WCDMA系統中的功率控制

WCDMA中采用的寬帶擴頻技術，所有用戶都享用共同的上、下行頻譜資源，每一個用戶的有用信號的能量都分配到整個頻帶內，而這種有用信號對其他用戶而言將是一個干擾。如何控制用戶間干擾、改善功率的利用率從而提高整個系統的用戶容量和通話質量，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、 遠近效應

　　功率控制的目的是為了克服遠近效應。遠近效應現象是指如果沒有功率控制，距離基站近的一個UE 就能阻塞整個小區，而距離Node B遠的UE信號將被“淹沒”。

　　在上行鏈路中，如果小區內所有 UE 以相同的功率進行發射，由于每個UE 與 Node B的距離和路徑不同，信號到達Node B就會有不同的衰耗，從而導致離Node B較近的UE，Node B收到的信號強，較遠的Node B收到的信號弱，這樣就會造成Node B所接收到的信號的強度相差很大。由于 WCDMA是同頻接收系統，較遠的弱信號到達Node B后可能不會被解擴出來，造成弱信號“淹沒”在強信號中，而無法正常工作。

　　CDMA自從提出來以后一直沒有得到大規模應用的主要原因，就是無法克服遠近效應。從圖1可知，采用功率控制后，每個UE到達基站的功率基本相當，這樣，每個UE的信號到達NodeB后，都能被正確地解調出來。

　　圖1? 功控比較示意圖

二、 功率控制的目的

　　WCDMA采用寬帶擴頻技術，是個自干擾系統。通過功率控制，降低了多址干擾、克服遠近效應以及衰落的影響，從而保證了上下行鏈路的質量。例如：在保證QoS的前提下降低某個UE的發射功率，將不會影響其上下行數據的接收質量，但結果卻減少了系統干擾，其他UE的上下行鏈路質量將得到提高。功率控制給系統帶來以下優點：

　?。?）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生的衰落，衰落的變化比較慢；而快衰落是由于無線傳播環境的惡劣，UE和Node B之間的發射信號可能要經過多次的反射、散射和折射才能到達接受端而造成。對于陰影衰落，可以提高發射功率來克服；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、給系統帶來增益，并保證了UE在移動狀態下的接受質量，同時也能減小對相鄰小區的干擾。

　?。?）降低網絡干擾，提高系統的質量和容量。功率控制的結果使UE和Node B之間的信號以最低功率發射，這樣系統內的干擾就會最小，從而提高了系統的容量和質量。

　?。?）由于手機以最小的發射功率和Node B保持聯系，這樣手機電池的使用時間將會大大延長。

三、功率控制的分類

　　在WCDMA系統中，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；按移動臺和基站是否同時參與又分為開環功率控制和閉環功率控制兩大類。閉環功控是指發射端根據接收端送來的反饋信息對發射功率進行控制的過程；而開環功控不需要接收端的反饋，發射端根據自身測量得到的信息對發射功率進行控制。

　　1． 開環功率控制

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

　　圖2? 開環功率控制

　　如圖2所示，UE測量公共導頻信道CPICH的接收功率并估算Node B的初始發射功率，然后計算出路徑損耗，根據廣播信道BCH得出干擾水平和解調門限，最后UE計算出上行初始發射功率作為隨機接入中的前綴傳輸功率，并在選擇的上行接入時隙上傳送（隨機接入過程）。開環功率控制實際上是根據下行鏈路的功率測量對路徑損耗和干擾水平進行估算而得出上行的初始發射功率，所以，初始的上行發射功率只是相對準確值。

　　WCDMA系統采用的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，開環功率控制只能起到粗略控制的作用。但開環功控卻能相對準確地計算初始發射功率，從而加速了其收斂時間，降低了對系統負載的沖擊；而且，在3GPP協議中，要求開環功率控制的控制方差在 10dB 內就可以接受。

　　2． 上行內環功控

　　內環功率控制是快速閉環功率控制，在Node B與UE之間的物理層進行, 上行內環功率控制的目的是使基站接收到每個UE信號的比特能量相等。見圖3。

圖3? 上行內環功控

　　首先，Node B測量接受到的上行信號的信干比（SIR），并和設置的目標SIR（目標SIR由RNC下發給Node B）相比較，如果測量SIR小于目標SIR，NodeB在下行的物理信道DPCH中的TPC標識通知UE提高發射功率，反之，通知UE降低發射功率。

　　因為WCDMA在空中傳輸以無線幀為單位，每一幀包含有15個時隙，傳輸時間為10ms，所以，每時隙傳輸的頻率為1500次/秒；而DPCH是在無限幀中的每個時隙中傳送，所以其傳送的頻率為每秒1500次，而且上行內環功控的標識位TPC是包含在DPCH里面，所以，內環功控的時間也是1500次/秒。

　　3． 上行外環功控

　　上行外環功控是RNC動態地調整內環功控的SIR目標值，其目的是使每條鏈路的通信質量基本保持在設定值，使接收到數據的BLER滿足QoS要求。見圖4。

　　圖4? 上行外環功控

　　上行外環功控由RNC執行。RNC測量從Node B傳送來數據的BLER（誤塊率）并和目標BLER（QoS中的參數，由核心網下發）相比較，如果測量BLER大于目標BLER，RNC重新設置目標TAR（調高TAR）并下發到Node B；反之，RNC調低TAR并下發到Node B。外環功率控制的周期一般在一個 TTI（10ms、20ms、40ms、80ms）的量級，即 10～100Hz。

　　由于無線環境的復雜性，僅根據SIR值進行功率控制并不能真正反映鏈路的質量。而且，網絡的通信質量是通過提供服務中的QoS來衡量，而QoS的表征量為BLER，而非 SIR。所以，上行外環功控是根據實際的BLER值來動態調整目標SIR，從而滿足Qos質量要求。

　　4． 下行閉環功控

　　下行閉環功控和上行閉環功控的原理相似。下行內環功率控制由手機控制，目的使手機接收到Node B信號的比特能量相等，以解決下行功率受限；下行外環功控是由UE的層3控制，通過測量下行數據的BLER值，進而調整UE物理層的目標SIR值，最終達到UE接收到數據的BLER值滿足QoS要求。見圖5。

　　圖5? 下行內環和外環功率控制

四、總結

　　WCDMA是個自干擾系統，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內干擾的過程，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某用戶的發射功率、改善用戶的服務質量；另一方面，由于WCDMA的自干擾性，這種提高會帶給其他用戶干擾的增加，而導致介紹質量的下降。

　　所以，在WCDMA系統中，在保證了用戶要求的QoS前提下，功率控制的使用，最大限度地降低發射功率、減少系統干擾、增加系統容量，而這正是WCDMA技術的關鍵。