【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 （五 ） 自適應(yīng)天線 從本質(zhì)上說(shuō)，智能天線技術(shù)是雷達(dá)系統(tǒng)自適應(yīng)天線陣在通信系統(tǒng)中的新應(yīng)用。由于其體積及計(jì)算復(fù)雜性的限制，目前僅適應(yīng)于在基站系統(tǒng)中的應(yīng)用。智能天線技術(shù)用于 CDMA 系統(tǒng)是比較合適的，能夠起到在較大程度上抑制多用戶干擾，從而提高系統(tǒng)容量的作用。困難在于由于存在多徑效應(yīng)，每個(gè)天線均需要 Rake 接收機(jī)，從而使基帶處理單元復(fù)雜度明顯提高。 （六） PN 碼技術(shù) 在通信理論中，所謂白噪聲是一種隨機(jī)過程，它的瞬間值是服從正態(tài)分布的，其功率譜在極寬范圍內(nèi)是均勻的。如果擴(kuò)頻后的信號(hào)具有白噪聲性能是自然理想的，然而產(chǎn)生和 復(fù)制白噪聲是不現(xiàn)實(shí)的。 第二節(jié) CDMA 通信系統(tǒng)的功率控制技術(shù)原理分析 一、功率控制的作用 功率控制技術(shù)在蜂窩移動(dòng)通信中得到廣泛的應(yīng)用。在 FDMA 和 TDMA 系統(tǒng)中功率控制 7 的必要性在于同信道干擾的管理。通過適當(dāng)?shù)墓β收{(diào)整減小同信道干擾的有害作用，就可以進(jìn)行更高密度的復(fù)用，提高了系統(tǒng)容量。 CDMA 移動(dòng)通信系統(tǒng)是蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中的一種，又由于 CDMA 系統(tǒng)具有典型的軟容量、容量受干擾限制的特點(diǎn)，因而功率控制技術(shù)在 CDMA系統(tǒng)中尤為重要。 功率控制技術(shù)是一種優(yōu)化技術(shù)，優(yōu)化目標(biāo)是在滿足每一個(gè)用戶通信質(zhì)量的前提 下，盡可能減少每一個(gè)用戶的發(fā)射功率，從而減小多址干擾，同時(shí)還可以有效地克服遠(yuǎn)近效應(yīng)和角效應(yīng)的影響，最終增加系統(tǒng)容量。 對(duì)于下行鏈路而言，功率控制是減小基站發(fā)射功率；對(duì)于上行鏈路來(lái)說(shuō)，功率控制是調(diào)整移動(dòng)臺(tái)發(fā)射功率，使到達(dá)基站的功率達(dá)到指定水平 (基于接收信號(hào)強(qiáng)度 )或者使接收端測(cè)量的信 SIR 達(dá)到指定水平 (基于信干比平衡 )。 從另一個(gè)角度講，由于 CDMA 系統(tǒng)是一個(gè)功率正反饋系統(tǒng)，從而降低系統(tǒng)內(nèi)的干擾水平，就可最大化系統(tǒng)的容量和最優(yōu)化系統(tǒng)的性能。對(duì)于移動(dòng)臺(tái)來(lái)說(shuō)，還能延長(zhǎng)手機(jī)的待機(jī)時(shí)間。 二、功率控制的必要性 CDMA 系統(tǒng)是一種干擾受限系統(tǒng)，由于所有的移動(dòng)臺(tái)在相同的頻段傳送信號(hào)，因此系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)在干擾在決定系統(tǒng)容量和話音質(zhì)量方面起到了關(guān)鍵作用。必須對(duì)來(lái)自每個(gè)移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率進(jìn)行控制，使得干擾受到限制；與此同時(shí)，功率電平值必須足夠使話音質(zhì)量達(dá)到比較滿意的程度。 當(dāng)移動(dòng)臺(tái)到處移動(dòng)時(shí)，由于快衰落，陰影效應(yīng)，慢衰落，外部干擾和其他因素造成了處于不斷變化中。功率控制的目標(biāo)是在所有條件下保持鏈路質(zhì)量的同時(shí)，限制上行和下行鏈路的發(fā)射功率。然而由于基站的非相干檢測(cè)，在上行鏈路干擾比下行鏈路的干擾嚴(yán)重得多。所以，對(duì) CDMA 系統(tǒng)來(lái)說(shuō)上行 鏈路功率控制是非常必要的，并且根據(jù) IS95 的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制實(shí)行。 為解決遠(yuǎn)近效應(yīng)，在 CDMA 系統(tǒng)中同樣需要功率控制。為了使得遠(yuǎn)近效應(yīng)問題減到最低程度，同時(shí)確保所有的移動(dòng)臺(tái)在基站達(dá)到相同接收功率電平。接收功率電平的目標(biāo)值必須使鏈路能夠滿足用于定義的性能指標(biāo) （ BER， FER，容量，掉話率和覆蓋）的最小電平值即門限制。為了實(shí)施這樣的策略，靠近基站的移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率比遠(yuǎn)離基站的移動(dòng)臺(tái)發(fā)射小。 在 CDMA 系統(tǒng)中話音質(zhì)量性能按照 FER 來(lái)度量。話音質(zhì)量與上行和下行鏈路的誤幀率有關(guān)。 FER 與導(dǎo)頻信干比有很大程度的關(guān)聯(lián)，同時(shí)， FER 還取決本地傳播條件，車輛的速度。為了確保更優(yōu)化的信號(hào)質(zhì)量，只保持導(dǎo)頻信干比的值是不充分的，同時(shí)還需要對(duì)特定的 FER 8 做出響應(yīng)。 三、功率控制的基本依據(jù) 鏈路級(jí)功率控制中有如下三種功率控制測(cè)量依據(jù)：信號(hào)強(qiáng)度，信噪比，誤碼率。 基于信號(hào)強(qiáng)度的功率控制算法是測(cè)量從移動(dòng)用戶到達(dá)基站的信號(hào)的強(qiáng)度，用它和所期望的信號(hào)強(qiáng)度即門限值去進(jìn)行比較，看被測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度是高還是低了，從而得出功率控制命令去相應(yīng)地調(diào)整移動(dòng)用戶的功率的高低。 基于信噪比 SIR 平衡準(zhǔn)則是指在接收端接收到的有用信號(hào)比干擾之比相等為功率控制準(zhǔn)則，對(duì)于上行鏈 路 SIR 平衡的目標(biāo)是使各個(gè)移動(dòng)臺(tái)到達(dá)基站的信號(hào)干擾比相等；對(duì)于下行鏈路， SIR 平衡的目標(biāo)是使各個(gè)移動(dòng)臺(tái)接收到的基站的信號(hào)干擾比相等。 SIR 為參數(shù)的功率控制算法能很好的反應(yīng)系統(tǒng)的性能，如 Qos 和系統(tǒng)容量。然而， SIR 算法存在一個(gè)潛在的很嚴(yán)重的正反饋導(dǎo)致危及系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。當(dāng)一個(gè)移動(dòng)用戶收到基站的要求提高發(fā)射功率的命令后，就按指令提高它的發(fā)射功率以達(dá)到系統(tǒng)要求的 SIR 值，但是，它的功率的提高也同時(shí)增加對(duì)系統(tǒng)中其他用戶的干擾，導(dǎo)致其他用戶也不得不提高發(fā)射功率，從而如此導(dǎo)致循環(huán)式的整個(gè)系統(tǒng)的功率達(dá)到最大的極限值， 這就嚴(yán)重危害了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 基于誤碼率 BER 為參數(shù)的功率控制算法，誤碼率是平均錯(cuò)比特?cái)?shù)與原信息序列的比特?cái)?shù)的比值。若干擾信號(hào)和信息信號(hào)的功率保持不變，那么 BER 與 SIR 的作用則是相同的。這樣一來(lái)，使用 BER 比使用 SIR 的性能更好。因?yàn)閷?shí)際通信系統(tǒng)中均使用信道編碼，因此功率控制算法也可以使用誤幀率 FER。 第三節(jié) 功率控制技術(shù)的分類 從不同角度來(lái)考慮有不同的功率控制方法，比如若從通信的上、下行鏈路角度來(lái)考慮， 一般可分為反向功率控制與前向功率控制；若從實(shí)現(xiàn)功控的方式則可劃分為：集中式功率控 制與分布式功率控制：還可以從功控環(huán)路的類型來(lái)劃分，又可分為開環(huán)功控與閉環(huán)功控。功率控制多種分類 [11]如圖 ： 9 一、反向功率控制與前向功率控制 功率控制技術(shù)其中最常用的分類就是反向功率控制（從移動(dòng)用戶到基站）和前向功率控制（從基站移動(dòng)用戶）。 （一） 反向功率控制 即 上行鏈路的功率控制。它是功率控制的核心它是用來(lái)控制移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率，使基站接收到的所有移動(dòng)臺(tái)發(fā)射到基站的信號(hào)功率或 SIR 基本相等。 反向功控使各用戶之間相互干擾最小，并能達(dá)到克服“遠(yuǎn)近效應(yīng)”的目的。反向功控可使每個(gè)移動(dòng)臺(tái)發(fā)射功率最合理，延長(zhǎng)移動(dòng)臺(tái)電池使用壽命。反向功率控制原理如圖 ： 基站發(fā)射機(jī) 前向鏈路 移動(dòng)臺(tái)接收機(jī)估算損耗 移動(dòng)臺(tái)發(fā)射機(jī) 反向鏈路 基站接收機(jī) 調(diào)整發(fā)射功率 發(fā)射導(dǎo)頻信號(hào) 圖 反向功控原理圖 接收導(dǎo)頻信號(hào) 反向鏈路功率控制 前向鏈路功率控制 功率控制算法 連續(xù)功率控制 離散功率控制 集中式功率控制 分布式功率控制 基于強(qiáng)度的功率控制 基于信干比的功率控制 基于誤比特率的功率控制 閉環(huán)功率控制 開環(huán)功率控制 開環(huán) 閉環(huán)混合功率控制 固定步長(zhǎng)功率控制 自適應(yīng)步長(zhǎng)功率控制 圖 功率控制的分類 10 CDMA 系統(tǒng)的通信質(zhì)量和容量主要取決于收到的干擾的大小。若基站接收到移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)太低，則誤碼率太大而無(wú)法保證質(zhì)量通信。 反之，若基站接收到某一移動(dòng)臺(tái)功率太高，雖 然保證了該移動(dòng)臺(tái)與基站間的質(zhì)量，卻對(duì)其它移動(dòng)臺(tái)增加了干擾，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)質(zhì)量惡化和容量的減小，只要當(dāng)每個(gè)移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率控制到基站所需信噪比的最小值時(shí)，通信系統(tǒng)的容量才能達(dá)到最大值。 上行鏈路功率控制就是控制各個(gè)移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率的大小，它可分為開環(huán)功率控制和閉環(huán)功率控制。上行鏈路開環(huán)功率控制亦稱為反向鏈路開環(huán)功率控制，稱為反向開環(huán)功率控制。其前提條件是假設(shè)上行與下行傳輸損耗相同，移動(dòng)臺(tái)接收并測(cè)量基站發(fā)來(lái)的信號(hào)強(qiáng)度，并估計(jì)下行傳輸損耗，然后根據(jù)這種估計(jì)，移動(dòng)臺(tái)自行調(diào)整其發(fā)射功率，即接收信號(hào)增強(qiáng)，就降低其發(fā)射功率 ；接收信號(hào)減弱，就增加其發(fā)射功率。開環(huán)功率控制的響應(yīng)約毫秒級(jí)，控制動(dòng)態(tài)范圍約有幾十分貝。 開環(huán)功率控制的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，不需要在移動(dòng)臺(tái)和基站之間交換信息，不僅速度快且節(jié)省開銷。它對(duì)于慢衰落是比較有效的，即對(duì)車載移動(dòng)臺(tái)快速駛?cè)敫叽蠼ㄖ镎诒螀^(qū)所引起的衰落，通過開環(huán)功率控制可以減小慢衰落影響。 閉環(huán)功率控制即由基站檢測(cè)來(lái)自移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)強(qiáng)度或信噪比，根據(jù)測(cè)的結(jié)果與預(yù)定的標(biāo)準(zhǔn)值相比較，形成功率調(diào)整指令，通知移動(dòng)臺(tái)調(diào)整其發(fā)射功率，調(diào)整階距為 。一般這種功率調(diào)整指令每 1ms 發(fā)送一次。上行鏈路功率控制有效的解決了 遠(yuǎn)近效應(yīng)問題，是各移動(dòng)臺(tái)發(fā)出的信號(hào)到達(dá)基站的功率電平幾乎相等，即達(dá)到保證通信質(zhì)量要求的信噪比的門限值，又可以最大限度的減少多址干擾。 （二） 前向功率控制 是指下行鏈路的功率控制。它是用來(lái)控制基站發(fā)射功率的，使所有移動(dòng)臺(tái)接收到的信號(hào)功率相等或 SIR 基本相等。若基站采用同步 CDMA，并且選用完全正交擴(kuò)頻碼，理想情況下基站發(fā)射給每個(gè)移動(dòng)臺(tái)擴(kuò)頻信號(hào)如果是完全正交，則移動(dòng)臺(tái)間干擾就不存在。因此在單小區(qū)同步碼分時(shí)，前向功控可以不予考慮。實(shí)際上，信道是時(shí)變多徑衰落存在的，理想同步是很難達(dá)到，尤其是在多小區(qū)條件下，所以此時(shí)前向功 率控制是有必要的。前向功控可使基站平均發(fā)射功率最小，減小對(duì)鄰近小區(qū)干擾，同時(shí)克服“角效應(yīng)”。 正向鏈路也稱為下行鏈路，它是調(diào)整基站向移動(dòng)臺(tái)發(fā)射的功率。任一移動(dòng)臺(tái)無(wú)論處于小區(qū)的哪個(gè)位置上，收到基站發(fā)來(lái)的信號(hào)電平都恰好達(dá)到 SIR 所要求的門限值，這樣就可以避免基站向近處的移動(dòng)臺(tái)發(fā)射功率太大，同時(shí)防止或者減小移動(dòng)臺(tái)進(jìn)入傳輸條件惡劣或背景干 11 擾過強(qiáng)的地區(qū)發(fā)生 BER 增大或 Qos 下降的現(xiàn)象。 下行功率控制方法與上行功率控制相類似，下行功率控制由移動(dòng)臺(tái)檢測(cè)基站發(fā)來(lái)的信號(hào)的強(qiáng)度，并不斷的比較信號(hào)電平和干擾電平的比值。若此值小于 預(yù)設(shè)的門限值，移動(dòng)臺(tái)就會(huì)向基站發(fā)出增加功率的請(qǐng)求?；臼盏秸{(diào)整功率的請(qǐng)求后，按 的步長(zhǎng)調(diào)整階距改變相應(yīng)的發(fā)射功率。最大的調(diào)整范圍 6dB，上述的下行功率控制是屬于閉環(huán)方式。它可采用開環(huán)功率控制方式，就是由基站去檢測(cè)移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)強(qiáng)度，然后估計(jì)反向傳輸?shù)膿p耗并相應(yīng)調(diào)整該移動(dòng)臺(tái)的功率。 二、集中式功控與分布式功控 （一） 集中式功率控制 集中式功率控制是指在基站進(jìn)行功控，它根據(jù)接收端接收到的信號(hào)功率和鏈路增益來(lái)調(diào)整發(fā)射端的發(fā)射功率，以使接收端收到的 SIR 相等。集中式功控最大的難點(diǎn)是要求系統(tǒng)在每一個(gè)時(shí)刻 (時(shí) 間間隔內(nèi) )獲得一個(gè)歸一化的鏈路增益矩陣，這在一個(gè)用戶較多的小區(qū)中是難以實(shí)現(xiàn)和難以得到的。 (二） 分布式功率控制 分布式功率控制是在移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行功率控制，以使得在接收端接收到的 SIR 相等。分布式功控算法首先是在窄帶蜂窩系統(tǒng)中提出并通過迭代方式近似地實(shí)現(xiàn)最佳功控，而在迭代過程中只需各個(gè)鏈路上即刻接收到的 SIR，即使估計(jì)的 SIR 有誤差，分布式 SIR 平衡算法仍然是一種有效算法。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，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 水準(zhǔn)， 若估計(jì)誤差較小，分布式算法仍然有效，然而隨著誤差的增大，性能將很快地下降。 三、 開環(huán)功率控制與閉環(huán)功率控制 （一） 開環(huán)功控 開環(huán)功控 (Open Loop Power Control， OLPC)建立在上行鏈路與下行鏈路具有相同的通信環(huán)境情況之上，假定具有一致的信道衰落。 用戶終端根據(jù)它接收到的基站發(fā)射功率，用其內(nèi)置的 DSP 數(shù)據(jù)信號(hào)處理器計(jì)算 Eb/Io，進(jìn)而估算出下行鏈路的損耗以調(diào)整自己的發(fā)射功率。開環(huán)功率控制的主要特點(diǎn)是不需要反饋信息，因此在無(wú)線信道突然變化時(shí)，它可以快速響應(yīng) 12 變化，此外，它可以對(duì)功率進(jìn)行較大 范圍的調(diào)整。開環(huán)功率控制不夠精確，這是因?yàn)殚_環(huán)功控的衰落估計(jì)準(zhǔn)確度是建立在上行鏈路和下行鏈路具有一致的衰落情況下的，但是由于頻率雙工 FDD 模式中，上下行鏈路的頻段相差 190MHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)的相關(guān)帶寬，所以上行和下行鏈路的信道衰落情況是完全不相關(guān)的，這導(dǎo)致開環(huán)功率控制的準(zhǔn)確度不會(huì)很高，只能起到粗略控制的作用。 WCDMA 協(xié)議中要求開環(huán)功率控制的控制方差在 10dB 內(nèi)就可以接受 。原理如圖 ： 圖 開環(huán)功率控制原理圖 移動(dòng)臺(tái) (或基站 )根據(jù)下行鏈 路接收到的信號(hào)質(zhì)量，對(duì)信道衰落情況進(jìn)行估計(jì)。當(dāng)移動(dòng)臺(tái) (或基站 )接收到的信號(hào)很強(qiáng)時(shí)，表明移動(dòng)臺(tái)與基站之間距離很近，或者是有一個(gè)很好的傳播路徑，這時(shí)移動(dòng)臺(tái) (或基站 )可以降低它的發(fā)射功率；相反，就增加發(fā)射功率抵消信道衰落。 因此開環(huán)功控主要是針對(duì)慢衰落的，它的控制精度受到信道不對(duì)稱的影響，只能起到粗控的作用。然而對(duì)于 CDMA／ TDD，即時(shí)分雙向雙工的體制中，上、下行鏈路處于同一頻段不同時(shí)隙，這時(shí)信道上、下行基本上是對(duì)稱的，開環(huán)功控可以達(dá)到相當(dāng)高的精度要求。 （二） 閉環(huán)功率控制 閉環(huán)功控一般是指基站根據(jù)在上行鏈路 上接收到的移動(dòng)臺(tái)信號(hào)的強(qiáng)弱，從而產(chǎn)生功率控制命令。它由基站通過前向下行鏈路將基站功控命令傳送給各個(gè)移動(dòng)臺(tái)，移動(dòng)臺(tái)根據(jù)此命令在開環(huán)所選擇發(fā)射功率的基礎(chǔ)上，上升或下降一個(gè)固定的量，以保持基站接收到的 SIR 基本相等。 閉環(huán)功控的主要優(yōu)點(diǎn)是控制精度比較高，可以起到實(shí)際功控系統(tǒng)中的精控作用。然而，它的缺點(diǎn)是從基站發(fā)出控制命令到移動(dòng)臺(tái)執(zhí)行命令改變發(fā)射功率時(shí)會(huì)產(chǎn)生時(shí)延，時(shí)延上升則功控性能將嚴(yán)重下降，所以這種“乒乓”式功率控制有穩(wěn)定性差、時(shí)延大、過調(diào)量大等缺點(diǎn)。 信 道 編碼 速率匹配 交織 擴(kuò)頻 功率 放大器 接收功率幅度測(cè)量 擴(kuò) 頻 功率放大器 信號(hào)發(fā)射 接收器 噪聲 +干擾 發(fā)射信號(hào) 導(dǎo)頻信道 數(shù)據(jù) 13 為