功率控制

蜂窝系统中最重要的要求之一

为使小区内所有移动台到达基站时信号电平基本维持在相等水平、通信质量维持在一个可接收水平，对移动台功率进行的控制。功率控制分为前向与反向功率控制，反向功率控制又分为开环功率控制和闭环功率控制，闭环功率控制细分为外环功率控制和内环功率控制。功率控制是CDMA系统一项关键技术。CDMA系统是干扰受限的系统，移动台发射功率对小区内通话的其他用户而言就是干扰，所以要限制移动台发射功率，使系统总功率电平保持最小。功率控制是WCDMA系统关键技术之一。由于远近效应和自干扰问题，功率控制是否有效直接决定了WCDMA系统是否可用。

功率控制的必要性

在蜂窝移动通信系统中，为防止邻道干扰和远近效应，要求从各移动台(基站)到达基站(移动台)接收机的信号功率电平(或信噪比)或解调后的误码率基本相同，这就需要对移动台(基站)的发射功率进行自动功率控制。特别是在CDMA系统中，在一个无线小区中的许多移动用户同时使用相同的频率和时隙，只是靠不同的码序列来区分不同的用户。所以，若用户间所使用的码序列的互相关不为零(理论上下行的各码序列互相正交，互相关系数为零)，小区内其他用户的信号相对于某用户的信号来说都是严重的多址干扰。严格进行发射功率控制是克服这种干扰的有效方法。特别是要求对移动台的发射功率的控制做到既精确又快速。

分类

前向功率控制指基站周期性地调低其发射到用户终端的功率值，用户终端测量误帧率，当误帧率超过预定义值时，用户终端要求基站对它的发射功率增加1%。每隔一定时间进行一次调整，用户终端的报告分为定期报告和门限报告。

反向功率控制在没有基站参与的时候为开环功率控制。用户终端根据它接收到的基站发射功率，用其内置的DSP数据信号处理器计算Eb/Io，进而估算出下行链路的损耗以调整自己的发射功率。开环功率控制的主要特点是不需要反馈信息，因此在无线信道突然变化时，它可以快速响应变化，此外，它可以对功率进行较大范围的调整。开环功率控制不够精确，这是因为开环功控的衰落估计准确度是建立在上行链路和下行链路具有一致的衰落情况下的，但是由于频率双工FDD模式中，上下行链路的频段相差190MHz，远远大于信号的相关带宽，所以上行和下行链路的信道衰落情况是完全不相关的，这导致开环功率控制的准确度不会很高，只能起到粗略控制的作用。WCDMA协议中要求开环功率控制的控制方差在10dB内就可以接受。

反向功率控制在有基站参与的时候为闭环功率控制。

在外环闭环功率控制中，基站每隔20ms为接收器的每一个帧规定一个目标Eb/Io(从用户终端到基站)，当出现帧误差时，该Eb/Io值自动按0.2～0.3为单位逐步减少，或增加3～5db。在这里只有基站参与。外环功率控制的周期一般为TTI（10ms、20ms、40ms、80ms）的量级，即10-100Hz。外环功率控制通过闭环控制，可以间接影响系统容量和通信质量，所以不可小视。在内环闭环功率控制中，基站每隔1.25ms比较一次反向信道的Eb/Io和目标Eb/Io，然后指示移动台降低或增加发射功率，这样就可达到目标Eb/Io。内环功率控制是快速闭环功率控制，在基站与移动台之间的物理层进行。

功率控制方法

功率控制方法可分为：

（1）反向功率控制

反向功率控制是用来控制移动台在上行链路上的发射功率。利用反向功率控制可克服远近效应，在CDMA系统中能增加系统容量，另外还可延长移动台电池的使用寿命。反向功率控制可以是开环功率控制，也可以是闭环功率控制。

（2）前向功率控制

前向功率控制是用来控制基站在下行链路上的发射功率。前向功率控制使各移动台收到的信号功率基本相等，还可以克服CDMA系统中的“角效应”现象。角效应现象是指移动台位于相邻小区的交界处，收到所属基站的有用信号功率很低而受到相邻小区基站较强的干扰时的现象。前向功率控制同样可以是开环功率控制或者闭环功率控制。

（3）开环功率控制

开环功率控制是接收机根据接收到的信号功率对自身发射功率进行控制。例如由移动台接收机根据接收到的信号功率对自身发射功率进行控制，使到达基站接收机的信号功率较适宜。这种控制方式实际上是估计接收信号电波传播的衰耗值，来决定需要发射的信号功率强度。接收到的信号功率越小，说明传输衰耗越大，需要发送的功率就越大。由于上下行链路增益不尽相同，特别是在频分双工(FDD)系统中，900MHz频段的上下行频率间隔为45MHz，上下行路径损耗必然存在差异。这是一种比较粗糙的功率控制。

（4）闭环功率控制

闭环功率控制的典型应用是：基站根据在反向链路上接收到的信号的强弱，在前向链路上向移动台发送功率控制指令。移动台根据接收到的指令调节发射功率。闭环功率控制优点是控制精度高，缺点是移动台的实施功率控制要比实际需要的功率控制时刻有所延迟。

（5）外环功率控制

外环功率控制是依据接收解调后的误帧率来控制对方发射机的发射信号功率。这种控制方式直接与解调后的业务质量相联系。

其他还有诸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发射机的功率控制都由基站实施；分布式功率控制是指将功率控制的任务分散到各移动台去实施。

应用

4.1功率控制的作用

功率控制能保证每个用户所发射功率到达基站处保持最小，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。

4.2CDMA中的功率控制

CDMA技术构建的蜂窝移动通信系统，终端用户都采用相同的频谱进行上下行链路的数据传输，每一个频谱信道都不是完全正交而是近似正交的，因而用户与用户之间存在干扰。每一个用户都是本小区内及相邻小区内同时进行通信的用户的干扰源。以宽带CDMA即WCDMA技术标准为例，基站覆盖的小区存在“远近效应”，这与通信用户进行通信时的信道功率有关。”远近效应”的具体描述是离基站远的用户到达基站的信号较弱，离基站近的用户到达基站的信号强，假定终端用户以相同的上行功率进行通信，则由于信号在信道中传输距离的远近差异，基站处收到的信号强度的差别可以达到30-70db，信号弱的用户的信号完全有可能被信号强的用户信号淹没，从而造成较远距离的用户完不成通信过程，严重时有可造成整个系统的崩溃。因此，有必要采取措施对用户终端的信号功率进行控制。另外，为了使基站发射的功率在到达每个用户终端时有个合理的值，也有必要优化基站的发射功率，换言之，基站也要加入到功率控制的框架中来。

CDMA系统是以不同的码字来区分不同的信道的。为不同用户分配的地址码是正交的或者是自相关性很大、互相关性很小的伪随机序列。对正交码来说，尽管在理论上各信道之间的相互干扰为零，但实际上很难保证；而对于在上行链路中采用多个用户合用一个全长度序列的伪随机码的CDMA系统来说，由于只用到了部分的相关性，各信道之间必然存在着相互干扰。所以CDMA系统是一种自干扰系统。为了尽量地降低各信道相互间的干扰，要求CDMA系统在保证接收信号质量的前提下，尽量降低发射功率，不需要发射功率裕量。所以，CDMA系统必须有很好的功率控制措施。在CDMA系统中，既用到反向功率控制，还用到前向功率控制。

（1）CDMA系统中的反向功率控制

反向功率控制分为开环功率控制、闭环功率控制和外环功率控制。

①反向开环功率控制

移动台根据在下行链路上检测到的导频信号强度，判断上行链路上的路径损耗，以此控制本移动台的发射功率，使移动台发出的信号功率在到达基站接收机时与所有其他移动台发出的信号功率到达基站接收机时相同。移动台发射机的发射功率为：

平均输出功率(dBm)=平均接收功率(dBm)+

偏置功率+参数 (21.6)

不同频段，移动台的偏置功率是不同的。如800MHz频段移动台的偏置功率是－73dB；1900MHz频段移动台是－76dB。式(21.6)中的参数是指移动台在同步信道上接收到的小区尺寸、小区有效发射功率和接收机灵敏度等参数，这些参数用于调整开环功率控制。这种开环功率控制方式，其前提是上下链路路径衰耗是相同的。如前所述，对采用FDD方式的系统，实际上下行链路路径衰耗的相关性并不紧密。所以，开环功率控制只能是对移动台发射功率的粗略的控制，一般用于移动台刚开始呼叫，为避免在没有收到闭环控制指令时，移动台发射功率过大对系统中其他信道造成较强的干扰。

开环功率控制可补偿平均路径衰耗的变化和阴影衰落的影响，要求有较大的动态范围(IS-95标准规定，不小于±32dB)。

②反向闭环功率控制

反向闭环功率控制的目的是使基站对移动台的开环功率控制估计迅速作出修正，以使移动台保持最佳的发射功率强度。其方法是基站每隔1.25ms对收到的各移动台的信干比测量一次，与标准进行比较，并发出一个1bit的功率调整指令，插入到对应移动台的下行业务信道内。移动台接收并检测到功率调整指令后，叠加到开环控制参数上进行发射增益调整。基站发出的插在下行业务信道内的1bit功率控制指令，每次增加或减少移动台发射功率1dB，总控制量不超过±24dB。每1.25ms控制一次相当于800bit/s的控制码率，基本能够跟上大多数的瑞利衰落。

反向闭环功率控制和反向开环功率控制的结合，既保证了移动台开始呼叫时采用适当(粗略估计)的发射功率，又实现了对移动台功率控制精度高、速度快的要求。

③外环功率控制

功率控制的最终目的是减低误帧率(FER)。IS-95系统通过检查业务信道中的FER来参与调整移动台的发射功率，这就是外环功率控制。将闭环功率控制与外环功率控制结合起来，使对移动台的功率控制不仅体现在基站接收合适的信噪比上，还直接与话音和数据业务质量相联系。

（2）CDMA系统中的前向功率控制

前向功率控制就是基站根据移动台提供的在下行链路上接收和解调信号的FER结果，调整其对各移动台的发射功率，使路径衰落小的移动台分配到较小的前向链路功率，而对远离基站的路径衰落较大的移动台分配较大的前向链路功率。

4.3WCDMA中的功率控制

功率控制是WCDMA系统的关键技术之一。由于远近效应和自干扰问题，功率控制是否有效直接决定了WCDMA系统是否可用，并且很大程度上决定了WCDMA系统性能的优劣，对于系统容量、覆盖、业务的QoS（系统服务质量）都有重要影响。

功率控制的作用首先是提高单用户的发射功率以改善该用户的服务质量，但由于远近效应和自干扰的问题，提高单用户发射功率会影响其他用户的服务质量，所以功率控制在WCDMA系统中呈现出矛盾的两个方面。

WCDMA系统采用宽带扩频技术，所有信号共享相同频谱，每个移动台的信号能量被分配在整个频带范围内，这样移动台的信号能量对其他移动台来说就成为宽带噪声。由于在无线电环境中存在阴影、多径衰落和远距离损耗影响，移动台在小区内的位置是随机的且经常变动，所以信号路径损耗变化很大。如果小区中的所有用户均以相同的功率发射，则靠近基站的移动台到达基站的信号强，远离基站的移动台到达基站的信号弱，另由于在WCDMA系统中，所有小区均采用相同频率，上行链路为不同用户分配的地址码是扰码，且上行同步较难，很难保证完全正交。这将导致强信号掩盖弱信号，即远近效应。

因此，功率控制目的是在保证用户要求的QoS的前提下最大程度降低发射功率，减少系统干扰从而增加系统容量。

4.4TD-SCDMA系统中的应用

TD-SCDMA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。

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