WCDMA系統(tǒng)中的功率控制研究

1 概述

功率控制是WCDMA系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于遠(yuǎn)近效應(yīng)和自干擾問題，功率控制是否有效直接決定了WCDMA系統(tǒng)是否可用，并且很大程度上決定了WCDMA系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，對(duì)于系統(tǒng)容量、覆蓋、業(yè)務(wù)的QoS（系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量）都有重要影響。

功率控制的作用首先是提高單用戶的發(fā)射功率以改善該用戶的服務(wù)質(zhì)量，但由于遠(yuǎn)近效應(yīng)和自干擾的問題，提高單用戶發(fā)射功率會(huì)影響其他用戶的服務(wù)質(zhì)量，所以功率控制在WCDMA系統(tǒng)中呈現(xiàn)出矛盾的兩個(gè)方面。

WCDMA系統(tǒng)采用寬帶擴(kuò)頻技術(shù)，所有信號(hào)共享相同頻譜，每個(gè)移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)能量被分配在整個(gè)頻帶范圍內(nèi)，這樣移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)能量對(duì)其他移動(dòng)臺(tái)來(lái)說就成為寬帶噪聲。由于在無(wú)線電環(huán)境中存在陰影、多徑衰落和遠(yuǎn)距離損耗影響，移動(dòng)臺(tái)在小區(qū)內(nèi)的位置是隨機(jī)的且經(jīng)常變動(dòng)，所以信號(hào)路徑損耗變化很大。如果小區(qū)中的所有用戶均以相同的功率發(fā)射，則靠近基站的移動(dòng)臺(tái)到達(dá)基站的信號(hào)強(qiáng)，遠(yuǎn)離基站的移動(dòng)臺(tái)到達(dá)基站的信號(hào)弱，另由于在WCDMA系統(tǒng)中，所有小區(qū)均采用相同頻率，上行鏈路為不同用戶分配的地址碼是擾碼，且上行同步較難，很難保證完全正交。這將導(dǎo)致強(qiáng)信號(hào)掩蓋弱信號(hào)，即遠(yuǎn)近效應(yīng)。

因此，功率控制目的是在保證用戶要求的QoS的前提下最大程度降低發(fā)射功率,減少系統(tǒng)干擾從而增加系統(tǒng)容量。

2 定義與縮略語(yǔ)

由于涉及到許多專業(yè)術(shù)語(yǔ)，我們?cè)诮榻B功率控制之前先介紹一些相關(guān)術(shù)語(yǔ)的定義。

active set：激活集合。
    UL interference： 上行干擾 。
    C/I: C/I=(RSCP/ISCP)×(SF/2) 信干比。
    Eb/No:每比特的信噪比，Eb是每一個(gè)碼元的能量，No分母是噪聲的功率譜密度。
    Ec/Io: Ec/Io＝RSCP/RSSI，體現(xiàn)了所接收信號(hào)的強(qiáng)度和干擾的水平。
    AICH： Access Link Control Application Protocol，接入鏈路控制應(yīng)用部分。
    AMR:Adaptive Multi-Rate，自適應(yīng)多速率。
    BER :Bit Error Ratio，比特差錯(cuò)率。
    BLER: Block Error Rate，誤塊率。
    CRC: Cyclic Redundancy Code，循環(huán)冗余碼。
    CS: Circuit Switched ，電路交換。
    VP: Video Phone，可視電話。
    DL: Downlink (Forward Link)，下行鏈路。
    Dpcch: Dedicated Physical Control Channel，專用物理控制信道。
    FER : Frame Error Rate，誤幀率。
    OVSF：Orthogonal Variable Spreading Factor，正交可變擴(kuò)頻因子。
    P-CPICH: Primary Common Pilot Channel，主公共導(dǎo)頻信道。
    PRACH: Physical Random Access Channel，物理隨機(jī)接入信道。
    QoS: Quality of Service ，業(yè)務(wù)質(zhì)量。
    RNC: Radio Network Control，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器。
    NodeB: WCDMA Base Station ，WCDMA基站。
    RSCP: Received Signal Code Power，接收信號(hào)碼功率。
    RSSI：Received Signal Strength Indicator，接收信號(hào)強(qiáng)度指示。
    RTWP: Received Total Wide band Power，接收總帶寬功率。
    SF: Spreading Factor，擴(kuò)頻因子。
    SIR：Signal-to-Interference Ratio，信干比。
    TPC: Transmit Power Control，發(fā)射功率控制。
    UE :User Equipment，用戶設(shè)備。
    WCDMA: Wideband Code Division Multiple Access，寬帶碼分多址。

3 功率控制的實(shí)現(xiàn)過程

功率控制的實(shí)現(xiàn)方式可以分為兩大類：內(nèi)環(huán)功控和外環(huán)功控。當(dāng)手機(jī)處于軟切換狀態(tài)時(shí)，快速功控會(huì)導(dǎo)致下行功率飄移。為了解決下行功率漂移問題 ，Serving-RNC需要對(duì)Node B進(jìn)行功率均衡。

3.1 內(nèi)環(huán)功控

內(nèi)環(huán)功控的主要作用是通過控制物理信道的發(fā)射功率，使接收SIR收斂于目標(biāo)SIR。WCDMA系統(tǒng)是通過估計(jì)接收到的Eb/No來(lái)發(fā)出相應(yīng)的功率調(diào)整命令的。Eb/No與SIR具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，例如對(duì)于12.2kbit/s的語(yǔ)音業(yè)務(wù)，Eb/No的典型值為5.0dB, 在碼片速率3.84Mchip/s的情況下，處理增益為10log10（3.84M/12.2k）=25dB。所以SIR＝5dB-25dB=-20 dB。即：載干比(C/I)>-20dB。

內(nèi)環(huán)功控分為開環(huán)和閉環(huán)兩種方式。開環(huán)功控目的提供初始發(fā)射功率的粗略估計(jì)，它根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)路徑損耗和干擾水平進(jìn)行估計(jì)，從而計(jì)算初始發(fā)射功率。

3.1.1 開環(huán)功控

初始功率P_PRACH = P-CPICH DL TX power – CPICH_RSCP + UL interference + Constant Value。P-CPICH DL TX power–CPICH_RSCP為下行路徑損耗。計(jì)算P_PRACH上行路徑損耗，并是根據(jù)下行信號(hào)所得到的路徑損耗來(lái)估計(jì)上行損耗。由于上下行頻段間隔較大，上下行的快衰落情況是完全不相關(guān)的，因此，這個(gè)估計(jì)值是很不準(zhǔn)確的。

UL interference ＝RTWP + SIR_TARGET_RACH-10logSF，為NODE B接收機(jī)所需接收信號(hào)功率。
     Constant Value是參數(shù)設(shè)定的常量。
     ConstantValueCprach， primaryCpichPower、RTWP可以從BCCH上得到。PCPICH_RSCP由測(cè)量得到。依據(jù)這些數(shù)據(jù)，我們可以得到P_PRACH的初始發(fā)射功率。

若UE沒有得到AICH中的指示，則Premble以powerOffsetPO的步長(zhǎng)增加發(fā)射功率，若得到AICH指示，則增加powerOffsetPpm。

3.1.2 閉環(huán)功控

閉環(huán)功控對(duì)通信期間上、下行鏈路進(jìn)行快速功率調(diào)整。在上行情況下，DPCCH將10ms的無(wú)線幀劃分為15個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙包含一個(gè)功控命令（TPC_cmd），由于功控速度高于快衰落，從而有效保證了慢速運(yùn)動(dòng)時(shí)的移動(dòng)臺(tái)接收質(zhì)量，以使鏈路的質(zhì)量收斂于目標(biāo)SIR。3GPP協(xié)議中上行鏈路的閉環(huán)功控可以采取兩種算法,上行功控步長(zhǎng)取1dB或2dB。DPCCH上的功控步長(zhǎng)調(diào)整量△dpcch=△tpc*TPC_cmd。TPC_cmd為利用不同算法得到的TPC合成命令。DPDCH的功率根據(jù)DPDCH和DPCCH之間的功率偏置來(lái)設(shè)置。功控過程如圖1所示。

圖1 閉環(huán)功控示意圖

圖1中，NODE B把估計(jì)的SIR與目標(biāo)SIR進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)SIR_UL_RLS >= SIR_TARGET 時(shí)，TPC Command =‘down’；當(dāng)SIR_UL_RLS < SIR_TARGET 時(shí) TPC Command =‘up’。

在評(píng)判內(nèi)環(huán)功控性能優(yōu)劣時(shí)我們主要觀察以下幾個(gè)指標(biāo)——

SIR的標(biāo)準(zhǔn)差：反映SIR的波動(dòng)情況，可以表示接收功率的波動(dòng)情況。
     SIRerr的均值：反映內(nèi)環(huán)功控的收斂情況。
     SIRerr的標(biāo)準(zhǔn)差：反映SIRerr的波動(dòng)情況。

3.1.3 內(nèi)環(huán)功控的測(cè)試驗(yàn)證

我們以華為設(shè)備AMR12.2kbit/s 話音業(yè)務(wù)和CS64K VP業(yè)務(wù)為例,驗(yàn)證上行內(nèi)環(huán)功控的效果。測(cè)試步驟如下：

（1）在覆蓋區(qū)里選取一條徑向路線和環(huán)向路線。

（2）用兩部測(cè)試UE作為測(cè)試電話。

（3）按低速（5km/h）和中速（50km/h）沿測(cè)試路線移動(dòng)，在路側(cè)儀上記錄CPICH RSCP、CPICH Ec/Io，在UE側(cè)記錄UE的發(fā)射功率，網(wǎng)絡(luò)側(cè)記錄上行的SIRtarget、SIR測(cè)量值和BLER。

（4）根據(jù)測(cè)試記錄數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)功率控制性能的效果。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果我們可以繪制SIR、SIRtarget、SIRerr時(shí)序圖，以及體現(xiàn)SIR測(cè)量值、SIR目標(biāo)值及SIR偏差隨時(shí)間變化的曲線（SIRerr為SIR測(cè)量值和SIRtarget的差值）。通過觀察，我們可以發(fā)現(xiàn)SIR測(cè)量值隨SIRtarget的變化而變化，因而可以定性地判斷內(nèi)環(huán)功控功能正常。