WCDMA系统中的功率控制研究

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1 概述
    功率控制是WCDMA系统的关键技术之一。由于远近效应和自干扰问题，功率控制是否有效直接决定了WCDMA系统是否可用，并且很大程度上决定了WCDMA系统性能的优劣，对于系统容量、覆盖、业务的QoS（系统服务质量）都有重要影响。
    功率控制的作用首先是提高单用户的发射功率以改善该用户的服务质量，但由于远近效应和自干扰的问题，提高单用户发射功率会影响其他用户的服务质量，所以功率控制在WCDMA系统中呈现出矛盾的两个方面。
    WCDMA系统采用宽带扩频技术，所有信号共享相同频谱，每个移动台的信号能量被分配在整个频带范围内，这样移动台的信号能量对其他移动台来说就成为宽带噪声。由于在无线电环境中存在阴影、多径衰落和远距离损耗影响，移动台在小区内的位置是随机的且经常变动，所以信号路径损耗变化很大。如果小区中的所有用户均以相同的功率发射，则靠近基站的移动台到达基站的信号强，远离基站的移动台到达基站的信号弱，另由于在WCDMA系统中，所有小区均采用相同频率，上行链路为不同用户分配的地址码是扰码，且上行同步较难，很难保证完全正交。这将导致强信号掩盖弱信号，即远近效应。
    因此，功率控制目的是在保证用户要求的QoS的前提下最大程度降低发射功率,减少系统干扰从而增加系统容量。
2 定义与缩略语
    由于涉及到许多专业术语，我们在介绍功率控制之前先介绍一些相关术语的定义。
    active set：激活集合。
    UL interference： 上行干扰 。
    C/I: C/I=(RSCP/ISCP)×(SF/2) 信干比。
    Eb/No:每比特的信噪比，Eb是每一个码元的能量，No分母是噪声的功率谱密度。
    Ec/Io: Ec/Io＝RSCP/RSSI，体现了所接收信号的强度和干扰的水平。
    AICH： Access Link Control Application Protocol，接入链路控制应用部分。
    AMR:Adaptive Multi-Rate，自适应多速率。
    BER :Bit Error Ratio，比特差错率。
    BLER: Block Error Rate，误块率。
    CRC: Cyclic Redundancy Code，循环冗余码。
    CS: Circuit Switched ，电路交换。
    VP: Video Phone，可视电话。
    DL: Downlink (Forward Link)，下行链路。
    Dpcch: Dedicated Physical Control Channel，专用物理控制信道。
    FER : Frame Error Rate，误帧率。
    OVSF：Orthogonal Variable Spreading Factor，正交可变扩频因子。
    P-CPICH: Primary Common Pilot Channel，主公共导频信道。
    PRACH: Physical Random Access Channel，物理随机接入信道。
    QoS: Quality of Service ，业务质量。
    RNC: Radio Network Control，无线网络控制器。
    NodeB: WCDMA Base Station ，WCDMA基站。
    RSCP: Received Signal Code Power，接收信号码功率。
    RSSI：Received Signal Strength Indicator，接收信号强度指示。
    RTWP: Received Total Wide band Power，接收总带宽功率。
    SF: Spreading Factor，扩频因子。
    SIR：Signal-to-Interference Ratio，信干比。
    TPC: Transmit Power Control，发射功率控制。
    UE :User Equipment，用户设备。
    WCDMA: Wideband Code Division Multiple Access，宽带码分多址。
3 功率控制的实现过程
    功率控制的实现方式可以分为两大类：内环功控和外环功控。当手机处于软切换状态时，快速功控会导致下行功率飘移。为了解决下行功率漂移问题 ，Serving-RNC需要对Node B进行功率均衡。
    3.1 内环功控
    内环功控的主要作用是通过控制物理信道的发射功率，使接收SIR收敛于目标SIR。WCDMA系统是通过估计接收到的Eb/No来发出相应的功率调整命令的。Eb/No与SIR具有一定的对应关系，例如对于12.2kbit/s的语音业务，Eb/No的典型值为5.0dB, 在码片速率3.84Mchip/s的情况下，处理增益为10log10（3.84M/12.2k）=25dB。所以SIR＝5dB-25dB=-20 dB。即：载干比(C/I)>-20dB。
    内环功控分为开环和闭环两种方式。开环功控目的提供初始发射功率的粗略估计，它根据测量结果对路径损耗和干扰水平进行估计，从而计算初始发射功率。
     3.1.1 开环功控
     初始功率P_PRACH = P-CPICH DL TX power – CPICH_RSCP + UL interference + Constant Value。P-CPICH DL TX power–CPICH_RSCP为下行路径损耗。计算P_PRACH上行路径损耗，并是根据下行信号所得到的路径损耗来估计上行损耗。由于上下行频段间隔较大，上下行的快衰落情况是完全不相关的，因此，这个估计值是很不准确的。
     UL interference ＝RTWP + SIR_TARGET_RACH-10logSF，为NODE B接收机所需接收信号功率。
     Constant Value是参数设定的常量。
     ConstantValueCprach， primaryCpichPower、RTWP可以从BCCH上得到。PCPICH_RSCP由测量得到。依据这些数据，我们可以得到P_PRACH的初始发射功率。
     若UE没有得到AICH中的指示，则Premble以powerOffsetPO的步长增加发射功率，若得到AICH指示，则增加powerOffsetPpm。
     3.1.2 闭环功控
     闭环功控对通信期间上、下行链路进行快速功率调整。在上行情况下，DPCCH将10ms的无线帧划分为15个时隙，每个时隙包含一个功控命令（TPC_cmd），由于功控速度高于快衰落，从而有效保证了慢速运动时的移动台接收质量，以使链路的质量收敛于目标SIR。3GPP协议中上行链路的闭环功控可以采取两种算法,上行功控步长取1dB或2dB。DPCCH上的功控步长调整量△dpcch=△tpc*TPC_cmd。TPC_cmd为利用不同算法得到的TPC合成命令。DPDCH的功率根据DPDCH和DPCCH之间的功率偏置来设置。功控过程如图1所示。

图1 闭环功控示意图

     图1中，NODE B把估计的SIR与目标SIR进行对比，当SIR_UL_RLS >= SIR_TARGET 时，TPC Command =‘down’；当SIR_UL_RLS < SIR_TARGET 时 TPC Command =‘up’。
     在评判内环功控性能优劣时我们主要观察以下几个指标——
     SIR的标准差：反映SIR的波动情况，可以表示接收功率的波动情况。
     SIRerr的均值：反映内环功控的收敛情况。
     SIRerr的标准差：反映SIRerr的波动情况。
     3.1.3 内环功控的测试验证
     我们以华为设备AMR12.2kbit/s 话音业务和CS64K VP业务为例,验证上行内环功控的效果。测试步骤如下：
     （1）在覆盖区里选取一条径向路线和环向路线。
     （2）用两部测试UE作为测试电话。
     （3）按低速（5km/h）和中速（50km/h）沿测试路线移动，在路侧仪上记录CPICH RSCP、CPICH Ec/Io，在UE侧记录UE的发射功率，网络侧记录上行的SIRtarget、SIR测量值和BLER。
     （4）根据测试记录数据分析系统功率控制性能的效果。
     根据测试结果我们可以绘制SIR、SIRtarget、SIRerr时序图，以及体现SIR测量值、SIR目标值及SIR偏差随时间变化的曲线（SIRerr为SIR测量值和SIRtarget的差值）。通过观察，我们可以发现SIR测量值随SIRtarget的变化而变化，因而可以定性地判断内环功控功能正常。
     我们也可以通过定量计算来检验功控的效果，如表1所示。
     从表1可以看出UL SIRerr均值低于0.45, UL SIR标准差均低于0.85,这说明内环功控性能良好。
     开环功控和闭环功控的区别在于：开环功控采用上行链路干扰情况估计下行链路或根据下行链路估计上行链路，是不闭合的，而闭环功控存在一个反馈环，是闭合的。开环功控的初始发射功率由RNC（下行）或UE（上行）确定，而闭环功控由NodeB完成，RNC仅给出内环功控的目标SIR值。

表1 检验功控效果数据

    3.2 外环功控
     3.2.1 外环功控
　　外环功控通过调整内环功控的SIR目标值，使通信质量始终满足要求。外环功控在RNC中进行。由于无线信道的复杂性，仅根据SIR值进行功率控制并不能真正反应链路质量。比如：对于静止用户、低速用户（移动速率3km/h）和高速用户（移动速率50km/h）来说，在相同FER的基础上，对SIR的要求是不同的。最终的通信质量是通过FER/BLER/BER衡量，因此有必要根据实际FER/BLER值动态调整SIR目标值。我们以上行外环功控为例说明上行外环功率控制过程，如图2所示。

图2 外环功率控制过程

     在上行外环功控过程中，NODE B测量UL DPCCH SIR， 比较SIR 和SIR_target生成TPC 命令，随后数据块解码生成 CRCI，最后RNC根据NODE B传来的CRCI 判定是否达到 BLER_target。
     如果BLER测量>BLERTar，则提高SIRTar一个事先确定的步长；如果BLER测量 SIRtarget = SIRtarget + ulSirStep×[-X/(ZxUPDOWNSTEPRATIO) + Y/Z] 。
    其中，ulSirStep为调整步长，X为CRC校验正确的传输块数目，Z为接收的传输块总数目，Y为CRC校验错误的传输块数目，而UPDOWNSTEPRATIO则为：UPDOWNSTEPRATIO=(1/blerQualityTargetUl*0.5)-1。式中，BlerQualityTargetUl为上行BLER质量目标值。
     下行外环功控由UE控制，实现方法与上行外环功控类似。
     在评判上行内环功控性能优劣时我们主要观察以下两个指标：UL BLER均值可以衡量外环功控BLER测量的准确性，其值越小越好；UL BLER 标准差可以衡量外环功控的稳定性，其值越小越好。
     3.2.2 外环功控的测试验证
     以华为设备AMR12.2kbit/s 话音业务和CS64K VP业务为例说明上行外环功控效果，测试步骤如下：
     （1）在覆盖区里选取一条径向路线和环向路线。
     （2）使用两部测试UE互通电话。
     （3）按低速（5km/h）和中速（50km/h）沿测试路线移动，在路侧仪上记录CPICH RSCP、CPICH Ec/Io，在UE侧记录UE的发射功率，网络侧记录上行的BLER测量值。
     （4）根据测试记录数据分析系统功率控制性能的效果。
     我们可以通过定量计算来检验功控的效果(见表2)。
     由表2可以看出，12.2kAMR业务BLER均值为1％，CS64上行业务均值低于0.2%,外环功控BLER测量的准确性较好，这说明外环功控良好。标准差可以衡量外环功控的稳定性。由表2可以看出，CS12.2K、CS64业务均收敛到BLER目标值，外环功控正常。

表2 检验功控效果数据

    3.3 下行功率平衡
    我们以图3为例分析功率飘移问题。

图3 功率漂移示意图

    在下行功控中，用户处于软切换状态，UE 给所有在active set中的小区送出相同的 TPC 命令,但若Node B误解了码3TPC命令，即UE让RBS2升功率，但RBS2却降功率，而RBS2功率下降将导致UE接收到的信号进一步变差。功率漂移大大降低了下行链路软切换性能，因此需要用功率平衡手段来解决。功率平衡的目的是为了调整active set中的所有小区的发射功率，以保证UE达到所要求的服务。功率平衡的方法主要有两种：
    一是对下行链路功率控制动态范围设置相对严格的界限，使两个NODB B的偏差不会过大。
    二是RNC 将从active set中的Node B报告的下行发射功率在一定时间内进行平均，并周期性发送给软切换active set中的Node B 作为其发射功率的参考值，如图4所示。

图4 功率平衡示意图

从图4可以看出，RNC 周期性进行功率平衡，其功率算法为：P(k) = P(k-1) + Pbal。