宽带CDMA系统中的功控技术

   摘要：简述了功控技术的作用与分类，介绍了带宽CDMA系统的功控技术方案，讨论了实现的限制条件，仿真了影响性能的几个关键因素，并给出了硬件实现和测试结果。

无线蜂窝网络为每个用户提供的服务需要满足一定的服务质量（QOS），然而QOS主要由每个用户接收到信号的信干比（SIR）决定。因此，无线蜂窝网络对无线资源的分配，特别是对每个用户链路的功率分配就更加重要。对于CDMA蜂窝系统，同一小区内所有用户使用相同的频段和时隙，用户之间仅靠扩频码的（准）正交特性相互隔离。然而由于无线信道的多径、延时等原因使得各个用户信号间的互相关特性不理想，其它用户的信号对当前用户信号产生干扰，这类干扰被称为多址干扰（MAI）。这样，当小区中用户个数增加或者其它用户功率提升时都会增加对当前用户的干扰，导致当前用户的接收信号SIR下降，当这类干扰大到一定程度时，当前用户就不能正常通信了，因此CDMA系统是一个严重的干扰受限系统，干扰的大小直接影响到系统容量。解决这个问题主要有两个办法：多用户检测技术和功控技术。多用户检测技术充分考虑用户间存在的MAI，通过在接收端重构这些干扰，然后消除它的影响，提高性能，但由于其算法过于复杂，目前还没有进行商业应用。功控技术十分简单实用，被认为是CDMA系统的关键技术之一。功控技术调整每个用户的发射功率，补偿信道衰落、抵消远近效应，使各个用户维持在能保持正常通信的最低标准上，这样都能最大地减少对其他用户的干扰，从而提高系统容量，同时延长手机的待机时间。

功控技术的控制准则大致可分为两大类：功率平衡准则和SIR平衡准则。它们分别控制各个用户信号在接收端的有用功率相等或SIR相等。从而不同的角度，可以有不同的功控技术分类。按功控效果可分为内环功控和外环功控。内环功控主要用来对抗信道衰落和损耗，使得接收端信号SIR或功率达到特定的目标值；外环功控根据特定环境下的服务质量要求，产生内环功控的SIR或功率门限值。按链路可分为反向功控和前向功控，由于CDMA系统容量主要受反向链路容量限制，因此反向功控尤为重要。按功控的环路类型可分为开环和闭环功控，开环功控是基于上下行信道对称假设的，它能够抵消路径损耗和阴影衰落，闭环功控不需作此假设，它同时还能抵消快衰落。按功控实现的方式可分为集中式功控和分布式功控，集中式功控考虑小区内所有用户的信息（链路增益等），对每个用户进行统一的调整，这个算法复杂度高，难以实现，但算法的收敛特性好；分布式控制只根据单个用户信息产生控制指令，易于实现，但分布式算法需要满足一定的条件才能收敛。

1 WCDMA系统的功控技术方案

WCDMA系统同时采用了反向开环、闭环、外环功控技术和前向闭环、外环功控技术。鉴于反向闭环功控的重要性和篇幅所限，本文将主要针对反向闭环功控进行讨论，后面的仿真曲线也是基于反向闭环功控做出的。WCDMA系统闭环轼控主要由四部分构成：SIR估计、功控比特（TPC）产生、本地TPC判决和功率高速单元等，如图1所示。

SIR估计单元采用某种SIR估计算法对接收专用数据信道（DPDCH）的SIR进行估计，然后将估计值送给TPC产生单元。WCDMA协议并没有规定SIR估计的算法，主要有两种算法：相干SIR估计和非相干SIR估计，后面将分析这两种方法的性能差异。另外，限制SIR估计精度的另一主要因素是SIR估计的长度，即可以用来估计样本数的多少，对于非相干估计样本数较多、相干估计样本数较少，它主要受前、反向功控的定时关系限制。TPC产生单元将SIR估计值SIResti和外环功控所产生的SIR参考门限SIRtarget相减，根据其差值的符号，即sign(SIResti-SIRtarget)，产生TPC比特。TPC判决单元根据本地接收的TPC比特重新生成本地TPC命令送给功控调整单元，用于调整前向或反向信道的发射功率。文献给出了WCDMA系统本地TPC命令生成的几种算法，其中在非宏分集状态下有两种算法。

    算法一，针对当前的隙接收到的TPC指令，每个时隙产生一个TPC_cmd。

如果接收到的TPC命令等于0，那么该时隙的TPC_cmd为-1。

如果接收到的TPC命令等于1，那么该时隙的TPC_cmd为1。

算法二，在5个时隙中的前4个时隙，TPC_cmd=0,即不改变发送功率。在第5个时隙，对收到的5个TPC命令采用如下硬判决：

如果所有5个TPC命令的硬件判决都为1，那么第5个时隙的TPC_cmd=1

如果所有5个TPC命令的硬判决都为0，那么第5个时隙的TPC_cmd=-1

否则，在第5个时隙的TPC_cmd=0。

可以看到算法一在每个时隙都产生一次功控命令（±1），功率调整的频率为1.5kHz。算法二每5个时隙产生一次功控命令（±1），功率调整的最快频率为300Hz，它具有近0.2dB(1dB/5)功控步长的性能。算法二还具有防止功控误调的功能，当接收的功控比特交换±1时，产生的功控命令始终为0，从而不进行功率调整。功率调整单元在前一次发射功率p[k-1]基础上，根据当前第k个TPC命令按照如下公式调整当前发射功率p[k][dB]:

p[k]=p[k-1]+β.TPC_cmd （1）

其中，β为功控步长，WCDMA系统采用固定步长，前向功控采用0.5、1、1.5或2db四种步长，反向功控采用1或2dB两种步长，而TPC_cmd就是本地产生的TPC命令。

WCDMA标准规定功控速率为1.5kHz，即一个时隙内必须完成一次闭环功率调整，这就要求上述功控所有操作要在一定时间内完成。文献图B.1列出了WCDMA功控定时关系，经分析得出可用于SIR估计的时间为：

TSIR=2560+Tdata1-1024-2×Tprop-Tprocess (2)

Tprocess为接收机处理延时，2×Tprop是双程路径延时，而处理延时一般等于总路径延时，若忽略data1数据处理延时Tdata1,得出SIR估计时间大致为：

TSIR=1536-4×Tprop （3）

当单程延时Tprop≥384chips，对应小区半径大于30km时，基站没有时间在当前的时隙完成SIR估计并发送功控比特。此时必须 延时一个时隙进行SIR估计并发送功控比特。此时必须采用延时一个时隙进行SIR估计的750Hz功控方案。

2 WCDMA系统的功控性能仿真

本节将通过计算机仿真的方法，说明SIR估计方法、估计精度、步长选择、功控比特传输错误以及功控比特时延等主要因素对功控性能的影响，给出反向闭环功控的仿真曲线并对结果做出一定的分析和解释。

首先分析SIR估计的两种方法，相干估计和非相干估计的原理。对于相干估计，由于导频信号已知，假设导频序列数值固定为1，则接收信号y(i)近似为一个高斯平稳随机过程，可以用其时间平均代替集平均。假设接收信号y(i)的N个采样点为{y1,y2,y3,…，yn},则接收信号功率、哭声功率和信干比估计值可分别表示如下：

当采用非相干估计时，处理的数据不再是已知的导频信号，而是数据信道上的数据，其数值未知。可以采用如下方法进行信干比的估计：

    当相干估计和非相干估计具有相同的估计样本数目的，相干估计的性能要优于非相干估计。从上一节的定时约束分析可知，相干估计的样本数受小区半径等因素的限制，而样本数太少时相干估计的性能恶化很严重。而非相干估计虽然能够获得较多的估计样本，但它的性能也受很多因素的制约，文献详细研究了非相干估计算法的问题，并得出相干SIR估计算法在多数情况下具有比非相干估计更为优良的性能，后面的仿真结果也会说明这个问题。

闭环功率控制的目标是把接收信号的实际信干比控制在目标值上，因此衡量算法性能的最直接的方法就是考察实际信干比与目标信干比的一臻性，为此定义功控误差（PCE）如下：

PCE=SIResti-SIRtanget (10)

用其衡量各个功控算法性能的好坏。文献证明了在理想功控情况下，PCE的对数值呈正态分布，其均值为零，而均方差的大小反映了功控算法的优劣，均方差越小功控算法越好。

图2给出相干估计情况、不同车速条件、不同功控调节步长的PCE性能。可以看到，在低速情况下，1dB步长的算法比较好，算法二次之，而中速情况下2dB步长的算法比较好，高速情况下三者的性能都比较差。图2中也给出了没有功控时的PCE均方差，在车速80km/h以下，功控能够带来好处，而在这个车速以上，从PCE的角度来看，功控就不能带来增益了。由此可以得出，在固定步长算法中，低速时采用1dB步长，中速时采用2dB或1db步长，而高速时虽然不能补偿快衰落，但考虑到补偿路径损耗和减少对其他用户的影响，此时应采用算法二进行慢速功率调整。

图3给出了非相干估计时不同车速条件下不同功控调节步长的PCE性能。这里非相干估计的长度为整个时隙，所以采用了延时一个时隙进行功控的方法。为了进行比较，也画出了同样估计长度，但是没有延时的非相干估计的性能。可以看出：在采用非相干估计方法时，车速与最佳步长之间的关系和采用相干估计方法时类似。值得注意的是，仅在低车速20km/h左右时，PCE的性能就比关闭功控时差，而在采用相干估计方法时，这个临界车速达到了80km/h以上。由此，可以得出结论：非相干估计算法的性能差于相干估计。因此，后面的仿真都采用相干SIR估计算法。

    从以上的仿真结果可以看出：不同车速条件下，若想功率控制性能最优，需要不同的调整步长。因此为了提高功控的性能，一个很自然的想法就是通过估计车速选择对应该车速下最优的功控步长进行功控。文献讨论了这方面的问题，仿真了构造新变量，电平通过率和盲估计变步长等算法，能取得一定的性能增益。

图4给出了不同车速条件下SIR估计长度对功控性能的影响。显然，相干估计长度越大，性能越好。由图4可见，估计长度在3～5 pilot bits,即768～1280chips的情况下，功控的性能差异不大；如果估计长度只有2bits，即512chips时，性能变化比较大；若只有1bits，即256chips的估计长度，性能劣化很厉害，甚至不如关闭功控时的性能。从图4中还可以看到，若小区半径太大，在一个时隙内不可能完成SIR相干估计和一次闭环功率调整，这时可以降低功控频率。这样虽然功率调整有一个时隙延时，但是由此获得的高精度SIR估计可以在一定程序上抵消延时带来的性能损失。从图4中可看到，这种方案与没延时、估计长度512chips时性能差不多。所以，当小区半径较小时，应采用1.5kHz功控方案且采用尽可能长的SIR估计长度，当小区半径较大且移动台在小区边缘时，可以采用750Hz功控方案。

另外，功控比特延时带来的性能损失也可以采用延时补偿（TDC）方法进行补偿，文献详细研究了这个问题。这里给出一点有用结论。在功控延时一个时隙的情况下，中低车速时，功控比特延时带来的影响并不大，高车速时影响比较明显，这是因为在高车速时750Hz功控频率已经不能跟踪快速信道变化，但此时应该还能补偿路径损耗。因此，当需采用750Hz功控方案时，若移动台处于高速运动状态，此时最好用算法二进进慢速功率调整。

    图5给出了3km/h，三径衰落信道时，TPC传输错误率从0.001～0.1情况下的误传输块率（BLER）性能。从图5中可以看到，TPC错误率较低，例如0.01以下时，性能并没有明显的劣化，而若TPC错误率不断上升，例如达到0.1时，性能将劣化0.3～0.5dB。若考虑典型情况，即前向链路的误符号率为0.05时，可以看到，性能劣化较大，达0.2dB左右，此时前向链路质量已经对反向闭环功控性能产生较大影响。由此可见，闭环功控的性能要同时受两个链路影响，改善某条链路的性能会给另一条链路带来增益，反之亦然。

3 WCDMA系统功控的FPGA实现

在上一节仿真了影响功控性能几个主要因素，为设计WCDMA系统控制方案提供了有益的帮助。根据前面的仿真结构笔者选择了合理的参数，设计出了基于FPGA平台的WCDMA系统前向、反向闭环功控模块。本设计采用Verilog代码作硬件描述语言，采用Cadence公司的NC-SIM仿真器进行验证，最后采用Xilinx公司ISE6.1i集成环境进行综合布线，下载到Xilinx公司Virtex II-6000E系列FPGA器件平台，实现了WCDMA系统反向和前向链路的闭环功控功能。本设计在WCDMA系统移动台和基站的联调测试中验证了设计的正确性，在进行语音和数据通信时都能很好地控制前反向链路的发送功率，同时本设计还和Anritsu公司WCDMA信令测试仪MD8480B进行了联合调试，也验证了设计功能的正确性。