关于数字移动通信系统中的功率控制技术研究.doc

精品文档关于数字移动通信系统中的功率控制技术研究1 引言移动通信系统从2G 的PHS、GSM、IS-95 发展到2.5G 的GPRS、CDMA2000 1x，再发展到3G 的TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000，以至于不久将来的4G 无线通信系统，功率控制始终作为其中一项关键技术，在日益先进、复杂的数字移动通信系统中扮演着越来越关键的作用。作为固定网络的补充和延伸，PHS（小灵通）以其低功率、低成本、低话费等优势曾在20世纪90 年代末迅速在数字移动通信市场上占据了重要地位。PHS 遵照日本RCR-STD28 空中无线接口标准，采用微蜂窝技术，以较简单的功率不可控模式进行通信1。因此，在没有采用功率控制技术的情况下，为了避免网络出现大量无线号区域和通信质量差等问题，PHS主要是通过建置较密集的基站抵消远近效应和阴影效应。在受到干扰、通信质量降低的情况下，PHS 手机无法通过提高发射功率的办法保证通信质量。源于欧洲的 GSM 协议规定，手机发射功率是可以被基站控制的。当手机远离基站，或者处于无线阴影区时，基站可以命令手机发出较大功率，直至33dBm（GSM900），以克服远距离传输或建筑物遮挡所造成的信号损耗。如果手机离基站很近，且无任何遮挡物时，基站可以命令手机发出较小功率，直至5dBm（GSM900），以减少手机对同信道、相邻信道的其它GSM 用户的干扰和其它无线设备的干扰，而且这样还可以有效延长手机待机时间、通话时间。采用了码分多址的CDMA2000 1x 技术，其在一个小区内的所有用户，都是同时在同一个频率上通讯，因此每个用户都回受到同小区的其它用户的干扰，每个用户都会干扰同小区的其它用户（自干扰系统）。因为限制CDMA 系统容量的因素是总干扰功率，所以控制每个移动台的功率是获得最大容量的关键。在给定条件下，CDMA 移动台的功率被控制到能够保证接收话音质量的最小功率。结果是每个移动台到达基站的信号电平几乎相同。这样，每台移动台对其他移动台的干扰被控制到最小。因此，功率控制在采用了CDMA 技术的通信系统中无疑成为基本处理技术。伴随着 3G 时代的到来，功率控制在3G 比在2G 更为重要，基站的功率资源是有限的，用户数的增加，必然使每用户分得的功率资源减少；另外，远近效应的原因，没有功控的情况下，往往使得近基站端的手机信号淹没在远基站端的手机信号中，导致远基站端用户无法通话。在3G 中合理功控，可以解决远近效应，降低多余干扰，解决阴影效应，补偿部分衰落，节约电池消耗。2G 和3G 的功控按链路方向分有前向和反向。2G 中前向功控和反向功控的重要性都是同等的，而在3G 中，由于反向链路的信道状况相对要恶劣得多，于是功控优化的重点更多地放在反向链路方面2。另外，由于3G 功控引入了开环功控、闭环功控和外环功控，技术要比2G 复杂得多，参数上的优化研究将会投入更大的精力。2 功率控制技术2.1 上、下行功率控制上行功率控制：上行功率控制是控制用户移动台的发射功率，使得接站接收到的小区内所有用户移动台发射至基站的信号功率或SIR 基本相等，以便克服远近效应和阴影效应，以及减少干扰、提升容量、节省设备能量。下行功率控制：基站根据接收不同用户移动台导频信号的强弱，对基站发射机功率再分配，即自适应分配各业务信道的功率份额，使小区中所有用户收到的导频信号功率或SIR基本相等，以便提高下行小区容量、减少基站间信号干扰、改善用户通信质量。2.2 开、闭环功率控制开环功率控制：用户移动台根据下行链路或者基站根据上行链路接收到的信号强度或SIR 对信道衰落情况进行估计3。若移动台接收到的来自基站的信号很强，则移动台降低自身发射功率，反之则增加发射功率。开环功控的优点是简单易行、控制速度快。缺点是开环功控建立在上下行信道具有对称性，以及上下行信道衰落特性相同的基础上，才能根据下行（上行）接收信号强度直接控制上行（下行）信号发射的功率。对于频分双工FDD 移动通信系统，其上下行频段间隔大于信号相关带宽，信道衰落不具备上下行对称性，因此开环功控不能很好的精确控制功率。而对于时分双工TDD 移动通信系统，由于上下行链路处于同一频段不同时隙，只要上下行时隙不要太大，则上下行信道衰落可以认为是对称的，开环功率控制可以提高控制精度。闭环功率控制：利用上行基站接收到的来自移动台的信号，根据信号的强弱或SIR 状况，产生功控指令，通过一个反馈信道回送至移动台，控制移动台的上行发送功率，以保证同一小区内各用户发射的信号到达基站时具有相同的信号强度或SIR 值，实现精确功控。闭环功控的缺点是：在小区间硬切换时，由于边缘地带信号电平的波动性，易产生“乒乓”式控制（即两个基站同时对移动台进行功率的控制）。2.3 外、内环功率控制内环功率控制：慢速闭环功率控制，在基站（BTS）完成。通过测量反向业务信道的Eb/Nt，将测量的结果与目标Eb/Nt 相比较4。如图1 所示，如果实际测试的Eb/Nt 小于目标值，则说明反向信道质量不好，命令移动台增加功率；如果实测的Eb/Nt 大于目标值，则说明反向信道质量较好，命令移动台降低功率，以减少干扰。外环功率控制：快速闭环功率控制，在基站控制器（BSC）完成。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。而最终接入网提供给NAS 的服务中心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。外环功控测量反向信道的误帧率，将测量的结果与目标FER 相比较，如果实测的FER 超过目标值，说明反向信道质量不好，则命令提高内环功控的Eb/Nt 目标值，否则降低内环功控的Eb/Nt 目标值,如图2 所示。外环功控通过动态调整内环功控中信噪比的目标值来维持恒定的目标误帧率，可以间接影响系统容量和通信质量5。3 移动通信系统中的功率控制技术3.1 IS-95 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6。1）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。（2）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：（3）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。3.2 GSM 系统的功率控制GSM 系统中上下行功率控制是彼此独立的，由BSC 管理上下行的功率控制。在MS 和基站连接开始时，由BSC 来选择MS 和BTS 的初始传输功率。在初始分配时，MS 根据它在空闲模式时通过收听BCCH 广播的系统消息所得到的手机最大发射功率参数，来获得它在该小区内的最大发射功率7。因而MS 在通过随机接入信道RACH 接入网络时，都是以BCCH 上广播允许的最大发射功率来发送的。当MS 功率低于这一规定值时，将以其最大发射功率发射。系统规定MS 在专用信道上所发出的第一个消息的功率电平也是这个固定值，直到收到在SDCCH 或TCH 上SACCH 消息块所携带的功率控制命令时，才开始受到系统的控制。每一条功率控制消息并不立即使MS 转换到要求的电平，MS 将在下一个报告周期开始执行新的功率控制命令，MS 的功率最大变化速度是2dB/13 帧(60ms)。当前发射功率被储存下来，以便在下一个SACCH 的上行报告中发送给BTS。因而对于BTS 来说功率控制的整个过程需要3 个测量报告的周期。手机每隔480ms 上报一次测量报告，功控最快频率不超过2 次/秒，其抗多径衰落的主要手段是系统跳频。基站通过下行SACCH 信道，发出命令控制手机的发射功率级别，每个功率级别差2dB，GSM900 手机最大发射功率级别是5（33dBm），最小发射功率级别是19（5dBm），DCS1800 手机最大发射功率级别是0（30dBm），最小发射功率级别是15（0dBm）。3.3 CDMA2000 系统中的功率控制CDMA2000 与IS-95 完全兼容，所以其功率控制技术绝大部分与IS-95 一致，但是由于CDMA2000 信道结构更加复杂，因此在功率控制技术上与IS-95 不同的地方主要在于CDMA2000 中的800bps 快速功率控制不仅可以用于上行链路，也可以用于下行链路。CDMA2000 可以采用门控发射技术，其速率分别为1，1/2，1/4 这3 种类型，此时对应的功控速率分别为800bps 、400bps 和200bps。当上行链路采用门控发射技术时，上、下行功率控制均可减少到400bps 和200bps，而且上行功率控制子信道还可以分成两条独立的控制流，其速率分别为400bps 或者一条600bps 另一条200bps，这样在不同的切换配置中，下行信道可以有各自独立的功控。3.4 WCDMA 系统的功率控制宽带码分多址WCDMA 仍属于码分多址CDMA 系列，因此该系统中的功率控制的基本原理、方法与前面IS-95 中介绍的大同小异，所不同的是功控方式包括压缩与非压缩模式。与GSM 功率控制方法相比，WCDMA 引入了快速功控。功率控制速率从800bps 提高到1500bps，抗平坦衰落能力大大增强8。反向功率控制：上行链路中仅有物理随机接入信道(PRACH)以及上行公共分组信道(CPCH)采用开环功率控制，其余信道采用闭环功率控制。闭环功率控制又间接受制于反向外环功率控制，见图4。反向外环功率控制是为了适应无线信道衰落变化，将接收到的误帧率与目标误帧率作比较，据此结果动态调整反向闭环功率控制中的目标信噪比，从而使功率控制直接与表征通信质量的FER 相联系，而不仅仅体现在信噪比上。前向功率控制：前向链路中，小区内的信号发射是同步的。移动台解调来自基站信号时，通过扩频码的正交性去除其他用户的干扰，因此前向链路的干扰主要来自邻区干扰和多径干扰，故前向链路质量远远好于反向链路。其慢速功率控制过程是：基站通过移动台对前向解调误帧率的反馈报告，决定对该移动台前向链路功率的增大或减小。3.5 TD-SCDMA 系统的功率控制同理，由于采用了码分多址CDMA 技术，TD-SCDMA 的功率控制与其他采用了CDMA技术的通信系统的功率控制大同小异。在上行开环功率控制上，主要用于UE 端在UpPTS和PRACH 上发起的随机接入过程，此时UE 还没有从DPCH 信道上收到功控命令。之后UE 根据开环功率控制，设定DPCH 初始发射功率，直到初始化发射之后，进入闭环功率控制9。下行内环控制主要是下行链路专用物理信道的初始化发射功率由网络设置，直到第一个上行DPCH 到达，以后的发射功率由UE 采用基于SIR 的内环控制。由于SIR 与BLER/BER的对应关系和无线链路的具体环境有关，在话音业务BER=10E-3 和BLER=10E-2 的QoS 要求下，对应的SIR 目标值是不相同的，所以为了适应无线链路的变化，需要实时的调整SIR的目标值，这就又用到了外环功率控制。4 结论功率控制技术根据无线信道变化情况以及接收到的信号电平通过反馈信道、按照一定准则调节发射信号电平。功率控制技术可以克服阴影效应、多径传播