WCDMA的功率控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(cè)試的持續(xù)深入,WCDMA網(wǎng)絡(luò)建設(shè)已提上日程｡運(yùn)營(yíng)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(gè)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(kuò)頻技術(shù),所有用戶共享相同的頻譜,每個(gè)用戶的信號(hào)能量被分配在整個(gè)頻帶范圍內(nèi),而各用戶的擴(kuò)頻碼之間的正交性是非理想的,這樣一來,某個(gè)用戶對(duì)其他用戶來說就成為寬帶噪聲,發(fā)射功率的提高會(huì)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(dòng)臺(tái)與基站的距離不同,基站接收到較近移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)衰減較小,接收到較遠(yuǎn)移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)衰減較大,如果不采用功率控制,將導(dǎo)致強(qiáng)信號(hào)掩蓋弱信號(hào),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(dòng)臺(tái)處于相鄰小區(qū)的交界處時(shí),收到所屬基站的有用信號(hào)很小,同時(shí)還會(huì)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(huì)受到陰影效應(yīng)的影響,移動(dòng)臺(tái)在小區(qū)內(nèi)的位置是隨機(jī)的,且經(jīng)常移動(dòng),所以路徑損耗會(huì)快速大幅度地變化,必須實(shí)時(shí)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(duì)基站和移動(dòng)臺(tái)發(fā)射功率的限制和優(yōu)化,使得所有用戶終端的信號(hào)到達(dá)接收機(jī)時(shí)具有相同的功率,可以克服遠(yuǎn)近效應(yīng)和角效應(yīng),補(bǔ)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(duì)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(shí)時(shí)地跟蹤無線環(huán)境的變化,使得每個(gè)用戶發(fā)射的功率在滿足解調(diào)時(shí)所需Eb/N0的基礎(chǔ)上盡可能地小,即它實(shí)現(xiàn)了每個(gè)移動(dòng)臺(tái)在滿足通信質(zhì)量的同時(shí)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(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)臺(tái)能夠有足夠的功率正確接收信號(hào),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(duì)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(gè)移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率,使所有移動(dòng)臺(tái)在基站端接收的信號(hào)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(dòng)臺(tái)和基站間不需要交互信息而根據(jù)接收信號(hào)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(shí),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(duì)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(duì)終端上行鏈路的測(cè)量報(bào)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(dòng)臺(tái)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(dòng)臺(tái)的請(qǐng)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(dòng)臺(tái)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(diǎn)是控制精度高,也是實(shí)際系統(tǒng)中常采用的精控手段｡其缺點(diǎn)是從控制命令的發(fā)出到改變功率,存在著時(shí)延,當(dāng)時(shí)延上升時(shí),功控性能將嚴(yán)重下降｡同時(shí)還存在穩(wěn)態(tài)誤差大､占用系統(tǒng)資源等缺點(diǎn)｡為了發(fā)揮閉環(huán)功控的優(yōu)點(diǎn),克服它的缺點(diǎn),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(shí)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(shí)現(xiàn)過程是根據(jù)統(tǒng)計(jì)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(bǔ)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(shí)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(hào)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(diǎn)是要求系統(tǒng)在每一時(shí)刻獲得一個(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)最佳功控,而在迭代的過程中只需各個(gè)鏈路的SIR即可｡即使對(duì)SIR的估計(jì)有誤差,分布式平衡算法仍是一種有效的算法｡對(duì)于WCDMA系統(tǒng),當(dāng)不考慮SIR估計(jì)誤差時(shí),分布算法非常有效,但是當(dāng)SIR估計(jì)存在誤差時(shí),分布式SIR平衡算法有可能不再收斂于一個(gè)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(gè)主要參數(shù)指標(biāo)｡
PCE=RSIR-TSIR
式中:
　　RSIR——SIR的估計(jì)值
　　TSIR——外環(huán)功率控制所產(chǎn)生的SIR目標(biāo)值

　　PCE反映了實(shí)際SIR與目標(biāo)SIR的一致性｡在理想功率控制情況下,PCE的對(duì)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(yùn)動(dòng)速度條件下各個(gè)參數(shù)對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng),1 dB步長(zhǎng)是基站必須要支持的｡為了獲得較小的步長(zhǎng),WCDMA前向功控中,在功率控制模式(DPC_mode)為1時(shí),移動(dòng)臺(tái)在3個(gè)時(shí)隙上重復(fù)相同的傳輸功率控制(TPC)比特｡

　　不同的運(yùn)動(dòng)速度下,步長(zhǎng)的選擇應(yīng)有所不同｡相干估計(jì)下,低速運(yùn)動(dòng)時(shí)(小于50 km/h)步長(zhǎng)為0.5 dB功控效果最好,中速運(yùn)動(dòng)時(shí)(50～120 km/h)步長(zhǎng)為1.5 dB最好;非相干估計(jì)下,低速運(yùn)動(dòng)時(shí)步長(zhǎng)為0.5 dB效果最好,中速運(yùn)動(dòng)時(shí)步長(zhǎng)為1 dB相對(duì)好一些｡而在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)(大于120 km/h),不論是相干估計(jì)還是非相干估計(jì),各種步長(zhǎng)差別不大,功控效果都明顯下降｡

2.1.2 TPC差錯(cuò)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(kuò)頻處理,易出現(xiàn)傳輸出錯(cuò)｡同時(shí)SIR估計(jì)出錯(cuò)也可以等效為TPC出錯(cuò),同TPC傳輸錯(cuò)誤相比,SIR估計(jì)的錯(cuò)誤率明顯更高一些｡

　　TPC 出錯(cuò)會(huì)導(dǎo)致基站功率的錯(cuò)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(shí)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(gè)較高的目標(biāo)Eb/N0的方法來彌補(bǔ)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(cuò)誤率之間的關(guān)系｡

　　當(dāng)TPC錯(cuò)誤率低于0.01時(shí),對(duì)BLER影響不大,而TPC錯(cuò)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(shí),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(kuò)頻比256｡

2.1.3 TPC時(shí)延的影響

　　若小區(qū)半徑比較大,或者接收機(jī)處理延時(shí)比較大,基站無法在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)完成SIR估計(jì)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(gè)時(shí)隙對(duì)移動(dòng)臺(tái)第n-1個(gè)時(shí)隙的數(shù)據(jù)進(jìn)行SIR估計(jì),并讓移動(dòng)臺(tái)在第n+1個(gè)時(shí)隙改變發(fā)射功率｡功率控制算法中對(duì)時(shí)延的要求非�？量�,太大的時(shí)延將導(dǎo)致系統(tǒng)性能迅速惡化,尤其在運(yùn)動(dòng)速度比較高時(shí)｡
　　隨著時(shí)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(shí),信道變化較慢,即使存在時(shí)延,功率控制仍然能夠跟上信道變化,因此時(shí)延對(duì)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(shí)延的存在使得反饋速度更加跟不上信道的變化,導(dǎo)致時(shí)延對(duì)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(zhǎng)的設(shè)置

　　在反向功控中,可考慮1 dB和2 dB兩種步長(zhǎng)｡

　　對(duì)于給定的目標(biāo),最佳的反向鏈路功率控制的步長(zhǎng)可以定義為:能產(chǎn)生最低目標(biāo)信噪比的步長(zhǎng)｡一個(gè)具有1 500 Hz的更新速率,1 dB的功率控制步長(zhǎng)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(zhǎng)為2 dB的功率控制效果更好｡

　　1 dB和2 dB兩種步長(zhǎng)對(duì)PCE均方差值的影響｡

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

2.2.2 TPC差錯(cuò)的影響

　　基站通過下行鏈路傳輸TPC指令來通知移動(dòng)臺(tái)增減發(fā)射功率｡

　　反向功控TPC錯(cuò)誤率對(duì)BLER的影響與正向功控相類似,值得一提的是,在高速運(yùn)動(dòng)情況下,由于TPC的錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致其性能比不進(jìn)行功率控制時(shí)還要低,因此高速運(yùn)動(dòng)時(shí),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(shí)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(shí),才有可能出現(xiàn)必須延時(shí)2個(gè)時(shí)隙的情況,因此只比較無TPC時(shí)延和TPC時(shí)延為1個(gè)時(shí)隙的情況｡

　　在中低速條件下,延時(shí)對(duì)發(fā)射功率的影響并不大,保持在0.2 dB之內(nèi),而這個(gè)差異在高速時(shí)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(shí)1個(gè)時(shí)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(jì)長(zhǎng)度的設(shè)置

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

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

2.2.5 終端運(yùn)動(dòng)速度對(duì)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(yùn)動(dòng)速度｡低速時(shí),閉環(huán)功控效果較好,目標(biāo)Eb/N0可以設(shè)定為一個(gè)較小的值;而在中高速時(shí),功控將受到快衰落的影響,而且目標(biāo)Eb/N0將會(huì)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(gè)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(yùn)動(dòng)速度確定目標(biāo)Eb/N0的仿真結(jié)果｡

3 結(jié)束語

　　在同一個(gè)WCDMA網(wǎng)絡(luò)中,許多用戶都工作在同一頻率,干擾是一個(gè)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(jì)中重要的關(guān)鍵技術(shù)之一｡

　　功率控制能夠快速實(shí)時(shí)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(yùn)動(dòng)速度等的變化,功率控制參數(shù)的設(shè)置對(duì)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(huì)有所差異｡在實(shí)際的WCDMA系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)者應(yīng)充分把握這一點(diǎn),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(jì)技術(shù)》