WCDMA系統(tǒng)中的功率控制

WCDMA中采用的寬帶擴(kuò)頻技術(shù)，所有用戶都享用共同的上、下行頻譜資源，每一個(gè)用戶的有用信號(hào)的能量都分配到整個(gè)頻帶內(nèi)，而這種有用信號(hào)對(duì)其他用戶而言將是一個(gè)干擾。如何控制用戶間干擾、改善功率的利用率從而提高整個(gè)系統(tǒng)的用戶容量和通話質(zhì)量，從而更有效利用無線資源，功率控制是不可缺少的重要手段。

一、 遠(yuǎn)近效應(yīng)

　　功率控制的目的是為了克服遠(yuǎn)近效應(yīng)。遠(yuǎn)近效應(yīng)現(xiàn)象是指如果沒有功率控制，距離基站近的一個(gè)UE 就能阻塞整個(gè)小區(qū)，而距離Node B遠(yuǎn)的UE信號(hào)將被“淹沒”。

　　在上行鏈路中，如果小區(qū)內(nèi)所有 UE 以相同的功率進(jìn)行發(fā)射，由于每個(gè)UE 與 Node B的距離和路徑不同，信號(hào)到達(dá)Node B就會(huì)有不同的衰耗，從而導(dǎo)致離Node B較近的UE，Node B收到的信號(hào)強(qiáng)，較遠(yuǎn)的Node B收到的信號(hào)弱，這樣就會(huì)造成Node B所接收到的信號(hào)的強(qiáng)度相差很大。由于 WCDMA是同頻接收系統(tǒng)，較遠(yuǎn)的弱信號(hào)到達(dá)Node B后可能不會(huì)被解擴(kuò)出來，造成弱信號(hào)“淹沒”在強(qiáng)信號(hào)中，而無法正常工作。

　　CDMA自從提出來以后一直沒有得到大規(guī)模應(yīng)用的主要原因，就是無法克服遠(yuǎn)近效應(yīng)。從圖1可知，采用功率控制后，每個(gè)UE到達(dá)基站的功率基本相當(dāng)，這樣，每個(gè)UE的信號(hào)到達(dá)NodeB后，都能被正確地解調(diào)出來。

　　圖1? 功控比較示意圖

二、 功率控制的目的

　　WCDMA采用寬帶擴(kuò)頻技術(shù)，是個(gè)自干擾系統(tǒng)。通過功率控制，降低了多址干擾、克服遠(yuǎn)近效應(yīng)以及衰落的影響，從而保證了上下行鏈路的質(zhì)量。例如：在保證QoS的前提下降低某個(gè)UE的發(fā)射功率，將不會(huì)影響其上下行數(shù)據(jù)的接收質(zhì)量，但結(jié)果卻減少了系統(tǒng)干擾，其他UE的上下行鏈路質(zhì)量將得到提高。功率控制給系統(tǒng)帶來以下優(yōu)點(diǎn)：

　?。?）克服陰影衰落和快衰落。陰影衰落是由于建筑物的阻擋而產(chǎn)生的衰落，衰落的變化比較慢；而快衰落是由于無線傳播環(huán)境的惡劣，UE和Node B之間的發(fā)射信號(hào)可能要經(jīng)過多次的反射、散射和折射才能到達(dá)接受端而造成。對(duì)于陰影衰落，可以提高發(fā)射功率來克服；而快速功控的速度是1500次/秒，功控的速度可能高于快衰落，從而克服了快衰落、給系統(tǒng)帶來增益，并保證了UE在移動(dòng)狀態(tài)下的接受質(zhì)量，同時(shí)也能減小對(duì)相鄰小區(qū)的干擾。

　?。?）降低網(wǎng)絡(luò)干擾，提高系統(tǒng)的質(zhì)量和容量。功率控制的結(jié)果使UE和Node B之間的信號(hào)以最低功率發(fā)射，這樣系統(tǒng)內(nèi)的干擾就會(huì)最小，從而提高了系統(tǒng)的容量和質(zhì)量。

　　（3）由于手機(jī)以最小的發(fā)射功率和Node B保持聯(lián)系，這樣手機(jī)電池的使用時(shí)間將會(huì)大大延長(zhǎng)。

三、功率控制的分類

　　在WCDMA系統(tǒng)中，功率控制按方向分為上行（或稱為反向）功率控制和下行（或稱為前向）功率控制兩類；按移動(dòng)臺(tái)和基站是否同時(shí)參與又分為開環(huán)功率控制和閉環(huán)功率控制兩大類。閉環(huán)功控是指發(fā)射端根據(jù)接收端送來的反饋信息對(duì)發(fā)射功率進(jìn)行控制的過程；而開環(huán)功控不需要接收端的反饋，發(fā)射端根據(jù)自身測(cè)量得到的信息對(duì)發(fā)射功率進(jìn)行控制。

　　1． 開環(huán)功率控制

　　開環(huán)功率控制是根據(jù)上行鏈路的干擾情況估算下行鏈路，或是根據(jù)下行鏈路的干擾情況估算上行鏈路，是單向不閉合的。

　　圖2? 開環(huán)功率控制

　　如圖2所示，UE測(cè)量公共導(dǎo)頻信道CPICH的接收功率并估算Node B的初始發(fā)射功率，然后計(jì)算出路徑損耗，根據(jù)廣播信道BCH得出干擾水平和解調(diào)門限，最后UE計(jì)算出上行初始發(fā)射功率作為隨機(jī)接入中的前綴傳輸功率，并在選擇的上行接入時(shí)隙上傳送（隨機(jī)接入過程）。開環(huán)功率控制實(shí)際上是根據(jù)下行鏈路的功率測(cè)量對(duì)路徑損耗和干擾水平進(jìn)行估算而得出上行的初始發(fā)射功率，所以，初始的上行發(fā)射功率只是相對(duì)準(zhǔn)確值。

　　WCDMA系統(tǒng)采用的FDD模式，上行采用1920~1980MHz、下行采用2110~2170MHz，上下行的頻段相差190MHz。由于上行和下行鏈路的信道衰落情況是完全不同的，所以，開環(huán)功率控制只能起到粗略控制的作用。但開環(huán)功控卻能相對(duì)準(zhǔn)確地計(jì)算初始發(fā)射功率，從而加速了其收斂時(shí)間，降低了對(duì)系統(tǒng)負(fù)載的沖擊；而且，在3GPP協(xié)議中，要求開環(huán)功率控制的控制方差在 10dB 內(nèi)就可以接受。

　　2． 上行內(nèi)環(huán)功控

　　內(nèi)環(huán)功率控制是快速閉環(huán)功率控制，在Node B與UE之間的物理層進(jìn)行, 上行內(nèi)環(huán)功率控制的目的是使基站接收到每個(gè)UE信號(hào)的比特能量相等。見圖3。

圖3? 上行內(nèi)環(huán)功控

　　首先，Node B測(cè)量接受到的上行信號(hào)的信干比（SIR），并和設(shè)置的目標(biāo)SIR（目標(biāo)SIR由RNC下發(fā)給Node B）相比較，如果測(cè)量SIR小于目標(biāo)SIR，NodeB在下行的物理信道DPCH中的TPC標(biāo)識(shí)通知UE提高發(fā)射功率，反之，通知UE降低發(fā)射功率。

　　因?yàn)閃CDMA在空中傳輸以無線幀為單位，每一幀包含有15個(gè)時(shí)隙，傳輸時(shí)間為10ms，所以，每時(shí)隙傳輸?shù)念l率為1500次/秒；而DPCH是在無限幀中的每個(gè)時(shí)隙中傳送，所以其傳送的頻率為每秒1500次，而且上行內(nèi)環(huán)功控的標(biāo)識(shí)位TPC是包含在DPCH里面，所以，內(nèi)環(huán)功控的時(shí)間也是1500次/秒。

　　3． 上行外環(huán)功控

　　上行外環(huán)功控是RNC動(dòng)態(tài)地調(diào)整內(nèi)環(huán)功控的SIR目標(biāo)值，其目的是使每條鏈路的通信質(zhì)量基本保持在設(shè)定值，使接收到數(shù)據(jù)的BLER滿足QoS要求。見圖4。

　　圖4? 上行外環(huán)功控

　　上行外環(huán)功控由RNC執(zhí)行。RNC測(cè)量從Node B傳送來數(shù)據(jù)的BLER（誤塊率）并和目標(biāo)BLER（QoS中的參數(shù)，由核心網(wǎng)下發(fā)）相比較，如果測(cè)量BLER大于目標(biāo)BLER，RNC重新設(shè)置目標(biāo)TAR（調(diào)高TAR）并下發(fā)到Node B；反之，RNC調(diào)低TAR并下發(fā)到Node B。外環(huán)功率控制的周期一般在一個(gè) TTI（10ms、20ms、40ms、80ms）的量級(jí)，即 10～100Hz。

　　由于無線環(huán)境的復(fù)雜性，僅根據(jù)SIR值進(jìn)行功率控制并不能真正反映鏈路的質(zhì)量。而且，網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量是通過提供服務(wù)中的QoS來衡量，而QoS的表征量為BLER，而非 SIR。所以，上行外環(huán)功控是根據(jù)實(shí)際的BLER值來動(dòng)態(tài)調(diào)整目標(biāo)SIR，從而滿足Qos質(zhì)量要求。

　　4． 下行閉環(huán)功控

　　下行閉環(huán)功控和上行閉環(huán)功控的原理相似。下行內(nèi)環(huán)功率控制由手機(jī)控制，目的使手機(jī)接收到Node B信號(hào)的比特能量相等，以解決下行功率受限；下行外環(huán)功控是由UE的層3控制，通過測(cè)量下行數(shù)據(jù)的BLER值，進(jìn)而調(diào)整UE物理層的目標(biāo)SIR值，最終達(dá)到UE接收到數(shù)據(jù)的BLER值滿足QoS要求。見圖5。

　　圖5? 下行內(nèi)環(huán)和外環(huán)功率控制

四、總結(jié)

　　WCDMA是個(gè)自干擾系統(tǒng)，功率是最終的無線資源，而無線資源管理的過程就是控制自身系統(tǒng)內(nèi)干擾的過程，所以，最有效地使用無線資源的唯一手段就是嚴(yán)格控制功率的使用。但控制功率的使用是矛盾的：一方面它能提高針對(duì)某用戶的發(fā)射功率、改善用戶的服務(wù)質(zhì)量；另一方面，由于WCDMA的自干擾性，這種提高會(huì)帶給其他用戶干擾的增加，而導(dǎo)致介紹質(zhì)量的下降。

　　所以，在WCDMA系統(tǒng)中，在保證了用戶要求的QoS前提下，功率控制的使用，最大限度地降低發(fā)射功率、減少系統(tǒng)干擾、增加系統(tǒng)容量，而這正是WCDMA技術(shù)的關(guān)鍵。