基于功率控制的WCDMA网络BLER及MOS值优化探讨

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【摘要】文章从功率控制算法的角度,探讨了WCDMA网络BLER及MOS值的优化问题;从优化前后的对比测试结果看,该方案明显改善了与通话质量相关的BLER和MOS值。

【关键词】WCDMA 功率控制 BLER MOS 网络优化

1 概述

移动网络的通话质量是各大移动运营商的重要工作指标,也是网络优化工作的重中之重。通常用DT路测的语音业务误块率BLER和平均意见值MOS来评估通话质量。BLER定义为传输块中出现错块的个数与传输块总数的比值,由专用路测仪器测量。MOS评价则采用ITU-T P.862建议书提供的语音感受质量评估PESQ方法,由专门的仪器或软件进行测试;该方法是按照用户听觉感受来评估语音质量,得出的结果最接近人的真实感受。针对建设中的WCDMA网络,中国联通总部下达的测试达标值为:AMR12.2k语音业务DT测试下行BLER小于3%的比例应大于99%,MOS平均值应大于3.7。

BLER与MOS值密切相关,当无线环境质量变差时,误块率相应增大,造成帧丢失,传输时延、抖动的变化,严重影响用户听觉,MOS值随之降低;而在无线环境较好的区域,随着BLER的降低,MOS值相应增大,通话质量明显改善。

在完成了WCDMA网络单站优化、簇优化、全网优化的基础上,本文通过研究功率控制算法的优化,改善BLER及MOS值,最终达到联通总部的测试目标值,提升了全网通话质量和用户感知度。

2 问题分析及定位

要改善通话质量,首先要做好RF优化,改善无线环境质量。在WCDMA的网络优化过程中,经过单站优化、簇优化、全网优化后,全网通话质量及各项KPI指标明显提高,绝大部分指标达到并超过了联通总部的目标值,但BLER及MOS值仍存在下列问题:

(1)在大量的覆盖区域BLER及MOS值未达到目标值;

(2)在Ec/No较好(大于-7dB)的区域测试时,发现BLER经常有毛刺出现,没有收敛到期望的目标值(小于3%),如图1所示。BLER出现毛刺后虽经功率控制能够收敛,但仍不定期出现峰值,又再次收敛。

影响BLER和MOS值的主要原因有:1)弱覆盖;2)导频污染严重;3)下行干扰大;4)信号变化过快导致切换不及时。经过分析可初步判定:功率控制算法通过调整基站的下行功率DL Power,尽力保持BLER在目标值内;在信号较好的区域,DL Power会维持在较低的水平,而且随着无线质量上升,下行功率会进一步减少。出现BLER扰动是因为下行功率过低,在强干扰信号突然出现时,调整不及时,而导致误码率过高。

而在许多区域,经过全网优化之后,BLER和MOS值仍达不到目标值,则表明功率控制算法未能达到最佳运行状态。

3 功率控制算法简介

功率控制是WCDMA系统的关键技术之一,它通过控制基站和用户的发射功率,解决远近效应和自干扰问题,改善用户的通信质量。功率控制包括开环控制和闭环控制,闭环功率控制又分为外环功率控制和内环功率控制。

3.1 外环功率控制算法

外环功控通过动态地调整内环功控的SIR目标值,使通信质量始终满足服务质量要求,达到业务要求的误块率:

(1)当BLER>BLER_target时,提高SIR_target一个事先确定的步长;

(2)当BLER

具体调整算法如下:

IF CRC check OK

Step_down=BLER_target*Step_size;

SIR_target(n+1)=SIR_target(n)-Step_down;

ELSE

Step_up=Step_size-BLER_target*Step_size;

SIR_target(n+1)=SIR_target(n)+Step_up;

END

其中:SIR_target(n)为第n帧的SIR目标值;BLER_target为业务要求的误块率目标值;Step_size为增加步长,可以取0.2dB～0.5dB。

3.2 内环功率控制算法

内环功率控制的作用是通过控制物理信道的发射功率,使接收端SIR收敛于SIR目标值。wcdma系统中是通过计算接收到的SIR值,来发出功率调整命令TPC的:

(1)当SIR

(2)当SIR>SIR_target时,TPC=0,信道功率减少ΔP(dB)。

信道功率的增加值统一按下式求取:

P=TPC*TPC_Com (1)

式中TPC为固定的功率步长,为0.5dB～2dB。功率控制指令是在每一个时隙发出的,下行功率控制的频率为1500Hz。

4 功率控制算法优化方案及效果

4.1 算法缺陷

闭环功率控制算法具有算法简便、容易实现的优点,但也存在如下主要缺点:

(1)这是一种典型的“乒乓”控制,具有稳定性差、过调量大、上升时间长、稳态误差大等缺点;

(2)反馈信号的时延或者反馈信道上的检测信号误差较大时,都将大大降低控制性能;

(3)控制步长的取值存在着控制精度与响应速度的矛盾,如果控制步长小,则控制精度高,但响应速度跟不上信号的变化,会造成连续的误码;如果控制步长过大,则控制精度降低,会造成内环发射功率的浪费。

为发挥闭环功率控制的优点并进一步克服其主要缺点,一种方法是研究新的功率控制算法,另一种方法是对现有算法的控制参数进行优化。本文将探讨现有算法的参数优化。

4.2 算法参数优化

在系统功率控制参数表中,一般会对不同业务的功率控制范围、功率调整的步长、下行BLER_target作相应设定。下行功率控制的操作位于UE,RNC把设定的下行BLER_target通过基站经信令链路发送给UE作为初始参考,UE根据接收到的帧的质量更新SIR_target,基站根据收到的功率控制指令,按照设定步长调整信道的发射功率。

(1)外环功率控制步长优化

由于各覆盖区域的基站数量和位置完全不同,所承载的用户数及业务类型也千差万别;因此,放弃全网统一设置外环控制参数的观点,依据路测结果,以RNC为单位在控制步长Step_size取值范围内选择合适的值,控制所辖基站的SIR_target值。而对于不同业务的BLER目标值,则全网统一设置,既不要太高,也不要太低,满足业务的通信质量需求即可。

(2)内环功率控制步长优化

对于下行内环功率控制步长的选取,将根据路测结果设定。对BLER值较高或者Ec/No较好但BLER毛刺较多的基站,适当降低控制步长,提高控制精度。实际优化过程中,将下行功率控制步长TPC,从优化前的1.5dB降为1dB,控制效果得以改善。

(3)功率控制范围优化

在NOKIA公司的WCDMA系统中,定义了一个控制参数PCrangeDL,它表示下行专用物理信道DPCCH/DPDCH的功率控制范围,取值是0～25dB。物理信道所能分配的最大发射功率减去该值,就得到无线链路的最小发射功率,即:

P_min_dl=P_max_dl-PCrangeDL (2)

式中:P_min_dl为下行DPCCH/DPDCH最小发射功率;

P_max_dl为下行DPCCH/DPDCH所能分配的最大发射功率。

下行发射功率不可以高于P_max_dl,也不能低于P_min_dl。在NOKIA系统中,根据导频信道CPICH设置的功率等参数进行计算,可得出P_max_dl为固定值33dBm。

优化前:PCrangeDL=20dB,P_min_dl=33-20=13(dBm);

优化后:PCrangeDL=13dB,P_min_dl=33-13=20(dBm)。

通过调整PcrangeDL,可以调整下行信道的最小发射功率,避免在无线信号良好的地方,下行最小发射功率过低。PcrangeDL的取值依据无线环境确定,在无线环境较差的区域,取值相对减小,提升最小发射功率值。

4.3 优化效果

上述功率控制参数的优化调整,取得了明显的效果:

(1)在验证区域内,功控参数优化后,AMR12.2k语音业务DT测试下行BLER小于3%的比例从原来的97%左右提升到99.5%;

(2)在Ec/No较好的区域,BLER毛刺不再出现,收敛于期望目标值内,其值也未超过2%,如图2所示:

(3)由于BLER和MOS值正相关,随着BLER的降低,MOS有了相应的提升,根据测试,其值有了0.1～0.2的增加(见表1)。

过高地提升下行发射功率也存在风险,因为它会造成下行No抬升,降低Ec/No值,也就降低了网络容量。从某地测试情况看,整网抬升3dB后,Ec/No下降了约0.8%。因此,针对不同业务,选择合理的bler目标值非常重要。

5 mos值进一步提升方案

为进一步提升全网MOS值指标,通过开启核心网和RNC侧的TRFO功能,能提高无线侧MOS值0.1～0.2左右。TRFO是Tanscode Free Operation软件功能的简称,在软交换媒体网关MGW内部,可以不通过任何额外的编解码过程,实现AMR语音的透明传输。开启该功能后,能够真正实现AMR语音承载端到端的传输,从而避免了交换机内部编解码过程对语音质量的损伤,达到提升MOS值的效果。

在MOS测试过程中,同时采用了NOKIA公司的Nemo测试工具和珠海鼎利公司的测试工具,测试样本区域集中在某RNC内的核心区域,测试时长为45分钟,测试结果见表1。尽管不同的测试工具所得到的MOS值不同,但都显示,经过功率控制算法的参数优化后,MOS值均获提高;开通TRFO功能后,MOS值得到进一步提升。

6 结束语

提高移动网络通信质量是个永恒的话题,本文通过对功率控制算法参数进行优化,来实现BLER及MOS的优化。而研究更加简便、有效、具有强鲁棒性的功率控制算法,改善3G网络的通信质量,则有待进行更深入的探讨。

参考文献

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[2]Saraydar C, Mandayam N, Goodman D. Efficient power control vir pricing in wireless data networks[J]. IEEE Trans. Commun., 2002,50(2).

[3]Kandukuri S, Boyd S. Optimal power control in interference limited fading wireless channels with outage probability specifications[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2002,1(1).

【作者简介】

何海珍:湖南大学计算机与通信学院副教授,毕业于中南大学自动控制专业,主要研究方向:电流模式电路。

夏 巍:高级工程师,工学博士,毕业于湖南大学计算机与通信学院,现任职于中国联通湖南分公司,主要研究方向:3G移动通信及无线分组网络。