5G无线技术基础自学系列 | 5G上行功率控制
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5G上行功率控制是针对每个UE的不同信道分别进行调整的, 不同信道的算法略有不同。在3GPP规范中,可以进行上行功率控制的信道/信号及功率控制方式如表5-1所示。
从表5-1可以看出,5G上行功率控制涵盖了上行的所有的信道及探测参考信号。与4G类似,5G的上行功率控制包括开环功率控制和闭环功率控制两种。顾名思义,开环功率控制是指在功率控制过程中,基站没有任何的反馈,所有的控制由UE自行完成;而在闭环功率控制场景下,基站需要下发相应的功率控制命令指示UE改变上行功率。
5.3.1 PRACH功率控制
下面先介绍PRACH的功率控制原理。在第3章中已经学习过PRACH的作用,此信道是UE初始接入过程中使用到的第一个上行信道, 所以PRACH的功率调整只能是UE根据相关参数自行调整, 此方式称为开环功率控制。PRACH功率控制的主要流程如图5-2所示。
PRACH功率控制的主要流程可以概括为以下几步。
(1) UE根据系统消息获得相关的参数,包括期望接收功率、基站发射功率、功率抬升、前导码最大次
数等。
(2) UE计算传播的路径损耗,计算方法会在本章后面进行介绍。
(3) UE根据上行期望功率和路径损耗,计算第一个前导码的功率,并用当前功率发送前导码。
(4) 如果前导码功率不足,导致无响应,则UE会根据相关的功率控制参数自行提升发射功率再次发送前导码,功率提升的量以及前导码的重发次数均由系统参数控制。
在3GPP规范中, 通过公式来定义功率控制的过程, PRACH的功率控制公式如下。
其中,UE自行计算当前前导的发射功率,但最大功率不允许超过自身的最大发射功率。
公式中相关参数的意义如下。
(1)Pcmax:UE最大的发射功率, 和UE功率等级相关, 大部分5G手机的最大功率为26dBm。
(2)Po_pre:基站期望接收功率,指基站为了满足接收性能期望的接收功率,和基站设备的性能相关,该参数会由基站通过系统广播消息传递给UE。
(3)PL:UE估计的下行路径损耗值, 通过下行信道的RSRP测量值和SSB(Synchronization Signal Block) 发射功率获得。
(4)△preamble:由于PRACH有多种格式, 不同格式对应的期望功率要求可能不同, 因此可以通过该参数下发相应的偏置。该参数通过广播消息下发,如果未下发,则默认按0计算。
(5)Npre:表示该UE发送前导的次数, 其不能超过最大前导发送次数, 该参数通过广播消息下发。
(6)△step:表示前导功率攀升步长,该参数通过广播消息下发。
5.3.2 PUCCH功率控制
在业务的持续过程中, gNodeB会跟踪大尺度衰落(如路径损耗、阴影衰落) , 并周期性地采用闭环功率控制动态调整发射功率,以满足信道质量的要求。
PUCCH功率控制过程可以通过以下公式进行描述。
该公式的意义和PRACH功率控制基本类似, 区别是PUCCH的功率控制包含了开环和闭环2部分。公式中,前面5项之和即是开环部分的功率控制,由UE根据相关参数自行计算;最后一项g(i)是基站发送的功率控制命令,这一部分即是通常所说的闭环功率控制。
公式中相关参数的意义如下。
(1)i:当前上行时隙的编号。
(2)μ:子载波宽度配置因子,前面的空中接口中已经对其进行了介绍。
(3)Mpucch:当前上行时隙使用的RB数。
(4)Po_pucch:基站期望接收功率, 同PRACH功率控制公式中的Po-pre的意义类似。
(5)PL:路径损耗, 同PRACH功率控制公式中的意义一样。
(6)h(ncqi, nharq) :和上行控制信息格式相关的函数, ncqi和nharq别表示CQI和HARQ使用的bit数。
(7) △F_PUCCH(F) :反映PUCCH不同的传输格式对发射功率的影响, 如果该参数不下发, 则按照0计算。
(8)g(i):基站通过下行控制信息发送的功率控制命令,为闭环调整部分。
在PUCCH闭环控制过程中, 除了g(i) 之外, 其余都是已知参数, 由UE自行计算。下面将重点介绍调整量g(i)是如何得来的。
g(i) 的取值由gNodeB根据PUCCH的相关测量结果计算得出, 但在3GPP规范中没有定义标准的实现方式,因此不同的设备商采用的算法可能不一样,目前业界的主流算法是对PUCCH的SINR或者电平的测量结果和设备内部的门限进行对比,如果测量结果高于门限值,则基站下发降低功率的指示;如果测量结果低于门限值,则基站下发抬升功率的指示,如图5-3所示。其中,基站的内部门限值既可以设置固定值,也可以根据其他的算法自适应调整。
注意:g(i) 的初始取值, 即UE第一次发送PUCCH的时候, 基站就需要下发相应的功率控制命令g(0) ,此时由于基站还没有测量过PUCCH, 因此第一次的调整量是通过固定的算法获取的, 计算公式如下。
其中,△Prampup是UE在随机接入过程中PRACH功率抬升的总量(如果没有抬升过, 则其值为0) ,△msg2为一个固定值,基站会通过广播消息下发给UE。
5.3.3 PUSCH功率控制
PUSCH的功率控制过程和PUCCH非常相似, 下面是规范中定义的公式。
公式中相关参数的意义如下。
(1) i:当前上行时隙的编号。
(2) μ:子载波宽度配置因子。
(3) Mpusch:当前上行时隙使用的RB数, 通过上行调度获取。
(4) Po_pusch:基站期望接收功率。
(5) PL:路径损耗,其算法和其他信道中的算法一样。
(6) apusch:路损因子。由于PUSCH的解调门限相对于其他信道而言较低, 所以在UE计算路损的时候增加了此因子,其取值是(0,1)。
(7) △TF(i) :不同的MCS格式相对于参考MCS格式的功率偏置值。其物理意义如下:在不同MCS格式下, PUSCH所需要的解调门限是不同的, 因此需要额外考虑此偏置量。此参数是一个可选参数, 如果系统未下发给UE,则按0处理。
(8) f(i) :基站下发的功率控制调整量, 其算法和PUCCH功率控制公式类似, 在标准规范中未定义,由设备侧自行实现。
5.3.4 SRS功率控制
SRS功率控制主要用于上行信道估计和上行定时, 以保障其精度。SRS功率控制复用PUSCH功率控制参数和命令。根据传输带宽和PUSCH功率控制相关参数, 通过计算可以确定SRS发射功率。
SRS功率控制计算公式如下。
公式中相关参数的意义如下。
(1) i表示上行时隙编号; qs表示SRS资源集编号; f表示载波编号; c表示小区编号。
(2) Pcmax,f,c(i):UE在小区c的载波f上的最大发射功率。
(3) μ:子载波宽度配置因子。
(4) Msrs:SRS传输带宽,通过基站下发。
(5) Pa_srs:SRS的gNodeB目标信号功率水平。
(6) asrs:路径损耗补偿因子。
(7) ht,c(i,l):UE的PUSCH发射功率的调整量, 其算法和PUSCH中的f(i)一样。
5.3.5 闭环功率控制步长
虽然在规范中没有定义基站调整上行功率的算法,但是其对每次功率的调整量做了明确的定义。5G系统中采用2bit的开销作为功率控制命令, 通常称之为传输功率控制(Transmission Power Control, TPC) ,通过2bit的指示一共有4种取值。同时, 规范中定义了两类功率控制步长, 每种TPC在不同模式下的取值是不同的,如表5-2所示。
假设每次功率控制命令中下发的调整量为f(i),终端实际的调整量为y(i),i表示当前的上行时隙编号,在不同的模式下f(i)和y(i)的关系是不同的。
(1) 当采用绝对模式时,表示TPC命令直接指示功率调整量, 包括-4dB、-1dB、1dB和4dB 4种取值。该模式下,y(i)=f(i)。
(2) 当采用累计模式时, 表示TPC命令指示的量并不是直接的功率调整量, 而是本次调整量相对于上次调整量的增量。在该模式下,y(i)=f(i)+y(i-1)。例如,上个周期上行功率控制的结果是+3dB,本次的TPC命令指示的是-1dB, 则实际上本次的功率调整是两者之和, 即2dB。
相对于绝对模式,累计模式支持的步长取值更多,可以更好地适配快衰落下的功率补偿。具体使用哪种模式, 由基站通过RRC消息下发给终端, 当前推荐使用累计模式。
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