cdma系統(tǒng)的功率控制

北京市電信規(guī)劃設(shè)計院 王玨


　　【概述】功率控制是cdma系統(tǒng)的一項關(guān)鍵技術(shù)。本文介紹cdma（IS95和20001x）系統(tǒng)功率控制的實現(xiàn)方式。包括功率控制的時間響應(yīng)、IS95和20001x系統(tǒng)的反向開環(huán)和閉環(huán)功率控制，閉環(huán)功率控制又分外環(huán)功控和內(nèi)環(huán)功控；IS95和20001x系統(tǒng)前向功率控制以及實現(xiàn)功率控制的發(fā)送消息及相關(guān)幀結(jié)構(gòu)。



　　【關(guān)鍵詞】功率控制（PowerControl）、時間響應(yīng)、反向開環(huán)功率控制、反向閉環(huán)功率控制、反向內(nèi)環(huán)功控、反向外環(huán)功控、前向功率控制、率測量報告消息（PMRM）、功控比特（PCB）、功控組（PCG）、前向閉環(huán)功控、前向內(nèi)環(huán)功控（FILPC）、前向外環(huán)功控（FOLPC）。



　　【正文】



　　功率控制是cdma系統(tǒng)的一項關(guān)鍵技術(shù)。cdma系統(tǒng)是干擾受限的系統(tǒng)，移動臺的發(fā)射功率對小區(qū)內(nèi)通話的其他用戶而言就是干擾，所以要限制移動臺的發(fā)射功率，使系統(tǒng)的總功率電平保持最小。功率控制能保證每個用戶所發(fā)射功率到達(dá)基站礎(chǔ)保持最小，既能符合最低的通信要求，同時又避免對其他用戶信號產(chǎn)生不必要的干擾。功率控制的作用是減少系統(tǒng)內(nèi)的相互干擾，使系統(tǒng)容量最大化。



　　1.1功率控制的時間響應(yīng)



　　在cdma系統(tǒng)中，對發(fā)射的功率和輸出信號功率的響應(yīng)時間有一定要求。因為cdma系統(tǒng)中移動臺的輸出信號功率是在功率控制組時間內(nèi)突發(fā)的，為了保證可靠傳輸，要求輸出信號功率的時間響應(yīng)特性應(yīng)是快速上升、保持平穩(wěn)及快速下降。



　　變數(shù)據(jù)傳輸方式時，輸出功率應(yīng)滿足下圖所示的時間響應(yīng)要求。圖中1.25ms為用于變速率傳輸?shù)囊粋�功率控制時隙內(nèi)的時間。在時隙內(nèi)，功率波動應(yīng)小于3db，功率電屏應(yīng)比背景噪聲高20db，功率上升和下降的時間應(yīng)小于6μs。如圖1所示。





　　移動臺發(fā)射機的平均輸出功率應(yīng)小于-50dbm/1.23MHz，即-110dbm/Hz；移動臺發(fā)射機背景噪聲應(yīng)小于-60dbm/1.23MHz，即-54dbm/Hz。



　　1.2IS-95及cdma20001x系統(tǒng)前向及反向功率控制



　　cdma系統(tǒng)功率控制類型包括：



　　反向開環(huán)功率控制



　　移動臺根據(jù)接收功率變化，調(diào)整發(fā)射功率。



　　反向閉環(huán)功率控制



　　移動臺根據(jù)接收到的功率控制比特調(diào)整平均輸出功率。



　　前向功率控制



　　根據(jù)移動臺測量報告，基站調(diào)整對移動臺的發(fā)射功率。



　　1.2.1反向開環(huán)功率控制



　　移動臺的開環(huán)功率控制是指移動臺根據(jù)接收的基站信號強度來調(diào)節(jié)移動臺發(fā)射功率的過程。其目的是使所有移動臺到達(dá)基站的信號功率相等，以免因“遠(yuǎn)近效應(yīng)”影響擴頻cdma系統(tǒng)對碼分信號的接收，降低系統(tǒng)容量。



　　1、IS-95A中的開環(huán)功率控制



　　IS-95A系統(tǒng)內(nèi)，只要手機開機，開環(huán)就起作用。移動臺根據(jù)前向鏈路信號強度來判斷路徑損耗。功率變化過程中，只有移動臺參與。移動臺不知道基站實際的有效發(fā)射功率（ERP），只能通過接收到的信號來估計前向鏈路損耗。移動臺通過對接收信號強度的測量，調(diào)整發(fā)射功率。接收的信號越強，移動臺的發(fā)射功率越小。



　　應(yīng)當(dāng)指出的是，移動臺的開環(huán)功率控制的響應(yīng)時間大約為30ms，只能克服由于陰影效應(yīng)引起的慢衰落。移動臺對接收信號測量和調(diào)整是基于認(rèn)為前向信道和反向信道的衰落特性是一致的，這種依前向信道信號電平來調(diào)節(jié)移動臺發(fā)射功率的開環(huán)調(diào)節(jié)是不完善的。需要采用閉環(huán)控制加以補充。



　　移動臺在接入過程中的功率控制過程是通過接入探針實現(xiàn)的。接入過程中移動臺的發(fā)初始發(fā)射功率不能太大，會干擾小區(qū)內(nèi)其他用戶；同時發(fā)射功率也不能太小，基站會接收不到。因此，移動臺參用通過接入探針緩慢增加發(fā)射功率的方式。



　　移動臺接入前，先發(fā)送一個低強度請求接入信號，若基站沒有應(yīng)答，則以PWR_STEP為步長一點一點的增加發(fā)射功率。初始接入功率計算公式如下：



　　Pt,initial=-Pr-73+NOM_PWR+INIT_PWR（單位dbm）



　　其中：Pr平均輸入功率



　　INIT_PWR初始功率值



　　NOM_PWR額定功率偏移



　　PWR_STEP功率增加量



　　接入后的開環(huán)功控作用下手機發(fā)射功率：



　　Pt=-Pr-73+NOM_PWR+INIT_PWR+接入探針增加功率總和



　　移動臺一旦與基站建立連接以后，移動臺仍然會根據(jù)接收信號電平的變化，估計前向信道的衰落特性，調(diào)整自己的發(fā)射功率。



　　2、IS-95B/2000中的開環(huán)功率控制



　　IS-95B/2000系統(tǒng)除采用IS-95A的開環(huán)功率控制方法外，還引入功率控制因子，以求對反向發(fā)射功率的進(jìn)一步精確控制。



　　IS-95A中的開環(huán)功率控制仍然有不足之處。當(dāng)移動臺接收到基站信號強度高時，有兩種可能，一是傳輸路徑損耗小，二是基站處于大負(fù)荷狀態(tài)。當(dāng)基站處于大負(fù)荷狀態(tài)時，如果移動臺通過接入探針減少發(fā)射功率的話，可能無法被基站接收。因此單純通過接入探針調(diào)整移動臺發(fā)射功率還不完善，在IS-95和20001x系統(tǒng)中，還要考慮到一個開環(huán)功控糾正因子=min(max(-7-ECIO,0),7)。此時，開環(huán)作用下手機的發(fā)射功率為



　　Pt=-Pr-73+NOM_PWR+INIT_PWR+接入探針增加功率總和+開環(huán)功控糾正因子



　　1.2.2反向閉環(huán)功率控制



　　開環(huán)功率控制中，移動臺的發(fā)射功率的調(diào)節(jié)是基于前向信道的信號強度，但是當(dāng)前向和反向信道的衰落特性不一致時，基于前向信道的信號測量是不能反映反向信道傳播特性的。開環(huán)功率控制不能估算出瑞利衰落信道下的對移動臺發(fā)射功率的調(diào)節(jié)量。



　　此外，在反向開環(huán)功率控制系統(tǒng)中，移動臺的開環(huán)功率控制的響應(yīng)時間大約為30ms，只能克服由于陰影效應(yīng)引起的慢衰落。要達(dá)到更精確的功率控制時間，就需要通過閉環(huán)功率控制加以解決。



　　1、IS-95A/B中的閉環(huán)功率控制



　　閉環(huán)功率控制中移動臺和基站共同參與，一旦移動臺開始和基站建立通信，閉環(huán)功率控制即開始起作用。基站不停地監(jiān)測反向鏈路質(zhì)量誤診率（FER）。誤診率（FER）是表示鏈路質(zhì)量最好的參數(shù)，但測量FER需要花較長的時間收集足夠的bit數(shù)，實際使用Eb/No�；�站不斷測量反向鏈路的Eb/No。給Eb/No設(shè)一個門限值，如果Eb/No值太大了，基站會命令移動臺減小發(fā)射功率。如果Eb/No值太小了，基站會命令移動臺增加發(fā)射功率。移動臺根據(jù)基站發(fā)送的功率控制指令（功率控制比特攜帶的信息）來調(diào)節(jié)移動臺的發(fā)射功率。



　　移動臺將接收到的功率控制指令與移動臺的開環(huán)功率相結(jié)合，來確定移動臺閉環(huán)控制應(yīng)發(fā)射的功率值。



　　反向閉環(huán)功率控制包括內(nèi)環(huán)功控（RILPC）和外環(huán)功控（ROLPC），如圖2所示：



　　外環(huán)：調(diào)整基站的接收信號的目標(biāo)Eb/No設(shè)置值，以滿足FER要求。



　　內(nèi)環(huán)：使移動臺發(fā)送信號的Eb/No與目標(biāo)Eb/No接近。





　　IS-95中的反向內(nèi)環(huán)功率控制（RILPC）



　　IS-95中反向內(nèi)環(huán)功控用前向鏈路的業(yè)務(wù)信道發(fā)送，以PowerControlBit(PCB)形式發(fā)送給基站。移動臺每接收到一個PCB，會以1dB的大小調(diào)整發(fā)射功率。PCB是夾在業(yè)務(wù)信道中傳輸?shù)�，速率�?00bps，形成一條功率控制子信道。功率控制幀格式如圖3所示：





　　前向幀和反向幀的長度都是20ms，每1.25ms有一個功控比特，業(yè)務(wù)信道被劃分為16（20/1.25）個功率控制組（PCG）。對反向PCG中Eb/No的估算測量將在前向業(yè)務(wù)信道的PCG+2中的PCB中反映出來，圖中為前向幀德PCG9。而反向幀在PCG7時段，當(dāng)測量值>門限值時，在PCG9中的PCB=1，移動臺將使發(fā)射功率降低1dB；反之，當(dāng)PCG7時段，測量值<門限值，在PCG9中的PCB=0，移動臺將使發(fā)射功率增加1dB。


　　功率控制比特（PCB）是直接加到速率為19.2kbps的基帶中的，速率為800bps，因此沒有任何的錯誤保護(hù)。這是因為閉環(huán)功率控制是用于克服快速瑞利衰落的，這樣不加任何保護(hù)措施，可以使移動臺以更快速度恢復(fù)PCB，進(jìn)行發(fā)射功率的調(diào)整。如圖4：





　　IS-95中的反向外環(huán)功率控制（ROLPC）


　　如反向功率控制圖所示，IS-95的反向外環(huán)功控根據(jù)接收到的幀的類型、當(dāng)前反向功率控制算法，得到目標(biāo)Eb/No的設(shè)置值。反向外環(huán)功控（ROLPC）初始設(shè)有一個固定值pnom。目標(biāo)Eb/No的目標(biāo)值在pmin~pmax之間變化。如果反向外環(huán)功率控制不起作用，反向內(nèi)環(huán)功率控制就使用固定的pnom。


　　軟切換中的閉環(huán)功率控制


　　IS-95中定義當(dāng)移動臺在兩個或三個小區(qū)之間移動時會發(fā)生軟切換，在切換過程中，移動臺同時接收到兩個或三個基站發(fā)送來的業(yè)務(wù)信道幀。在接收到的業(yè)務(wù)信到幀中，各自包含的功控比特（PCB）有可能產(chǎn)生沖突。根據(jù)體制規(guī)定：當(dāng)有PCB一個要求減小，移動臺就減小發(fā)射功率；每個PCB都要求增加，移動臺才增加發(fā)射功率。


　　2、20001x中的閉環(huán)功率控制


　　cdma20001x中的閉環(huán)功率控制原理與IS-95中的一樣，因為cdma2000有反向?qū)ьl信道（R-PICH），所以反向?qū)ьl信道的功率分配和業(yè)務(wù)信道的功率分配有直接的聯(lián)系，直接讀取反向?qū)ьl信道中的Ec/Io，就可以反映出前向誤幀率（FFER）。如圖5：





　　cdma2000中的反向內(nèi)環(huán)功率控制（RILPC）


　　cdma2000中不考慮業(yè)務(wù)幀速率的變化。只是對不同的幀速率，連續(xù)發(fā)送的功率控值比特（PCB）的發(fā)射功率不一樣。幀速率高，則連續(xù)發(fā)送的功率控值比特功率高；幀速率低，則連續(xù)發(fā)送的功率控值比特功率低。如圖6。






　　cdma2000中的反向外環(huán)功率控制（ROLPC）


　　如反向功率控制圖所示，cdma2000的反向外環(huán)功控調(diào)整目標(biāo)Eb/No以獲得目標(biāo)反向誤幀率（RFER）。如果接收到錯誤的幀，需要調(diào)整Eb/No，就調(diào)整參數(shù)vrpf_stepup_sp；如果接收到的幀無誤，調(diào)整要根據(jù)stepdn_sp=（vrpc_stepup_sp）/（100*vrpc_fer）。此外，cdma2000的無線設(shè)置RC3、RC4的參數(shù)設(shè)置值不采用此算法。



　　1.2.3IS-95及cdma20001x系統(tǒng)前向功率控制


　　功率控制的目的就是使移動臺和基站接收到的誤幀率（FER）接近一個目標(biāo)值，例如對于語音業(yè)務(wù)，該目標(biāo)值為1%，對于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)目標(biāo)值為5%。系統(tǒng)容量的增加可以通過選擇一個更高的目標(biāo)FER值而仍能滿足話音質(zhì)量。更高的目標(biāo)FER意味著更低的平均發(fā)射功率，這樣可以保證系統(tǒng)容納更多的用戶。


　　前向鏈路中，如果使各移動臺的話音質(zhì)量相同，則在小區(qū)邊緣附近的移動臺所需要的功率比距離基站近的移動臺要高。在移動臺的幫助下，基站不斷調(diào)整分配給每一個業(yè)務(wù)信道的功率以使每一個移動臺的信噪比（S/N）相同，典型的S/N=-15dB。


　　前向鏈路的小區(qū)內(nèi)信號的發(fā)射是同步的。移動臺對前向鏈路解調(diào)時，干擾主要來自于臨區(qū)干擾和多徑引入的干擾。但是前向鏈路中，因為小區(qū)內(nèi)信號的同步性和移動臺相干解調(diào)帶來的增益使得前向鏈路的質(zhì)量要好于反向鏈路。在前向鏈路中，只引入一個慢速的功率控制就可以控制每個信道的發(fā)送功率。


　　1、IS-95A的前向功率控制


　　IS-95A（RC1）的前向功率控制基于移動臺對接收到的誤幀率的統(tǒng)計。一旦移動臺在pwr_rep_frames時間內(nèi)接收到2個誤幀，移動臺就向基站發(fā)送功率測量報告（PMRM），等4次pwr_rep_delay后開始新的測量過程。如果在pwr_rep_frames內(nèi)收到不足2個誤幀，則不向基站發(fā)送消息，本次測量周期結(jié)束后就開始下一次測量。


　　前向鏈路功率控制調(diào)整速率為0.5Hz，足夠解決長期陰影效應(yīng)造成的影響，但不能解決多徑效應(yīng)引起的快衰落問題。


　　基站調(diào)整的相關(guān)參數(shù)作用如下：



　　基站接收到功率測量報告（PMRM）


　　fer_small—FER下限


　　fer_big— FER上限


　　若fer_small


　　若fer_big


　　若FER


　　基站未接收到功率測量報告（PMRM）


　　一旦基站中值為fpc_step的計時器溢出，基站就會用delta_down命令減小前向鏈路數(shù)字增益，同時計時器重新啟動。


　　增益調(diào)整范圍：(min_gain,max_gain)


　　若flpc=0，則前向功率控制不工作，前向業(yè)務(wù)信道數(shù)字增益為nom_gain。


　　2、IS-95B的前向功率控制


　　IS-95B（RC2）中，基站根據(jù)反向業(yè)務(wù)信到中的EIB（ErasureIndicatorBit）是否有出現(xiàn)Erasure的情況，調(diào)整前向業(yè)務(wù)信道的數(shù)字增益。若出現(xiàn)Erasure的情況，基站就用up_adj增加前向業(yè)務(wù)信道的數(shù)字增益；若無Erasure情況，基站就用dn_adj降低前向業(yè)務(wù)信道的數(shù)字增益。


　　RC2中，前向鏈路功率控制速率為50Hz。


　　3、CDMA2000的前向功率控制


　　前向鏈路中多徑衰落也是引起前向鏈路信號衰落的原因。在CDMA2000標(biāo)準(zhǔn)中，前向鏈路使用了和IS-95反向鏈路類似的閉環(huán)功率控制。提高了功率控制的速度，克服快衰落對信號的影響。CDMA2000中的前向功率控制就是閉環(huán)功率控制，也叫快速功率控制。


　　CDMA2000的前向閉環(huán)功率控制也分內(nèi)環(huán)功控（FILPC）和外環(huán)功控（FOLPC），如圖7所示：


　　內(nèi)環(huán)功控：移動臺用接收到的Eb/No與目標(biāo)值比較，調(diào)整基站發(fā)射功率。


　　外環(huán)功控：移動臺根據(jù)目標(biāo)前向誤幀率（FFER）調(diào)整目標(biāo)Eb/No的設(shè)置值。





　　CDMA2000前向內(nèi)環(huán)功率控制（FILPC）


　　前向內(nèi)環(huán)功率控制中，前向幀由長度為1.25ms的16個PCG組成。移動臺測量前向基礎(chǔ)信道（F-FCH）中每個PCG的Eb/No。根據(jù)測量、比較的結(jié)果，通過在反向?qū)ьl信道（R-PICH）中每1.25ms插入一個PCB發(fā)送前向功控（FPC）命令給基站。



　　如果PCB=1,基站使用power_control_step增加它的發(fā)射功率；


　　如果PCB=0,基站使用power_control_step減小它的發(fā)射功率。


　　CDMA2000前向外環(huán)功率控制（FOLPC）


　　前向外環(huán)功率控制的參數(shù)由基站配置。移動臺制造商可以自由設(shè)置FOLPC的公式，前提是制造商遵循基站處設(shè)置的Eb/No的限制。


　　此外，由于切換狀態(tài)會改變通信進(jìn)程，基站會通過在前向基礎(chǔ)信道（F-FCH）上發(fā)送功率控制消息（PCNM）來更新前向功控（FPC）參數(shù)。


　　
----《通信世界》