寬帶CDMA系統(tǒng)中的功控技術(shù)

   摘要：簡述了功控技術(shù)的作用與分類，介紹了帶寬CDMA系統(tǒng)的功控技術(shù)方案，討論了實(shí)現(xiàn)的限制條件，仿真了影響性能的幾個(gè)關(guān)鍵因素，并給出了硬件實(shí)現(xiàn)和測試結(jié)果。

無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)為每個(gè)用戶提供的服務(wù)需要滿足一定的服務(wù)質(zhì)量（QOS），然而QOS主要由每個(gè)用戶接收到信號(hào)的信干比（SIR）決定。因此，無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)對(duì)無線資源的分配，特別是對(duì)每個(gè)用戶鏈路的功率分配就更加重要。對(duì)于CDMA蜂窩系統(tǒng)，同一小區(qū)內(nèi)所有用戶使用相同的頻段和時(shí)隙，用戶之間僅靠擴(kuò)頻碼的（準(zhǔn)）正交特性相互隔離。然而由于無線信道的多徑、延時(shí)等原因使得各個(gè)用戶信號(hào)間的互相關(guān)特性不理想，其它用戶的信號(hào)對(duì)當(dāng)前用戶信號(hào)產(chǎn)生干擾，這類干擾被稱為多址干擾（MAI）。這樣，當(dāng)小區(qū)中用戶個(gè)數(shù)增加或者其它用戶功率提升時(shí)都會(huì)增加對(duì)當(dāng)前用戶的干擾，導(dǎo)致當(dāng)前用戶的接收信號(hào)SIR下降，當(dāng)這類干擾大到一定程度時(shí)，當(dāng)前用戶就不能正常通信了，因此CDMA系統(tǒng)是一個(gè)嚴(yán)重的干擾受限系統(tǒng)，干擾的大小直接影響到系統(tǒng)容量。解決這個(gè)問題主要有兩個(gè)辦法：多用戶檢測技術(shù)和功控技術(shù)。多用戶檢測技術(shù)充分考慮用戶間存在的MAI，通過在接收端重構(gòu)這些干擾，然后消除它的影響，提高性能，但由于其算法過于復(fù)雜，目前還沒有進(jìn)行商業(yè)應(yīng)用。功控技術(shù)十分簡單實(shí)用，被認(rèn)為是CDMA系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。功控技術(shù)調(diào)整每個(gè)用戶的發(fā)射功率，補(bǔ)償信道衰落、抵消遠(yuǎn)近效應(yīng)，使各個(gè)用戶維持在能保持正常通信的最低標(biāo)準(zhǔn)上，這樣都能最大地減少對(duì)其他用戶的干擾，從而提高系統(tǒng)容量，同時(shí)延長手機(jī)的待機(jī)時(shí)間。

功控技術(shù)的控制準(zhǔn)則大致可分為兩大類：功率平衡準(zhǔn)則和SIR平衡準(zhǔn)則。它們分別控制各個(gè)用戶信號(hào)在接收端的有用功率相等或SIR相等。從而不同的角度，可以有不同的功控技術(shù)分類。按功控效果可分為內(nèi)環(huán)功控和外環(huán)功控。內(nèi)環(huán)功控主要用來對(duì)抗信道衰落和損耗，使得接收端信號(hào)SIR或功率達(dá)到特定的目標(biāo)值；外環(huán)功控根據(jù)特定環(huán)境下的服務(wù)質(zhì)量要求，產(chǎn)生內(nèi)環(huán)功控的SIR或功率門限值。按鏈路可分為反向功控和前向功控，由于CDMA系統(tǒng)容量主要受反向鏈路容量限制，因此反向功控尤為重要。按功控的環(huán)路類型可分為開環(huán)和閉環(huán)功控，開環(huán)功控是基于上下行信道對(duì)稱假設(shè)的，它能夠抵消路徑損耗和陰影衰落，閉環(huán)功控不需作此假設(shè)，它同時(shí)還能抵消快衰落。按功控實(shí)現(xiàn)的方式可分為集中式功控和分布式功控，集中式功控考慮小區(qū)內(nèi)所有用戶的信息（鏈路增益等），對(duì)每個(gè)用戶進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)整，這個(gè)算法復(fù)雜度高，難以實(shí)現(xiàn)，但算法的收斂特性好；分布式控制只根據(jù)單個(gè)用戶信息產(chǎn)生控制指令，易于實(shí)現(xiàn)，但分布式算法需要滿足一定的條件才能收斂。

1 WCDMA系統(tǒng)的功控技術(shù)方案

WCDMA系統(tǒng)同時(shí)采用了反向開環(huán)、閉環(huán)、外環(huán)功控技術(shù)和前向閉環(huán)、外環(huán)功控技術(shù)。鑒于反向閉環(huán)功控的重要性和篇幅所限，本文將主要針對(duì)反向閉環(huán)功控進(jìn)行討論，后面的仿真曲線也是基于反向閉環(huán)功控做出的。WCDMA系統(tǒng)閉環(huán)軾控主要由四部分構(gòu)成：SIR估計(jì)、功控比特（TPC）產(chǎn)生、本地TPC判決和功率高速單元等，如圖1所示。

SIR估計(jì)單元采用某種SIR估計(jì)算法對(duì)接收專用數(shù)據(jù)信道（DPDCH）的SIR進(jìn)行估計(jì)，然后將估計(jì)值送給TPC產(chǎn)生單元。WCDMA協(xié)議并沒有規(guī)定SIR估計(jì)的算法，主要有兩種算法：相干SIR估計(jì)和非相干SIR估計(jì)，后面將分析這兩種方法的性能差異。另外，限制SIR估計(jì)精度的另一主要因素是SIR估計(jì)的長度，即可以用來估計(jì)樣本數(shù)的多少，對(duì)于非相干估計(jì)樣本數(shù)較多、相干估計(jì)樣本數(shù)較少，它主要受前、反向功控的定時(shí)關(guān)系限制。TPC產(chǎn)生單元將SIR估計(jì)值SIResti和外環(huán)功控所產(chǎn)生的SIR參考門限SIRtarget相減，根據(jù)其差值的符號(hào)，即sign(SIResti-SIRtarget)，產(chǎn)生TPC比特。TPC判決單元根據(jù)本地接收的TPC比特重新生成本地TPC命令送給功控調(diào)整單元，用于調(diào)整前向或反向信道的發(fā)射功率。文獻(xiàn)給出了WCDMA系統(tǒng)本地TPC命令生成的幾種算法，其中在非宏分集狀態(tài)下有兩種算法。

    算法一，針對(duì)當(dāng)前的隙接收到的TPC指令，每個(gè)時(shí)隙產(chǎn)生一個(gè)TPC_cmd。

如果接收到的TPC命令等于0，那么該時(shí)隙的TPC_cmd為-1。

如果接收到的TPC命令等于1，那么該時(shí)隙的TPC_cmd為1。

算法二，在5個(gè)時(shí)隙中的前4個(gè)時(shí)隙，TPC_cmd=0,即不改變發(fā)送功率。在第5個(gè)時(shí)隙，對(duì)收到的5個(gè)TPC命令采用如下硬判決：

如果所有5個(gè)TPC命令的硬件判決都為1，那么第5個(gè)時(shí)隙的TPC_cmd=1

如果所有5個(gè)TPC命令的硬判決都為0，那么第5個(gè)時(shí)隙的TPC_cmd=-1

否則，在第5個(gè)時(shí)隙的TPC_cmd=0。

可以看到算法一在每個(gè)時(shí)隙都產(chǎn)生一次功控命令（±1），功率調(diào)整的頻率為1.5kHz。算法二每5個(gè)時(shí)隙產(chǎn)生一次功控命令（±1），功率調(diào)整的最快頻率為300Hz，它具有近0.2dB(1dB/5)功控步長的性能。算法二還具有防止功控誤調(diào)的功能，當(dāng)接收的功控比特交換±1時(shí)，產(chǎn)生的功控命令始終為0，從而不進(jìn)行功率調(diào)整。功率調(diào)整單元在前一次發(fā)射功率p[k-1]基礎(chǔ)上，根據(jù)當(dāng)前第k個(gè)TPC命令按照如下公式調(diào)整當(dāng)前發(fā)射功率p[k][dB]:

p[k]=p[k-1]+β.TPC_cmd （1）

其中，β為功控步長，WCDMA系統(tǒng)采用固定步長，前向功控采用0.5、1、1.5或2db四種步長，反向功控采用1或2dB兩種步長，而TPC_cmd就是本地產(chǎn)生的TPC命令。

WCDMA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定功控速率為1.5kHz，即一個(gè)時(shí)隙內(nèi)必須完成一次閉環(huán)功率調(diào)整，這就要求上述功控所有操作要在一定時(shí)間內(nèi)完成。文獻(xiàn)圖B.1列出了WCDMA功控定時(shí)關(guān)系，經(jīng)分析得出可用于SIR估計(jì)的時(shí)間為：

TSIR=2560+Tdata1-1024-2×Tprop-Tprocess (2)

Tprocess為接收機(jī)處理延時(shí)，2×Tprop是雙程路徑延時(shí)，而處理延時(shí)一般等于總路徑延時(shí)，若忽略data1數(shù)據(jù)處理延時(shí)Tdata1,得出SIR估計(jì)時(shí)間大致為：

TSIR=1536-4×Tprop （3）

當(dāng)單程延時(shí)Tprop≥384chips，對(duì)應(yīng)小區(qū)半徑大于30km時(shí)，基站沒有時(shí)間在當(dāng)前的時(shí)隙完成SIR估計(jì)并發(fā)送功控比特。此時(shí)必須 延時(shí)一個(gè)時(shí)隙進(jìn)行SIR估計(jì)并發(fā)送功控比特。此時(shí)必須采用延時(shí)一個(gè)時(shí)隙進(jìn)行SIR估計(jì)的750Hz功控方案。

2 WCDMA系統(tǒng)的功控性能仿真

本節(jié)將通過計(jì)算機(jī)仿真的方法，說明SIR估計(jì)方法、估計(jì)精度、步長選擇、功控比特傳輸錯(cuò)誤以及功控比特時(shí)延等主要因素對(duì)功控性能的影響，給出反向閉環(huán)功控的仿真曲線并對(duì)結(jié)果做出一定的分析和解釋。

首先分析SIR估計(jì)的兩種方法，相干估計(jì)和非相干估計(jì)的原理。對(duì)于相干估計(jì)，由于導(dǎo)頻信號(hào)已知，假設(shè)導(dǎo)頻序列數(shù)值固定為1，則接收信號(hào)y(i)近似為一個(gè)高斯平穩(wěn)隨機(jī)過程，可以用其時(shí)間平均代替集平均。假設(shè)接收信號(hào)y(i)的N個(gè)采樣點(diǎn)為{y1,y2,y3,…，yn},則接收信號(hào)功率、哭聲功率和信干比估計(jì)值可分別表示如下：

當(dāng)采用非相干估計(jì)時(shí)，處理的數(shù)據(jù)不再是已知的導(dǎo)頻信號(hào)，而是數(shù)據(jù)信道上的數(shù)據(jù)，其數(shù)值未知。可以采用如下方法進(jìn)行信干比的估計(jì)：

    當(dāng)相干估計(jì)和非相干估計(jì)具有相同的估計(jì)樣本數(shù)目的，相干估計(jì)的性能要優(yōu)于非相干估計(jì)。從上一節(jié)的定時(shí)約束分析可知，相干估計(jì)的樣本數(shù)受小區(qū)半徑等因素的限制，而樣本數(shù)太少時(shí)相干估計(jì)的性能惡化很嚴(yán)重。而非相干估計(jì)雖然能夠獲得較多的估計(jì)樣本，但它的性能也受很多因素的制約，文獻(xiàn)詳細(xì)研究了非相干估計(jì)算法的問題，并得出相干SIR估計(jì)算法在多數(shù)情況下具有比非相干估計(jì)更為優(yōu)良的性能，后面的仿真結(jié)果也會(huì)說明這個(gè)問題。

閉環(huán)功率控制的目標(biāo)是把接收信號(hào)的實(shí)際信干比控制在目標(biāo)值上，因此衡量算法性能的最直接的方法就是考察實(shí)際信干比與目標(biāo)信干比的一臻性，為此定義功控誤差（PCE）如下：

PCE=SIResti-SIRtanget (10)

用其衡量各個(gè)功控算法性能的好壞。文獻(xiàn)證明了在理想功控情況下，PCE的對(duì)數(shù)值呈正態(tài)分布，其均值為零，而均方差的大小反映了功控算法的優(yōu)劣，均方差越小功控算法越好。

圖2給出相干估計(jì)情況、不同車速條件、不同功控調(diào)節(jié)步長的PCE性能。可以看到，在低速情況下，1dB步長的算法比較好，算法二次之，而中速情況下2dB步長的算法比較好，高速情況下三者的性能都比較差。圖2中也給出了沒有功控時(shí)的PCE均方差，在車速80km/h以下，功控能夠帶來好處，而在這個(gè)車速以上，從PCE的角度來看，功控就不能帶來增益了。由此可以得出，在固定步長算法中，低速時(shí)采用1dB步長，中速時(shí)采用2dB或1db步長，而高速時(shí)雖然不能補(bǔ)償快衰落，但考慮到補(bǔ)償路徑損耗和減少對(duì)其他用戶的影響，此時(shí)應(yīng)采用算法二進(jìn)行慢速功率調(diào)整。

圖3給出了非相干估計(jì)時(shí)不同車速條件下不同功控調(diào)節(jié)步長的PCE性能。這里非相干估計(jì)的長度為整個(gè)時(shí)隙，所以采用了延時(shí)一個(gè)時(shí)隙進(jìn)行功控的方法。為了進(jìn)行比較，也畫出了同樣估計(jì)長度，但是沒有延時(shí)的非相干估計(jì)的性能?？梢钥闯觯涸诓捎梅窍喔晒烙?jì)方法時(shí)，車速與最佳步長之間的關(guān)系和采用相干估計(jì)方法時(shí)類似。值得注意的是，僅在低車速20km/h左右時(shí)，PCE的性能就比關(guān)閉功控時(shí)差，而在采用相干估計(jì)方法時(shí)，這個(gè)臨界車速達(dá)到了80km/h以上。由此，可以得出結(jié)論：非相干估計(jì)算法的性能差于相干估計(jì)。因此，后面的仿真都采用相干SIR估計(jì)算法。

    從以上的仿真結(jié)果可以看出：不同車速條件下，若想功率控制性能最優(yōu)，需要不同的調(diào)整步長。因此為了提高功控的性能，一個(gè)很自然的想法就是通過估計(jì)車速選擇對(duì)應(yīng)該車速下最優(yōu)的功控步長進(jìn)行功控。文獻(xiàn)討論了這方面的問題，仿真了構(gòu)造新變量，電平通過率和盲估計(jì)變步長等算法，能取得一定的性能增益。

圖4給出了不同車速條件下SIR估計(jì)長度對(duì)功控性能的影響。顯然，相干估計(jì)長度越大，性能越好。由圖4可見，估計(jì)長度在3～5 pilot bits,即768～1280chips的情況下，功控的性能差異不大；如果估計(jì)長度只有2bits，即512chips時(shí)，性能變化比較大；若只有1bits，即256chips的估計(jì)長度，性能劣化很厲害，甚至不如關(guān)閉功控時(shí)的性能。從圖4中還可以看到，若小區(qū)半徑太大，在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)不可能完成SIR相干估計(jì)和一次閉環(huán)功率調(diào)整，這時(shí)可以降低功控頻率。這樣雖然功率調(diào)整有一個(gè)時(shí)隙延時(shí)，但是由此獲得的高精度SIR估計(jì)可以在一定程序上抵消延時(shí)帶來的性能損失。從圖4中可看到，這種方案與沒延時(shí)、估計(jì)長度512chips時(shí)性能差不多。所以，當(dāng)小區(qū)半徑較小時(shí)，應(yīng)采用1.5kHz功控方案且采用盡可能長的SIR估計(jì)長度，當(dāng)小區(qū)半徑較大且移動(dòng)臺(tái)在小區(qū)邊緣時(shí)，可以采用750Hz功控方案。

另外，功控比特延時(shí)帶來的性能損失也可以采用延時(shí)補(bǔ)償（TDC）方法進(jìn)行補(bǔ)償，文獻(xiàn)詳細(xì)研究了這個(gè)問題。這里給出一點(diǎn)有用結(jié)論。在功控延時(shí)一個(gè)時(shí)隙的情況下，中低車速時(shí)，功控比特延時(shí)帶來的影響并不大，高車速時(shí)影響比較明顯，這是因?yàn)樵诟哕囁贂r(shí)750Hz功控頻率已經(jīng)不能跟蹤快速信道變化，但此時(shí)應(yīng)該還能補(bǔ)償路徑損耗。因此，當(dāng)需采用750Hz功控方案時(shí)，若移動(dòng)臺(tái)處于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)最好用算法二進(jìn)進(jìn)慢速功率調(diào)整。

    圖5給出了3km/h，三徑衰落信道時(shí)，TPC傳輸錯(cuò)誤率從0.001～0.1情況下的誤傳輸塊率（BLER）性能。從圖5中可以看到，TPC錯(cuò)誤率較低，例如0.01以下時(shí)，性能并沒有明顯的劣化，而若TPC錯(cuò)誤率不斷上升，例如達(dá)到0.1時(shí)，性能將劣化0.3～0.5dB。若考慮典型情況，即前向鏈路的誤符號(hào)率為0.05時(shí)，可以看到，性能劣化較大，達(dá)0.2dB左右，此時(shí)前向鏈路質(zhì)量已經(jīng)對(duì)反向閉環(huán)功控性能產(chǎn)生較大影響。由此可見，閉環(huán)功控的性能要同時(shí)受兩個(gè)鏈路影響，改善某條鏈路的性能會(huì)給另一條鏈路帶來增益，反之亦然。

3 WCDMA系統(tǒng)功控的FPGA實(shí)現(xiàn)

在上一節(jié)仿真了影響功控性能幾個(gè)主要因素，為設(shè)計(jì)WCDMA系統(tǒng)控制方案提供了有益的幫助。根據(jù)前面的仿真結(jié)構(gòu)筆者選擇了合理的參數(shù)，設(shè)計(jì)出了基于FPGA平臺(tái)的WCDMA系統(tǒng)前向、反向閉環(huán)功控模塊。本設(shè)計(jì)采用Verilog代碼作硬件描述語言，采用Cadence公司的NC-SIM仿真器進(jìn)行驗(yàn)證，最后采用Xilinx公司ISE6.1i集成環(huán)境進(jìn)行綜合布線，下載到Xilinx公司Virtex II-6000E系列FPGA器件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了WCDMA系統(tǒng)反向和前向鏈路的閉環(huán)功控功能。本設(shè)計(jì)在WCDMA系統(tǒng)移動(dòng)臺(tái)和基站的聯(lián)調(diào)測試中驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性，在進(jìn)行語音和數(shù)據(jù)通信時(shí)都能很好地控制前反向鏈路的發(fā)送功率，同時(shí)本設(shè)計(jì)還和Anritsu公司W(wǎng)CDMA信令測試儀MD8480B進(jìn)行了聯(lián)合調(diào)試，也驗(yàn)證了設(shè)計(jì)功能的正確性。