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功率控制

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中文名；功率控制 外文名；Power control 應用系統；蜂窩移動通信系統 分 類；前向與反向功率控制

為使小區內所有移動台到達基站時信號電平基本維持在相等水平、通信質量維持在一個可接收水平，對移動台功率進行的控制。功率控制分為前向與反向功率控制，反向功率控制又分為開環功率控制和閉環功率控制，閉環功率控制細分為外環功率控制和內環功率控制。功率控制是CDMA系統一項關鍵技術。CDMA系統是干擾受限的系統，移動台發射功率對小區內通話的其他用戶而言就是干擾，所以要限制移動台發射功率，使系統總功率電平保持最小。功率控制是WCDMA系統關鍵技術之一。由於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。

功率控制是蜂窩系統中最重要的要求之一。TD-SCDMA系統是一個干擾受限系統，由於遠近效應，它的系統容量主要受限於系統內各移動台和基站的干擾，因而，若每個移動台的信號到達基站時都能達到保證通信質量所需的最小信噪比並且保持系統同步，TD-SCDMA系統的容量將會達到最大。功率控制是在對接收機端的接收信號強度或信噪比等指標進行評估的基礎上，適時改變發射功率來補償無線信道中的路徑損耗和衰落，從而既維持了通信質量，又不會對同一無線資源中其他用戶產生額外干擾。另外，功率控制使得發射機功率減小，從而延長電池使用時間。

功率控制的必要性

在蜂窩移動通信系統中，為防止鄰道干擾和遠近效應，要求從各移動台(基站)到達基站(移動台)接收機的信號功率電平(或信噪比)或解調後的誤碼率基本相同，這就需要對移動台(基站)的發射功率進行自動功率控制。特別是在CDMA系統中，在一個無線小區中的許多移動用戶同時使用相同的頻率和時隙，只是靠不同的碼序列來區分不同的用戶。所以，若用戶間所使用的碼序列的互相關不為零(理論上下行的各碼序列互相正交，互相關係數為零)，小區內其他用戶的信號相對於某用戶的信號來說都是嚴重的多址干擾。嚴格進行發射功率控制是克服這種干擾的有效方法。特別是要求對移動台的發射功率的控制做到既精確又快速。

分類

前向功率控制指基站周期性地調低其發射到用戶終端的功率值，用戶終端測量誤幀率，當誤幀率超過預定義值時，用戶終端要求基站對它的發射功率增加1%。每隔一定時間進行一次調整，用戶終端的報告分為定期報告和門限報告。

反向功率控制在沒有基站參與的時候為開環功率控制。用戶終端根據它接收到的基站發射功率，用其內置的DSP數據信號處理器計算Eb/Io，進而估算出下行鏈路的損耗以調整自己的發射功率。開環功率控制的主要特點是不需要反饋信息，因此在無線信道突然變化時，它可以快速響應變化，此外，它可以對功率進行較大範圍的調整。開環功率控制不夠精確，這是因為開環功控的衰落估計準確度是建立在上行鏈路和下行鏈路具有一致的衰落情況下的，但是由於頻率雙工FDD模式中，上下行鏈路的頻段相差190MHz，遠遠大於信號的相關帶寬，所以上行和下行鏈路的信道衰落情況是完全不相關的，這導致開環功率控制的準確度不會很高，只能起到粗略控制的作用。WCDMA協議中要求開環功率控制的控制方差在10dB內就可以接受。

反向功率控制在有基站參與的時候為閉環功率控制。

在外環閉環功率控制中，基站每隔20ms為接收器的每一個幀規定一個目標Eb/Io(從用戶終端到基站)，當出現幀誤差時，該Eb/Io值自動按0.2～0.3為單位逐步減少，或增加3～5db。在這裡只有基站參與。外環功率控制的周期一般為TTI（10ms、20ms、40ms、80ms）的量級，即10-100Hz。外環功率控制通過閉環控制，可以間接影響系統容量和通信質量，所以不可小視。在內環閉環功率控制中，基站每隔1.25ms比較一次反向信道的Eb/Io和目標Eb/Io，然後指示移動台降低或增加發射功率，這樣就可達到目標Eb/Io。內環功率控制是快速閉環功率控制，在基站與移動台之間的物理層進行。

功率控制方法

功率控制方法可分為：

（1）反向功率控制

反向功率控制是用來控制移動台在上行鏈路上的發射功率。利用反向功率控制可克服遠近效應，在CDMA系統中能增加系統容量，另外還可延長移動台電池的使用壽命。反向功率控制可以是開環功率控制，也可以是閉環功率控制。

（2）前向功率控制

前向功率控制是用來控制基站在下行鏈路上的發射功率。前向功率控制使各移動台收到的信號功率基本相等，還可以克服CDMA系統中的「角效應」現象。角效應現象是指移動台位於相鄰小區的交界處，收到所屬基站的有用信號功率很低而受到相鄰小區基站較強的干擾時的現象。前向功率控制同樣可以是開環功率控制或者閉環功率控制。

（3）開環功率控制

開環功率控制是接收機根據接收到的信號功率對自身發射功率進行控制。例如由移動台接收機根據接收到的信號功率對自身發射功率進行控制，使到達基站接收機的信號功率較適宜。這種控制方式實際上是估計接收信號電波傳播的衰耗值，來決定需要發射的信號功率強度。接收到的信號功率越小，說明傳輸衰耗越大，需要發送的功率就越大。由於上下行鏈路增益不盡相同，特別是在頻分雙工(FDD)系統中，900MHz頻段的上下行頻率間隔為45MHz，上下行路徑損耗必然存在差異。這是一種比較粗糙的功率控制。

（4）閉環功率控制

閉環功率控制的典型應用是：基站根據在反向鏈路上接收到的信號的強弱，在前向鏈路上向移動台發送功率控制指令。移動台根據接收到的指令調節發射功率。閉環功率控制優點是控制精度高，缺點是移動台的實施功率控制要比實際需要的功率控制時刻有所延遲。

（5）外環功率控制

外環功率控制是依據接收解調後的誤幀率來控制對方發射機的發射信號功率。這種控制方式直接與解調後的業務質量相聯繫。

其他還有諸如集中式功率控制和分布式功率控制。集中式功率控制是指所有發射機的功率控制都由基站實施；分布式功率控制是指將功率控制的任務分散到各移動台去實施。

功率控制能保證每個用戶所發射功率到達基站處保持最小，既能符合最低的通信要求，同時又避免對其他用戶信號產生不必要的干擾。功率控制的作用是減少系統內的相互干擾，使系統容量最大化。

4.2CDMA中的功率控制

CDMA技術構建的蜂窩移動通信系統，終端用戶都採用相同的頻譜進行上下行鏈路的數據傳輸，每一個頻譜信道都不是完全正交而是近似正交的，因而用戶與用戶之間存在干擾。每一個用戶都是本小區內及相鄰小區內同時進行通信的用戶的干擾源。以寬帶CDMA即WCDMA技術標準為例，基站覆蓋的小區存在「遠近效應」，這與通信用戶進行通信時的信道功率有關。」遠近效應」的具體描述是離基站遠的用戶到達基站的信號較弱，離基站近的用戶到達基站的信號強，假定終端用戶以相同的上行功率進行通信，則由於信號在信道中傳輸距離的遠近差異，基站處收到的信號強度的差別可以達到30-70db，信號弱的用戶的信號完全有可能被信號強的用戶信號淹沒，從而造成較遠距離的用戶完不成通信過程，嚴重時有可造成整個系統的崩潰。因此，有必要採取措施對用戶終端的信號功率進行控制。另外，為了使基站發射的功率在到達每個用戶終端時有個合理的值，也有必要優化基站的發射功率，換言之，基站也要加入到功率控制的框架中來。

CDMA系統是以不同的碼字來區分不同的信道的。為不同用戶分配的地址碼是正交的或者是自相關性很大、互相關性很小的偽隨機序列。對正交碼來說，儘管在理論上各信道之間的相互干擾為零，但實際上很難保證；而對於在上行鏈路中採用多個用戶合用一個全長度序列的偽隨機碼的CDMA系統來說，由於只用到了部分的相關性，各信道之間必然存在着相互干擾。所以CDMA系統是一種自干擾系統。為了儘量地降低各信道相互間的干擾，要求CDMA系統在保證接收信號質量的前提下，儘量降低發射功率，不需要發射功率裕量。所以，CDMA系統必須有很好的功率控制措施。在CDMA系統中，既用到反向功率控制，還用到前向功率控制。

（1）CDMA系統中的反向功率控制

反向功率控制分為開環功率控制、閉環功率控制和外環功率控制。

①反向開環功率控制

移動台根據在下行鏈路上檢測到的導頻信號強度，判斷上行鏈路上的路徑損耗，以此控制本移動台的發射功率，使移動台發出的信號功率在到達基站接收機時與所有其他移動台發出的信號功率到達基站接收機時相同。移動台發射機的發射功率為：

平均輸出功率(dBm)=平均接收功率(dBm)+

偏置功率+參數 (21.6)

不同頻段，移動台的偏置功率是不同的。如800MHz頻段移動台的偏置功率是－73dB；1900MHz頻段移動台是－76dB。式(21.6)中的參數是指移動台在同步信道上接收到的小區尺寸、小區有效發射功率和接收機靈敏度等參數，這些參數用於調整開環功率控制。這種開環功率控制方式，其前提是上下鏈路路徑衰耗是相同的。如前所述，對採用FDD方式的系統，實際上下行鏈路路徑衰耗的相關性並不緊密。所以，開環功率控制只能是對移動台發射功率的粗略的控制，一般用於移動台剛開始呼叫，為避免在沒有收到閉環控制指令時，移動台發射功率過大對系統中其他信道造成較強的干擾。

開環功率控制可補償平均路徑衰耗的變化和陰影衰落的影響，要求有較大的動態範圍(IS-95標準規定，不小於±32dB)。

②反向閉環功率控制

反向閉環功率控制的目的是使基站對移動台的開環功率控制估計迅速作出修正，以使移動台保持最佳的發射功率強度。其方法是基站每隔1.25ms對收到的各移動台的信干比測量一次，與標準進行比較，並發出一個1bit的功率調整指令，插入到對應移動台的下行業務信道內。移動台接收並檢測到功率調整指令後，疊加到開環控制參數上進行發射增益調整。基站發出的插在下行業務信道內的1bit功率控制指令，每次增加或減少移動台發射功率1dB，總控制量不超過±24dB。每1.25ms控制一次相當於800bit/s的控制碼率，基本能夠跟上大多數的瑞利衰落。

反向閉環功率控制和反向開環功率控制的結合，既保證了移動台開始呼叫時採用適當(粗略估計)的發射功率，又實現了對移動台功率控制精度高、速度快的要求。

③外環功率控制

功率控制的最終目的是減低誤幀率(FER)。IS-95系統通過檢查業務信道中的FER來參與調整移動台的發射功率，這就是外環功率控制。將閉環功率控制與外環功率控制結合起來，使對移動台的功率控制不僅體現在基站接收合適的信噪比上，還直接與話音和數據業務質量相聯繫。

（2）CDMA系統中的前向功率控制

前向功率控制就是基站根據移動台提供的在下行鏈路上接收和解調信號的FER結果，調整其對各移動台的發射功率，使路徑衰落小的移動台分配到較小的前向鏈路功率，而對遠離基站的路徑衰落較大的移動台分配較大的前向鏈路功率。

4.3WCDMA中的功率控制

功率控制是WCDMA系統的關鍵技術之一。由於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，並且很大程度上決定了WCDMA系統性能的優劣，對於系統容量、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，但由於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系統採用寬帶擴頻技術，所有信號共享相同頻譜，每個移動台的信號能量被分配在整個頻帶範圍內，這樣移動台的信號能量對其他移動台來說就成為寬帶噪聲。由於在無線電環境中存在陰影、多徑衰落和遠距離損耗影響，移動台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，則靠近基站的移動台到達基站的信號強，遠離基站的移動台到達基站的信號弱，另由於在WCDMA系統中，所有小區均採用相同頻率，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。

4.4TD-SCDMA系統中的應用

TD-SCDMA系統是一個干擾受限系統，由於「遠近效應」，系統的容量主要受限於系統內各移動台和基站間的干擾，因而，若每個移動台的信號到達基站時都能達到保證通信質量所需的最小信噪比並且保持系統同步，TD-SCDMA系統的容量將會達到最大。

功率控制就是為了克服「遠近效應」而採取的一項措施。它是在對接收機端的信號強度或信噪比等指標進行評估的基礎上，適時改變發射功率來補償無線信道中的路徑損耗和衰落，從而既維持了信道的質量，又不會對同一無線資源中其他用戶產生額外的干擾。另外，功率控制使得發射機功率減小，從而延長電池是使用的時間。

功率控制算法通常從兩個層次進行分析和研究。若從全局的層次上進行分析，則假定內環功率控制速率足夠快，能夠從理想地跟上信道變化，因此信道增益在一次功率控制達到穩定狀態前是恆定的。從這個角度看功率控制問題，着重考慮的問題包括容量、全局穩定性和系統負荷，以及全局控制問題是否有解，即是否能夠滿足所有用戶的性能要求（SIR）。若從局部的層次上進行分析鏈路通信的目標SIR值假定不變，並且滿足所有用戶要求。從這個角度考慮問題，則局部功率控制算法收斂性質和收斂速度，即快速跟上信道變化能力，是功率控制算法研究的重點。

參考來源

電力電子學概論 - 功率控制理論導論