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,如图2-37所示。
图2-37 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。
(一)反向功控
CDMA系统的容量主要受限于系统内移动台的相互干扰,所以如果每个移动台的信号到达基站时都达到所需的最小信噪比,系统容量将会达到最大值。
在实际系统中,由于移动台的移动性,使移动台信号的传播环境随时变化,致使信号每时每刻到达基站时所经历的传播路径、信号强度、时延、相移都随机变化,接收信号的功率在期望值附近起伏变化。因此,在CDMA系统的反向链路中引入了功控。
反向功控通过调整移动台发射功率,使信号到达基站接收机的功率相同,且刚刚达到信噪比要求的门限值,同时满足通信质量要求。各移动台不论在基站覆盖区的什么位置,经过何种传播环境,都能保证每个移动台信号到达基站接收机时具有相同的功率。
反向功控包括3部分:反向开环功控、反向闭环功控和反向外环功控。
1.反向开环功控
CDMA系统的每一个移动台都一直在计算从基站到移动台的路径损耗。当移动台接收到从基站来的信号很强时,表明要么离基站很近,要么有一个特别好的传播路径,这时移动台可降低它的发送功率,而基站依然可以正常接收;相反,当移动台接收到的信号很弱时,它就增加发送功率,以抵消衰耗,这就是反向开环功控,如图2-38所示。
反向开环功控简单、直接,不需在移动台和基站之间交换控制信息,同时控制速度快并节省开销。
但CDMA系统中,前向和反向传输使用的频率不同(IS-95规定的频差为45 MHz),频差远远超过信道的相干带宽。因而不能认为前向信道上衰落特性等于反向信道上衰落特性,这是反向开环功控的局限之处。反向开环功控由反向开环功控算法来完成,主要利用移动台前向接收功率和反向发射功率之和为一常数来进行控制。具体实现中,涉及开环响应时间控制、开环功率估计校正因子等主要技术设计。
2.反向闭环功控
反向闭环功控,即由基站检测来自移动台的信号强度或信噪比,根据测得结果与预定的标准值相比较,形成功率调整指令,通过前向功控子信道通知移动台调整其发射功率。反向闭环功控如图2-39所示。
图2-38 反向开环功控
图2-39 反向闭环功率控制
3.反向外环功控
在反向闭环功控中,信噪比门限不是恒定的,而是处于动态调整中。这个动态调整的过程就是反向外环功控,如图2-40所示。
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图2-40 反向外环功控
在反向外环功控中,基站统计接收反向信道的误帧率FER。
如果误帧率FER高于误帧率门限值,说明反向信道衰落较大,于是通过上调信噪比门限来提高移动台的发射功率。
反之,如果误帧率FER低于误帧率门限值,则通过下调信噪比门限来降低移动台的发射功率。
根据FER的统计测量来调整闭环功控中的信噪比门限的过程是由反向外环功控算法来完成的。算法分为3个状态:变速率运行态、全速率运行态、删除运行态。这3种状态全面反映了移动台的实际工作情况,不同状态下进行不同的功率门限调整。
考虑9 600 b/s速率下要尽可能保证语音帧质量,因此在全速率运行态加入了1%的FER门限等多种判断。
反向外环功控算法涉及步长调整、状态迁移、偶然出错判定、软切换FER统计控制等主要技术。
在实际系统中,反向功率控制是由上述3种功率控制共同完成的。即首先对移动台发射功率作开环估计,然后由闭环功控和外环功控对开环估计做进一步修正,力图做到精确的功率控制。
(二)前向功控
在前向链路中,当移动台向小区边缘移动时,移动台受到邻区基站的干扰会明显增加;当移动台向基站方向移动时,移动台受到本区的多径干扰会增加。
这两种干扰将影响信号的接收,使通信质量下降,甚至无法建链。因此,在CDMA系统的前向链路中引入了功率控制,前向功控如图2-41所示。
图2-41 前向功控
前向功控通过在各个前向业务信道上合理地分配功率来确保各个用户的通信质量,使前向业务信道的发射功率在满足移动台解调最小需求信噪比的情况下尽可能小,以减少对邻区业务信道的干扰,使前向链路的用户容量最大。
在理想的单小区模型中,前向功控并不是必要的。在考虑小区间干扰和热噪声的情况下,前向功控就成为不可缺少的一项关键技术,因为它可以应付前向链路在通信过程中出现的以下异常情况:
当某个移动台与所属基站的距离和该移动台与同它邻近的一个或多个基站的距离相近时,该移动台受到邻近基站的干扰会明显增加,而且这些干扰的变化规律独立于该移动台所属基站的信号强度。此时,就要求该移动台所属的基站将发给它的信号功率提高几个分贝以维持通信。
当某个移动台所处位置正好是几个强多径干扰的汇集处时,对信号的干扰将超过可容忍的限度。此时,也必须要求该移动台所属的基站将发给它的信号功率提高。
当某个移动台所处位置具有良好的信号传输特性时,信号的传输损耗下降,在保持一定通信质量的条件下,该移动台所属的基站就可以降低发给它的信号功率。由于基站的总发射功率有限,这样就可以增加前向链路容量,也可以减少对小区内和小区外其他用户的干扰。
与反向功控相类似,前向功控也采用前向闭环功控和前向外环功控方式。在CDMA 2000 1x系统中,还引入了前向快速功控概念。
1.前向闭环功控
闭环功控把前向业务信道接收信号的Eb/Nt(Eb是平均比特能量,Nt指的是总的噪声,包括白噪声、来自其他小区的干扰)与相应的外环功控设置值相比较,来判定在反向功控子信道上发送给基站的功率控制比特的值。
2.前向外环功控
前向功控虽然发生作用的点是在基站侧,但是进行功率控制的外环参数和功率控制比特都是移动台通过检测前向链路的信号质量,得出输出结果,并把最后的结果通过反向导频信道上的功率控制子信道传给基站。
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