功率控制研究

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第32卷 第4期 电 子 科 技 大 学 学 报 Vol.32 No.4 2003年8月 Journal of UEST of China Aug. 2003

WCDMA系统功率控制研究

解 梅* 张自然

(电子科技大学电子工程学院 成都 610054)

【摘要】在WCDMA系统中，如何有效地进行功率控制，在保证用户要求的QoS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，是WCDMA技术中的重点。针对WCDMA系统内环功率控制、外环功率控制、上行功率控制、下行功率控制等进行了分析，提出了一种简单实用的外环功率控制算法。

关 键 词 宽带码分多址; 数字移动通信网; 功率控制; 信号干扰比 中图分类号 TN915.1 文献标识码 A

Analysis of Power Control in WCDMA

Xie Mei Zhang Ziran

(School of Electronic Engineering, UEST of China Chengdu 610054)

Abstract In WCDMA，how to use the power control to decrease the transmittion power and lessen the system interference to upper the system capacity on the condition of assure the Qos users required is one of the keypoints. The main work of the paper is to analyze and summarize the power control in WCDMA，including the inner loop power control, outer loop power control, uplink power control, downlink power control，coming up with one outer-loop power power control algorithm

Key words WCDMA; GSM; power control; signal interfence rate

在WCDMA系统中，由于采用的是码分多址(CDMA)，而各个码字之间并非完全正交，因此存在多址干扰。除了多址干扰本身直接地影响外，在上行链路中存在“远近效应”；在下行链路中，存在“角效应”；电波传播中由于大型建筑物的阻挡，形成“阴影”效应产生了慢衰落等。这些现象将会导致系统容量下降和实际通信服务范围缩小等。解决这些问题的一个最有效的方法是采用功率控制技术[1~4]。

1 WCDMA系统快速功率控制特性

与GSM系统相比，WCDMA的功率控制实现方式起了很大变化。其中，快速功率控制是WCDMA系统中引入的一个非常重要的概念。

由于无线传播环境的恶劣，在典型的蜂窝移动通信环境中，基站与移动台之间的发射信号是经过多次反射、散射和折射才到达各自的接收端的。这样就很容易造成信号的多径衰落。对于慢速移动的接收机，快衰落会对其接收质量造成很大影响。在GSM系统中，手机每480 ms上报一次测量报告，功率控制的最快频度不超过每秒2次。因此，对于GSM系统，其对抗多径衰落的主要方法是通过系统跳频来实现的。对于WCDMA系统，在上行情况下，专用物理控制信道(DPCCH)将10 ms的无线帧划分为15个时隙，每个时隙包含一个功率控制命令(TPC_cmd)，如图1所示。从图中看出由于功率控制的速度高于快衰落，从而有效地保证了慢速运动时移动台的接收质量。 2002年6月8日收稿

* 女 47岁 博士 教授 博士生导师 主要从事信号与信息处理、计算机通信和计算机网络方面的研究

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第4期 解 梅 等: WCDMA系统功率控制研究

2 560 chipsDPDCH

DATAPILOT355

DPCCH

TPCIFBITPCUplinkDCH

0123TPCITPCI10 ms

图1 上行DPCH复用图

也就是说，对慢速移动台，快速功率控制通过克服快衰落给系统带来一定的增益。在三种不同的运动情况下慢速功率控制和快速功率控制所需要的相对发射功率的变化情况如表1所示。

表1 三种不同情况下慢速功率控制和快速功率控制变化情况表

测试条件/km⋅h−1ITU行人A 3 ITU汽车A 3 ITU汽车A 50

慢速功率控制/dB

11.3 8.5 6.8

快速功率控制(1 500 Hz)/dB

5.5 6.7 7.3

快速功率控制增益/dB

5.8 1.8 −0.5

从表中看出，快速功率控制带来的优点是：

1) 能够在短时间内迅速调节移动台的功率，在很大程度上避免了远近效应的产生； 2) 同时对功率的迅速调整也减少了对其他小区或移动台的干扰。

2 WCDMA系统功率控制分析

上面分析了WCDMA快速功率控制的特点，下面分析和总结WCDMA功率控制实现方法。按功率值的来源功率控制实现的方式可以分为：内环功率控制和外环功率控制；按控制方向功率控制实现的方式又可以分为：上行功率控制和下行功率控制。 2.1 内环功率控制

内环功率控制的主要作用是通过控制物理信道的发射功率，使接收SIR(Signal Interfence Rate)，信号干扰比收敛于目标SIR值。WCDMA系统中是通过估计接收到的Eb/No(比特能量与干扰功率谱密度之比)来发出相应的功率调整命令的，因为Eb/No与SIR具有一定的对应关系。如：对于12.2 Kbps的语音业务，Eb/No的典型值为5.0 dB，在码片速率为3.84 Mcps的情况下，处理增益为10log10(3.84 M/12.2 K)=25 dB。所以SIR＝5 dB−25 dB=−20 dB。

内环功率控制又可以分为开环和闭环两种方式。开环功率控制的目的是提供初始发射功率的粗略估计。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的过程。在WCDMA系统中，开环功率控制上下行情况都用到。

对于FDD频分复用系统，由于上下行频段间隔较大，所以上下行的快衰落情况是完全不相关的。因此，开环功率控制根据下行信号所得到的路径损耗的估计对于上行情况来说是很不准确的。解决这个问题的方法就是引入快速闭环功率控制。

闭环功率控制是对通信期间的上、下行链路进行快速功率调整，以使链路的质量收敛于目标SIR值。 开环和闭环两种功率控制方式的区别为：开环是采用上行链路干扰情况来估计下行链路或根据下行链路估计上行链路，是不闭合的；而闭环是存在一反馈环，是闭合的；开环功率控制的初始发射功率是由无线网络控制器RNC(Radio Network Controller)或移动台UE(User Equipment)确定，而闭环功率控制是由Node B(基站)完成，闭环功率控制的基本结构如图2所示。从图中看出，RNC仅给出内环功率控制的目标SIR值。

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2.2 外环功率控制

外环功率控制是通过动态地调整内环功率控制的SIR目标值，使通信质量始终满足要求，即达到规定的FER(Fram Error Rate，误帧率)/BLER(Block Error Rate，误块率)/BER(Bit Error Rate，比特误码率)值。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3 km/h)和高速用户(移动速率50 km/h)来说，在保证相同FER的基础上，对SIR的要求是不同的。而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。

接收信号发射信号接收信号产生(P或SIR)估计按一定算法产生功控指令功控指令插入传输链路传输信道接收信号调制功控指令提取WE的产生接收信号按一定算法进行发射功率调整发射信号 图2 闭环功率控制的基本结构

下面给出一个外环功率控制的算法：

如果FER测量值 >= FERTarget，则提高SIRTarget一个事先确定的步长step； 如果FER测量 < FERTarget，则降低SIRTarget一个事先确定的步长；

具体的算法为根据接收数据帧的CRC校验结果来进行判断。外环功率控制算法如图3所示，其具体算法的伪代码如下：

降低目标SIR值Y接收到的信号质量好于要求质量N增加目标SIR值

图3 一般的外环功率控制算法

IF CRC check OK

Step_down = FER_target*Step_size;

Eb/N0_target(n+1)=Eb/N0_target(n)-Step_down; ELSE

Step_up = Step_size-FER_target*Step_size; Eb/N0_target(n+1)=Eb/N0_target(n)+Step_up; END.

其中，Eb/N0_target(n)是第N帧的Eb/N0目标值。

FER_target是FER目标值。Step_size是参数，典型值为0.3～0.5 dB. 2.3 上行功率控制

上行链路功率控制也称为反向链路功率控制，主要是移动台UE的行为。用来控制移动台UE的发射功率，使基站接收到的所有移动台发射到基站的信号功率或者SIR基本相等，上行功率控制可以使各用户间的相互

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干扰降到最小，克服传输中的远近效应，同时使系统可以达到更大容量。

在WCDMA系统中，上行链路功率控制方式主要有：开环功率控制与闭环功率控制。上行随机接入信道(PRACH)采用开环功率控制，具体发射功率由接收到的信号功率值与路径损耗值以及阴影损耗等确定，接收到的信号功率越高，移动台发出的功率越低；上行专用信道(DPCH)则是同时采用开环与闭环功率控制，其中闭环功率控制包括内环功率控制与外环功率控制，信道的初始发射功率是由开环功率估计决定的，上行闭环功率控制主要是基站通过调整移动台的发射功率以保持接收到的上行信干比尽量靠近SIR目标值 SIRtarget，每个小区的SIRtarget都是由高层通过外环功率控制调整的。上行链路功率控制原理过程如图4所示。

外环目标SIR基站接收机测量SIR比较TPC产生基站发射机上行通信信道下行通信信道(含有TPC命令)移动台发射机改变传输功率移动台接收机

图4 上行功率控制过程

2.4 下行功率控制

下行功率控制又称为前向链路功率控制，是用来控制基站的发射功率，使所有移动台接收到的信号功率或者SIR基本相等。下行功率控制可以有效降低基站的平均发射功率，减小邻小区干扰，克服传输中的“角效应”。

下行功率控制主要是指对下行专用信道的功率控制，包括专用物理数据信道(DPDCH)与专用物理控制信道(DPCCH)，而下行公共信道由于变化较慢，其功率控制主要靠外环功率控制来完成。

专用物理数据信道与专用物理控制信道同时采用开环功率控制与闭环功率控制。 DPDCH与DPCCH功率调整幅度相同，其间的相对功率偏差由高层信令决定。DPDCH与DPCCH功率控制包括非压缩模式下的功率控制与压缩模式下的功率控制。闭环功率控制包括内环功率控制与外环功率控制，其中内环功率控制又称为快速功率控制，外环功率控制又称为慢速功率控制。与上行功率控制方式相比较，下行内环功率控制的处理方式较多，包括通常的功率控制、有限功率增长、功率均衡、压缩模式下的功率控制等。另外，下行功率控制还包括站点选择分集发射。各种功率控制方式分别适用于不同的场合和环境。其中快速功率控制主要用在低速移动环境与深衰落环境中，而慢速功率控制主要用在快速移动的传输环境中。下行链路功率控制原理过程如图5所示。

外环决定的SIR值移动台接收机测量SIR比较TPC产生移动台发射机上行通信信道下行通信信道(含有TPC命令)基站发射机改变传输功率基站接收机

图5 下行功率控制过程

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