中国联通：wcdma系统的功率控制分析

中国联通：WCDMA系统的功率控制分析WCDMA中采用的宽带扩频技术，所有用户都享用共同的上、下行频谱资源，每一个用户的有用信号的能量都分配到整个频带内，而这种有用信号对其他用户而言将是一个干扰。如何控制用户间干扰、改善功率的利用率从而提高整个系统的用户容量和通话质量，从而更有效利用无线资源，功率控制是不可缺少的重要手段。一、 远近效应功率控制的目的是为了克服远近效应。远近效应现象是指如果没有功率控制，距离基站近的一个UE 就能阻塞整个小区，而距离Node B远的UE信号将被“淹没”。在上行链路中，如果小区内所有 UE 以相同的功率进行发射，由于每个UE 与 Node B的距离和路径不同，信号到达Node B就会有不同的衰耗，从而导致离Node B较近的UE，Node B收到的信号强，较远的Node B收到的信号弱，这样就会造成Node B所接收到的信号的强度相差很大。由于 WCDMA是同频接收系统，较远的弱信号到达Node B后可能不会被解扩出来，造成弱信号“淹没”在强信号中，而无法正常工作。CDMA自从提出来以后一直没有得到大规模应用的主要原因，就是无法克服远近效应。从图1可知，采用功率控制后，每个UE到达基站的功率基本相当，这样，每个UE的信号到达NodeB后，都能被正确地解调出来。图1 功控比较示意图二、 功率控制的目的WCDMA采用宽带扩频技术，是个自干扰系统。通过功率控制，降低了多址干扰、克服远近效应以及衰落的影响，从而保证了上下行链路的质量。例如：在保证QoS的前提下降低某个UE的发射功率，将不会影响其上下行数据的接收质量，但结果却减少了系统干扰，其他UE的上下行链路质量将得到提高。功率控制给系统带来以下优点：（1）克服阴影衰落和快衰落。阴影衰落是由于建筑物的阻挡而产生的衰落，衰落的变化比较慢；而快衰落是由于无线传播环境的恶劣，UE和Node B之间的发射信号可能要经过多次的反射、散射和折射才能到达接受端而造成。对于阴影衰落，可以提高发射功率来克服；而快速功控的速度是1500次/秒，功控的速度可能高于快衰落，从而克服了快衰落、给系统带来增益，并保证了UE在移动状态下的接受质量，同时也能减小对相邻小区的干扰。（2）降低网络干扰，提高系统的质量和容量。功率控制的结果使UE和Node B之间的信号以最低功率发射，这样系统内的干扰就会最小，从而提高了系统的容量和质量。（3）由于手机以最小的发射功率和Node B保持联系，这样手机电池的使用时间将会大大延长。三、功率控制的分类在WCDMA系统中，功率控制按方向分为上行（或称为反向）功率控制和下行（或称为前向）功率控制两类；按移动台和基站是否同时参与又分为开环功率控制和闭环功率控制两大类。闭环功控是指发射端根据接收端送来的反馈信息对发射功率进行控制的过程；而开环功控不需要接收端的反馈，发射端根据自身测量得到的信息对发射功率进行控制。1 开环功率控制开环功率控制是根据上行链路的干扰情况估算下行链路，或是根据下行链路的干扰情况估算上行链路，是单向不闭合的。图2 开环功率控制如图2所示，UE测量公共导频信道CPICH的接收功率并估算Node B的初始发射功率，然后计算出路径损耗，根据广播信道BCH得出干扰水平和解调门限，最后UE计算出上行初始发射功率作为随机接入中的前缀传输功率，并在选择的上行接入时隙上传送（随机接入过程）。开环功率控制实际上是根据下行链路的功率测量对路径损耗和干扰水平进行估算而得出上行的初始发射功率，所以，初始的上行发射功率只是相对准确值。WCDMA系统采用的FDD模式，上行采用19201980MHz、下行采用21102170MHz，上下行的频段相差190MHz。由于上行和下行链路的信道衰落情况是完全不同的，所以，开环功率控制只能起到粗略控制的作用。但开环功控却能相对准确地计算初始发射功率，从而加速了其收敛时间，降低了对系统负载的冲击；而且，在3GPP协议中，要求开环功率控制的控制方差在 10dB 内就可以接受。2 上行内环功控内环功率控制是快速闭环功率控制，在Node B与UE之间的物理层进行, 上行内环功率控制的目的是使基站接收到每个UE信号的比特能量相等。见图3。图3 上行内环功控首先，Node B测量接受到的上行信号的信干比（SIR），并和设置的目标SIR（目标SIR由RNC下发给Node B）相比较，如果测量SIR小于目标SIR，NodeB在下行的物理信道DPCH中的TPC标识通知UE提高发射功率，反之，通知UE降低发射功率。因为WCDMA在空中传输以无线帧为单位，每一帧包含有15个时隙，传输时间为10ms，所以，每时隙传输的频率为1500次/秒；而DPCH是在无限帧中的每个时隙中传送，所以其传送的频率为每秒1500次，而且上行内环功控的标识位TPC是包含在DPCH里面，所以，内环功控的时间也是1500次/秒。3 上行外环功控上行外环功控是RNC动态地调整内环功控的SIR目标值，其目的是使每条链路的通信质量基本保持在设定值，使接收到数据的BLER满足QoS要求。见图4。图4 上行外环功控上行外环功控由RNC执行。RNC测量从Node B传送来数据的BLER（误块率）并和目标BLER（QoS中的参数，由核心网下发）相比较，如果测量BLER大于目标BLER，RNC重新设置目标TAR（调高TAR）并下发到Node B；反之，RNC调低TAR并下发到Node B。外环功率控制的周期一般在一个 TTI（10ms、20ms、40ms、80ms）的量级，即 10100Hz。由于无线环境的复杂性，仅根据SIR值进行功率控制并不能真正反映链路的质量。而且，网络的通信质量是通过提供服务中的QoS来衡量，而QoS的表征量为BLER，而非 SIR。所以，上行外环功控是根据实际的BLER值来动态调整目标SIR，从而满足Qos质量要求。4 下行闭环功控下行闭环功控和上行闭环功控的原理相似。下行内环功率控制由手机控制，目的使手机接收到Node B信号的比特能量相等，以解决下行功率受限；下行外环功控是由UE的层3控制，通过测量下行数据的BLER值，进而调整UE物理层的目标SIR值，最终达到UE接收到数据的BLER值满足QoS要求。见图5。图5 下行内环和外环功率控制四、分析总结WCDMA是个自干扰系统，功率是最终的无线资源，而无线资源管理的过程就是控制自身系统内干扰的过程，所以，最有效地使用无线资源的唯一手段就是严格控制功率的使用。但控制功率的使用是矛盾的：一方面它能提高针对某用户的发射功率、改善用户的服务质量；另一方面，由于WCDMA的自干扰性，这种提高会带给其他用户干扰的增加，而导致介绍质量的下降。所以，在WCDMA系统中，在保证了用户要求的QoS前提下，功率控制的使用，最大限度地降低发射功率、减少系统干扰、增加系统容量，而这正是WCDMA技术的关键。