TD-SCDMA系统中的功率控制.doc

作 者：上海理工大学光电信息与计算机工程学院 孔永锋 施伟斌

    TD-SCMA系统是一个干扰受限系统，由于“远近效应”，系统的容量主要受限于系统内各移动台和基站间的干扰，因而，若每个移动台的信号到达基站时都能达到保证通信质量所需的最小信噪比并且保持系统同步，TD-SCDMA系统的容量将会达到最大。

    功率控制就是为了克服“远近效应”而采取的一项措施。它是在对接收机端的信号强度或信噪比等指标进行评估的基础上，适时改变发射功率来补偿无线信道中的路径损耗和衰落，从而既维持了信道的质量，又不会对同一无线资源中其他用户产生额外的干扰。另外，功率控制使得发射机功率减小，从而延长电池是使用的时间。

    功率控制算法通常从两个层次进行分析和研究。若从全局的层次上进行分析，则假定内环功率控制速率足够快，能够从理想地跟上信道变化，因此信道增益在一次功率控制达到稳定状态前是恒定的。从这个角度看功率控制问题，着重考虑的问题包括容量、全局稳定性和系统负荷，以及全局控制问题是否有解，即是否能够满足所有用户的性能要求（SIR）。若从局部的层次上进行分析链路通信的目标SIR值假定不变，并且满足所有用户要求。从这个角度考虑问题，则局部功率控制算法收敛性质和收敛速度，即快速跟上信道变化能力，是功率控制算法研究的重点。

    TD-SCDMA系统中的功率控制

    TDSCDMARRM（无限资源管理）中的功率控制技术主要包括开环、闭环和外环功率控制3部分，各部分实现以下描述。

    1.开环功率控制

    由于TD-SCDMA系统采用的是TDD模式，上下行链路使用相同的频段，因此上、下行链路的平均路径损耗存在显著的相关性。这一特点使得UE在接入网前，或者网络在建立无线链路时，能够根据计算下行链路的路径损耗来估计上行或下行链路的初始发射功率，这一过程称为开环功率控制。

    上行开环功率控制有UE和网络共同实现，网络需要广播一些控制参数，而UE负责测量P-CCPCH的接收信号码功率(RSCP),通过开环功率控制的计算，确定随机接入时UpPCH、PRACH、PUSCH和DPCH等信道的初始发射功率。

    2.闭环功率控制

    快速闭环功率控制（内环功率控制）的机制是无线链路的发射端根据接收端物理的反馈速度信息进行功率控制，这使得UE（NodeB）根据NodeB(UE) 的接收SIR值调整发射功率，来补偿无线信道的衰落。TD-SCDMA系统上，下行专用信道上使用内环功率控制，每一子帧（5ms进行一次）。功率控制速率为200HZ，功率控制步长可选为1dB、2dB、3dB。

    （1）上行闭环功率控制

    上行闭环功率控制用来调整上行专用信道（DPCH）和上行共享信道（PUSCH）的发射功率以上行DPCH为例，基站从RNC的上行外环功率控制算法得到相应的功率控制信道的目标SIR值，在每一个子帧内将其和DPCH的Midable信号的接收SIR值进行比较。如果接收到的 SIR值大于目标的SIR值，基站就在下行DPCH上发送“下降”的功率控制TPC命令给UE；如果接收到的SIR值小于目标SIR值，基站就在下行 DPCH上发送“上升”TPC命令给UE。在UE端，当收到基站的TPC命令后，根据上升和下降的命令和选取的功率控制步长，调整下一子帧相应信道的发射功率。

    （2）下行闭环功率控制

    下行闭环功率控制用来调整下行专用信道（DCH）和下行共享信道（PUSCH）的发射功率。以下行DPCH为例，UE从RNC获得下行外环功率控制需要的 BLER（FER）和其他一些控制参数，通过下行外环功率控制算法得到相应的功率控制信道的目标SIR值，在每一个帧内将其和下行的DPCH的 midable信号的接收SIR值相比较。如果接收到的SIR值大于目标SIR值，UE就在上行DPCH上发送“下降”的功率控制命令（TPC）；如果接收到的SIR值小于目标SIR值，则TPC命令设置为“上升”。在基站端，当收到UE的TPC命令后，根据上升或下降命令和选取的功率控制步长，调整下一个子帧相应信道的发射功率。

    一个DPCH或PDSCH的发射功率不能超过上层确定的动态范围。这个发射功率定义为物理信道扩频前一个时隙内复QPSK（8PSK）符号的平均功率。在下行传输数据暂停阶段，NODEB将忽略接收到的TPC命令。NODEB在一个时隙内的总下行发射功率不能超过规定的最大值，但总功率超过最大值时，所有下行 DPCH和PDSCH的发射功率将减小相同的值，使得总发射功率等于最大值。当下行专用信道处于失同步状态时，UE总是将上行TPC命令设为“上升”。

    3.外环功率控制

    内环功率控制虽然可以解决路径损耗以及远近效应的问题，使接收信号保持固定的信干比（SIR），但是却不能保证接收信号的质量。接收信号的质量一般用误块率（BLER）或误码率（BER）来表征，BLER有接收信号SIR的分布函数决定，两者的数学关系相当复杂。

    环境因素（主要是用户的移动速度，信号传播的多径和迟延）对接收信号的质量有很大的影响。当信道环境变化时，接收信号的SIR和BLER的对应关系也相应的发生变化。因此需要根据信道的环境变化，调整接收信号的SIR目标值，这就是外环功率控制的目的。

    影响外环功率控制性能的参数主要包括：（1）目标BLER/FER的设置；（2）由信道编解码性能决定的BLER/FER和BER以及BER和SIR的对应关系；（3）SIR的测量误差，可以用一个均值为零的正态分布随机函数来仿真。

    外环功率控制和内换功率控制组合实现闭环功率控制，所以其性能可以通过闭环功率控制的性能来体现。

    （1）上行外环功率控制

    上行外环功率控制在RNC的RRC子层执行，RNC为每一条执行上行内环功率控制的链路设置目标值SIR，并将这个目标值通知NODEB。NODEB在收到RNC的通知后，便更新相应链路的SIR目标值，作为内环功率控制的依据。

    外环可以采用不同的测量通信质量的方法，一种简单可靠的方法是采用循环冗余校验（CRC）结果来判断数据帧的错误情况。基于数据帧的可靠信息，还可以有另外一些判断通信质量的标准，例如：信道解码前的BER，即RawBER，或者Viterbi解码（Turbo解码）的软信息等。

    （2）下行外环功率控制

    下行功率控制在UE端的RRC子层执行，其原理和上行外环类似，只有功能实现单元不同，与上行功率控制不同的地方在于，网络端即使不能控制UE端的外环算法，仍能很有效地控制下行链接。首先下行链路的目标质量参考值是由RNC给出的，在通信中可以改变；其次，即使NODEB收到UE的快乐控制命令，也不一定必须按照内环算法执行，因为网络能够协调不同下行链路的通信质量从而实现不同业务的优先级，这在下行负载较重要的情况下可以有效的减小网络恶化的可能性。

功率控制的发展趋势

    3G系统的重要特征是可以提高质量的移动多媒体业务。因此，数据业务的链路控制日益成为重要的研究课题。除了功率控制，分组数据业务由于对时延的要就降低，其他链路自适应技术也将发挥重要的作用，其中典型的是自适应编码/调制等速率控制技术。

    高速的数据业务和更高的频谱利用率在增强的2G系统中得到了一定的实现，并且在CDMA及TDMA系统中已经标准化。这些增强的标准具有的公共特征如下。

    1.允许采用具有更高峰值数据速率的工行分组数据信道；

    2.通过数据速率自适应来利用在大部分覆盖范围内可以获得的更高的SINR；

    3.与2G语音标准兼容的时隙和帧结构，更方便升级和演进；

    4.当没有数据传输时移动终端允许进入睡眠状态，减少空中接口资源的占用率。一旦需要激活数据传输时，能够迅速的从睡眠态激活；

    5.对于分组数据传输而言，采用专用或共享信道会减小接入和建立导致的时延。

    更深入的研究将结合功率和速率控制技术进行联合控制，达到系统的最大优化。对于非实时的数据业务，要求对用户传输速率进行有效的控制，以充分利用频谱资源。不同的多媒体业务可以用不同的QOS来描述，只有设计合理的速率控制方案，才能有效的利用频谱资源。在无线信道中，传输速率和信干比(SIR)之间的关系密切。而功率控制是调节信干比最有效的手段，因袭将速率控制和功率控制相结合是很自然的。

    在实际系统中，可用的传输速率是一组离散的数值，链路控制的目的在于使系统吞吐量最大。由于速率的离散性，存在多种速率组合可以得到相同的系统吞吐量，但消耗的总发射功率却不同，而保证发射功率最小可以减小相邻小区的干扰，提高整个系统的吞吐量。因此功率控制和速率控制的问题归结为用最小总发射功率来最大化系统总吞吐量。关于联合功率控制和速率控制的数学分析和算法实现都在不断的研究过程中。

    总结

    在实际的工程应用中，选择哪种功率控制方式，不但要考虑功控的效果，更要考虑实现的难易程度和成本。就目前而言，大多数采用上行闭环功率控制，包括上行内环和上行外环。随着无线通信的发展，对无线资源的管理越来越重要，功率控制的地位会更加的突出，相应的功率控制方法也会不断的得到改进，会更好地满足系统的功控要求，进而减少系统自干扰，提高系统的容量。

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    开环功率控制

    开环功率控制在CDMA移动通信系统中主要是用于随机接入过程。由于TDD系统上，下行链路在同一个载频上传输，通过对导频信号的路径损耗估计，接收端可以对发送信号的路径损耗进行准确的估计，从而相应调整发送功率。

    开环功率控制由于不需要反馈信道，算法相对于闭环功率控制反应更灵敏，目前只用于无线链路的建立阶段。

    闭环功率控制

    闭环功率控制分为功率调节和功率判断2部分，因此功率调整的延迟较大。以上行链路为例，功率控制有终端和基站共同实现，终端接收基站发来的功率控制命令，按照规定的步长，增加或减少发生功率，而功率控制命令由基站根据接收到的上行信号SIR，通过功率控制算法计算生成。

    外环功率控制

    外环功率控制的功能是将目标SIR值调整到最恰当的位置，以保证信号质量。外环功率控制流程包括3个部分：测量接受信号质量BLER；查询指定BLER门限值；门限判决，按照相应的策略调整SIR目标值。