（通信与信息系统专业论文）cdma系统中的反向功率控制及其算法研究.pdf

中文摘要 本文首先对c d m a 的一些基本技术和参数作了简单介绍，随 后，通过分析移动通信中的r f 环境，指出移动台在基站处的接收 电平处于不断变化之中，同时由于多址干扰，远近效应等的存在， 导致反向链路的干扰要远大于前向链路的干扰，因而，必须对移动 台进行功率控制。在第三章中，提出了一种结合3 g p p 系统规范的 闭环功控流程图，指出该方案可有效防止“乒乓效应”及由于功控 比特误传输而导致的功控误差。随后，将c d m a 系统中的反向功控 算法分为基于优化和基于反馈两种类型，分别进行了研究，并运用 瑞利衰落信道中的一些基本理论和数学分析方法，分析了采样频率 和步长的优化问题，指出通过合理的优化，可有效降低功率控制所 需的比特率。最后，对功率控制技术的发展方向作了简单的讨论。 关键词：c d m a功率控制算法反向链路 a b s t r a c t f i r s t ，t h i sp a p e rg i v e s a s i m p l e i n t r o d u c t i o n t os o m eb a s i c t e c h n o l o g ya n dp a r a m e t e r so f c d m a s y s t e m 。t h e n ，t h r o u g ha n a l y z i n g t h er fe n v i r o n m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，p o i n t s o u tt h a tt h e r e c e i v i n gl e v e l o fs i g n a lo ft h em o b i l es t a t i o na tt h eb a s es t a t i o ni s c h a n g i n gc o n t i n u o u s l y , a tt h es a m et i m e ，t h e r ea r em u l t i a d d r e s s i n t e r - f e r e n c ea n d f a r n e a re f f e c tw h i c hr e s u l t si nt h a tt h er e v e r s e l i n k i n t e r f e r e n c ei sm u c hg r e a t e rt h a nt h a to ft h ef o r w a r d l i n k , s op o w e r c o n t r o lm u s tb ep e r f o r m e do nm o b i l es t a t i o n s i nt h et h i r dc h a p t e r , a c l o s e l o o pp o w e rc o n t r o l f l o wc h a r ti nc o m p a t i b l ew i t h3 g p pi sp u t f o r w a r da n db ep o i n t e do u tt h a ti ta np r e v e n t p i n g - p a n g e f f e c ta n d p o w e r c o n t r o le r r o rd u et ot h em i s t a k e nt r a n s m i s s i o no f p o w e r c o n t r o lb i t l a t e gt h e r e v e r s e - l i n k p o w e r c o n t r o la l g o r i t h mi sd i v i d e di n t ot w ot y p e s ： b a s e do n o p t i m i z a t i o n a n df e e d - b a c ka n dl e a r n e d r e s p e c t i v e l y s i m u l t a n e o u s l y , t h eo p t i m i z a t i o no fs a m p l i n gr a t ea n ds t e p i sa n a l y z e d b a s e do ns o m eb a s i cp r i n c i p l ei nr a y l e i g h f a d ec h a n n e la n d m a t h e m a t i c a l m e t h o d ，t h r o u g hr a t i o n a lo p t i m i z a t i o n ，m eb i t r a t ef o rp o w e r c o n t r o lc a n b el o w e r e d i nt h el a s t ，t h ef u t u r et r e n do fp o w e rc o n t r o lt e c h n o l o g yi s s i m p l y d i s c u s s e d k e y w o r d s ：c d m a p o w e r c o n t r o lr e v e r s e 。l i n k a l g o r i t h m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导卜进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特另r l d r i 以标注和致谢之处j l - ，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨洼盘鲎或其他教育机构的学位或汪 二讳而使用过的材料。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。 学位论文作者签名：。避鸡签字目期：彩2 - 年7 月r g n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 嚆叠一7 导师签名 私埘 签字f ij o j ：加帕掣r 7 月妒f = i签字i - - i j t j j ：弦二年7 月，尹l i 第一章壤釜 第一辈绪论 1 前裔 c d m a 系绞薤够羝撬黟稳髓瓿糕声嚣多纛 = 予撬，翊瓣，其有系绫餐鏊大( 夔 为g s m 4 倍) ，可以软切换 ) b 1 ) 、功率谱密度掇低的扩频信号，褥发射。众多的通信用户，使用各自 不同的伪随枫编码，可珏简时使掰带宽为b ：豹丽一频带。在接收端，赣先使 瘸与扩频绩譬发送者摇麓熬秘陵援编码 萋扩颓辫调熟理，恕宽荣髅号滚笈簸通 常的藏带信譬，再使用通常的通信处理手段，解调出发送来的信息数据d 。显 然，谯接收端不知道发送端的扩频信号所使用的伪隧机编码时骤进行扩频解调 第一章绪论 非常围难，甚至是不可能，这样就实现了信息数据的保密通信。若接收端用某 一伪随机编码在接收某一发送来的信号时，通信信道中的另一些伪随机编码调 制的扩频信号不会在该接收端的扩频解凋处理器中形成明显的信号输出，即不 会对接收端的扩频解调处理形成干扰。这样接收端使用不同扩频信号发送者所 用的不同伪随机编码作扩频解调就可得到不同发送者发送来的信息数据，实现 多用户( 或多址) 通信。 扩频通信的主要特征是使用比发送的信息数据速率高得多的伪随机编码， 扩展作为基带信号的信息数据频谱，成为较低功率谱密度的宽带信号，接收端 使用相关处理方法把要接收的宽带扩频信号恢复成基带信号，这些特征使扩频 通信信号不易受干扰也不易干扰他人，信号隐蔽，保密性强；多路扩频信号能 共用同一频带，可采用随机多址通信方式，通信寻址简单方便，有较好的过负 荷能力，能和其它通信方式混合使用，有高精度的测距、定位能力。因此，扩 频技术主要应用于通信测距及与此相关的领域。 3 扩频c d m a 通信的基本参数 反映扩展频谱通信特性和c d m a 多用户能力的重要参数是扩频增益g ( s p r e a d i n gg a i n ) 。扩频增益g 定义为频谱扩展后的信号带宽b 2 与频谱扩展前 的信号带宽b 之比。 g = b 2 b l ( 1 - 1 ) 在扩频通信中，接收机作扩频解调后，只提取伪随机编码相关处理后的带宽为 b 的信号成分，而排除掉扩展到宽频带b 中的外部干扰、噪声和其他用户通信 的影响。扩频增益g 准确反映了扩频通信的这种能力。 扩频增益g 有重要意义，这里简要举例说明。假定有k 个通信用户用各自 不同的伪随机编码调制信息数据后发射，某接收机接收第一个通信用户发来的 信号。为简便，假设接收信号、噪音和外部干扰在整个工作频带内是均匀分布 的，那么 ( 1 ) 各通信用户信号等接收功率的情况 假设p 为接收到的一个通信用户发来的信号平均功率，信号带宽为b ，则 平均功率谱密度为p b ，。其中，第一个通信用户发来的信号是需要的信号，其 它( k 一1 ) 个通信用户的信号是不需要的干扰。这些干扰信号的平均功率密度是 第一章绪论 ( k 一1 ) p b ：。设n 。是带宽b 2 内的噪声和其他外部干扰功率谱密度。 收某一个通信用户信号的输入信噪比是 ( 洲卜瓦p 歪b 2 巫。币南 。 曰， 那么，接 ( 1 2 ) 经接收机扩频解调后，能在基带带宽b 内获得全部该用户发送的信号功率，平 均功率谱密度为p b 。而其他通信用户发送来的信号不被相关扩频解调，信号 功率仍均匀分布在带宽b ：之内，信号功率谱密度不变。故接收机作相关扩频解 调后，其输出信噪比是 c 洲驴秤p b , 5 丽去面鲁 ( 1 - 3 ) 。 b 2 显然，扩频解调前后的信噪比之比，即输出信噪比与输入信噪比之比是 ( s n l , ：b _ l ：g ( 1 4 ) ( s ，) 。b 扩频解调前后的信噪比之比等于扩频增益g ，它给出了扩频通信中扩频解调处 理对信噪比的改善。因此。扩频增益g 又叫对信号的扩频处理增益( s p r e a dp r o c e s s g a i n ) 。图1 - 1 是k = 3 ，n = 1 0 ，b 2 = 1 0 ，p l = p 2 = p 3 = 2 0 的扩频解调前后信号平均功 率谱密度情况示意图。 1 口嘲群问啊h ) 扩颈算j 弼结 图1 1 扩频解调前后信号功率谱密度示意图 ( 2 ) 各通信用户信号非等接收功率的情况 设p 为希望接收的通信用户送来的信号功率，p ：，p ，p 。为不希望接 收的通信用户发送来的、被看作干扰的信号功率，根据式( 1 - 2 ) 、( 1 3 ) 的同 样处理方法，有 第一章绪论 ( 1 5 ) 例彬一。意蕙等 ( i - 6 ) ( s ，) 。= 睾 ( 甄毽+ 霉1 扩频解调前后的信嗓比改善为 箜! 型叠：墨：g ( 1 - 7 ) ( s n ) 。b 1 这个缝慕，与式( 1 - 4 ) 完龛致，因踅，扩菝璜簸g 是扩频逶售怼镶噪魄竣善 程度的度蹩。 4 扩频c d m 通信的基本技术 采用扩展频谱方式的c d m a 通信，最突出的两个特点是在常靓通信技术的 墓破上壤热了发送方趣魏薅巍绫羁调寒l 窝揍l | 臭方魏镄篷瓤编码摇关懿灌。 伪随机编码调制的核心烧产生符合扩频通髂需要的伪随机编码，该编码就 是扩频编码( s p r e a d i n gc o d e ) 或叫扩频序列( s p r e a d i n gs e q u e n c e ) 。为充分发 挥扩频通信的突出优点和威用潜力，我们希望扩频编码能有下列特性； ( 1 ) 嶷荮的( 伪) 随飒憔 ( 2 ) 长豹周颡 ( 3 ) 大的复杂度 ( 4 ) 多的编码序列 ( 5 ) 容易产生 奁纛扩系统孛，最豢冕鹣扩羧编码是m 窍翻( 最太长凌懿线羧爱馈移垃毒 存器序列) 。这种序列有周期长、容易产生、随械性好等优异特性，它由图1 2 所示的线性反馈移位寄存器嫩成。图中的小方格是移位寄存器，a ，a ：， 氏是棚乘系数，对二值序列，这些系数也是二值：0 或1 。这样，产生的二值 枣到豹黪戮筐 c ，= a ， ( 1 - 8 ) 4 聂。 i 一+ 忑 吩科 第一章绪论 图i - 2 线性反馈移位寄存器电路 其序列周期由反馈系数a j 0 = i ，2 ，n ) 决定。某些反馈系数状态能产生最大长 度( 周期) 的m 序列。图1 3 所示是一个n = 4 的m 序列发生器，寄存器状态和 m 序列。该移位寄存器电路的寄存器初始状态不全为0 ，则能产生周期为 n = 2 n 一1 ( i - 9 ) 图i - 3n = - 4 的m 序列发生器及寄存器状态图 的m 序列。m 序列的伪随机特性是： ( 1 ) 序列值为0 ，l 的次数基本一样。 ( 2 ) 连续出现为0 的次数和连续出现为1 的次数相同，连续出现同一值的 长度( 游程) u n 。 ( 3 ) 序列的自相关函数为 蹦胪专扣) _ j 十广k _ 1 1 ，篙， 这里，i - 0 是以周期n 为模的，即j = o ，n ，2 n ，m 序列的式( 1 - 1 0 ) 给出的自相关特性对扩频通信系统是十分重要的，因为它决定扩频通信的扩频 增益即扩展频谱能力。 如果作为扩频编码的是m 序列，序列信号波形是n 个宽为t 。的矩形波， 周期为 t = ( 2 n - 1 ) t c ( i - 1 1 ) 的周期信号p n ( t ) 。那么，该序列信号的自相关函数是 第一章绪论 蹦加h i - ，r ( ! 啪捌颡，珥 功率谱密度魁 蹦俨n 1 - - - y 5 ( f ) + 等( 掣) 2 孝弘矾，唯m 式中，皆l t 。、f d = f g s 。图1 - 4 给出了式( 1 - 1 2 ) 、( 1 1 3 ) 所示的1 1 1 序列自相关 特性秘凌率谱塞凌。曼然，n 越大， 自相关旁瓣一l n 越小，功率谱密度 静频谱线闯隔蠡越枣，漤线禳黢越低。 在跳频系统中，使用有极宽频谱 的m 序弼作涌制是不行的，它希望狭 窄的工作频带按某弛暇序跳变、均匀 地使用全部极筑频带的各个窄带。因 越，器频系统努须楚蠲苓司予纛扩系 出删刚嘶眦。叫乙 s 雕，、_ 伫 蹦1 - 4m 净列的自相关特性 与功率谱密壤 统的扩频编码。跳频系统最常用的是r s 编码 十n ( t ) 其中魏母楚狻立豹其蠢0 臻毽粒豢隈蠡平稳蕤撬：过程，臻枣漤鬻瘦鬼s n ( o 噪声功翠为： e ( i n ( t ) i 2 ) = e 最( 力够= 只 经射频滤波器，接收载波解调器，其输出为： ( 玲= n ( t ) e j ( s t + 经与本地编码相乘，綦带滤波后，其输出为； v a t ) = e h ( t - a ) n ( a ) p n 积一f ) 2 。+ d a 蓑系绞嗣步跟踪，鄂妒一妒，。- 。，x 锄情况下，经基鼹滤波器滤除 * 。及戬上射频分量，上式嗓声输出成分可改霉炎： 均( f ) = e ( 卜a 如( a ) p n ( a ) d a 由于本地扩频码p n ( t ) 和噪声n ( t ) 相互独立，n ( t ) 为0 均值带限随机过程， 掰以嗓声输出成分静均篷为： e ( v ，( t ) ) 。0 据文献【1 ，噪声输出成分平均功率为： 艿i = ( 1 ( ，) 1 2 ) 芦m 匝 第一章绪论 。e e 自砸) 矗( ) 鼢( 芦一掰) r 。国一f 1 ) d a d f l 其中，心( b a ) 及r w ( q 一1 3 ) 分别为噪声和扩频码的自相关函数。 据【1 】上式可变为 醴= e 眵( 力| + i s 。( 乃焉( 剜d f 其中， ( f ) 是理想萋带滤波器频率特性h ( 岭的彳寸理时变换，理想情况下， i h ( f ) i2 在通带内( 一f 。，f d ) 内近似为1 ，其它频带范围为0 ，因而上式可写 成： 6 ；。= s p x t ，、s ，g ) 。d f 当扩频鹤缀长时，有如t 邋 娃： 蹦伽专争c ，一矾愕掣 2 基波辩逶( s i n 矽( r f ，蜕l n f d ) ，2 “t ，翔 s 。( ，) 专 d ( ，一事) + 占( ，+ ；) + 占( ，一吾) + 占( ，+ ；) 噪声功窭谱密发s 霸是带黢噪声1 1 ( t ) 豹功率谗密凄，当它秀基豢平稳隧租过 程睡，蒸功率谱分量在( - q ，毛) 良内，剐 s 。( 厂) 一只( 厂) 专阵。( ，一以) 十氐( 厂+ 兀) + 瓯( 厂一2 l ) + 最( ，+ 2 l ) 】 因此，拶i 丙1 厶瓦( 厂一l ) d f + 专r s 。( 厂十厶) 。 寺( 鲁导 曼 又在c d m a ，毒辩鲁( 建癸豹n 即_ | l 蓼焱熬g ) ，其中b z 与转t 分裂为 扩频之后与扩频前信号带宽，( 通常有b ， b ) n 越大，则对噪声干扰能力越 强，朗诵讨笨带滤波器输出的噪声功率也就仅为原噪声功率的1 n ，体现了 9 第一章绪论 c d m a 遴信系统翦获于撬能力。 6 2 舆有抗多径干扰的能力 在移动通信中，由于发射信号在传播中，遇到各种反射体( 如电离层、高 山、建筑等) 瑶会发生反射和摄射形成对直达倍姆的干扰，下面就来维导c d m a 系绞获多径予撬夔戆力，务多径信号由不同豹簧撵延藏我表。 设发射机发射信号为：s ( t ) * a d ( t ) p n ( t ) c o s ( 0 l + 妒) 接收机接收直达信号为v o ( t ) = 氏d ( t + to ) p n ( t + to ) c o s ( u 。to ) + 妒) 设多径踌经商k 条，其辩廷和幅值分别为1 ，秘a ，( i = 1 ，2 ，k ) 。翼到 达接收瓿的多径干魏售萼淹： a ，d ( t + r ，) p n ( t + r ) e o s t o ( t + r ，) + 纠 i = i 则总的接收信号为： i 矿) = a f l ( t + r i ) p n ( t + f f ) s 搿+ t ) + 爹】+ 嚣) 其中识= o y g , + e p 4 d ( t + r ，) p n ( t + f ，) c o s + 仍) + 竹( ，) i = 0 其中，i - - 0 为直这信号。娃( 1 ) 为0 均筐，双边麓率谱密度为n j 2 的离斯自嗓 声，接收机本地载波为2 c o s ( ( ) t + 驴) 、本地扩频码为p n ( t ) 去解扩解调 设接收帆与壹接路径的信号同步锁定，则u = ，= 妒，p n7 ( t ) = p n ( t + , t - o ) ， 并惫臻。豹高次矮，列蠢： c o ( t ) = a 。d ( t + t o ) p n ( t + f o ) p 0 + r o ) + a , d ( t + t ) 州o + r , ) p n ( t + f 0 ) c o s c o ( f ，一t o ) + n ( t ) p n ( t ) - 2 c o s ( a g + 妒) 设接收采用o t 的( 相关) 积分滤波器，对e 式从t 。一t _ t 。积分，t 为 信息数据脉码宽度，积分期间d ( t + t 。) 为常数值d ，d ( + 1 ，一1 ) 扩频编 0 第一章绪论 码p n ( t ) ( + k - 1 ) 。麟戴，p n ( t + to ) p n ( t + 1o ) = l 。瓢积分器( 基带 滤波器) 输出为： w ) = 凡掰+ 乏掣r 州( h 功p ( f ) 姒r r o ) d t + f l + 。n ( t ) p n ( t + f 。) 2 c o s ( 积+ l v ) d t 假定在t 。一t + - 。积分期间，d ( t + t ，) 为某一常数d i ，设c d m a 通信系统使用m 序列，其自相关函数为； r ( f ) = 其中n t 。= t ， 则上式可写为 v ( t ) = a 嘻聪+ 宝4 c o s p 瓴如凇。蛾一t o ) + f 气2 辩f ) 硝p + 。) 槲+ 四蒲 式中第颈为有用信号，融被准确解调，第三项为0 均值高斯自噪声的噪声干 扰，谯前一部分中已讨论髓，第二项为多径干扰，c o s 【6 3 ( f ；一r 。) 怒多径时延 f ；与巍接路径时延一。之麓的余弦函数。有c o s ( f ；一r 。) 】1 。因此，多径干 撬v ，逐缎受： v a t ) = a ，d ，r m ( o 一“) 在察际中容易满足，t c ( r 一f 。) ( n - - 1 ) t 。则 ( f ，一f 沪一t n ( 净l ，2 ，k ) 函藏e 晚( t ) a o t d 万k ， 透零蠢n l ，n k ，因魏， e v 2 ( t ) 卜： 砑时，上式可近似为 即，= - - 妊- - je x p 一铡 i 足 y 夕l 、 八) ( 7l 。么 、心 向恒定。 2 多址干扰和远近效应 采用随机多址的c d m a 通信方式如图2 4 所示，同 时工作的通信用户为1 ， 2 ，k 。各自使用不同的扩 图2 4 随机多址c d m a 通信系统模型 频编码p n 。( t ) ，第i 个用户发射信号为： s ，( t ) = 爿，d ，( t f ，) p ，( t f 。) c o s ( 出。t + p ，) 1 5 第二章c d m a 移动通信系统中采用功控的必要性 女 接收机输入信号为u p ) = a ，d ，o 一_ ) 剧，( t - r , ) c o s ( c o 。f + 仍) + 丹“) 麓 蓑 驴 避 强2 - 3短期鞠长期裴落 要接收i = l 的通信用户发来的偿怠鼗据d 。，噩| l 疲使接收桃与其完全阉步，帮 o 剐o ，妒= 仍，p n ( t ) = p n l ( t ) ，及，= f l ，则0 一t 积分器输出为： 矿( ，) = f 塞4 4 $ 一弓) p n i ( t t ) c o s 文，+ 识) - 2 蹦8 一五) c o s 蛾，+ 嵇) 癣 + f 拧( f ) 2 p n i ( f 1 ) c o s ( o ) 。t + q 。o d t 同步锁定后q = o ，仍= 0 ，则上式为： 弹) = a ( t d ；+ 砉囊f ( f _ ) 麒澎一墨) p n t q ) c o s 鲠毋+ f 孵) 删2 鼬s 蛾黜 其中，第一项a ，t d 。为有用信号，第二项是除膊希望接收的i = l 用户外的( k 1 ) 个用户拨来的信号，称为多址干扰，第三项是系统噪声干扰，在前丽已有讨论。 设= 塾拟，心( h ，) p n ，( t ) e o s 织蒲 若器麓户到接收掇豹髂譬韵率裙等，帮a 。( = l ，2 ，j ( ) _ a 捌土式可 改写为 心= a r e ，。( d ，r ，识) ，其中 i 。，( d 。) = 半f d , ( t - v , ) p n ，( t - - t ) 粥( f 弦 d ，t 。，纯为随机变量。 第二章c d m a 移动通信系统中采用功控的必要性 经过对i ，进行变形，并利用扩频码的相关理论及进行必要的近似后( 具体推导 过程见【4 ) ，可得到多址情况下c d m a 通信的平均误码率为： l 再毒 ( 2 2 ) 其中k 是同时发送信号的用户数，n 是扩频码长，p 是一个用户发送的信号功 率( p ：尘2 ) ，t 是信息数据比特宽度，n o 是零均值高斯白噪声的单边功率谱密 度。对( 2 - 2 ) 进行分析，可以得出以下结论 a k ：l 时的误码率要小于当k 1 ( 即存在多址干扰) 时的误码率，即当存 在多址干扰时通信的误码率上升，导致性能下降。 b p e = q 【 为k 的增函数，即当k 增加时，误码率上升，也即多址干扰 的严重程度随着用户数的增加而变得更加严重，因此k 不能太大，通常选k n l o 。 c 多址干扰的直接原因来自于用户扩频码之间的相关性。除非找到可以在 任何时延下都相互正交的扩频码，否则多址干扰无法消除，通过使用具有更低 互相关性的序列，多址数k 会有所增加。 以上结论，是假设各通信用户发射到接收机的信号功率相等情况下得出的， 但在实际中，由于各移动台距离基站的位置不同，因而到达接收机时功率不等， 这时引入下式a = na r , 2 ，其中r ，是通信用户到接收机的传输距离，o 是传送 衰减因子，则 哪) = 删喜半胁1 m ”) 州( ，) 讲 = 刊，( d ，f ，o ，) 7 1 2 以用户1 的接收机扩频信号幅度a = d _ 2 为标准，对上式进行归一化处 理，则 ( ，) = 洲， ( d ，f ，o ) ( 量) z ， 南 厣 rlidl 第二章c d m a 移动通信系统中采罔站控的必要性 由上武霹见，当t 中菜一个或菜几个数r ，小辩，楣应的干挠矮交大，邵： 厂，、2 i ，( d 。t 。巾) i 1 l i 。( 、d ，t ，巾) 。这样多址情况下的误码率会比上面分 拆的馕商，鼠距离相差越大，邋静影响越明显，遮就是c d m a 通信中的远近效 应淹题，袋在逶霉采霜运稳爝户弱发瓣蓬号功率撩镧寒解决运运闻簇豹影稠。 3 在c d m a 移动通债系统中采用功率攘制的必要性 在蜂窝c d m a 移动通倍系统中由于频率的瀚复利用，会形成蜂鬻系统中小 区间的干扰，即位于小区边缘怂的移动台，将受到来自于相邻小区的较大干扰， 影稳鸯零，l 、嚣基蘸熬逶售，这耱瑰蒙逶豢被称穆“边缘阏蘧”，逶避麓率控翻褰 多用户检测，可以有效克服此问题，提高系统容激。 不用于传统的t d m a 及f d m a 系统，c d m a 是一种干扰受限系统，所有 的移动用户的信号在时域和频域上是相互重叠的，因此系统内产生的干扰( 主 要摇上嚣捷劐豹多蛙效应霸泼缀翊题) 在决定系统e r l a n g 容蠹巍话密度量方嚣 ( 主要爨误帧率) 起鬟7 美键作用。困馥鉴须辩镱个移动台发射功率送行控裁。 以限制干扰，同时，当移动台处于移动状态时，由于快衰落，慢衰落，外部干 扰及其它因素造成了r f 环辘处于不断变化中，为了在所有条件下保持链路质 量的网辩黻剁翦淘和厦商链路的发射功率，必缀采用功率控制，溺珏寸从移动台 搴鸯煞麓耗足寸及系统复杂发，代侩等方覆考惑，基筵只麓菲穰予狻溺，毙超 依靠导频进行相干检测的前向链路来说，反向链路的干扰要严重的多，因此对 c d m a 系统来说，反向链路功控必不可少。 1 3 第三章c d m a 系统中的功控过程 第三章c d m a 系统中的功控过程 1 功率控制简介 如前所述，功率控制是c d m a 系统中提高容量和保证链路通信质量的关键 技术，其目标是最小化发射机功率，并使发射信号在接收机处刚刚达到所需的 门限信噪比，其中由于基于s i r 测量的功控算法可有效地防止功率攀升进而导 致系统自激，因而目前被广泛采用。按照控制对象不同，可分为前向链路( 基 站到移动台) 和反向链路( 称动台到基站) 功率控制，即分别控制基站和移动 台发射功率，由于前、反向链路具有相互独立的统计特性，它们的目的也各不 相同，因而功率控制被独立的应用于正向链路( 主要克服边缘问题) 及反向链 路( 主要克服远近效应) 。 按照所实现的算法，又可分为集中式或分布式，同步或异步，迭代或非迭 代等种类，而其中集中式算法的性能又是分布式算法性能的上限，因而，“最佳 功率控制”都是指“集中式”最佳功率控制，但由于实现过于复杂，有时甚至 是不可能，因而在研究中又出现了一些在计算量和性能间折衷的次最佳功控算 法参见【5 】。 本章在于讲述c d m a 中的反向功率控制过程，因而将功率控制分为_ 丌环控 制、闭环控制和外环控制三部分，下面将分别对其进行详细讲述。 2 反向开环功控 开环功率控制是指接收机通过测量接收到的专用给定信道( 通常是导频信 道) 的信号功率大小和有关信息，调整自己的发射功率，使其发射信号功率被 控制在一恒定水平上，开环控制任务之一是确定初始平均功率p i ，其原理图如 图3 1 。 在开环状态，移动台用接收信号估计基站与移动台间的传输损失，传输损 失定义为发射机( 基站) 的功放输出功率p t 与移动台接收天线终端的信号功率 p r ( r ) 之比。 t ( r ) ：曼粤，同时定义t 。( r ) ：1 0 1 9 了e r ( r ) p p 式中t ( r ) 为传输损失，路径损失定义为传输损失减去收、发天线增益( 含 9 第三章c d m a 系统中的功拉过程 s n r ( r ) = 鲢堕! 盟 ( 3 1 ) ( 。) 。+ ( f 一1 ) v p , ”驴) t ( r ) 熹寨 虬n ( 。1 孵( r 揣 ( 咿h ( _ 1 ) 畔。矗警嘉值依赖于系统负荷，可表为 竺丝黑率：两1 x 婉定 ( 。) 。 1 一工 2 0 第兰章c d m a 系统中的璃控过程 义失正在逶话的用户数与豢大可允许用户蘩之院，款式( 3 1 ) 和上式可以得下 式( 备假以d b 为单位) s n r 。= 只”( r ) + e - ( ，) 一只。一1 0 l g ( 1 + 1 + s 2 ) 一( n 。胪) 。+ 1 0 1 9 0 一x ) ，为使小区 维持一个常数豹s n r ，移动套液发射只为 霉”( ，) = s n r 。+ 霉。+ ( 。妒) 。一1 0 1 9 ( 1 一x ) + 1 0 1 9 ( 1 + 毛+ s 2 ) 一鼻? = k # ? 。 式中膏= - 1 3 4 + p c + f n 州0 1 9 ( 1 叫+ 1 0 l g ( 1 蝎托2 ) 数值一1 3 4 是9 6 k h z 上韵热噪声功率，k 怒小区噪声系数。农嶷际系统中 k 撂为公共广援售塞蠹萎站遴过翼步售遒发送绘务移动壹，莠按照王据演滋对k 进行动态调整。 对于e h ，n 。= 7 d b ，掣。4 4 d b m ，f n c = 4 d b ，x = 5 0 ，1 + 1 + e2 2 ，此时k = - - 7 3 。这个常数与小区噪声系数，基站天线增蘸及馈线损失，小睡负载，基站 豹发瓣劫率，萁它，j 、区瓣予挽，移动台豹天线壤蕊，夏岗链路的嚣耘售曝魄有 关，考虑到这些因素煞变纯，可得完整开环控割计算方程式魏下： r ”( ，) = 1 7 3 d 8 一掣p ) + 参数 由上式可看到，接收功率越大，则发射功率越小，反之，接收功率越小， 列发射功率越太，这在蠹溉上也是容易理瑟麴，翻接渡到魏功率大，说疆蓥囱 链路衰减小，信遒特往好，鬻诧可减少移豌蠹发射功率；两接收功举小黄| l 说明 前向链路衰减大信道特性不理想，因此必须增大发射功率以达到接收所需的 信噪比。 哥压h 习 丑逼k 蔷 | 站美舯机 q 蛩 丑一竺一 黼3 - 1e d m a 反向镶黠评环功率控制原理圈 开环功控的特点是不需反馈信息，因而在信道突然变化时，它可快速响应 变化。此外，它的功率调熬范围大，通常用于克服诸如阴影效应殿平均路径损 燕三章c d m a 系统中豹功挫过程 失弓l 超瓣信号缓慢交证，艇豳没有反馈信惠，黼褥控制不够准确，阉对，采用 频分双工( f d d ) 工作方式的移动通信系统中一l 、下链路频率不同，因而当 其间隔趣过信道的相干带宽时，会导致上、下行链路的传播损耗不对称( 使多 径衰落成为独立鹩过程) ，嚣聪托时开环控制不熊克服非对称的多经衰落，此时， 还要在开环功控戆基穑上，遴一步采用阙环动搴控镧来掺正开环酶发瓣凌率， 瞳克服非对称的多径衰落。 犍囤目罔回徊一m s m s 一，- + _ 。一 p + ”一盛卜 鬻l 嚣矗 圈匹虱盟三。 午叵卜曰一_ 罾一匿主 国母爵j 。t ；r 图u 日一”n 一* 一 图3 - 2 反粕链路闭环和外环动率控制原理 3 。反l 鸶闭耀功控 及向链路闭环功率控制是指基站接收端通过测量，得到s i r 的估计值，将 此估训。值与门限值进行比较。产生功率控制命令，这个命令通过下行信道传到 移动螽，移功台的发射端撼此功率控制命令在搿环发射功率控制设定的功率值 基礁一 ：，上舞或下簿莱一凌攀毽，通过舞拜冬阙环稳结合来确定移霸台豹最终 发射功率值，闭环功率控制是对开环功率控裁的快速调整，它的调整速度足够 快以便跟踪快衰落，因此闭环功控是任何克服非对称的多径衰落衡效方法中的 决定性因素，采用闭环功控，功率在一个长为2 0 m s 的帧内可变化土1 6 d b 。闭 环功率控制可曩下公式表示： p ，f 静1 净p ，( k ) - - p c ( f - - r ) ，其中f 瓷犊牧端溺餐静绪嗓魄，f 为门限 信噪比，c ( f - - r ) 为功掇命令，p 是功率控制步长，现在有关反向链路闭 环功控的研究算法很多，但都是围绕着如何确定及优化，a p 及c ( f - - r ) 而 匿 日哥 萨 日 一捋 第三章c d m a 系统中的功控过程 进行的，关于这方面的问题己涉及到了对具体算法的讨论，故将它们放到下一 章中研究，在这里，仅以i s 一9 5 系统为例说明闭环功控的过程。 在i s 9 5 系统中，采用功率控制子信道完成功率控制信息从基站到移动台的 传输。 在i s 一9 5 标准中规定，功率控制子信道的速率是每1 2 5 m s 传l b i t ，这8 0 0 b p s 功率控制比特的含义是“0 ”为增加发射功率，“l ”为减少发射功率；图3 3 中 给出了功率控制子信道结构和在业务信道中的凿孔方法，基站反向业务信道的 每1 2 5 m s 内进行一次功率测量，测量结果产生的功率控制比特在相隔一次的正 向业务信道的1 2 5 m s 时隙内发射给移动台，功率控制比特由两个调制符号调 制，在2 4 个调制符号组成的1 2 5 m s 时隙内随机的插在前1 6 个调制符号的位置 上，位置由上一时隙的后四位比特确定，移动台每收到功率控制比特一次，就 步进改变一次发射功率。 正一生痔：；丽时置 善站：1 ) 试信干七 2 ) 将试壹为曲控一出悖 3 ) 篁选曲率担麓比幡 u ，m 用于拄乱的长 童邀的琦事拉比特 两十一字符) ol23 56 789i o i i1 2 1 31 4i 量 1 6 十可健起始的曲奉控捌比特位量 ：兰竺三竺! 竺竺! 竺! ： _ 一 ! ：婪竺：翌苎曼! 塑： ： 图3 - 3 ” 由图中可见在1 2 5 m s 期间内，功控比特可有2 4 个开始位置，但只利用其 中前面的1 6 个之中的一个作为开始位置，编号为0 1 5 ，数据掩码经6 4 分频后， 在1 2 5 m s 内总共只有2 4 个掩蔽比特，编号为o 2 3 ，因为4 个2 进制比特可编 码2 4 = 1 6 个十进制数值，所以这里只用2 4 个掩蔽比特的最后4 位，即2 3 、2 2 、 2 l 、2 0 的取值确定功率控制比特的_ 丌始位置，如图中它们的取值依次是1 0 1 1 ， 相当于十进制取值1 1 ，于是功率控制比特的位置编号为1 l 。功控比特的宽度严 么一 2 一值h j - 潍 第三章c d m a 系统中的功控过程 褡等予鼹个调制码元鲶宽嶷，帮2 1 1 9 2 0 0 = 1 0 4 1 6 6 u s 。因茂，每个功率控制 比特要占用两个控制码元的能置，是受数据掩粥长码控制的。下面，结合3 g p p 中的系统规范给出了一种比较具体的闭环功控方案，其流程图见下页。 现对该流程图作一简要说明，首选将t p cb i t 从帧中取出，并存入一个容量 为1 2 0 个葫控逆特豹数表，终秀磊嚣诗算c a t 瓣缓存器，魏套爨露缝合系统 实际需簧确定。若t p c = i 0 ，则将计数器加l ， 若t p c = 0 ( 功率降低指令) 胜计数器c n t 0 ，则计数器减1 ，其它情况下c n t = 0 ， 若计数器值低于预先设定的下限则将发射功率降低一个步长，若计数器值高于 颈先设宠豹上骧，弱将发射渤率上秀一个步长，憩缝设置诗数器戆终爝就是为 了防止“乒乓”效应，鞠醣成相邻的嚣个功控魄特不同丽雩l 怒功率的不必要调 整。此外，由于是将几个功控比特之和作为控制功率的最终结果，也在一定程 度上防出了由于t p c 比特的误传输而导致功率控制发生误差，下限殿上限值可 由系统特性及实舔需要设定，- - 5 6 及1 4 为3 g p p 孛援定静移动螽发射功率兹下 陵及t 陵秘数。 4 外环功控 外环功控是指基站由所接收到的目标移动螽的( e 胡o ) 1 与目标( e b ，i 。) ，进行 比较，慧( e d l ) ， ( e 凛。) ，剐褥功率控制予傣遒豹t p c 比特曩“l ”，减小l 令步长豹发射功率，若蕊曩囊 f e r t h r e 时错帧可能是当前错帧引起的，也可能怒早先 第兰章e d m a 系统中的功撩过程 图3 - 4 第三章c d m a 系统中的功控过程 错梭掰致，矮分别对待。圈中s t e p l s t e p 4 走信嗓l b f - j 限s n r - t h r e 调熬豹西释阶 距，具有s t e p l s t e p 2 s t e p 4 s t e p 3 ，图q 6 ( s n r ) 。= s t e p x 意为每次增加或减 少一个s t e p x ，而帧数n ，为预先设定好的一个常数。 文献【7 】翘；对于几种不嗣的s t e p 组合情况避幸亍了仿真，结果诞明采用步长 s t e p l ，s t e p 2 ，s t e p 3 ，s t e p 4 一 l ，0 2 ，0 0 2 ，0 。l 最鲑，魏辩霹获褥较大豹系统爱尔 兰容量，详细的仿真环境及曲线可参阅f 7 】。 需雾补充说明的是，闭环功率控制还负责检测无法对功率控制作出响应的， 并可能对荚它移动台造成予扰的移动台。基站计算连续功率降低指令的次数， 羞数嚣怒：；窭瓣定匏门限藿，潦继褥绘