CDMA_IS-95_and_2000系统的功率控制.doc

CDMA系统的功率控制

　　【概述】功率控制是CDMA系统的一项关键技术。本文介绍CDMA（IS95和20001x）系统功率控制的实现方式。包括功率控制的时间响应、IS95和20001x系统的反向开环和闭环功率控制，闭环功率控制又分外环功控和内环功控；IS95和20001x系统前向功率控制以及实现功率控制的发送消息及相关帧结构。

　　【关键词】功率控制（PowerControl）、时间响应、反向开环功率控制、反向闭环功率控制、反向内环功控、反向外环功控、前向功率控制、率测量报告消息（PMRM）、功控比特（PCB）、功控组（PCG）、前向闭环功控、前向内环功控（FILPC）、前向外环功控（FOLPC）。

　　功率控制是CDMA系统的一项关键技术。CDMA系统是干扰受限的系统，移动台的发射功率对小区内通话的其他用户而言就是干扰，所以要限制移动台的发射功率，使系统的总功率电平保持最小。功率控制能保证每个用户所发射功率到达基站础保持最小，既能符合最低的通信要求，同时又避免对其他用户信号产生不必要的干扰。功率控制的作用是减少系统内的相互干扰，使系统容量最大化。

　　1.1 功率控制的时间响应

　　在CDMA系统中，对发射的功率和输出信号功率的响应时间有一定要求。因为CDMA系统中移动台的输出信号功率是在功率控制组时间内突发的，为了保证可靠传输，要求输出信号功率的时间响应特性应是快速上升、保持平稳及快速下降。

　　变数据传输方式时，输出功率应满足下图所示的时间响应要求。图中1.25ms为用于变速率传输的一个功率控制时隙内的时间。在时隙内，功率波动应小于3db，功率电屏应比背景噪声高20db，功率上升和下降的时间应小于6μs。如图1所示。

移动台发射机的平均输出功率应小于-50dbm/1.23MHz，即-110dbm/Hz；移动台发射机背景噪声应小于-60dbm/1.23MHz，即-54dbm/Hz。

　　1.2 IS-95及CDMA20001x系统前向及反向功率控制

　　CDMA系统功率控制类型包括：

　　反向开环功率控制：

　　移动台根据接收功率变化，调整发射功率。

　　反向闭环功率控制：

　　移动台根据接收到的功率控制比特调整平均输出功率。

　　前向功率控制：

　　根据移动台测量报告，基站调整对移动台的发射功率。

　　1.2.1 反向开环功率控制

　　移动台的开环功率控制是指移动台根据接收的基站信号强度来调节移动台发射功率的过程。其目的是使所有移动台到达基站的信号功率相等，以免因“远近效应”影响扩频CDMA系统对码分信号的接收，降低系统容量。

　　1、IS-95A中的开环功率控制

　　IS-95A系统内，只要手机开机，开环就起作用。移动台根据前向链路信号强度来判断路径损耗。功率变化过程中，只有移动台参与。移动台不知道基站实际的有效发射功率（ERP），只能通过接收到的信号来估计前向链路损耗。移动台通过对接收信号强度的测量，调整发射功率。接收的信号越强，移动台的发射功率越小。

　　应当指出的是，移动台的开环功率控制的响应时间大约为30ms，只能克服由于阴影效应引起的慢衰落。移动台对接收信号测量和调整是基于认为前向信道和反向信道的衰落特性是一致的，这种依前向信道信号电平来调节移动台发射功率的开环调节是不完善的。需要采用闭环控制加以补充。

　　移动台在接入过程中的功率控制过程是通过接入探针实现的。接入过程中移动台的发初始发射功率不能太大，会干扰小区内其他用户；同时发射功率也不能太小，基站会接收不到。因此，移动台参用通过接入探针缓慢增加发射功率的方式。

　　移动台接入前，先发送一个低强度请求接入信号，若基站没有应答，则以PWR_STEP为步长一点一点的增加发射功率。初始接入功率计算公式如下：

　　Pt,initial=-Pr-73+NOM_PWR+INIT_PWR（单位dbm）

　　其中：Pr平均输入功率

　　INIT_PWR初始功率值

　　NOM_PWR额定功率偏移

　　PWR_STEP功率增加量

　　接入后的开环功控作用下手机发射功率：

　　Pt=-Pr-73+NOM_PWR+INIT_PWR+接入探针增加功率总和

　　移动台一旦与基站建立连接以后，移动台仍然会根据接收信号电平的变化，估计前向信道的衰落特性，调整自己的发射功率。

　　2、IS-95B/2000中的开环功率控制

　　IS-95B/2000系统除采用IS-95A的开环功率控制方法外，还引入功率控制因子，以求对反向发射功率的进一步精确控制。

　　IS-95A中的开环功率控制仍然有不足之处。当移动台接收到基站信号强度高时，有两种可能，一是传输路径损耗小，二是基站处于大负荷状态。当基站处于大负荷状态时，如果移动台通过接入探针减少发射功率的话，可能无法被基站接收。因此单纯通过接入探针调整移动台发射功率还不完善，在IS-95和20001x系统中，还要考虑到一个开环功控纠正因子=min(max(-7-ECIO,0),7)。此时，开环作用下手机的发射功率为

　　Pt=-Pr-73+NOM_PWR+INIT_PWR+接入探针增加功率总和+开环功控纠正因子

　　1.2.2 反向闭环功率控制

　　开环功率控制中，移动台的发射功率的调节是基于前向信道的信号强度，但是当前向和反向信道的衰落特性不一致时，基于前向信道的信号测量是不能反映反向信道传播特性的。开环功率控制不能估算出瑞利衰落信道下的对移动台发射功率的调节量。

　　此外，在反向开环功率控制系统中，移动台的开环功率控制的响应时间大约为30ms，只能克服由于阴影效应引起的慢衰落。要达到更精确的功率控制时间，就需要通过闭环功率控制加以解决。

　　1、IS-95A/B中的闭环功率控制

　　闭环功率控制中移动台和基站共同参与，一旦移动台开始和基站建立通信，闭环功率控制即开始起作用。基站不停地监测反向链路质量误帧率（FER）。误帧率（FER）是表示链路质量最好的参数，但测量FER需要花较长的时间收集足够的bit数，实际使用Eb/No。基站不断测量反向链路的Eb/No。给Eb/No设一个门限值，如果Eb/No值太大了，基站会命令移动台减小发射功率。如果Eb/No值太小了，基站会命令移动台增加发射功率。移动台根据基站发送的功率控制指令（功率控制比特携带的信息）来调节移动台的发射功率。

　　移动台将接收到的功率控制指令与移动台的开环功率相结合，来确定移动台闭环控制应发射的功率值。

　　反向闭环功率控制包括内环功控（RILPC）和外环功控（ROLPC），如图2所示：

（蓝色）外环：调整基站的接收信号的目标Eb/No设置值，以满足FER要求。

（红色）内环：使移动台发送信号的Eb/No与目标Eb/No接近。

　　IS-95中的反向内环功率控制（RILPC）

　　IS-95中反向内环功控用前向链路的业务信道发送，以PowerControlBit(PCB)形式发送给基站。移动台每接收到一个PCB，会以1dB的大小调整发射功率。PCB是夹在业务信道中传输的，速率为800bps，形成一条功率控制子信道。功率控制帧格式如图3所示：

前向帧和反向帧的长度都是20ms，每1.25ms有一个功控比特，业务信道被划分为16（20/1.25）个功率控制组（PCG）。对反向PCG中Eb/No的估算测量将在前向业务信道的PCG+2中的PCB中反映出来，图中为前向帧德PCG9。而反向帧在PCG7时段，当测量值>门限值时，在PCG9中的PCB=1，移动台将使发射功率降低1dB；反之，当PCG7时段，测量值<门限值，在PCG9中的PCB=0，移动台将使发射功率增加1dB。

　　功率控制比特（PCB）是直接加到速率为19.2kbps的基带中的，速率为800bps，因此没有任何的错误保护。这是因为闭环功率控制是用于克服快速瑞利衰落的，这样不加任何保护措施，可以使移动台以更快速度恢复PCB，进行发射功率的调整。如图4：

IS-95中的反向外环功率控制（ROLPC）

　　如反向功率控制图所示，IS-95的反向外环功控根据接收到的帧的类型、当前反向功率控制算法，得到目标Eb/No的设置值。反向外环功控（ROLPC）初始设有一个固定值Pnom。目标Eb/No的目标值在Pmin~Pmax之间变化。如果反向外环功率控制不起作用，反向内环功率控制就使用固定的Pnom。

　　软切换中的闭环功率控制

　　IS-95中定义当移动台在两个或三个小区之间移动时会发生软切换，在切换过程中，移动台同时接收到两个或三个基站发送来的业务信道帧。在接收到的业务信到帧中，各自包含的功控比特（PCB）有可能产生冲突。根据体制规定：当有PCB一个要求减小，移动台就减小发射功率；每个PCB都要求增加，移动台才增加发射功率。

　　2、20001x中的闭环功率控制

　　CDMA20001x中的闭环功率控制原理与IS-95中的一样，因为CDMA2000有反向导频信道（R-PICH），所以反向导频信道的功率分配和业务信道的功率分配有直接的联系，直接读取反向导频信道中的Ec/Io，就可以反映出前向误帧率（FFER）。如图5：

CDMA2000中的反向内环功率控制（RILPC）

　　CDMA2000中不考虑业务帧速率的变化。只是对不同的帧速率，连续发送的功率控值比特（PCB）的发射功率不一样。帧速率高，则连续发送的功率控值比特功率高；帧速率低，则连续发送的功率控值比特功率低。如图6。

CDMA2000中的反向外环功率控制（ROLPC）

　　如反向功率控制图所示，CDMA2000的反向外环功控调整目标Eb/No以获得目标反向误帧率（RFER）。如果接收到错误的帧，需要调整Eb/No，就调整参数vrpf_stepup_sp；如果接收到的帧无误，调整要根据stepdn_sp=（vrpc_stepup_sp）/（100*vrpc_fer）。此外，CDMA2000的无线设置RC3、RC4的参数设置值不采用此算法。

　　1.2.3 IS-95及CDMA20001x系统前向功率控制

　　功率控制的目的就是使移动台和基站接收到的误帧率（FER）接近一个目标值，例如对于语音业务，该目标值为1%，对于数据业务目标值为5%。系统容量的增加可以通过选择一个更高的目标FER值而仍能满足话音质量。更高的目标FER意味着更低的平均发射功率，这样可以保证系统容纳更多的用户。

　　前向链路中，如果使各移动台的话音质量相同，则在小区边缘附近的移动台所需要的功率比距离基站近的移动台要高。在移动台的帮助下，基站不断调整分配给每一个业务信道的功率以使每一个移动台的信噪比（S/N）相同，典型的S/N=-15dB。

　　前向链路的小区内信号的发射是同步的。移动台对前向链路解调时，干扰主要来自于临区干扰和多径引入的干扰。但是前向链路中，因为小区内信号的同步性和移动台相干解调带来的增益使得前向链路的质量要好于反向链路。在前向链路中，只引入一个慢速的功率控制就可以控制每个信道的发送功率。

　　1、IS-95A的前向功率控制

　　IS-95A（RC1）的前向功率控制基于移动台对接收到的误帧率的统计。一旦移动台在pwr_rep_frames时间内接收到2个误帧，移动台就向基站发送功率测量报告（PMRM），等4次pwr_rep_delay后开始新的测量过程。如果在pwr_rep_frames内收到不足2个误帧，则不向基站发送消息，本次测量周期结束后就开始下一次测量。

　　前向链路功率控制调整速率为0.5Hz，足够解决长期阴影效应造成的影响，但不能解决多径效应引起的快衰落问题。

　　基站调整的相关参数作用如下：

　　基站接收到功率测量报告（PMRM）

　　fer_small—FER下限

　　fer_big— FER上限

　　若fer_small

　　若fer_big

　　若FER

　　基站未接收到功率测量报告（PMRM）

　　一旦基站中值为fpc_step的计时器溢出，基站就会用delta_down命令减小前向链路数字增益，同时计时器重新启动。

　　增益调整范围：(min_gain,max_gain)

　　若flpc=0，则前向功率控制不工作，前向业务信道数字增益为nom_gain。

　　2、IS-95B的前向功率控制

　　IS-95B（RC2）中，基站根据反向业务信到中的EIB（ErasureIndicatorBit）是否有出现Erasure的情况，调整前向业务信道的数字增益。若出现Erasure的情况，基站就用up_adj增加前向业务信道的数字增益；若无Erasure情况，基站就用dn_adj降低前向业务信道的数字增益。

　　RC2中，前向链路功率控制速率为50Hz。

　　3、CDMA2000的前向功率控制

　　前向链路中多径衰落也是引起前向链路信号衰落的原因。在CDMA2000标准中，前向链路使用了和IS-95反向链路类似的闭环功率控制。提高了功率控制的速度，克服快衰落对信号的影响。CDMA2000中的前向功率控制就是闭环功率控制，也叫快速功率控制。

　　CDMA2000的前向闭环功率控制也分内环功控（FILPC）和外环功控（FOLPC），如图7所示：

（红色）内环功控：移动台用接收到的Eb/No与目标值比较，调整基站发射功率。

（蓝色）外环功控：移动台根据目标前向误帧率（FFER）调整目标Eb/No的设置值。

　　CDMA2000前向内环功率控制（FILPC）

　　前向内环功率控制中，前向帧由长度为1.25ms的16个PCG组成。移动台测量前向基础信道（F-FCH）中每个PCG的Eb/No。根据测量、比较的结果，通过在反向导频信道（R-PICH）中每1.25ms插入一个PCB发送前向功控（FPC）命令给基站。

　　如果PCB=1,基站使用power_control_step增加它的发射功率；

　　如果PCB=0,基站使用power_control_step减小它的发射功率。

　　CDMA2000前向外环功率控制（FOLPC）

　　前向外环功率控制的参数由基站配置。移动台制造商可以自由设置FOLPC的公式，前提是制造商遵循基站处设置的Eb/No的限制。

　　此外，由于切换状态会改变通信进程，基站会通过在前向基础信道（F-FCH）上发送功率控制消息（PCNM）来更新前向功控（FPC）参数。