1 概述

??? 功率控制是WCDMA系統的關鍵技術之一。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系統是否可用，并且很大程度上決定了WCDMA系統性能的優劣，對于系統容量、覆蓋、業務的QoS（系統服務質量）都有重要影響。

??? 功率控制的作用首先是提高單用戶的發射功率以改善該用戶的服務質量，但由于遠近效應和自干擾的問題，提高單用戶發射功率會影響其他用戶的服務質量，所以功率控制在WCDMA系統中呈現出矛盾的兩個方面。

??? WCDMA系統采用寬帶擴頻技術，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，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。由于在無線電環境中存在陰影、多徑衰落和遠距離損耗影響，移動臺在小區內的位置是隨機的且經常變動，所以信號路徑損耗變化很大。如果小區中的所有用戶均以相同的功率發射，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系統中，所有小區均采用相同頻率，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射功率,減少系統干擾從而增加系統容量。

2 定義與縮略語

??? 由于涉及到許多專業術語，我們在介紹功率控制之前先介紹一些相關術語的定義。

??? active set：激活集合。
??? UL interference： 上行干擾 。
??? C/I: C/I=(RSCP/ISCP)?SF/2) 信干比。
??? Eb/N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/I Ec/Io＝RSCP/RSSI，體現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 ，業務質量。
??? RNC: Radio Network Control，無線網絡控制器。
??? 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，發射功率控制。
??? UE :User Equipment，用戶設備。
??? WCDMA: Wideband Code Division Multiple Access，寬帶碼分多址。

3 功率控制的實現過程

??? 功率控制的實現方式可以分為兩大類：內環功控和外環功控。當手機處于軟切換狀態時，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 內環功控

??? 內環功控的主要作用是通過控制物理信道的發射功率，使接收SIR收斂于目標SIR。WCDMA系統是通過估計接收到的Eb/No來發出相應的功率調整命令的。Eb/No與SIR具有一定的對應關系，例如對于12.2kbit/s的語音業務，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。

??? 內環功控分為開環和閉環兩種方式。開環功控目的提供初始發射功率的粗略估計，它根據測量結果對路徑損耗和干擾水平進行估計，從而計算初始發射功率。

???? 3.1.1 開環功控

???? 初始功率P_PRACH = P-CPICH DL TX power ?CPICH_RSCP + UL interference + Constant Value。P-CPICH DL TX power朇PICH_RSCP為下行路徑損耗。計算P_PRACH上行路徑損耗，并是根據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是參數設定的常量。
???? ConstantValueCprach， primaryCpichPower、RTWP可以從BCCH上得到。PCPICH_RSCP由測量得到。依據這些數據，我們可以得到P_PRACH的初始發射功率。

???? 若UE沒有得到AICH中的指示，則Premble以powerOffsetPO的步長增加發射功率，若得到AICH指示，則增加powerOffsetPpm。

???? 3.1.2 閉環功控

???? 閉環功控對通信期間上、下行鏈路進行快速功率調整。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量，以使鏈路的質量收斂于目標SIR。3GPP協議中上行鏈路的閉環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DPDCH和DPCCH之間的功率偏置來設置。功控過程如圖1所示。

圖1 閉環功控示意圖

???? 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 =慸own?#65307;當SIR_UL_RLS < SIR_TARGET 時 TPC Command =憉p?#12290;

???? 在評判內環功控性能優劣時我們主要觀察以下幾個指標棗

???? 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：反映內環功控的收斂情況。
???? SIRerr的標準差：反映SIRerr的波動情況。

???? 3.1.3 內環功控的測試驗證

???? 我們以華為設備AMR12.2kbit/s 話音業務和CS64K VP業務為例,驗證上行內環功控的效果。測試步驟如下：

???? （1）在覆蓋區里選取一條徑向路線和環向路線。

???? （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，在路側儀上記錄CPICH RSCP、CPICH Ec/Io，在UE側記錄UE的發射功率，網絡側記錄上行的SIRtarget、SIR測量值和BLER。

???? （4）根據測試記錄數據分析系統功率控制性能的效果。

???? 根據測試結果我們可以繪制SIR、SIRtarget、SIRerr時序圖，以及體現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，我們可以發現SIR測量值隨SIRtarget的變化而變化，因而可以定性地判斷內環功控功能正常。

???? 我們也可以通過定量計算來檢驗功控的效果，如表1所示。

???? 從表1可以看出UL SIRerr均值低于0.45, UL SIR標準差均低于0.85,這說明內環功控性能良好。

???? 開環功控和閉環功控的區別在于：開環功控采用上行鏈路干擾情況估計下行鏈路或根據下行鏈路估計上行鏈路，是不閉合的，而閉環功控存在一個反饋環，是閉合的。開環功控的初始發射功率由RNC（下行）或UE（上行）確定，而閉環功控由NodeB完成，RNC僅給出內環功控的目標SIR值。

表1 檢驗功控效果數據

??? 3.2 外環功控

???? 3.2.1 外環功控
　　外環功控通過調整內環功控的SIR目標值，使通信質量始終滿足要求。外環功控在RNC中進行。由于無線信道的復雜性，僅根據SIR值進行功率控制并不能真正反應鏈路質量。比如：對于靜止用戶、低速用戶（移動速率3km/h）和高速用戶（移動速率50km/h）來說，在相同FER的基礎上，對SIR的要求是不同的。最終的通信質量是通過FER/BLER/BER衡量，因此有必要根據實際FER/BLER值動態調整SIR目標值。我們以上行外環功控為例說明上行外環功率控制過程，如圖2所示。

圖2 外環功率控制過程

???? 在上行外環功控過程中，NODE B測量UL DPCCH SIR， 比較SIR 和SIR_target生成TPC 命令，隨后數據塊解碼生成 CRCI，最后RNC根據NODE B傳來的CRCI 判定是否達到 BLER_target。

???? 如果BLER測量>BLERTar，則提高SIRTar一個事先確定的步長；如果BLER測量 SIRtarget = SIRtarget + ulSirStep譡-X/(ZxUPDOWNSTEPRATIO) + Y/Z] 。

??? 其中，ulSirStep為調整步長，X為CRC校驗正確的傳輸塊數目，Z為接收的傳輸塊總數目，Y為CRC校驗錯誤的傳輸塊數目，而UPDOWNSTEPRATIO則為：UPDOWNSTEPRATIO=(1/blerQualityTargetUl*0.5)-1。式中，BlerQualityTargetUl為上行BLER質量目標值。

???? 下行外環功控由UE控制，實現方法與上行外環功控類似。

???? 在評判上行內環功控性能優劣時我們主要觀察以下兩個指標：UL BLER均值可以衡量外環功控BLER測量的準確性，其值越小越好；UL BLER 標準差可以衡量外環功控的穩定性，其值越小越好。

???? 3.2.2 外環功控的測試驗證

???? 以華為設備AMR12.2kbit/s 話音業務和CS64K VP業務為例說明上行外環功控效果，測試步驟如下：

???? （1）在覆蓋區里選取一條徑向路線和環向路線。

???? （2）使用兩部測試UE互通電話。

???? （3）按低速（5km/h）和中速（50km/h）沿測試路線移動，在路側儀上記錄CPICH RSCP、CPICH Ec/Io，在UE側記錄UE的發射功率，網絡側記錄上行的BLER測量值。

???? （4）根據測試記錄數據分析系統功率控制性能的效果。

???? 我們可以通過定量計算來檢驗功控的效果(見表2)。

???? 由表2可以看出，12.2kAMR業務BLER均值為1％，CS64上行業務均值低于0.2%,外環功控BLER測量的準確性較好，這說明外環功控良好。標準差可以衡量外環功控的穩定性。由表2可以看出，CS12.2K、CS64業務均收斂到BLER目標值，外環功控正常。

表2 檢驗功控效果數據

??? 3.3 下行功率平衡

??? 我們以圖3為例分析功率飄移問題。

圖3 功率漂移示意圖

??? 在下行功控中，用戶處于軟切換狀態，UE 給所有在active set中的小區送出相同的 TPC 命令,但若Node B誤解了碼3TPC命令，即UE讓RBS2升功率，但RBS2卻降功率，而RBS2功率下降將導致UE接收到的信號進一步變差。功率漂移大大降低了下行鏈路軟切換性能，因此需要用功率平衡手段來解決。功率平衡的目的是為了調整active set中的所有小區的發射功率，以保證UE達到所要求的服務。功率平衡的方法主要有兩種：

??? 一是對下行鏈路功率控制動態范圍設置相對嚴格的界限，使兩個NODB B的偏差不會過大。

??? 二是RNC 將從active set中的Node B報告的下行發射功率在一定時間內進行平均，并周期性發送給軟切換active set中的Node B 作為其發射功率的參考值，如圖4所示。

圖4 功率平衡示意圖

從圖4可以看出，RNC 周期性進行功率平衡，其功率算法為：P(k) = P(k-1) + Pbal。