CDMA的功率控制技术浅析

CDMA的功率控制技术浅析
在当今移动通信中，应用扩频技术最为广泛的当属CDMA。

CDMA是码分多址的英文缩写（Code Division Multiple Access），它是在扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。

CDMA移动通信网是由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率再用等几种技术结合而成，含有频域、时域和码域三维信号处理的一种协作。

因此，它具有抗干扰性好，抗多径衰落，保密安全性高，同频率可在多个小区内重复使用，所要求的载干比（C／I）小于1，容量和质量之间可做权衡取舍等属性。

这些属性使CDMA 与FDMA和TDMA相比有非常重要的优势，其中一部分是扩频通信系统所固有的，另一部分则是由软切换和功率控制等技术所带来的。

1．功率控制技术的目的、原则及依据
1．1功率控制的目的
在CDMA系统中，一方面，许多移动台共用相同的频段发射和接收信号，近地强信号仰制远地弱信号的可能性很大，称为“远近效应”；另一方面，各用户的扩频码之间存在着非理想的相关特性，通信容量主要受限于同频干扰。

在不同影响通信的情况下，尽量减少发射信号的功率，通信系统的总容量才能相应地达到最
大，CDMA系统的主要优点才能得以实现。

因此，功率控制的目的就是限制系统内的干扰，以减小用户间干扰以及UE的功率消耗，是第三代移动通信系统中最为重要的关键技术之一。

1．2功率控制的原则
控制基站、移动台的发射功率，首先保证信号经过复杂多变的无线空间传输后到达对方接收机时，能满足正确解调所需的解调门限。

在满足上一条的原则下，尽可能降低基站、移动台的发射功率，以降低用户之间的干扰，使网络性能达到最优。

距离基站越近的移动台比距离基站越远的或者处于衰落区的移动台发射功率要小。

1．3功率控制的基本依据
链路级功率控制中有如下三种功率控制测量依据：信号强度，SIR，BER。

基于信号强度的功率控制算法是测量从移动用户到达基站的信号的强度，用它和所期望的信号强度去进行比较，看被测信号的强度是高还是低了，从而得出功率控制命令去相应地调整移动用户的功率的高低。

基于信噪比SIR平等准则是指在接收端接收到的有用信号与干扰之比的相等为功率控制准则，对于上行链路，SIR平衡的目标是使各个移动台到达基站的信号干扰比相等；对于下行链路，SIR 平衡的目标是使各个移动台接收到基站的信号干扰比相等。

SIR 为参数的功率控制算法能很好的反映系统的性能，但也存在一个
潜在的很严重的问题，即正反馈导致危及系统稳定性问题。

当一个移动用户收到基站的要求提高发射功率的命令后，就按指令提高它的发射功率以达到系统要求的SIR值，然而，它的功率的提高也同时增加了对系统中其他用户的干扰，这导致其他用户也不得不提高发射功率，如此导致循环使得整个系统的功率达到最大的极限值，这就严重危害了系统的稳定性。

基于BER为参数的功率控制算法，BER定义为平均错比特数与原信息序列的比特数的比值。

如果信息信号和干扰信号的功率是保持不变的，那么BER和SIR的作用是相同的。

但是，实际情况是SIR是时变的，因此SIR平均值不等于BER的平均值。

此时，使用BER比使用SIR的性能更好。

因为实际通信系统中均使用信道编码，因此功率控制算法也可以使用FER。

2．功率控制技术的分类及基本原理
在CDMA系统中，功率控制按功控链路方向可分为前向功率控制和反向功率控制，而反向功率控制又可分为开环功率控制、闭环功率控制和外环功率控制。

由于CDMA系统容量主要受反射链路容量限制，因此反向功率控制尤为重要。

2．1前向功率控制
也称下行链路功率控制，在正向功率控制中，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，基站根据测量结果调整每个移动台的发射功率，其目的是对路径衰落小的
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。

其要求是调整基站对每个移动台的发射功率，使任一移动台无论处于小区的什么位置上，收到基站信号的电平都刚刚达到所要求信干比所要求的门限值。

这样可以避免基站向较近的移动台辐射过大的功率。

控制方法是基站周期性的降低给移动台发送的功率，这个过程直到前向链路的误帧率上升时才停止。

移动台给基站发送帧错误的数值，根据这个信息，基站决定是否增大一份功率，通常是0.5dB。

图１前向功率控制图
2．2反向开环功率控制
基本原理是根据用户接收功率与发射功率之积为常数的原则，先行测量接收功率的大小，并由此确定发射功率的大小。

开环功率控制用于确定用户初始发射功率，或用户接收功率发生突变时的发射功率调节。

特点是方法简单直接，不需要在移动台和基站间交换信息。

这种方法对某些情况例如车载移动台快速进出
地形起伏区或高大建筑物遮蔽区所引起的信号变化时十分有效的。

但对于因多径传播而引起的瑞利衰落效果不好。

开环功率控制未考虑到上、下行链路电波功率的不对称性，因而其精确性难以得到保证。

图２反向开环功率图
2．3反向闭环功率控制
这项技术可以较好地解决上述问题。

其基本原理是基站接收移动台的信号，并测量其信噪比，基站检测信噪比SNR，与门限值比较，然后将其与一门限作为比较，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。

每1.25 ms更新一次（每秒重复800次）。

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，校正开环功率控制未消除的、与前向链路相独立的损耗。

闭环功率控制的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。

图３反向闭环功率控制图
2．4反向外环功率控制
基本原理是通过对接收误帧频的计算，调整闭环功率控制所需的信干比门限，通常需要采用变步长方法，以加快信干比门限的调整速度。

在第三代移动通信系统中，上行链路采用开环、闭环和外环功率控制相结合的技术，主要解决“远近效应”问题，保证所有信号到达基站时都具有相同的平均功率：下行链路则采用闭环和外环功率制相结合的技术，主要解决同频干扰问题，可以使处于严重干扰区域的移动台保持较好的通信质量，减少对其他移动台的干扰。

3.功率控制技术的应用及发展
蜂窝通信系统经历了采用频分多址技术(FDMA)和基于时分多址(TDMA)的蜂窝系统,发展到了现在采用宽带码分多址(CDMA)技术的第三代移动通信系统。

然而无论蜂窝通信系统怎样
发展,功率控制始终是无线通信系统最关键的技术之一。

功率控制理论分集中式和分布式两种。

集中式功率控制理论上完美，但难以实现；分布式功率控制不属于最优控制，但较好地平衡了性能与资源的矛盾。

实用的功率控制技术是在分布式理论基础上发展而来的。

由最初的上行功率控制，发展到现在的重视双向的功率控制；由最初单纯的开环功控，经过开环、内环并重，发展到现在的开环、内环、外环三环并重。

在功率控制的发展历程中，也带动了各种测量技术的发展。

由于在CDMA系统中不可避免的存在多址干扰和远近效应，即使远近效应能通过严格的功率控制加以解决，但功率控制并不能完全的消除多址干扰的影响。

少数几个用户引起的多址干扰也会严重影响接收机的性能，降低系统的容量。

所以功率控制必须与其它关键技术相结合才能满足未来通信系统发展的需要。

3．1功率控制与联合检测技术的结合
联合检测具有很好的抗多址干扰的性能，理论上可以完全消除多址干扰的影响，所以在系统中，如果将功率控制技术与联合检测技术相结合，那么将会使系统性能得到很大的改善。

在研究功率控制技术的时候，往往假设的是接收机具有固定的结构，此时通过控制发射功率来进行优化和通信；而在进行联合检测技术的研究时，又往往假设发射功率是固定的，从而将精力集中在优化接收机的结构上。

然而事实上，由于功率控制是在发射端进行的，而联合检测是在接收端进行的，可对发射端和接
收端联合进行优化，将两种方法结合使用，每次迭代过程既更新发射功率同时也更新接收机滤波器系数，通过这两个参数的更新迭代来最大限度的抑制干扰。

3．2功率控制与智能天线技术的结合
智能天线也是抑制干扰的一种关键技术，系统中使用该技术进行波束赋型，不仅可以减小对其他用户的干扰，而且可以减小所需要的发射功率。

所以将功率控制与智能天线技术相结合不仅可以扩大系统容量而且可以节省功率资源。

功率控制技术根据无线信道变化情况以及接收到的信号电平通过反馈信道、按照一定准则调节发射信号电平。

功率控制技术可以克服阴影效应、多径传播引入的慢平坦衰落，尤其是在采用了CDMA 技术的干扰受限通信系统中，功率控制能够很好的解决远近效应，从而提升系统容量和通信质量。

随着无线通信网络逐渐从2G、2.5G 发展到现在的3G，以至于不久将来的4G，功率控制技术越来越成为其中一项关键技术指标，而且随着网络的不断演进，从开环功率控制到闭环功率控制，从内环功率控制到外环功率控制，功控技术自身也在不断的精确化、复杂化。

随着无线通信技术的不断发展，功率控制将在众技术中扮演者越来越重要的关键角色。

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3．王晓霞，耿海存浅谈CDMA系统中的功率控制技术及过程4．薛文虎CDMA系统中的控制电波科学学报
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8．邵芳扩频通信技术在通信中的应用中国科技文献
9．周薇CDMA移动通信系统的功率控制研究及仿真实现[毕业设计] 2009
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