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0 前言
随着WCDMA系统商业化步伐的不断推进和WCDMA网络的各种设备测试的持续深入,WCDMA网络建设已提上日程｡运营商在3G牌照发放之前,已积极准备在一些主要地区进行WCDMA的网络规划工作｡
在WCDMA系统中,功率是重要的无线资源之一,功率管理是无线资源管理中非常重要的一个环节｡
从保证无线链路可靠性的角度考虑,提高基站和终端的发射功率能够改善用户的服务质量;而从自干扰的角度考虑,由于WCDMA采用了宽带扩频技术,所有用户共享相同的频谱,每个用户的信号能量被分配在整个频带范围内,而各用户的扩频码之间的正交性是非理想的,这样一来,某个用户对其他用户来说就成为宽带噪声,发射功率的提高会导致其他用户通信质量的降低｡因此,在WCDMA系统中功率的使用是矛盾的,发射功率的大小将直接影响到系统的总容量｡
此外,在WCDMA系统中还受到远近效应､角效应和路径损耗的影响｡上行链路中,由于各移动台与基站的距离不同,基站接收到较近移动台的信号衰减较小,接收到较远移动台的信号衰减较大,如果不采用功率控制,将导致强信号掩盖弱信号,这种远近效应使得部分用户无法正常通信｡在下行链路中,当移动台处于相邻小区的交界处时,收到所属基站的有用信号很小,同时还会受到相邻小区基站的干扰,这就是角效应｡无线电波在传播中经常会受到阴影效应的影响,移动台在小区内的位置是随机的,且经常移动,所以路径损耗会快速大幅度地变化,必须实时调整发射功率,才能保证所有用户的通信质量｡
功率控制通过对基站和移动台发射功率的限制和优化,使得所有用户终端的信号到达接收机时具有相同的功率,可以克服远近效应和角效应,补偿衰落,提高系统容量,因此,功率控制技术是WCDMA系统中最为重要的关键技术之一｡
功控参数的设置对功率控制的效果有着巨大的影响,为了提高系统的容量和服务质量,精确的功率控制是必不可少的｡精确的功率控制能够快速实时地跟踪无线环境的变化,使得每个用户发射的功率在满足解调时所需Eb/N0的基础上尽可能地小,即它实现了每个移动台在满足通信质量的同时能发射最小功率的目标｡在功率控制中需要考虑系统负载的变化､信道状态的快速和慢速变化以及信道的衰落问题等｡为了做好WCDMA系统的规划与优化,下面将讨论WCDMA的功率控制参数对系统设计的影响｡
1 功率控制分类
1.1 前向功控和反向功控
按照通信的上下行链路方向,功率控制可以分为前向功控和反向功控｡
前向功控用来控制基站的发射功率,使所有移动台能够有足够的功率正确接收信号,在满足要求的情况下,基站的发射功率应尽可能地小,以减少对相邻小区间的干扰,克服角效应｡
前向链路公共信道的传输功率是由网络决定的｡
反向功控用来控制每一个移动台的发射功率,使所有移动台在基站端接收的信号功率或SIR基本相等,达到克服远近效应的目的｡
1.2 开环功控和闭环功控
按照形成环路的方式,功率控制可以分为开环功控和闭环功控｡
开环功控是指移动台和基站间不需要交互信息而根据接收信号的好坏减少或增加功率的方法｡一般用于在建立初始连接时,进行比较粗略的功率控制,开环功控目标值的调整速度典型值为10~100 Hz｡开环功控是建立在上下行链路具有一致的信道衰落的基础之上的,然而WCDMA系统是频分双工(FDD)的,上下行链路占用的频带相差190 MHz,远远大于信道的相关带宽,因此上下行链路的衰落情况是不相关的｡所以,开环功控的控制精度受到信道不对称的影响,只能起粗控的作用｡
前向链路的开环功控是在对终端上行链路的测量报告的基础上设定下行链路信道的初始功率｡
反向链路的开环功控主要应用于终端,但需要知道小区广播的一些控制参数和终端接收到主公共导频信道(P-CPICH)的功率｡
闭环功控是指移动台和基站之间需要交互信息而采用的功率控制方法｡前向闭环功控中,基站根据移动台的请求及网络状况决定增加或减少功率;反向闭环功控中,移动台根据基站的功率控制指令增加或减少功率｡闭环功控的主要优点是控制精度高,也是实际系统中常采用的精控手段｡其缺点是从控制命令的发出到改变功率,存在着时延,当时延上升时,功控性能将严重下降｡同时还存在稳态误差大､占用系统资源等缺点｡为了发挥闭环功控的优点,克服它的缺点,可以采用自适应功控､自适应模糊功控等各种改进性措施和实现算法｡
1.3 内环功控和外环功控
按照功率控制的目的,功率控制可以分为内环功控和外环功控｡
外环功控的目的是保证通信质量在一定的标准上,而此标准的提出是为了给内环功率控制提供足够高的信噪比要求｡具体实现过程是根据统计接收数据的误块率(BLER),为内环功控提供目标SIR,而目标SIR是同业务的数据速率相关联的｡外环功控的速度比较缓慢,因此外环功控又称为慢速功控,一般是每10～100 ms调整一次｡
内环功控用来补偿由于多径效应引起的衰落,使接收到的SIR值达到由外环功控提供的目标SIR值｡同外环功控相比,内环功控的速度一般较快,WCDMA系统为1 500 Hz,因此内环功控又称为快速功控｡
1.4 集中式功控和分布式功控
按照实现功率控制的方式,功率控制可以分为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｡
集中式功控根据接收到的信号功率和链路预算来调整发射端的功率,以使接收端的SIR基本相等｡其最大的难点是要求系统在每一时刻获得一个归一化的链路增益矩阵,这在用户较多的小区内是较难实现的｡
分布式功控首先是在窄带蜂窝系统中提出来的,它通过迭代的方式近似地实现最佳功控,而在迭代的过程中只需各个链路的SIR即可｡即使对SIR的估计有误差,分布式平衡算法仍是一种有效的算法｡对于WCDMA系统,当不考虑SIR估计误差时,分布算法非常有效,但是当SIR估计存在误差时,分布式SIR平衡算法有可能不再收敛于一个平衡SIR｡随SIR误差的增加,系统的性能很快下降｡
2 WCDMA系统的功控参数设置
为了定量考察功率控制性能的好坏,需要考虑功率控制误差(PCE)的均方差､BLER和发射功率3个主要参数指标｡
PCE=RSIR-TSIR
式中:
RSIR——SIR的估计值
TSIR——外环功率控制所产生的SIR目标值
PCE反映了实际SIR与目标SIR的一致性｡在理想功率控制情况下,PCE的对数值呈正态分布,其均值为0,而PCE的均方差(STD_PCE)反映了功率控制性能的优劣｡显然,STD_PCE､BLER和发射功率越低说明功率控制性能越好｡
下面从前向功控和反向功控的角度分别讨论在不同运动速度条件下各个参数对系统性能的影响｡
2.1 前向功控参数设置
2.1.1 步长的设置
WCDMA的标准中前向功控可以支持0.5､1､1.5和2 dB四种步长,1 dB步长是基站必须要支持的｡为了获得较小的步长,WCDMA前向功控中,在功率控制模式(DPC_mode)为1时,移动台在3个时隙上重复相同的传输功率控制(TPC)比特｡
不同的运动速度下,步长的选择应有所不同｡相干估计下,低速运动时(小于50 km/h)步长为0.5 dB功控效果最好,中速运动时(50～120 km/h)步长为1.5 dB最好;非相干估计下,低速运动时步长为0.5 dB效果最好,中速运动时步长为1 dB相对好一些｡而在高速运动时(大于120 km/h),不论是相干估计还是非相干估计,各种步长差别不大,功控效果都明显下降｡
2.1.2 TPC差错的影响
在WCDMA 前向功控中,TPC指令在上行DPCCH信道中传输｡而上行DPCCH信道的信息没有经过信道编码,只是进行了扩频处理,易出现传输出错｡同时SIR估计出错也可以等效为TPC出错,同TPC传输错误相比,SIR估计的错误率明显更高一些｡
TPC 出错会导致基站功率的错调,严重影响系统的BLER和稳定性,这种情况在信道的信噪比较低时更可能遇见｡为了在接收端保持相同的BLER,外环将用保持一个较高的目标Eb/N0的方法来弥补功率控制的不稳定性｡表2给出了Eb/N0的目标值设定与TPC错误率之间的关系｡
当TPC错误率低于0.01时,对BLER影响不大,而TPC错误率一旦大于0.01,BLER快速增大,系统性能开始恶化,而且在速度比较高时,性能更差｡因此,在WCDMA系统中,为了尽量保证TPC指令的正确传输,DPCCH信道使用了上行最大扩频比256｡
2.1.3 TPC时延的影响
若小区半径比较大,或者接收机处理延时比较大,基站无法在一个时隙内完成SIR估计以及产生TPC指令｡在这种情况下,功率控制就必须有所延迟,即基站在第n个时隙对移动台第n-1个时隙的数据进行SIR估计,并让移动台在第n+1个时隙改变发射功率｡功率控制算法中对时延的要求非常苛刻,太大的时延将导致系统性能迅速恶化,尤其在运动速度比较高时｡
随着时延的增大和速度的提高,发射功率都必须随之相应增大,从而降低了系统的性能｡在低速时,信道变化较慢,即使存在时延,功率控制仍然能够跟上信道变化,因此时延对发射功率的影响不是很大｡但随着速度增加,信道变化加快,时延的存在使得反馈速度更加跟不上信道的变化,导致时延对发射功率的影响越来越大｡
2.2 反向功控参数设置
2.2.1 步长的设置
在反向功控中,可考虑1 dB和2 dB两种步长｡
对于给定的目标,最佳的反向链路功率控制的步长可以定义为:能产生最低目标信噪比的步长｡一个具有1 500 Hz的更新速率,1 dB的功率控制步长可以有效地跟踪典型的瑞利衰落信道频率为55 Hz(30 km/h)的多普勒频移｡若达到80 km/h或更高的速度,步长为2 dB的功率控制效果更好｡
1 dB和2 dB两种步长对PCE均方差值的影响｡
仿真结果表明:在相干估计和非相干估计下,低速时步长为1 dB功控效果更好,而中高速时步长为2 dB效果更好,且相干估计效果优于非相干估计,这与理论分析一致｡
2.2.2 TPC差错的影响
基站通过下行链路传输TPC指令来通知移动台增减发射功率｡
反向功控TPC错误率对BLER的影响与正向功控相类似,值得一提的是,在高速运动情况下,由于TPC的错误会导致其性能比不进行功率控制时还要低,因此高速运动时,可以考虑不进行功率控制以提高系统性能｡
2.2.3 TPC时延的影响
在反向功控中,由于只有在极端情况如基站小区半径大于96 km时,才有可能出现必须延时2个时隙的情况,因此只比较无TPC时延和TPC时延为1个时隙的情况｡
在中低速条件下,延时对发射功率的影响并不大,保持在0.2 dB之内,而这个差异在高速时就比较明显,可以达到0.3 dB以上｡这与理论分析是一致的,由于延时1个时隙,内环功控的频率仅为750 Hz,信道变化速率变快之后,性能损失将逐渐增加｡
2.2.4 SIR估计长度的设置
对SIR进行估计的比特长度直接反映了估计的精度,因此,SIR估计长度对功率控制的性能有重要的影响｡
在运动速度比较低时,SIR估计长度为2､3､4和5 bit,系统性能都比较理想;在速度较高时,系统性能都不太理想,尤其是估计长度为1和2 bit时的性能恶化很快｡因此,SIR估计长度应当取3 bit以上以保证系统性能｡
2.2.5 终端运动速度对目标Eb/N0的影响
闭环功控的目标信噪比依赖于需求服务必须满足的Eb/N0,而目标Eb/N0又依赖于终端的运动速度｡低速时,闭环功控效果较好,目标Eb/N0可以设定为一个较小的值;而在中高速时,功控将受到快衰落的影响,而且目标Eb/N0将会变化很快,如果小区支持高速率用户,在外环功控中设定一个较高的最大目标Eb/N0将是很重要的｡表3给出了一些根据终端运动速度确定目标Eb/N0的仿真结果｡
3 结束语
在同一个WCDMA网络中,许多用户都工作在同一频率,干扰是一个很严重的问题,而功率控制的作用就是在保证业务质量的情况下,将前向链路和反向链路的传输功率调整到所需的最小程度,从而提高系统的容量,改善系统的覆盖,因而功率控制是WCDMA系统设计中重要的关键技术之一｡
功率控制能够快速实时地跟踪无线环境､系统负载､信道状态以及小区内用户的运动速度等的变化,功率控制参数的设置对系统性能有很大的影响,而且在不同的条件下其影响也会有所差异｡在实际的WCDMA系统设计中,设计者应充分把握这一点,做好WCDMA的功率控制参数设置,以达到提高系统容量和服务质量的目的｡
----《邮电设计技术》
