摘 要

当今时代，移动通信系统的应用已经普及并不断发展，它的实现离不开相关技术的支撑。在众多的技术中，功率控制技术作为移动通信系统的关键技术组成部分，在每一代移动通信系统的开发过程中都备受重视。

移动通信的功率控制技术主要是指移动通信中对功率大小进行调控、使功率值满足一定条件的技术。在保证用户间通信质量的前提下，功率控制技术的应用可以尽可能的降低信息传输功率，以此来达到减少电磁污染，降低功率损耗的目的。除此之外，功率控制技术的应用还可以有效的减少通信中存在的多址干扰问题与远近效应问题。

本文主要研究3G与4G移动通信系统中功率控制的相关理论知识。其中重点研究了3G通信系统反向链路中的闭环与开环功率控制实现的基本原理。在此基础上，以BPSK调制解调的WCDMA系统为基本框架，完成了开环功率控制系统与闭环功率控制系统模型的搭建。并在Quartus II 15.0的开发环境下，利用Veirlog HDL语言对功率控制系统模型中的各个模块进行设计，完成仿真。

关键词：功率控制；通信系统；远近效应；系统仿真

Abstract

Nowadays, the application of mobile communication system has been popularized and developed, and its implementation is inseparable from the support of relevant technology. In many technologies, power control technology is the key technology component of mobile communication system, and it is highly valued in the development of every generation of mobile communication system.

Power control technology, as its name implies, is the technology that controls power in mobile communication. On the premise of guarantee the quality of communication between the users, the application of the power control technology can reduce information transmission power as far as possible, in order to achieve reduce the electromagnetic pollution, the purpose of reducing power loss. In addition, the application of power control technology can effectively reduce the problem of multiple access interference and remote effect in communication.

This paper mainly studies the basic knowledge and methods of power control in 3G and 4G mobile communication systems. In this paper, the basic principle of open loop and closed-loop power control in the reverse link of 3G communication system is studied emphatically. On the basis of this, BPSK modulation and demodulation system is the basic frame, which completes the construction of the open-loop power control system and the closed-loop power control system model. In the development environment of Quartus II 15.0, the various modules in the power control system model are designed and simulated using Veirlog HDL language.

Key Words: Power control; Communication system; Distant effect; System simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及功率控制技术简介 1

1.2 研究的目的及意义 2

1.3 主要研究内容 2

第2章 移动通信中功率控制技术的研究 4

2.1 移动通信中功率控制准则及影响因素 4

2.1.1 移动通信中功率控制准则 4

2.1.2 移动通信中影响功率控制的因素 6

2.2 移动通信中功率控制的常见方法 7

2.2.1 闭环功率控制技术与开环功率控制技术 7

2.2.2 反向链路功率控制技术与前向链路功率控制技术 8

2.2.3 分布式功率控制技术与集中式功率控制技术 9

2.3 第三代移动通信系统功率控制技术 9

2.3.1 CDMA2000系统功率控制 9

2.3.2 WCDMA系统功率控制 11

2.3.3 TD-SCDMA系统功率控制 12

2.4 LTE系统功率控制技术 13

第3章 WCDMA功率控制系统的设计 15

3.1 系统总体设计 15

3.2 BPSK调制与解调模块设计 16

3.2.1 正弦信号发生器 16

3.2.2 BPSK调制模块 18

3.2.3 BPSK解调模块 19

3.3 反向开环功率控制模块设计 22

3.4 反向闭环功率控制模块设计 25

第4章 总结 29

参考文献 30

致谢 31

第1章 绪论

1.1 研究背景及功率控制技术简介

随着时代的发展与科技的进步，移动通信系统已被广泛应用并进入了高速发展期。从第二代到第五代的发展历程中，通信系统不仅仅在通讯的速度上得到了大幅度的提升，而且在其它各方面的性能上也有了质的飞跃。

移动通讯的飞速成长，离不开相应的通讯技术的支持。例如，在第三代移动通信的实现过程中，利用到了功率控制、软切换、分集接收与RAKE（路径分集）接收等技术。在每一代移动通信系统研发的过程当中，功率控制技术都备受关注。功率控制系统性能的好坏对通信的质量与用户的体验有着直接影响，所以在移动通信发展的历程中，功率控制系统的性能也在不断升级优化。

功率控制，顾名思义，就是在通信系统中对功率进行控制。具体而言，其主要是对移动端与基站发出的无线信号的功率进行控制，使其达到一种平衡，在这种平衡下，不仅可以保证用户间的通信质量，使通信流畅稳定，而且可以降低信息传输功率，以此来达到减少电磁污染，降低功率损耗的目的。

在无线通信实现的过程中，移动用户所持的移动台与基站之间的信息交换是最基本的通信单元。然而，在以基站为中心的小区内，移动台的数量和基站与移动台之间的距离都是不确定的，移动台与基站之间的通信距离不同，其所需要的发射功率也会不同。如果将移动台的发射功率保持在一个较高的恒定值以满足小区内任何一点与基站之间通信的功率需求，此时距离基站较近的移动台所发出的功率会比原本所需要的功率高很多。在这种情况下不仅仅虚耗了很多资源，而且过大的功率会对小区内距离基站台稍远的用户的通信造成影响。如果移动设备处于小区边缘，“以强压弱”的现象会更加明显，导致小区边缘用户的通信无法正常进行，此类现象在通信系统中称为“远近效应”。由于以基站为中心的各个小区之间并没有明确界限，所以，在前向链路中，如果移动设备处于小区的边缘，其可能会受到临近小区基站台的影响，导致通信质量的下降，此类现象在通信系统中称为“边缘效应”。在通信系统中，为了达到区分小区内用户的目的，通常会给每个用户分配不同的扩频码。然而在通信的过程中由于受到一些相关因素的影响，使得信号在接收端接收时并不会完全正交，此现象在通信系统中称为“多址干扰”。

功率控制技术的引入将会很好的解决上述通信系统中存在的问题、保证通信质量。所以，无论是在减少能耗、减少电磁污染方面还是在保证通信质量方面，功率控制技术都是不可或缺的重要组成部分。

1.2 研究的目的及意义

功率控制技术的应用在移动通信系统的实现过程中至关重要，它可以很好的缓解实际通信中存在的“远近效应”、“边缘效应”以及“多址干扰”等问题^[1]。功率控制技术的引入使系统可以更好的补偿信道衰落，使得系统的整体性能得到提升，从而使通信的质量更加优秀。所以说，缺少功率控制技术的移动通信是不完善的，是无法投入实际运营的。

当前已投入实际应用的功率控制方法有许多，若以链路方向为标准进行划分，可以分为下行链路功率控制技术与上行链路功率控制技术；若以功率控制的实现方式为标准进行分类，可分为分布式功率控制技术和集中式功率控制技术；若以功率控制的类型为标准进行分类，可以分为闭环功率控制技术与开环功率控制技术。

不同的功率控制技术在性能上是有区别的，相同的功率控制技术在参数设置不同时，性能上也会不同，所以，本次对功率控制技术进行研究的主要目的是在充分掌握功率控制技术相关原理的基础上，对不同的功率控制技术的流程进行分析对比，对它们之间的联系与区别进行研究，并对系统的相关算法与参数进行优化，提升功率控制系统的性能。

充分研究功率控制技术的原理与基本流程，可以加深对移动通信系统中功率控制技术的认识与了解，只有在充分认识的基础上，才能对系统进行更好的优化，从而提升功率控制系统的性能。对不同的功率控制系统进行对比分析，可以充分认识不同系统之间的区别与联系，得出相关结论的同时，可以将不同的系统与不同的实际情况相匹配，得出不同系统的最佳工作环境，从而更好的将功率控制技术应用于实际的移动通信中。

1.3 主要研究内容

本文的主要研究内容是第三代与第四代移动通信中的功率控制方法。其主要是对不同系统涉及到的算法与具体流程进行深入的学习，其中重点包括对系统的运行流程以及相关功率控制模块的组成的研究。除此之外，在研究功率控制技术的同时，也需对通信的基础知识进行研究，其中重点研究BPSK（二进制相移键控）的解调、调制方法。最后，以WCDMA（宽带码分多址）反向链路功率控制系统为基础、在Quartus II 15.0中，利用Veirlog HDL语言对系统进行搭建与仿真。论文内容安排如下：

第1章绪论部分主要介绍本文研究的背景、目的、意义以及内容，其中重点分析了本次研究的目的及意义。在介绍相关内容的同时，也简单的对功率控制技术的基本知识进行阐述。

第2章主要内容为移动通信中功率控制技术的基础知识。此部分首先说明了当前通信系统中的功率控制准则，包括误码率平衡准则、混合平衡准则、功率平衡准则以及信号干扰比平衡准则；然后，对功率控制中所存在的影响因素进行说明；最后对四个系统的功率控制技术的基础理论知识进行详细说明。

第3章主要内容为WCDMA反向链路功率控制系统的设计与仿真。首先，在Quartus II 15.0的开发环境下对系统进行搭建，搭建完成后调用Modelsim等相关仿真软件进行波形的仿真。其中，以BPSK调制解调系统为基础，以反向链路中开环功率控制系统与闭环功率控制系统为目标进行系统的搭建与仿真。并对相关的结果进行说明。

第4章为全篇的总结部分。此部分主要是对WCDMA中反向链路的开环功率控制系统与闭环功率控制系统所涉及到的相关基础知识进行总结。在此基础上，对仿真部分的相应结论做重点分析，指出系统的不足之处，并提出相应的修改措施。

第2章 移动通信中功率控制技术的研究

2.1 移动通信中功率控制准则及影响因素

2.1.1 移动通信中功率控制准则

在移动通信中，功率控制技术是指接收端以接收到的信号的振幅为依据来测量信号的功率并与预设值作比较生成功率调控指令，与此同时，通过反馈信道将功率调控信息传回发射端，以此来调控发射端的发射功率。

从原理上来看，移动通信中的功率控制准则大体分为基于功率平衡的调控准则、基于信噪比平衡的调控准则、误码率平衡准则以及混合平衡准则。

（1）基于功率平衡的调控准则

功率平衡准则的基本内容是维持接收端接收信号的功率值不变，其实质是为了保证信号接收端接收到的有用信号的功率值为一个恒定值。在移动通信反向链路系统中，功率平衡就是要保证各移动设备所发出的信号到达基站时功率值相同；在移动通信的前向链路系统中，功率平衡就是保证各个移动端接收到基站发出的信号的功率值应该相同。

在反向链路中，假定，每个基站台接收到的来自于小区内各移动设备的有用信号功率值都为P，则第i个基站接收到的第l个移动设备的信号功率。

此时，某基站处的干扰信号来自于其它移动设备信号，其为：

(2.1)

在公式2.1中，表示来自于其它移动设备的干扰信号，N为基站的数量， 表示第i个基站处所包含的移动设备的数量，为第i个基站处所包含的第k个移动设备到第j个移动设备的衰弱因子。

此时，基站处接收到的信号干扰比公式为：

(2.2)

在前向链路中，假定，每个移动设备收到的来自于基站台的信号的功率值都为P，则第l个移动设备收到的第i个基站台的信号的功率。

此时，某移动台处的干扰信号来自于其它的基站台，其为：

(2.3)

在公式2.3中，为某移动设备处接收到的来自于其它基站的干扰信号。

此时，移动设备接收到的信号干扰比公式为：

(2.4)

（2）基于信噪比平衡的调控准则

基于SIR（信号干扰比）平衡准则的要求是保持接收端接收信号的干扰比不变，其实质是确保信号接收端接收到的有用信号的干扰比为一个恒定值。在移动通信反向链路系统中，SIR平衡的目标是使基站处接收各个移动设备有用信号的信号干扰比相同；在移动通信的前向链路系统中，SIR平衡就是使移动设备接收到基站的有用信号的信号干扰比为一个不变的值。

如果通信系统是单小区蜂窝系统，则在该系统的反向链路中，当移动设备有用信号到基站台的信号功率相同时，此时相对应的基站接收各移动设备的有用信号的信号干扰比也是相同的。所以，对于单小区蜂窝系统的反向链路而言，SIR平衡准则与功率平衡准则是等同的^[2]。

在反向链路中，假定各移动设备发射的信号到其所属小区的基站台时功率值是相同的，并假设此功率为，则第l个移动设备到i个基站台的信号的功率值。

此时，基站台接收的来自于其它移动设备的干扰信号公式为：

(2.5)

此时，基站处接收到的信号干扰比公式为：

(2.6)

在单小区蜂窝系统的前向链路中，SIR平衡准则的含义将不同于功率平衡准则的含义，这种不同主要是因为前向链路系统中移动设备会受到多个小区基站台的干扰。所以，在前向链路系统中，假定第i个基站台发射到第l个移动设备时的信号功率为，则对应的移动设备接收到的对应基站台的有用信号功率为。假定，第i个基站发射信号的总功率为，则来自于其它基站发射来的干扰信号公式为：

(2.7)

此时，某移动设备接收到的信号干扰比SIR的公式为：

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