W-CDMA系統功率控制專欄：解說外環功率控制 介紹原理、應用及衍生問題

相信在經過這幾期的介紹之後，大家對整個W-CDMA系統的功率控制已有較為清楚的認識。  

W-CDMA的功率控制可以分為開迴路功率控制(Open Loop Power Control)和閉迴路功率控制(Close Loop Power)這兩大部份。閉迴路功率控制是由內環及外環功率控制所組成，內環功率控制因其更新的速率高達每秒1500次(1500Hz)，所以又稱為快速閉迴路功率控制(Fast Close Loop PC)。  

外環功率控制原理  

外環功率控制(Outer Loop Power Control)的目的在對手機及基地台設定一個SIR的目標值(SIR_target)，並利用這個目標值來得到所需的通訊品質(BLER或BER)。BER/BLER的值會和鏈路所傳送的服務有關，例如在傳送即時的語音資料時，BLER的值會小於0.2%，若為高速的封包資料時，最大可容許的BLER值可以到10%。當手機的移動速度變更或是無線通道的品質改變時，RNC會利用外環功率控制的機制來動態調整基地台或是手機的SIR目標值。圖1為外環功率控制和內環功率控制的示意圖。  

讀者或許會有疑問，已經有內環功率控制的機制，為何還需要一個外環功率控制的機制呢？我們將利用表1所示的模擬結果來說明外環功率控制的重要性。表1的模擬環境是利用AMR的語音編解碼器(codec)中的12.2kbps編碼速率，且FER的值設為1%。在此模擬中另外引入了3個不同的多重路徑傳輸的數據：靜態的通道且具有直線傳播(Line-Of-Sight，LOS)的成分、ITU步行的通道環境A且具有衰落的形式(Fading ITU Pedestrian A Channel)、具有3條路徑，且在每條路徑上具有相同的功率(3-Path Equal Powers)。  

在表1中最大的Eb/No值為7.1dB，最小的Eb/No值為5.3dB，兩者的差為1.8dB。若我們將SIRtarget值設為7.3dB，代表著在任何的通道環境下都可以滿足QoS的要求。高的SIRtarget值代表著高的傳輸功率，亦即高的干擾準位，因而造成系統容量的降低。反之，若我們將SIRtarget值設為5.3dB，雖然可以降低干擾準位並提高系統容量，但是在較嚴苛的通道環境中會無法達到QoS的要求。直覺上我們可以利用適應性的調整方式(Adaptive Adjustment)，依照不同的QoS需求來調校SIRtarget的值。即便是在相同的QoS的要求下，當手機的移動速度變更或通道的環境改變時，SIRtarget值仍然需要改變。  

一般外環率控制的更新率介於10到100Hz之間，利用這樣的更新頻率便可以有效克服各種不同的通道環境，滿足不同的QoS的需求。一個WCDMA訊框的長度為10ms，因此外環功率控制的更新速度並不會高過訊框的長度。  

上傳方向的外環功率控制  

上傳方向外環功率控制(Outer Loop Power Control in UL)的主要目的在於將SIR值維持在一個穩定的期望值附近(SIR_target)，穩定的SIR同時也意味著固定的BLER值。每一個DCH頻道的服務品質(QoS)是由載荷服務(Bearer Service)的品質需求所設定；當手機的移動速率變更或通道的環境改變時，SIR_target值也必須跟著改變，使得QoS不會受到影響。圖2說明了上傳方向外環功率控制的示意圖。  

從圖2中可以發現對上傳鏈路品質的估測是在RNC內部計算，因Rake接收機及Soft Handover的特性，最終的SIR值會是各個多重路徑的SIR的加總，此一行為在WCDMA系統上被稱為訊號路徑的巨集加總(Macro Diversity Combination，MDC)。利用MDC所得到的Eb/No值的降低稱為MDC增益(MDC gain)。  

利用MDC所計算出來的參數(可以是不同的組態不一定是SIR，參數的組態是由網路設備商來決定)可以用來決定SIR的目標值，在得到新的目標值後，RNC會將此值回傳給相關的基地台。基地台在獲得新的SIR目標值之後，便會利用新的SIR目標值來執行上傳內環功率控制。  

在RNC內部對鏈路品質的估測可以使用各種不同的參數，一般較常用來衡量接收鏈路品質的參數為接收資料的CRC(Cyclic Redundancy Check)。另外也可以利用下面的參數來衡量鏈路的品質：  

1. 接收訊號的Eb/No：Eb/No定義為每位元能量對雜訊功率頻譜密度的比值。(1)式為上傳方向Eb/No的定義：  

(詳細請見新通訊52期6月號)  

其中，  

‧Prx：接收到的功率  

‧R：使用者的位元率  

‧I：接收到的干擾功率  

‧W：頻寬  

2. 在頻道解碼器(channel decoder)之前的BER  

3. 在Viterbi解碼器(Viterbi decoder)之後的FER(convolution coding)  

4. 在Turbo解碼器(Turbo decoder)之後的FER(Turbo coding)  

除了在某些高品質服務的需求下，一般來說利用CRC這個參數來調整SIR的目標值是目前公認較簡單且較可靠的一種方法。當CRC標示為OK時，則表示在一個訊框的範圍內沒有錯誤產生，此時SIR目標值會利用一個減量值來調降，直到CRC被標示為ERROR時。若CRC被標示為ERROR時，則SIR目標值會利用一個增量值來調升。圖3為利用CRC來調校SIR目標值的流程圖。利用圖3所得到的演算法如下：  

其中，  

(詳細請見新通訊52期6月號)  

‧Eb/No_target(n)：在第n個frame的Eb/No的目標值  

‧FER_target：對特定通話的FER的目標值(會和所傳送的資料有關)  

‧step_size：刻度(一般約為0.3～0.5dB)  

圖4為利用CRC所做的SIR目標值的動態調整。  

我們將利用圖5來說明上傳方向外環功率控制的演算法。新的SIR目標值是根據實體#1的SIR值和網路的組態參數(Configuration Parameters)經過計算之後所得到的。其中，網路的組態參數包含來自允諾控制(Admission Control，AC)的參數(例如：初始/最大/最小的SIR目標值)。另外，一些可能的限制條件也必須列入考量(例如過負載的限制等)，而這限制條件是來自負載控制(Load Control，LC)。  

下傳方向的外環功率控制  

直覺上下傳方向的外環功率控制可以區分為兩種不同的操作模式：手機主導(Mobile-based)和網路主導的(Network-based)模式。在下傳方向調整SIR目標值最快且最簡單的方式就是將外環功率控制的機制配置在手機內，此種方式即為手機主導的外環功率控制。另一種方式為手機將品質量測的結果主動回報給網路，網路依據量測的結果命令手機調整其SIR目標值以做為內環功率控制的參考基準，此種方式即為網路主導的外環功率控制。網路主導的外環功率控制不僅會造成手機和RNC間的訓令流量的增加之外，也會產生時間的延遲。因此手機主導的外環功率控制便使用在W-CDMA的下傳方向。  

下傳方向的外環功率控制是由手機對每一個CCTrCH頻道設定SIR的目標值，而這些CCTrCH頻道將會在下傳的快速閉迴路功率控制中，依照所設定的SIR目標值來調整基地台發射的功率。  

在RNC內的允諾控制器(AC)會設定DL Outer Loop Power Control的目標值，並利用RRC訊息將這些目標值傳送給手機。手機在利用內建的一個自主程式(Autonomous Function)將這些目標值(BLER)轉換成SIR目標值，最後再利用這個目標值來設定快速閉迴路功率控制的目標。利用此種架構網路仍可以有效控制下傳方向的鏈結，即便外環功率控制的演算是發生在手機端。  

內環功率控制在軟式交遞期間所衍生的問題  

快速功率控制在軟式交遞期間會衍生出兩個問題，這兩個問題並不存在於單一連結(Single Link Case)及較軟式交遞(Softer Handover)的期間。內環功率控制在較軟式交遞期間的行為會類似於在單一連結時的行為，而軟式交遞的行為則會和較軟式交遞的行為完全不同。下傳快速功率控制在軟式交遞期間會引起不同基地台的傳輸功率差異過大，而產生功率平漂(Power Drift)現象，另方面在上傳時則會有所謂的功率控制指令的可靠度偵測(Reliable Detection)問題產生。  

當手機移動到細胞涵蓋範圍的邊緣時，從相鄰兩個基地台所接收到的訊號品質基本上會很相近，只要相鄰細胞的基地台至手機之間的路徑損失小於一特定的臨界值時，這些基地台會被手機歸類為Active Set，此一臨界值稱為軟式交遞的邊界值(Soft Handover Margin)，一般的值約為3dB。並不是所有在active set裡面的基地台都會參與軟式交遞的工作，基本上參與軟式交遞的基地台數目是受限的；手機利用路徑損失的大小來決定哪些基地台可以參與軟式交遞。  

在軟式交遞期間，手機所發射的訊號可以被所有參與的基地台接收，在RNC時會利用最大比率合成(Maximum Ratio Combination，MRC)的方法產生較佳的SIR值。在下傳時要傳送至手機的訊號也可以利用參與的基地台來發射而達到所謂的訊號多集(Signal Diversity)的效果。  

下傳內環功率控制的演算法主要是依靠手機對下傳頻道的SIR值的估測，並利用此一估測值來和一目標值作比較以決定TPC指令的值。這個情形在單一連結時是很簡單的程序，而在軟式交遞期間因訊號是來自相關的基地台，因此SIR值將會是各個連結的SIR值的合成。圖6顯示在只有兩個基地台參與軟式交遞的情形下的SIR值的合成(SIR Combination)。  

為了簡化說明我們假設只有兩個基地台參與軟式交遞的程序，對這兩個基地台的功率調整量可以利用(2)式來簡化。其中，  

(詳細請見新通訊52期6月號)  

‧C1，C2：手機所接收到來自BTS1及BTS2的RSCP。RSCP(receive signal code power)是指手機所接收到的CPICH頻道的訊號功率(主要是做為路徑損失的估算)  

‧I1，I2：手機介於BTS1及BTS2之間的干擾準位(ISCP)  

‧：由外環功率控制所設定的SIR目標值  

‧γ：為了滿足SIR目標值所做的功率調整量(power adjustment)  

若不考量個別細胞的容量及負載的問題，則相同的功率調整量會加到這兩個參與軟式交遞的基地台上面，再者，由(2)式所得到的功率控制指令經過空中介面傳輸至個別的基地台有可能產生不一致的結果，例如手機發射power up的指令經過空中介面的傳輸之後，有可能在BTS1解算出相同的power up指令，但是BTS2卻解算出相反的指令而產生power down的指令。這兩種情形可能會造成這兩個基地台之間的功率位移過大，而產生功率平漂的問題及功率過載(overload)的現象(圖7)。基本上我們不喜歡有功率平漂的現象產生，因其會大幅降低軟式交遞期間的下傳頻道性能。  

基本上功率平漂的問題可利用在RNC設定一個功率控制的動態範圍(Power Control Dynamics)的限制，越小的動態範圍較不會產生功率平漂的現象，但是卻會降低功率控制的效果。RNC利用下述的步驟來克服功率平漂的問題：  

‧在一特定的時間內將所有參與軟式交遞的基地台的傳輸功率作平均，一般這個特定時間約為500ms或是750個功率控制指令。  

‧每個基地台會將此平均發射功率值傳至RNC，RNC利用這些值產生一個參考準位(reference level)並將此參考準位回傳給相關基地台。  

‧各個基地台利用Pbal(k)這個修正因數將傳輸功率修正至接近參考準位的值，這樣即可降低功率平漂的現象。  

而功率過載的問題可利用UTRAN的訓令參數Limited Power Increased Used來決定是否要對功率控制的調整量設定一上限，若Limited Power Increased Used被標示為Used，則會設定一個功率調整量的限制Power Raise Limit。  

目前有兩個研議中的演算法可以來克服上述的問題，在本文僅將這兩個方法概述於後而無詳細介紹。依據模擬的結果來看這兩個方法是優於目前由3GPP R99規格所採用的方法：  

‧可適性的功率控制調整刻度(Adaptive Power Control Step Size)：目前3GPP所使用的功率調整刻度值為一固定值，並利用一個位元的值來決定是增量或是減量，利用可適性功率調整刻度(Adaptive- Step PC，ASPC)法可以增加網路的容量。  

‧可適性的功率修正(Adaptive Power Correction to Different Links)：目前3GPP所使用的功率修正量對各個無線鏈路是相同的，利用可適性的功率修正量加在不同的無線鏈路上可以避免功率過載的問題及增加系統的容量。圖8顯示利用此一方法可以避免網路功率過載的問題。