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寬帶CDMA系統中的功控技術
摘要：簡述了功控技術的作用與分類，介紹了帶寬CDMA系統的功控技術方案，討論了實現的限制條件，仿真了影響性能的幾個關鍵因素，并給出了硬件實現和測試結果。無線蜂窩網絡為每個用戶提供的服務需要滿足一定的服務質量（QOS），然而QOS主要由每個用戶接收到信號的信干比（SIR）決定。因此，無線蜂窩網絡對無線資源的分配，特別是對每個用戶鏈路的功率分配就更加重要。對于CDMA蜂窩系統，同一小區內所有用戶使用相同的頻段和時隙，用戶之間僅靠擴頻碼的（準）正交特性相互隔離。然而由于無線信道的多徑、延時等原因使得各個用戶信號間的互相關特性不理想，其它用戶的信號對當前用戶信號產生干擾，這類干擾被稱為多址干擾（MAI）。這樣，當小區中用戶個數增加或者其它用戶功率提升時都會增加對當前用戶的干擾，導致當前用戶的接收信號SIR下降，當這類干擾大到一定程度時，當前用戶就不能正常通信了，因此CDMA系統是一個嚴重的干擾受限系統，干擾的大小直接影響到系統容量。解決這個問題主要有兩個辦法：多用戶檢測技術和功控技術。多用戶檢測技術充分考慮用戶間存在的MAI，通過在接收端重構這些干擾，然后消除它的影響，提高性能，但由于其算法過于復雜，目前還沒有進行商業應用。功控技術十分簡單實用，被認為是CDMA系統的關鍵技術之一。功控技術調整每個用戶的發射功率，補償信道衰落、抵消遠近效應，使各個用戶維持在能保持正常通信的最低標準上，這樣都能最大地減少對其他用戶的干擾，從而提高系統容量，同時延長手機的待機時間。
功控技術的控制準則大致可分為兩大類：功率平衡準則和SIR平衡準則。它們分別控制各個用戶信號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分類。按功控效果可分為內環功控和外環功控。內環功控主要用來對抗信道衰落和損耗，使得接收端信號SIR或功率達到特定的目標值；外環功控根據特定環境下的服務質量要求，產生內環功控的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。按功控的環路類型可分為開環和閉環功控，開環功控是基于上下行信道對稱假設的，它能夠抵消路徑損耗和陰影衰落，閉環功控不需作此假設，它同時還能抵消快衰落。按功控實現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內所有用戶的信息（鏈路增益等），對每個用戶進行統一的調整，這個算法復雜度高，難以實現，但算法的收斂特性好；分布式控制只根據單個用戶信息產生控制指令，易于實現，但分布式算法需要滿足一定的條件才能收斂。
1 WCDMA系統的功控技術方案
WCDMA系統同時采用了反向開環、閉環、外環功控技術和前向閉環、外環功控技術。鑒于反向閉環功控的重要性和篇幅所限，本文將主要針對反向閉環功控進行討論，后面的仿真曲線也是基于反向閉環功控做出的。WCDMA系統閉環軾控主要由四部分構成：SIR估計、功控比特（TPC）產生、本地TPC判決和功率高速單元等，如圖1所示。
SIR估計單元采用某種SIR估計算法對接收專用數據信道（DPDCH）的SIR進行估計，然后將估計值送給TPC產生單元。WCDMA協議并沒有規定SIR估計的算法，主要有兩種算法：相干SIR估計和非相干SIR估計，后面將分析這兩種方法的性能差異。另外，限制SIR估計精度的另一主要因素是SIR估計的長度，即可以用來估計樣本數的多少，對于非相干估計樣本數較多、相干估計樣本數較少，它主要受前、反向功控的定時關系限制。TPC產生單元將SIR估計值SIResti和外環功控所產生的SIR參考門限SIRtarget相減，根據其差值的符號，即sign(SIResti-SIRtarget)，產生TPC比特。TPC判決單元根據本地接收的TPC比特重新生成本地TPC命令送給功控調整單元，用于調整前向或反向信道的發射功率。文獻給出了WCDMA系統本地TPC命令生成的幾種算法，其中在非宏分集狀態下有兩種算法。
算法一，針對當前的隙接收到的TPC指令，每個時隙產生一個TPC_cmd。
如果接收到的TPC命令等于0，那么該時隙的TPC_cmd為-1。
如果接收到的TPC命令等于1，那么該時隙的TPC_cmd為1。
算法二，在5個時隙中的前4個時隙，TPC_cmd=0,即不改變發送功率。在第5個時隙，對收到的5個TPC命令采用如下硬判決：
如果所有5個TPC命令的硬件判決都為1，那么第5個時隙的TPC_cmd=1
如果所有5個TPC命令的硬判決都為0，那么第5個時隙的TPC_cmd=-1
否則，在第5個時隙的TPC_cmd=0。
可以看到算法一在每個時隙都產生一次功控命令（±1），功率調整的頻率為1.5kHz。算法二每5個時隙產生一次功控命令（±1），功率調整的最快頻率為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的功能，當接收的功控比特交換±1時，產生的功控命令始終為0，從而不進行功率調整。功率調整單元在前一次發射功率p[k-1]基礎上，根據當前第k個TPC命令按照如下公式調整當前發射功率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就是本地產生的TPC命令。
WCDMA標準規定功控速率為1.5kHz，即一個時隙內必須完成一次閉環功率調整，這就要求上述功控所有操作要在一定時間內完成。文獻圖B.1列出了WCDMA功控定時關系，經分析得出可用于SIR估計的時間為：
TSIR=2560 Tdata1-1024-2×Tprop-Tproc
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