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。