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。由于遠近效應和自干擾問題，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，對于系統(tǒng)容量、覆蓋、業(yè)務的QoS（系統(tǒng)服務質(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質(zhì)量，但由于遠近效應和自干擾的問題，提高單用戶發(fā)射功率會影響其他用戶的服務質(zhì)量，所以功率控制在WCDMA系統(tǒng)中呈現(xiàn)出矛盾的兩個方面。
WCDMA系統(tǒng)采用寬帶擴頻技術(shù)，所有信號共享相同頻譜，每個移動臺的信號能量被分配在整個頻帶范圍內(nèi)，這樣移動臺的信號能量對其他移動臺來說就成為寬帶噪聲。由于在無線電環(huán)境中存在陰影、多徑衰落和遠距離損耗影響，移動臺在小區(qū)內(nèi)的位置是隨機的且經(jīng)常變動，所以信號路徑損耗變化很大。如果小區(qū)中的所有用戶均以相同的功率發(fā)射，則靠近基站的移動臺到達基站的信號強，遠離基站的移動臺到達基站的信號弱，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。這將導致強信號掩蓋弱信號，即遠近效應。
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
由于涉及到許多專業(yè)術(shù)語，我們在介紹功率控制之前先介紹一些相關(guān)術(shù)語的定義。
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)了所接收信號的強度和干擾的水平。
    AICH： Access Link Control Application Protocol，接入鏈路控制應用部分。
    AMR:Adaptive Multi-Rate，自適應多速率。
    BER :Bit Error Ratio，比特差錯率。
    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，正交可變擴頻因子。
    P-CPICH: Primary Common Pilot Channel，主公共導頻信道。
    PRACH: Physical Random Access Channel，物理隨機接入信道。
    QoS: Quality of Service ，業(yè)務質(zhì)量。
    RNC: Radio Network Control，無線網(wǎng)絡(luò)控制器。
    NodeB: WCDMA Base Station ，WCDMA基站。
    RSCP: Received Signal Code Power，接收信號碼功率。
    RSSI：Received Signal Strength Indicator，接收信號強度指示。
    RTWP: Received Total Wide band Power，接收總帶寬功率。
    SF: Spreading Factor，擴頻因子。
    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 功率控制的實現(xiàn)過程
功率控制的實現(xiàn)方式可以分為兩大類：內(nèi)環(huán)功控和外環(huán)功控。當手機處于軟切換狀態(tài)時，快速功控會導致下行功率飄移。為了解決下行功率漂移問題 ，Serving-RNC需要對Node B進行功率均衡。
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SIR。WCDMA系統(tǒng)是通過估計接收到的Eb/No來發(fā)出相應的功率調(diào)整命令的。Eb/No與SIR具有一定的對應關(guān)系，例如對于12.2kbit/s的語音業(yè)務，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，它根據(jù)測量結(jié)果對路徑損耗和干擾水平進行估計，從而計算初始發(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。計算P_PRACH上行路徑損耗，并是根據(jù)下行信號所得到的路徑損耗來估計上行損耗。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，這個估計值是很不準確的。
UL interference ＝RTWP + SIR_TARGET_RACH-10logSF，為NODE B接收機所需接收信號功率。
     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)功控對通信期間上、下行鏈路進行快速功率調(diào)整。在上行情況下，DPCCH將10ms的無線幀劃分為15個時隙，每個時隙包含一個功控命令（TPC_cmd），由于功控速度高于快衰落，從而有效保證了慢速運動時的移動臺接收質(zhì)量，以使鏈路的質(zhì)量收斂于目標SIR。3GPP協(xié)議中上行鏈路的閉環(huán)功控可以采取兩種算法,上行功控步長取1dB或2dB。DPCCH上的功控步長調(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把估計的SIR與目標SIR進行對比，當SIR_UL_RLS >= SIR_TARGET 時，TPC Command =‘down’；當SIR_UL_RLS < SIR_TARGET 時 TPC Command =‘up’。
在評判內(nèi)環(huán)功控性能優(yōu)劣時我們主要觀察以下幾個指標——
SIR的標準差：反映SIR的波動情況，可以表示接收功率的波動情況。
     SIRerr的均值：反映內(nèi)環(huán)功控的收斂情況。
     SIRerr的標準差：反映SIRerr的波動情況。
3.1.3 內(nèi)環(huán)功控的測試驗證
我們以華為設(shè)備AMR12.2kbit/s 話音業(yè)務和CS64K VP業(yè)務為例,驗證上行內(nèi)環(huán)功控的效果。測試步驟如下：
（1）在覆蓋區(qū)里選取一條徑向路線和環(huán)向路線。
（2）用兩部測試UE作為測試電話。
（3）按低速（5km/h）和中速（50km/h）沿測試路線移動，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測量值和BLER。
（4）根據(jù)測試記錄數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)功率控制性能的效果。
根據(jù)測試結(jié)果我們可以繪制SIR、SIRtarget、SIRerr時序圖，以及體現(xiàn)SIR測量值、SIR目標值及SIR偏差隨時間變化的曲線（SIRerr為SIR測量值和SIRtarget的差值）。通過觀察，我們可以發(fā)現(xiàn)SIR測量值隨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。