WCDMA移动通信中功率控制的研究与仿真

中文摘要
　　随着社会的发展，人类的政治、经济活动范围日益扩大、效率不断提高，这些对通信服务提出了更高的要求。新一代的移动通信是个人通信，也叫做第三代移动通信系统（3G），这是当今通信领域最热门的话题之一。移动通信的目标就是要实现无论任何人在任何时候和任何地点，都能够和任何其他人进行任何类型的信息交换。目前，国际电信联盟（ITU）接受的宽带CDMA方案有三种：WCDMA、CDMA2000以及TD-SCDMA。
　　本文主要研究WCDMA下行链路的功率控制。文章首先介绍了移动通信的发展历史和第三代移动通信的发展状况；接下来介绍了WCDMA的相关知识和其关键技术；然后介绍功率控制的准则、分类、方法和国内外的研究现状等；最后介绍对下行功率控制的SIR参数的研究仿真，深入探讨了功率控制。在移动通信系统中，技术频带和发射功率都是有限的系统资源，如何更好地利用这些资源是所有相关技术研究的最终目标。由于要求第三代移动通信系统，是一个能支持多业务、多媒体、综合化的系统，在干扰抑制技术没有达到令人满意效果的时候，下行链路的负荷更大，前向链路将成为系统容量的瓶颈，故作为WCDMA关键技术之一的下行功率控制也就显得更加重要。随着前向链路的瓶颈问题越来越突出，对下行功率控制的要求也随之提高，所以研究下行功率控制具有很好的现实意义。
关键词：3G，WCDMA，功率控制，SIR

Research and simulation about power control in WCDMA mobile communication system
Abstract
　　With the development of society, the scope of human political and economic activities are trend to expand and efficiency continues to improve, there has been a corresponding increase in demand for communication service. A new generation of mobile communications is personal communications, also known as third generation mobile communication system. This is one of the most popular topics among the field of communications, the goal is to achieve whoever at whenever and wherever, will be able to carry out whatever information with whomever . Currently, the International Telecommunication Union(ITU) accepted three types of broadband CDMA project : WCDMA、CDMA2000 and TD-SCDMA。
　　In this paper ,the major research is  WCDMA downlink power control. First ,introduced the history of the mobile communications development and development of the third generation mobile communications; Second, introduced WCDMA related knowledge and its key technologies; Third ,introduced  the rules, classifications, and methods of research and domestic and foreign the research status on power control; Finally introduced the research and simulation on SIR parameters in the downlink power control ,probing into the power of control .In mobile communication system, frequency and power are limited system resource, and how to make better use of these resources is the ultimate goal of all relevant technology research. For the third generation mobile communications system must be able to support more serves, multimedia, integrated system, interference suppression technology in the absence of satisfactory ,downlink load is greater and limits the system capacity. So as one of the key technologies of WCDMA ,downlink power control becomes more important. With the problem of downlink is more and more serious, the requirements of downlink power control increase. So the research of downlink power control has good significance.
Key words: 3G，WCDMA，Power control, SIR

绪论
1.1移动通信系统的发展历史
　　从移动通信的诞生到今天，移动通信已经有100多年的历史了。近10几年来，移动通信的发展极为迅速，大规模集成电路技术的不断进步，新的超大规模集成电路技术的产生和其它便携移动设备做得更小巧、更可靠。在这些新技术的推动下，无线通信技术获得了巨大的发展。同时，程控交换技术也推动了移动通信网络的迅速发展。移动通信已经广泛应用于国民经济的各个部门和人民的各个领域之中，将在新世纪对人类的生活和社会发展产生重大的影响。
　　我国的移动通信最早应用于军事部门。建国后有几家生产无线电台的工厂，主要为部队提供通信设备。从70年代开始，民用移动通信在我国开始发展。1974年制定了民用无线电话机的技术条件，简称74系列标准。80年代初，又制定了80系列标准。目前，在我国，各种移动通信系统如蜂窝网、无线电寻呼、无绳电话和集群系统都以极快的速度在发展[1]。
　　移动通信的发展过程及趋势可以从不同的方面来描述：
　　（1）工作频段由短波、超短波、微波到毫米波、红外和超长波；
　　（2）频道间隔由100kHz、50 kHz、 25 kHz 到12.5 kHz和宽带扩频信道；
　　（3）调制方式由振幅压扩单边带、模拟调制到数字调制；
　　（4）多址方式由频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）到混合多址，以及固定多址和随机多址的结合；
　　（5）网络覆盖由蜂窝到微蜂窝、微微蜂窝和混合蜂窝；
　　（6）网络服务范围由局部地区、大中城市到全国、全世界，并由陆地、水上、空中发展到海陆空一体化；
　　（7）业务类型由通话为主，到传送数据、传真、静止图象，到传送综合业务。
    而在现实生活中，我们经常按代（Generation）来划分移动通信的发展。由此，其已经经历了第一代蜂窝移动通信系统 (1G)---模拟蜂窝移动通信和现在的第二代蜂窝移动通信系统 (2G)--- 数字蜂窝移动通信系统，并向第三代迈进。
　　模拟蜂窝网移动系统采用的是频率再用技术，实现了小区制大容量公用移动电话系统，1975年到1978年，美国AT&T公司研制了第一套蜂窝移动电话系统，取名为先进的移动电话业务(AMPS)。我国于1983年规定蜂窝式移动电话系统频段为870~889.975MHz与915~935.975MHz，频道间隔为25kHz。1990年8月确定采用TACS制式，频段为890~915MHz与935~960MHz，双工频率间隔45MHz。
　　随着市场的发展，模拟蜂窝系统的频谱利用率低、价格昂贵、设备复杂、业务种类有限、系统不兼容等问题变得越来越突出，而且还面临着阻塞概率增高、呼叫中断率增高、蜂窝系统迫切需要增容的压力。至此，新一代移动通信的出现顺应了潮流的发展。
　　第二代移动通信（2G）起于90年代初期，流行于90年代中后期。第二代移动通信系统主要采用数字式时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）技术。其产品类型又可分为两大类，即第一类数字式TDMA系统和第二类数字式窄带 CDMA系统。与（1G）相比较其在射频调制技术、多址方式、话音编码和数字信号处理、控制信道、及保密等六个方面采用了全新的数字技术，因而使得移动通信性能增强了许多。
　　第二代系统发展到现在，也越来越暴露出其不足：(1)业务仍然较单一。第二代移动通信系统通常只提供低速率的语音业务，由于社会信息化进程越来越快，仅仅通话已不能满足人们对信息交流的需要，除话音外，数据、图像、视频等各种信息都希望能随时获取和彼此相通，多媒体服务就变得越来越必要。（2）无法实现全球漫游，由于没有形成全球统一的标准系统（欧洲建立GSM系统;日本建立了JDC系统，等等），全球统一和全球漫游无法实现，因此也无法降低系统的运营成本。(3)通信容量不足。开始是在900MHz频段，虽然后来扩充到1800MHz频段了，可系统的通信容量依然不能满足市场的需要。这一切都要求移动通信系统必然要发生另一场革命
　　第三代蜂窝移动通信系统(3G)--宽带蜂窝移动通信系统
　　第三代移动通信系统，是一种能提供多种类型，高质量、高速率的多媒体业务；能实现全球无缝覆盖，具有全球漫游能力；与其它移动通信系统、固定网络系统、数据网络系统相兼容；主要以小型便携式终端，能在任何时间、任何地点、进行任何种类通信的移动通信系统。国际电联ITU称为IMT-2000。可以预见，在市场需求的不断刺激和新技术的不断涌现下，移动通信系统将会有更加迅猛的发展。
1.2未来移动通信的发展前景
　　移动通信发展之快，应用之广和是通信领域最突出的。移动通信技术现在己经发展到了以WCDMA、cdma2000为代表的第三代。可以预料，在3G大规模商用以后，多媒体服务将会得到广泛应用。但是，随着3G在速率、QoS、无缝传输等方面的局限性将日益显露出来，势必需要带宽更宽的无线系统。人们已经开始认真探索第三代以后的无线移动，以便在移动环境中支持高清晰度视像和其它宽带多媒体业务与应用，暂时称之为第四代移动通信系统4G[2]。
　　移动通信是实现未来理想个人通信服务的必由之路。在信息技术、市场竞争和需求的共同作用下，移动通信技术的发展更是突飞猛进，呈现出以下几大趋势：（1）网络业务数据化、分组化。无线数据业务的主要驱动力在于用户的应用、Internet和数据速率的发展。（2）网络技术宽带化。（3）网络技术智能化，移动通信需求的不断增长以及新技术在移动通信中的广泛应用，促使移动网络得到了迅速发展。移动网络由单纯地传递和交换信息，逐步向存储和处理信息的智能化发展，移动智能网由此而生。（4）更高的频段，更有效利用频率，无线电频率是一种宝贵资源。随着移动通信的飞速发展，频谱资源有限和移动用户急剧增加的矛盾越来越尖锐，出现了"频率严重短缺"的现象。解决频率拥挤问题的出路是采用各种频率有效利用技术和开发新频段。（5）各种网络趋于融合。技术的发展、市场需求的变化、市场竞争的加剧以及市场管制政策的放松将使计算机网、电信网、电视网等加快融合为一体，宽带IP技术成为三网融合的支撑和结合点。未来的网络将向宽带化、智能化、个人化方向发展，形成统一的综合宽带通信网。
1.3本论文的内容与意义
　　功率控制技术是3G的关键技术之一，对整个系统有非常重要的意义：我们知道码分多址CDMA与频分多址FDMA相比较，具有容量大、低功率、软切换、抗干扰强等一系列优点。但是，在CDMA系统中所有的用户使用相同频段的无线信道，用户间仅靠地址扩频码的不同（它们之间的相关特性）加以区分。若用户间的互相关特性不为零，则用户间存在干扰，我们称之为多址干扰。同时由于CDMA系统为一干扰受限系统，即干扰大小影响系统容量。因此有效克服和抑制多址干扰就成为CDMA系统中最重要、最关键的问题。除了多址干扰本身影响直接以外，在上行链路中，如果保持小区内所有移动台的发射功率相同，由于小区内移动台用户的随机移动，使得移动台与基站间的距离是不同的，离基站近的移动台的信号强，离基站远的移动台的信号弱。将会产生以强压弱的现象，这就是所谓的"远近效应"。在下行链路中，当移动台位于相邻小区的边界时，收到所属基站的有用信号很低，同时还会收到相邻小区基站的强干扰，这就是所谓"角效应"。除此之外，电波传输中由于物体的阻挡，形成"阴影效应"产生了慢衰弱。这些现象将会导致系统容量的下降和实际通信服务范围的缩小等。解决这些问题的一个有效方法是采用功率控制技术。因此可以认为，功率控制技术是CDMA系统的一项核心技术。
    本文通过对功率控制的理论研究及仿真，从而可以清楚的认识到功率控制对WCDMA系统的重要性，从而，对WCDMA系统原理和其关键技术--功率控制有更深刻的认识。

3G的发展与WCDMA通信系统
2.1 3G的发展概况
　　由于3G是以CDMA为基础发展而来的，有必要先谈谈CDMA的发展。
　　1949年，Claude Shannon等人首次给出了CDMA框架，1956年，Price和Green提出RAKE接收机的概念，1978年Cooper等人给出在蜂窝移动通信系统中采用CDMA的建议。可以说CDMA技术由来已久，但在当时，CDMA或者确切地说扩频技术除了应用在军事领域外，还找不到更好的应用[3]。
    上个世纪80年代可以说是移动通信发展的重要时期，因为这个时候几乎同时萌芽了两种重要的移动通信体制：一种是TDMA体制，另一种是CDMA体制。1987年，欧洲确立了下一代移动通信体制将以TDMA技术为主，谈到CDMA时则认为是几乎无法实现的体制，国内的技术评论和分析也大致给出了相似的结论，TDMA的研究开发热情最终导致一个几乎被全球接收的GSM和其它类似系统如DAMPS和PDC。而几乎与此同时，一家美国的公司Quallcomm则坚定地研究CDMA技术，在当时，力量显得非常微弱，1989年Quallcomm进行了首次CDMA试验，并在以后的几年中验证了两项CDMA关键技术：功率控制和软切换，随后通过网络运营说明CDMA的可行性。90年代中后期CDMA研究、开发热潮正式来临，就连老牌的TDMA设备制造商Ericcson也在3G中支持CDMA技术，NOKIA很早就在积蓄CDMA力量，因此出现这样的局面，在3G标准化进程中CDMA成了主流技术。
    第三代移动通信系统简称3G，被国际电联称为IMT-2000，意指在2000年开始商用并工作在2000MHz频段上的国际移动通信系统。IMT-2000的标准化工作开始于1985年，当时被国际电联称为未来陆地移动通信系统（FPLMTS），1996年更名为IMT-2000，在欧洲被称为通用移动系统（UMTS）。3G网络是以无线媒质作为接入和传输手段的个人通信网，包括高密度慢速移动通信、高速远距离移动通信以及卫星移动通信等，它是第二代数字移动通信系统发展的必然趋势，必将推动移动通信产业的巨大发展。据UMTS会议估计，到2010年欧洲大约有60%的业务由移动多媒体的应用来完成。同时，全世界范围内移动数据通信也将有相应的增加，预计在下一个五年中，每一年的增长率为70%左右。多媒体应用使用诸如语音、音频/视频、图形、数据与电子邮件、电路交换与分组数据业务等等类似的业务，它们受到无线接口和网络子系统的支持。近几年来Internet业务呈指数规律的迅猛增长成为驱动数据业务发展的一个主要因素。第三代移动通信系统(IMT - 2000/UMTS)中，不同的业务需求是通过频分双工(FDD)与时分双工(TDD)的相互结合来提高频谱利用率而得以实现的。FDD在很大范围内主要支持对称业务，而TDD则适用非对称业务。只有将这两种模式结合在一起才能够为第三代通信网络提供最高的效率和最大的灵活性。第三代系统是为多媒体通信设计的:通过该系统提供高质量图像和视频，人与人之间的通信能力进一步增强，而第三代系统所带来的更新、更灵活的通信能力和更高的数据速率使得公用网和专用网上的信息与业务的接入能力大大增强。
　　与第三代蜂窝移动通信系统密切联系的IMT-2000标准不但要满足多速率、多环境、多业务的要求，而且还应能将现存的通信系统集成为统一的可替代的系统，因此它能够实现下列基本目标:(1)统一的全球标准。下一代移动通信系统即便不能形成统一的全球标准，但也要实现兼容的标准，从而实现全球漫游。目前，WCDMA和CDMA2000基本上得到多方认可.但在中国，时分空分码分多址(TD-SCDMA)仍可能作为重点加以发展。只有用户不再被限制于一个地区或者网络，才是真正意义上的随时随地个人通信。(2)具备多媒体传输能力。未来的移动系统能够在低速移动的情况下，实现综合慢速视像业务的传输，支持的最高传输速率达到2Mbps（3）增加分组交换业务。第二代移动通信系统停留在传统的电路交换模式，在信道效率方面相对较低。在第三代移动通信系统中，电路交换和分组交换将共同存在，提高传输的灵活性和信道效率。(4)增加非对称传输模式。由于新的数据业务，比如www浏览等，具有固有的非对称特性，上行传输往往只需要几千比特每秒，而下行却需要上兆比特每秒才能满足需要。而第二代移动通信系统只支持对称业务。(5)加强的数据能力。未来的移动通信系统在www浏览和数据传送方面的能力，比之第二代系统将有极大的提高，最高的数据传送速度达到2Mbps。 (6)更好的传输质量。未来的移动通信系统使得传输质量达到或者接近有线系统的传输质量，可以为车载用户提供144kbps，为行人提供384 kbps，为室内用户提供高达2 Mbps的传输速率。(7)提高电池的使用寿命。低功耗集成技术对于移动终端是非常重要的。(8)更高的频谱效率。通过软切换、快速精确的功率控制、相干检测、RAKE合并接收、智能天线系统等新技术的应用，有效地提高新系统的频谱效率。(9)更高的信道效率。混合接入，特别是考虑到空间多址的基于智能天线的接入技术，必将有效改善系统的信道效率[4]。
2.2 3G与前两代通信系统的区别
　　第三代移动通信区别于现有的第一代和第二代移动通信系统，其主要特点概括为[5]：
 （1）全球普及和全球无缝漫游的系统：第二代移动通信系统一般为区域或国家标准，而第三代移动通信系统将是一个在全球范围内覆盖和使用的系统。它将使用共同的频段，统一全球标准。
（2）具有支持多媒体业务的能力，特别是支持Internet业务：现有的移动通信系统主要以提供话音业务为主，随着发展一般也仅能提供100kb/s-200kb/s的数据业务，GSM 演进到最高阶段的速率能力为384kb/s。而第三代移动通信的业务能力将比第二代有明显的改进。它应能支持从话音到分组数据到多媒体业务；应能根据需要，提供带宽。ITU规定的第三代移动通信无线传输技术的最低要求中，必须满足在以下三个环境的三种要求。即:
　　快速移动环境，最高速率达144kb/s
　　室外到室内或步行环境，最高速率达384kb/s
　　室内环境，最高速率达2Mb/s
（3）便于过渡、演进：由于第三代移动通信引入时，第二代网络已具有相当规模，所以第三代的网络一定要能在第二代网络的基础上逐渐灵活演进而成，并应与固定网兼容。
（4）高频谱效率。
（5）高服务质量。
（6）高保密性。
（7）低成本。
2.3 第三代移动通信的系统组成及演进策略
　　IMT-2000系统构成见图2-1，它主要有四个功能子系统构成，即核心网(CN)、无线接入网(RAN)、移动台(MT)和用户识别模块(UIM)组成。分别对应于GSM系统的交换子系统(SSS)、基站子系统(BSS)、移动台(MS)和SIM卡[6]。

目录
第一章 绪论 1
1.1移动通信系统的发展历史 1
1.2未来移动通信的发展前景 2
1.3本论文的内容与意义 3
第二章 3G的发展与WCDMA通信系统 4
2.1 3G的发展概况 4
2.2 3G与前两代通信系统的区别 5
2.3 第三代移动通信的系统组成及演进策略 6
2.4 第三代移动通信系统关键技术 7
2.5 WCDMA的产生背景及标准化 9
第三章 功率控制技术 14
3.1 功率控制概述 14
3.1.1 功率控制目标 14
3.1.2 功率控制准则 14
3.1.3功率控制分类 15
3.2 功率控制主要影响因素及存在问题 16
第四章 下行功率控制技术 18
4.1下行链路功率控制的原理 18
4.2 WCDMA下行功率控制技术标准 19
4.3下行外环功率控制 20
4.4下行内环功率控制 21
4.5 软切换时的功率控制 22
第五章 功率控制技术的研究与仿真 23
5.1 功率控制的研究现状 23
5.2方案比较 23
5.3研究仿真 24
结论 32
谢辞 33
参考文献 34
附录 35