功率控制

功率控制也可称为传送功率控制(Transmit Power Control；TPC)，在CDMA行动电话网路设计中占有很重要的地位。功率控制的主要功能是用来操纵、调整基地台和行动电话传送功率的技术及演算法(Algorithm)；主要目的则在于降低共通道干扰(Co-Channel Interference)、维持语音品质、最大化蜂巢效能以及最小化行动电话的平均传送功率。

功率控制演算法可监控语音品质状态和接收功率等级。功率等级(Power Level)是由物理层面的向前和反向连接特征所混合的函式。这些演算法也可将功率调整指令传送到每个行动电话，其过程是透过向前运输通道(Forward Traffic Channel)的功率控制副通道(Subchannel)传送。它们也包含了连接层面操作，其观念就像在存取通道上系统的讯息传输一般。

任何功率控制的演算法设计都必须透过多重模拟，才能成功达到最佳化(Optimization)，这方面可以透过MATLAB/ Simulink系统层级设计环境，有效地模拟整个通讯系统的物理和连接层面(Physical and Link Layer)系统。 (图一)

《图一 基地台传送到移动电话的向前连接图》

IS-95A 的功率控制

行动电话网路包含许多的基地台(Base Station)和行动电话(Mobiles)。基地台在1.23MHZ的频宽向前连接并将控制信号(Signal)和语音资料传送到行动电话上。而行动电话则在分开的1.23MHZ频宽反向连接并将控制信号和语音资料上传至基地台。

在反向连接上传的过程中需由功率控制来解决「Near-Far」的问题：所有的行动电话在相同的频率、时间上传送，即使使用不同的编码，行动电话的信号也可能会受到其他讯号的干扰。在基地台里，行动电话的接收信号品质与其他行动电话的干扰功率成反比。

当两个行动电话以相同的功率与不同的距离将讯号传送到基地台时，就会产生Near-Far的问题。由于不同的传递遗失，信号会以差异甚大的功率表现抵达基地台。靠近基地台的行动电话会有较高的信号接收功率，因此会大大地干扰较远的行动电话信号，使其不易被侦测到。

在反向连接(Reverse Link)的功率控制上，必须面对拥有快速变化衰减特性的多路径衰减通道(Multipath Fading Channel)，这在城市里是很常见的。城市中的标准无线通道接收功率，常会依照特定的速率和多路径特征随时间而产生戏剧化的变动。

为解决这个问题，功率控制演算法必须确保基地台对所有行动电话的接收功率层级(Power Level)要相等，我们可以透过控制传送功率来达到这个要求。当它们的接收功率因远离基地台而较低时，行动电话被指定要传送较高的功率等级。反之，当它们的接收功率因离基地台较近而较高时，行动电话就会要求传送较低的功率等级。

为了使用上述的方法来控制功率，演算法必须连续监控每个行动电话的接收功率，并连续调整它的传送功率以达到先前定义的效能等级，例如框架错误率(Frame Error Rate；FER)。

《图二 Num_Step达到时系统状态》

传统的设计程序

我们以一些新的产品(例如行动电话蜂巢设备)为例，通常传统的设计程序在一开始就对整个系统建立高阶的图表(Diagram)和图示(Schematic)。然后工程师会将问题分成几个部分，包括可程式化数位信号处理(Programmable DSP)、数位ASIC、类比/混合信号ASIC和射频(RF)等等，再将各部分的介面规格纪录在纸上。

平台盲点

硬体和软体工程团队则分别在独立的工作平台上操作低阶结构与电路级的工具，像是组合语言、硬体描述语言(Hardware Description Language；HDL)产品以及PSpice工具等等。

像Pspice这一类低阶的工具产品对于研发和模拟方面而言是很没有效率的，因此工程师在原型化实现(I​​mplement Prototype)前只能作有限的测试。

因为低阶和电路级的工具不易整合，子元件(Subcomponent)之间无法一起被模拟，整个系统也就无法被共同测试。尤其在类比、数位或控制逻辑成分之间会产生无法预见的因素，随时可能阻止整个系统达到标准规格。

《图三 移动电话控制逻辑》

创新设计

创新的设计程序图形化的MATLAB/ Simulink系统层级设计环境拥有模块图表(Block-Diagram)和状态机器(State-Machine)的特色，工程师可利用它很快地规划出一个系统层级结构，以完成整个系统的概念设计。常用的信号处理和通讯预设模块(Block)可帮助设计者很快地建立一个高阶设计。此时设计者可将整个设计分为数个部份，再交由团队的成员分别完成。

MATLAB/ Simulink系统层级设计环境可让工程团队的全部成员在整合的工作平台上建立类比信号、数位信号、控制逻辑设计。借此，设计者可以尝试许多不同的解法来处理总体的最佳化。模块图让设计者很准确地建立多个部分和绘出存在真实系统中的复杂时间关系共通点。

一旦各部分分别被设计与测试后，设计者就可将它们整合在一起并测试整个系统以建立一个有效的设计。只有在此同时团队成员适合使用组合语言、HDL、Pspice来处理低阶结构设计。 MATLAB/ Simulink系统层级设计环境可被用来作为高阶可执行的规格，这可和低阶结构设计相比较。使用MATLAB/ Simulink系统层级设计环境，错误风险将大大地减低并可有效压缩整个设计周期。

《图四 示波器之功率显示》

实际案例说明

为了更详实地说明系统层级设计工具的好处，我们来讨论IS-95A系统功率控制演算法的发展。下列实例说明使用图形化模块图表和状态图表的MATLAB/ Simulink系统层级设计环境来设计、模拟IS-95A的功率控制演算法(实例中的设计平台为MATLAB/ Simulink产品家族)。

在设计和模拟这个演算法前，必须先了解行动电话和基地台在无线网路中的沟通方式。由IS-95A CDMA规格里描述的通道结构可以获得这项讯息。

从基地台传送到行动电话的向前连接(Forward Link)占了1.23MHZ的频宽，且包含一些被唯一的正交Walsh码(图一)所分开的逻辑通道(Logical Channel)。基地台使用同步和呼叫通道将控制信号传送到手机上，并利用向前运输通道携带语音会话到每个行动电话上。

反向连接(Reverse Link)占了1.23MHZ的频宽且包含一些被唯一的假随机杂讯(PN)码所分开的逻辑通道。行动电话使用存取通道来将控制信号传送到基地台，并使用反向运输通道携带语音会话回传到基地台。

反向连接的功率控制

反向连接功率控制管理行动电话中的存取通道和反向运输通道上的传送功率。反向连接无法使用正交的Walsh码将行动电话信号分开；将信号分开的反而是PN码或一个和其他不同且41-bit的长码；在传送前先将资料打乱。因此共通道的干扰相对于使用正交Walsh码的向前连接是个大问题。此时更需要复杂的功率控制策略，包含开回圈和闭回圈的控制。

开回圈功率控制

在开回圈(Open-Loop)的功率控制中，行动电话的传送功率是测量基地台的接收信号强度和估算向前连接路径损失后决定的。假设在反向连接上有相同的路径损失，行动电话则利用这些资讯来决定传送功率。

行动电话的第一次信号传送会在它的存取通道进行，当作呼叫通道上讯息的回应；又或者置放一个出发的呼叫。由于Near-Far的问题和同一个蜂巢内的干扰，行动电话一开始传送低功率。它制造连续的尝试(或探针)，每次逐渐地增加它的功率直到基地台侦测到并了解讯息。

行动电话的起始平均输出功率(Initial Mean Output Power)是一个关于基地台的接收功率加上系统参数的函式。系统参数是一开始在呼叫通道上的起始存取参数。这些参数包含名义上的功率(Nom_Pwr)、起始功率(Init_Pwr)、存取探针间的功率增加步阶(Pwr_Step)和一串所能容许存取的探针数(Num_Step)。

当设计者开始用这方法建立一个复杂系统，MATLAB/ Simulink系统层级设计环境可帮助他​​们以高阶的方法且渐进地增加细节和准确度来完成这个设计。举例来说，工程师可以开始设计一个不具有适当物理层面的连接层面协定，并在测试完协定后再加上这个物理层面。就如同工程师可以对于一个AWGN(Additive White Gaussian Noise)通道设计通道编码操作(Channel Coding Operation)，然后再加上真实的衰减通道；或者也可以同时设计这些成分。在我们的范例里头，我们从功率控制演算法里的控制逻辑开始而不理会通道。

(图二)可说明一个描述控制逻辑的状态机器，这控制逻辑在微控制器上可被软体标准的编码。 (图二)描述的图形化状态机器设计工具允许系统描述状态、副状态和造成变迁的事件。这可有效描述说明复杂演算法的概况。

比较系统状态

MATLAB/ Simulink系统层级设计环境的动画式模拟(Animated Simulation)特性可让设计者从视觉介面上比较系统状态(System State)和系统信号(System Signal)。 (图二)强调的是一个包含两个副状态(Substate)的系统状态。箭头是用来叙述状态间的转变，而箭头上的标示则表示引起转变的事件(Event)。

资料处理与转变

资料处理可能被包含在状态的主体内或者在转变的标示之后。在(图二)中，当行动电话首次进入到system_access状态中的access_probe副状态，将会有下列的效果：

◆用公式来设定传送的功率

◆启动传输器

◆开启计时器

◆在Access Probe状态中等待

如果行动电话的功率等级足以被基地台接收，基地台就会将确认通知传送到呼叫通道。呼叫通道的这个讯息被称为BS_Response事件，它触发系统离开system_access超级​​状态(Superstate)，取消在存取通道上的传送，并移置下方的反向运输通道控制状态。

如果回应没有被接收到，计时器所产生的Time_Out事件则会促使系统离开Access_Probe副状态，变数Sum_Access_Probe_Correction增加Pwr_Step的大小，且计数器Num_Access_Probes增加1。此时系统再次进入Access_Probe状态，而变数Sum_Access_Probe_Correction新的值被用来修正传送功率。它重复这些动作直到基地台回应或者存取探针Num_Step数目超出最大容许值。

在图二中，我们可以看到当Num_Step的门槛达到时(Num_Access_Probes ＞= Num_Step)，系统进入等待状态。此时，可使用的传送被取消，探针的功率改正和探针计数变数都重置，而且行动电话开始启动计时器以等待由另一个系统变数所给定的随机区间。

一旦行动电话开始在反向运输通道上传送并在向前运输通道上接收，一个快速、闭回圈的功率控制演算法就会被采用。此时，基地台测量行动电话的接收功率并下指令增加或减少它的传送功率，使得反向运输通道达到给定的FER。模范的最小品质​​等级是1%到2%的FER，且最多是连续3到4个框架错误。

闭回圈功率控制

闭回圈控制(Closed-Loop Control)包含了向前和反向的运输通道，所以成功的演算法最佳化需要的是两者物理层面 (Physical Layer) 的即时模拟。为了将物理层面导入到设计中，工程师必须使用函式库(Libraries)，当中包含为了DSP和通讯应用所预设的模块(Block)，以及有模块图表(Block-Diagram)的系统层级工具。

多余资料核对之处理

(图三)所示的反向运输通道是由模块堆所建立的，它们可以处理循环的多余资料核对(Cyclic Redundancy Check；CRC)的产生、回旋编码(Convolutional Encoding)、符号重复与交错(Symbol Repetition and Interleaving)、展频(Spreading)、调变(Modulation)和滤波(Filtering)。模块可以藉由不同的颜色来强调不同的取样速率。

标示为蓝色的区块(例如交错器和回旋编码器)都以50-Hz的框架速率执行，红色的区块则有较高的19.6-kHz符号速率。而黄色区块在大于1的取样速率下执行。大多数不同的取样速率都可用这样的方式去识别。在区块埠(Block Port)旁边的值代表信号宽度(Signal Width)。在这我们可以看到框架的大小是576个符号。

内外部回圈

闭回圈功率控制进一步可再分为内部(Inner Loop) 回圈和外部回圈(Outer Loop)。在外部回圈中，基地台以一个目标FER和相对的信号对杂讯比开始启动。接着基地台继续测量FER并调整相对的门槛。

基地台演算法

向前和反向运输通道被分割成许多20-ms的框架。每一个框架进一步被分割成16个1.25ms功率控制群组(Power Control Group；PCG)。在内部回圈中，基地台测量行动电话每个PCG接收到的并和外部回圈所计算出的目标门槛值相比较。如果比目标值小，基地台指示行动电话增加它的传送功率。如果接收到的功率比目标值大，基地台则会指示行动电话降低它的传送功率。

基地台透过向前运输通道中的功率控制副通道来传送指令给行动电话，如图一所示。副通道以PCG速率在运输通道上插入功率控制位元，这种技术称之为「符号穿洞(Symbol Punturing)」。位元的插入动作乃在长码打乱后、Walsh码延展前完成。在向前运输通道上的一个PCG有24个符号，因此有24个位置来放置功率位元。这位置随着不同的PCG做变化，且由前一个框架的长PN码的最后4个位元来指定。

行动电话之功率传送

行动电话使用同样的长PN码位元来取出功率控制位元。如果收到的位元是1，行动电话降低1dB的传送功率；如果收到的位元是0，行动电话则会增高1dB的传送功率。表二为此时传送功率的计算方法。

(图四)展示出可依照功率位元来调整传送功率的行动电话控制逻辑(Control Logic)。从System_Access状态进入运输通道控制状态时，运输通道则被启动。在会话副状态中，传送功率以先前提到的公式来设定。在每个PCG的时脉事件中，系统皆会离开副状态并观察储存在Power_Bit中的功率位元值。

如果这个值等于0，变数Sum_Power_Bit_Correction增加1dB。如果值为1时，变数Sum_Power_Bit_Correction降低1dB。系统随之再回到变数Sum_Power_Bit_Correction新值被采用的会话副状态(Conversation Substate)。

系统模拟

当控制逻辑、反向运输通道和向前运输通道都被安排妥当后，设计者就可以开始对演算法作模拟与测试。此时设计者将加入一个通道，其中包括三个Doppler频率为40Hz的Raleigh衰减多路径与-84dBm的AWGN。

在(图五)中，示波器顶端的座标图用黄色来表示行动电话的传送功率；用紫色来表示行动电话接收到的；用亮蓝色来表示的门槛。下面的座标图则用黄色来表示框架速率时脉(Frame Rate Clock)，每个时脉的边缘代表一个框架的开始；而在功率控制副通道中传送的功率位元则是用紫色来表示，且以亮蓝色来代表PCG的速率时脉。

由于衰减的关系，接收到的会改变。每当超过门槛值，基地台就设定功率控制位元为1，行动电话则相对地减少传送功率。而当低于门槛值，基地台就设定功率控制位元为0，行动电话也相对地增加传送功率。这些功率调整的动作确保当最小化(Minimize)传送功率时，行动电话仍能维持一个可接受的FER。 (本文译者为钛思科技应用工程师陈昭羽先生)