功率控制的演算法必須考量到手機是處於哪一種狀態，以內環功率控制而言，手機可以區分為三種狀態：正常模式(Normal Mode)、軟式交遞模式(Soft-handover Mode)和壓縮模式(Compressed Mode)，在壓縮模式下...
功率控制的演算法必須考量到手機是處於哪一種狀態，以內環功率控制而言，手機可以區分為三種狀態：正常模式(Normal Mode)、軟式交遞模式(Soft-handover Mode)和壓縮模式(Compressed Mode)，在壓縮模式下，功率控制的機制和前兩種模式略為不同。上一期已針對前兩種模式作過介紹，因此本文特別探討在壓縮模式期間功率控制的程序。
內環功率控制主要是針對上傳/下傳方向的DPCCH/DPCCH頻道，除了DPCH頻道外，本文也將就其它實體頻道的功率控制作簡短介紹。
在進行不同頻率和不同系統間(UMTS/GSM)的交遞時，手機必須量測不同頻段的訊號，這代表著手機接收機本地震盪器(Local Oscillator，LO)的頻率必須切換至新的頻段。要對不同頻段的訊號進行量測，且同時要保持既有的無線連結可以利用兩種做法來實現，第一種方法為利用雙接收機的架構，第二種方法則是使用所謂的壓縮模式來實現。雙接收機的架構是最直接的一種方式，它的好處在於不需要複雜的通訊協定，並且可以維持較為穩定的無線連結；壞處則是硬體的複雜度和成本會大幅增加。壓縮模式的好處在於不須要更改手機的硬體架構，壞處則是需要用到比較複雜的通訊協定。
所謂的壓縮模式就是手機對於訊號的接收和傳送在特定的時間週期內會暫停，在這段時間內頻率會切換到想要量測的頻段，在量測結束之後又將頻率切回既有的頻段上面。由於切換的時間並不長，因此既有頻段的無線連結依然可以維持。在壓縮模式下密集的頻率切換，這會對手機的鎖相迴路(Phase Locked Loop，PLL)及綜頻器(Synthesizer)的設計形成嚴酷的考驗。圖1顯示利用壓縮模式來進行不同系統間的交遞量測。
壓縮模式主要是將目前的傳輸連結中斷，並利用中斷期間來改變頻率進行不同頻或不同系統的量測。依照手機的裝置及量測到的頻率，壓縮模式可以啟動在下列三種狀態之下：上傳方向、下傳方向，以及上/下傳兩個方向。
傳輸/接收中斷的期間被稱為傳輸間隙(Transmission Gap，TG)，TG的長度可以從3到14個時槽，TG的分佈是由兩個傳輸間隙型態(Transmission Gap Pattern，TGP)所定義，TGP會在某些時間內持續的重複，這兩個重複的TGP被稱為傳輸間隙型態的序列(Transmission Gap Pattern Sequence，TGPS)。
壓縮模式會終止於TGPS的結束，在結束壓縮模式之後，手機會將頻率切換至之前的載波上面。
在壓縮模式期間資料的傳輸不會遺失掉，為了獲得傳輸間隙勢必要壓縮資料傳輸的時間。目前，共有三種方式可以用來產生TGs：
‧將展頻因數降為1/2：例如原始的SF為16，在壓縮模式期間將其降為8。
‧利用消去法(Punc-turing)將冗餘的資料位元消去(速率匹配)。
‧上層的排程(High Layer Scheduling)。
消去法(Puncturing)無法使用在上傳方向，而且只能產生很少的TGs，而排程法(Scheduling)無法適用於即時的服務(Real-Time Service，RTS)，因此，將展頻因數降低的方法廣泛地應用於壓縮模式中。在壓縮訊框(Compressed Frames)期間，原來的展頻因數會降為1/2，展頻因數的降低會導致傳輸功率增加，進而對通訊系統產生下列影響：
‧無線鏈結：因為傳輸時間的減少導致資料並未受到較好的保護，功率控制迴圈(Power Control Loop)會被中斷，且通道估測(Channel Estimation)的機制會被停止。
‧系統性能：在壓縮訊框期間會造成傳輸功率的增加，導致系統容量的降低。
‧細胞涵蓋(Cell Coverage)：在壓縮訊框期間的功率增加導致上傳方向的細胞涵蓋減少。
圖2顯示壓縮模式的示意圖，從圖中可以看出在訊框壓縮期間所需的傳送功率會大於一般的訊框所需的功率，這會增加網路的干擾準位而造成網路容量的降低。在壓縮訊框裡面無法使用功率控制的機制，因此會設定較高的Eb/No值而造成網路容量的降低。
在壓縮訊框(Compressed Frames)中，傳輸間隙的長度(Transmission Gap Length，TGL)是定義為Nfirst到Nlast間的時槽；在TGL期間所有資料的傳輸將被關閉。此外，在壓縮訊框期間瞬時的發射功率會增加來確保收訊的品質(BER、FER)，功率增加的主要原因是用來補償所減少的處理增益(Processing Gain)。上層的通訊協定會決定在壓縮模式中所需要的壓縮訊框數目。壓縮訊框可設為週期性的產生或是有需求時才產生。
圖3顯示在上傳方向壓縮訊框的結構，圖4則顯示在下傳方向壓縮訊框的結構，從圖4中可以看出下傳方向的壓縮訊框具有兩種不同的形式：訊框結構形式A(Frame Structure Type A)和訊框結構形式B(Frame Structure Type B)。這兩種不同類型的壓縮訊框最主要的差別在於TPC位元的位置，Type A的訊框結構可以用來提供最大的傳輸間隙，而Type B的訊框可以提供較佳的功率控制。
當UE要進入壓縮模式時，UTRAN會利用上層的訊令來告知UE所要使用的傳輸間隙形式的序列(Transmission Gap Pattern Sequence)。傳輸間隙形式的序列是由網路通訊協定的上層所決定並利用訊令的方式來告知UE。圖5顯示一個以交錯方式排列的傳輸間隙的序列。
茲將有關圖4所示的一些參數詳述如下：
‧TGSN(Transmission Gap Slot start Num-ber)：在TG形式(TG pattern)的第一個訊框中的第一個傳輸間隙時槽的時槽號碼(Slot Number)。
‧TGL1(Transmission Gap Length 1)：在TG形式中的第一個傳輸間隙的長度，一般是以時槽為單位來表示。
‧TGL2(Transmission Gap Length 2)：在TG形式中的第二個傳輸間隙的長度，一般是以時槽為單位來表示。若此參數沒有指定的話，則TGL1=TGL2。
‧TGD(Transmission Gap start Distance)：介於第一個傳輸間隙和第二個傳輸間隙的第一個時槽的長度。
‧TGPL1(Transmission Gap Pattern Length 1)：TG形式1的長度，以時槽為單位。
‧TGPL2(Transmission Gap Pattern Length 2)：TG形式2的長度，以時槽為單位。
‧TGPRC(Transmission Gap Pattern Repetition Count)：在TG形式序列中的TG形式的數目。
‧TGCFN(Transmission Gap Connection Frame Number)：在TG形式序列中的第一個形式1的第一個訊框的連結訊框號碼(Connection Frame Number)。
在壓縮模式下，UE的操作模式和正常模式是相同的，亦即TPC指令的產生是基於接收到的SIR值。在壓縮模式期間，中間的幾個時槽可能會停止傳送TPC指令，因此在壓縮模式下功率控制的目的是經過一個傳輸間隙後，能夠儘快地將SIR調整至目標值。
在壓縮模式下，壓縮訊框可能會在上傳、下傳方向或上/下傳方向產生，在壓縮訊框的傳輸間隙期間，下傳DPDCH/DPCCH頻道的傳輸會被終止。DPCCH/DPDCH頻道的傳輸功率在傳輸間隔後的第一個時槽所使用的發射功率，與傳輸間隔前的最後一個時槽的發射功率相同。在壓縮模式期間的每一個時槽中(傳輸間隙除外)，UTRAN將根據公式(1)估算出第k個TPC指令，並將目前的下傳功率P(k-1)調整至新的功率準位P(k)：
(詳細請見新通訊51期5月號)
其中，
‧PTPC(k)：依據內環功率控制所得到的第k次功率調整量
‧PSIR(k)：依據下傳方向的目標SIR值的變化值所得到的第k次功率調整量
‧Pbal(k)：依據下傳功率控制過程使無線鏈路的功率平衡至一個共同的參考功率的修正量
在上傳壓縮模式中，由於在壓縮期間並未傳送上傳的TPC指令，因此公式(1)中的PTPC(k)將被Node B設為0。當上傳的傳輸間隙結束後，必須重新恢復上下傳的DPDCH/DPCCH頻道的傳輸。這段時間稱為恢復期，參數RPL(recovery period length)代表了恢復期的長度，將其值換算成時槽的數目。
在恢復期的時槽中的功率控制調整刻度為△STEP：
(詳細請見新通訊51期5月號)
其中，
‧△RP-TPC：恢復期功率控制的刻度，△RP-TPC取3dB和2△TPC間的較小值。
在壓縮模式中，在中間的幾個時槽內會停止傳送TPC指令，因此在壓縮模式下的功率控制的目的是在經過一段時間間隔之後儘可能回復SIR值，並使其朝向目標的SIR值靠近。圖6顯示在下傳壓縮模式下的上傳功率控制示意圖。
在下傳壓縮模式中，由於壓縮期間沒有傳送下傳的TPC指令，因此在此段時間就沒有使用功率控制；上傳DPCCH/DPDCH頻道的發射功率在此段時間會保持固定。
當壓縮模式同時發生在上傳方向和下傳方向時，上傳DPCCH/DPDCH頻道的傳輸在此段時間內會停止。當壓縮模式結束時，必須重新回復上傳DPCCH/DPDCH頻道的傳輸；在傳輸間隙之後的初始的DPDCH/DPCCH頻道的發射功率是由外環功率控制演算法來決定。在每一個傳輸間隙之後，會有4種可能的功率控制演算法產生。功率控制模式(Power Control Mode，PCM)是固定的，並且會和下傳壓縮模式的參數一起傳送給手機。
表1摘要整理了在不同的PCM下的功率控制演算法。在PCM為0時，功率調整的刻度並未改變，功率控制的演算法並未改變(和內環功率控制演算法相同)。在PCM為1和2時，在每一個傳輸間隙之後的RPL期間仍採用一般的功率控制演算法，唯一差異在於功率調整的刻度。參數RPL(Recovery Period Length)代表了回復期的長度，取其值為時槽的數目。△RP-TPC被稱為回複的功率控制功率調整刻度(Recovery Power Control Step Size)，其單位為dB。△RP-TPC的值為：
(詳細請見新通訊51期5月號)
在PCM為4時，會採用適應性的功率控制演算法，此演算法目前還未定案，但是會從下列兩個提案中選擇一種：1.當目前所收到的TPC指令和之前所收到的TPC指令相反時，採用一般的功率控制演算法，且功率調整刻度為△RP-TPC。當目前所收到的TPC指令和之前所收到的TPC指令相同時，採用一般的功率控制演算法，且功率調整刻度為△TPC。2.在傳輸間隙之後的第一個時槽，採用一般的功率控制演算法且功率調整刻度為△RP-TPC。在之後的時槽，若目前所收到的TPC指令和之前所收到的TPC指令相同時，採用一般的功率控制演算法，且功率調整刻度為△TPC。反之，採用一般的功率控制演算法，且功率調整刻度為△RP-TPC。在回複期之後，恢復成一般的功率控制演算法，且其功率調整刻度固定為△TPC。
W-CDMA系統提供三種不同類型的頻道：實體頻道(Physical Channels)、傳輸頻道(Transport Channels)和邏輯頻道(Logical Channels)(圖7)。實際在空中介面傳輸的頻道為實體頻道(圖8)，主要是用來攜帶上層訊令(Signaling)、控制資訊及使用者資料。
實體頻道依其傳輸方向可以分為上傳實體頻道及下傳實體頻道，上傳方向是指從手機(UE)到基地台(Node B)的傳輸方向，下傳方向則是從基地台至手機的傳輸方向。實體頻道若依其屬性則可以分類為專用頻道及共用頻道，專用頻道主要是負責攜帶資料給特定的使用者，共用頻道主要是攜帶系統有關的資訊給所有的使用者。
UTRAN利用上層的訓令(Upper Layer Signaling)告知手機有關AICH頻道和P-CPICH頻道的功率位移(Power Offset)，其單位為dB。UTRAN在每一次傳輸取得指示(Acquisition Indicator)時會更新一次AICH頻道的功率。
UTRAN利用上層的訓令告知手機有關PICH頻道和P-CPICH頻道的功率位移，其單位為dB。UTRAN在每次傳輸呼叫指示時會更新一次PICH頻道功率。
UTRAN利用上層的訓令告知手機有關CSICH頻道和P-CPICH頻道的功率位移，其單位為dB。UTRAN在每一次傳輸狀態指示(Status Indicator)時會更新一次CSICH頻道的功率。
PCCPCH和SCCPCH頻道是不進行功率控制。PCCPCH頻道的發射功率是緩慢改變的(Slow Power Control)，亦即在連續的幾個訊框的時間內PCCPCH頻道的發射功率都是固定的，它的發射功率是由網路端來決定並利用BCH頻道來廣播。SCCPCH頻道的發射功率也是由網路端來決定，是可變的。
PDSCH頻道可以使用如下的功率控制機制：1.基於UE在上傳DPCCH頻道所傳送的TPC指令進行內部迴圈功率控制。2.慢速功率控制。
上傳功率控制機制同時控制PCPCH頻道的控制部份(Control Part)和資料部份(Message Part)的傳輸功率。PCPCH頻道控制部份和資料部份間的功率位移是利用增益因數(Gain Factor)來表示，此參數會由UTRAN透過上層的訓令告知手機。
其中，
‧βc為PCPCH頻道控制部份的增益因數(類似於DPCCH頻道的例子)
‧βd為PCPCH頻道資料部份的增益因數(類似於DPDCH頻道的例子)
內環功率控制會同時調整PCPCH頻道的控制部份和資料部份，其調整量是相同的。網路會估算出所接收到的PCPCH頻道的SIR值(SIRest)，若SIRest＜SIRtarget，TPC指令會被設為1，若SIRest＞SIRtarget，TPC指令會被設為0。當手機解出TPC指令(TPC_cmd)之後會利用(4)式來調整發射的功率。SIRtarget的值是藉由外環功率控制所推算出來的。
(詳細請見新通訊51期5月號)
其中，
‧△PCPCH-CP：PCPCH頻道控制部份的傳輸功率和前一個時槽的傳輸功率的差值(單位為dB)
‧△TPC：功率調整量的刻度
本文主要是介紹在壓縮模式下內環功率控制的演算法。事實上，3GPP針對UTRAN和手機在壓縮模式期間的功率控制的行為，只定義了上傳方向的演算法，至於下傳方向的演算法，3GPP並未有明確的定義，因此在下傳方向的功率控制演算法主要是由各個網路設備供應商自行定義。
在下一期雜誌中將為各位讀者介紹有關外環功率控制的原理及其相關的演算法，另外也會探討因功率控制所衍生的一些問題。