3G移动通信中功率控制技术分析

0 引言
    在第三代移动通信技术中，最具代表性的方案有北美的CDMA2000、欧洲与日本的WCDMA及我国的TD-SCDMA。其中CDMA2000是在IS95(带宽为1．23 MHz的2G CDMA)基础上直接演进而来；WCDMA又称宽带CDMA，其带宽为5 MHz或更高；TD-SCDMA又称时分同步CDMA，其同步主要指所有终端用户上行链路的信号在到达基站接收端的解调器时完全同步。以上三大标准均以CDMA为基础技术。相比于带宽受限的FDMA和TDMA系统，CDMA系统能够提供足够大的系统容量，其主要受限制于系统所受干扰，降低干扰可以直接增加系统的通信容量。由于对CDMA系统采用同时同频载波，控制各移动台的功率就是实现最大容量的关键，可以通过功率控制技术将移动台之间的干扰减到最小，实现信道的最大容量。
    功率控制存在着两面性：从功耗、干扰及电磁辐射方面考虑，其发射功率越小，手机的耗电量就越小，待机及通话时间越长，对同系统其他手机的干扰就越小，同时扩大了小区容量。此外手机发射功率越小，对其他无线设备干扰越小，对人体的辐射也就更小。另一方面，为了能保证通信质量又希望手机发射功率大些，如手机在小区的远端时，为了保证手机信号经过长距离传输到达基站后，信号仍能被正确解调，需要发射功率要足够大，以克服信号经过长距离传输的衰减；手机在被建筑物或其他遮挡的无线阴影区内，其发射功率也要足够大，以克服手机信号经过多次的反射、折射及长距离传输的衰减；在干扰(邻信道干扰、同信道干扰、阻塞等)比较大的情况下，发射功率也要足够大以克服噪声的干扰。所以统一表述为：手机必须有足够的发射功率以保证通信，在保证通信质量的前提下，其发射功率越小越好。

1 功率控制技术及分类
    在目前使用的移动通信系统中，PHS(Personal Handyphone System)以其低廉的建设成本、简单的协议标准等优势兴起一时。PHS在中国常被称为小灵通，其应用微蜂窝技术，提供简单低廉的协议标准，降低了手机制造成本，采用RCR-STD28标准规定发射平均功率小于等于10 mW，峰值功率小于等于80 mW，发射功率不可控。
    在第二代移动通信GSM系统中规定，手机发射功率是可以被基站控制的。基站检测接收信号的功率等级，通过下行SACCH信道发出命令控制手机的发射功率等级，相邻功率等级相差2 dB，其移动台功率等级及最大、最小功率如表1所示。

    GSM功率控制速率比较慢，对功率控制升降要求不是很精准，也不是很严格。此外，GSM对功率控制依赖程度也远远比CDMA系统低。而在CDMA技术为基础的通信系统中，就完全离不开功率控制技术。CDMA本身是一个干扰受限系统，即干扰的大小直接影响系统容量。因此要控制干扰的大小，在不影响通信质量(QoS)的情况下，尽量使每个MS的信号到达BS时都达到最小所需的SIR，以提高系统的容量与可靠性。而功率控制可以控制SIR并有效地克服和抑制干扰，是改善与提高3G蜂窝移动通信系统可靠性的核心技术之一。
    通常从通信的上、下行链路角度考虑，功率控制分为前向功率控制和反向功率控制，前向功率控制是根据移动台测量报告，基站调整对移动台的发射功率。反向功率控制又分为开环功率控制和闭环功率控制。其中反向开环功率控制主要是移动台根据接收功率变化，调整发射功率；反向闭环功率控制是移动台根据接收到的功率控制比特调整平均输出功率。

2 反向及前向功率控制
2．1 反向开环控制
    开环功率控制是移动台根据它收到基站的导频信号强度，估计前向传输路径的损耗，从而确定发射功率的大小。它是移动台根据在小区中接受功率的变化，调节移动台发射功率以达到所有移动台发出的信号在基站时都有相同的功率。其主要是为了补偿阴影、拐弯等效应，所以很大的动态范围，根据IS95标准，它至少应该达到±32 dB的动态范围。其控制过程如图1所示。

    开环功率控制的主要特点是不需要反馈信息。在无线信道突然变化时，它可以快速响应，此外它可以对功率进行较大范围的调整。开环功率控制不够精确，这是因为开环功控的衰落估计准确度是建立在上行链路和下行链路具有一致的衰落情况下的，而在频率双工模式中，上下行链路的频段相差190 MHz，远大于信号的相关带宽，所以上行和下行链路的信道衰落情况是完全不相关的，这导致开环功率控制的准确度不会很高，只能起到粗略控制的作用。在WCDMA协议中要求开环功率控制的控制方差在10 dB内就可以接受。
2．2 反向闭环控制
    反向功率控制在有基站参与的时候为闭环功率控制，其设计目标是使基站对移动台的开环功率估计迅速做出纠正，以使移动台保持最理想的发射功率。
    闭环功率控制是在移动台的协助下完成的。基站接收移动台的信号，并测量其信噪比，然后将其与门限作为比较，若收到的信噪比大于门限值，基站就在前向传输信道上传输一个减小发射功率的命令；反之，就送出一个增加发射功率的命令。其控制过程如图2所示。

    闭环功率控制可以修正反向传输和前向传输路径增益的变化，消除开环功率控制的不准确性。基站对接收到的用户终端反向开环功率估算值做出调整，以便使用户终端保持最理想的发射功率。功率控制的实现是在业务信道帧中插入功率控制比特，插入速率可达1．6 Kb／s，可有效跟踪快衰落的影响。不过闭环功率控制的调整永远落后于测量时的状态值，如果在这段时间内通信环境发生大的变化，有可能导致闭环的崩溃，所以功率控制的反馈延时不能太长，一般由通信端某一时隙产生的功率控制命令应该在两个时隙内回馈。
    闭环功率控制由内环功率控制和外环功率控制两部分组成。在内环闭环功率控制中，基站每隔1．25 ms比较一次反向信道的Eb／Io和目标Eb／Io，然后指示移动台降低或增加发射功率，使信道Eb／Io达到目标值。内环功率控制是快速闭环功率控制，主要在基站与移动台之间的物理层进行。而在外环闭环功率控制中，基站每隔20 ms为接收器的每帧规定目标Eb／Io(从用户终端到基站)，当出现帧误差时，其值自动单位逐步减少。外环功率控制的周期一般为TTI(10 ms，20 ms，40 ms，80 ms)的量级，即10～100 Hz。外环功率控制通过闭环控制，可以间接影响系统容量和通信质量。

3 前向功率控制
    前向功率控制指基站根据移动台的测量结果调整对每个移动台的发射功率的控制。基站周期性的发送测试，移动台检测前向传输的误帧率，并向基站报告该误帧率的统计结果。基站根据移动台报告的误帧率统计结果，决定增大或是减小前向传输功率。在基站系统缓慢减少移动台的前向链路发射功率过程中，当移动台检测到误帧率(FER)超过预定义值时，请求基站系统增大前向链路发射功率。每隔一定时间进行一次调整，用户终端的报告分为定期报告和门限报告。其控制过程如图3所示。

    在前向功率控制中，对路径衰落小的移动台分派较小的前向链路功率，而对那些远离基站的和误码率高的移动台分派较大的前向链路功率，通过在各个前向业务信道上合理的分配功率来确保各个用户的通信质量，同时使前向链路容量达到最大。

4 结语
    在第三代移动通信系统中有许多关键技术，如多载波技术、智能天线技术、软件无线电技术、多用户检测技术等。功率控制技术是CDMA系统的核心技术之一，它使系统能维护高质量通信，显著提高系统通信容量，同时可以延长手机电池使用寿命，并减低建网成本。本文分析目前PHS、GSM系统中的功率要求，详细阐述了在CDMA系统中的功率控制，针对其中的前向功率控制和反向功率控制技术，分析其控制过程及优缺点，对于3G系统的设计具有一定指导意义。
    功率控制的能力和性能很大程度上依赖于功率测量的精度和功率控制命令产生和传输处理时延。由于信号在移动通信传输中呈瑞利衰落，功率控制系统无法补偿由快衰落引起的信号功率的变化，特别是当移动台的运动速度很快时，功率控制技术会失效。要提高CDMA系统中的功率控制技术，最终需要多种关键技术的有机结合，才能够实现3G的高质量通信。此外，在CDMA中除了功率控制以外，还包括功率的分配，它们共同构成了功率管理。对于功率控制技术，更深入地研究是结合功率和速率控制技术进行联合控制，达到系统的最大优化。