功率控制
- 概述
- 开环和闭环功率控制
- LTE功率控制
- PUSCH功率控制
- PUCCH功率控制
- PH(功率余量)
在有线通信中，发送机发出的能量(功率)到达接收器时不会有太大的衰减，只要考虑用一根以太网线就可以连接(如果你在通信时测量电缆两端的电压，你不会看到源和目标之间的电压下降太多。当然会有一定的电压下降。但是差别不是很大，所以接收机无法分辨)。
但是，如果发射机和接收器是无线连接的话，因为传播损耗，传输的能量耗损会很大。要解决这个问题，最简单的方法是在发射机上使用一个非常高的增益放大器，然后向接收机发射巨大的功率信号。当接收端和发送端之间的距离合适时，这种方法效果很好。但是如果接收器和发射器之间的距离太近，在这种情况下，来自发射机的强信号可能会使接收器饱和，这时可以试着调低发射机放大器的功率，这样接收机就不会饱和。如果发射机和接收机之间的距离不变，信道条件(湿度、降水、建筑物)不变，这种手动的调整就可以使收发机很好地工作。但在移动通信中，接收端和发送端之间的距离经常变化，信道条件也会频繁地发生变化，此时手动调整就无法有效实现。所以，工程师可以借助自动调整的方法，具体步骤如下：
i)发送一个信号给接收端
ii)接收端测量来自发射端的信号的功率
iii)如果测量到的功率过低，接收端将发送“增加功率”的特殊命令。如果测量到的功率太大，它会发送另一个命令“降低功率”。
通过这种机制，发射机可以动态地改变输出功率。这种功率控制机制通常称为“闭环功率控制”，用于功率控制的特殊命令称为TPC(Transmit Power Control)命令。简而言之，发射端发送的时候，接收方将反馈发送给发送方，接收方通过反馈进行自我修正。整个过程形成一个循环回路，这种控制回路在控制系统理论中称为“闭环”。这种功率控制几乎在所有的移动通信技术都有应用，例如 CDMA, WCDMA, LTE，甚至是蓝牙等等。这种功率控制过程比想象的要频繁得多。例如，在WCDMA系统下，理想情况下，它会在一秒内发生最多1500次。在LTE系统下，每秒最多可以发生1000次。
但是，有一种情况是不能使用这种“基于命令的功率控制”方法。“基于命令的功率控制”机制是基于发射方和接收方已经建立了连接，以便他们可以交换这些命令。如果，收发双方并没有建立连接，例如，一个人刚刚打开手机，手机(本例中的发射器)必须向基站(本例中的接收器)发送一些信号。此时，UE并没有附着到eNB中，自然无法通过交换命令来进行功率控制。UE传输第一个信号的功率有多大这一点非常重要。如果UE传输的信号功率过低，基站就无法检测到它。如果传输功率过高，就会干扰其他UE与基站之间的通信。因此，它必须确定适当的发射功率，该功率水平必须足够强，足以被基站正确解码，并且足够弱，不干扰其他手机与基站之间的通信。
移动通信系统中常用的总体逻辑如下:
i)网络(基站)发送特定的、具有固定功率值的参考信号;
ii)网络把它正在传输的参考信号的信息(也就是功率大小)发送出去
iii)网络也把UE能够传输的最大允许功率也发送出去
iv) UE解码来自基站的参考信号并测量功率
v) UE通过对比步骤iv)和步骤ii)的结果，可以计算出UE与基站之间的路径损耗
vi) 从步骤iii)的信息中，UE知道允许它有多大的功率
vii)根据步骤v)和步骤vi)的结果，UE可以计算出它实际能够发送信号的功率为多大
这种过程也称为功率控制过程。但由于这种功率确定过程不像闭环功率控制那样基于反馈回路，因此这种机制被称为“开环功率控制”。尽管这种机制并没有反馈，也没有形成"环"，但在控制理论中，这就是“开环”的定义。
功率控制机制大致有两种不同的方式：一种是开环功率控制，另一种是闭环功率控制。
在开环控制中，UE通过其自身的功率设定算法来确定其传输功率。这个功率设置算法有很多输入，但所有这些输入都来自于UE的内部设置或测量数据，没有来自eNB的反馈输入。
开环功率控制的总体流程
开环功率控制最常见的例子之一是初始PRACH功率。这个PRACH功率的确定如下图所示：
一旦检测到初始PRACH, UE功率就由TPC命令(MAC CE或DCI 0中的TPC字段)动态控制，这意味着UE传输功率由eNB的一些反馈输入控制。这样，整个功率控制过程形成一个回路(闭环)。这就是为什么它被称为闭环控制。
本节的主要目的是了解这些方程的每一个细节，这是上一节框图中功率设置算法的总结。
LTE中的功率控制可以用以下公式来总结:
从上面公式可以看出， P P R A C H , P S R S , P P U C C H , P P U S C H \mathrm{P_{PRACH}},P_{SRS},P_{PUCCH},P_{PUSCH} PPRACH,PSRS,PPUCCH,PPUSCH都不能大于 P C M A X P_{CMAX} PCMAX。至于 P H PH PH的值，也不能大于 P C M A X P_{CMAX} PCMAX，因为公式的值只能取正值。以上公式中的 ( i ) (i) (i)指的是每个子帧的信道功率，表示这些信道功率是为每个子帧计算和设置的。
综上，可以肯定的是，在任何情况下，任何特定信道的上行功率都不能大于 P C M A X P_{CMAX} PCMAX。而 P C M A X P_{CMAX} PCMAX是3GPP 36.101中规定的最大UE发射机功率。UE制造商必须确保UE传输的功率不超过这个功率。
各种情况下的 P C M A X P_{CMAX} PCMAX是由各种公式和表格推导出来的，所以建议参考36.101中的6.2.5 Configured transmitted Power。但在实际情况下，也可以把 P C M A X P_{CMAX} PCMAX当成UE的 power class（功率等级）：
i i i：子帧数
j j j：可以是0或1
M P U S C H ( i ) M_{PUSCH(i)} MPUSCH(i)：分配给UE的资源块(RB)数目
P O _ P U S C H ( j ) P_{O\_PUSCH(j)} PO_PUSCH(j)： P O _ N O M I N A L _ P U S C H ( j ) + P O _ U E _ P U S C H ( j ) P_{O\_NOMINAL\_PUSCH(j)}+P_{O\_UE\_PUSCH(j)} PO_NOMINAL_PUSCH(j)+PO_UE_PUSCH(j)
其中， P O _ N O M I N A L _ P U S C H ( j ) P_{O\_NOMINAL\_PUSCH(j)} PO_NOMINAL_PUSCH(j)和 P O _ U E _ P U S C H ( j ) P_{O\_UE\_PUSCH(j)} PO_UE_PUSCH(j)来自于高层的消息， j j j只能取0或1。 P O _ N O M I N A L _ P U S C H ( j ) P_{O\_NOMINAL\_PUSCH(j)} PO_NOMINAL_PUSCH(j)来自于SIB2中的p0-NominalPUSCH。 P O _ U E _ P U S C H ( j ) P_{O\_UE\_PUSCH(j)} PO_UE_PUSCH(j)来自于p0-UE-PUSCH，许多消息都可能包含这一字段，例如SIB2,RRC Connection Setup,RRC Connection Reconfig等。
下面是一个来自实时网络或测试设备的抓取的实例：
下面是一个从活动网络或测试设备抓取的的RRC Connection Setup message：
a l p h a ( j ) : alpha(j) : alpha(j):对于 j j j可能为0或1， a l p h a ( j ) alpha(j) alpha(j)的取值集合可以是{0, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1}。具体的值来自于高层的小心，例如SIB2。
下面是一个来自实时网络或测试设备的抓取的实例：
P L PL PL : 下行路径损耗。这可以通过将referenceSignalPowe(参考信号功率)减去higher layer filtered RSRP得到，"Reference Signal Power"通过SIB2定义。
下面是一个来自实时网络或测试设备的抓取的SIB2实例：
“higher layer filtered RSRP”由以下消息组合配置(RRC Connection Setup和RRC Connection Reconfiguration，参考36.331)
Δ T F ( i ) = 10 l o g ( ( 2 M P R ∗ K s − 1 ) β P U S C H _ o f f s e t ) \Delta_{TF}(i)= 10 log((2^{MPR * Ks} - 1) \beta_{PUSCH\_offset}) ΔTF(i)=10log((2MPR∗Ks−1)βPUSCH_offset)，当 K s = 1.25 Ks = 1.25 Ks=1.25
Δ T F ( i ) = 0 \Delta_{TF}(i) = 0 ΔTF(i)=0，当 K s = 0 Ks = 0 Ks=0，其中 K s Ks Ks来自高层的消息。
f ( i ) = f ( i − 1 ) + δ P U S C H ( i − K P U S C H ) f(i) = f(i −1) +\delta_{PUSCH (i − K_{PUSCH} )} f(i)=f(i−1)+δPUSCH(i−KPUSCH),
其中 δ P U S C H \delta_{PUSCH} δPUSCH是由DCI format 0或DCI format 3/3a携带的TPC命令。下表36.213显示了TPC值和功率上升/下降之间的映射关系。
下表定义了应该如何将DCI中的TPC值转换为实际功率变化。相同的TPC值将根据功率控制模式是“累计模式”还是“绝对模式”转换为不同的物理功率变化。
许多人认为功率控制将是相当简单的，只在射频部分才会遇到相关的问题。但是如上的过程叙述，这是一个非常复杂的过程，当人们对功率相关的问题进行故障排除时，你必须检查大量的参数。
i i i：子帧数
j j j：可以是0或1
P O _ P U C C H P_{O\_PUCCH} PO_PUCCH： P O _ N O M I N A L _ P U C C H + P O _ U E _ P U C C H P_{O\_NOMINAL\_PUCCH}+P_{O\_UE\_PUCCH} PO_NOMINAL_PUCCH+PO_UE_PUCCH，其中 P O _ N O M I N A L _ P U C C H P_{O\_NOMINAL\_PUCCH} PO_NOMINAL_PUCCH来自高层的消息，如SIB2，RRC Connection Setup或RRC Connection Reconfiguration。
Δ F _ P U C C H ( F ) \Delta_{F\_PUCCH}(F) ΔF_PUCCH(F) : 由高层小心SIB2提供
每种PUCCH format定义在36.211的表5.4.1中
h ( n C Q I , n H A R Q ) h(n_{CQI}, n_{HARQ}) h(nCQI,nHARQ)：由PUCCH format、数字CQI位、HARQ值所确定，参见36.213 5.1.2.1。
g ( i ) g(i) g(i) :由下面公式确定
g ( i ) = g ( i − 1 ) + δ P U C C H ( i − 4 ) g(i) = g(i-1) + \delta_{PUCCH}(i-4) g(i)=g(i−1)+δPUCCH(i−4), 这表明当前的 g ( i ) g(i) g(i)是由前一个子帧 g ( i − 1 ) g(i-1) g(i−1)和往前数4个子帧 g ( i − 4 ) g(i-4) g(i−4)决定的。
δ P U C C H \delta_{PUCCH} δPUCCH 是由DCI format 1A/1B/1D/1/2A/2/3所携带的数值和下表36.213所决定的:
上面公式的后半部分和 P P U S C H ( i ) P_{PUSCH}(i) PPUSCH(i)功率计算完全相同，所以 P H ( i ) PH(i) PH(i)表示在该子帧上的 P C M A X P_{CMAX} PCMAX和 P P U S C H ( i ) P_{PUSCH}(i) PPUSCH(i)功率之差。但是这里的 P P U S C H ( i ) P_{PUSCH}(i) PPUSCH(i)不是实际发送的 P P U S C H ( i ) P_{PUSCH}(i) PPUSCH(i)功率，而是一种估计值。实际传输的 P P U S C H ( i ) P_{PUSCH}(i) PPUSCH(i)永远无法大于 P C M A X P_{CMAX} PCMAX，但估计的 P P U S C H ( i ) P_{PUSCH}(i) PPUSCH(i)就可能超过 P C M A X P_{CMAX} PCMAX了。
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