功率控制

功率控制也可稱為傳送功率控制(Transmit Power Control；TPC)，在CDMA行動電話網路設計中佔有很重要的地位。功率控制的主要功能是用來操縱、調整基地台和行動電話傳送功率的技術及演算法(Algorithm)；主要目的則在於降低共通道干擾(Co-Channel Interference)、維持語音品質、最大化蜂巢效能以及最小化行動電話的平均傳送功率。

功率控制演算法可監控語音品質狀態和接收功率等級。功率等級(Power Level)是由物理層面的向前和反向連接特徵所混合的函式。這些演算法也可將功率調整指令傳送到每個行動電話，其過程是透過向前運輸通道(Forward Traffic Channel)的功率控制副通道(Subchannel)傳送。它們也包含了連接層面操作，其觀念就像在存取通道上系統的訊息傳輸一般。

任何功率控制的演算法設計都必須透過多重模擬，才能成功達到最佳化(Optimization)，這方面可以透過MATLAB/ Simulink系統層級設計環境，有效地模擬整個通訊系統的物理和連接層面(Physical and Link Layer)系統。(圖一)

《圖一　基地台傳送到行動電話的向前連接圖》

IS-95A 的功率控制

行動電話網路包含許多的基地台(Base Station)和行動電話(Mobiles)。基地台在1.23MHZ的頻寬向前連接並將控制信號(Signal)和語音資料傳送到行動電話上。而行動電話則在分開的1.23MHZ頻寬反向連接並將控制信號和語音資料上傳至基地台。

在反向連接上傳的過程中需由功率控制來解決「Near-Far」的問題：所有的行動電話在相同的頻率、時間上傳送，即使使用不同的編碼，行動電話的信號也可能會受到其他訊號的干擾。在基地台裡，行動電話的接收信號品質與其他行動電話的干擾功率成反比。

當兩個行動電話以相同的功率與不同的距離將訊號傳送到基地台時，就會產生Near-Far的問題。由於不同的傳遞遺失，信號會以差異甚大的功率表現抵達基地台。靠近基地台的行動電話會有較高的信號接收功率，因此會大大地干擾較遠的行動電話信號，使其不易被偵測到。

在反向連接(Reverse Link)的功率控制上，必須面對擁有快速變化衰減特性的多路徑衰減通道(Multipath Fading Channel)，這在城市裡是很常見的。城市中的標準無線通道接收功率，常會依照特定的速率和多路徑特徵隨時間而產生戲劇化的變動。

為解決這個問題，功率控制演算法必須確保基地台對所有行動電話的接收功率層級(Power Level)要相等，我們可以透過控制傳送功率來達到這個要求。當它們的接收功率因遠離基地台而較低時，行動電話被指定要傳送較高的功率等級。反之，當它們的接收功率因離基地台較近而較高時，行動電話就會要求傳送較低的功率等級。

為了使用上述的方法來控制功率，演算法必須連續監控每個行動電話的接收功率，並連續調整它的傳送功率以達到先前定義的效能等級，例如框架錯誤率(Frame Error Rate；FER)。

《圖二　Num_Step達到時系統狀態》

傳統的設計程序

我們以一些新的產品(例如行動電話蜂巢設備)為例，通常傳統的設計程序在一開始就對整個系統建立高階的圖表(Diagram)和圖示(Schematic)。然後工程師會將問題分成幾個部分，包括可程式化數位信號處理(Programmable DSP)、數位ASIC、類比/混合信號ASIC和射頻(RF)等等，再將各部分的介面規格紀錄在紙上。

平台盲點

硬體和軟體工程團隊則分別在獨立的工作平台上操作低階結構與電路級的工具，像是組合語言、硬體描述語言(Hardware Description Language；HDL)產品以及PSpice工具等等。

像Pspice這一類低階的工具產品對於研發和模擬方面而言是很沒有效率的，因此工程師在原型化實現(Implement Prototype)前只能作有限的測試。

因為低階和電路級的工具不易整合，子元件(Subcomponent)之間無法一起被模擬，整個系統也就無法被共同測試。尤其在類比、數位或控制邏輯成分之間會產生無法預見的因素，隨時可能阻止整個系統達到標準規格。

《圖三　行動電話控制邏輯》

創新設計

創新的設計程序圖形化的MATLAB/ Simulink系統層級設計環境擁有模塊圖表(Block-Diagram)和狀態機器(State-Machine)的特色，工程師可利用它很快地規劃出一個系統層級結構，以完成整個系統的概念設計。常用的信號處理和通訊預設模塊(Block)可幫助設計者很快地建立一個高階設計。此時設計者可將整個設計分為數個部份，再交由團隊的成員分別完成。

MATLAB/ Simulink系統層級設計環境可讓工程團隊的全部成員在整合的工作平台上建立類比信號、數位信號、控制邏輯設計。藉此，設計者可以嘗試許多不同的解法來處理總體的最佳化。模塊圖讓設計者很準確地建立多個部分和繪出存在真實系統中的複雜時間關係共通點。

一旦各部分分別被設計與測試後，設計者就可將它們整合在一起並測試整個系統以建立一個有效的設計。只有在此同時團隊成員適合使用組合語言、HDL、Pspice來處理低階結構設計。MATLAB/ Simulink系統層級設計環境可被用來作為高階可執行的規格，這可和低階結構設計相比較。使用MATLAB/ Simulink系統層級設計環境，錯誤風險將大大地減低並可有效壓縮整個設計週期。

《圖四　示波器之功率顯示》

實際範例說明

為了更詳實地說明系統層級設計工具的好處，我們來討論IS-95A系統功率控制演算法的發展。下列實例說明使用圖形化模塊圖表和狀態圖表的MATLAB/ Simulink系統層級設計環境來設計、模擬IS-95A的功率控制演算法(實例中的設計平台為MATLAB/ Simulink產品家族)。

在設計和模擬這個演算法前，必須先了解行動電話和基地台在無線網路中的溝通方式。由IS-95A CDMA規格裡描述的通道結構可以獲得這項訊息。

從基地台傳送到行動電話的向前連接(Forward Link)佔了1.23MHZ的頻寬，且包含一些被唯一的正交Walsh碼(圖一)所分開的邏輯通道(Logical Channel)。基地台使用同步和呼叫通道將控制信號傳送到手機上，並利用向前運輸通道攜帶語音會話到每個行動電話上。

反向連接(Reverse Link)佔了1.23MHZ的頻寬且包含一些被唯一的假隨機雜訊(PN)碼所分開的邏輯通道。行動電話使用存取通道來將控制信號傳送到基地台，並使用反向運輸通道攜帶語音會話回傳到基地台。

反向連接的功率控制

反向連接功率控制管理行動電話中的存取通道和反向運輸通道上的傳送功率。反向連接無法使用正交的Walsh碼將行動電話信號分開；將信號分開的反而是PN碼或一個和其他不同且41-bit的長碼；在傳送前先將資料打亂。因此共通道的干擾相對於使用正交Walsh碼的向前連接是個大問題。此時更需要複雜的功率控制策略，包含開迴圈和閉迴圈的控制。

開迴圈功率控制

在開迴圈(Open-Loop)的功率控制中，行動電話的傳送功率是測量基地台的接收信號強度和估算向前連接路徑損失後決定的。假設在反向連接上有相同的路徑損失，行動電話則利用這些資訊來決定傳送功率。

行動電話的第一次信號傳送會在它的存取通道進行，當作呼叫通道上訊息的回應；又或者置放一個出發的呼叫。由於Near-Far的問題和同一個蜂巢內的干擾，行動電話一開始傳送低功率。它製造連續的嘗試(或探針)，每次逐漸地增加它的功率直到基地台偵測到並瞭解訊息。

行動電話的起始平均輸出功率(Initial Mean Output Power)是一個關於基地台的接收功率加上系統參數的函式。系統參數是一開始在呼叫通道上的起始存取參數。這些參數包含名義上的功率(Nom_Pwr)、起始功率(Init_Pwr)、存取探針間的功率增加步階(Pwr_Step)和一串所能容許存取的探針數(Num_Step)。

當設計者開始用這方法建立一個複雜系統，MATLAB/ Simulink系統層級設計環境可幫助他們以高階的方法且漸進地增加細節和準確度來完成這個設計。舉例來說，工程師可以開始設計一個不具有適當物理層面的連接層面協定，並在測試完協定後再加上這個物理層面。就如同工程師可以對於一個AWGN(Additive White Gaussian Noise)通道設計通道編碼操作(Channel Coding Operation)，然後再加上真實的衰減通道；或者也可以同時設計這些成分。在我們的範例裡頭，我們從功率控制演算法裡的控制邏輯開始而不理會通道。

(圖二)可說明一個描述控制邏輯的狀態機器，這控制邏輯在微控制器上可被軟體標準的編碼。(圖二)描述的圖形化狀態機器設計工具允許系統描述狀態、副狀態和造成變遷的事件。這可有效描述說明複雜演算法的概況。

比較系統狀態

MATLAB/ Simulink系統層級設計環境的動畫式模擬(Animated Simulation)特性可讓設計者從視覺介面上比較系統狀態(System State)和系統信號(System Signal)。(圖二)強調的是一個包含兩個副狀態(Substate)的系統狀態。箭頭是用來敘述狀態間的轉變，而箭頭上的標示則表示引起轉變的事件(Event)。

資料處理與轉變

資料處理可能被包含在狀態的主體內或者在轉變的標示之後。在(圖二)中，當行動電話首次進入到system_access狀態中的access_probe副狀態，將會有下列的效果：

◆用公式來設定傳送的功率

◆啟動傳輸器

◆開啟計時器

◆在Access_Probe副狀態中等待

如果行動電話的功率等級足以被基地台接收，基地台就會將確認通知傳送到呼叫通道。呼叫通道的這個訊息被稱為BS_Response事件，它觸發系統離開system_access超級狀態(Superstate)，取消在存取通道上的傳送，並移置下方的反向運輸通道控制狀態。

如果回應沒有被接收到，計時器所產生的Time_Out事件則會促使系統離開Access_Probe副狀態，變數Sum_Access_Probe_Correction增加Pwr_Step的大小，且計數器Num_Access_Probes增加1。此時系統再次進入Access_Probe狀態，而變數Sum_Access_Probe_Correction新的值被用來修正傳送功率。它重複這些動作直到基地台回應或者存取探針Num_Step數目超出最大容許值。

在圖二中，我們可以看到當Num_Step的門檻達到時(Num_Access_Probes ＞= Num_Step)，系統進入等待狀態。此時，可使用的傳送被取消，探針的功率改正和探針計數變數都重置，而且行動電話開始啟動計時器以等待由另一個系統變數所給定的隨機區間。

一旦行動電話開始在反向運輸通道上傳送並在向前運輸通道上接收，一個快速、閉迴圈的功率控制演算法就會被採用。此時，基地台測量行動電話的接收功率並下指令增加或減少它的傳送功率，使得反向運輸通道達到給定的FER。模範的最小品質等級是1%到2%的FER，且最多是連續3到4個框架錯誤。

閉迴圈功率控制

閉迴圈控制(Closed-Loop Control)包含了向前和反向的運輸通道，所以成功的演算法最佳化需要的是兩者物理層面 (Physical Layer) 的即時模擬。為了將物理層面導入到設計中，工程師必須使用函式庫(Libraries)，當中包含為了DSP和通訊應用所預設的模塊(Block)，以及有模塊圖表(Block-Diagram)的系統層級工具。

多餘資料核對之處理

(圖三)所示的反向運輸通道是由模塊堆所建立的，它們可以處理循環的多餘資料核對(Cyclic Redundancy Check；CRC)的產生、迴旋編碼(Convolutional Encoding)、符號重複與交錯(Symbol Repetition and Interleaving)、展頻(Spreading)、調變(Modulation)和濾波(Filtering)。模塊可以藉由不同的顏色來強調不同的取樣速率。

標示為藍色的區塊(例如交錯器和迴旋編碼器)都以50-Hz的框架速率執行，紅色的區塊則有較高的19.6-kHz符號速率。而黃色區塊在大於1的取樣速率下執行。大多數不同的取樣速率都可用這樣的方式去識別。在區塊埠(Block Port)旁邊的值代表信號寬度(Signal Width)。在這我們可以看到框架的大小是576個符號。

內外部迴圈

閉迴圈功率控制進一步可再分為內部(Inner Loop) 迴圈和外部迴圈(Outer Loop)。在外部迴圈中，基地台以一個目標FER和相對的信號對雜訊比開始啟動。接著基地台繼續測量FER並調整相對的門檻。

基地台演算法

向前和反向運輸通道被分割成許多20-ms的框架。每一個框架進一步被分割成16個1.25ms功率控制群組(Power Control Group；PCG)。在內部迴圈中，基地台測量行動電話每個PCG接收到的並和外部迴圈所計算出的目標門檻值相比較。如果比目標值小，基地台指示行動電話增加它的傳送功率。如果接收到的功率比目標值大，基地台則會指示行動電話降低它的傳送功率。

基地台透過向前運輸通道中的功率控制副通道來傳送指令給行動電話，如圖一所示。副通道以PCG速率在運輸通道上插入功率控制位元，這種技術稱之為「符號穿洞(Symbol Punturing)」。位元的插入動作乃在長碼打亂後、Walsh碼延展前完成。在向前運輸通道上的一個PCG有24個符號，因此有24個位置來放置功率位元。這位置隨著不同的PCG做變化，且由前一個框架的長PN碼的最後4個位元來指定。

行動電話之功率傳送

行動電話使用同樣的長PN碼位元來取出功率控制位元。如果收到的位元是1，行動電話降低1dB的傳送功率；如果收到的位元是0，行動電話則會增高1dB的傳送功率。表二為此時傳送功率的計算方法。

(圖四)展示出可依照功率位元來調整傳送功率的行動電話控制邏輯(Control Logic)。從System_Access狀態進入運輸通道控制狀態時，運輸通道則被啟動。在會話副狀態中，傳送功率以先前提到的公式來設定。在每個PCG的時脈事件中，系統皆會離開副狀態並觀察儲存在Power_Bit中的功率位元值。

如果這個值等於0，變數Sum_Power_Bit_Correction增加1dB。如果值為1時，變數Sum_Power_Bit_Correction降低1dB。系統隨之再回到變數Sum_Power_Bit_Correction新值被採用的會話副狀態(Conversation Substate)。

系統模擬

當控制邏輯、反向運輸通道和向前運輸通道都被安排妥當後，設計者就可以開始對演算法作模擬與測試。此時設計者將加入一個通道，其中包括三個Doppler頻率為40Hz的Raleigh衰減多路徑與-84dBm的AWGN。

在(圖五)中，示波器頂端的座標圖用黃色來表示行動電話的傳送功率；用紫色來表示行動電話接收到的；用亮藍色來表示的門檻。下面的座標圖則用黃色來表示框架速率時脈(Frame Rate Clock)，每個時脈的邊緣代表一個框架的開始；而在功率控制副通道中傳送的功率位元則是用紫色來表示，且以亮藍色來代表PCG的速率時脈。

由於衰減的關係，接收到的會改變。每當超過門檻值，基地台就設定功率控制位元為1，行動電話則相對地減少傳送功率。而當低於門檻值，基地台就設定功率控制位元為0，行動電話也相對地增加傳送功率。這些功率調整的動作確保當最小化(Minimize)傳送功率時，行動電話仍能維持一個可接受的FER。(本文譯者為鈦思科技應用工程師陳昭羽先生)