第13次课—第12章链路自适应技术

1、第第12章章 链路自适应技术链路自适应技术 前面我们学习了现代移动通信系统的信号前面我们学习了现代移动通信系统的信号处理技术，包括多进制数字调制、处理技术，包括多进制数字调制、CDMA、自适应均衡、自适应均衡、OFDM和和MIMO等。他们的目等。他们的目的是为了充分利用有限的通信资源、对抗的是为了充分利用有限的通信资源、对抗移动信道衰落、提高信道和系统容量。除移动信道衰落、提高信道和系统容量。除了上述这些信号处理技术外，还可以采用了上述这些信号处理技术外，还可以采用链路自适应技术来提高系统容量。链路自适应技术来提高系统容量。12.1 移动通信系统容量和影响容量的因素移动通信系统容量和影响容量的

2、因素12.1.1 移动通信系统的容量移动通信系统的容量 通信系统的容量，就是在一定信道带宽和通信质量条通信系统的容量，就是在一定信道带宽和通信质量条件下，可以容许的同时通信的最多用户数。件下，可以容许的同时通信的最多用户数。对于一个对于一个采用小区分裂和频率再用技术的蜂窝移动通信系统来采用小区分裂和频率再用技术的蜂窝移动通信系统来说，理论上的通信容量是无限的。说，理论上的通信容量是无限的。 对于对于蜂窝蜂窝移动通信系统移动通信系统的的某个局部，其某个局部，其容量容量有下述表有下述表示方法：示方法： 每小区可用信道数每小区可用信道数( (ch/cellch/cell) )。表示。表示每小区允许同

3、时每小区允许同时工作的用户数工作的用户数； 每小区每兆赫兹每小区每兆赫兹带宽带宽信道数信道数ch/(cellMHz)。表示表示每每小小区区每每兆赫兹带宽允许同时工作的用户数兆赫兹带宽允许同时工作的用户数； 每小区爱尔兰每小区爱尔兰(Erl/cell)(Erl/cell)。表示。表示每小区允许的每小区允许的最高最高话话务量。务量。a)a)话务量话务量 = = 通话次数通话次数平均每次平均每次通话通话时时长长( (分分) )/ /6060，单，单位是位是erlerl。例如，系统平均每天例如，系统平均每天有有20002000次通话，平均次通话，平均每次通话每次通话3 3分钟，系统每天的业务量为分钟，

4、系统每天的业务量为200020003/60=1003/60=100 （erlerl）。 每平方公里用户数每平方公里用户数( (用户数用户数/km/km2 2) )。表示。表示单位面积单位面积上上的的用户密度用户密度； 每平方公里每小时通话次数每平方公里每小时通话次数call/(hkmcall/(hkm2 2）。表示）。表示单位面积单位面积上上的用户的通话强度。的用户的通话强度。 虽然虽然以上方式从不同角度对以上方式从不同角度对局部蜂窝局部蜂窝系统的容量进系统的容量进行行量度，但是量度，但是它们之间它们之间相互相互联系联系，在一定的条件下在一定的条件下可以互相转换。可以互相转换。l 系统的通信容

5、量与系统的通信容量与通信质量通信质量密切相关密切相关。通信通信质量质量与与接收端的信干比接收端的信干比SIR (Signal To Interference Ratio)有直接关系。有直接关系。 在在FDMAFDMA系统中系统中，规定规定SIR=17dB SIR=17dB 作为门限值作为门限值；在在TDMATDMA系统中系统中，规定规定SIR=10dB SIR=10dB 作为门限值作为门限值；在在CDMACDMA系统中系统中，规定规定SIR=7dBSIR=7dB作为门限值。作为门限值。1、 FDMA蜂窝系统容量蜂窝系统容量 在在FDMA系统中，蜂窝小区容量系统中，蜂窝小区容量m为：为： 式中式

6、中 ，W为区群带宽，如下表所示；为区群带宽，如下表所示； B=200kHz为为频道带宽；频道带宽；N为区群内小区数。为区群内小区数。ceelchNBWm/ 在在FDMA系统中，几个相邻小区组成无线系统中，几个相邻小区组成无线区群区群。不同区群使用的频道都相同，这就是不同区群使用的频道都相同，这就是频率再用频率再用。区群再将这些频道分配给区内各小区。区群再将这些频道分配给区内各小区。2、FDMA/TDMA蜂窝系统容量蜂窝系统容量 在采用在采用FDMA/TDMA技术的技术的GSM系统中，蜂系统中，蜂窝小区容量窝小区容量m为：为： 这里，这里，M为每一频分频道的时分信道数。为每一频分频道的时分信道数

7、。 p例如例如:GSM900系统，系统，W=19MHz，B=200kHz， M=8。对于。对于N=7的区群来说，将这些数据代入的区群来说，将这些数据代入就可以计算出就可以计算出m 108(ch/ceel)。ceelchNBWMm/3、CDMA系统容量系统容量1) 理想情况下理想情况下CDMA系统同频覆盖区的容量系统同频覆盖区的容量 当区内当区内m个终端同时工作时，某终端接收到的其余个终端同时工作时，某终端接收到的其余m-1个同频率的个同频率的CDMA信号都是多址干扰信号。因此，信号都是多址干扰信号。因此，若不考虑其它情况，假设到达终端的所有若不考虑其它情况，假设到达终端的所有m个信号强个信号强

8、度一样，该终端的信干比为度一样，该终端的信干比为 ： SIR = 1/(m-1) 由上式可得到理想情况下的小区容量为：由上式可得到理想情况下的小区容量为： 这个公式说明，如果以牺牲通信质量为代价降低对这个公式说明，如果以牺牲通信质量为代价降低对SIR的要求，容量就增加。这就是的要求，容量就增加。这就是CDMA系统以通信系统以通信质量换取容量的质量换取容量的软容量软容量概念。概念。 在扩频通信系统中，在扩频通信系统中，SIR的计算式为的计算式为 这里，这里，Rb为数字信号速率（为数字信号速率（bps）；）；Eb为数字为数字信号的信号的bit能量；能量；N0为干扰功率密度为干扰功率密度(Watt/

9、Hz),大小与同时接入的终端数有关；大小与同时接入的终端数有关；W为扩频信号为扩频信号带宽带宽(Hz)。 将将SIR代人代人m计算式，得到：计算式，得到：bbbbRWNEWNERSIR/00cellchNERWSIRmbb0111 由上式可知，系统的扩频增益由上式可知，系统的扩频增益(W/Rb)越高，终越高，终端所需的归一化信干比端所需的归一化信干比Eb/ N0越小，即终端降越小，即终端降低对低对SIR的要求，都可以使容量增加。的要求，都可以使容量增加。 如果终端的如果终端的SIR门限值降低，通信质量将下降。门限值降低，通信质量将下降。同时接入的终端却可以增加（也就是同时接入的终端却可以增加（

10、也就是m变大），变大），通信容量得到提高。这就是通信容量得到提高。这就是CDMA系统以降低系统以降低通信质量换取容量增加的通信质量换取容量增加的软容量软容量概念。容量的概念。容量的提高是以牺牲通信质量为代价的。提高是以牺牲通信质量为代价的。2)增加增加 CDMA系统同频覆盖区容量的方法系统同频覆盖区容量的方法(1)采用话音激活技术提高容量采用话音激活技术提高容量 当人们在通话时，平均只有约当人们在通话时，平均只有约35%的时间在讲的时间在讲话，这话，这35%就是占空比。话音激活技术使发射就是占空比。话音激活技术使发射机只在用户发话时才工作。采用话音激活技术机只在用户发话时才工作。采用话音激活技

11、术后，占空比越低，发射机工作的时间越少，对后，占空比越低，发射机工作的时间越少，对其它用户的干扰也越小，容量将与占空比成反其它用户的干扰也越小，容量将与占空比成反比增加。比增加。 设占空比为设占空比为d，采用话音激活技术后的容量为，采用话音激活技术后的容量为， 一般取一般取d=0.35。 dNERWdSIRmbb1)/1 (1)11 (0(2)采用扇区划分技采用扇区划分技术提高容量术提高容量 若把一个小区分为若把一个小区分为G个扇区，其容量个扇区，其容量将提高接近将提高接近G倍，倍，容量为，容量为，(3)相邻小区间的干相邻小区间的干扰对容量的影响扰对容量的影响dGNERWmbb)/1 (0 由

12、于相邻小区之间的同由于相邻小区之间的同频干扰，容量还会有所频干扰，容量还会有所下降，即下降，即 一般取一般取F=0.6，即容量，即容量下降到原来的下降到原来的60%。 对于对于1MHz带宽来说，带宽来说，CDMA容量为容量为FDMA容容量的量的12倍，为倍，为FDMA/TDMA容量的容量的5倍。倍。dFGNERWmbb)/1 (012.1.2 CDMA系统的远近效应和边缘问题系统的远近效应和边缘问题 远近效应和边缘问题都将降低系统容量。远近效应和边缘问题都将降低系统容量。1、远近效应（、远近效应（Near-far Problem） 如果终端发射功率都相同，基站接收的离如果终端发射功率都相同，基

13、站接收的离基站较近的用户信号较强，而接收的离基基站较近的用户信号较强，而接收的离基站较远甚至在小区边缘的用户信号就很弱。站较远甚至在小区边缘的用户信号就很弱。远端用户的信号被近端用户信号淹没掉，远端用户的信号被近端用户信号淹没掉，这将使容量严重下降，这就是远近效应。这将使容量严重下降，这就是远近效应。远近效应只存在于上行链路，路径衰耗总远近效应只存在于上行链路，路径衰耗总动态范围在动态范围在80dB以内。以内。2、边缘问题（、边缘问题（Coner Problem） 用户进入小区边缘地区时受到其它小区信用户进入小区边缘地区时受到其它小区信号的干扰，终端接收信噪比将下降，甚至号的干扰，终端接收信噪

14、比将下降，甚至使通信中断，降低小区容量。解决边缘问使通信中断，降低小区容量。解决边缘问题的办法是基站增加对小区边缘地区的发题的办法是基站增加对小区边缘地区的发射功率。射功率。12.2 功率控制原理功率控制原理 为了达到最大的通信容量，系统通过对上下行链路的为了达到最大的通信容量，系统通过对上下行链路的发射功率进行控制，克服上述两个问题。发射功率进行控制，克服上述两个问题。 为较好地了解功率控制，我们需要先了解移动通信网为较好地了解功率控制，我们需要先了解移动通信网络的结构。络的结构。 第三代移动通信系统第三代移动通信系统UMTS的结构如图所示。由三大的结构如图所示。由三大部分组成：部分组成：U

15、E、UTRAN和和CN。l ETSI：Europe Telecommunication Standard Institutel UMTS： Universal Mobile Telecommunication System l UE：User EquipmentME：Mobile EquipmentUSIM：UMTS subscriber identity modulel UTRAN： Universal Terrestrial Radio Access NetworkRNC： Radio Network ControllerRNS： Radio Network Subsysteml CN：

16、Core NetworkCS： Circuit SwitchingPS：Packet SwitchingMSC： Mobile Service Switching CenterVLR： Visitor Location RegisterGMSC：Gateway MSCOMC：Operation Maintenance CenterHLR：Home Location RegisterSGSN：Service GPRS Supporting NodeGGSN：Gateway GPRS Supporting Nodel EN：External NetworkPLMN：Public Lands Mob

17、ile NetworkPSTN：Public switching Telephone NetworkISDN：Integrated Service Digital Network1、上行功率控制、上行功率控制 上行功率控制是控制终端的发射功率，将每个上行功率控制是控制终端的发射功率，将每个终端的发射功率控制到基站为保证通信质量所终端的发射功率控制到基站为保证通信质量所需的最小值。这样，基站接收到的终端信号功需的最小值。这样，基站接收到的终端信号功率或信干比率或信干比(SIR)基本相等，达到克服远近效基本相等，达到克服远近效应的目的。上行功率控制有时候也称为反向功应的目的。上行功率控制有时候也称

18、为反向功率控制。率控制。l 上行功率控制方法有三种：上行功率控制方法有三种：1)上行开环功率控制上行开环功率控制 终端根据接收到的基站信号功率变化方向对发射功率终端根据接收到的基站信号功率变化方向对发射功率进行调整。控制效果如下图。进行调整。控制效果如下图。 上行开环功率控制动态范围至少为上行开环功率控制动态范围至少为32dB，响应时，响应时间为几微秒。间为几微秒。2)上行闭环上行闭环(内环内环)功率控制功率控制 开环功率控制建立在上下行多径衰落相开环功率控制建立在上下行多径衰落相同的假设基础上。然而，对于频分双工同的假设基础上。然而，对于频分双工系统来说，上下行频率相差很大，上下系统来说，上

19、下行频率相差很大，上下行信道的多径衰落是彼此独立的，不能行信道的多径衰落是彼此独立的，不能认为下行信道的衰落特性与上行信道的认为下行信道的衰落特性与上行信道的衰落特性是一样的。因此，开环功率控衰落特性是一样的。因此，开环功率控制对于频分双工系统的发射功率控制效制对于频分双工系统的发射功率控制效果并不好。果并不好。 上行闭环（内环）功率控制是由基站对终端信上行闭环（内环）功率控制是由基站对终端信号功率或信干比进行检测，然后将检测结果与号功率或信干比进行检测，然后将检测结果与目标值相比较，再形成调整指令，通知终端调目标值相比较，再形成调整指令，通知终端调整发射功率尽可能地接近预设的信干比整发射功率

20、尽可能地接近预设的信干比SIR。 上行闭环（内环）功率控制的主要参数包括功上行闭环（内环）功率控制的主要参数包括功率控制步长、速率和动态范围，它属于快速功率控制步长、速率和动态范围，它属于快速功率控制。率控制。 例如，例如，cdma2000功率调整步长为功率调整步长为0.251.00dB，最大速率为，最大速率为800Hz，在开环功率控制，在开环功率控制基础上的动态范围是基础上的动态范围是24dB。3)上行闭环（外环）功率控制上行闭环（外环）功率控制 上行闭环（外环）功率控制是由基站控制器动上行闭环（外环）功率控制是由基站控制器动态调整上行态调整上行SIR目标值，以便保证通信质量。目标值，以便保

21、证通信质量。如果发现误块率（如果发现误块率（BLER，Block Error Rate ）高于设定门限值，就会调高上行高于设定门限值，就会调高上行SIR目标值，目标值，并通知基站用新的目标值来调整终端的发射功并通知基站用新的目标值来调整终端的发射功率。基站控制器在进行上行闭环（外环）功率率。基站控制器在进行上行闭环（外环）功率控制时需要时间来积累差错，反应速度较慢，控制时需要时间来积累差错，反应速度较慢，一般控制速率为一般控制速率为10 100Hz。 基站对终端在静止、低速移动和高速移动时的基站对终端在静止、低速移动和高速移动时的上行上行SIR要求是不同的。移动速度越高，要求要求是不同的。移动

22、速度越高，要求上行上行SIR越大。不同速率和质量的业务对上行越大。不同速率和质量的业务对上行SIR的要求也不同，不同业务共用同一上行链的要求也不同，不同业务共用同一上行链路时取最大的路时取最大的SIR作为目标值。作为目标值。2、下行功率控制、下行功率控制 下行功率控制也称为正向功率控制。如果基站下行功率控制也称为正向功率控制。如果基站采用同步采用同步CDMA，选用完全正交的扩频码，理，选用完全正交的扩频码，理想情况下每个终端收到的信号完全正交，不存想情况下每个终端收到的信号完全正交，不存在终端间的干扰。在单小区同步状态下，下行在终端间的干扰。在单小区同步状态下，下行功率控制可以不用考虑。但是，

23、在实际的时变功率控制可以不用考虑。但是，在实际的时变多径衰落中，理想同步是达不到的，特别是多多径衰落中，理想同步是达不到的，特别是多小区情况下，存在边缘问题，功率控制是十分小区情况下，存在边缘问题，功率控制是十分必要的。必要的。 下行功率控制的作用是控制基站的发射功率。下行功率控制的作用是控制基站的发射功率。不论终端距离基站远近，下行功率控制都将不论终端距离基站远近，下行功率控制都将使它们接收到的基站信号功率或信干比保持使它们接收到的基站信号功率或信干比保持在门限值，避免处于覆盖边缘的终端接收信在门限值，避免处于覆盖边缘的终端接收信干比过低，影响正常通信，达到克服边缘问干比过低，影响正常通信，

24、达到克服边缘问题的目的。题的目的。 下行功率控制的三种方法：下行功率控制的三种方法：1)下行开环功率控制下行开环功率控制 基站利用接入期间收到的移动台功率估算出基站利用接入期间收到的移动台功率估算出下行链路的传输损耗变化方向，调节各下行下行链路的传输损耗变化方向，调节各下行信道的发射功率。信道的发射功率。2）下行闭环（内环）功率控制）下行闭环（内环）功率控制 下行闭环下行闭环(内环内环)功率控制是基站与终端结合进功率控制是基站与终端结合进行动态功率控制。基站控制器对每一条下行链行动态功率控制。基站控制器对每一条下行链路预设一个路预设一个SIR门限值。终端不断地检测基站门限值。终端不断地检测基站

25、下行信号功率，并计算下行信干比值下行信号功率，并计算下行信干比值SIR。如。如果下行果下行SIR小于预设的门限值，终端就向基站小于预设的门限值，终端就向基站发出增加发射功率的请求。基站收到调整发射发出增加发射功率的请求。基站收到调整发射功率的请求后，按阶距调整相应的发射功率。功率的请求后，按阶距调整相应的发射功率。3）下行闭环（外环）功率控制）下行闭环（外环）功率控制 下行闭环下行闭环(外环外环)功率控制是由基站控制器动态功率控制是由基站控制器动态预设下行闭环预设下行闭环(内环内环)功率控制依据的功率控制依据的SIR门限门限值，从而控制某些下行业务的质量标准。控制值，从而控制某些下行业务的质量

26、标准。控制方法如下：方法如下： 当基站控制器调低了某一下行链路的当基站控制器调低了某一下行链路的SIR门限值后，门限值后，即使终端因为接收功率降低要求增加基站发射功率，即使终端因为接收功率降低要求增加基站发射功率，基站也可以基站也可以SIR达到降低后的门限值不增加发射功率。达到降低后的门限值不增加发射功率。采用这种拒绝方式，基站可以控制不同下行链路的采用这种拒绝方式，基站可以控制不同下行链路的连接质量。例如，当网络下行链路过载时就可以降连接质量。例如，当网络下行链路过载时就可以降低诸如后台类较低优先级业务的下行低诸如后台类较低优先级业务的下行SIR门限值来缓门限值来缓解下行链路的过载；当网络的用户增加过快时，可解下行链路的过载；当网络的用户增加过快时，可以通过降低下行以通过降低下行SIR，不增加发射功率，用降低通信，不增加发射功率，用降低通信质量换取小区容量的增加。当然，如果要减少小区质量换取小区容量的增加。当然，如果要减少小区