??? 摘?要: 簡述了功控技術(shù)的作用與分類,介紹了寬帶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關(guān)鍵因素,并給出了硬件實(shí)現(xiàn)和測試結(jié)果。
??? 關(guān)鍵詞: 寬帶CDMA? 功控技術(shù)? 信干比" title="信干比">信干比(SIR)? 閉環(huán)功控? 外環(huán)功控
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??? 無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)為每個用戶提供的服務(wù)需要滿足一定的服務(wù)質(zhì)量(QOS),然而QOS主要由每個用戶接收到信號的信干比(SIR)決定。因此,無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)對無線資源的分配,特別是對每個用戶鏈路" title="鏈路">鏈路的功率分配就更加重要。對于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隙" title="時隙">時隙,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、延時等原因使得各個用戶信號間的互相關(guān)特性不理想,其它用戶的信號對當(dāng)前用戶信號產(chǎn)生干擾,這類干擾被稱為多址干擾(MAI)。這樣,當(dāng)小區(qū)中用戶個數(shù)增加或者其它用戶功率提升時都會增加對當(dāng)前用戶的干擾,導(dǎo)致當(dāng)前用戶的接收信號SIR下降,當(dāng)這類干擾大到一定程度時,當(dāng)前用戶就不能正常通信了,因此CDMA系統(tǒng)是一個嚴(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。解決這個問題主要有兩個辦法: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),使各個用戶維持在能保持正常通信的最低標(biāo)準(zhǔn)上,這樣就能最大地減少對其他用戶的干擾,從而提高系統(tǒng)容量,同時延長手機(jī)的待機(jī)時間。
??? 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。它們分別控制各個用戶信號在接收端的有用功率相等或SIR相等。從不同的角度,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)功控主要用來對抗信道衰落和損耗,使得接收端信號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,集中式功控考察小區(qū)內(nèi)所有用戶的信息(鏈路增益等),對每個用戶進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)整,這個算法復(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]。
1 WCDMA系統(tǒng)的功控技術(shù)方案
??? WCDMA系統(tǒng)同時采用了反向開環(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,本文將主要針對反向閉環(huán)功控進(jìn)行討論,后面的" title="面的">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)功控主要由四部分構(gòu)成:SIR估計(jì)、功控比特(TPC)產(chǎn)生、本地TPC判決和功率調(diào)整單元等,如圖1所示。
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??? SIR估計(jì)單元采用某種SIR估計(jì)算法" title="估計(jì)算法">估計(jì)算法對接收專用數(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,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)[2]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,針對當(dāng)前時隙接收到的TPC指令,每個時隙產(chǎn)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(fā)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(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個時隙產(chǎn)生一次功控命令(±1),功率調(diào)整的最快頻率為300Hz,它具有近似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)接收的功控比特交錯±1時,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,即一個時隙內(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間內(nèi)完成。文獻(xiàn)[2]圖B.1列出了WCDMA功控定時關(guān)系,經(jīng)分析得出可用于SIR估計(jì)的時間為:
??? TSIR=2560+Tdata1-1024-2×Tprop-Tprocess???? (2)
??? Tprocess為接收機(jī)處理延時, 2×Tprop是雙程路徑延時,而處理延時一般等于總路徑延時,若忽略data1數(shù)據(jù)處理延時Tdata1,得出SIR估計(jì)時間大致為:
??? TSIR=1536-4×Tprop???????????????????????????? (3)
?? ?所以小區(qū)半徑和相干估計(jì)的最大長度可以用表1表示。
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??? 當(dāng)單程延時Tprop≥384chips,對應(yīng)小區(qū)半徑大于30km時,基站沒有時間在當(dāng)前時隙完成SIR估計(jì)并發(fā)送功控比特。此時必須采用延時一個時隙進(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、功控比特傳輸錯誤以及功控比特時延等主要因素對功控性能的影響,給出反向閉環(huán)功控的仿真曲線并對結(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。對于相干估計(jì),由于導(dǎo)頻信號已知,假設(shè)導(dǎo)頻序列數(shù)值固定為1,則接收信號y(i)近似為一個高斯平穩(wěn)隨機(jī)過程,可以用其時間平均代替集平均。假設(shè)接收信號y(i)的N個采樣點(diǎn)為{y1,y2,y3,…,yN},則接收信號功率、噪聲功率和信干比估計(jì)值可分別表示如下:
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??? 當(dāng)采用非相干估計(jì)時,處理的數(shù)據(jù)不再是已知的導(dǎo)頻信號,而是數(shù)據(jù)信道上的數(shù)據(jù),其數(shù)值未知??梢圆捎萌缦路椒ㄟM(jìn)行信干比的估計(jì):
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??? 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)目時,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)[3]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)果也會說明這個問題。
??? 閉環(huán)功率控制的目標(biāo)是把接收信號的實(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)信干比的一致性,為此定義功控誤差(PCE)如下:
??? PCE=SIResti-SIRtarget????????????????????????????????????????????? (10)
??? 用其衡量各個功控算法性能的好壞。文獻(xiàn)[4]證明了在理想功控情況下, PCE的對數(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??梢钥吹?,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的PCE均方差,在車速80km/h以下,功控能夠帶來好處,而在這個車速以上,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,低速時采用1dB步長,中速時采用2dB或1dB步長,而高速時雖然不能補(bǔ)償快衰落,但考慮到補(bǔ)償路徑損耗和減少對其他用戶的影響,此時應(yīng)采用算法二進(jìn)行慢速功率調(diào)整。
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??? 圖3給出了非相干估計(jì)時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)的長度為整個時隙,所以采用了延時一個時隙進(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,車速與最佳步長之間的關(guān)系和采用相干估計(jì)方法時類似。值得注意的是,僅在低車速20km/h左右時,PCE的性能就比關(guān)閉功控時差,而在采用相干估計(jì)方法時,這個臨界車速達(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。
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??? 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,一個很自然的想法就是通過估計(jì)車速選擇對應(yīng)該車速下最優(yōu)的功控步長進(jìn)行功控。文獻(xiàn)[5]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,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)閉功控時的性能。從圖4中還可以看到,若小區(qū)半徑太大,在一個時隙內(nèi)不可能完成SIR相干估計(jì)和一次閉環(huán)功率調(diào)整,這時可以降低功控頻率。這樣雖然功率調(diào)整有一個時隙延時,但是由此獲得的高精度SIR估計(jì)可以在一定程度上抵消延時帶來的性能損失。從圖4中可看到,這種方案與沒延時、估計(jì)長度512chips時性能差不多。所以,當(dāng)小區(qū)半徑較小時,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)半徑較大且移動臺在小區(qū)邊緣時,可以采用750Hz功控方案。
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??? 另外,功控比特延時帶來的性能損失也可以采用延時補(bǔ)償(TDC)方法進(jìn)行補(bǔ)償,文獻(xiàn)[6]詳細(xì)研究了這個問題。這里給出一點(diǎn)有用結(jié)論。在功控延時一個時隙的情況下,中低車速時,功控比特延時帶來的影響并不大,高車速時影響比較明顯,這是因?yàn)樵诟哕囁贂r750Hz功控頻率已經(jīng)不能跟蹤快速信道變化,但此時應(yīng)該還能補(bǔ)償路徑損耗。因此,當(dāng)需采用750Hz功控方案時,若移動臺處于高速運(yùn)動狀態(tài),此時最好用算法二進(jìn)行慢速功率調(diào)整。
??? 圖5給出了3km/h,三徑衰落信道時,TPC傳輸錯誤率從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錯誤率較低,例如0.01以下時,性能并沒有明顯的劣化,而若TPC錯誤率不斷上升,例如達(dá)到0.1時,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率為0.05時,可以看到,性能劣化較大,達(dá)0.2dB左右,此時前向鏈路質(zhì)量已經(jīng)對反向閉環(huán)功控性能產(chǎn)生較大影響。由此可見,閉環(huán)功控的性能要同時受兩個鏈路影響,改善某條鏈路的性能會給另一條鏈路帶來增益,反之亦然。
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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的幾個主要因素,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)果筆者選擇了合理的參數(shù),設(shè)計(jì)出了基于FPGA平臺的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,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)移動臺和基站的聯(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)通信時都能很好地控制前反向鏈路的發(fā)送功率,同時本設(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。
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