3G移動通信中功率控制技術分析

摘 要:在第三代移動通信系統的各標準中都以CDMA技術作為基本技術，而CDMA系統本身是干擾受限系統，需要移動臺到達基站的信號強度及信噪比等盡可能最小，才能在最大程度上提高系統的容量及可靠性。要做到這些完全依賴于系統中多方式的功率控制技術。分析目前PHS，GSM系統中的功率要求，闡述在CDMA系統中的功率控制，針對其中的前向功率控制和反向功率控制技術，詳細分析其控制過程及優缺點，對于3G系統的設計具有一定參考意義。

關鍵詞:CDMA; 功率控制; 前向控制; 反向控制

中圖分類號:TN911 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)09-0081-03

Analysis of Power Control Technology Used in 3G Communication

WANG Xiao-xia， GENG Hai-cun， CHEN Yan-hong

(PLA Sergeant College of the Second Artilley， Qingzhou 262500， China)

Abstract: All the standards of the third generation mobile communication system are based on the CDMA technology， but the CDMA system is an interference limited system. Therefore， it needs least signal intensity and SNR from mobile station to the base station， so as to improve the capacity and reliability of the system to the full extent. To achieve these goals， it entirely depends on the multi-mode power control technology. The power requirement of the PHS and GSM systems is analyzed. The power control technology of the CDMA system is described. Its control process， advantages and disadvantages are analysed aiming at the forward and backward power control.

Keywords: CDMA; power control; forward control; backward control

0 引 言

在第三代移動通信技術中，最具代表性的方案有北美的CDMA2000、歐洲與日本的WCDMA及我國的TD-SCDMA。其中CDMA2000是在IS95(帶寬為1.23 MHz的2G CDMA)基礎上直接演進而來;WCDMA又稱寬帶CDMA，其帶寬為5 MHz或更高;TD-SCDMA又稱時分同步CDMA，其同步主要指所有終端用戶上行鏈路的信號在到達基站接收端的解調器時完全同步。以上三大標準均以CDMA為基礎技術。相比于帶寬受限的FDMA和TDMA系統，CDMA系統能夠提供足夠大的系統容量，其主要受限制于系統所受干擾，降低干擾可以直接增加系統的通信容量[1-2]。由于對CDMA系統采用同時同頻載波，控制各移動臺的功率就是實現最大容量的關鍵，可以通過功率控制技術將移動臺之間的干擾減到最小，實現信道的最大容量。

功率控制存在著兩面性:從功耗、干擾及電磁輻射方面考慮，其發射功率越小，手機的耗電量就越小，待機及通話時間越長，對同系統其他手機的干擾就越小，同時擴大了小區容量。此外手機發射功率越小，對其他無線設備干擾越小，對人體的輻射也就更小。另一方面，為了能保證通信質量又希望手機發射功率大些，如手機在小區的遠端時，為了保證手機信號經過長距離傳輸到達基站后，信號仍能被正確解調，需要發射功率要足夠大，以克服信號經過長距離傳輸的衰減;手機在被建筑物或其他遮擋的無線陰影區內，其發射功率也要足夠大，以克服手機信號經過多次的反射、折射及長距離傳輸的衰減;在干擾(鄰信道干擾、同信道干擾、阻塞等)比較大的情況下，發射功率也要足夠大以克服噪聲的干擾[3-5]。所以統一表述為:手機必須有足夠的發射功率以保證通信，在保證通信質量的前提下，其發射功率越小越好。

1 功率控制技術及分類

在目前使用的移動通信系統中，PHS(Personal Handyphone System)以其低廉的建設成本、簡單的協議標準等優勢興起一時。PHS在中國常被稱為小靈通，其應用微蜂窩技術，提供簡單低廉的協議標準，降低了手機制造成本，采用RCR-STD28標準規定發射平均功率小于等于10 mW，峰值功率小于等于80 mW，發射功率不可控。

在第二代移動通信GSM系統中規定，手機發射功率是可以被基站控制的。基站檢測接收信號的功率等級，通過下行SACCH信道發出命令控制手機的發射功率等級，相鄰功率等級相差2 dB，其移動臺功率等級及最大、最小功率如表1所示。

表1 GSM移動臺功率等級

Phase 1

GSM900Phase 2

GSM900Phase 1

DCS1800Phase 2

DCS1800PCS1900

Mobile Max Power8 W/39 dBm8 W/39 dBm1 W/30 dBm4 W/36 dBm2 W/33 dBm

Mobile Min Power20 mW/13 dBm3 mW/5 dBm1 mW/0 dBm1 mW/0 dBm1 mW/0 dBm

Mobile Power Control Steps0~152~190~130~150~15，30，31

GSM功率控制速率比較慢，對功率控制升降要求不是很精準，也不是很嚴格。此外，GSM對功率控制依賴程度也遠遠比CDMA系統低。而在CDMA技術為基礎的通信系統中，就完全離不開功率控制技術。CDMA本身是一個干擾受限系統，即干擾的大小直接影響系統容量。因此要控制干擾的大小，在不影響通信質量(QoS)的情況下，盡量使每個MS的信號到達BS時都達到最小所需的SIR，以提高系統的容量與可靠性。而功率控制可以控制SIR并有效地克服和抑制干擾，是改善與提高3G蜂窩移動通信系統可靠性的核心技術之一[6]。

通常從通信的上、下行鏈路角度考慮，功率控制分為前向功率控制和反向功率控制，前向功率控制是根據移動臺測量報告，基站調整對移動臺的發射功率。反向功率控制又分為開環功率控制和閉環功率控制。其中反向開環功率控制主要是移動臺根據接收功率變化，調整發射功率;反向閉環功率控制是移動臺根據接收到的功率控制比特調整平均輸出功率。

2 反向及前向功率控制

2.1 反向開環控制

開環功率控制是移動臺根據它收到基站的導頻信號強度，估計前向傳輸路徑的損耗，從而確定發射功率的大小。它是移動臺根據在小區中接受功率的變化，調節移動臺發射功率以達到所有移動臺發出的信號在基站時都有相同的功率。其主要是為了補償陰影、拐彎等效應，所以很大的動態范圍，根據IS95標準，它至少應該達到±32 dB的動態范圍。其控制過程如圖1所示。

圖1 反向開環功率控制

開環功率控制的主要特點是不需要反饋信息。在無線信道突然變化時，它可以快速響應，此外它可以對功率進行較大范圍的調整。開環功率控制不夠精確，這是因為開環功控的衰落估計準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，而在頻率雙工模式中，上下行鏈路的頻段相差190 MHz，遠大于信號的相關帶寬，所以上行和下行鏈路的信道衰落情況是完全不相關的，這導致開環功率控制的準確度不會很高，只能起到粗略控制的作用。在WCDMA協議中要求開環功率控制的控制方差在10 dB內就可以接受。

2.2 反向閉環控制

反向功率控制在有基站參與的時候為閉環功率控制，其設計目標是使基站對移動臺的開環功率估計迅速做出糾正，以使移動臺保持最理想的發射功率。

閉環功率控制是在移動臺的協助下完成的。基站接收移動臺的信號，并測量其信噪比，然后將其與門限作為比較，若收到的信噪比大于門限值，基站就在前向傳輸信道上傳輸一個減小發射功率的命令;反之，就送出一個增加發射功率的命令。其控制過程如圖2所示。

圖2 反向閉環功率控制

閉環功率控制可以修正反向傳輸和前向傳輸路徑增益的變化，消除開環功率控制的不準確性。基站對接收到的用戶終端反向開環功率估算值做出調整，以便使用戶終端保持最理想的發射功率。功率控制的實現是在業務信道幀中插入功率控制比特，插入速率可達1.6 Kb/s，可有效跟蹤快衰落的影響。不過閉環功率控制的調整永遠落后于測量時的狀態值，如果在這段時問內通信環境發生大的變化，有可能導致閉環的崩潰，所以功率控制的反饋延時不能太長，一般由通信端某一時隙產生的功率控制命令應該在兩個時隙內回饋。

閉環功率控制由內環功率控制和外環功率控制兩部分組成。在內環閉環功率控制中，基站每隔1.25 ms比較一次反向信道的Eb/Io和目標Eb/Io，然后指示移動臺降低或增加發射功率，使信道Eb/Io達到目標值。內環功率控制是快速閉環功率控制，主要在基站與移動臺之間的物理層進行。而在外環閉環功率控制中，基站每隔20 ms為接收器的每幀規定目標Eb/Io(從用戶終端到基站)，當出現幀誤差時，其值自動單位逐步減少。外環功率控制的周期一般為TTI(10 ms，20 ms，40 ms，80 ms)的量級，即10~100 Hz。外環功率控制通過閉環控制，可以間接影響系統容量和通信質量。

3 前向功率控制

前向功率控制指基站根據移動臺的測量結果調整對每個移動臺的發射功率的控制。基站周期性的發送測試，移動臺檢測前向傳輸的誤幀率，并向基站報告該誤幀率的統計結果。基站根據移動臺報告的誤幀率統計結果，決定增大或是減小前向傳輸功率。在基站系統緩慢減少移動臺的前向鏈路發射功率過程中，當移動臺檢測到誤幀率(FER)超過預定義值時，請求基站系統增大前向鏈路發射功率。每隔一定時間進行一次調整，用戶終端的報告分為定期報告和門限報告。其控制過程如圖3所示。

圖3 前向功率控制示意圖

在前向功率控制中，對路徑衰落小的移動臺分派較小的前向鏈路功率，而對那些遠離基站的和誤碼率高的移動臺分派較大的前向鏈路功率，通過在各個前向業務信道上合理的分配功率來確保各個用戶的通信質量，同時使前向鏈路容量達到最大。

4 結 語

在第三代移動通信系統中有許多關鍵技術，如多載波技術、智能天線技術、軟件無線電技術、多用戶檢測技術等。功率控制技術是CDMA系統的核心技術之一，它使系統能維護高質量通信，顯著提高系統通信容量，同時可以延長手機電池使用壽命，并減低建網成本。本文分析目前PHS、GSM系統中的功率要求，詳細闡述了在CDMA系統中的功率控制，針對其中的前向功率控制和反向功率控制技術，分析其控制過程及優缺點，對于3G系統的設計具有一定指導意義。

功率控制的能力和性能很大程度上依賴于功率測量的精度和功率控制命令產生和傳輸處理時延。由于信號在移動通信傳輸中呈瑞利衰落，功率控制系統無法補償由快衰落引起的信號功率的變化，特別是當移動臺的運動速度很快時，功率控制技術會失效[7]。要提高CDMA系統中的功率控制技術，最終需要多種關鍵技術的有機結合，才能夠實現3G的高質量通信[8-9]。此外，在CDMA中除了功率控制以外，還包括功率的分配，它們共同構成了功率管理。對于功率控制技術，更深入地研究是結合功率和速率控制技術進行聯合控制，達到系統的最大優化。

參考文獻

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