WCDMA系統(tǒng)中的功率控制技術仿真與分析

1、 WCDMA系統(tǒng)中的功率控制技術仿真與分析摘要功率控制是新一代無線通信網絡系統(tǒng)的關鍵技術之一。在WCDMA系統(tǒng)中，如何有效地進行功率控制，并且在保證用戶要求的QoS前提下，最大程度降低發(fā)射功率，減少系統(tǒng)干擾從而增加系統(tǒng)容量，是WCDMA技術中的重點。在CDMA系統(tǒng)中，由于存在著“多址干擾”、“遠近效應”、“陰影效應"而使得通信質量惡化，最終結果是導致整個通信系統(tǒng)的容量下降，而功率控制技術的出現有很效地解決這些問題。功率控制技術的采用，一方面減小了干擾的影響，另一方面在滿足信噪比要求的情況下，使移動臺的發(fā)射功率控制在最低電平，這既降低了發(fā)射功率，又減小了不同用戶之間的干擾，從而提高了系

2、統(tǒng)的容量。本文主要研究了3G WCDMA移動通信系統(tǒng)中的功率控制技術，具體研究了其中的上行開環(huán)功率控制、上行內環(huán)功率控制和上行外環(huán)功率控制并對其進行仿真與分析。關鍵字：功率控制；WCDMA；SIR；QOS；遠近效應；THE SIMULATION AND ANALYSIS OF POWER CONTROL TECHNOLOGY IN WCDMA COMMUNICATION SYSTEMSABSTRUCTPower control is a key technology for the wireless comunication network system of the new generati

3、on.How to use the power control to decrease the transmittion power and lessen the system interference, and thus to raise the system capacity while ensureing the QoS required by users, is of great importance in WCDMA Technology. InCDMAsystem，¨multiaddressinterference","near-farproblem”

4、and shading effect”deteriorate the quality of communication system，which leading to the system capacity decreasePower control is introduced to solve these problems effectivelyPower control technology is introduced to weak the influence of interference，and to make the transmit power maintain the lowe

5、st level satisfying SIR requirementPower control technology both help the transmit and reduce the interference to other usersThus system capacity can be improvedIn this thesis，I mainly have all indepth study on power control in radio resource management for 3G WCDMA network，particularly,on uplink op

6、en loop power control 、uplink inner loop power control、uplink out loop loop power control technology and we also simulink and analyse the power control system.KEY WORDS: power control; WCDMA; SIR; QOS; near-far effect目錄第一章 緒論1.1 第三代移動通信的發(fā)展概況第三代移動通信，簡稱3G，全稱為3rd Generation，中文含義就是指第三代數字通信。第三代移動通信系統(tǒng)（即IM

7、T-2000）是在第二代移動通信系統(tǒng)基礎上一步步發(fā)展和演進而來的，它的關鍵技術技術為CDMA。它的功能比二代通信系統(tǒng)強大，能在提供數據業(yè)務的同時提供語音業(yè)務，而且還能徹底解決上一代移動通信系統(tǒng)存在不足，是目前比較先進的移動通信系統(tǒng)，因此也被稱作為未來移動通信系統(tǒng)。第三代移動通信系統(tǒng)的目的是：在全球范圍內不論何時、何地、任何用戶都能夠用任何方式在未來移動通信系統(tǒng)中實現與任意終端完成高質量地信息傳輸和通信，這也是第三代移動通信系統(tǒng)的突出特點。由此可見，第三代移動通信特別強調了人在通信系統(tǒng)中的主導性，所以第三代移動通信系統(tǒng)也被稱為未來個人通信系統(tǒng)。1985年，總部位于日內瓦的聯(lián)合國標準化組織 ITU

8、 便提出了第三代移動通信系統(tǒng)，只不過當時稱為未來公眾陸地移動通信系統(tǒng)(FPLMTs)，經過10多年的發(fā)展并在1996年更名為國際移動通信2000(IMT-2000)，因為它的系統(tǒng)主要工作在2000MHz頻段并且它的最高業(yè)務速率可達2000kbits再加上原計劃在2000 年左右開始商用。此后各個區(qū)域化標準組織都紛紛開展了各自的研究例如ETSI、ARIB、TIA、T1、TTA、CWTS、TTC等。 3G技術被歐洲電信標準協(xié)會(ETSI)統(tǒng)稱為通用移動通信系統(tǒng)。3G正式成為UMTS體系中的入選技術方案是在1998年日本和歐洲在寬帶CDMA建議的關鍵參數上取得一致的情況下，它的空中接口是頻分雙工 (

9、FDD)頻段，因此也通稱為WCDMA。為了跟北美的窄帶CDMA標準有所區(qū)別，由歐洲ETSI發(fā)起，并由ETSI(歐洲)、CWTS(中國)、ARIB(日本)、TTC(日本)、TTA(韓國)和T1(美國)等成員組成的第三代合作組3GPP對其進一步的細化和改進。3GPP的目標是制定與GSMGPRS兼容的第三代移動通信標準WCDMA，在歐洲又稱為UMTS。 隨著通信技術的不斷發(fā)展，各國和地區(qū)在移動通信的標準方面各不相同，在國際電聯(lián)確定三個無線接口標準中（美國CDMA2000，歐洲WCDMA，中國TD-SCDMA）國內分配情況如下：分別是中國聯(lián)通的WCDMA，中國電信的CDMA2000和中國移動的TD-

10、SCDMA。由于第二代系統(tǒng)采用的是時分多址（TDMA）而CDMA采用的是碼分擴頻技術，因此在話音激活和先進功率方面第三代通信系統(tǒng)的的網絡容量比第二代通信系統(tǒng)的3倍還要大，業(yè)界把CDMA技術作為3G的主流技。1.2 第三代移動通信面臨的主要問題多徑衰落多徑衰落幾乎存在所有移動通信系統(tǒng)中，由于受到地物、地貌和海況等因素的影響。在傳播過程中無線電波將發(fā)生折射、反射和直射等，從而使得無線電波有多條傳播路徑。由于接收端的天線的位置和極化的差異，使不同路徑的無線電波到達接收機時信號的幅度、相位具有不一致性和時變性，這就導致接收信號程衰落現象。這種現象對系統(tǒng)的容量有著巨大的影響。多址干擾多址干擾是指同CDM

11、A系統(tǒng)中多用戶的信號在時域和頻域上是混疊的，因為CDMA系統(tǒng)為碼分多址，CDMA系統(tǒng)采用的是不同的地址嗎來區(qū)分每個用戶，而在不同用戶之間的擴頻序列不能完全正交，即相關系數不為零。這種不相關性也就引起了用戶之間的相互干擾。多址干擾很大程度上限制了系統(tǒng)的容量，并且也嚴重影響了系統(tǒng)的性能。遠近效應所謂遠近效應，就是指當基站同時接收兩個距離不同的移動臺發(fā)來的信號時，由于距離基站較近的移動臺信號較強，距離較遠的移動臺信號較弱，則距離基站近的移動臺的強信號將對另一移動臺信號產生嚴重的干擾。內環(huán)功率控制能夠有效的解決遠近效應這一問題。1.3 第三代移動通信的關鍵技術功率控制技術在CDMA系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)采用

12、的是寬帶擴頻技術，所有的用戶都享用共同的上、下行頻譜資源，每一個用戶的有用信號的能量都分配到整個頻帶內，而這種有用信號對其他用戶來說將是一個干擾。因此，功率控制技術對WCDMA系統(tǒng)而言比較重要。WCDMA系統(tǒng)中，功率控制按移動臺和基站是否同時參與又可分為開環(huán)功率控制和閉環(huán)功率控制兩大類；按方向可分為上行（反向）和下行（前向）功率控制。開環(huán)功率控制是根據上行鏈路的干擾情況估計下行鏈路或是根據下行鏈路的情況來估計上行鏈路，是單向不閉合的。由此就可以通過測量UE的發(fā)射功率（或接收功率）來估計UE的接受功率（或發(fā)射功率），然后根據信道情況適當的調整發(fā)射功率的大小。由于開環(huán)功率控制只是通過路徑損耗和干擾

13、等來估計初始發(fā)射功率，這就使得發(fā)射功率值不太精確。而閉環(huán)功率控制可以有效地解決此問題，它通過用接收功率的測量值來計算出一個實際SIR再與目標SIR相比較來得到一個功率控制命令，然后通過信道把功率控制命令傳送到發(fā)射端，再根據此命令來調節(jié)發(fā)射功率的大小。外環(huán)功率控制技術則是以誤碼率或誤塊率為衡量標準，通過實際BER與目標BER的比較得到功率控制命令，然后調整閉環(huán)功率控制的目標信干比。多用戶檢測技術在CDMA系統(tǒng)中，由于碼間不正交，會引起多址干擾（MAI），而多址干擾將會限制系統(tǒng)容量，為了消除多址干擾影響，人們提出了利用其他 用戶的已知信息去消除多址干擾的多用戶檢測技術。多用戶檢測技術分為兩大類：線

14、性多用戶檢測和相減去干擾檢測。在線性多用戶檢測中，對傳統(tǒng)的解相器軟輸出 的信號進行一種線性的映射（變換）以期產生新的一組有希望提供更好性能的輸出。在相減去干擾檢測中，可產生對干擾的預測并使之減小。目前，CDMA系統(tǒng)中 的多用戶檢測技術還存在一定的局限，主要表現在：多用戶檢測只是消除了小區(qū)內的干擾，而對小區(qū)間的干擾還是無法消除；算法相當復雜，不易在實際系統(tǒng)中實 現。多用戶檢測技術的局限是暫時的，隨著數字信號處理技術和微電子技術的發(fā)展，降低復雜性的多用戶檢測技術必將在第三代移動通信系統(tǒng)中得到廣泛的應用。 智能天線技術智能天線技術是中國標準TD-SDMA中的重要技術之一，是基于自適應天線原理的一種適

15、合于第三代移動通信系統(tǒng)的新技術。它結合了自適應天線技術的優(yōu)點， 利用天線陣列的波束匯成和指向，產生多個獨立的波束，可以自適應地調整其方向圖以跟蹤信號的變化，同時可對干擾方向調零以減少甚至抵消干擾信號，增加系統(tǒng) 的容量和頻譜效率。智能天線的特點是能夠以較低的代價換得天線覆蓋范圍、系統(tǒng)容量、業(yè)務質量、抗阻塞和抗掉話等性能的提高。智能天線在干擾和噪聲環(huán)境下， 通過其自身的反饋控制系統(tǒng)改變輻射單元的輻射方向圖、頻率響應及其他參數，使接收機輸出端有最大的信噪比。多載波技術多載波MC-CDMA是第三代移動通信系統(tǒng)中使用的一種新技術。多載波CDMA技術早在1993年的PIMRC會議上就被提出來了。目前，多

16、載波CDMA作為一種有著良好應用前景的技術，已吸引了許多公司對此進行深入研究。多載波CDMA技術的研究內容大致有兩類：一是用給定擴頻碼來擴展原始 數據，再用每個碼片來調制不同的載波。另一種是用擴頻碼來擴展已經進行了串并變換后的數據流，再用每個數據流來調制不同的載波。 1.4 功率控制技術的應用研究現狀功率控制技術在第二代移動通信系統(tǒng)中其實就已經得到了廣泛的應用。在GSM系統(tǒng)中的是使用的是FDMA和TDMA，對于FDMA來說同一載波只有一個用戶而對于TDMA是同一時隙只有一個用戶所以不同用戶間之間的干擾小。與WCDMA系統(tǒng)相比“遠近效應”的影響就顯得不是太明顯，所以GSM系統(tǒng)就不太依賴于功率控制

17、系統(tǒng)。在GSM系統(tǒng)中主要采用的是頻率為2Hz的慢速功率控制。在CDMA系統(tǒng)中的IS一95系統(tǒng)中就已經采用功率控制技術，因為lS-95系統(tǒng)采用的是CDMA技術，也就是說對相同載波在相同時隙不同用戶是根據擴頻碼序列的正交性來區(qū)分的。但是要使擴頻碼完全正交是不太可能，所以不同用戶之間的干擾也比較大，“遠近效應”很明顯。在這個系統(tǒng)中，上下行鏈路的同步方式不一樣，下行鏈路采用同步碼分技術；而上行鏈路采用的是異步碼分技術，這就使得下行鏈路比上行鏈路要好，因此，功率控制主要用于上行鏈路。但下行也要用功率控制技術只不過采用的是慢速的閉環(huán)功率控制技術，其功率控制的調節(jié)步長也比較小只有05dB。而在上行鏈路由于存

18、在著“遠近效應”，因此上行鏈路功率控制要求相對就比較高。在IS95系統(tǒng)的上行功率控制中由粗控、精控和外環(huán)功率控制三部分組成，根據不同的情況選擇不同的功率控制方案。對于3G系統(tǒng)而言，它主要使用的是CDMA技術。3G系統(tǒng)無論是在系統(tǒng)容量還是在通信質量方面都好于2G系統(tǒng)，所以在功率控制方面3G也要比2G要好。作為3G標準之一的cdma2000系統(tǒng)，它的功率控制方案是基于IS-95的功率控制方案改進而來的，因此其功率控制方案與IS-95有很多相似之處。其中在上行鏈路功率控制方案與IS-95完全相同，但在下行功率控制方面就有很大不同。主要是增加了下行信道的閉環(huán)和外環(huán)功率控制。在功率控制原理方面WCDMA

19、與IS-95相似，但是WCDMA要求跟更高一些。不論是下行鏈路還是上行鏈路他們都采用開環(huán)、內環(huán)和外環(huán)三種功率控制相結合的方案，其中的快速閉環(huán)功率控制（內環(huán)功率控制）的頻率為1500Hz，這一速率高于所有路徑損耗的改變頻率，這就很好的預防了在上行鏈路中Node B所接收的信號會出現功率不平衡的情況。功率控制命令的調節(jié)步長有05dB、10Db、15dB或20dB幾種情況，在不同情況下，選取的值不同，一般選取10dB。隨著移動通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，功率控制一定程度上也促進了算法和測量技術的發(fā)展。在2G、3G中所應用的算法在功率調整上基本都是固定步長（上行鏈路中基本取1或2），并且功率調整的間隔也是固定

20、不變的。這種控制方法，有很多不足之處，例如靈活性差、穩(wěn)定性差、功率攀升或下降周期長等。為了解決這一問題，人們提出了幾種不同的功率控制方法：自適應模糊功率控制、自適應功率控制和基于神經網絡的功率控制等。在功率測量方面，各種技術也都被提出和應用，并且都有各自的特點。第二章 設計原理2.1 功率控制技術功率控制作為資源管理的一部分已經成為WCDMA系統(tǒng)的一項關鍵技術。由于WCDMA中存在遠近效應、自干擾等各種問題，功率控制的性能的好壞直接接決定了WCDMA系統(tǒng)性能的好壞，并且很大程度上決定了WCDMA系統(tǒng)的容量，并且對于系統(tǒng)覆蓋和相關業(yè)務的QoS都有重要影響。功率控制的首要作用是優(yōu)化用戶的發(fā)射功率和

21、改善該用戶的QOS，但由于系統(tǒng)存在的各種問題問題，例如在增加用戶的發(fā)射功率時會影響其他用戶的QOS，所以功率控制在WCDMA系統(tǒng)中呈現出矛盾的兩個方面。WCDMA系統(tǒng)采用寬帶擴頻技術，所有的用戶都享用共同的上下頻譜資源，這樣每個用戶的有用信號能量都被分配在整個頻帶范圍內，而這樣移動臺有用的信號對其他用戶來說就成為一個干擾。如何控制用戶的干擾、改善功率的利用率從而提高整個系統(tǒng)的用戶容量和通信質量，進而更有效的利用無線資源，功率控制成為不可或缺的重要手段。功率控制好比是一個杠桿，因為它既要保證每個用戶和基站之間的有效聯(lián)系，又要滿足在系統(tǒng)內對其他移動終端的干擾最小，也就是說功率控制要在提高系統(tǒng)容量和

22、保證通話質量方面找到平衡。通常，功率控制常比作在一房間 里說話的每個人所遵守的“制度”，而這個“制度”就是讓每對說話的人用能使對方聽到的最小聲音說話；這樣，整個房間里的 “噪聲”將是最小，而且，房間里能容納說話人的也最多。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(fā)射功率，減少系統(tǒng)干擾從而增加系統(tǒng)容量。2.2 功率控制原則WCDMA功率控制的原則是指功率控制的基本依據，從原理角度出發(fā)，功率控制的原則可以分為三類，功率平衡的原則、信干比平衡的原則和質量平衡的原則。1、功率平衡的原則 功率平衡是指接收端收到的有用信號功率相等，一般在上行鏈路是使NodeB接收的各個UE的有用信號

23、的功率相等，下行鏈路是使各個UE接收的NodeB的有用信號的功率相等。在功率平衡的兩個方向中，我們更為強調上行鏈路的接收功率相等，因為在以實時交談業(yè)務為主的服務里，上行鏈路是影響系統(tǒng)容量的主要因素。早期的CDMA功率控制技術中，采用的就是這種原則。在第三代移動通信中，混合業(yè)務是重要的特色之一，很明顯，不能以簡單的接收功率相等來對待不同的業(yè)務，因為接收機接收不同的業(yè)務，需要不同的接收功率，所以現在已經很少再用這種判斷原則。2、信干比平衡的原則隨著技術的發(fā)展，通過測量接收功率，然后進行調整發(fā)射功率的方法已略顯粗糙，為了提供更大的容量，在技術上采用了比功率更為敏感、更為有效影響質量的參數信干比來進行

24、功率控制。信干比平衡主要是指在接收端，要求所接收到的有用信號的功率都相等。對上行鏈路而言是使得NodeB接收的各個用戶的有用信號的SIR相等，而對下行鏈路而言是使各個用戶接收的來自NodeB的有用信號的信干比相等。同樣在以實時交談業(yè)務為主的服務里我們更為強調上行鏈路的接收信干比相等。3、質量平衡的原則描述移動通信質量的定量指標一般有BER、FER等。質量平衡原則并不是說任何鏈路的質量如BER等都要達到一致，而是說每種業(yè)務本身的質量是以要求的質量目標為中心，達到動態(tài)平衡的過程。它的提出，能夠很好的解決現在第三代移動通信中具有多種業(yè)務的特性，而且質量目標靈活即時可變的問題。質量平衡與信干比平衡的原

25、則相結合使用，是現在功率控制技術的主流。2.3 功率控制原理在WCDMA系統(tǒng)中，根據功率控制的對象不同、功率控制的方式不同等，功率控制可以劃分為不同的種類。從上下行的角度，WCDMA中有上行功率控制（對移動臺UE的發(fā)射功率進行控制）和下行功率控制（對基站特定信道的發(fā)射功率進行控制）。從功率控制的對象，可以分為專業(yè)業(yè)務信道的功率控制和公共信道的功率控制。根據功率控制的特點，功率控制又可以分為開環(huán)功率控制和閉環(huán)功率控制，其中閉環(huán)功率控制又可以分為內環(huán)（快速）功率控制和外環(huán)（慢速）功率控制。下行外環(huán)功率控制是在UE上完成的，上行外環(huán)功率控制是在RNC上完成的。上行和下行的內環(huán)功率控制都是在UE和Do

26、de B之間完成的。圖2.1所示為WCDMA系統(tǒng)中功率控制的一個分類總結。圖2.1 WCDMA功率控制的總結2.3.1 開環(huán)功率控制 所謂開環(huán)功率控制是指發(fā)射端在確定發(fā)射功率是并不考慮來自接收端的反饋信息，而是由發(fā)射端自己決定如何進一步調整發(fā)射功率。UE的隨機接入過程使用PRACH來完成，在使用PRACH開始接入時，UE首先發(fā)送短小的接入前導用于探測網絡是否允許接入。在初始的接入時，UE會根據系統(tǒng)廣播信息中給出的信息和UE在P-CPICH上測量得到RSCP值，計算出一個合適的接入前導初始發(fā)射功率。如果沒有來自網絡AICH的任何回饋，則UE會重發(fā)接入前導，并增加后續(xù)接入前導的發(fā)射功率，也就是PR

27、ACH接入前導的功率爬坡過程。在這個過程中，由于沒有來自網絡方的反饋信息，UE只能是自己決定如何控制發(fā)射功率的的變化，所以這個過程也稱為PRACH的開環(huán)功率控制過程。以專用物理信道功率控制為例，功率控制過程可以分解為以下5個步驟。（1）RNC對下行鏈路初始發(fā)射功率計算，以及給出下行鏈路最大功率和最小功率，在隨后的所有功率控制中，下行鏈路的功率控制都不可以超出其最大和最小值的范圍。（2）Node B 開始使用RNC得到初始發(fā)射功率發(fā)送下行DPCCH。下行DPDCH也可能在此時刻開始發(fā)送。（3）UE完成下行鏈路同步，并計算出上行DPCCH的初始發(fā)射功率。（4）UE開始發(fā)送上行DPCCH，并根據來自

28、下行鏈路的TPC命令調整其發(fā)射功率。上行DPDCH的發(fā)射情況由PCP參數決定。（5）Node B中完成上行鏈路的同步過程，進而內環(huán)功率控制開始發(fā)生作用。如圖2.2為開環(huán)功率控制的圖解說明。圖2.2 開環(huán)功率控制圖解2.3.2 內環(huán)功率控制內環(huán)功率控制的主要作用是通過控制物理信道的發(fā)射功率使接收SIR值收斂于目標SIR值。在WCDMA系統(tǒng)中，通過估計接受到的Eb/No比特能量與干擾功率譜密度之比，來發(fā)出相應的功率調整命令的。而Eb/No與SIR具有一定的對應關系。比如對于12.2kbit/s的語音業(yè)務Eb/No的典型值為5.0dB。內環(huán)功率控制用于克服多普勒頻率產生的衰落。根據目標信干比調整發(fā)射

29、功率，頻率1.5kHz；上行閉環(huán)功率控制下基站要頻繁測試接收到的SIR值，并把它跟目標SIR值相比較，命令移動臺采用與基站接收功率（或SIR）成反比的發(fā)射功率。對于低速 和中速的移動臺能很好的抗多徑衰落的能力；對于高速移動臺沒有效果。下行采用與上行同樣的功率控制技術，但目的不同：由于下行是一個基站對應多個UE，故不存在遠近效應。希望在小區(qū)邊緣的移動臺能提供高的發(fā)射功率。雖然消 除了衰落，但是是以增加發(fā)射功率為代價的。UE控制下行發(fā)射功率，而NODEB獨立控制上行發(fā)射功率。上行信道的功率控制主要是為了克服遠近效應。下行信 道不存在遠近效應的問題，采用功率控制是為了克服瑞利衰落和相鄰小區(qū)的干擾。閉

30、環(huán)功控的基本結構如圖2.3所示。圖2.3 閉環(huán)功率控制基本結構2.3.3 外環(huán)功率控制外環(huán)功率控制是RNC通過動態(tài)地調整內環(huán)功率控制的SIR目標值，其目的是使每條鏈路的通信質量始終保持在設定值的水平上，使接受到的數據的BLER滿足QOS要求。上行外環(huán)功率控制位于RNC中，下行鏈路外環(huán)功率控制位于UE中。上行鏈路中，RNC對收到的功率控制進行宏分集合并后，檢測上行鏈路質量，然后為各Node B設置目標SIR值。外環(huán)功率控制頻率值一般為10-100Hz。如下為外環(huán)功率控制的算法：如果FER_est >FERtar，則增加SIRtar一個事先確定的步長；如果FER_est<FERtarg

31、et，則減小SIRtar一個事先確定的步長；具體的算法為根據接收數據幀的CRC較驗結果來進行判斷。外環(huán)功控的算法如圖2.4所示。圖2.4 外環(huán)功率控制算法三、設計內容3.1 上行功率控制 由于功率控制有上行下行之分，并且二者功率控制有很多不同，在本次設計中只做上行功率控制。上行鏈路功率控制也稱為反向鏈路功率控制，主要是移動臺UE的行為。用來控制移動臺UE的發(fā)射功率，使基站接收到的所有移動臺發(fā)射到基站的信號功率或者SIR基本相等，上行功率控制可以使各用戶間的相互干擾降到最小，克服傳輸中的遠近效應，同時使系統(tǒng)可以達到更大容量。在WCDMA系統(tǒng)中，上行鏈路功率控制方式主要有：開環(huán)功率控制與閉環(huán)功率控

32、制。上行隨機接入信道(PRACH)采用開環(huán)功率控制，具體發(fā)射功率由接收到的信號功率值與路徑損耗值以及陰影損耗等確定，接收到的信號功率越高，移動臺發(fā)出的功率越低；上行專用信道(DPCH)則是同時采用開環(huán)與閉環(huán)功率控制，其中閉環(huán)功率控制包括內環(huán)功率控制與外環(huán)功率控制，信道的初始發(fā)射功率是由開環(huán)功率估計決定的，上行閉環(huán)功率控制主要是基站通過調整移動臺的發(fā)射功率以保持接收到的上行信干比盡量靠近SIR目標值SIRtarget，每個小區(qū)的SIRtarget都是由高層通過外環(huán)功率控制調整的。上行鏈路功率控制原理過程如圖3.1所示。圖3.1 上行功率控制3.2 上行開環(huán)功率控制由于采用上行功率控制方式的信道只

33、有PRACH(隨機物理接入信道)和DPCCH（專用物理控制信道），此處以PRACH信道為例，如圖3.2反映的是PRACH接入過程：圖3.2 PRACH接入過程在發(fā)射初始前導信號后，如果網絡側接收到preamble信號，將會在下行回AI信號。如果UE接收到AI信號，將開始發(fā)射PRACH的消息部分。如果UE在p-a時間點沒有收到AICH信號，將在一定時間p-p后發(fā)起下一個preamble。如此反復，直到UE接收到AI信號為止。對于上行PRACH信道來說，第一個前導信號的發(fā)射功率是由開環(huán)功率控制算法來確定，公式為：Preamble_Initial_Power = PCPICH DL TX power

34、 CPICH_RSCP + UL interference + Constant Value （即：發(fā)射功率路徑損耗上行干擾常量）其中PCPICH DL TX power、UL interference、Constant Value的值都是由RNC在系統(tǒng)消息中下發(fā)，CPICH_RSCP的值由UE測量得到。PCPICH DL TX power和下行覆蓋有關，是由網絡規(guī)劃在建網前就已經確定了的；UL interference反映的是當前小區(qū)的上行干擾，由NodeB測量得到后上報RNC； Constant Value實際反映的是前導信號的捕獲門限。因此，從上面的公式中，我們可以看出，Constant

35、 Value的取值需要仔細分析，它對隨機接入的時間、難易度有一定的影響。如下為各參數的詳細情況：（1）PCPICH DL TX power為PCPICH（公共頻信道）的發(fā)射功率，可以從RNC發(fā)送的消息中得到，其取值范圍為：30-33dBm（2）CPICH_RSCP的值是由UE測得的CPICH的信道碼功率，接收信號碼功率，測量得到的是碼字功率，一般是針對CPICH信道而言。如果PCPICH采用發(fā)射分集，手機對每個小區(qū)的發(fā)射天線分別進行接收碼功率測量，并加權和為總的接收碼功率值。RSCP(dBm)=RSSIEc/No(每碼片能量與噪聲功率密度之比)其取值范圍為：11525dBm（3）UL inte

36、rference為上行干擾，根據3GPP協(xié)議的規(guī)定，NodeB都有檢測RTWP（Received Total Wideband Power）功能，NodeB的RTWP測量功能是我們發(fā)現WCDMA上行干擾一個重要手段。在空載情況下，由于熱噪 聲的頻譜密度為：-174dBm/Hz，在WCDMA的3.84MHz帶寬內底噪約為-108dBm/3.84MHz；所以在空載下如果WCDMA系統(tǒng)上 行沒有受到干擾，假設基站的噪聲系數為2.5dB，則RTWP正常值為-105.5dBm/3.84MHz。在上行有負載情況下，假設上行Interference Margin為3dB（在上行為50%負載情況下），如果WC

37、DMA系統(tǒng)上行沒有受到干擾，假設基站的噪聲系數為2.5dB，則RTWP正常值為-102.5dBm/3.84MHz。（4）Constant Value為廠家設定的一個常數，對于不同時期Constant Value取值應該是不一樣的，下面以建網初期的取值來進行說明： 建網初期，覆蓋受限，可以將Constant Value的值設置偏大（-16dB或-15dB），便于網絡側能夠及時接收到UE發(fā)出的前導信號，另外，可將power ramp step參數設置偏大也能夠提高網絡側成功捕獲前導信號的概率； 隨著網絡的發(fā)展，用戶數目不斷增多，此時適當將上面得到的Constant value值降低1dB，并且降低

38、power ramp step，以減小大量用戶接入時對網絡造成的干擾。PRACH功率控制方式為當UE發(fā)出前綴后，在規(guī)定的時間未收到NODEB的應答，則UE會在下一個發(fā)前綴的時刻把前綴的發(fā)射功率在前一個前綴功率的基礎上再增加一個調整步長Power_Step。當UE發(fā)出前綴后，在規(guī)定的時間收到NODEB正的應答，對于PRACH, 則UE在原有功率的基礎上增加消息部分與前綴部分的功率偏差發(fā)送消息。即PRACH的發(fā)射功率為：如圖3.3所示為PRACH前導在接入過程中功率的變化情況：圖3.3 PRACH前導接入過程功率的變化如下為實現上述功率控制的程序：PCPICH_DL_TX_power=30+10*

39、log10(10.(0.3)*rand(1);PCPICH_RSCP=10*log10(rand(1)*10.(-9)-25;UL_interference=-105.5;Constant_Value=-15;power_est=10*log10(rand(1)*10.(-10)+10*log10(rand(1)*10.(2.5);for i=1:10TPC,TPC_cmd= kaihuan(PCPICH_DL_TX_power,PCPICH_RSCP,UL_interference,Constant_Value,power_est); power_est=power_est+TPC_cmd;

40、 if power_est<-100|power_est>25 disp('error'); endendfunctionTPC,TPC_cmd=kaihuan(PCPICH_DL_TX_power,PCPICH_RSCP,UL_interference,Constant_Value,power_est)initial_power=PCPICH_DL_TX_power-PCPICH_RSCP+UL_interference+Constant_Value;A=sign(power_est-initial_power);switch A case 1 TPC=0,TPC

41、_cmd=-1, case -1 TPC=1,TPC_cmd=1, otherwise TPC_cmd=0, end 3.3 上行內環(huán)功率控制在上行內環(huán)功率控制中，Node B為控制方，UE為執(zhí)行方。UE根據Node B通過下行鏈路給出反饋（TPC）調整上行鏈路的發(fā)射功率。在建立無線鏈路的時候，SRNC會通過RRC消息（例如RRC connection setup消息）通過UE對于建立的無線鏈路使用何種上行功率控制算法，上行內環(huán)功率控制算法由RRC消息中的“PowerControl Algorithm”參數決定。如果“Power Control Algorithm”指示為“算法1”，則UE的層

42、1中PCA參數設置為1；若指示為“算法2”，則UE的層1中PCA參數的值設置為2。另外，在發(fā)生軟切換時，UE同時與多條無線鏈路相連。盡管在上行方向上UE同時給所有的Node B 發(fā)送一份上行鏈路數據，但因UE與不同Node B 之間的無線傳播環(huán)境不同，所以不同Node B 接受到的上行鏈路信號的SIR值就可能是不同的，這樣UE就可能同時接收到來自不同Node B 的不同的下行鏈路的TPC命令。在軟切換發(fā)生情況下，UE如何對來自不同Node B的TPC命令進行合并判決，是上行內環(huán)功率控制需要解決的一個問題。如果UE在一個時隙內收到來自多個下行鏈路的多個TPC命令，則UE需要首先對這多個指令進行合

43、并，從而得到一個單一的TPC命令TPC_cmd，然后根據TPC_cmd決定如何調整上行鏈路的發(fā)射功率。對于“算法1”和“算法2”而言，TPC命令的合并方法有所不同。UE在確定TPC_cmd后，會相應調整上行鏈路的發(fā)射功率，功率步長為tpc，tpc是一個SRNC在無線鏈路建立是發(fā)給UE的一個功率控制參數。如過“TPC_StepSize”的值為“dB1”，則層1參數tpc的值為1dB，如果“TPC_StepSize”的值為“dB2”，則層1參數tpc的值為2dB。參數“TPC_StepSize”僅用于算法1。對于算法2，tpc將永遠取值為1dB。UE得到TPC_cmd后，UE將采用步長dpcch（

44、dB）調整上行DPCCH的發(fā)射功率，其中dpcch=tpc×TPC_cmd。上行內環(huán)功率控制的過程如圖3.4所示，圖3.4 上行鏈路內環(huán)功率控制過程具體過程如下：（1） 首先Node B要計算當前時間（當前時隙）的SIR評估值SIRest。（2） 在得到上行鏈路當前SIR值后，Node B通過將當前SIR評估值與外環(huán)功率控制給出的SIR目標值SIRtarget進行比較，從而決定下行鏈路的TPC命令。（3） Node B產生下行鏈路TPC命令值，該命令值通過下行專用控制信道（DPCCH）發(fā)送給Node B。UE根據下行鏈路給出的TPC值，相應的調整上行鏈路的發(fā)射功3.3.1 Node

45、B 中下行鏈路TPC的產生上行內環(huán)功率控制調節(jié)UE的發(fā)射功率，使得接受到的上行鏈路的SIR盡可能接近一個給定的目標值SIRtarget。在Node B中產生下行鏈路TPC的規(guī)則如下：（1） 如果SIRest>SIRtarget，TPC命令設為“0”（降低功率）；（2） 如果SIRest<SIRtarget，TPC命令設為“1”（升高功率）；TPC命令被添加在下行鏈路物理幀中發(fā)送給UE。下行無線鏈路的物理幀結構如圖3.5所示。圖3.5 下行專用物理信道的幀結構根據下行專用物理信道中時隙結構的不同，TPC符號可以是2位、4位或8位。下行鏈路中TPC符號與發(fā)射功率命令關系見表3-1。表3

46、-1 下行無線鏈路TPC比特模式3.3.2 UE中對TPC命令的處理如前所述，上行內環(huán)功率控制有兩種算法，SRNC在無線鏈路建立之前通知UE采用何種算法。使用的算法不同，UE對TPC命令的處理也有所不同。同時，對于同一種算法而言，是否處于軟切換狀態(tài)UE也會有不同的處理方式。（1）使用功率控制算法1的情況使用功率控制算法1時，根據是否處于軟切換狀態(tài)，UE確定TPC_cmd的方式有所不同。 只有一條無線鏈路的情況在SRNC通知使用功率控制算法1的情況下，UE在每個時隙接收到來自Node B的TPC信息后都會做相應發(fā)射功率調整動作。 如果接收到的TPC命令等于0，那么用于該時隙的TPC_cmd為-1

47、。 如果接收到的TPC命令等于1，那么用于該時隙的TPC_cmd為1。 更軟切換的情況 在更軟切換情況下，同一個Node B 下的不同下行鏈路中發(fā)送個UE的TPC是相同的，這些鏈路可以被認為是同一個無線鏈路，與來自其他鏈路的TPC進行合并。 軟切換的情況在軟切換的情況下，來自不同下行鏈路的TPC可能不同，UE獲得TPC_cmd的方法如下：UE首先對每一個功率控制指令TPC進行軟判決并得到一個符號Wi（i=1,2，N。N大于1，表示在軟切換發(fā)生時，來自不同下行鏈路的TPC命令的個數）然后，UE通過一個函數得到合并的TPC_cmd。如圖3.6所示為算法1的流程圖：圖3.6 算法1的流程圖（2）使用

48、功率控制算法2的情況使用功率控制算法2時，根據是否處于軟切換狀態(tài)，UE將進行不同處理。 只有一條無線鏈路的情況當UE只有一條無線鏈路的時候，每個時隙將僅收到一個TPC命令。此時UE可以每5個時隙處理一次收到的TPC命令，時隙的計數從幀的開頭算起，并且每5個時隙之間沒有重疊。在使用“算法2”的情況下，相當于上行內環(huán)功率控制速度變?yōu)?00Hz。 當UE采用“算法2”的時候，UE在5個時隙中的TPC_cmd的值由以下方法獲得：（a） 對5個時隙中的前4個時隙，TPC_cmd=0。表示在前4個時隙內，上行鏈路發(fā)射功率不會發(fā)生變化。（b） 對第5個時隙，UE對收到的5個TPC命令采用如下判決：如果所有5

49、個TPC命令的硬判決都為1，那么第5個時隙的TPC_cmd=1,UE將增加上行鏈路的發(fā)射功率。 如果所有5個TPC命令的硬判決都為0，那么第5個時隙的TPC_cmd=-1,UE將減少上行鏈路的發(fā)射功率。 在其他情況下，在第5個時隙的TPC=0，即上行鏈路發(fā)射功率不作調整。 更軟切換的情況 對于更軟切換的情況，如前所述，UE將把來自同一個Node B 的不同鏈路當做同一鏈路來對待。 軟切換的情況首先，UE對每個時隙的每個功率控制命令TPCi進行硬判決，這里i=1，2，,N,N表示來自不同無線鏈路集中無線鏈路的TPC命令個數。經過連續(xù)5個時隙后，UE在5個時隙中的每個都得到N個硬判決。5個時隙中對

50、應的5個判決結果組成一個集合，則共有N個集合。時隙計算從幀頭開始算起并且每5個時隙之間沒有重疊。 對前面4個時隙，TPC_cmd的值為0，在5個時隙結束之后，UE將下面的方式確定第5個時隙的TPC_cmd: UE首先根據每條無線鏈路確定一個臨時的TPC命令，即TPC_tempi，i=1,2,N,對于某個無線鏈路，其判決結果TPC_tempi的方法如下： 如果所有5個時隙的硬判決都為“1”，那么TPC_tempi=1; 如果所有5個時隙的硬判決都為“0”，那么TPC_tempi=-1; 否則，TPC_tempi=0。 算法2的流程圖如圖3.7所示： 圖3.7 功率控制算法2的流程圖實現上行內環(huán)功

51、率控制的程序如下所示：PCA=1;TP=10*log10(10.(-5)*rand(1)+10*log10(10.(3.3)*rand(1);RP=10*log10(10.(-10)*rand(1)+10*log10(10.(2.5)*rand(1);SIR_tar=10*log10(10.(-1.1)*rand(1)+10*log10(10.(2)*rand(1);for i=1:150 TPC,TPC_cmd =neihuan(PCA,TP,RP,SIR_tar), TP=TP+TPC_cmd, if TP<-50|TP>33 disp('error'); en

52、dendfunctionTPC,TPC_cmd=neihuan(PCA,TP,RP,SIR_tar)SIR_est=RP/(TP-RP);data=sign(SIR_est-SIR_tar);if PCA=1 switch data case 1 TPC=0,TPC_cmd=-1, case -1 TPC=1,TPC_cmd=1, otherwise TPC_cmd=0; endelse if PCA=2 A=0; for i=1:5 A=A+data; end switch A case 5 TPC='00000',TPC_cmd=0000-1, case -5 TPC=&#

53、39;11111',TPC_cmd=00001, otherwise TPC_cmd=00000; end end end如下為以上有關參數的詳細情況：PCA：PCA為功率控制的算法，取值1或2；TP：TP表示手機的發(fā)射功率，它反映了手機當前的上行鏈路損耗水平和干擾情況。上行鏈路損耗大或者存在嚴重干擾，手機的發(fā)射功率就會大，反之手機發(fā)射功率就會小。其取值范圍為：-50-33dBm。RP：RP表示手機的接收功率，指在所有前向信道接收到的功率（包括周圍各基站/扇區(qū)，外加噪聲）,反映了手機當前的信號接收水平，RxPower大的地方，即信號覆蓋好的區(qū)域, RxPower只是簡單的反映了路測區(qū)域

54、的信號覆蓋水平，而不是信號覆蓋質量的情況。其取值范圍為：-100dBm-25dBm。SIR_tar:SIR_tar表示目標信噪比，其取值范圍為：-11-20dB。3.4 上行外環(huán)功率控制功率控制的目的是將無線鏈路的質量維持在一定的水平，而無線鏈路的質量是通過誤比特率（BER）或誤塊率（BLER）參數來體現的（在WCDMA中，通常使用BLER來作為鏈路質量指示）。根據UE移動速度不同、無線傳播環(huán)境不同，維持一個特定BER/BLER所需的信道的SIR值可能是不同的，外環(huán)功率控制就是通過調節(jié)無線鏈路的SIR目標值來使鏈路的BER/BLER維持在一個可以接受的水平上。內環(huán)功率控制的原理則是根據外環(huán)功率

55、控制給出的SIR目標值，增加或降低發(fā)射端的的發(fā)射功率，使得無線鏈路的實際SIR測量值總是試圖接近于外環(huán)功率控制給出的SIR目標值，從而將無線鏈路的BER/BLER維持在某一水平。所以歸納起來，內環(huán)功率控制的作用是為了使無線鏈路的SIR值維持在一個SIR目標值水平；而外環(huán)功率控制的作用則為了保持無線鏈路的質量（確保BLER值）而給出一個SIR目標值。 上行外環(huán)功率控制與上行內環(huán)功率控制之間的關系如圖3.8所示：圖3.8 上行外環(huán)與上行內環(huán)功率控制 上行外環(huán)功率控制在SRNC和Node B之間完成，而上行內環(huán)功率控制則在UE內部完成。 3GPP并沒有具體規(guī)定外環(huán)功率控制必須使用的算法，但功率控制的原則是在保持鏈路質量（滿足BLER指標）的前提下，使用盡可能低的SIR目標值。所以一般而言，外環(huán)功率控制的輸出（SIR目標值）變化規(guī)律有以下特點：在信道質量滿足業(yè)務要求的情況下，SIR目標值應按照一個較小的步長逐次降低；在信道質量不滿足業(yè)務要求時，SIR目標值將按照一個較大的步長升高。SIR目標值的變化頻率與專用信道的傳輸塊時長（TTI）有關。例如，對于TTI為10ms的專用物理信道而言，外環(huán)功率控制的頻率可以最高達到100Hz。圖3.9所示為外環(huán)功率控制算法得出的SIR目標值變