1 3G中的CDMA技術(shù)

3G的三大技術(shù)體系標(biāo)準(zhǔn)分別是UMTS的WCDMA、IMT2000的CDMA2000和我國(guó)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TD-SCDMA。WCDMA又稱為寬帶CDMA(帶寬為5MHz或更高)，CDNA2000是在IS95(帶寬為1．23MHz的2G CDMA)基礎(chǔ)上直接演進(jìn)而來(lái)，TD—SCDMA又稱為時(shí)分同步CDMA，這里的同步指的是所有終端用戶上行鏈路的信號(hào)在到達(dá)基站接收端的解調(diào)器時(shí)完全同步。總之，3G的三大標(biāo)準(zhǔn)均以CDMA為基礎(chǔ)技術(shù)。

CDMA技術(shù)是1949年由Claude Shannon首先提出來(lái)的。CDMA碼分多址技術(shù)實(shí)質(zhì)上是基于擴(kuò)頻通信的技術(shù)，其擴(kuò)頻通信原理可用傳輸速率、帶寬和信噪比之間關(guān)系的數(shù)學(xué)公式：Csh=Brf*LOG2(1+Eb/Io)來(lái)表示。CDMA提出后一直只應(yīng)用在軍事領(lǐng)域中的抗干擾通信。

1978年Cooper等人提出了在蜂窩移動(dòng)通信中使用CDMA擴(kuò)頻技術(shù)的設(shè)想，但并未引起業(yè)界的重視，只有美國(guó)Qullcomm(高通)公司投入了一定力量進(jìn)行商用化研究，并于1989年成功地進(jìn)行了第一次商用化測(cè)試。兩年之后，高通公司全面掌握了CDMA系統(tǒng)商用化的核心技術(shù)，從而使CDMA蜂窩移動(dòng)電話商用系統(tǒng)于1996年1月在世界上首次成功推出。鑒于CDMA技術(shù)有光明的發(fā)展前景，因此，3G技術(shù)體系紛紛采用了以CDMA技術(shù)為基礎(chǔ)的技術(shù)體系標(biāo)準(zhǔn)。

與FDMA和TDMA相比，CDMA具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，歸納起來(lái)，CDMA應(yīng)用于數(shù)字移動(dòng)通信的優(yōu)點(diǎn)有：

·系統(tǒng)容量大。在CDMA系統(tǒng)中所有用戶共用一個(gè)無(wú)線信道，當(dāng)用戶不講話時(shí)，該信道內(nèi)的所有其他用戶會(huì)由于干擾減小而得益。因此利用人類話音特點(diǎn)的CDMA系統(tǒng)可大幅降低相互干擾，增大其實(shí)際容量近3倍。CDMA數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)的系統(tǒng)容量理論上比模擬網(wǎng)大20倍，實(shí)際上比模擬網(wǎng)大10倍，比GSM大4-5倍。

·系統(tǒng)通信質(zhì)量更佳。軟切換技術(shù)(先連接再斷開)可克服硬切換容易掉話的缺點(diǎn)，CDMA系統(tǒng)工作在相同的頻率和帶寬上，比TDMA系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)軟切換技術(shù)，從而提高通信質(zhì)量，CDMA系統(tǒng)采用確定聲碼器速率的自適應(yīng)閾值技術(shù)，強(qiáng)有力的誤碼糾錯(cuò)，軟切換技術(shù)和分離分多徑分集接收機(jī)，可提供TDMA系統(tǒng)不能比擬的，極高的數(shù)據(jù)質(zhì)量。頻率規(guī)劃靈活，用戶按不同的序列碼區(qū)分，不同CDMA載波可在相鄰的小區(qū)內(nèi)使用，因此CDMA網(wǎng)絡(luò)的頻率規(guī)劃靈活，擴(kuò)展簡(jiǎn)單。CDMA網(wǎng)絡(luò)同時(shí)還具有建造運(yùn)行費(fèi)用低，基站設(shè)備費(fèi)用低的特點(diǎn)，因而用戶費(fèi)用也較低。

·頻帶利用率高。CDMA是一種擴(kuò)頻通信技術(shù)，盡管擴(kuò)頻通信系統(tǒng)抗干擾性能的提高是以占用頻帶帶寬為代價(jià)的，但CDMA允許單一頻率在整個(gè)系統(tǒng)區(qū)域內(nèi)重復(fù)使用(即復(fù)用系數(shù)為1)，即多用戶共用這一頻帶同時(shí)通話，大大提高了頻帶利用率。這種擴(kuò)頻CDMA方式，雖要占用較寬的頻帶，但按每個(gè)用戶占用的平均頻帶來(lái)計(jì)算，其頻帶利用率是很高的。CDMA系統(tǒng)還可以根據(jù)不同信號(hào)速率的情況，提供不同的信道頻帶動(dòng)態(tài)利用，使給定頻帶得到更有效的利用。

·適用于多媒體通信系統(tǒng)。CDMA系統(tǒng)能方便地使用多CDMA信道方式和多CDMA幀方式，傳送不同速率要求的多媒體業(yè)務(wù)信息，處理方式和合成方式都比TDMA方式和FDMA方式靈活、簡(jiǎn)便、有利于多媒體通信系統(tǒng)的應(yīng)用，比如可以在提供話音服務(wù)的同時(shí)提供數(shù)據(jù)服務(wù)，使得用戶在通話時(shí)也可以接收尋呼信息。

·CDMA手機(jī)的備用時(shí)間更長(zhǎng)。低平均功率、高效的超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)和先進(jìn)的鋰電池的結(jié)合顯示了CDMA在便攜式電話應(yīng)用中的突破。用戶可長(zhǎng)時(shí)間地使用手機(jī)接收電話，也可在不掛機(jī)情況下接收短消息。然而，寬帶CDMA系統(tǒng)的應(yīng)用也還面臨著一些技術(shù)困難，多址干擾的降低和抵消是CDMA的基本課題，也是提高寬帶CDMA系統(tǒng)容量，發(fā)揮其系統(tǒng)特長(zhǎng)的重要課題。其中最重要的問(wèn)題之一就是功率控制問(wèn)題。

2 功率控制問(wèn)題的由來(lái)

CDMA技術(shù)構(gòu)建的蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，終端用戶都采用相同的頻譜進(jìn)行上下行鏈路的數(shù)據(jù)傳輸，每一個(gè)頻譜信道都不是完全正交而是近似正交的，因而用戶與用戶之間存在干擾。每一個(gè)用戶都是本小區(qū)內(nèi)及相鄰小區(qū)內(nèi)同時(shí)進(jìn)行通信的用戶的干擾源。以寬帶CDMA即WCDMA技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為例，基站覆蓋的小區(qū)存在“遠(yuǎn)近效應(yīng)”，這與通信用戶進(jìn)行通信時(shí)的信道功率有關(guān)。”遠(yuǎn)近效應(yīng)”的具體描述是離基站遠(yuǎn)的用戶到達(dá)基站的信號(hào)較弱，離基站近的用戶到達(dá)基站的信號(hào)強(qiáng)，假定終端用戶以相同的上行功率進(jìn)行通信，則由于信號(hào)在信道中傳輸距離的遠(yuǎn)近差異，基站處收到的信號(hào)強(qiáng)度的差別可以達(dá)到30-70db，信號(hào)弱的用戶的信號(hào)完全有可能被信號(hào)強(qiáng)的用戶信號(hào)淹沒，從而造成較遠(yuǎn)距離的用戶完不成通信過(guò)程，嚴(yán)重時(shí)有可造成整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。因此，有必要采取措施對(duì)用戶終端的信號(hào)功率進(jìn)行控制。另外，為了使基站發(fā)射的功率在到達(dá)每個(gè)用戶終端時(shí)有個(gè)合理的值，也有必要優(yōu)化基站的發(fā)射功率，換言之，基站也要加入到功率控制的框架中來(lái)。

3 功率控制的分類及具體實(shí)現(xiàn)

功率控制分為前向功率控制和反向功率控制，反向功率控制又分為開環(huán)功率控制和閉環(huán)功率控制，閉環(huán)功率控制再細(xì)分為外環(huán)功率控制和內(nèi)環(huán)功率控制。現(xiàn)分別描述如下。

前向功率控制指基站周期性地調(diào)低其發(fā)射到用戶終端的功率值，用戶終端測(cè)量誤幀率，當(dāng)誤幀率超過(guò)預(yù)定義值時(shí)，用戶終端要求基站對(duì)它的發(fā)射功率增加1％。每隔一定時(shí)間進(jìn)行一次調(diào)整，用戶終端的報(bào)告分為定期報(bào)告和門限報(bào)告。

反向功率控制在沒有基站參與的時(shí)候?yàn)殚_環(huán)功率控制。用戶終端根據(jù)它接收到的基站發(fā)射功率，用其內(nèi)置的DSP數(shù)據(jù)信號(hào)處理器計(jì)算Eb/Io，進(jìn)而估算出下行鏈路的損耗以調(diào)整自己的發(fā)射功率。開環(huán)功率控制的主要特點(diǎn)是不需要反饋信息，因此在無(wú)線信道突然變化時(shí)，它可以快速響應(yīng)變化，此外，它可以對(duì)功率進(jìn)行較大范圍的調(diào)整。開環(huán)功率控制不夠精確，這是因?yàn)殚_環(huán)功控的衰落估計(jì)準(zhǔn)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，但是由于頻率雙工FDD模式中，上下行鏈路的頻段相差190MHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)的相關(guān)帶寬，所以上行和下行鏈路的信道衰落情況是完全不相關(guān)的，這導(dǎo)致開環(huán)功率控制的準(zhǔn)確度不會(huì)很高，只能起到粗略控制的作用。WCDMA協(xié)議中要求開環(huán)功率控制的控制方差在10dB內(nèi)就可以接受。

反向功率控制在有基站參與的時(shí)候?yàn)殚]環(huán)功率控制。其過(guò)程是基站對(duì)接收到的用戶終端反向開環(huán)功率估算值作出調(diào)整，以便使用戶終端保持最理想的發(fā)射功率。功率控制的實(shí)現(xiàn)是在業(yè)務(wù)信道幀中插入功率控制比特，插入速率可達(dá)1．6Kb／s，這樣可有效跟蹤快衰落的影響。其中“0”比特指示用戶終端增加發(fā)射功率；“1”比特指示用戶終端減少發(fā)射功率。閉環(huán)功率控制的調(diào)整永遠(yuǎn)落后于測(cè)量時(shí)的狀態(tài)值，如果在這段時(shí)問(wèn)內(nèi)通信環(huán)境發(fā)生大的變化，有可能導(dǎo)致閉環(huán)的崩潰，所以功率控制的反饋延時(shí)不能太長(zhǎng)，一般的意見是由通信本端的某一時(shí)隙產(chǎn)生的功率控制命令應(yīng)該在兩個(gè)時(shí)隙內(nèi)回饋。

閉環(huán)功率控制由內(nèi)環(huán)功率控制和外環(huán)功率控制兩部分組成。在信噪比測(cè)量中，很難精確測(cè)量信噪比的絕對(duì)值。且信噪比與誤碼率(誤塊率)的關(guān)系隨環(huán)境的變化而變化，是非線性的。比如，在一種多徑傳播環(huán)境時(shí)，要求百分之一的誤塊率(BLER)，信噪比(SIR) 是5dB，在另一種多徑環(huán)境下，同樣要求百分之一的誤塊率，可能需要5．5dB信噪比。而最終接入網(wǎng)提供給NAS的服務(wù)中QoS表征量為BLER，而非SIR，業(yè)務(wù)質(zhì)量主要通過(guò)誤塊率來(lái)確定的，二者是直接的關(guān)系，而業(yè)務(wù)質(zhì)量與信噪比之間則是間接的關(guān)系。所以在采用內(nèi)環(huán)功控的同時(shí)還需要外環(huán)功控。

在外環(huán)閉環(huán)功率控制中，基站每隔20ms 為接收器的每一個(gè)幀規(guī)定一個(gè)目標(biāo) Eb／Io(從用戶終端到基站)，當(dāng)出現(xiàn)幀誤差時(shí)，該Eb／Io值自動(dòng)按0．2～0．3為單位逐步減少，或增加3～5db。在這里只有基站參與。外環(huán)功率控制的周期一般為TTI(10ms、20ms、 40ms、80ms)的量級(jí)，即10-100Hz。外環(huán)功率控制通過(guò)閉環(huán)控制，可以間接影響系統(tǒng)容量和通信質(zhì)量，所以不可小視。

在內(nèi)環(huán)閉環(huán)功率控制中，基站每隔1．25ms 比較一次反向信道的Eb／Io和目標(biāo)Eb／Io，然后指示移動(dòng)臺(tái)降低或增加發(fā)射功率，這樣就可達(dá)到目標(biāo)Eb／Io。內(nèi)環(huán)功率控制是快速閉環(huán)功率控制，在基站與移動(dòng)臺(tái)之間的物理層進(jìn)行。

下面給出具體的說(shuō)明：

·剛進(jìn)入接入信道時(shí)(閉環(huán)校正尚未激活)

平均輸出功率(dbm)=-平均輸入功率(dbm)-Pcon+NOM_PWR(db)+INIT_PWR(db)，

其中：平均功率是相對(duì)于寬帶CDMA(5MHz)的標(biāo)稱信道帶寬而言。

INIT_PWR是對(duì)第一個(gè)接入信道序列所需作的調(diào)整；NOM_PWR是為了補(bǔ)償由于前向 CDMA信道和反向CDMA信道之間不相關(guān)造成的路徑損耗。

·其后的試探序列不斷增加發(fā)射功率 (步長(zhǎng)為PWR_STEP)，直到收到一個(gè)效應(yīng)或序列結(jié)束。輸出的功率電平為：

平均輸出功率(dbm)=-平均輸入功率(dbm)Pcon+NOM_PWR(db)+INIT_PWR+PWR_ST EP之和(db)。

·在反向業(yè)務(wù)信道開始發(fā)送之后一旦收到一個(gè)功率控制比特，移動(dòng)臺(tái)的平均輸出功率變?yōu)椋?

平均輸出功率(dbm)=-平均輸入功率(dbm)-Pcon+NOM_PWR(db)+INIT_PWR+PWR_ST EP之和(db)+所有閉環(huán)功率校正之和(db)：

其中：Pcon為一個(gè)常數(shù)修正值，這由多種系統(tǒng)參數(shù)決定。NOM_PWR與INIT_PWR以及PWR_STEP也有一定的數(shù)值限定范圍。

4 總結(jié)

針對(duì)3G移動(dòng)技術(shù)體系標(biāo)準(zhǔn)普遍使用 CDMA作為基礎(chǔ)技術(shù)，要想在3G系統(tǒng)中真正發(fā)揮3G容量大、服務(wù)質(zhì)量好、傳輸速率高等優(yōu)勢(shì)，就必須根據(jù)CDMA技術(shù)的特點(diǎn)，做好3G正反向的功率控制系統(tǒng)的優(yōu)化建設(shè)。