北邮信息理论 与技术教研中心北邮信息理论 与技术教研中心BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center第十二章第十二章 链路自适应技术链路自适应技术主讲人主讲人: 牛 凯牛 凯2BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 12.1 引言引言 12.1.1 自适应传输的必要性 传播环境和信道特性两个主要特点：慢时变性与传播 环境的差异性。 1. 慢时变性 移动信道的慢时变特性可分为两个层次，一个是慢阴 影衰落，另一个是慢平坦衰落。 (1) 慢阴影衰落 关于慢衰落可以有不同的定义和理解，传统的理解比 如以一天为基准，或以一月/一年为基准，但是此处的 慢是指电波在传播过程中受到大型建筑物和相应障碍 物阻挡造成的“阴影”效应而引起的衰落现象，称为慢 阴影衰落。 慢阴影衰落的统计特性服从对数正态分布模型。3BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center (2) 慢平坦衰落 这类信道形成机理与慢衰落信道不一样，它主要是 指，由于传播中的多径，亦即由于收、发天线的角 度扩散，引入多径传输形成的空间选择性衰落，然 而在时、频域上是平坦的，特别是在时域上是慢变 化的。 若多径传播模型中无直达路径，则在接收端收到的 信号衰落幅度的服从Rayleigh分布；若多径传播模 型中，存在一个主要直达路径，则信号衰落幅度遵 从Rician分布。4BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 2. 传播环境的差异性 上行(反向)链路的“远近”效应，在上行链路中，由于小区内 用户的随机移动，使各用户的移动台与基站间的距离不相 同，若小区内各用户发射功率相同，则到达基站后信号强度 不一样，离基站近的用户比离基站远的用户信号强，这样在 基站接收端将会产生以强压弱的现象，同时由于通信系统中 的非线性将进一步加强这一过程，这就是所谓的“远近”效应。 下行(前向)链路的“角”效应，在下行链路中，当用户移动台 位于小区边缘交界处，它接收到所属基站的信号比较弱，但 同时还会受到邻近小区基站信号的较强干扰，特别是在六角 形拐角边缘地区尤为严重，故称它为“角”效应。5BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 12.1.2 克服慢时变与传输信道差异性的主要 措施 最有效的措施是采用自适应传输技术，但是它必须 具备两个附加条件：一是准确的信道估计，以掌握 信道状态信息；二是具有反馈信道及时传送信道状 态信息。 根据不同类型的业务需求，自适应技术可以分为两 大类型。适应于电路交换型业务，特别是话音业务 的功率自适应的功率控制技术。适应于分组交换型 业务，特别是数据业务的速率自适应技术。6BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center自适应传输的物理模型自适应 编码、调 制自适应 功率控制分配、调度算 法反馈信道解调、解码信道估计输入发射机时变信道( )g t( )n t接收机输出7BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center12.2 功率控制原理功率控制原理 12.2.1 引入功率控制的必要性 引入功率控制的目的主要有： 1、克服“阴影”效应带来的慢衰落； 2、克服由于多径传播、空间选择性衰落而引入的慢平 坦衰落，它也可以称为窄带多径干扰； 3、克服上行链路中“远近”效应； 4、克服下行链路中“角”效应； 12.2.2 功率控制准则 所谓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。功率控制准则从原理上 看，可以大致分为：功率平衡准则、信噪比平衡准则、 混合平衡准则以及误码率平衡准则。8BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center1、功率平衡准则 功率平衡是指在接收端，对各用户收到的信号功率应相等。 2、信号干扰比SIR平衡准则 SIR平衡是指接收到的信号干扰比 SIR应相等。 3、功率平衡和SIR平衡混合体制 为了克服SIR的正反馈而带来的系统不稳定性，将功率平衡 与SIR平衡相结合的混合体制准则。 4、误码率BER平衡准则 以误码率BER平衡作为功控准则，但是具体实现存在下列困 难：BER与SIR或信号功率之间不存在简单的线性对应关 系，且与信道性质有关，所以很难建立具体分析模型；存在 一定时延，与求BER平均值的时间段是相互矛盾的。9BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 12.2.3 功率控制的分类与方法功率控制的分类与方法 在移动通信中的功率控制一般可以按照上、下行链路来分 类，若从功控的方法看，可以分为开环、闭环和外环控制。 1. 上行(反向)功控 在移动通信中，上行(反向)功控是指控制用户(移动台)的发 射频率，使得基站接收到的小区内所有用户(移动台)发射 至基站的信号功率或信号干扰比SIR基本相等，它可克服 “阴影”效应。 2. 下行(前向)功控 下行链路中的功控实质上是根据接收不同用户(移动台)导频 信号的强弱，对基站发射机功率的再分配，即为自适应 (慢变化)功率分配。 下行(前向)功控是根据信道，慢变化自适应的分配各业务信 道的功率份额，使小区中所有用户(移动台)收到的导频信 号功率或信号干扰比SIR基本相等。10BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center3. 开环功率控制 用户移动台(或基站)根据下行(或上行)链路接收到的信号强 度或者SIR，对信道的衰落情况进行实时估计。 开环功率控制的主要优点是简单易行，对付由于“阴影”效应 引起的慢衰落很有效 ；主要缺点是对于由于空间选择性衰 落即多径传播引起的慢平坦衰落一般性能很差。 4. 闭环功率控制利用上行基站收通过一个反馈闭合环路送至移动台控制移动 台上行发送(反馈回路传输时延很小可忽略)，实现精确的功 率控制。 闭环功控主要优点是精确度高，主要缺点是闭环功控比开环 功控要复杂得多，且开销大，若用于小区间硬切换时，易于 产生“乒乓”式控制 。11BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center12.3功率控制在移动通信系统中的 应用功率控制在移动通信系统中的 应用 12.3.1 IS-95系统中的功率控制 IS-95中采用的功率控制方案，按方向可分为上行 (反向)和下行(前向)功控，若按在功控过程中基站 和移动台是否同时参与，又可分为开环(不同时参 与)与闭环(同时参与)两类。 在IS-95中下行(前向)链路优于上行(反向)链路，这 是由于下行采用同步码分体制，而上行采用的是异 步码分体制。在IS-95中下行(前向)链路的功率控制 是非重点，它可以采用较简单的慢速闭环功率控制 方案。下行功控实质上是对下行功率的最优分配。12BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center在IS-95中由于上行(反向)采用的是异步码分体制，其性能比 同步码分的差，所以在功控要求方面要高一点；上行(反向) 功率控制方案由初控、精控与外环控制三个基本部分组成。 (1)初控：由移动台完成开环入网功率控制以实现初控功 能； (2)精控：由移动台与基站之间相互配合共同完成闭环功率 修正的精控功能，采用精控是由于IS-95是CDMA/FDD体 制，其上、下行频段相差45MHz，远远大于800MHz频段上 的相干带宽200kHz，因此上，下行链路衰落是不相关的， 仅仅采用单向开环是实现不了精确功率控制功能的； (3)外环控制：利用外环传送在一定误帧率质量指标下，闭 环精控中的门限阈值。13BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 1. 开环功率控制算法 确切地说开环功控主要是完成入网信道的功率初控，每次用 户移动台入网尝试都要通过多次入网探测，每次根据额定开 环功率步长增加发射功率，一直到用户移动台接收到 基站发送认可消息探测序列才结束发送。 开环功控有两个主要功能：其一是调整移动台初始接入时发 射功率，其二是补偿和弥补由于路径慢时变损耗包含“阴影” 与“远近”效应引入的衰耗。 开环入网功控主要由移动台完成，为了能补偿上行传播中的 “阴影”效应和“远近”效应，开环需要有较大的动态范围：大 约。0.5dB32dB14BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 2. 闭环功率控制算法与调节步骤 闭环功控是对开环功控提供一个快速精确校正以实现系统功 率自适应。 闭环功控核心思路为收端提取信道估计信息并进行判断给出 功控指令，通过反馈信道传送功控指令至发端，发端执行并 调整发送功率。 对于闭环功控IS-95中仅定义了以下两点：第一点定义了控 制比特的含义：“0”表示增加功率，“1”表示减少功率；第二 点控制比特速率为，其中 ,闭环功率控制范围 小于开环动态范围为：。1/1.25800/bitmsbit s= 1.2520()/16()msms=话音帧长功控组数 24dB15BUPT Information Theory & Technology Education & Research CenterQualcomm功控方案原理接收机相关器哈达玛 变换用户数据 译码速率 判决外环功 控处理门限 比较增减 指令产生发射机PN码 产生器信道 估计1,(/)btpEN00,(/)bpEN16BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center上行(反向)功率控制比特传输的原理示意图01反向 业务信道 1.25ms每个话音帧20ms=96Walsh调制符号=166功控组23456789101112131415基站 （1）测量信号强度（2）将测量值变成功控比特（3）发送功控比特正、反向链路延时前向 业务信道01234567891011121314152.5ms0123456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 192321 2220012345212022 23用于定位的长码比特每个功控组含 24个比特符号功控比特占用两个调制比特16种可能开始的功控位置不用于功控的比特1个功控组（1.25ms）=24个比特符号* 16=帧长 调制符号速率20ms 19.2 kbit24bit/16=每个功控组17BUPT Information Theory & Technology Education & Research Center 12.3.2 CDMA2000中的功率控制 CDMA2000 1x中，上、下行RC1与RC2由于与IS-95相互兼 容，所以功控方案基本上一致。与IS-95不同的是， CDMA2000中的800bps的快速功率控制不仅可以用于上行 (