WCDMA的功率控制參數(shù)對系統(tǒng)設(shè)計的影響研究

0 前言

　　隨著WCDMA系統(tǒng)商業(yè)化步伐的不斷推進(jìn)和WCDMA網(wǎng)絡(luò)的各種設(shè)備測試的持續(xù)深入,WCDMA網(wǎng)絡(luò)建設(shè)已提上日程｡運營商在3G牌照發(fā)放之前,已積極準(zhǔn)備在一些主要地區(qū)進(jìn)行WCDMA的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃工作｡

　　在WCDMA系統(tǒng)中,功率是重要的無線資源之一,功率管理是無線資源管理中非常重要的一個環(huán)節(jié)｡

　　從保證無線鏈路可靠性的角度考慮,提高基站和終端的發(fā)射功率能夠改善用戶的服務(wù)質(zhì)量;而從自干擾的角度考慮,由于WCDMA采用了寬帶擴頻技術(shù),所有用戶共享相同的頻譜,每個用戶的信號能量被分配在整個頻帶范圍內(nèi),而各用戶的擴頻碼之間的正交性是非理想的,這樣一來,某個用戶對其他用戶來說就成為寬帶噪聲,發(fā)射功率的提高會導(dǎo)致其他用戶通信質(zhì)量的降低｡因此,在WCDMA系統(tǒng)中功率的使用是矛盾的,發(fā)射功率的大小將直接影響到系統(tǒng)的總?cè)萘?#65377;

　　此外,在WCDMA系統(tǒng)中還受到遠(yuǎn)近效應(yīng)､角效應(yīng)和路徑損耗的影響｡上行鏈路中,由于各移動臺與基站的距離不同,基站接收到較近移動臺的信號衰減較小,接收到較遠(yuǎn)移動臺的信號衰減較大,如果不采用功率控制,將導(dǎo)致強信號掩蓋弱信號,這種遠(yuǎn)近效應(yīng)使得部分用戶無法正常通信｡在下行鏈路中,當(dāng)移動臺處于相鄰小區(qū)的交界處時,收到所屬基站的有用信號很小,同時還會受到相鄰小區(qū)基站的干擾,這就是角效應(yīng)｡無線電波在傳播中經(jīng)常會受到陰影效應(yīng)的影響,移動臺在小區(qū)內(nèi)的位置是隨機的,且經(jīng)常移動,所以路徑損耗會快速大幅度地變化,必須實時調(diào)整發(fā)射功率,才能保證所有用戶的通信質(zhì)量｡

　　功率控制通過對基站和移動臺發(fā)射功率的限制和優(yōu)化,使得所有用戶終端的信號到達(dá)接收機時具有相同的功率,可以克服遠(yuǎn)近效應(yīng)和角效應(yīng),補償衰落,提高系統(tǒng)容量,因此,功率控制技術(shù)是WCDMA系統(tǒng)中最為重要的關(guān)鍵技術(shù)之一｡

　　功控參數(shù)的設(shè)置對功率控制的效果有著巨大的影響,為了提高系統(tǒng)的容量和服務(wù)質(zhì)量,精確的功率控制是必不可少的｡精確的功率控制能夠快速實時地跟蹤無線環(huán)境的變化,使得每個用戶發(fā)射的功率在滿足解調(diào)時所需Eb/N0的基礎(chǔ)上盡可能地小,即它實現(xiàn)了每個移動臺在滿足通信質(zhì)量的同時能發(fā)射最小功率的目標(biāo)｡在功率控制中需要考慮系統(tǒng)負(fù)載的變化､信道狀態(tài)的快速和慢速變化以及信道的衰落問題等｡為了做好WCDMA系統(tǒng)的規(guī)劃與優(yōu)化,下面將討論WCDMA的功率控制參數(shù)對系統(tǒng)設(shè)計的影響｡

1 功率控制分類

1.1 前向功控和反向功控

　　按照通信的上下行鏈路方向,功率控制可以分為前向功控和反向功控｡

　　前向功控用來控制基站的發(fā)射功率,使所有移動臺能夠有足夠的功率正確接收信號,在滿足要求的情況下,基站的發(fā)射功率應(yīng)盡可能地小,以減少對相鄰小區(qū)間的干擾,克服角效應(yīng)｡

　　前向鏈路公共信道的傳輸功率是由網(wǎng)絡(luò)決定的｡

　　反向功控用來控制每一個移動臺的發(fā)射功率,使所有移動臺在基站端接收的信號功率或SIR基本相等,達(dá)到克服遠(yuǎn)近效應(yīng)的目的｡

1.2 開環(huán)功控和閉環(huán)功控

　　按照形成環(huán)路的方式,功率控制可以分為開環(huán)功控和閉環(huán)功控｡

　　開環(huán)功控是指移動臺和基站間不需要交互信息而根據(jù)接收信號的好壞減少或增加功率的方法｡一般用于在建立初始連接時,進(jìn)行比較粗略的功率控制,開環(huán)功控目標(biāo)值的調(diào)整速度典型值為10~100 Hz｡開環(huán)功控是建立在上下行鏈路具有一致的信道衰落的基礎(chǔ)之上的,然而WCDMA系統(tǒng)是頻分雙工(FDD)的,上下行鏈路占用的頻帶相差190 MHz,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信道的相關(guān)帶寬,因此上下行鏈路的衰落情況是不相關(guān)的｡所以,開環(huán)功控的控制精度受到信道不對稱的影響,只能起粗控的作用｡

　　前向鏈路的開環(huán)功控是在對終端上行鏈路的測量報告的基礎(chǔ)上設(shè)定下行鏈路信道的初始功率｡

　　反向鏈路的開環(huán)功控主要應(yīng)用于終端,但需要知道小區(qū)廣播的一些控制參數(shù)和終端接收到主公共導(dǎo)頻信道(P-CPICH)的功率｡

　　閉環(huán)功控是指移動臺和基站之間需要交互信息而采用的功率控制方法｡前向閉環(huán)功控中,基站根據(jù)移動臺的請求及網(wǎng)絡(luò)狀況決定增加或減少功率;反向閉環(huán)功控中,移動臺根據(jù)基站的功率控制指令增加或減少功率｡閉環(huán)功控的主要優(yōu)點是控制精度高,也是實際系統(tǒng)中常采用的精控手段｡其缺點是從控制命令的發(fā)出到改變功率,存在著時延,當(dāng)時延上升時,功控性能將嚴(yán)重下降｡同時還存在穩(wěn)態(tài)誤差大､占用系統(tǒng)資源等缺點｡為了發(fā)揮閉環(huán)功控的優(yōu)點,克服它的缺點,可以采用自適應(yīng)功控､自適應(yīng)模糊功控等各種改進(jìn)性措施和實現(xiàn)算法｡

1.3 內(nèi)環(huán)功控和外環(huán)功控

　　按照功率控制的目的,功率控制可以分為內(nèi)環(huán)功控和外環(huán)功控｡

　　外環(huán)功控的目的是保證通信質(zhì)量在一定的標(biāo)準(zhǔn)上,而此標(biāo)準(zhǔn)的提出是為了給內(nèi)環(huán)功率控制提供足夠高的信噪比要求｡具體實現(xiàn)過程是根據(jù)統(tǒng)計接收數(shù)據(jù)的誤塊率(BLER),為內(nèi)環(huán)功控提供目標(biāo)SIR,而目標(biāo)SIR是同業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)速率相關(guān)聯(lián)的｡外環(huán)功控的速度比較緩慢,因此外環(huán)功控又稱為慢速功控,一般是每10～100 ms調(diào)整一次｡

　　內(nèi)環(huán)功控用來補償由于多徑效應(yīng)引起的衰落,使接收到的SIR值達(dá)到由外環(huán)功控提供的目標(biāo)SIR值｡同外環(huán)功控相比,內(nèi)環(huán)功控的速度一般較快,WCDMA系統(tǒng)為1 500 Hz,因此內(nèi)環(huán)功控又稱為快速功控｡

1.4 集中式功控和分布式功控

　　按照實現(xiàn)功率控制的方式,功率控制可以分為集中式功控和分布式功控｡前向功控一般都是集中式功控;反向功控是分布式功控｡

　　集中式功控根據(jù)接收到的信號功率和鏈路預(yù)算來調(diào)整發(fā)射端的功率,以使接收端的SIR基本相等｡其最大的難點是要求系統(tǒng)在每一時刻獲得一個歸一化的鏈路增益矩陣,這在用戶較多的小區(qū)內(nèi)是較難實現(xiàn)的｡

　　分布式功控首先是在窄帶蜂窩系統(tǒng)中提出來的,它通過迭代的方式近似地實現(xiàn)最佳功控,而在迭代的過程中只需各個鏈路的SIR即可｡即使對SIR的估計有誤差,分布式平衡算法仍是一種有效的算法｡對于WCDMA系統(tǒng),當(dāng)不考慮SIR估計誤差時,分布算法非常有效,但是當(dāng)SIR估計存在誤差時,分布式SIR平衡算法有可能不再收斂于一個平衡SIR｡隨SIR誤差的增加,系統(tǒng)的性能很快下降｡

2 WCDMA系統(tǒng)的功控參數(shù)設(shè)置

　　為了定量考察功率控制性能的好壞,需要考慮功率控制誤差(PCE)的均方差､BLER和發(fā)射功率3個主要參數(shù)指標(biāo)｡
PCE=RSIR-TSIR
式中:
　　RSIR——SIR的估計值
　　TSIR——外環(huán)功率控制所產(chǎn)生的SIR目標(biāo)值

　　PCE反映了實際SIR與目標(biāo)SIR的一致性｡在理想功率控制情況下,PCE的對數(shù)值呈正態(tài)分布,其均值為0,而PCE的均方差(STD_PCE)反映了功率控制性能的優(yōu)劣｡顯然,STD_PCE､BLER和發(fā)射功率越低說明功率控制性能越好｡

　　下面從前向功控和反向功控的角度分別討論在不同運動速度條件下各個參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響｡

2.1 前向功控參數(shù)設(shè)置

2.1.1 步長的設(shè)置

　　WCDMA的標(biāo)準(zhǔn)中前向功控可以支持0.5､1､1.5和2 dB四種步長,1 dB步長是基站必須要支持的｡為了獲得較小的步長,WCDMA前向功控中,在功率控制模式(DPC_mode)為1時,移動臺在3個時隙上重復(fù)相同的傳輸功率控制(TPC)比特｡

　　不同的運動速度下,步長的選擇應(yīng)有所不同｡相干估計下,低速運動時(小于50 km/h)步長為0.5 dB功控效果最好,中速運動時(50～120 km/h)步長為1.5 dB最好;非相干估計下,低速運動時步長為0.5 dB效果最好,中速運動時步長為1 dB相對好一些｡而在高速運動時(大于120 km/h),不論是相干估計還是非相干估計,各種步長差別不大,功控效果都明顯下降｡

2.1.2 TPC差錯的影響

　　在WCDMA 前向功控中,TPC指令在上行DPCCH信道中傳輸｡而上行DPCCH信道的信息沒有經(jīng)過信道編碼,只是進(jìn)行了擴頻處理,易出現(xiàn)傳輸出錯｡同時SIR估計出錯也可以等效為TPC出錯,同TPC傳輸錯誤相比,SIR估計的錯誤率明顯更高一些｡

　　TPC 出錯會導(dǎo)致基站功率的錯調(diào),嚴(yán)重影響系統(tǒng)的BLER和穩(wěn)定性,這種情況在信道的信噪比較低時更可能遇見｡為了在接收端保持相同的BLER,外環(huán)將用保持一個較高的目標(biāo)Eb/N0的方法來彌補功率控制的不穩(wěn)定性｡表2給出了Eb/N0的目標(biāo)值設(shè)定與TPC錯誤率之間的關(guān)系｡

　　當(dāng)TPC錯誤率低于0.01時,對BLER影響不大,而TPC錯誤率一旦大于0.01,BLER快速增大,系統(tǒng)性能開始惡化,而且在速度比較高時,性能更差｡因此,在WCDMA系統(tǒng)中,為了盡量保證TPC指令的正確傳輸,DPCCH信道使用了上行最大擴頻比256｡

2.1.3 TPC時延的影響

　　若小區(qū)半徑比較大,或者接收機處理延時比較大,基站無法在一個時隙內(nèi)完成SIR估計以及產(chǎn)生TPC指令｡在這種情況下,功率控制就必須有所延遲,即基站在第n個時隙對移動臺第n-1個時隙的數(shù)據(jù)進(jìn)行SIR估計,并讓移動臺在第n+1個時隙改變發(fā)射功率｡功率控制算法中對時延的要求非�？量�,太大的時延將導(dǎo)致系統(tǒng)性能迅速惡化,尤其在運動速度比較高時｡
　　隨著時延的增大和速度的提高,發(fā)射功率都必須隨之相應(yīng)增大,從而降低了系統(tǒng)的性能｡在低速時,信道變化較慢,即使存在時延,功率控制仍然能夠跟上信道變化,因此時延對發(fā)射功率的影響不是很大｡但隨著速度增加,信道變化加快,時延的存在使得反饋速度更加跟不上信道的變化,導(dǎo)致時延對發(fā)射功率的影響越來越大｡

2.2 反向功控參數(shù)設(shè)置

2.2.1 步長的設(shè)置

　　在反向功控中,可考慮1 dB和2 dB兩種步長｡

　　對于給定的目標(biāo),最佳的反向鏈路功率控制的步長可以定義為:能產(chǎn)生最低目標(biāo)信噪比的步長｡一個具有1 500 Hz的更新速率,1 dB的功率控制步長可以有效地跟蹤典型的瑞利衰落信道頻率為55 Hz(30 km/h)的多普勒頻移｡若達(dá)到80 km/h或更高的速度,步長為2 dB的功率控制效果更好｡

　　1 dB和2 dB兩種步長對PCE均方差值的影響｡

　　仿真結(jié)果表明:在相干估計和非相干估計下,低速時步長為1 dB功控效果更好,而中高速時步長為2 dB效果更好,且相干估計效果優(yōu)于非相干估計,這與理論分析一致｡

2.2.2 TPC差錯的影響

　　基站通過下行鏈路傳輸TPC指令來通知移動臺增減發(fā)射功率｡

　　反向功控TPC錯誤率對BLER的影響與正向功控相類似,值得一提的是,在高速運動情況下,由于TPC的錯誤會導(dǎo)致其性能比不進(jìn)行功率控制時還要低,因此高速運動時,可以考慮不進(jìn)行功率控制以提高系統(tǒng)性能｡

2.2.3 TPC時延的影響

　　在反向功控中,由于只有在極端情況如基站小區(qū)半徑大于96 km時,才有可能出現(xiàn)必須延時2個時隙的情況,因此只比較無TPC時延和TPC時延為1個時隙的情況｡

　　在中低速條件下,延時對發(fā)射功率的影響并不大,保持在0.2 dB之內(nèi),而這個差異在高速時就比較明顯,可以達(dá)到0.3 dB以上｡這與理論分析是一致的,由于延時1個時隙,內(nèi)環(huán)功控的頻率僅為750 Hz,信道變化速率變快之后,性能損失將逐漸增加｡

2.2.4 SIR估計長度的設(shè)置

　　對SIR進(jìn)行估計的比特長度直接反映了估計的精度,因此,SIR估計長度對功率控制的性能有重要的影響｡

　　在運動速度比較低時,SIR估計長度為2､3､4和5 bit,系統(tǒng)性能都比較理想;在速度較高時,系統(tǒng)性能都不太理想,尤其是估計長度為1和2 bit時的性能惡化很快｡因此,SIR估計長度應(yīng)當(dāng)取3 bit以上以保證系統(tǒng)性能｡

2.2.5 終端運動速度對目標(biāo)Eb/N0的影響

　　閉環(huán)功控的目標(biāo)信噪比依賴于需求服務(wù)必須滿足的Eb/N0,而目標(biāo)Eb/N0又依賴于終端的運動速度｡低速時,閉環(huán)功控效果較好,目標(biāo)Eb/N0可以設(shè)定為一個較小的值;而在中高速時,功控將受到快衰落的影響,而且目標(biāo)Eb/N0將會變化很快,如果小區(qū)支持高速率用戶,在外環(huán)功控中設(shè)定一個較高的最大目標(biāo)Eb/N0將是很重要的｡表3給出了一些根據(jù)終端運動速度確定目標(biāo)Eb/N0的仿真結(jié)果｡

3 結(jié)束語

　　在同一個WCDMA網(wǎng)絡(luò)中,許多用戶都工作在同一頻率,干擾是一個很嚴(yán)重的問題,而功率控制的作用就是在保證業(yè)務(wù)質(zhì)量的情況下,將前向鏈路和反向鏈路的傳輸功率調(diào)整到所需的最小程度,從而提高系統(tǒng)的容量,改善系統(tǒng)的覆蓋,因而功率控制是WCDMA系統(tǒng)設(shè)計中重要的關(guān)鍵技術(shù)之一｡

　　功率控制能夠快速實時地跟蹤無線環(huán)境､系統(tǒng)負(fù)載､信道狀態(tài)以及小區(qū)內(nèi)用戶的運動速度等的變化,功率控制參數(shù)的設(shè)置對系統(tǒng)性能有很大的影響,而且在不同的條件下其影響也會有所差異｡在實際的WCDMA系統(tǒng)設(shè)計中,設(shè)計者應(yīng)充分把握這一點,做好WCDMA的功率控制參數(shù)設(shè)置,以達(dá)到提高系統(tǒng)容量和服務(wù)質(zhì)量的目的｡


----《郵電設(shè)計技術(shù)》