TDSCDMA功率控制.docx
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TDSCDMA功率控制
TD-SCDMA功率控制
课程目标：
●了解功率控制技术的发展历程
●了解功率控制技术的目的及分类
●掌握功率控制技术的实现过程
●了解系统间功率控制技术的对比
文件编号
版本号
拟制人/修改人
拟制/修改日期
更改理由
主要更改内容
V1.0
黄萍
2006-7-20
新建
无
注1：
每次更改归档文件（指归档到事业部或公司档案室的文件）时，需填写此表。
注2：
文件第一次归档时，“更改理由”、“主要更改内容”栏写“无”。
图目录
表目录
第一章功率控制技术发展
&知识点
l了解功率控制的分类、发展
CDMA作为第三代移动通信的接入方式采用了许多先进的技术，其中功率控制（PowerControl）是CDMA通信技术的核心关键技术之一。
实现CDMA通信的规模商用，必须解决好功率控制。
高通、摩托罗拉、InterDigital、爱立信、诺基亚、NEC、NTT、富士通等公司有力地推动了功率控制技术的发展。
功率控制理论分集中式和分布式两种：
●集中式功率控制理论上完美，但难以实现；
●分布式功率控制不属于最优控制，但较好地平衡了性能与资源的矛盾。
实用的功率控制技术是在分布式理论基础上发展而来的。
由最初的上行功率控制，发展到现在的重视双向的功率控制；由最初单纯的开环功控，经过开环、内环并重，发展到现在的开环、内环、外环三环并重。
在功率控制的发展历程中，也带动了各种测量技术的发展。
第二章功率控制介绍
&知识点
l掌握功率控制的目的
l掌握功率控制的准则及分类
二.1远近效应
直接扩展频谱系统的接收机存在明显的远近效应。
所谓远近效应就是指，在无线通信中，不同用户距离基站的远近不同，如果用相同的发射功率，经过路径损耗，则远的用户到达基站的信号就会淹没在近的用户的信号中。
而解决这一问题的有效办法就是精确的功率控制，以保证远端和近端终端到达接收机的有用信号是同等功率的。
这一点，增加了直接扩展频谱系统在移动通信环境中应用的复杂性。
网络中的用户所在的位置不同以及用户的移动性特点，也就必然产生了在网络中存在由于用户位置的远近而造成的远近效应。
因为同一小区的所有用户分享相同的频率，所以对整个系统来说，每个用户都以最小的功率发射信号显得极其重要。
在CDMA网络中可以通过调整功率来解决这一问题。
由于用户离基站远近不同，当某一用户远离基站时必须得到很大一部分发射功率，以至供给其他用户的功率发生紧缺，所以在一定意义上来讲，远近效应问题也影响系统的容量，系统增加一个呼叫，就意味着这个用户对其他的用户造成了干扰，则就需要进行功率控制来克服这个用户带来的干扰。
而功率控制又影响到系统的容量，所以我们也可以说CDMA系统的容量是个软容量。
基站布局需要合理划分，考虑信号余量的问题不能太大或太小。
二.2功率控制目的
功率控制的基本目的是限制系统内的干扰，以减小小区间干扰以及UE的功率消耗。
由于码分多址（CDMA）系统自身的特点，它对信号发送功率和信道衰落特性的变化非常敏感。
与系统容量仅取决于系统带宽的FDMA/TDMA等多址方式相比，CDMA系统的容量不仅由系统带宽决定，而且在很大程度上还受自干扰（共道干扰）影响，因此CDMA系统是一个干扰受限系统，它的系统容量主要受限于系统内各个移动台间的干扰。
因而，要提高系统容量，必须最大可能的降低自干扰水平。
为此，必须尽可能使每个移动台的发射功率维持在满足信号到达基站时达到保证通信质量所需的最小信噪比，并保证无论基站远近以及信道变化如何，都能在基站端获得相同接收功率，即抵消“远近效应”。
功率控制技术是在对接收机端的接收信号能量或解调信噪比指标进行评估的基础上，适时补偿无线信道中引入的衰落，从而既维持了高质量的通信，又不对同一无线资源中的其它用户产生干扰，保证了系统容量。
同时，通过功率控制，可以减少UE的功率消耗，从而延长UE的待机时间。
二.3功率控制准则
功率控制的准则大致分为两类：
功率平衡准则和信噪比（SIR）平衡准则。
它们分别控制各个用户信号在接收端有用功率相等或SIR相等。
二.4功率控制分类
在一个CDMA系统中，功率控制技术可以从不同的角度分类。
按功控链路方向可分为前向功率控制和反向功率控制两种，其中反向功率控制又分为开环功率控制和闭环功率控制等方式。
由于CDMA系统容量主要受反向链路容量限制，因此反向功率控制尤为重要。
二.4.1反向功率控制
反向功率控制又称为上行链路功率控制，主要是借助实时调整各移动台的发射功率，使本小区内的任一移动台无论离基站多远，在信号到达基站接收机时刚好达到保证通信质量所需的最小信噪比门限，从而保证系统容量。
按功控环路类型，可分为开环功率控制和闭环功率控制。
开环功率控制是基于上下行信道对称假设的，它能够抵消路径损耗和阴影衰落；闭环功率控制不需要做此假设，在抵消路径损耗和阴影衰落的同时还能抵消快衰落。
（1）反向开环功率控制
当移动台发起呼叫或响应基站的呼叫时，反向开环功率控制首先工作，它的目的是试图使所有移动台发出的信号在到达基站时有相同的功率值。
在开环功率控制中，移动台首先检测收到的基站导频信号功率，若移动台收到的信号功率小，表明前向链路此刻的衰耗大，由此可认为反向链路上的衰耗也较大，为了补偿信道衰落，移动台将根据预测增大发射功率；反之，移动台将减小发射功率。
由于开环功率控制是为了补偿信道中的平均路径损耗和阴影效应，所以动态范围很大，这一点限制了它的功率控制效果。
（2）反向闭环功率控制
反向闭环功率控制是反向功率控制的核心，是弥补反向开环功率控制不准确性的一种有效手段。
按功率控制效果闭环功率控制又可分为内环功率控制和外环功率控制。
反向内环功率控制用来对抗衰落和信道损耗，它是由基站协助移动台，迅速纠正移动台作出的开环功率预测，使移动台始终保持最理想的发射功率。
基站对解调后反向业务信道信号的SIR或功率每隔一定时间检测一次，然后将其与事先设定的门限比较，若收到的SIR或功率高于目标值，基站就在前向信道上送出一个减小移动台发射功率的指令；反之，就送出一个增大移动台发射功率的指令。
移动台每次调整发射功率的动态范围称之为“功率控制步长”，它和基站功率控制的频率是同时由不同的功率控制算法来决定的。
反向外环功率控制是为了适应无线信道的衰耗变化，根据特定环境下的Qos要求，将BER/BLER与QoS要求的门限相比较，并根据一定的外环功控算法动态给出既能保证通信质量又能使系统容量最大的SIR目标值或功率门限值。
例如，在语音业务中，影响服务质量的是系统误帧率（FER），因此在基站端收到的反向信道FER统计值将作为调整门限信噪比的指标，使功率控制直接与通信质量相联系，而不仅仅体现在改善信噪比上。
SIR与BER/BLER的对应关系和无线链路的具体环境有关。
在话音业务BER=10-3和BLER=10-2的QoS要求下，对应的SIR目标值不相同，所以为了适应无线链路的变化，需要实时地调整SIR的目标值。
二.4.2前向功率控制
在前向链路中，小区内的信号发射是同步的。
当移动台解调时，可通过扩频码的正交性，除去小区内其他用户的干扰。
在前向链路解调中，干扰主要来自邻区干扰和多径引入的干扰；但由于小区内信号的同步性和移动台相干解调带来的增益，使前向链路的质量远好于反向链路。
在前向链路中，只需加入一个慢速的功率控制，就能很好的控制每个信道的发送功率。
前向功率控制又称下行功率控制，使基站根据移动台提供的测量结果，调整对每个移动台的发射功率。
其目的是对路径衰落小的移动台分配相对较小的前向发发射功率，对那些较远的和解调信噪比低的移动台分配较大的前向发射功率。
基站通过移动台对前向解调误帧率的反馈报告，决定对该移动台前向链路功率的增大或减小。
二.5功率控制的工作示意图
第三章TD-SCDMA功率控制的实现
&知识点
l掌握TD-SCDMA功率控制方式的分类
l掌握TD-SCDMA各种功控方式的实现
在CDMA系统中，有效的功率控制方法可以大大提高系统的容量，然而一旦功率控制发生错误，系统容量就会急剧下降，因此针对不同的CDMA系统，选择合适而有效的功率控制方法特别重要。
FDDCDMA系统与TDDCDMA系统所采用的功率控制方法不同。
在移动通信系统中，影响接收信号功率的三个主要因素是传输损耗、阴影效应和多径衰落，功率控制技术主要就是克服多径瑞利分布的快衰落对接收信号所造成的影响。
在FDD方式下，上下行的阴影效应紧密相关，由于上下行链路占用不同的频带，二者对应的快衰落系数是不相关的；然而，在TDD方式下，由于上下行占用同一载频，二者的快衰落系数是紧密相关的。
因此在TDD系统中，仅使用复杂度较小的开环功率控制即可；而在FDD系统中，必须使用复杂度相对较高的闭环功率控制。
三.1TD-SCDMA功率控制方式
在TD-SCDMA系统中，要求UTRAN系统支持实时的上行和下行功率控制。
功率控制的步长为1dB、2dB或3dB。
UTRAN必须同时支持开环功率控制和闭环功率控制，闭环功率控制又包括内环功率控制和外环功率控制。
所谓环其实是以NodeB为中心，NodeB以下UE之间为内环，NodeB以上同RNC之间为外环。
包括：
●上行/下行开环功率控制
●上行/下行内环功率控制
●下行功率平衡（可选）
●上行外环功率控制
●下行外环功率控制
RNC具有上行/下行开环功率控制、下行功率平衡（可选）、上行外环功率控制的功能。
RNC需要配合UE完成下行外环控制的功能。
Node B支持上行和下行的内环功率控制。
在上行内环功率控制中，Node B根据接收信道的质量产生TPC命令，调整UE的上行发射功率；在下行内环功率控制中，Node B根据UE产生的TPC命令，调整针对该UE的发射功率。
此外，NodeB还支持下行链路功率漂移校正。
NodeB根据RNC的要求，完成对一个或多个无线链路的下行发射功率调节，以便避免各无线链路间的下行发射功率漂移（该项可选）。
总的功率控制特性如表所示：
表31发射功率控制特性
上行链路
下行链路
功控速率
可变
闭环周期：
0～200Hz
开环延迟：
约200us～3575us
可变
闭环周期：
0～200Hz
步长
1、2、3dB（闭环）
1、2、3dB（闭环）
备注
所有数据没有考虑处理和测量时间。
注：
在使用相同扩频因子情况下，分配给相同CCTrCH信道的一个时隙内的所有码信道使用相同的发射功率。
三.2开环功率控制
在TD-SCDMA系统中的开环功率控制包括上行链路的开环功控和下行链路的开环功控。
开环功率控制的过程就是对上行和下行方向各种物理信道的初始发射功率的初始化过程。
三.2.1上行链路的开环功控
上行开环功控主要用于UE端在UpPTS和PRACH上发起随机接入过程，此时UE还没有从DPCH信道上收到功率控制命令。
对于所有的上行链路来说，首先需要通过高层信令来设置一个上行链路的Maximum_Allowed_UL_TX_power功率值（在终端能力范围内）。
总的发射功率不得超过该允许最大值。
如果超出，在一个时隙内所有上行物理信道的发射功率减少一个相同大小的功率值（dB）。
三.2.1.1初始功率设置
1、UpPCH信道：
UE根据下式计算每一次UpPCH信道的发射功率：
PUpPCH=LPCCPCH+PRxUpPCHdes+（i-1）*Pwrramp
式中，
（1）PUpPCH为UpPCH的发射功率（dBm）；
（2）LPCCPCH为UE到NodeB之间的路径损耗（dB），UE可以根据NodeB在PCCPCH（或DwPCH）发射的功率与UE端在该码道实际测量到的码功率来进行估算：
LPCCPCH＝PPCCPCH－PRxPCCPCH，即由系统广播获得的NodeB发射PCCPCH信号码功率－UE端在PCCPCH信道上接收到的信号码功率。
UE获得的NodeB发射PCCPCH信号码功率是参考BCH信道上广播的系统信息块类型5和6中的发射功率“PrimaryCCPCHTxPower”，或者由信元“UplinkDPCHPowerControlinfo”将发射功率“PrimaryCCPCHTxPower”单独通知给UE的；
（3）PRxUpPCHdes为NodeB在UpPCH上期望接收到的功率，其值取自系统信息广播。
系统信息块类型5和6的信元“SYNC_ULinfo”中包含“PRxUpPCHdes”的值，在BCH上广播，也可以在一个触发硬切换的协议消息中将该值直接发送给UE。
（4）i：
UpPCH信道的发射试探数，i=1…Mmax，Mmax为SYNC_UL的最大发射次数，网络端会通过系统消息中的消息信元告诉UE。
（现网Mmax=32）
（5）Pwrramp：
连续UpPCH发射试探的功率递增步长，在信元“PowerRampstep”中定义。
具体可以参见接入流程专题文档。
2、PRACH信道：
UE根据下式计算每一次PRACH信道的发射功率：
PPRACH=LPCCPCH+PRxPRACHdes+（iUpPCH-1）*Pwrramp
式中，
（1）PPRACH为PRACH的发射功率（dBm）；
（2）LPCCPCH为UE到NodeB之间的路径损耗（dB），UE可以根据NodeB在PCCPCH（或DwPCH）发射的功率与UE端在该码道实际测量到的码功率来进行估算：
LPCCPCH＝PPCCPCH－PRxPCCPCH，即由系统广播获得的NodeB发射PCCPCH信号码功率－UE端在PCCPCH信道上接收到的信号码功率；
（3）PRxPRACHdes为NodeB在PRACH上期望接收到的功率，其值取自UE在PRACH信道发送连接请求消息时，从FPACH信道（响应一次SYNC_UL的成功发射）上收到的参数TPLC获得。
（4）iUpPCH：
最后一个发射试探i。
（5）Pwrramp：
连续UpPCH发射试探的功率递增步长，在信元“PowerRampstep”中定义。
3、DPCH信道：
UE根据下式计算DPCH信道的初始发射功率：
PDPCH=LPCCPCH+PRxPDPCHdes
式中，
（1）PDPCH为DPCH的发射功率（dBm）；
（2）LPCCPCH为UE到NodeB之间的路径损耗（dB），UE可以根据NodeB在PCCPCH（或DwPCH）发射的功率与UE端在该码道实际测量到的码功率来进行估算：
LPCCPCH＝PPCCPCH－PRxPCCPCH，即由系统广播获得的NodeB发射PCCPCH信号码功率－UE端在PCCPCH信道上接收到的信号码功率；
（3）PRxPDPCHdes为NodeB在PDPCH上期望接收到的功率，其值由系统消息中的信元“UplinkDPCHPowerControlInfo”通知UE。
一旦UE接收到对应上行DPCH信道的TPC比特后，进入闭环功率控制。
三.2.1.2上行链路物理信道组合功率设置
下图描述了一个时隙内两个不同上行物理信道的组合原理。
合并的两个DPCH信道属于同一个CCTrCH，经过扩频，表示为复值序列。
首先，所有DPCH信道的幅值根据上行开环功率控制调整。
每一个DPCH分别由一个权重gi加权，并且使用复数进行合并。
物理信道合并之后，根据实际使用的TFC，作用增益因子bj。
对于不同的CCTrCH，分别应用图3.1所示原理。
图31上行链路不同物理信道组合
加权因子gi的取值取决于对应DPCH信道的扩频因子SF：
SFofDPCHi
i
16
8
4
2
1
对于在信令中显示通知给UE的bj（对应第j个TFC），bj可能的取值如下表。
如果bj由UE通过一个参考TFC计算得到，则bj不受限于这些量化值。
Signallingvalueforβj
Quantizedvalueβj
15
16/8
14
15/8
13
14/8
12
13/8
11
12/8
10
11/8
9
10/8
8
9/8
7
8/8
6
7/8
5
6/8
4
5/8
3
4/8
2
3/8
1
2/8
0
1/8
三.2.1.3增益因子
两个或多个传输信道可以复用到一个CCTrCH信道上。
这些传输信道通过速率匹配，包括重复和抽取。
速率匹配影响一个Eb/N0要求的特定发射功率，因此，CCTrCH信道的发射功率必须加权，引入一个增益因子b。
对于一个无线帧内发送的一个CCTrCH信道，有两种方式控制不同TFC的增益因子：
-信令通知TFC对应的b；
-计算TFC对应的b，基于一个参考TFC的信令设置。
在一个CCTrCH信道的TFCS中，可以使用以上两种方式得到所有TFC对应的b值。
高层可以信令通知多个不同CCTrCH信道的参考TFC设置。
在一个无线帧基础上，权重和增益因子可以根据当前使用的SF和TFC改变。
权重和增益因子的设置不依赖于任何其他形式的功率控制。
这意味着发射功率根据3.2.1.1给定的初始功率设置公式计算，而权重和增益因子根据3.2.1.2应用于信道的发射功率上。
（1）信令通知增益因子
当高层信令通知某个特定TFC对应的增益因子bj，则直接使用该数值对一个CCTrCH内的DPCH加权。
（2）计算增益因子
对特定TFC，也可以依据一个参考TFC的设置计算增益因子bj：
bref为指定信令设置的参考TFC增益因子，bj为对应第j个TFC的增益因子。
定义变量
其中，RMi是传输信道i的半静态速率匹配属性，Ni是传输信道i无线帧分段的输出比特数，该求和公式包含了参考TFC的所有传输信道。
类似地，定义变量
其中，该求和公式包含了第j个TFC的所有传输信道。
而且，定义变量
其中SFi是DPCH的扩频因子，该求和公式包含了参考TFC的所有DPCH信道。
类似地，定义变量
其中，该求和公式包含了第j个TFC的所有DPCH信道。
则第j个TFC对应的增益因子bj为：
。
不对bj进行量化。
三.2.2下行链路的开环功控
三.2.2.1发射功率设置
在网络端，CRNC负责无线链路功率的设置，CRNC把设置的功率值通过Iub接口发送到NodeB，NodeB按照设置的功率值进行无线链路的发射。
CRNC会给NodeB配置一个最大的发射功率，任何时刻小区的发射功率不能超过这个最大的发射功率。
1、P-CCPCH信道：
CRNC负责高层信令设置P-CCPCH信道的发射功率，P-CCPCH信道的发射功率可以根据网络状况进行慢速地改变。
P-CCPCH信道的参考发射功率在BCH信道上广播或通过信令单独通知给每一个UE。
UE根据时间接收到的RSCP值和从消息信元中得到的值进行路径损耗的估计。
2、FPACH信道：
FPACH信道的发射功率由高层信令设定。
在一个小区内，设定一个最大发射功率用于FPACH信道的发射。
3、S-CCPCH、PICH信道：
S-CCPCH和PICH信道相对于P-CCPCH信道发射功率偏置由高层信令设定，由BCH信道广播。
4、DPCH信道
DPCH信道的初始发射功率由高层信令设定，直到接收到上行的DPCH信道。
在初始化发送之后，NodeB转入闭环功率控制。
三.2.2.2下行链路物理信道组合功率设置
图3.2描述一个时隙内不同下行物理信道是如何组合在一起的。
每一个扩频信道分别由一个加权因子Gi加权。
所有下行物理信道使用复数进行合并。
图32下行链路不同物理信道组合
其中的下行码道的功率加权因子，由厂家实现算法决定。
三.3闭环功率控制
在TD-SCDMA系统中的闭环功率控制也可以分为上行链路的闭环功率控制和下行链路的闭环功率控制。
闭环功控的目的是为了调整每个移动台的发射功率，减小这种远近效应的影响，尽可能保证基站接收到所有移动台的功率都相等，从而使每个用户都能满足传输业务的QoS。
闭环功率控制包括内环功率控制和外环功率控制，在3GPPTS25.214中给出了内环功率控制的方法：
对于上行链路，首先基站对接收到的每条无线链路都进行信干比（SignaltoInterferenceRatio-SIR＝Eb/No）测量，然后与业务所需满足的目标信干比（SignaltoInterferenceRatiotarget-SIRtarget）比较，若SIR>=SIRtarget,则在下行的控制信道发送给移动台（UE）一个比特值为0的发射功率控制（TransmittedPowerControl-TPC）命令；若SIR然而随着移动通信环境的变化和移动速度的变化，传输的业务需要满足的信干比也要变化，而且上行的SIRtarget是由网络侧指定的，有可能初始给定的值与实际需要的信干比相差的比较多，这些都需在外环功率控制根据业务的质量情况对SIRtarget作调整。
三.3.1上行链路的内环功控
NodeB应该估计上行DPCH信道的信噪比SIRest，并根据以下原则产生和发送TPC指令：
如果SIRest>SIRtarget，那么TPC指令为“降低功率”；如果SIRest其中SIRtarget为目标信噪比，由高层调整。
而在UE侧，执行TPC比特的软判决。
如果判决为“降低功率”，则降低发射功率一个功率控制步长；反之如果判决为“升高功率”，则升高发射功率一个功率控制步长。
功控步长可以为1dB、2dB或者3dB，网络层通过专门的消息信元进行设置。
图33上行内环功控示意图
三.3.2下行链路的内环功控
UE应该估计下行DPCH信道的信噪比SIRest，并根据以下原则产生和发送TPC指令：
如果SIRest>SIRtarget，那么TPC指令为“降低功率”；如果SIRest其中SIRtarget为目标信噪比，由高层调整。
而在NodeB侧，执行TPC比特的软判决。
如果判决为“降低功率”，则降低发射功率一个功率控制步长；反之如果判决为“升高功率”，则升高发射功率一个功率控制步长。
图34下行内环功控示意图
三.3.3信噪比SIR
信噪比SIR定义如下：
其中：
（1）RSCP：
接收信号码符号功率，即指定信道（如DPCH、PRACH等）的码符号功率；
（2）Interference：
同一时隙内，接收端不能消除的信号干扰；
（3）SF：
信道使用的扩频因子。
三.3.4TPC和时隙CCTrCH对的关系
TPC在业务突发的数据部分中发送，因此，不改变midamble码的结构和长度。
TPC信息直接在SS信息后发送，SS信息又在midamble码后发送。
TPC命令在一个业务突发中的位置可以参见图3.3的时隙结构。
图35无线帧时隙结构
对于每一个用户来说，至少每5ms子帧发送一次TPC信息。
对于每个分配的时隙，是否携带TPC信息由信令分别设置。
如果应用于某个时隙，则在业务突发的数据部分中发送TPC符号，并且使用该时隙中最小物理信道序列号（p）对应的物理信
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