功率控制技术.docx
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功率控制技术
功率控制技术（7人）
阐述功率控制在移动通信系统中的作用，总结并阐述功率控制的类型、实现原理、以及在移动
作者列表（按项目排列）
序号
学号
姓名
在设计中承担的任务
成绩
备注
1
200809460
廖鹏
整理、画图
组长
2
王源
找资料
项目1负责人
3
李飞
找资料
廖鹏
4
满达拉
找资料
5
200809444
阎学军
整理、画图
6
200809447
刘旭升
整理
7
杨佳伟
找资料
8
项目2负责人
9
项目2成员
10
11
12
13
14
15
项目3负责人
16
项目3成员
17
18
19
20
21
指导教师签字：
年月日
第一章功率控制技术
1概述
1.1CDMA系统功率控制技术
功率控制（powercontrol）技术用于动态地调整发射机的发射功率，它是CDMA系统的关键技术之一，精确和稳定的功率控制对于提高CDMA系统的容量和保证服务质量有着至关重要的作用。
CDMA系统是一个自干扰系统，CDMA系统中的用户在同样的频率和时间上发送信号，不同的用户采用不同的扩频码来区分。
由于扩频码之间的互相关性不为零，使得每个用户的信号都成为其他用户的干扰，即多址干扰。
同时CDMA系统是一个干扰受限系统，即干扰对系统的容量直接影响。
当干扰达到一定程度后，每个用户都无法正确解调自己的信号，此时系统的容量也达到了极限。
因此，如何克服和降低多址干扰就成为CDMA系统中的主要问题之一。
通过功率控制，使发射功率尽可能的小，从而有效地限制多址干扰。
由于用户的移动性，不同的移动台和基站之间的距离是不同的。
而在无线通信系统中，信号的强度随传输距离而成指数衰减。
因此，在反向链路上，如果所有的移动台的功率发射都相同，则离基站近的移动台的接受信号强，离基站远的移动台的接收信号弱。
这样就会产生以强压若的现象，即远处用户的信号会被近处用户的信号淹没，以至于不能正确解调，这种现象称为“远近效应”。
为了克服这种现象，对移动台的发射功率进行调整时非常有必要的，使得基站接收到的所有移动台的信号功率基本相等。
在前向链路上，同一基站所有的信道经历的无线环境是相同的，因次不存在远近效应。
前向链路中的干扰主要来自于其它基站的前向信号和服务基站内其他用户的前向信号，尽管不存在远近效应，但是当移动台位于相邻小区的交界处时，收到的服务基站的有用信号很低，同时还会收到相邻小区基站的较强干扰。
如果要保证各个移动台的通信质量，则在小区边缘的移动台比距离基站近的移动台需要更高的功率。
因此，仍需要对前向功率进行一定的控制，以降低干扰，保证通信质量。
在CDMA系统中，采用功率控制是非常有必要的，它也是CDMA走向实用化的核心技术之一。
功率控制在对接受信号的能量或信噪比进行评估的基础上，适时补偿无线信道的衰落，来不断的调整发射信号的功率，从而保证一定的通信质量，又降低对其他用户的干扰，保证系统容量。
功率控制的核心目的是在保证一定通信质量的前提下，尽可能降低发射功率，以降低干扰，减少功耗。
1.2TD-SCDMA系统功率控制技术
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。
1.3WCDMA系统功率控制技术
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。
2功率控制准则
功率控制是指在移动通信系统中根据信道变化情况以及接收到的信号电平，通过反馈信道，按照一定准则控制，调节发射信号电平。
2.1功率平衡准则
功率平衡准则是指通过功率控制使接收端接收到的有用信号功率相等，该准则比较易实现，但是性能不如信噪比平衡准则。
2.2信噪比平衡准则
信噪比平衡准则是指通过功率控制使接收端有用信号的信噪比相等。
该准则虽然能够提供较好的性能，但是可能会产生正反馈，导致系统不稳定。
即当某个移动台信噪比低于目标只时，会增加发射功率，同时也就增加了对其他用户的干扰，会导致其他用户也增大发射功率，最终会导致系统崩溃。
2.3功率平衡和SIR平衡混合体制准则
功率控制准则的控制方法易于实现，但其性能不及基于SIR平衡准则的功率控制，基于SIR平衡准则的功率控制也存在局限性，若某移动台到达基站的SIR过低时，需增大发射功率以使SIR达到平衡，但这也相应的增加了对其他移动台的干扰，必然导致其他移动台发射功率增大，如此不断恶性循环导致系统崩溃。
为了克服SIR的正反馈带来的系统不稳定性，人们又提出了将SIR平衡准则与功率平衡准则相结合。
2.4误码率（BER）平衡准则
BER一般指平均误码率，它需要在一段时间内求平均值。
因此以它作为准则存在一定的时延，这段时延与求BER平均值的时间段是相互矛盾的，平均时间长时延大，延迟后执行功率控制的时间也就长，从而影响功率控制的正确性。
3功率控制的分类
3.1反向功率控制
反向功率控制就是在反向链路进行的功率控制，用于调整移动台的发射功率，使信号到达基站接收机时，信号电平刚刚达到保证通信质量的最小信噪比门限，从而克服远近效应，降低干扰，保证系统容量。
反向功率控制可以将移动台的发射功率调整至最合理的电平，从而延长电池寿命。
由于用户的移动性，不同的移动台到基站的距离一般不同，这导致不同用户之间的路径损耗差别很大，甚至可能相差80dB，而且不同用户的信号所经历的无线信道也有很大的不同。
因此反向链路必须采用大动态范围的功率控制方法，快速补偿迅速变化的信道条件。
反向功率控制包括反向开环功率控制和反向闭环功率控制。
3.1.1反向开环功率控制
反向开环功率控制的前提条件是假设前向和反向链路的衰落一致，系统内的每一个移动台接受并测量前向链路的信号强度，根据所接收的前向链路信号强度来估计传播路径损耗，然后根据这种估计，调整其发射功率。
接收信号较强时，表明信道环境较好，将降低发射功率；接收信号较弱时，表明信道环境较差，将增加发射功率。
开环功率控制只是对发送电平的粗略估计，因此它的反应时间既不应太快，也不应太慢。
如果反应太慢，在开机或进入阴影、拐弯效应时，开环起不到应有的作用；而如果反应太快，将会由于前向链路中的快衰落而浪费功率。
因为前向、反向衰落是两个相对独立的过程，移动台接收的尖峰式功率很有可能是由于干扰而形成的。
（1）反向开环功率控制的优缺点
开环功率控制的优点是简单易行，不需要在基站和移动台之间交换信道状态及控制信息，因而开销小且控制速度快。
由于开环功率控制是建立在上、下链路具有对称性的基础上，才能根据下行接收信号强度或SIR直接控制上行发射信号功率。
对于慢衰落，其“阴影”效应在上、下链路具有位置上的对称性，故对抗这种衰落的影响很有效。
但是对于空间选择性衰落，即多径传播引起的快衰落，不具备上、下链路的对称性，因此开环功率控制对抗这类衰落性能较差。
对于IS-95频分双工（FDD）移动通信系统，其上、下链路所占频段相差45MHz以上，远远大于信号相干带宽（200kHz左右），因此前反向链路的快衰落是完全独立和不相关的。
在这种情况下，移动台根据接收到的下行信号的SIR，即衰落状况来控制移动台发送信号功率，显然效果很差，开环功率控制会导致在某些时刻出现较大误差。
但是对于时分双工（TDD）移动通信系统，如TD-SCDMA系统，由于其上、下链路处于同一频段的不同时隙，只要上、下行时隙间隔不要太大，此时信道衰落基本上可以被认为是对称的，开环功率控制可以提高控制精度。
（2）反向开环功率控制的方法
在反向开环功率控制中，移动台根据整个频段内接收到的前向链路总功率，结合已知的一些接入参数，采用一定的算法计算得出接入时的发射功率大小。
开环功率控制是分步计算的，其步骤如下。
当刚进入接入状态时，移动台将按照下式定义的平均输出功率来发射第一个接入探测：
平均输出功率（dBm）=-平均输入功率（dBm）+K+NOM-PWR+INIT-PWR（3-1）
式（3-1）中，平均功率是相对1.23MHz的标准CDMA信道带宽而言的；常数K取值为-73dBm；NOR-PWR用于告知移动台基站标称功率的变化信息；INIT-PWR用于调整第一个接入探测的功率。
后两个参数都需要根据具体传播环境的当地噪声电平通过计算得出。
其后的接入探测不断增加发射功率（增加的步长为PRW-STEP）,直到收到一个响应或序列结束。
这时移动台开始在反向业务信道上发送信号，其平均输出功率电平为
平均输出功率（dBm）=平均输入功率（dBm）+K+NOM-PWR+
INIT-PWR+接入探测校正（3-2）
其中，接入探测校正=PWR-LVL×PWR-STEP,这里，PWR-LVL是接入探测功率电平调整，PWR-STEP是连续的两个接入试探之间功率的增加量。
③移动台接收到确认后，开始在反向业务信道上发送信号，其平均输出功率为
平均输出功率（dBm）=-平均输入功率（dBm）+K+NOM-PWR+
INIT-PWR+接入探测校正之和（3-3）
移动台一旦从前向链路接收到功率控制比特，将开始进行闭环功率控制，即
平均输出功率（dBm）=-平均输入功率（dBm）+K+NOM-PWR+INIT-PWR+
接入探测校正之和+所有闭环功率控制校正之和（3-4）
反向开环功率控制是为了补偿平均路径损耗以及慢衰落，所以它必须要有一个很大的动态范围。
根据空中接口标准，它至少应该达到±32dB的动态范围。
NOM-PWR,INIT-PWR和PWR-STEP均为在接入参数消息中定义的参数，在移动台发射之前便可得到这些参数。
NOM-PWR参数范围为-8～7dB,标称值为0dB。
INIT-PWR参数的动态范围为-16～15dB，标称值为0dB。
PWR-STEP参数范围为0～7dB。
这些校正参数对平均输出功率所做调整的精度为0.5dB。
移动台平均输出功率可调整的动态范围至少应该达到±32dB的动态范围。
3.1.2反向闭环功率控制
反向闭环功率控制是指基站根据测量到的反向信道的质量，调整移动台的发射功率。
其基本原则是如果测量到的反向信道质量低于一定的门限，则命令移动台增加发射功率；反之命令移动台降低发射功率。
反向闭环功率控制是反向功率控制的核心。
它通过基站，对移动台的开环功率估计进行迅速纠正，从而使移动台保持最理想的发射功率。
反向闭环功率控制是对反向开环功率控制的不准确性进行弥补的一种有效手段，需要基站和移动台的共同参与。
反向闭环功率控制在开环功率控制的基础上，能够提供±24dB的动态范围。
反向闭环功率控制包括两部分：
内环功率控制和外环功率控制，如图3.1-1所示。
内环功率控制的目的是使移动台业务信道的信噪比
（
是每个比特的能量，
是噪声的功率谱密度）能够尽可能地接近目标值，而外环功率控制则对指定的移动台调整
的目标值。
内环功率控制在基站（BTS）完成，外环功率控制在基站控制器（BSC）完成。
图3.1-1反向闭环功率控制
内环功率控制测量反向业务信道的
，将测量的结果与目标
相比较。
如果实测的
小于目标值，则说明反向信道质量不好，因此命令移动台增加功率。
如果实测的
大于目标值，则说明反向信道质量较好，因此命令移动台降低功率，以减小干扰。
外环功率控制测量反向信道的误帧率（FER），将测量的结果与目标FER相比较。
如果实测的FER超过目标值，说明反向信道质量不好，则命令提高提高内环功率控制的
目标值；否则命令降低内环功率控制的
目标值。
外环功率控制通过动态地调整内环功率控制中信噪比的目标值，来维持恒定的目标误帧率，以适应无线环境的变化，保证一定的通信质量。
同时使用外环功率控制和内环功率控制，可以保证有足够的信号能量，使接收接能在容许的错误概率情况下解调信号，又可以将对其他用户的干扰降至最低。
反向闭环功率控制流程图如图3.1-2所示。
图3.1-2反向闭环功率控制流程图
3.2前向功率控制
前向功率控制是为在保证一定通信质量的前提下，尽量减少业务信道的发射功率，从而降低干扰。
前向功率控制能使基站根据移动台的测量结果（前相信道误帧率的反馈报告），调整对每个移动台的发射功率。
对衰落小的移动台分配相对较小的前向发射功率，对衰落比较大的移动台分配较大的前向发射功率。
前向功率控制采用的也是闭环形式。
前相信道的质量远好于反向信道，这是因为，小区内各个信道之间是同步的，移动台可以根据前向导频信道进行相干解调。
前向链路对功率控制动态范围的要求也比较低。
如图3.2-1为前向功率控制
3.2-1为前向功率控制
IS-95中前向功率控制采用较简单的慢速功率控制方案。
下行功率控制实质上是对下行功率的最优分配。
前向链路总功率与各信道之间功率分配：
导频信道约占20%，同步信道约占3%，寻呼信道约占6%，剩下的功率分配给各业务信道。
如图3.2-2，当一个基站有12个用户时，每个信道分配功率百分比。
图3.2-212个用户时的信道分配
为了克服前向链路的“拐弯效应”，基站必须控制分配给每个不同用户的发射功率，以实现不同时段最佳下行功率分配。
具体实现过程为：
移动台采集前相信到的统计信息，然后通过功率测量报告消息（PMRE）把统计信息发送给基站控制器（BSC）。
BSC计算出前向信道的误帧率（FER）。
如果实际的FER超过了目标FER，命令基站增加发射功率；如果实际FER低于目标FER，命令基站降低发射功率。
基站的发射功率有一定的动态范围，既要避免发射功率过大，形成强干扰，也要避免发射功率过低，降低通信质量。
功率测量报告消息（PMRM）是指移动台测量的前向信道的帧数以及误帧的个数。
移动台发送PMRM的模式有两种：
周期报告和门限报告。
周期报告是指隔一段时间发送一次PMRM，门限报告是指错误帧数达到一定门限时，发送PMRM。
这两种功率测量报告消息的存在方式是根据运营商的具体要求来设定的，既可以同时存在，也可以只用一种或两种都不用。
由于移动台的PMRM报告发送周期较长，基站控制器控制前向功率的周期也较长，这样前向闭环功率控制的速度比较慢，不能适应信道环境的快速变化。
图3.2-3为IS-95系统中前向慢速功率控制的过程，该图中移动台的报告方式为门限方式，移动台接收到两个坏帧后，发送PMRM。
图3.2-3前向慢速功率控制
3.3软切换中的功率控制
与单条链路不同的是，软切换中的快速功率控制有两个主要问题：
一个是下行链路中NodeB功率的功率漂移：
另一个是UE中上行链路功率控制指令的可靠检测。
以下详细介绍这种现象，并且提供一个改善功率控制信令质量的解决方案。
3.3.1下行链路功率漂移
UE发送一条指令来控制下行链路发射功率，激活集中的所有NodeB都会接收到该指令。
为避免网络中太长处理时延与过多的信令开销，功率控制指令不能在RNC中合并，而是由激活集中的NodeB各自独立地对该指令进行检测和接收。
由于空中接口传播会产生错误，各NodeB检测出的功率控制指令可能不同。
这就有可能引起某NodeB降低对UE的发射功率，同时另一NodeB却提高对该UE的发射功率。
这是个NodeB的下行链路功率开始出现分化，这种情况称为功率漂移。
功率漂移不是我们所希望的，因为它大大降低了下行链路的软切换的性能。
通过RNC可以控制功率漂移。
最简单的方法是对下行链路功率控制的动态范围设置相对严格的限制。
移动台的发射功率不同，就应该采取不同的功率控制动态范围。
所以，允许的功率控制动态范围越小，最大功率漂移也越小，但另一方面，大的功率控制动态范围通常可以提高功率控制的性能。
减小功率漂移的另一方法为：
RNC可以从各NodeB接收到关于软切换进程中发射功率电平的信息，然后将这些发射功率电平在多个功率控制指令期间取平均。
功率漂移问题只有在下行链路中应用快速功率控制技术时才会发生。
在IS-95的下行链路只有慢速功率控制，因此不需要采取抑制功率漂移的措施。
3.3.2上行链路功率控制指令的可靠性
激活集中的所有NodeB均独立给UE发射功率控制指令以控制上行链路的发射功率。
激活集中即使只有一个NodeB正确接收上行链路的信号就足够了。
因此，如果其中一个NodeB发送降低功率的指令，UE就会降低它的发射功率。
在软切换过程中，因为所有参与软切换的NodeB发送相同的数据比特，所以UE对软切换中的数据比特采用最大比合并。
但各NodeB发来的功率控制指令包含着不同的信息，所以UE对功率控制比特不能采用最大比合并接收，因此功率控制比特的可靠性低于数据比特的可靠性。
UE用一个门限值来检测各功率控制指令的可靠性。
因为干扰可能破坏功率控制指令，因而UE会丢弃哪些非常不可靠的功率控制指令。
3.3.3功率控制信令质量的改善
当UE处于软切换时，为下行链路专用物理控制信道（DPCCH）设置高于专用物理数据信道（DPDCH）的功率可以改善信令的传输质量。
如图3.3-1所示，对于不同的DPCCH域（功率控制比特域、导频比特域和TFCI域），DPCCH与DPDCH之间的功率偏移量不同。
图3.3-1为改善下行链路信令质量的功率偏移
因为采用功率偏移量，所以UE发射功率一般可以减小多达0.5dB。
之所以有这样的结果，是因为功率控制信令的质量得以改善。
4对功率控制算法的要求
一个功率控制算法要以固定的或可变的增量功率步长和固定的或可变的时间步长更新发射功率。
移动通信的系统结构对使用分布式异步功率更新算法的要求是明显的。
也就是说，每一个信道中的发射机应当仅使用本地的测量信息和本地时钟更新自己的发射功率。
只有在下行链路中，才可以使用一些同步算法。
另一个要求是控制过程的稳定性。
随机变换环境中功率控制算法稳定的关键是更新功率的误差分布。
信号的传播和干扰的变化是随时间变化的随机过程。
这些随机过程的采样值被用于解码、纠错和估计，而采样统计受到随时间变化的统计误差的影响。
总之，稳定性仅仅视作SIR以预先规定的范围内波动。
这个概率解释为纠错的能力，控制函数应综合考虑估计分布和功率控制算法。
对功率控制算法的最后要求是实现的容易性和鲁棒性。
影响功率控制算法的因素包括：
（1）容量和系统负载：
蜂窝移动通信系统在任意时刻只能够服务有限的用户，因此在特定状态下需要定量的分析系统负载，并和网络最大理论容量联系起来。
（2）全局稳定性和系统性能：
每条独立链路所对应的分布功率控制算法相互之间的内在关系，即相关性会影响整个系统的全局性质，例如稳定性和系统性能。
因此，局部性能和全局性能之间需要一定的机制进行管理。
（3）通信质量测量：
语音业务的评价标准是一项非常主观的测量指标，而数据业务测量标准相对客观，因此质量评价指标基于各种业务性质而不相同。
（4）功率限制：
发射机由于硬件限制，其输出功率是一些给定的离散值的集合，这包括了量化的过程和上、下限制约。
（5）时延：
测量和控制信令的传输造成了网络时延，它主要包括两个方面：
第一是测量过程和将测量结果报告给功率控制算法模块产生时延；第二是通过功率控制算法计算得到的功率在发射机使用前造成的时延。
5未来功率控制的研究趋势
传统的功率控制技术以话音业务为主，主要有集中式和分布式功率控制、开环和闭环功率控制、基于恒定接收和基于质量功率控制。
目前的功率控制的研究集中在数据业务和多媒体业务方面，多为联合考虑功率控制和速率控制研究。
功率控制和速率控制两者的目标是相互抵触的，功率控制的目标是让更多的用户同时享有更多的服务。
速率控制则是以增加系统吞吐量为目标，使得个别用户或业务具有更高的传输速率，同时达到公平性和吞吐量的双重目标。
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，要求对用户的传输速率进行有效控制，以充分利用频谱资源。
不同的多媒体业务可以有不同的QoS来描述，只有设计合理的速率控制方案，才能有效地利用频谱资源。
在无线信道中，传输速率和信干比之间关系密切。
而功率控制是调节信干比最有效地手段，因此将速率控制和功率控制相结合是很自然地。
在功率和速率联合控制中，不同的速率以不同的处理增益或不同的调制编码技术来实现，且每个用户都有一个最小速率要求。
在实际通信系统中，可用的传输速率是一组离散的数值，链路控制的目的即在于使通信系统吞吐量最大。
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对相邻小区的干扰，提高整个系统的吞吐量。
因此，功率控制和速率控制的问题可以归结为用最小总发射功率来最大化系统总吞吐量。
有关功率和速率联合控制的数学分析和算法实现都在不断地研究过程中，主要的研究方向有：
功率控制和速率控制结合，如内环快速闭环功率控制和AMC技术的结合；功率控制技术在数据分组业务中的应用；功率控制和功率分配技术在OFDM系统中的应用。
6小结
在第三代移动通信系统中有许多关键技术，如多载波技术、智能天线技术、软件无线电技术、多用户检测技术等。
功率控制技术是CDMA系统的核心技术之一，它使系统能维护高质量通信
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