上一期的內容主要是介紹應用在W-CDMA系統的開迴路功率控制機制，由於開迴路功率控制並不能解決無線傳播所引起的問題，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...
上一期的內容主要是介紹應用在W-CDMA系統的開迴路功率控制機制，由於開迴路功率控制並不能解決無線傳播所引起的問題，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。
而快速閉迴路功率控制是由內環功率控制(inner loop power control)及外環功率控制(outer loop power control)所組成，本期將針對內環功率控制作介紹。
在3GPP的規格內將快速閉迴路功率控制(fast loop power control)稱為內環功率控制(inner loop power control)。在WCDMA的上傳及下傳方向的頻道皆支援更新率(update rate)為1.5kHz的快速閉迴路功率控制，而cdma2000系統也同樣具有類似的快速功率控制的機制，但其更新率為800Hz。
功率控制的基礎在於無線電鏈路(radio link)品質的量測，而無線電鏈路的品質主要是利用位元錯誤率(Bit Error Rate，BER)或區塊錯誤率(BLock Error Rate，BLER)來衡量，越低的BER或BLER代表著越佳的鏈路品質(link quality)。一般而言合理的BLER值約在0.1%(語音服務)到10%(非即時的封包資料服務)之間，而BLER的值會和所需求的服務品質(quality of service，QoS)有關。在傳輸語音時會要求較低的BLER值，而在傳輸非即時的高速資料時則可以允許較高的BLER值。
快速閉迴路功率控制(圖1)是由內環功率控制及外環功率控制所組成。實際去調整手機/基地台發射機的發射功率是利用內環功率控制的機制來完成，外環功率控制(outer loop power control)的機制是負責對內環功率控制的SIR目標值(SIR target value)作動態調校。在WCDMA系統有兩個獨立的功率控制迴圈分別來調校手機發射機及基地台發射機的發射功率，此一迴圈即是上傳及下傳的內環功率控制，基本上這兩個獨立迴圈是非常類似的。
上傳內環功率控制主要是調整手機的發射功率，讓基地台所接收到的訊號皆能滿足一特定的訊噪比(SIR value，SIRtarget)，此SIRtarget值是由上傳外環功率控制的機制所設定。
基地台接收機對上傳頻道的SIR量測是利用DPCCH頻道，而不是DPDCH頻道，這主要是因為對SIR的同相量測(coherent measurement)需要量測所接收到的訊號碼的功率(Received Signal Code Power，RSCP)及干擾訊號碼的功率(Interfering Signal Code Power，ISCP)，而這樣的量測需要預先知道所接收的訊號為何，因此基地台接收機利用在DPCCH頻道內已知的導引訊號(known pilot)來得到RSCP而計算出SIR值(SIRest)。若要對DPDCH執行同相的SIR量測需要將已經解碼的訊號回授至手機來計算出RSCP之後在回報給基地台，這樣的程序對手機而言顯得太複雜而且不可靠。(1)式為基地台對DPCCH頻道內的導引訊號的SIR估測值的量測公式。
(詳細請見新通訊50期4月號第127頁)
其中，
‧SIRest：estimated SIR value by the known pilots inside DPCCH channel
‧RSCR：received power of DPCCH channel in question
‧ISCR：received total power(=interference) of the uplink quadrature channel
‧SF：spreading factor of DPCCH(=256)
在一般模式下，基地台所傳送的功率控制指令的程序如下：
‧if SIRest＞SIRtarget TPC command→0(power down)
‧SIRest＜SIRtarget TPC command→1(power up)
基地台在每一個時槽(slot)會配置一個或多個TPC指令(TPC command)，手機一解出時槽裡面的所有TPC指令之後，會產生單一TPC指令(TPC_cmd)，並利用此一指令來實際調整手機發射機的發射功率(圖2)。一個WCDMA無線訊框(radio frame)的長度為10ms，而一個無線訊框是由15個時槽所構成，因此內環功率控制的更新率為1500Hz，所以又被稱為快速閉迴路功率控制。
在一般模式下手機處理由基地台所傳送的功率控制指令程序如下：
(詳細請見新通訊50期4月號第128頁)
其中，
‧ΔDPCCH：上傳DPCCH頻道發射功率的調整量(dB)
‧ΔTPC：功率調整量的刻度(dB)
在上傳內環功率控制的模式下手機支援兩個不同的演算法：演算法1(algorithm 1)、演算法2(algorithm 2)。手機利用這兩個演算法之中的一種及基地台所傳送的功率控制指令，在每一個時槽的期間內會產生單一的功率控制指令(TPC_cmd)，並利用此一指令和(2)式計算出所需的功率調整量(power adjustment amount)，之後再利用所得到的dB值來驅使手機發射機調升或調降所要求的功率。
演算法1及演算法2的選定是由UTRAN利用手機上層的訓令參數「Power Control Algorithm」來控制，假如「PowerControlAlgorithm」指定演算法1，則手機實體層的參數PCA會被設為1，反之則會被設為2。
發射功率調整量的刻度單位也是由UTRAN來控制，UTRAN利用手機上層的訓令參數「TPC-StepSize」來控制實體層的參數ΔTPC。假如「TPC-StpeSize」的內容設為dB1則ΔTPC為1dB，若TPC-StepSize的內容設為dB2則ΔTPC為2dB。TPC-StepSize的內容只能用在algorithm 1上，當使用algorithm2時ΔTPC固定為1dB。
功率控制的演算法必須考量到手機是處於哪一種狀態，以功率控制而言，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)。基本上在壓縮模式下，功率控制的機制和前兩種模式略為不同，因此本文特別將壓縮模式下功率控制的機制單獨探討，並會刊登在下一期的雜誌中。
圖3顯示手機上傳內環功率控制的流程圖。底下將分別介紹algorithm 1和algorithm 2，以及如何利用這兩個演算法來產生單一的TPC_cmd指令。
演算法1
功率控制的演算法必須考量到手機是處於哪一種狀態，我們將以Case 1來代表手機是在正常模式，Case 2來代表手機是處於軟式交遞的期間。
Case 1─在每一個時槽只有一個TPC指令，亦即手機不是處於軟式交遞(soft-handover)的期間，手機會利用下面的判斷式來產生TPC_cmd：
‧if TPC command is set to 0→TPC_cmd=-1
‧if TPC command is set to 1-->TPC_cmd=1
圖4所示為上傳內環功率控制演算法1的示意圖，其中TPC_stepsize是屬於上層的訊令參數。
Case 2─所有在主動組(active set)裡面的基地台會獨立的對手機傳送上傳功率控制的指令，因此在每一個slot裡面可能存在許多個TPC指令，若其中的某些TPC指令是來自相同的無線電鏈路的集合(radio link set)，則手機會將這些相同的TPC指令合而為一，並與其它來自不同無線電鏈路集合的TPC指令結合成單一的TPC_cmd。最終的TPC_cmd指令(1或-1)會經由(3)式來產生。
(詳細請見新通訊50期4月號第129頁)
其中，
‧TPCN：第N個功率控制的指令
‧WN：第N個功率控制指令的軟式解碼(soft decision)，代表著對TPCN的可靠度估測。
在soft-handover期間，相同的資料可以透過不同基地台的傳輸路徑來傳輸給單一手機，以達到巨多集(macro diversity)的效果。由於每個基地台皆具有獨立的功率控制指令，因此功率控制指令無法像資料一樣可以利用最大比率合成(maximum ration combination，MRC)的方法來達到較佳的訊號品質。在手機端所接收到的功率控制指令的訊號品質會受到很多因素的影響，所以手機會對所接收到的功率控制指令設定一個動態的臨界值(threshold)，來判定所收到的功率控制的指令究竟是1或是0，此一程序稱為符碼的軟式解碼(symbol soft decision)。由於是透過軟式解碼的機制來決定功率控制的指令(TPCN)，因此必須對此一決定作可靠度的估測，若接收機所解出的指令落在臨界值附近，則其相對應的可靠度較差，若離臨界值很遠則具有較高的可靠度(confidence level)。
以省電的觀點來看只要有一個基地台能夠正確的接收到手機的上傳訊號，則手機的傳輸功率便可維持在相對較低的值，因此在(3)式中只要有任何一個TPCN為0，且其相對應的WN具有相當高的可靠度估測值，則(3)式的輸出值為-1(power down)。若所有的TPCi皆為1且其相對應的Wi皆具有相當高的可靠度，則(6、7)式的輸出值為+1(power up)。若TPCi出現0與1的機率相等，且其分佈情形是隨機且不相關的(uncorrelated)，且相對應的Wi的可靠度估測值不高的情形下，(3)式的輸出值會是和N有關的機率分佈，(4)式表示在此情況下(3)式的輸出值為1和0的條件機率分佈。
(詳細請見新通訊50期4月號第130頁)
當手機是在較軟式交遞(softer handover)的期間，手機只會計算來自兩個或多個扇區(sector)的功率控制指令中的一個。圖5顯示上傳內環功率控制在軟式交遞期間的架構圖，此架構亦適用於較軟式交遞。
利用演算法2可產生傳輸功率調整刻度小於1dB的刻度值(step size)，並具有將上傳的功率控制停止的功能。我們利用Case 1代表手機是在正常模式，Case 2代表手機是處於軟式交遞的期間。
Case 1─每一個slot只存在一個TPC指令，亦即手機不是處於軟式交遞的期間，手機會以5個slot為一單位來產生5個連續的TPC_cmd，並利用下面判斷式來產生TPC_cmd：
‧TPC_cmd(i)=0 for i=1…4
‧TPC_cmd(5)=1，if all TPCi(i=1…5) hard decision are all 1
‧TPC_cmd(5)=-1，if all TPCi(i=1…5) hard decision are all 0
‧Otherwise，TPC_cmd(5)=0
Case1的演算法及最終的TPC_cmd的輸出值顯示在圖6。
Case 2─所有在active set裡面的基地台會獨立的對手機傳送上傳功率控制指令，因此在每一個slot裡面可能存在許多個TPC指令，若其中的某些TPC指令是來自相同的無線電鏈路的集合(radio link set)，則手機會將相同的TPC指令合而為一，並與其他不同無線電鏈路集合的TPC指令結合成單一的TPC_cmd，最終的TPC_cmd指令會是1、-1或0。手機會以5個slot為一單位來產生5個連續的TPC_cmd，並利用(5)式來產生5個連續的TPC_cmd：TPC_cmd(n)=0 for n=1…4
(詳細請見新通訊50期4月號第130頁)
Case2的演算法流程及最終的TPC_cmd的輸出值顯示在圖7。
下傳功率控制會同時調整DPDCH及DPCCH頻道的傳輸功率，且其功率的調整量(power adjustment amount)會相同，亦即介於DPDCH及DPCCH頻道間的功率位移(power offset)並未改變。圖8顯示DL DPCH頻道內不同資料域間的功率差，其中PO1、PO2、及PO3分別代表TFCI、TPC及Pilot和DPDCH頻道之間的功率位移。從圖中我們可以明顯看出PO2的值最大，這是因為用來攜帶TPC指令的位元並未經過任何的頻道編碼的保護，為了讓手機能夠正確的解出功率控制的指令，因此基地台會以最大的功率來發射TPC區的位元。
下傳內環功率控制會調整基地台的傳輸功率，使得在手機接收機所接收到的下傳頻道的SIR值能滿足SIR的目標值(SIRtarget)，手機主要是量測DL DPCH頻道中的導引訊號的SIR值(SIRest)。RNC利用上層的訓令(signaling)將下傳頻道的BLER目標值傳送給手機，手機利用此一已知的BLER值來計算出SIRtarget，此一機制即為下傳外環的功率控制。
一般而言SIRest主要是量測DPCCH頻道內的導引訊號所得到。另外一種方法則是可以利用CPICH頻道來計算出DPCCH頻道的SIRest，但這種方法的前提是UE必須知道DPCH頻道和CPICH頻道的功率差(power offset)。利用CPICH頻道的量測來計算SIRest具有下列的優點：
‧CPICH頻道在一個時槽的區間使用了10個符碼(symbols)；相反地在一個DPCH頻道的時槽內，導以訊號的符碼數目只有Npilot(2～32 bits)個符碼(圖9)。
‧利用CPICH頻道來量測SIRest值的方法，是非常類似於使用在3.5G的HSDPA系統頻道品質標示(channel quality indicator，CQI)的估測法。
‧CPICH和DPCH頻道SIR的關系如(6)式所示。
(詳細請見新通訊50期4月號第132頁)
其中，
‧SIRDPCHest：DPCH頻道的SIRest值
‧SIRCPICHest：CPICH頻道的SIRest值
‧EcD：DPCH頻道內每chip的能量
‧EcP：CPICH頻道內每chip的能量
‧SFD：DPCH頻道的展頻因數
‧SFP：CPICH頻道的展頻因數
手機會在DPDCH頻道的TPC區(TPC field of DPDCH)填入一個功率控制的指令(TPC command)。手機在產生TPC指令之前會先檢查DPC_mode(power control mode)這個參數的值，並利用下面的判斷式來產生TPC指令：
‧DPC_mode=0：手機會在每個slot傳送一個TPC指令
‧DPC_mode=1：手機會以3個slot為一單位，在同一單位的每個slot裡面的TPC指令是相同的
當UTRAN接收到由手機所傳送的功率控制指令時，便會依該指令調整DPCCH/DPDCH頻道的發射功率。DPC_mode為0時會以一個slot為單位來調整發射功率，若DPC_mode為1時，UTRAN以3個slot為單位來調整發射功率。(7)式為下傳內環功率控制演算法的一般式，UTRAN利用(6)式計算結果來調整下傳頻道的發射功率。
(公式7詳細請見新通訊50期4月號第132頁)
其中，
‧P(k)：下傳頻道第k個slot的發射功率(dBm)
‧PTPC(k)：UTRAN在計算第k個功率控制指令之後所得到的功率調整量(dB)
‧Pbal(k)：下傳功率控制程序的修正因數(correction factor)，主要的目的在平衡下傳無線電鏈路的功率，利用此一因數讓整個下傳無線電鏈路功率朝向一個共同的參考功率準位(common reference power)。
‧Pref：下傳的參考功率(DL reference power)，一般Pref的值會等於功率控制範圍的中間值。
‧γ：調整比率(adjustment ratio)，由UTRAN所設定的參數，它的範圍介於0到1之間。
在UTRAN裡面PTPC(k)是利用(8)式及(9)式計算得到，若UTRAN的訓令參數Limited Power Increased Used為「Not Used」，則UTRAN利用(8)式來計算PTPC(k)，反之若為「Used」則UTRAN利用(8)式來計算PTPC(k)。
(公式8、9，詳細請見新通訊50期4月號第133頁)
在(9)式中Δsum(k)為由DL_Power_ Averaging_ Window_Size (由UTRAN所定義)這個參數所定義的最後一個特定區間的功率控制調整量的加總，其意義為在一特定的slot數目下的總功率調整量，不得超過由UTRAN所設定的上限(Power_Raise_Limit的值)。
(公式10詳細請見新通訊50期4月號第133頁)
ΔTPC為每一個slot的功率調整量，在3GPP的規格定義了四個可能的刻度分別是0.5、1、1.5及2dB，其中1dB的刻度是最常用的且是必須的，其他三個刻度是可選擇的。
根據移動測試(drive test)的經驗顯示，當手機的移動速度小於30km/h時，1dB的功率控制刻度(power control step)即可達到良好的鏈路品質，若手機以中等速度行進時(30～80km/h)，功率控制的刻度設為2dB會有較佳的鏈路品質；但當手機以高於80km/h的時速前進時，上傳的功率控制的效果並不明顯。因此若在高速鐵路高速行進時，利用WCDMA的網路打電話或是傳送資料時，會有明顯偏高的錯誤率及斷話率產生。
表1顯示在三種不同的移動速度下，使用慢速功率控制和快速功率控制所得到的增益(power control gain)比較。從表1可以看出當手機移動的速度超過一個臨界值時，使用快速功率控制的機制並無法增加因功率控制所得到的增益。
閉迴路功率控制的主要目的在於將SIRest值盡可能的靠近SIRtarget值，而SIRtarget值是由外環功率控制(outer loop power control)的機制所設定；有關外環功率控制的部份將於下一期雜誌中向讀者介紹。