WCDMA中的功率控制

功率控制技术是WCDMA系统中一项非常重要的技术。WCDMA系统的频率复用系数为1，是一个自干扰系统，远近效应的影响很突出，如果没有功率控制，那么整个系统的容量将大大降低。 引入功率控制后，通过调整发射功率，保持上下行链路的通信质量，克服阴影衰落和快衰落，有助于降低网络干扰，提高系统质量和容量。

按移动台和基站是否同时参与又分为开环功率控制和闭环功率控制两大类。闭环功控是指发射端根据接收端送来的反馈信息对发射功率进行控制的过程。而开环功控不需要接收端的反馈，发射端根据自身测量得到的信息对发射功率进行控制。开环功率控制又可以分为上行开环功率控制和下行开环功率控制。闭环功率控制则是通过内环功率控制和外环功率控制一起来实现的。

5.2 开环功控与闭环功控

本节介绍功率控制的大致流程，包括闭环功控和开环功控的区别，以及内环功控和外环功控如何协调工作的问题。

开环功控提供初始发射功率的粗略估计。它是根据测量结果对路径损耗和干扰水平进行估计，从而计算初始发射功率的过程。同时，由于开环功控是采用下行链路的路径损耗来估计上行链路损耗，但实际上

WCDMA系统中上下行链路的频段相隔190M，快衰落特性不相关，因此这种估算的准确度有限，只能起到粗略控制的作用。适用场合包括：

 决定接入初期发射功率的时候

 切换时，决定切换后初期发射功率的时候

闭环功率控制是通过内环功率控制和外环功率控制一起来实现的。内环功控通过测量信道的实际SIR值SIRest，并将测量值SIRest与目标值SIRtar比较，根据比较结果发出功率调整的指令。内环功控算法包括上行内环功控算法和下行内环功控算法。

上行内环功控算法在基站内实现，基站比较上行信道SIR测量值SIRest和目标值SIRtar，根据比较结果设置相应的功控指令（TPC，Transmit Power Control）通知手机调整上行发射功率。

下行内环功控算法在手机内实现，手机比较下行信道SIR测量值SIRest和目标值SIRtar，根据比较结果设置相应的功控指令（TPC，Transmit Power Control）通知基站调整下行发射功率。

内环功控指令通过承载在DPCCH信道上的TPC域来传送，因此内环功率控制的频率可以达到每秒钟1500次，从而可以较好地克服快衰落带来的信号强度的变化。

内环功控时需要使用SIR目标值SIRtar进行功控指令的计算，这是由于业务质量主要通过误块率来确定的，而信噪比与误码率（误块率）的关系随环境的变化而变化，他们之间的对应关系并非固定不变的。因此， 目标SIR需要根据实际情况进行调整，这个调整过程就

是外环功控。外环功控算法根据接收信号的BLER值计算目标SIR，供内环功率控制使用。上行外环功控算法在RNC实现，RNC根据上行信道的BLER测量值，计算上行信道的目标SIR。下行外环功控算法在手机中实现，手机根据下行信道的BLER测量值，计算下行信道的目标SIR。外环功控算法并不是直接调整的功率值，而是通过目标SIR来进行功率的间接控制的，因此，为了保证内环功控算法的收敛性，其控制频率较慢，每秒钟10－100次。

5.3 随机接入过程中的功率控制

本节按照终端随机接入的物理过程，介绍其中和功率控制与功率设定相关的一些步骤，而与功率控制无关的细节将略去，关于随机接入的更为具体的描述请参阅本书前部分相关章节。

5.3.1 随机接入过程的启动

当原先处于空闲模式的终端主动发起呼叫或者响应寻呼时，终端将发起业务建立的过程。这个过程的开始就是以随机接入过程的启动为标志的。

5.3.2前导(preamble)的发送

RRC Connection RequestFrom RRC LayerMmax=21st Preamble Cycle2nd Preamble Cycle3rd Preamble CycleACKP0 = Power Ramp StepPreamble_Initial_PowerPreamble_Retrans_Max=3Last Preamblet=T300,n300=1图 rach过程中的前导接入过程

终端根据用户的ASC随机选择对应的可用RACH子信道的一个接入时隙，根据ASC选择可用的前导签名序列（signature）。

当物理层从上层接收到CPHY-TrCH-Config-REQ原语，物理层

随机接入过程启动。

随机接入过程的启动是以前导的发送为标志，前面已经提到过，

作为一个同频自干扰系统，终端发送前导必然会提高整个系统的噪声水平，因此，设定一个合适的前导发送的初始功率是非常重要的。在WCDMA系统中，采用开环功率控制算法设定前导初始功率，其核心思想为采用下行链路的路径损耗估算上行链路的路径损耗，从而计算出需要的初始前导功率。 计算初始功率的公式如下：

P_PRACHLossULRSCPRACH

其中，LossUL是上行（从UE到NodeB）的路径损耗，RSCPRACH为基站侧接收到的RACH前导码功率。由于基站接收能力限制，因此

RSCPRACH必须满足：

RSCP10logSFRTWPSIR_TAR

其中SIR_TAR是为满足基站解调门限，接入前导必须满足的信噪比。因此可以推出前导必须满足的最小功率如下：

P_RACHLossUL(RTWPSIR_TAR10logSF)

上式为理论计算得出的RACH的最小前导发射初始功率，通常运营商可以根据各地无线环境的差异设置不同的偏置，考虑到这种偏置，上式则转换为：

P_RACHLossULRTWP(SIR_TAR10logSFOFFSET)

在实际的系统中，出于简化的目的，将上式中括号内的项合并成一项，并在系统消息中发送，该值可由网络维护人员根据各地情况进行微调，一个典型的值为-27dB。上式中路径损耗和RTWP也都在系统消息中发送，因此当终端驻留在一个小区后，完成系统消息的读取，则它发送的随机接入前导的初始功率也就得到了。

考虑到初始发射功率通常较低以及实际环境的复杂性，因此在实际系统中，前导发送一次就能被基站正确接收解调的概率并不能满足一个实用系统的要求。所以，采用一个递进式的前导抬升的发射过程就成为必要。参考上图，前导的一个递增循环的最大前导发送次数由参数Preamble_Retrans_max确定，在一个单次前导功率递增循环中，每次前导的功率递增为一个确定的步长Power_Ramp_Step，如果一个循环全部完成之后，终端仍然没有在AICH信道上接收到来自于基

站的相应信号，那么这个循环可以重复进行（每个循环的初始发送功率都按照上述公式计算得到），在一个T300周期内，递增循环的重复次数由参数Mmax决定。如果t300超时，那么n300参数加一，如果n300没有溢出（也即n3005.3.3随机接入过程中消息部分（message）的发送

当终端从AICH信道接收到来自于基站的正响应信号ACK，则终端结束前导发送过程，开始发送消息部分。如下图：

ACKMessage Data部分P0 = Power Ramp StepPreamble_Initial_PowerPreamble_Retrans_Max=3Message Control部分RACH前导发送部分RACH message发送部分

当终端接收到ACK信号之前最后一个发送的前导功率记为PLastPreamble, 控制部分的功率Prach_Message_Control要比最后一个Preamble的功率高Pp-m（dB）。该参数在系统消息5中由网络发送给终端。而另一正交支路也即数据部分的功率Prach_Message_Data和控制

d部分的功率比为c，d和c也是在系统消息5中发送。

2ACKMessage Data部分dcPp-mP0 = Power Ramp StepPreamble_Initial_PowerPreamble_Retrans_Max=32Message Control部分P(last_preamble)RACH前导发送部分

Prach_Message_ControlPLastPreamblePpm

dPrach_Message_DatacPrach_Message_Control 25.3.4开始专用信道的过程

如果终端发起的业务需要在专用信道进行，那么在经过公用信道的信令交互，将建立起专用信道（根据业务决定是否需要建立专用信道，也即专用信道的建立不是必须的），即上行DPDCH/DPCCH和下行DPDCH/DPCCH。

专用信道建立之初，由于尚未建立闭环功控流程，因此其初始功率的设定也采用开环功控算法。具体的初始功率设定算法请参考下一节。

5.4 DPCCH/DPDCH下行初始功率设置（开环功率控制）

前面提到，在专用信道建立之初，其初始功率的设定也采用开环功控算法。其计算公式如下：

PDL_DPDCHprimaryCpichPowerEc/NodlInitSirTarget10log2/SF_DPDCH_DLBACKOFF

其中，primaryCpichPower为PCPICH信道发射功率，Ec/No为

UE测量并上报的CPICH信道的质量值，在RRC CONNECTION REQUEST消息中上报给网络。DlInitSirTarget为下行信道所需要的初始信噪比，可以由维护人员根据需要和业务的不同进行配置。SF_DPDCH_DL为下行DPDCH的扩频因子，根据业务的不同而不同。BACKOFF为一个可由运营商设置的偏置值，用来调整初始功率的大小。

这里要注意的是，如果终端在RRC CONNECTION REQUEST消息中没有上报CPICH信道的质量，那么网络将根据一个缺省值来进行上述公式的计算从而确定下行信道的初始发射功率，这个缺省值也是可以由网络维护人员设定的。

对于并行发送的DPCCH信道，则是以DPDCH的信道功率来相对设置的。对于DPCCH的TPC、TFCI、PILOT，他们对应于DPDCH的功率偏置分别为PO1、PO2、PO3。这些参数也是由维护人员设定的。

5.5 DPCCH/DPDCH上行初始功率设置（开环功率控制） 类似的，上行的DPCCH的功率设置如下：

PUL_DPCCHprimaryCpichPowerRTWPulInitSirTarget10logSF_DPCCH_ULCPORSCP

其中，RTWP为上行宽带接收功率，由基站测量并在系统消息中下发。CPO为一个偏移常量，用于调整上行信道的初始功率。 对应的DPDCH的功率则为：

dPUL_DPDCHPUL_DPCCH

c25.5 闭环功率控制

在5.2中我们已经了解到功率控制按照基站与移动台是否同时参加而分为开环功率控制和闭环功率控制。当终端和网络之间建立起专用信道之后，闭环功率控制也就成为可能，同时，更为精确和快速的闭环功率控制也是cdma系统自身的需要。这里以上行功率控制为例说明闭环功率控制的大致流程。

基站测量上行信道SIR ，并与SIRtar比较 。如SIR>SIRtar,发送功率下降指令 ，反之 ，发送功率上升指令RNC检测上行信道BLER,根据BLER和BLERTAR的比较结果设定目标SIR新的SIRTAR下行DPCCHTPC:功控指令通信塔终端读取下行DPCCH中对应TPC域的功控指令 ，并相应地抬升或降低功率一个步长内环功率控制(上行)外环功率控制 （上行 ） 前面提到，闭环功率控制则是通过内环功率控制和外环功率控制一起来实现的。上图是一个上行闭环功控的例子。基站比较上行信道SIR测量值SIRest和目标值SIRtar，根据比较结果设置相应的功控指令（TPC，Transmit Power Control），并通过下行DPCCH发送给手机，手机根据接收到的TPC_CMD指令相应的增加或减少上行发射功率，每次调整为一个固定步长。

由于业务质量主要通过误块率来确定的，而信噪比与误码率（误块率）的关系随环境的变化而变化，他们之间的对应关系并非固定不

变的。因此， 目标SIR需要根据实际情况进行调整，这个调整过程就是外环功控。外环功控算法根据接收信号的BLER值计算目标SIR，供内环功率控制使用。上行外环功控算法在RNC实现，RNC根据上行信道的BLER测量值，计算上行信道的目标SIR。

规范规定上行功率控制有两种算法，由参数PCA决定，PCA=1,对应算法1，PCA=2,对应算法2，具体算法见5.6。

同样的，对于下行功率控制，规范也规定了两种算法，由参数DPC_MODE决定，DPC_MODE=0,UE在每个时隙发送一个独立的功控指令；DPC_MODE=1,UE以3个时隙为单位发送功控指令，在一个3时隙单位中，将同一功控质量发送3次（每时隙一次）。 5.6软切换中的功率控制

软切换是CDMA系统的一个重要特点，在软切换状态下，终端和多个基站同时通信，因此对应的功率控制将比一对一通信状态时更为复杂，必须单独提出进行讨论。

先讨论上行功率控制。上行功率控制的要点主要在于终端如何合并来自不同基站的上行功控指令。规范中提出了两种算法处理合并： 算法1（PCA=1）：采用下列公式对来自于不同的无线链路集合（来自同一基站不同小区的无线链路属于同一无线链路集合，记为RLS，Radio Link Set）的功控指令进行合并从而得到最终的总功控指令。

TPC_CMD(W1,W2,...,WN)

其中，TPC_CMD为总的最终功控指令，Wi为对应第i路RLS的功控指令(如果一个RLS中存在多条RL，那么需要经过软判决得到

RLS的工控指令)。为一个满足如下特性的函数：（1）如果各RLS的功控指令是随机分布且不相关的，那么该函数输出1的概率应大于1/2N，输出-1的概率应该大于0.5。（2）如果各RLS的功控指令均为1，那么输出为1。

算法2(PCA=2)：对各RLS的功控指令进行如下处理：以5个时隙为单位分段，如这一组5个时隙的功控指令都为1，则处理后第5个时隙的指令为1，如果5个时隙的功控指令都为-1，则处理后第5个时隙的指令为-1。处理后前4个时隙为0。将处理后的功控指令序列记为TPC_temp。

要得到最后总的功控指令TPC_cmd还必须对各RLS处理后的TPC_temp进行合并。

1N1,如果NTPC_tempi0.5i11NTPC_cmd1,如果TPC_tempi0.5

Ni10,其他情况无论采用算法1还是算法2得到最终的总的功控指令后，如果指令为1，那么终端在下一个时隙的发送功率就抬升一个步长，如果为-1，则降低一个步长，为0，则功率保持不变。

切换状态中的下行功率控制则要简单的多。因为终端上行只发送一个下行功率控制指令，所有激活集中的小区根据指令统一的抬升或降低功率。这里有1个特例，那就是如果采用站点选择发射分集(Site Selection Diversity Transmit，SSDT)，那么在某一个时刻只有一个

主小区发射，其他小区则停止发射。目前的商用系统中没有采用SSDT这项技术，因此这里不深入讨论。 5.7压缩模式中的功率控制

当终端需要在不同制式系统中进行漫游时，对于单发射系统的终端而言必须引入压缩模式。下面来看一看在压缩模式情况下的功率控制。

对于上行功率控制，服务小区在非压缩时隙仍然是每时隙发送一个功控指令，其中目标SIRtar更换为SIRcmd_target，SIRcmd_target的计算公式如下：

SIRcmd_targetSIRtarSIRpilotSIR1_codingSIR2_coding

其中：SIRtar为启动压缩模式之前的目标SIR值，SIR1_coding和

SIR2_coding是利用上行链路参数DeltaSIR1，DeltaSIR2，

DeltaSIRafter1，DeltaSIRafter2来计算的。

NSIRpilot10logpilot,N

Npilot,curr_frame

Npilot,N 为一个正常帧（也即没有启动压缩模式时的帧）中pilot

Npilot,curr_frame比特的数目， 为当前帧（也即启动了压缩模式时的帧）

中pilot比特的数目。

当上行压缩模式启动时，压缩帧和非压缩帧的pilot比特数目可能不同，为了保证导频能量大体保持一致，所以两种帧的传输功率存在一个差值，由下面两个式子给出：

PILOT10Log(Npilot,prev/Npilot.curr) DPCCHTPCTPC_cmdPILOT

Npilot,prev最近一次传输pilot比特数（在当前时隙之前），

Npilot.curr为

当前时隙传输的pilot比特数。

在压缩时隙之后的几个时隙被称为恢复时间（recovery

period），恢复时间的长度以时隙数表示，记为RPL(recovery period length),如压缩时隙长度小于7个时隙，RPL的值取为压缩时隙长度，否则RPL为7。

对于恢复时期的功率控制规范中规定了两种模式。模式0规定

恢复时期的功率控制与正常功率控制一样。模式1恢复时期DPCCH的传输功率定为：

DPCCHRPTPCTPC_cmdPILOT

RPTPC 为 恢复期功率控制步长，由参数PCA决定。

对于下行功率控制，同样的，目的都是为了尽快在压缩时隙之

后恢复信噪比。在上行压缩帧期间，网络按照下式估计下一个功控调整量PTPC(k),并调整当前功率P(K-1)到新功率P(K)：

P(K)P(K1)PTPC(K)PSIR(K)Pbal(K)

其中，PSIR(K)是根据下行目标SIR的变化估算的功率调整量，是为了保证无线功率平衡而附加的一个修正量。

Pbal(K)