1、第2章 CDMA系统基本技术2.1 编码编码技术技术2.2 交织交织技术技术2.3 扩频扩频技术技术2.4 调制调制技术技术2.5 功率功率控制技术控制技术2.6 切换技术切换技术图2-1 数字移动通信系统的基本组成2.1 编编 码码 技技 术术信道编码技术是移动通信中提高系统传输数据可靠性的有效方法,其目的为了使接收机能够检测和纠正由于传输介质带来的信号误差,同时在原数据流中加入冗余信息,提高系统的纠错能力和抗干扰能力,降低误码率。信道编码的编码对象是信源编码器输出的数字序列(信息序列)。信道编码按一定的规则给数字序列 M 增加一些多余的码元,使不具有规律性的信息序列 M 变换为具有某种规律
2、性的数字序列Y(码序列)。也就是说,码序列中信息序列的诸码元与多余码元之间是相关的。在接收端,信道译码器利用这种预知的编码规则来译码,或者说检验接收到的数字序列R是否符合既定的规则,从而发现 R 中是否有错,进而纠正其中的差错。这种通过添加冗余信息的编码技术虽然降低了误码率,但是在一定程度上牺牲了部分传输带宽。移动通信系统由于信道的特殊性,为了达到一定的比特误码率(BER)指标,对信道编码要求很高,主要是差错控制编码,也称为纠错编码。差错控制编码的常用方法有循环冗余校验、卷积和 Turbo码。1)循环冗余校验循环冗余校验(CRC)利用循环码不仅可以用于检查和纠正独立的随机错误,而且可以用于检查
3、和纠正突发错误。在硬件方面,循环码很容易用带反馈的移位寄存器实现。循环码正是由于其特有的码的代数结构清晰、性能较好、编译码简单和易于实现等优点,成为数据通信中最常用的一种抗干扰方式。实际应用中 CRC往往用于检错。2)卷积码卷积编码技术能有效地克服随机的单个数据错误。它是1955年由 Elias最早提出的,因其编码方法可以用卷积运算形式表达而得名。卷积码用于误码率(BER)=10-3 级别的业务,如传统语音业务。卷积码是有记忆编码,它是有记忆系统的。卷积编码中,本组的编码不仅与当前输入的k 个信息有关,而且还与前m个时刻的输入信息有关,与分组码有很大的不同。卷积码的纠错能力随着 m 的增加而增
4、加,而差错率随着 m 的增加而指数下降。在编码效率与设备复杂性相同的前提下,卷积码的性能优于分组码,因此成为扩频码分多址系统广泛采用的纠错方案。卷积码的性能取决于所采用的译码方法以及码的距离特性。采用维比特译码时,通常用自由距(任意长编码后序列之间的最小汉明距离)dfree作为卷积码的距离量度。由于卷积码的线性性质,所有码序列之间的最小汉明距离应该等于非0码序列的最小汉明重量,即非0码序列中“1”码的个数。自由距可以作为最佳码的衡量标准。通常,自由距可以通过卷积码的生成函数来得到。由于无法找到自由距与卷积码生成多项式之间的计算公式,目前卷积码的号码大都是用计算机搜索得到的。3)Turbo码Tu
5、rbo码是1993年提出的一种新型信道编码方案,是近年来纠错编码领域的重要突破。Turbo码使用相对简单的 RSC(递归系统卷积)码和交织器进行编码,使用迭代和解交织的方法进行译码。Turbo码能得到接近理论极限的纠错性能,具有很强的抗衰落、抗干扰能力。因此,Turbo码被确定为第三代移动通信系统的核心系统之一。但由于 Turbo码的译码复杂度大、译码时延大等原因,比较适合时延要求不高的数据业务,在语音业务和对译码时延要求比较苛刻的数据业务中仍使用卷积码。Turbo码用于误码率(BER)=10-310-6的业务中,它由两个递归系统卷积码(RSC码)和一个交织器构成。Turbo码译码器是一类具有
6、反馈结构的伪随机码译码器,利用两个子译码器之间信息的往复递归调用,来加强后验概率对数似然比,提高判决可靠性。这种算法也被称为 MAP算法。Turbo码译码器是一种流水线结构,由于交织器的存在,两个递归系统卷积码的子译码器的输出不具有相关性,从而可以互相利用对方提供的先验信息,通过反复迭代而获得优越的译码性能。Turbo码的性能有两大特点:一是随着迭代次数的增加,误码率迅速减小,同时误码率下降的速度变缓;二是随着信噪比的增加误码率逐渐减小,当信噪比增加到一定程度时,误码率下降变慢,即所谓的地方效应。此外,Gallager于1962年提出的低密度校验码(LDPC 码),在1995年被 MacKay
7、和Neal重新发现具有比 Turbo码更优良的特性后,成为人们的研究热点。由于在许多信道上非规则 LDPC码都能够逼近信道容量,因此,该码具有极其重要的意义。在2004年3月刚刚通过的 DVB S2通信标准中,LDPC码被选为信道译码方案。2.2 交交 织织 技技 术术交织技术是为了抵抗无线信道的噪声以及衰落的影响而采取的时间分集技术,它在接收技术中具有重要的作用。在陆地移动通信这种变参信道上,比特差错经常是成串发生的,这是由于持续较长的深衰落谷点会影响到相继一串的比特。然而,信道编码仅在检测和校正单个差错和不太长的差错串时才有效。为了解决这一问题,希望能找到把一条消息中的相继比特分散开的方法
8、,即一条消息中的相继比特以非相继方式被发送。这样,在传输过程中即使发生了成串差错,恢复成一条相继比特串的消息时,差错也就变成单个(或长度很短),这时再用信道编码纠错功能纠正差错,恢复原消息。这种方法就是交织技术。交织方案可以是块交织或卷积交织。在蜂窝系统中一般采用块交织。图22 交织原理示意图2.3 扩扩 频频 技技 术术2.3.1 扩频技术原理扩频技术原理扩频通信即扩展频谱通信技术(SpreadSpectrum Communication),它的基本特点是其传输信息所用信号的带宽远大于信息本身的带宽。传输任何信息都需要一定的带宽,称为信息带宽。例如,语音信息的带宽大约为20Hz20000Hz
9、、普通电视图像信息的带宽大约为6MHz。为了充分利用频率资源,通常都是尽量压缩传输带宽。如电话是基带传输,人们通常把带宽限制在3400Hz左右。如使用调幅信号传输,因为调制过程中将产生上、下两个边带,信号带宽需要达到信息带宽的两倍,而在实际传输中,人们采用压缩限幅技术,把广播语音的带宽限制在大约24500Hz=9kHz左右;采用边带压缩技术,把普通电视信号包括语音信号一起限制在1.26.5MHz=8MHz左右;即使在普通的调频通信上,人们最大也只把信号带宽放宽到信息带宽的十几倍左右。这些都是采用了窄带通信技术。扩频通信属于宽带通信技术,通常的扩频信号带宽与信息带宽之比将高达几百甚至几千倍。根据
10、香农(C.E.Shannon)在信息论研究中总结出的信道容量公式,即香农公式:式中:C信息的传输速率;S有用信号功率;W频带宽度;N噪声功率。由香农公式可以看出:为了提高信息的传输速率C,可以从两种途径实现,加大带宽W 或提高信噪比S/N。换句话说,当信号的传输速率C 一定时,信号带宽W 和信噪比S/N 是可以互换的,即增加信号带宽可以降低对信噪比的要求,当带宽增加到一定程度时,允许信噪比进一步降低,有用信号功率接近噪声功率甚至淹没在噪声之下也是可能的。扩频通信就是用宽带传输技术来换取信噪比上的好处,这就是扩频通信的基本思想和理论依据。2.3.2 扩频技术种类扩频技术种类扩频技术的种类如下:(
11、1)直接序列扩频(DS)系统:用高速伪随机序列与信息数据相乘,由于伪随机序列的带宽远远大于信息数据的带宽,从而扩展了发射信号的频谱。(2)跳频(FH)系统:在伪随机序列的控制下,发射频率在一组预先指定的频率上按照所规定的顺序离散地跳变,扩展了发射信号的频谱。(3)脉冲现行跳频(Chrip)系统:系统的载频在给定的脉冲间隔内线性地扫过一个宽的频带,扩展发散信号的频谱。(4)跳时(TH)系统:这种系统与跳频系统类似,区别在于一个是控制频率,一个是控制时间。即跳时系统是用伪随机序列控制发射时刻和发射时间的长短。2.3.3 扩频技术特点扩频技术特点由于扩频通信能大大扩展信号的频谱,发端用扩频码序列进行
12、扩频调制,以及在收端用相关解调技术,使其具有许多窄带通信难于替代的优良性能,因此被迅速推广到各种公用和专用通信网络之中。扩频技术主要有以下几项特点:(1)易于重复使用频率,提高了无线频谱利用率。无线频谱十分宝贵,虽然从长波到微波都得到了开发利用,但仍然满足不了社会的需求。在窄带通信中,主要依靠波道划分来防止信道之间发生干扰。为此,世界各国都设立了频率管理机构,用户只能使用申请获准的频率。扩频通信发送功率极低(1650mW),采用了相关接收这一高技术,且可工作在信道噪声和热噪声背景中,易于在同一地区重复使用同一频率,也可与现今各种窄道通信共享同一频率资源。所以,在美国及世界绝大多数国家,扩频通信
13、不需申请频率,任何个人与单位可以无执照使用。(2)抗干扰性强,误码率低。扩频通信在空间传输时所占有的带宽相对较宽,而收端又采用相关检测的办法来解扩,使有用宽带信号恢复成窄带信号,而把非所需信号扩展成宽带信号,然后通过窄带滤波技术提取有用的信号。这样,对于各种干扰信号,因其在收端的非相关性,解扩后窄带信号中只有很微弱的成分,信噪比很高,因此抗干扰性强。(3)隐蔽性好,对各种窄带通信系统的干扰很小。由于扩频信号在相对较宽的频带上被扩展了,单位频带内的功率很小,信号淹没在噪声里,一般不容易被发现,而想进一步检测信号的参数(如伪随机编码序列)就更加困难,因此说其隐蔽性好。再者,由于扩频信号具有很低的功
14、率谱密度,它对目前使用的各种窄带通信系统的干扰很小。(4)可以实现码分多址。扩频通信提高了抗干扰性能,但付出了占用频带宽的代价。如果让许多用户共用这一宽频带,则可大大提高频带的利用率。由于在扩频通信中存在扩频码序列的扩频调制,充分利用各种不同码型的扩频码序列之间优良的自相关特性和互相关特性,在接收端利用相关检测技术进行解扩,则在分配给不同用户码型的情况下可以区分不同用户的信号,提取出有用信号。这样一来,在一宽频带上许多对用户可以同时通话而互不干扰。(5)抗多径干扰。在无线通信的各个频段,长期以来,多径干扰始终是一个难以解决的问题之一。在以往的窄带通信中,采用两种方法来提高抗多径干扰的能力:一是
15、把最强的有用信号分离出来,排除其他路径的干扰信号,即采用分集/接收技术;二是设法把不同路径来的不同延迟、不同相位的信号在接收端从时域上对齐相加,合并成较强的有用信号,即采用梳状滤波器的方法。这两种技术在扩频通信中都易于实现。利用扩频码的自相关特性,在接收端从多径信号中提取和分离出最强的有用信号,或把多个路径来的同一码序列的波形相加合成,这相当于梳状滤波器的作用。另外,在采用频率跳变扩频调制方式的扩频系统中,由于用多个频率的信号传送同一个信息,实际上起到了频率分集的作用。(6)能精确地定时和测距。电磁波在空间的传播速度是固定不变的光速。如果能够精确测量电磁波在两个物体之间传播的时间,也就等于测量
16、两个物体之间的距离。在扩频通信中如果扩展频谱很宽,则意味着所采用的扩频码速率很高,每个码片占用的时间就很短。当发射出去的扩频信号在被测物体反射回来后,在接收端解调出扩频码序列,然后比较收发两个码序列相位之差,就可以精确测出扩频信号往返的时间差,从而算出二者之间的距离。测量的精度决定于码片的宽度,也就是扩展频谱的宽度。码片越窄,扩展的频谱越宽,精度越高。(7)适合数字话音和数据传输,以及开展多种通信业务。扩频通信是数字通信,特别适合数字话音和数据同时传输,扩频通信自身具有加密功能,保密性强,便于开展各种通信业务。扩频通信容易采用码分多址、语音压缩等多项新技术,更加适用于计算机网络以及数字化的话音
17、、图像信息传输。扩频通信绝大部分是数字电路,设备高度集成,安装简便,易于维护,也十分小巧可靠,便于安装,便于扩展,平均无故障率时间也很长。2.4 调调 制制 技技 术术在无线通信系统中,复杂的信道要求信号有很好的抗干扰能力,同时有限的频带资源要求信号功率谱在较高的频段上占有较窄的带宽。调制就是对信号源的编码信息进行处理,使其变成适合传输的模式。一般来说,这意味着把基带信号转变为一个相对基带频率而言频率非常高的带通信号,并使其具有一定的抗干扰能力。而解调则是将基带信号从载波中提取出来以便接收端处理。数字调制解调比起传统的模拟方式有更好的抗噪声性能和更强的抗信道衰落能力,实现起来也更加灵活,容易将
18、几种形式的信息融合在一起传播,再通过选择合适的调制方式,将能量集中在较窄的频带内,满足无线通信系统对信号变换的要求。数字调制大致可分为非恒包络调制和恒包络调制。使用恒包络调制时,不管调制信号如何变化,载波的幅度是恒定的。恒包络调制信号能在非线性限带信道中使用,经过非线性放大器不会引起信号频谱的扩展,带外辐射低,并且可以用限幅或是鉴频的方法检测,能够很好地抵抗随机噪声和瑞利衰落引起的信号波动。但是,这种调制技术的不足在于它占用的带宽往往较大。常用的恒包络调制有 BPSK、QPSK、/4 QPSK、BFSK、MSK、GMSK 等。而非恒包络调制载波的幅度可变,常用的非恒包络调制有 ASK、QAM、
19、MQAM 等。下面简要介绍 BPSK、QPSK、16QAM 以及64QAM 这几种调制方式。1)BPSK 调制BPSK 是把模拟信号转换成数据值的转换方式之一。在二进制数字调制中,当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时,将产生二进制相移键控信号。通常用已调信号载波的0度和180度分别表示二进制数字基带信号的1和0。就模拟调制法而言,如图23所示,它与产生2ASK 信号的方法比较,只是对s(t)要求不同,因此,BPSK 信号可以看做是双极性基带信号作用下的 DSB调幅信号。而就键控法来说,如图2 4所示,它使用数字基带信号s(t)控制开关电路,选择不同相位的载波输出,这时s(t)为单极性
20、 NRZ或双极性 NRZ脉冲序列信号均可。图23 模拟调制法图24 键控法图25 BPSK 相干解调该信号相干解调的过程实际上是输入已调信号与本地载波信号进行极性比较的过程,故常称为极性比较法解调。但由于 BPSK 信号实际上是以一个固定初相的未调载波为参考的,因此,解调时必须有与此同频同相的同步载波。如果同步载波相位发生变化,如0相位变为相位或相位变为0相位,则恢复的数字信息就会发生“0”变“1”或“1”变“0”,从而造成错误的恢复。这种因为本地参考载波倒相,而在接收端发生错误恢复的现象称为“倒”现象或“反向工作”现象。绝对移相的主要缺点是容易产生相位模糊,造成反向工作。这也是它实际应用较少
21、的主要原因。图26 QPSK 信号的矢量图图27 QPSK 解调原理框图3)16QAM 调制QAM 即正交幅度调制,是一种数字调制方式。所谓16QAM 是指包含16种符号的QAM 调制方式。它是用两路独立的正交4ASK 信号叠加而成,4ASK 是用多电平信号去键控载波而得到的信号。它是2ASK 体制的推广,和2ASK 相比,这种体制的优点在于信息传输速率高。正交幅度调制是利用多进制振幅键控(MASK)和正交载波调制相结合产生的。十六进制的正交振幅调制是一种振幅相位联合键控信号。16QAM 的产生有2种方法:(1)正交调幅法:由2路正交的四电平振幅键控信号叠加而成;(2)复合相移法:由2路独立的
22、四相位移相键控信号叠加而成。图28 16QAM 调制器图29 16QAM 正交相干解调4)64QAM 调制我们知道,单独使用幅度或相位携带信息时,不能充分利用信号平面,这可从星座图上直观地看到。对mASM 调制而言,星座点分布在一条轴线上,mPSM 调制的星座点分布在圆周上,同时伴随着m 的增大其星座点的距离也跟着减小,造成抗干扰能力的下降。为解决这一问题,mQAM 调制应运而生,作为一种二维调制,它同时具备较高的调制效率和较好的功率利用率。mQAM 调制可充分利用信号平面,星座点的分布呈块状。mQAM调制既可以用无线信道,也可以用有线信道。由于有线数字信道以 HFC网络为传输媒介,信道的条件
23、较好,因而m的数值可选的稍大一些。一般而言,m的数值选择要兼顾调制效率和信道条件这两方面因素,故基于 DVB C的有线数字电视选用64QAM 调制。64QAM 调制是基于 DVB C的有线数字电视的核心技术。所谓 QAM 是用两个独立的基带信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制。在 mQAM 中,m 叫状态数,通常取值为16、32、64、128和256,状态数越小(意味着星座点之间的空间距离远),抗干扰能力越强,但调制效率较低(携带的消息量少);反之,状态数越大,抗干扰能力越弱,但调制效率较高。有线数字电视DVB C标准中规定使用的是64QAM,需要特别注意的是,64QAM 的名
24、称虽为正交幅度调制,但实际上却是所谓的振幅 相位联合键控,这是有线数字电视中一个非常重要的概念,正因为 QAM 相位调制(依靠不同的相位携带不同的信息),才导致了有线数字电视对 HFC传输网络质量的要求高于模拟电视。64QAM 中64个状态(星座点)上的每个星座点的解调要靠幅度和相位共同决定,64QAM 中采用的是八进制(或8电平,提高效率),每个星座点由6比特(6位二进制组成,000000111111),所有的信息(视频码流、音频码流和辅助数据码流)都在每一个星座点中的6比特中。总之,64QAM 的调制效率非常高,并且对传输途径的信噪比要求高,具有带宽利用率高的特点,尤其适合有线电视电缆传输
25、。我国有线电视网中广泛应用的 DVB C调制即QAM 调制方式。它是幅度和相位联合调制的技术,同时利用了载波的幅度和相位来传递信息比特,不同的幅度和相位代表不同的编码符号。因此,在最小距离相同的条件下,QAM 星座图中可以容纳更多的星座点即可实现更高的频带利用率。2.5 功率控制技术功率控制技术功率控制(powercontrol)技术用于动态地调整发射机的发射功率,它是 CDMA 系统的关键技术之一,精确和稳定的功率控制对于提高 CDMA 系统的容量和保证服务质量有着至关重要的作用。CDMA 系统是一个自干扰系统,CDMA 系统中的用户在同样的频率和时间上发送信号,不同的用户采用不同的扩频码来
26、区分。由于扩频码之间的互相关性不为零,使得每个用户的信号都成为其他用户的干扰,即多址干扰。同时,CDMA 系统是一个干扰受限系统,即干扰对系统的容量直接影响,当干扰达到一定程度后,每个用户都无法正确解调自己的信号,此时系统的容量也达到了极限。因此,如何克服和降低多址干扰就成为 CDMA系统中的主要问题之一。通过功率控制,使发射功率尽可能的小,从而有效地限制多址干扰。由于用户的移动性,不同的移动台和基站之间的距离是不同的。而在无线通信系统中,信号的强度随传输距离呈指数衰减。因此,在反向链路上,如果所有的移动台的功率发射都相同,则离基站近的移动台的接受信号强,离基站远的移动台的接收信号弱。这样就产
27、生以强压弱的现象,即远处用户的信号会被近处用户的信号淹没,以至于不能正确解调,这种现象称为“远近效应”。为了克服这种现象,对移动台的发射功率进行调整是非常有必要的,使得基站接收到的所有移动台的信号功率基本相等。在前向链路上,同一基站所有的信道经历的无线环境是相同的,因此不存在远近效应。前向链路中的干扰主要来自于其他基站的前向信号和服务基站内其他用户的前向信号,尽管不存在远近效应,但是当移动台位于相邻小区的交界处时,收到的服务基站的有用信号很低,同时还会收到相邻小区基站的较强干扰。如果要保证各个移动台的通信质量,则在小区边缘的移动台比距离基站近的移动台需要更高的功率。因此,仍需要对前向功率进行一
28、定的控制,以降低干扰,保证通信质量。在 CDMA 系统中,采用功率控制是非常有必要的,它也是 CDMA 走向实用化的核心技术之一。功率控制在对接受信号的能量或信噪比进行评估的基础上,适时补偿无线信道的衰落,来不断调整发射信号的功率,从而保证一定的通信质量,又降低对其他用户的干扰,保证系统容量。功率控制的核心目的是在保证一定通信质量的前提下,尽可能降低发射功率,以降低干扰,减少功耗。2.5.1 传统频率复用与传统频率复用与 CDMA频率复用频率复用图210 传统的频率复用方式图211 CDMA 频率复用方式传统的频率复用方式是将无线管理部门所分配的频带划分为7个子频带(图中用f1,f2,f3,f
29、4,f5,f6,f7表示),供不同的小区使用。每个小区被表示成一个六边形。相邻小区不重复使用相同的频率。频率复用的理论依据是:微波在地面上的传输功率的衰减大约是距离的4次幂。也就是说,无线信号的传输损耗非常大,非常快。一定功率发射的信号在一段距离后,不会对距离外的相同频率造成干扰。CDMA 仍然采用传统的蜂窝覆盖,但每个小区使用相同的频率(或称为载频),如图211所示。码分多址 CDMA 与频分多址 FDMA 及时分多址 TDMA 相比,具有容量大、功率低、软切换、抗干扰强等一系列优点。但是在 CDMA 系统中,由于所有用户均使用相同的频段的无线信道和相同的时隙,用户间仅靠地址扩频码加以区分,
30、即用户间存在干扰。同时,由于 CDMA 为一干扰受限系统,即干扰的大小直接影响系统容量。因此,有效地克服和抑制多址干扰就成为 CDMA 系统中最主要、关键的问题。2.5.2 功率控制准则功率控制准则功率控制是指在移动通信系统中根据信道变化情况以及接收到的信号电平,通过反馈信道,按照一定准则控制、调节发射信号电平。1)功率平衡准则功率平衡准则是指通过功率控制使接收端接收到的有用信号功率相等。该准则比较易实现,但是性能不如信噪比平衡准则。2)信噪比平衡准则信噪比平衡准则是指通过功率控制使接收端有用信号的信噪比相等。该准则虽然能够提供较好的性能,但是可能会产生正反馈,导致系统不稳定。即当某个移动台信
31、噪比低于目标值时,会增加发射功率,同时也就增加了对其他用户的干扰,会导致其他用户也增大发射功率,最终导致系统崩溃。3)功率平衡和SIR平衡混合体制准则功率控制准则的控制方法易于实现,但其性能不及基于SIR 平衡准则的功率控制。基于SIR平衡准则的功率控制也存在局限性,若某移动台到达基站的SIR过低,需增大发射功率以使SIR达到平衡,但这也相应的增加了对其他移动台的干扰,必然导致其他移动台发射功率增大,如此不断恶性循环导致系统崩溃。为了克服SIR 的正反馈带来的系统不稳定性,人们又提出了将SIR平衡准则与功率平衡准则相结合。4)误码率(BER)平衡准则BER 一般指平均误码率,它需要在一段时间内
32、求平均值。因此,以BER作为准则存在一定的时延,这段时延与求 BER 平均值的时间段是相互矛盾的,平均时间长,则时延大,延迟后执行功率控制的时间也就长,从而影响功率控制的正确性。2.5.3 功率控制分类及基本原理功率控制分类及基本原理图212 功率控制示意图1)前向功率控制如图213所示,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配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配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
33、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213 前向功率控制图2)反向开环功率控制如图214所示,其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。其特点是方法简单直接,不需要在移动台和基站间交换信
34、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)是十分有效的,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214 反向开环功率图3)反向闭环功率控制反向闭环功率控制技术可以较好地解决上述问题。如图215所示,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)。
35、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。4)反向外环功率控制反向外环功率控制技术的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控制相结合的技术,主要解决同频干扰问
36、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。图215 反向闭环功率控制图2.5.4 小区呼吸功率控制小区呼吸功率控制小区呼吸是 CDMA 系统的一个很重要的功能,它主要用于调节系统中各小区的负载。前向链路边界是指两个基站之间的一个物理位置,当移动台处于该位置时,其接收机无论接收哪个基站的信号,都有相同的性能;反向链路切换边界是指移动台处于该位置,两个基站的接收机相对于该移动台有相同的性能。基站小区呼吸控制是为了保持前向链路切换边界与反向链路切换边界“重合”,以使系统容量达到最大,并避免切换发生问题。2.6 切切 换换 技技 术术2.6.1 切换方式切换方式在现
37、代无线通信系统中,为了在有限的频率范围内为尽可能多的用户终端提供服务,通常将系统服务的地区划分为多个小区或扇区,在不同的小区或扇区内放置一个或多个无线基站,各个基站使用不同或相同的载频或码,这样在小区之间或扇区之间进行频率和码的复用可以达到增加系统容量和频谱利用率的目的。工作在移动通信系统中的用户终端经常要在使用过程中不停地移动,当从一个小区或扇区的覆盖区域移动到另一个小区或扇区的覆盖区域时,要求用户终端的通信不能中断(注意:这里的通信不中断可以理解为可能丢失部分信息但不至于影响通信),这个过程称为越区切换。越区切换有三种方式:硬切换、软切换和接力切换。图216 硬切换示意图硬切换又分成异频硬
38、切换、同频硬切换和系统间切换。异频硬切换是指发生在不同频率小区间的切换(WCDMA 不同频率载波之间的切换),这种切换只能是硬切换。同频硬切换发生在 UTRAN(UMTS地面无线接入网)内不同RNS(无线网络子系统)间且没有Iur接口时的同频切换,或者为了节省资源对高速数据业务的同频小区之间采取硬切换的策略。系统间切换是指 WCDMA 与 GSM(或者 CDMA2000以及其他系统)之间的切换。硬切换的优点是信道利用率高,缺点是切换过程中有可能丢失信息。(2)软切换:当用户终端从一个小区或扇区移动到另一个具有相同载频的小区或扇区时,在保持与原基站通信的同时与新基站也建立起通信连接,与两个基站之
39、间传输相同的信息,完成切换之后才中断与原基站的通信,如图217所示。在美国 Qualcomm公司20世纪90年代发明的码分多址(CDMA)移动通信系统中,采用软切换越区切换方法。图217 软切换示意图软切换具体可分为软切换和更软切换。软切换和更软切换的区别在于:更软切换发生在同一 NodeB(基站节点)的不同小区之间,在 NodeB对上行信号进行最大比合并;软切换发生在不同 NodeB的不同小区之间,在 RNC(无线网络控制器)对上行信号进行选择性合并;由于最大比合并的增益比选择合并大,更软切换性能比软切换好。此外,由于更软切换合并在 NodeB进行,因而也不会占用Iub接口的传输资源。软切换
40、的优点是切换的成功率高。其缺点:一是只能应用于终端在相同频率的小区或扇区间切换的情形;二是浪费资源,软切换实现的增加的系统容量被它本身所占用的系统容量所抵消。(3)接力切换:是一种应用于同步码分多址(SCDMA)移动通信系统中的切换方法,是TD SCDMA 移动通信系统的核心技术之一。其设计思想是利用智能天线和上行同步等技术,在对 UE的距离和方位进行定位的基础上,将 UE方位和距离信息作为辅助信息来判断目前 UE是否移动到了可进行切换的相邻基站的临近区域。如果 UE 进入切换区,则RNC通知该基站做好切换的准备,从而达到快速、可靠和高效切换的目的。这个过程就像是田径比赛中的接力赛跑传递接力棒一样,因而形象地称之为“接力切换”。接力切换的优点是将软切换的高成功率和硬切换的高信道利用率综合起来,应用于不同载频的 SCDMA 基站之间,甚至是 SCDMA 系统与其他移动通信系统如 GSM、IS 95的基站之间,以实现不中断通信、不丢失信息的理想的越区切换。2.6.2 三种切换方式比较三种切换方式比较图218 三种切换方式的比较三种切换方式的现实应用如下:(1)硬切换:GSM。(2)软切换:CDMA2000。(3)接力切换:TD SCDMA。三种切换方式的效果比较如表22所示。
