第十三章动态功率控制.docx

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第十三章动态功率控制

第十三章动态功率控制

第一节手机的动态功率控制

介绍

在连接过程中，可以控制手机的输出功率。

控制的目的是使基站接收到所期望的信号强度和信号质量。

此章只介绍电路交换连接的手机功率控制的算法。

术语

Ø测试报告：

由手机测试的信息，并发送至基站。

Ø测试结果：

测试报告和基站进行的测试信息，并发送至基站控制器（BSC）。

ØCNA小区网络管理

ØC/I载干比

ØDTX不连续发射

ØSACCH慢随路信令

ØSDCCH专有控制信令

功效

电池消耗

当应用手机的功率控制，可降低手机的电池消耗，减少充电的次数，延长手机的通话时长。

干扰

手机功率控制的目的是增加满足足够好的C/I值的连接数量。

当降低网络中所有手机的输出功率，整个辐射功率会下降，这使得网络的上行同频和邻频干扰降低。

对于那些（全功率发射的手机）低信号强度和低信号质量的连接，通过降低干扰能增加C/I值。

另一方面，对于那些高信号强度和高信号质量的连接，由于降低了手机的输出功率C/I值也降低了。

但这种C/I的降低并不会影响通话质量。

接收机的饱和状态

靠近基站的手机的高强度的信号可能使基站的接收机饱和。

接收机的灵敏度将会下降，话音质量也会变差。

如果限制了手机的发射功率，这种无线拥塞现象将大大减少。

在通话建立时，手机动态功率控制算法中的初始模式将处理这种问题。

如果限制相关手机的输出功率，就可减少这种现象发生的可能性。

话音质量的影响

在计算功率输出时将考虑话音质量这方面的因素。

话音质量用参数rxqual来衡量。

差的话音质量将会提高手机的输出功率。

技术描述

概述

手机的功率控制的目的是调整手机的输出功率使的基站接收到所期望的信号强度。

所期望的信号强度由路径损耗和信号质量决定，见图13-1和图13-2。

可能调整的功率范围受到手机发射机的限制。

注意：

手机的动态功率控制的算法和基站的动态功率控制的算法是不同的。

从图13-1可以看到手机的输出功率与手机和基站之间的路径损耗的关系。

手机只能以不同的功率水平发射。

图13-1也画出了基站接收到的信号强度与手机和基站之间的路径损耗的关系。

图13-1手机的输出功率、基站的信号强度与路径损耗的关系。

质量因素没有考虑

当手机的以低路径损耗和好信号质量连接时（图13-1的左半部），手机以最小可能的功率水平值发射。

即使基站接收到的信号强度超过的期望值，手机也不能再降低发射功率。

相反的，当为高的路径损耗时（图13-1的右半部），手机以允许的最大功率值发射。

如果基站的信号强度很低，手机的功率值也不会增加。

图13-1中的每段如下解释。

1：

手机以最小可能的功率水平值发射，（图13-1的左半部）。

2：

没有进行功率控制，信号强度随着路径损耗的增加而线性降低。

3：

当进行功率控制时，手机的输出功率将进行调整（图13-1中的调整范围）。

4：

高的路径损耗，手机以最大的功率发射（图13-1的右半部）。

当考虑到信号质量的因素，手机的输出功率将随着基站接收到的信号质量和质量补偿因子进行调整，如图13-2所示。

图13-2当考虑信号质量的因素时，信号强度与路径损耗的关系

算法

概述

手机的动态功率控制可以在TCH也可以在SDCCH上进行。

在通话状态下，基站测量上行的信号强度和质量。

这些测试信息加上测试报告以测试结果的形式一起发送至BSC，用于计算手机新的输出功率。

如下表13-1所示，测试结果中一些测试信息用于手机的动态功率控制算法。

表13-1用于手机功率控制算法的测试信息

两次连续功率指令的最小时间周期由参数REGINT控制。

REGINT不能短于一个SACCH周期。

手机可以每13个TDMA帧改变输出功率，其八倍等于一个SACCH周期，每次变化为2dB为步长。

这意味着在一个SACCH周期中最大可改变16dB。

手机的动态功率控制算法包括3步：

1、测试的准备

对丢失测试报告的估算，决定使用哪种测试报告是（全集还是子集）。

2、测试报告的过滤

对测试报告的过滤以排除随机变化。

3、计算功率调整值

手机的功率指令根据算法进行计算。

计算手机的功率调整值使得基站接收到

所期望的信号强度和质量。

一些约束条件应用在计算功率值中。

手机的动态功率控制算法以两种模式或两个调整期进行。

这两种模式是：

Ø初始调整模式

当分配新的信道时，功率控制算法运行此模式。

专门的初始调整模式是为了尽可能快的降低手机高的输出功率。

信号质量不考虑在内。

Ø固定调整模式

这是普通的算法模式，信号质量考虑在内。

测试的准备

在测试报告中，手机发送在测试期间是否使用DTX功能的信息。

BSC根据此信息决定使用上行测试报道的全集还是子集。

当一个上行DTX功能激活的小区发起切换时，手机起初在新的小区中使用DTX功能。

这样，手机的动态功率控制在新小区的一定时间内仍使用测试报告的子集，即使新小区没有使用DTX功能。

这段时间由参数DTXFUL控制。

注意此参数的影响是很小的。

对SDCCH则一直使用测试报告的全集。

只要手机使用的功率值存在和响应的上行信号强度滤波器不空，就进行功率调整。

如果测试结果丢失，不进行信号强度和质量的推算，这样不进行功率调整。

当测试结果又接收到时，丢失的信号强度和质量以内插值代替。

在丢失和丢失后接收到第一值之前，丢失的信号强度被置为接收值的最低值，质量被置为最高值（质量最差）。

如果手机功率值的信息丢失，则估算其值。

这样，即使测试报告丢失，仍进行功率控制。

丢失值怎样估算由丢失值的多少决定。

一般，知道的最大值用于估算。

所有进行的估算，将减少手机输出功率太低造成质量下降的现象。

测试信息的过滤

在初始阶段，信号强度经单独的滤波器进行滤波，用于决定是否接收到所期望的初始信号强度（INIDES），初始模式中滤波器的长度由参数INILEN决定。

SScomp定义了因下调功率而做的补偿后的滤波信号强度值。

此值是如果没有使用功率控制基站接收到的信号强度。

SScomp如下式定义：

其中SS为基站接收到信号强度，PWRused为测试期间手机使用的发射功率，MSTXPWR为手机的最大发射功率，补偿后的信号强度为由滤波器长度参数SSLEN所决定多少数量的抽样值的平均值。

信号质量采用由参数QLEN设置的一定数量的抽样值的直接平均值进行滤波，质量以rxqual为单位。

公式2中Q_AVE是以dtqu为单位的rxqual值。

此值是将接收到的rxqual值乘以10得到。

dtqu的范围为0到100。

QDESUL也是以dtqu为单位。

公式2和公式3中的Q_AVE_dB和QDES_dB给出了估算的C/I值。

每单位的rxqual对应着4个dB，从上式可见rxqual与C/I为线性映射。

功率指令的计算

功率指令的计算可分为两步。

首先计算出无约束条件的功率（PU）。

然后，在功率指令发送到手机前应用某些约束条件。

约束条件是关于功率步长的限制和手机发射功率的范围等内容。

实际上发送到手机的信息是功率水平值PL。

此功率水平值为固定的输出功率，这于在下行功率控制中PL与BSTXPWR有联系是不同的。

在初始状态下，无约束条件的功率指令pu，由下式表示：

在初始状态只向下调整功率。

在固定期间，质量也考虑进去，无约束条件的功率指令pu，由下式表示：

其中参数a和b由下式定义：

参数a和b控制路径损耗补偿和质量补偿程度。

将可调整的参数代到公式（5）中，手机的最大发射功率（MSTXPWR）和计算的无约束条件的功率指令（pu）的差值便是我们要下调的功率值：

第一部分的表达式为基于SSDES减少的功率值，例如SSDES设为-92dBm，测到的信号强度为-60dBm，两者差为32dB。

参数LCOMPUL可以扩大或缩小此因素的影响。

例如如果LCOMPUL=50，则无约束条件的功率指令须下调16dB。

基站报告的最大接收信号强度是-47dBm（rxlev=63），则SScomp的最大值为-47dBm加上功率的下调值。

第二部分的表达式是对差质量的补偿。

假设我们设定QDESUL=0（rxqual=0）且测试到的rxqual的值为4（Q_AVE=40），第二部分将抵消功率的降低。

当QCOMPUL=60时，值为9.6dB。

总的无约束功率指令将要求下调功率16-9.6=6.4dB.

功率指令的约束条件

如果无约束条件的功率指令超过了动态调整的范围，将应用动态功率的约束条件。

约束条件为以下几条。

Ø功率步长的限制

在一个SACCH周期中手机的功率水平值最大的变化值为16dB，此值也是在任何调整过程中的最大功率调整值。

对向上和向下调整都适用。

Ø手机的输出功率范围的限制

在独立计算功率指令时，手机的功率级别决定了手机的最大和最小可能的功率水平。

手机的发射功率的能力依赖其功率级别，功率级别由手机在话务建立期间给出。

根据GSM技术规范05.05，对GSM900的手机的最小的功率水平为13dBm（所有级别的phase1）和5dBm（所有级别的phase2），对GSM1800和GSM1800的手机的最小的功率水平为10dBm（级别1，phase1）和4dBm（级别2，phase1）和0dBm（所有级别，phase2）。

如果此级别不可用，则假定手机为级别1的手机。

除真正受到上面所述的约束，此外还来自MSTXPWR下调到最小水平的约束。

注意MSTXPWR可以小于根据手机的功率级别规定的最大输出功率。

对功率指令的量化

根据GSM技术规范05.05将功率指令量化为步长2dB的功率值。

此功率值总是切掉功率的高值。

量化的影响如图3所示。

功率指令的附加值

在三种不同的话务事例中，功率值总是加上一附加值PMARG:

Ø在分配TCH信道时

因为新信道可能有较高的干扰，命令手机以上次功率值加上附加值开始发射功率。

Ø在分配失败或切换失败时

当再次激活原小区的旧信道时，手机的动态功率控制重新计算。

在失败的时间内有可能旧信道的无线环境已经发生变化，因此下一个功率值将加上PMARG。

Ø内部小区切换和小区层的改变

对一般的内部小区切换手机的功率控制算法并不重新开始而是继续进行。

然而在新信道发送的第一个功率指令需增加PMARG。

调整期间

Ø初始调整

在立即分配和切换时，手机的动态功率控制重新开始。

有可能基站接收到的信号强度很强，特别是当手机靠近基站的时候。

高的信号强度可能阻塞基站降低其接收灵敏度。

基站中使用同一个接收机的其它的手机可能受到影响。

因此，尽快降低手机的输出功率是很重要的。

这也就是为何最初使用较短的滤波器。

初始信号强度的滤波器长度由参数INILEN设置。

直到初始滤波器添满，也就是INILEN个测试报告有效才进行调整。

在初始模式中，只进行功率下调，信号质量不考虑在内。

见公式4。

新的功率指令可在每个SACCH上发送。

Ø固定调整

固定调整总是在固定滤波器添满时开始。

注意固定滤波是和初始滤波同时进行的。

如果在连接时测试结果丢失，固定滤波器可能空缺。

当测试结果重新接收到时，将先添满初始滤波器进行初始调整。

功率指令发送后经过REGINT个SACCH时间后才能发送下一个功率指令。

如果功率指令与前一个不同，则发送。

如果相同，则每个SACCH周期都计算功率指令直到获得不同的功率指令。

然后发送此指令，必须经过REGINT个SACCH时间后才能发送下一个功率指令。

功率调整的事例

为更好的理解手机的动态功率控制，最重要的信息是在一定的信号强度下可调整多少输出功率。

手机的输出功率根据基站接收到的信号质量在最小值和全功率值之间变化。

注意在质量差而进行的补偿更依赖于参数的设置。

在图13-3中，对GSM900（phase1,class4）手机或GSM1800（phase1,class1）手机，在推荐的手机功率控制参数设置下，画出了信号强度与最大可能下调功率的关系。

当在滤波器中有质量差的时，当QCOMPUL=60根据公式8，每个rxqual单位上调2.4dB。

在图13-3中基站的信号强度是没有进行下调的信号强度，对应着SScomp值。

由于此时基站接收的信号是已下调的信号，这样，报告到BSC的测试信号值将低些。

此值在BSC中进行补偿。

图13-3手机最大的下调功率与基站接受信号强度的关系

工程指导

与其他功能的关系

由于在电池消耗上有明显效果建议一直使用手机的动态功率控制。

另一重要原因是对干扰环境的影响。

与基站的动态功率控制、跳频和不连续发射一起应用有显著的效果，可大大改善系统的性能。

系统可实现更高的频率复用因此可得到更高的系统容量。

在发生小区内部切换之前适宜于进行功率控制。

功率控制应总是在由于质量差进行紧急切换前进行。

通过仔细调整以下参数可实现所期望的功率控制性能。

Ø手机的动态功率控制参数SSDES,LCOMPUL和QDESUL决定某一信号强度将下调多少。

Ø信号质量补偿因子QCOMPUL.

Ø定义内部小区切换范围的参数QOFFSETUL。

Ø质量差进行紧急切换的门限触发参数QLIMUL。

Ø定位质量滤波器的长度参数QLENSD和功率控制质量滤波器的长度参数QLEN。

建议

当系统第一次使用手机的动态功率控制时，建议设置适中的控制参数。

主要获得的效果是相关干扰的降低和能耗的降低。

INILEN滤波器的长度要短于SSLEN滤波器的长度这点是重要的，这样手机在初始调整阶段输出功率尽可能快的降低。

参数INILEN的建议值为2个SACCH周期时间，SSLEN的值为5个SACCH周期时间。

初始期望的信号强度INIDES也应高于SSDES一定值。

QDESUL建议设置为0。

这更容易理解算法的功率调整。

较高的此值与降低SSDES值有相同的效果。

参数REGINT建议等于1是为了在质量差的情况下快速的上调功率值。

通过将参数SSDES设置较推荐值-92dBm稍微低的值可实现更激进的功率调整。

如果SSDES设为较激进的值例如-95dBm，建议降低参数LCOMPUL至40。

参数

主控参数

SSDES在调整范围中所期望的信号强度，每个子小区设置此参数。

LCOMPUL此参数决定对路径损耗补偿多少，每个子小区设置此参数。

QCOMPUL此参数决定质量补偿的分量，每个子小区设置此参数。

专门调整的参数

SSLEN固定信号强度滤波器的长度，每个子小区设置此参数。

INILEN初始信号强度滤波器的长度，建议INILEN的值小于SSLEN，每个子小区设置此参数。

QLEN质量滤波器的长度，每个子小区设置此参数。

QDESUL基站接收机测试到的期望质量。

每个子小区设置此参数。

INIDES基站接收机测试到的期望初始信号强度，每个子小区设置此参数。

REGINT功率调整的间隔，每个子小区设置此参数。

PMARG旧信道分配失败或切换失败时，在新分配的TCH信道上使用的功率附加值，或在小区内部切换和子小区变化时新信道上的功率附加值。

DXTFUL是在TCH建立后，测量报告使用全集（fullset）之前的测量周期的个数，每个子小区设置此参数。

MSTXPWR是在目前子小区中允许手机的最大功率水平值，每个子小区设置此参数。

参数的取值范围和缺省值

表13-2参数概要

第二节

基站动态功率控制

介绍

在连接过程中使用基站的动态功率控制，基站的输出功率可以控制。

控制的目的是使手机接收到所期望的信号强度和质量。

功效

干扰

基站功率控制的目的是增加满足高C/I值要求的手机数量。

如果话务量不变，基站功率控制将改善C/I；若话务量增加或采用更紧密的频率复用则可以保持C/I不劣化。

此功效是通过降低网络中整体干扰水平来实现的。

当基站的功率控制在网络中的所有基站使用时，整个辐射功率总量下降。

这样降低了网络中下行同频和邻频干扰。

所以那些信号弱或质量差的手机（全功率发射）在连接过程中因干扰水平的降低了而提高了C/I值。

另一方面，对于那些信号强或质量好的连接则减少基站的输出功率降低不必要的高C/I。

由于它们在最小允许C/I值之上加一附加值，C/I的下降并不会影响话音质量。

跳频、基站的功率控制和不连续发射提高了网络使用更高频率复用率的可能性。

备用电池的功率消耗

如果基站停电，将使用备用电池。

当使用动态功率控制时，电源的消耗将降低从而增加了基站的最大通话时长。

接收机的饱和状态

基站发射出去的高信号能量至离基站很近的手机时，可能使得手机的接收机处饱和状态。

接收机的灵敏度下降，话音质量变差。

如果降低此基站的发射功率，这种现象的发生将减少。

信号质量和信号强度的影响

质量和强度通过算法将其考虑在内。

质量是计算出误码率用rxqual表示，信号强度用rxlev表示。

差的质量以及信号强度将提高基站的发射功率。

技术描述

概述

注意：

基站的动态功率控制和手机的动态功率控制的算法是不同的。

基站的输出功率和手机的信号强度随基站与手机之间的路径损耗的变化如图13-4所示。

基站只能以不同的离散功率值发射。

图13-4基站输出功率和手机信号强度随路径损耗的关系，其中质量因素没考虑。

当路径损耗较低时（图的左半部），基站以最小可能的功率水平发射。

即使手机接收到的信号强于期望值，基站也不会进一步降低的发射功率。

相反的，当路径损耗较高时（图的右半部），基站以允许的最大功率水平发射。

即使手机的接收信号强度很弱，基站的发射功率也不再增加。

注意这取决于所使用的路径损耗补偿值。

当信号质量补偿进去时，基站的输出功率将根据接收到的质量进行调整（见图13-5）。

基站的功率将随手机测试的质量好坏而变化。

当手机接收信号的rxqual值较低（质量好）时，基站低功率发射；相反当手机接收信号的rxqual值较高（质量差）时，基站以高功率发射。

图13-5基站输出功率与质量的关系，信号强度因素没有考虑

算法

概述

功率控制既可在TCH信道也可以在SDCCH信道上使用。

SDCCH上功率控制可通过开关参数SDCCHREG来激活。

BCCH载频上的所有时隙都全功率发射，即在所有时隙上不进行功率控制。

在通话时，手机测量下行的信号强度和质量，这些测试将以测试报告发送至基站。

测试报告和测试结果将在BSC用于计算新的基站功率值。

测试结果中的测量值将用于基站的动态功率控制，见表13-2。

表13-3用于基站功率控制的测试信息

两次连续功率指令的最小间隔时间由参数REGINTDL控制。

单位为SACCH的时长（480ms），取值范围是从1到10。

在每个时隙上，基站都可以改变它的输出功率，功率值以2dB为步长，最大可调整30dB。

功率的下调值在每个SACCH周期中可限制在2dB，通过参数STEPLIMDL设置。

此参数的缺省值为OFF。

基站的动态功率控制算法包括3部分：

1、输入数据的准备

通过上次周期测试报告中所使用的功率水平将被转换为基站输出功率。

系统决定使用测量的哪个结构（全集和子集，full值或sub值），从而为功率控制和跳频对质量和强度进行补偿。

2、对测试数据的过滤

通过非线性指数过滤器对测试值进行过滤，以去除临时的变化。

3、功率等级的计算

根据两个不同参数设置的算法计算出两个功率等级。

选择其中功率等级最大的一个（最小的衰减）。

一些限制条件（根据硬件限制和参数设置）对选择功率等级进行处理。

输入数据的准备

在第k个SACCH期间，基站使用的功率值由PLused表示，此值是以设定的最大功率为标准，以2dB为步长，向下调整的数值。

在测量结果消息中，基站发送在此测量期间是否使用了DTX功能的信息。

此消息用于BSC决定在TCH信道上使用哪种下行测量结果（是全集还是子集，full值、sub值），如果测量期间基站使用DTX功能，则使用子集。

在SDCCH上总是使用测量的全集。

为了在计算中使用期望的质量值（QDESDL）和已经测量的rxqual，此二值必须根据表2转换为以dB为单位的C/I值。

从表中可见rxqual与C/I值为非线性关系，这是为了对高、低rxqual值进行快速的功率调整。

表13-4rxqualtoC/I之间的非线性关系对应表

QDESDL定义了调整过程中，希望得到的rxqual值，用dtqu来表示。

dtqu和rxqual值只是十倍的关系。

若QDESDL不是等于表中所列值，将使用线性插值法将其转换为C/I值，如下例：

如果QDESDL=35则C/I=15+（13-15）*0.5=14dB

QDESDL以C/I值表示后称为QDESDL_dB，此值将用于计算。

BCCH载频不进行功率控制。

当使用跳频功能而且BCCH载频在跳频序列中时，基站的输出功率将随着时隙所占用的载频的变化而变化。

为正确估算所测量到的信号强度，需以对其进行补偿见下式2：

这里SSTCH是向下调整TCH载频功率的信号强度，SSM是手机测量上报的信号强度。

BSPWR是基站在BCCH载频上的有效辐射功率，BSTXPWR基站在TCH载频上的有效辐射功率,Nf是跳频组中的频率数，如果BCCH载频在跳频组中，手机在BCCH载频上测量，将进行此补偿。

在滤波前，所有信号强度测试值都将补偿。

SSTCH也根据公式3对功率控制进行补偿

这里SS_COMP是对跳频和下调功率调整进行补偿后的信号强度。

如果BSC没有从基站收到测量结果，则禁止功率调整。

同时，参数REGINTDL计数将延缓。

当测试结果又收到，功率控制和REGINTDL重新开始。

当测量报告中的信号强度丢失时信号强度滤波器将不输出，这意味着在接收到下一个值之前，信号强度滤波器的输出将保持不变。

测量报告中丢失的质量值将设置为最差的值，这意味着丢失的质量值将由rxqual=7代替。

如果关于基站功率水平的消息在消息报告中丢失，丢失值将为上次计算的功率值。

测量值的过滤

信号强度和质量都通过指数非线性滤波器进行过滤。

公式4中的SSFILTERED是对下调功率进行过滤后的信号强度。

这里b和a（b=（1-a））为滤波器的系数，SS_COMP是对下调功率和跳频进行补偿后的信号强度值。

因子a的值由指数非线性滤波器的长度决定（见附表A），每一个滤波器长度对应一个a值，滤波器的长度（L）由下面方法决定：

如果SS_COMP（k）

则L=SSLENDL

其他L=SSLENDL*UPDWNRATIO/100（5）

这里L以SACCH为单位。

当L的长度超过30个SACCH周期时，长度则为30。

为了在分配信道和切换后能立即计算和发送功率等级。

滤波器以

SSFILTERED（k-1）=SSDESDL开始。

这样在得到第一个有效的测量报告后调整立即开始。

质量滤波器使用相同方式进行过滤，例如使用指数非线性滤波器。

根据公式6进行过滤

这里QFILTERED是对功率控制补偿后的信号质量。

Q_COMP是根据公式7进行补偿后的信号质量

这里RXQUAL_dB是根据表13-4转换为C/I（以dB为单位）的测量信号质量。

公式6中的因子与上面信号强度中的相同，只是L由下式决定：

如果Q_COMP（k）

则L=QLENDL

其他L=QLENDL*UPDWNRATIO/