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W-CDMA系統功率控制專欄:解析開迴路功率控制 提供粗估的初始功率設定方法
新通訊 20053 月號 49 期《 技術前瞻 》
文.賴盈霖
在W-CDMA系統中,無線資源管理(Radio Resource Management,RRM)包含:功率管理、移動性管理、負載管理、頻道分配與重分配、AMR控制等幾個方面。其中,功率管理是一個非常重要的環節...
在W-CDMA系統中,無線資源管理(Radio Resource Management,RRM)包含:功率管理、移動性管理、負載管理、頻道分配與重分配、AMR控制等幾個方面。其中,功率管理是一個非常重要的環節。這主要是因為W-CDMA系統是屬於功率有限的(power limited)系統,過大的功率會造成系統容量的降低,因此需要作比較嚴謹的功率控制,使得每一隻手機或基地台都只發射足夠的功率即可。而所謂的剛好足夠的功率就是在接收端所接收到的功率會滿足由網路所設定的SIR值(Signal to Interfere Ratio)。  

 

在CDMA系統的網路中因為頻率重用(frequency reuse)及正交編碼的關係,所以手機所發射的功率會對相同細胞或是鄰近細胞內的所有手機產生干擾。在一個細胞內若是同時使用的用戶數(active subscribers)越多則干擾準位就越高,如果能將手機發射的功率降低就能增加系統的容量及減少干擾的準位值。過低的發射功率會造成在接收端產生較大的位元錯誤率(Bit Error Rate,BER),利用功率控制的技術使每一隻手機或基地台所發射的功率剛好滿足特定的傳輸需求(低於一特定的BER值)。  

在網路的參數組態裡面比較常用的是(每chip的能量對干擾加雜訊的功率頻譜密度的比值)或Ec/Io(每位元的能量對干擾加雜訊的功率頻譜密度的比值)。其中:  

(詳細請見新通訊49期3月號第139頁)  

PG:處理增益(processing gain)  

W-CDMA在上傳(Uplink,UL)和下傳(Downlink,DL)方向功率控制指令的更新率(update rate)為1500Hz,而cdma2000系統的更新率則是800Hz。基本上除了更新率之外,WCDMA或cdma2000系統所使用的功率控制的方法是大同小異的。  

功率控制的優點  

功率控制的主要優點如下:  

•增加系統容量  

•降低近─遠效應(near-far effect)  

•增加手機的通話及待機時間  

•降低斷話率(利用快速功率控制來克服因移動或訊號傳播所引起的訊號衰落現象)  

在一個細胞內手機的分佈情形一般都是隨機分佈的,若無功率控制的機制,則細胞內的所有手機都會以相同的功率發射。以基地台接收天線所接收到的訊號強度而言,離基地台很近的手機所發射的訊號強度會遠大於離基地台較遠的手機所發射的訊號,特別是那些位於細胞邊緣的手機所發射的訊號在抵達基地台天線時已經很微弱。  

參考圖1,若每一隻手機都是以21dBm的功率發射,假設在離基地台較近的位置其路徑損失(path loss)為80dB,而位於細胞邊緣的位置其路徑損失為130dB,則抵達基地台天線的訊號功率分別為-59及-109dBm,這2個訊號的功率差將近50dB(100000倍)。  

當這2個訊號同時經過基地台的基頻訊號處理器內的類比至數位轉換器(Analog-to-Digital Converter,ADC)時,因為振幅差異太大,因此在作類比至數位轉換的量子化(quantization)時,弱訊號會被強訊號給蓋掉(block)。基本上,在ADC的量子化程序中,弱訊號會被強訊號所蓋掉(blocking)是和基地台接收機解相關(de-correlation)的程序無關,這純粹只是ADC量子化的問題。  

由不同路徑損失所引起的弱訊號被強訊號蓋台的現象稱為近遠效應,利用功率控制的技術,使得在任何位置的手機所發射的訊號在抵達基地台天線時具有相近的功率位準,這樣就可以克服近遠效應。  

訊號在空中介面(air interface)傳播時會遭受到各種不同的通道效應,例如多重路徑(multi-path)與訊號的快速衰落(fast fading)等。手機的接收機除了接收到與基地台成一直線(line-of-sight,LOS)的訊號之外,也同時接收到來自不同路徑的相同訊號(圖2)。  

不同路徑的訊號抵達接收機的時間會和訊號所走的路程(traveling distance)成正比。由於訊號的建設性(constructive)或是破壞性(destructive)的干擾,會使得接收機所接收到的訊號強度有著很明顯的變動,若為建設性干擾則訊號的強度會增加(增加的幅度不會超過3dB),但若為破壞性,則訊號強度的變動範圍會很大。  

這主要是和兩者之間的相位差有關,若剛好為反相時則會產生訊號的互消(cancellation)。此一現象稱為訊號的快速衰落,一般會和多重路徑傳播及接收機的移動有著密切的關係,即使接收機只是稍微移動一點點距離(例如7cm),也會造成訊號強度有著很明顯的變動。圖3顯示WCDMA訊號的快速衰落的現象,從圖中可以發現當發生深度衰弱時,訊號的強度有可能具有-30dB的損失,若沒有功率控制的機制,在深度衰落的這一瞬間有可能會造成手機與基地台之間產生斷訊。  

在WCDMA系統雙向的功率控制頻率為1500Hz,利用快速功率控制的機制,可以在極短的時間內將發射功率快速提升至一定程度,來克服訊號所面臨的深度衰落。我們可以利用圖4來解釋如何利用快速功率控制來維持訊號的品質。  

依據實體層(physical layer)的規格,WCDMA系統的功率控制主要可以分成上傳及下傳方向的功率控制這2大類。上傳功率控制又可以分為開迴路功率控制(open loop power control)及閉迴路功率控制(close loop power control),而下傳功率控制也可以分為開迴路及閉迴路功率控制。  

閉迴路功率控制是由內環(inner loop)及外環(outer loop)功率控制所組成,內環功率控制因其更新的速率高達每秒1500次(1500 Hz)所以又稱為快速閉迴路功率控制(fast close loop PC)。圖5所示為發射功率控制(transmit power control,TPC)的種類及其主要的應用。  

開迴路功率控制  

WCDMA的上傳及下傳連結皆支援開迴路功率控制的機制,主要目的為提供一個粗估(coarse)的初始功率(initial power)設定,作為手機或基地台在一個連結的初始階段的發射功率。所謂的初始階段是指在P-RACH頻道的第一個前言(preamble)或在DPCCH頻道,執行內環(inner loop)功率控制之前的時間都是屬於開迴路功率控制的期間。  

上傳開迴路功率控制演算法  

由於手機可以位在基地台細胞涵蓋範圍內的任意位置,也就是介於手機跟基地台之間的距離是一個隨機變數,而路徑損失基本上會和距離成正比。為避免手機在第一次發射訊息至基地台時以過大或過小的功率發射,因此有必要利用一個功率控制的機制來估測大約的路徑損失,並利用此一粗估的路徑損失來作為上傳頻道的路徑損失,此即為上傳開迴路的功率控制。  

在CDMA系統(cdm2000及WCDMA),手機主要是利用計算一個導引訊號(pilot)的強度(RSSI值)來評估其路徑損失,這個假設要成立的前提是在下傳頻道所遭受的路徑損失會大約等於上傳頻道所遭受到的路徑損失。基本上此假設在大部分時間是可接受的,但是WCDMA的下傳跟上傳頻段在頻譜上具有190MHz的差異,因此在有多重路徑或衰落的狀況下很有可能對下傳及上傳的頻段產生不同程度的影響,亦即通道傳播效應對上傳及下傳頻段(frequency band)的影響有可能是不相關的。  

P-RACH頻道的開迴路功率控制演算法  

當要發射P-RACH頻道的第一個前言(preamble)之前,手機會利用(4.1)式來計算在第一個前言所需的發射功率。  

(詳細請見新通訊49期3月號第143頁)  

Ppreamble:P-RACH頻道的第一個前言所需的發射功率  

CPICH_Tx_Power:P-CPICH頻道的傳輸功率(基地台利用BCH頻道將此一參數傳送至手機)  

CPICH_RSCP:手機所量測到的P-CPICH頻道的功率  

UL_interference:上傳頻道的干擾準位(基地台利用BCH頻道將此參數傳送至手機)  

UL_required_CI:系統所要求的最小C/I值(基地台利用BCH頻道將此參數傳送至手機)  

其中下傳頻段的路徑損失(path loss)會等於(4.2)式  

(詳細請見新通訊49期3月號第143頁)  

Lpath:路徑損失(dB)  

抵達基地台天線所需的最小功率為(4.3)式  

(詳細請見新通訊49期3月號第143頁)  

假設CPICH_Tx_Power為30dBm、CPICH_RSCP為-90dBm、UL_interference為-110dBm、UL_required_CI為10dB。利用這些假設的參數我們可以利用上傳開迴路功率控制演算法求得手機所需發射的功率。  

(詳細請見新通訊49期3月號第143頁)  

利用(6.2)式可以得到下傳頻道的路徑損失為-120dB,在開迴路時我們假設路徑損失在下傳跟上傳頻段是相同的,因此上頻道的路徑損失同樣等於-120dB。利用(6.3)式可以得到在基地台接收天線所需的最小功率為-100dBm。  

(詳細請見新通訊49期3月號第143頁)  

利用這兩個已知的參數即可計算出手機所需要發射的功率為20dBm。  

(詳細請見新通訊49期3月號第143頁)  

值得注意的是在上傳的P-RACH頻道是不支援內部迴圈功率控制的機制。圖6所示為P-RACH頻道在開迴路功率控制期間,手機和基地台間的互動。  

DPCCH頻道的開迴路功率控制演算法  

在進入內部迴圈控制之前DPCCH頻道的發射功率可以利用(4.4)式來設定,其中的參數是由較高層的訓令(higher layer signaling)所決定。  

(詳細請見新通訊49期3月號第144頁)  

DPCCH_Initial_Power:DPCCH在進入inner loop power control的發射功率(dBm)  

DPCCH_Power_Offset:由RNC所計算出來的參數其中  

(詳細請見新通訊49期3月號第144頁)  

PG:DPDCH頻道的處理增益(dB)  

無線網路控制器(Radio Network Controller,RNC)內部的允許控制器(Admission Controller,AC)是利用(4.5)式計算出DPCCH_Power_Offset這個參數,並且在無線電承載(radio bearer)或實體頻道重新組譯(reconfiguration)的期間將此參數傳給手機,手機則利用(4.4)式來計算出DPCCH頻道所需發射的功率準位。  

參考之前的假設,若DPDCH頻道的符碼率(symbol rate)為60ksps,則其PG為  

(詳細請見新通訊49期3月號第144頁)  

若假設SIRDPCCH的值為12dB,利用(4.4)式即可求得DPCCH頻道的發射功率為4dBm。  

(詳細請見新通訊49期3月號第144頁)  

下傳開迴路功率控制演算法  

手機將下傳頻道的量測結果回傳給基地台,基地台利用此一參數執行下傳開迴路功率控制演算並利用演算的結果來設定下傳頻道的初始功率。(4.6)式為下傳頻道開迴路功率控制的演算法。  

(詳細請見新通訊49期3月號第144頁)  

其中  

R:位元率(kbps)  

W:chip rate(3.84Mcps)  

(Eb/No)DL:下傳頻段的每位元能量對雜訊的功率頻譜密度的比值  

(Eb/No)CPICH:CPICH頻道的每位元能量對雜訊的功率頻譜密度的比值  

CPICH_Tx_Power:CPICH頻道的發射功率(mW)  

PtxTotal:在基地台所量測到的載波功率,基地台會將此參數回傳給RNC  

α:下傳頻道的正交因數(orthogonality factor)  

下傳共同頻道的功率控制  

下傳共同頻道(DL common channels)包含P-CPICH、P-CCPCH、S-CCPCH、P-SCH、S-SCH、PICH及AICH頻道,基本上並沒有任何功率控制的機制加在這些頻道上面;亦即下傳方向的共同頻道是以一固定的功率將訊號廣播到細胞的涵蓋範圍內。下傳共同頻道的功率設定對整個下傳容量及性能來說是非常重要的,各個頻道的功率設定會以P-CPICH為基準點利用相對於C-CPICH的功率差的參數來調整各個頻道的功率設定。各個頻道和P-CPICH之間的功率差是由網路設備商來設定,在3GPP的規格中並未定義此參數,其中P-CPICH、P-SCH、S-SCH及P-CCPCH頻道的功率是細胞定義的RNP參數,這些頻道的功率設定會直接影響到細胞的涵蓋範圍(cell coverage)。  

粗略估計發射功率  

對於W-CDMA FDD的系統,由於上傳和下傳頻道的間隔較大,所以在上傳和下傳方向所遭受到的快速衰落的情況是完全不同的。開迴路功率控制的目的是提供初始發射功率的粗略估計。它主要是根據量測結果對路徑損耗和干擾準位進行估計,從而計算出所需的發射功率。  

開迴路功率控制並不能解決無線傳播所可能引起的快速衰落的問題,要解決這個問題的方法就是引入快速閉迴路功率控制的機制。有關快速閉迴路功率控制的部份將於下一期中在幫讀者介紹。  

(本文作者任職於仁寶電腦)  

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