CDMA系统中的功率控制技术
1. 引言：
在常见的多址通信技术中，CDMA（码分多址接入）通信技术采用同频率复用方式实现更大的系统容量，并且有发射功率低、保密性能强、覆盖范围大等优点，CDMA个人通信将成为今后个人通信的主流和发展方向。
功率控制技术、PN码技术、RAKE接收技术、软切换技术、话音编码技术等称为IS-95CDMA蜂窝移动通信系统中的关键技术。
由于CDMA是一个自干扰系统，所有移动用户和周围小区中的其他用户所造成的自干扰成为限制系统容量的主要因素，功率控制被认为是所有关键技术的核心。
如果不采用功率控制，所有用户就会以相同的功率发射信号，这样离基站较近的移动台就会对较远的移动台造成相当大的干扰，这种现象称为远近效应。
因此设计一种良好的功率控制方案对于CDMA系统的正常运行是非常重要的。
研究表明，不采用功率控制技术的CDMA系统容量很小，甚至会小于FDMA 系统的容量。
在CDMA系统中采用功率控制的另一个原因，尽可能利用最小的发射功率获得所需的传输质量，以延长用户终端中电池的寿命。
在功率控制中需要移动台(MS)和基站(BS)共同协调进行动态的功率控制才能够实现。
本文主要介绍CDMA系统中现有的常用的功率控制技术，并在此基础上提出了一些理论上的改进的功率控制算法，加以说明和比较。
2．CDMA系统中现有的功率控制技术：
2．1 功率控制技术的分类：
功率控制技术可按多种方式进行分类，如图1所示：
图1 功率控制技术的分类
从通信的上、下行链路考虑，功率控制可以分为前向功率控制和反向功率控制，前向和反向功率控制是独立进行的。
所谓的反向功率控制，就是对手机的发射功率进行控制，而前向功率控制，就是对基站的发射功率进行控制。
从功控的环路类型来划分，功率控制算法还可分成开环功率控制、闭环功率控制和外环功率控制。
开环功率控制仅是一种对移动台平均发射功率的调节；闭环功率控制式MS根据BS发送的功率控制指令（功率控制比特TPCbit携带的信息）来调节MS发射功率；外环功率控制是为了适应无线信道的衰耗变化，达到系统所要求的误帧率而动态调整反向闭环功控中的信噪比门限。
2．2 功率控制的原理：
2．2．1 前向链路功率控制：
前向链路功率控制的目的在于，减小为那些静止状态、离基站较近、几乎不受多径衰落和阴影效应影响、或受其它小区干扰很小的用户所消耗的功率，以便将节省下来的功率给那些信道条件较差、离基站较远、或误码率很高的用户。
基站通过移动台对前向链路误帧率的报告和临界值比较来决定是增加发射功率还是减小发射功率。
移动台的报告分为定期报告和门限报告。
定期报告就是隔一段时间汇报一次，门限报告就是当FER（误帧率）达到一定门限时才报告。
这个门限由运营者根据对话音质量的不同要求设置的。
这两种报告可以同时存在，也可以只要一种，或者两种都不用，根据运营者的具体要求来设定。
在TDD模式下，在前向链路中，由小区内信号的同步性和移动台相干解调带来的增
益会使前向链路的质量远好于反向链路。
故在前向链路只需加入一个慢速的功控即可。
2．2．2 反向链路功率控制：
·反向开环功控：
当移动台发起呼叫或响应基站的呼叫时首先工作的。
目的是使所有移动台发出的信号在到达基站时有相同的功率值。
若移动台接收到的信号功率小，则表明在前向链路上此刻的衰耗大，并由此认为反向链路上的衰耗也将较大，于是为补偿这种预测的信道衰落，移动台将增大发射功率，反之减小。
由于开环功控是为了补偿信道中的平均路径损耗、阴影效应以及地形地势所引起的信号的慢变化，所以有一个很大的动态范围：FDD模式85dB，TDD模式－32dB～32dB，限制了它的功控效果。
·反向闭环功控：
这是反向功率控制的核心。
由基站协助移动台，对移动台做出的开环功率估测迅速进行纠正，使移动台始终保持最理想的发射功率。
移动台根据在前向业务信道上收到的功率控制指令快速（每1.25ms）校正自己的发射功率，其中的功率控制指令（升或降）是由基站根据它所接收的移动台信号的质量来决定的；基站每隔1.25ms检测一次解调的反向业务信道信号的信噪比SNR，然后将其与一设定的门限值作比较，以产生相应的功率控制命令，插入前向业务信道发送给移动台。
功率控制比特（“0”或“1”）是连续发送的，其速率为每比特1.25ms（即800bit/s）。
“0”比特指示移动台增加平均输出功率，“1”比特指示移动台减少平均输出功率。
每个功率控制比特使移动台增加或减少功率的大小为1dB。
其功率控制过程可用下图描述：
图2 反向闭环功率控制原理
·反向外环功控：
为了适应无线信道的衰耗变化，达到系统所要求的反向业务信道的误帧率而动态调整反向闭环功控中的信噪比门限。
以保证在信道环境不断变化的情况下，维持通信质量不变。
通常系统都有一定的服务质量目标值，该目标值设置不能太低或太高，过低将使通信链路质量不能满足业务需求，过高会造成大量资源浪费，降低整体系统容量。
2．3 几种功率控制算法的比较：
开环功率控制完全是建立在对接收信号能量的评估和比较的基础之上的，算法相对简单。
它对移动台发射功率的调整使用的是“一步到位”的方法，信道衰落多少就补偿多少。
因而，在这个意义上，开环功率控制具有很高的功控“梯度”。
这在快变得信道里将会带来误调，造成系统性能的恶化。
一般地，这种功控的不准确性要通过更精确的闭环功控来补偿。
闭环功率控制是基于检测接收机端的接收信噪比来进行发射功率调整的。
不同的功控速度、步长和信噪比门限都会影响功控的效果。
其中，信噪比门限的确定对功控的影响尤为重要。
这就要求，调整该门限的外环功控要及时反映信道特性的变化，即可认为该门限是特定用户所处信道环境衰落速度和衰落特性的函数。
许多研究已证明，小区内所有用户的功控信噪比门限的均值直接决定了系统容量。
在WCDMA、TD-SCDMA的上下行链路都采用了快速功率控制，所以上下行链路都需外环功控。
WCDMA的上下行都支持1.5kHz频率的快速功率控制，GSM中只有慢速功率控制（2Hz）,IS-95只在上行支持800Hz的功率控制，TD-SCDMA功控频率为200Hz。
