CDMA功率控制

CDMA功率控制

摘要CDMA移动通信系统具有抗干扰能力强，保密性好，容量大等优点，受到广泛的关注。但CDMA存在传输衰减、多址干扰、远近效应等问题，系统容量受限于用户间的相互干扰，必须进行功率控制。本文首先介绍CDMA的关键技术——功率控制的基本理论。因为功率控制的最根本的目的是增加系统容量，因此接着分析了功率与容量之间的关系。因为信号在无线中传输，因此有必要分析无线信道（特别是快衰落）对功率控制产生的负面影响。最后针对目前的窄带CDMA(IS-95)，分析了反向链路开环+闭环的固定步长功率控制方法和根据业务优先级进行的功率分配算法。

关键字：CDMA；功率控制算法；

Power control in CDMA System

Abstract：Code division multiple access(CDMA)system has a lot of advantage,such as strong anti-jamming,good security and large capacity,so it is widely paid attention.But there are some questions in CDMA,such as transmission fading,multiple access interfere and far and near effect,the capacity of the system is limited by the interfere,so we must carry out power control.Firstly,I introduce the fundamental theory about power control for CDMA system in this paper.Because increasing system capacity is the best essential purpose,the relation of power and system capacity is analyzed.Because signal is transmitted in wireless channel,It is necessarily to analyze the negative affect which is made to power control by wireless channel,especially quick fading.Aiming at the different power control require of narrow band CDMA(IS-95)in the current,the algorithm of reverse link based on open loop and close loop power control by fix step length and the algorithm of power distribution based on service priority are analyzed.

Key words:CDMA；Algorithm of power control

一、引言

自20世纪70年代出现蜂窝网通信以来，世界各地的移动通信行业得到了迅猛的发展，而蜂窝网的技术本身得到的长足的进步。20世纪80年代出现的时分多址数字蜂窝网，以GSM为代表的数字蜂窝网移动通信系统在国内外已获得广泛应用。20世纪90年代又出现码分多址蜂窝移动通信系统，因其通信容量大，质量好，因此引起了人们的广泛关注，二十一世纪也必将是CDMA的世纪。码分多址利用码序列的正交性和准正交性区分不同用户，它是在同频、同时的条件下，各个接收机根据信号码型之间的差异分离出需要的信号。由于CDMA系统中同一频率在所有的小区重复使用，CDMA中的干扰特别严重，若没有先进的功率控制技术，尽可能减小用户的背景干扰，就会产生严重的误码现象。随着用户数的增加，信

号的信噪比急剧下降。当低于一定门限时，就可能发生通信中断。因此功率控制是CDMA 中最关键的技术之一。本文就是针对CDMA 中功率控制展开研究。

二、CDMA 系统的干扰

在CDMA 系统中，干扰来自两个方面，一方面是使用同一CDMA 无线频带的移动台和基站造成的干扰，称为自干扰；另一方面是CDMA 相邻频带或模拟系统单元所造成的干扰。其中，工作在同一CDMA 无线频带的单元所造成的干扰影响最大，即CDMA 系统是一个自干扰系统。CDMA 的干扰分两种情况：一是基站在接收某一移动台的信号时，会受到本小区和邻近小区其它移动台所发信号的干扰；二是移动台在接收所属基站发来的信号时，会受到所属基站和邻近基站向其它移动台所发信号的干扰。如图1所示。图(a)是基站对移动台产生的正向多址干扰，图(b)是移动台对基站产生的反向多址干扰。因此可将多址干扰分为前向链路干扰和反向链路干扰。

由于移动通信中移动用户不断地移动，有时靠近基站，有时远离基站。若移动台发射功率固定不变，那么离基站距离近时，过大的功率不仅浪费，而且会造成对其它用户干扰，尤其是对离基站较远的移动台发给基站的信号影响较大。所谓远近效应就是当基站同时收到两个距离不同的移动台发来的信号时，由于两个移动台频率相同，则据基站近的（设为1d ）移动台MS1将对另一移动台MS2（它距基站距离为2d ），12d d >>信号产生严重干扰。如图2所示，由于MS1和MS2发射功率相同，而且移动设备相同，同样的发射机，同样的天线，因此当基站接收远距离MS2时必将受到MS1信号的影响。

图

1

在移动通信网络中，远近效应是普遍存在的，且十分严重，甚至影响网络的容量，故必须进行功率控制。

三、功率控制的原理

CDMA蜂窝系统的远近效应主要发生在反向传输链路上。因为移动台在小区的位置是随机分布的，而且是经常变化的，同一部移动台可能处于小区的边缘，有时靠近基站。若移动台的发射机功率按照最大通信距离设计，则当移动台驶近基站时，必然会有过量而有害的功率辐射。解决这个问题的办法是根据通信距离的不同，实时地调整发射机的所需功率，即功率控制。

1.反向链路功率控制

CDMA系统的通信质量和容量主要取决于收到的干扰的大小。若基站接收到移动台的信号太低，则误码率太大而无法保证质量通信，反之，若基站接收到某一移动台功率太高，虽然保证了该移动台与基站间的质量，却对其它移动台增加了干扰，导致整个系统质量恶化和容量的减小，只要当每个移动台的发射功率控制到基站所需信噪比的最小值时，通信系统的容量才能达到最大值。

上行链路功率控制就是控制各个移动台的发射功率的大小，它可分为开环功率控制和闭环功率控制。上行链路开环功率控制亦称为反向链路开环功率控制，称为反向开环功率控制。其前提条件是假设上行与下行传输损耗相同，移动台接收并测量基站发来的信号强度，并估计下行传输损耗，然后根据这种估计，移动台自行调整其发射功率，即接收信号增强，就降低其发射功率；接收信号减弱，就增加其发射功率。开环功率控制的响应约毫秒级，控制动态范围约有几十分贝。开环功率控制的优点是简单易行，不需要在移动台和基站之间交换信息，不仅速度快且节省开销。它对于慢衰落是比较有效的，即对车载移动台快速驶入高大建筑物遮蔽区所引起的衰落，通过开环功率控制可以减小慢衰落影响。但是对于信号因多径效应而引起的瑞利衰落，效果不佳。对于900MHZ的CDMA蜂窝系统，可采用频分双工通信方式，收发频率相差45MHZ，已远远超出信道的相干带宽。因而上行或下行无线链路的多径衰落是彼此独立的，或者说它们是不相干的。不能认为移动台在下行信道上测的衰落特性，就等于上行信道的衰落特性。为了解决这个问题，可采用闭环功率控制方法。闭环功率控制即由基站检测来自移动台的信号强度或信噪比，根据测的结果与预定的标准值相比较，形成功率调整指令，通知移动台调整其发射功率，调整阶距为0.5dB。一般这种功率调整指令每1ms发送一次。上行链路功率控制有效的解决了远近效应问题，是各移动台发出的信号到达基站的功率电平几乎相等，即达到保证通信质量要求的信噪比的门限值，又可以最大限度的减少

多址干扰。

2.前向链路的功率控制

正向链路也称为下行链路，所以正向链路的功率控制也称为正向功率控制。它是调整基站向移动台发射的功率，是任一移动台无论处于蜂窝小区的任何位置上，收到基站发来的信号电平都恰好达到信干比所要求的门限值，即可避免基站向距离近的移动台辐射过大的信号功率，也可防止或减小移动台进入传输恶劣或背景干扰过强的地区发生误码率增大或通信质量下降的现象。

正向功率控制方法与反向功率控制相类似，正向功率控制可由移动台检测基站发来的信号的强度，并不断的比较信号电平和干扰电平的比值。若此值小于预定的门限值，移动台就向基站发出增加功率的请求。基站收到调整功率的请求后，按0.5dB的调整阶距改变相应的发射功率。最大的调整范围约6dB，上述的正向功率控制是属于闭环方式。正向功率控制也可采用开环功率控制方式，即可由基站检测来自移动台的信号强度，以估计反向传输的损耗并相应调整该移动台的功率。

3.功率控制的要求

(1)窄带CDMA的功率控制的要求。上行链路的功率控制使本小区的各移动台到达基站的功率相等，

且刚好满足系统的性能要求。下行链路的功率控制使移动台处的信干比刚好足以达到系统性能的要求。

（2）宽带CDMA的功率控制的要求。未来的多媒体CDMA系统的目标是追求高的系统容量和通信质量，应根据不同的业务的不同速率以及服务质量要求，给用户分配功率。

4.功率控制的原则

当信道的传输条件突然改善时，功率控制应做出快速反应，以防止信号的突然增强而对其它用户产生附加的干扰；相反，当传输条件突然变坏，功率调整的速率可相对慢一些。即宁可单个用户的信号质量短时间恶化，也要防止许多用户都增加背景干扰。

四、功率与系统容量的关系

由于发射功率的制约或系统自身的干扰，CDMA系统的容量受到限制。在反向链路，当一个移动台的功率不足以克服其它移动台的干扰时，系统达到容量极限。在前向链路上，当基站的总功率没有多余的部分分配给一个新的用户时，系统达到最大容量。即当一个基站为使其全部用户正常的运行而发射的总功率超过基站的额定功率时，前向链路就达到受功率限制的容量。

为了接入一个呼叫,CDMA移动台的功率必须大到足以克服带宽内其它CDMA移动台产生的干扰，即必须达到一定的信号干扰比。在任意给定时刻，移动台所需要的发射功率取决于从移动台到基站的路径损耗和所有反向链路总的干扰电平。后者取决于其它CDMA移动台的数量和位置。

所有的移动台每建立一个新呼叫就提高了干扰电平，每一移动台也就必须相应的增加发射功率以保持呼叫的完整性。这个过程随着移动台的增加而反复进行，直到达到一个极限值。达到这个极限时，任何一个新的移动台，无论其位置在哪，都无法以足够的功率来克服。而现有的移动台也没有足够的功率来克服新呼叫产生的附加干扰。小区内所有呼叫都要具有相同的0/I E b 要求，这个限制表现为要求小区基站接收到的信号强度都等于一个相同的值。对于任何一个移动台，小区内的干扰即为（N-1）S,N为小区内的移动台的数目。来自小区外移动台的共道干扰是一个次级的干扰源，它的大小可以取为小区内干扰的部分值（β倍）。由于周围移动台的发送强度相对较低，且路径损耗距离更远，由此产生的干扰电平通常可以由β<1来表征，这个值小于小区基站的噪声电平。与小区干扰不同，小区外的移动台的干扰不是通过本小区基站的接收机进行功率控制，所以干扰大小更难确定，然而仅需要知道外部移动台的总体影响即可。

由于共道干扰电平相对较小，对于周围满负载的小区也可采用相同的β值，对于大的N值，所有的干扰可以由话音激活因子来减小。

S N W FN S G W S N FN R S I E th th b )1)(1()1)(1(/0?++=?++=βαβα（1）

式中b E 为比特能量，0I 为热噪声加干扰的功率谱密度，F 为基站噪声指数，th N 为热噪声的功率谱密度，S 为接收信号强度，R 为比特速率，α为话音激活因子，β为干扰因子，N 为小区内移动台的数目，W 为系统带宽，G=W/R 为处理增益。热噪声密度th N ，CDMA 带宽W 和基站噪声指数F 之积称为基站噪声。

小区基站接收机所要求的0/I E b 取值的范围是关于移动台速度和多径条件的慢衰落，不同的类型的用户为保持一定的FER 就有不同的0/I E b 要求。高速移动用户与低速和静止情况相比0/I E b 也不相同。由式（1）得

S W FN d G N th )1(11)1(1βαβα+?++=

（2）

因为S>>W FN th 1)1(1max ++=?βαd G N （3）

式中d 为所需的0/I E b 。当使用13kb/s 声码器时，对于一个扇区大约为24。重写表达式（1）得每个用户平均需要的信号功率为

)1)(1(1max

max N N N W FN S th ?+=βα（4）从图3可知，每个用户所需的小区基站的信噪比随小区负载的加重而非线性增加，负载越大，斜率越陡，小区付出的平均功率代价要大的多。因此，每增加一个移动用户，一个高负载的小区比一个低负载的小区付出的代价大，另外，负载过重的小区将不能响应其用户话音激活的统计波动。进一步调整式（1）以反映总的接受干扰NS P rec )1(βα+=。rec P 与基站噪声之比可以由小区负载max /N N u =完全表示出来，从图4可看出干扰是随小区负载非线性增加的。

u

u W FN P th rec ?=1(5)功率和负载之间的关系可以表示为总功率（接收信号加基站噪声）与基站噪声之比为

u

FN W FN P W FN P th th rec th total ?=+=11(6)

从图5上可看出每次增加容量的一半时，总功率与基站噪音之比就增加一倍，例如当负载从0dB 增加到0.5dB 时，总功率与基站噪音之比从0dB 增加到3dB ；当负载从0.5dB 增加到0.75dB 时，这个比值就从3dB 增加到6dB 。

五、功率控制的分析

图4 图5

图6

图3图4

图5

1.开环

开环++闭环的固定步长功率控制

现有的功率控制方法大致可分为两种：一种是基于优化，一种是基于反馈，这两种方法各有利弊。前者需要知道系统的准确模型，通过目标函数对系统性能进行描述，在使系统性能达到最优的目标下，完成各个用户发射功率的解算，然后将算出的最优功率时实加载给用户，这种方法控制准确且有明确的意义（最优化目标函数），但计算工作量很大，不适于动态环境。当环境的参数发生改变时，原先求得最优解就不再适用，特别是当系统维数（用户数）发生变化时，需要重新建立系统模型和再次优化，这些任务是很难时实完成的，因而该方法也就失去了实际意义。后者控制灵活，易于实现，当这种方法也是根据单个用户服务质量的变化来确定发射功率的变化趋势，即使对单个用户而言，控制也没有明确的意义，谈不上系统整体的优化，此外步长的确定在很大程度上依赖经验知识，缺乏理论依据，不适当的步长，会造成很大的过调量和较长的稳定时间，从而影响每个用户的信干比和系统的稳定性。

(1)反向开环功率控制——确定初始发射功率

情况1：预先不知道基站的发射功率，采用试探的方法。

入网时，移动台通过入网信道向基站发送信息，并在寻呼信道上接收信息。问题是移动台在接入状态开始向基站发送信息时应该使用多大的功率电平？为了防止移动台开始就使用多大的功率，产生多大的干扰，这里用到一次入网尝试程序，它实质是一种功率逐渐增大的过程。所谓一次入网尝试是指传送一条消息直到收到该消息的认可的过程。一次入网尝试包括多次入网探测。在一次入网尝试中，多次入网探测都传送同一消息。把一次入网尝试中的多个入网探测分成一个或多个“入网探测序列”，同一个接入探测序列所含的多个入网探测都在同一个入网信道中发送。各入网探测序列的第一个入网探测根据额定开环功率所规定的电平进行发送，其后，每个入网探测所用功率均比前一个入网探测提高一个规定值。

入网探测与入网探测序列都是分时隙发送的，每次传输入网探测序列之前，移动台都要产生一个随机数，并把入网探测序列的传输时间延迟一个时隙。若入网尝试得到入网信道请求，还要再加一个附加时延—PD个时隙供移动台测试入网信道的时隙，只有测试通过了，探测序列的第一个入网探测才在那个时隙开始传输，否则要延迟到下一个时隙进行测定再定。在一个入网测试后，移动台要从时隙末端等候规定的时间，以接收基站发来的认可应答消息。若接收到认可信息测试尝试结束，若收不到信息，则下一个入网探测在延迟一定时间后发送。

接收信号强度测量主要利用AGC电平测量。测量电路要有80dB以上的动态范围和合理的响应速度，以适应移动台在大建筑后通行及克服阴影效应的影响。由于导频信号的强度在整个基站发射功率中占有一定的比例，如20%，也可以通过测量导频信号强度来初始化功率。

利用自动功率增益控制测量接受信号的总功率或所测的导频信号的功率算出总接受功率，移动台发射第一个试探的平均功率为：

平均输出功率（dBm ）-平均接受功率(dBm)-73+NOM_PWR+INIT_PWR

后面两项数值由入网信道消息给出。随后的试探序列每一个增加一个功率条件步长，直到接收到相应的应答信号，或序列结束。业务信道的初始发射功率为：

平均输出功率（dBm ）-平均接受功率-73+NOM_PWR+INIT_PWR

情况2：预先知道基站的发射功率，则

式中b P 是基站发射机的输出功率,m P 是移动台接收到的功率。

移动台通过来自基站的接收信号强度估计它与基站间的传输损耗，这个估计参数用于开环功率控制，用于响应正向链路信号的突然增加，而不响应正向链路信号的突然衰减。正向链路信号突然衰减的提升响应是通过闭环功率控制来实现。而闭环控制的速度比较慢，这样使性能有一定的损失，但却具有较大的工程意义。因为移动台的发射信号快速增加，多址干扰增大，对系统中的其他移动台的链路的质量带来很大的影响，使通信容量减小。

(2)反向闭环功率控制——调整发射功率

移动台测量的只是正向链路的路径损耗。开环功率控制仅仅提供合适的发射功率，反向链路与正向链路呈现弱相关，因为正、反链路采用不同的频段，频段间隔，频段间隔对功率控制有很大的影响。一般频带的间隔远远超出信道的相干带宽，使得发射和接收信号成为两个独立的衰落信道，不能把测得接收信号的路径损耗当作发射功率的路径损耗，因此，需用闭环功率控制对开环功率控制进行修正。

具体措施为：由基站测试接收信号的信噪比，与预先确定的信噪比门限相比较，以一定的速度产生增加或减小功率的功率控制比特，并通过前向业务信道发送给移动台，移动台据此功率控制比特及时的调整反射功率，以保证基站收到的信号足够强，同时其它信道的干扰最小。

(3)功率控制比特的传输

功率控制比特要在正向业务信道上进行传输，每1.25ms 发送1比特，实际速率为800b/s 。‘0’表示移动台增加其平均功率，‘1’表示移动台要减小其平均功率。

基站反向业务信道接收机在1.25ms 时间间隔内，对特定的移动台来的信号进行估值，并据此估值来确定控制比特应该取‘1’还是‘0’，然后采用内插技术把此控制比特嵌入正向业务信道中进行传输。

把20ms 的时间间隔分为16个功率控制段，每段宽1.25ms ，编号从0到15。当基站在某一功率控制段从反向业务信道中估计除信号的强度时，它跟着就在此功率控制段的后面，把功率控制比特有另一功率控制段插入正向业务信道中。一个功率控制比特的宽度严格等于两个调制码元的宽度，因此每一个功率控制比特要占用正向信道中的两个调制码元的位置，它是受数据掩蔽长码控制的。在.1.25ms 的期间内，功率控制比特可有24个开始位置，但只利用其中的16个之一作为开始位置，编号为0到15，数据掩蔽长码

10lg (7)

b

m P T P =

经64分频后，在1.25ms内共有24个掩蔽比特，编码由0到23。因为4个比特有16个十进制数值。只用24个掩蔽比特的最后4位的取值确定功率控制比特的开始位置。

(4)功率控制比特的合并

(1)每一个时隙只收到一个功率控制指令

当移动台不处于软切换时，每个时隙只收到一个功率控制指令，此时最终的功率控制获取方法分别为，若接收到的功率控制指令是0，那么这个时隙的最终功率控制指令为-1，即增加功率；若接收到的功率控制指令是1，那么这个时隙的最终功率控制指令为1，即减小功率。

(2)已知是相同的功率控制指令的合并

移动台在软切换的情况下，在一个时隙中会收到来自激活集中的不同小区的多个功率控制指令。在某些情况下，移动台得知在一个时隙中的某些功率控制指令时相同的，比如在更软切换的情况下，这时移动交换中心在所有的服务小区中发射的指令。此时这些指令通过最大比值合并成一个功率控制指令。(3)已知并不相同的功率控制指令的合并

在有的软切换情况下，在不同小区传输的功率控制指令可能会有所不同。这就需要进行功率控制比特的合并。

参考文献

[1]《移动通信》郭梯云邬国扬张厥盛西安电子科技大学出版社

[2]《码分多址（CDMA）移动通信系统》竺南直肖辉刘景波电子工业出版社

[3]《现代通信系统分析与仿真—matlab通信工具箱》李建新刘乃安刘继平西安电子科技大学出版社

[4]《第三代移动通信IMT—2000的ITU—R推荐标准概述》益晓新解放军理工大学学报

[5]《matlab语言工具箱—toolbox实用指南》施阳李俊西北工业大学出版社

[6]《matlab在工程数学上的应用》清华大学出版社

[7]《关于CDMA蜂窝系统中功率控制的分析》郝午阳冯正阳通信学报

[8]《多媒体宽带码分多址基于业务的非线性功率控制》李英朱世华西安交通大学学报

[9]《matlab与通信仿真》人民邮电出版社

[10]《CDMA蜂窝数字网》邬国扬西安电子科技大学出版社

[11]《Rate-Regulated power control for supporting flexible transmission in future CDMA mobile networks》Dongwoo Kin,Member IEEE

[12]《Intergrating power control,error correcting coding and scheduling for a CDMA downlink system》Yuning Lu and Robert W Brodersen,Fellow.IEEE

[13]《wireless mulimedio CDMA system based on controlling transmission power》wu kohno.R