对误差z 5 4 3o 0 4 0 0 81 1 2 6o t 0 2 9 本文研究车速估计的主要目的是为现有的功率控制算法添加辅助的信号量，例如在高车速情 况下通知移动台关闭功率控制算法，如果精度足够，在低速情况下( 3 k m h ) 也希望可以通知移 动台改变功率控制调整步长以及改变功率控制算法所以我们只仿真了1 2 0 k i n 以及3 k m 情况下 的性能。从重要性来说，高车速( 1 2 0 k i n h ) 的估计能力是功率控制算法最关心的，除此之外， 我们希望算法在低车速情况下也有一定的估计能力当然，由于中低车速下不同步长带来的性能 影响不大，我们对车速估计算法在低车速下的性能并不要求很高。 从仿真结果可以看到，首先，构造新变量方法的性能对于测量周期大小不敏感，而电平穿过 率方法则比较敏感，即测量周期越大，性能越好。这是因为采样点数影响统计性能。其次，我们 2 3 东南大学硕士学位论文 也看到，正如文献 2 2 l 中提到的，用构造新变量方法估计的车速总是大于实际车速，而电平穿过 率的方法却没有这个特点。在实际系统中，我们可以利用这种单调的特点进一步提高车速估计的 效果，实际上，我们可以将估计出的车速减去一个值并将这个值作为判断车速的门限。除此之 外，我们还看到，若采用i i r 方法实现2 1 2 式，其性能与直接实现2 1 2 式差别不大，而后者比 之前者大大节省存储空间，在对比采用构造新变量的方法，测量周期不需要很大，就可以达到与 电平穿过滤方法同样的性能。 综合考虑到在高车速情况下的性能以及功率控制系统的需要，我们建议选择构造新变量的方 法实现车速估计模块，测量周期选择1 0 2 4 时隙，即0 7 秒。从前面的方法简介( 式2 - 1 3 ) 可以 看到，这种方法只需要额外增加3 个临时变量，不仅有效，而且节省资源。考虑到几种车速估计 方法的精度都不高，并且低车速下采用各个步长的功率控制性能差别并不大，我们只用车速估计 模块检测高车速( 1 2 0 k m h ) 情况，并通知系统关闭功率控制。从前面的仿真可以看到，在算法 2 情况下，若基站发射0 1 交替的t p c 序列，移动台不会改变发送信号的功率，即模拟关闭功率 控制的状态。采用车速估计检测关闭功控的时机并采用算法2 关闭功率控制的原理图如图2 1 6 。 图2 1 6 车速估计模块辅助关闭功率控制方法原理图 可以看到，在每个时隙内，基站端的内环功率控制模块仍旧进行信干比估计并与目标信干比 进行比较得到t p c 值，与此同时，还实时估计目前用户的车速并判断是否大于1 2 0 k m h ，如果 目前车速小于1 2 0 k m h ，则功率控制按照正常的流程操作，即采用算法l 并将步长固定为i d b ， 此时基站发射实际得到的t p c 。若车速大于1 2 0 k m a ，此时基站通知移动台改用算法2 ，并屏蔽 目前判断出来的实际t p c ，只发射0 1 交替的序列。 由前面的分析可以看见，若采用构造新变量的方法进行车速估计，其估计值单调大于实际 值，这个性质可以保证我们的车速估计模块只有在到达高车速后才会通知基站关闭功率控制系 统，避免误调。 2 4 第二章w c d m a 系统反向内巧功率控制技术研究 2 4 3 2 盲估计变步长算法 由上节的分析看到，在高速情况下，车速估计模块可以有效的协助系统关闭功率控制，避免 负增益。而在中低车速倩况下，由于算法精度有