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6. Controle de Potência

6.1. O Ambiente de Propagação Móvel

Um celular móvel pode estar em qualquer lugar dentro da célula, diretamente debaixo da torre da antena da ERB, bem como a 30 km de distância. 
Em um ambiente onde lei de propagação é R^-4, como é típico de áreas de serviço celulares, a faixa dinâmica total da perda por propagação está na ordem de 80 dB. 
Para um link típico em um sistema IS-95A, isto significa que o transmissor móvel tem que variar sua potência de aproximadamente 2,5 nW para 0,25 W [CDG]. 

Além da grosseira dependência de perda de propagação com a distância, a perda pode variar também rapidamente devido ao Rayleigh multipath fading induzido. 
Multipath fading acontece quando o sinal chega à antena receptora depois de atravessar rotas diferentes, de direções diferentes. 
Se a diferença de duração de caminho é pequena comparada a um processamento de espalhamento, ou aproximadamente 244 m, então os wavelets interferem de uma maneira estocástica, como resultante há um desvanecimento do processo por Rayleigh. 
Tal desvanecimento comumente causa flutuações de 20 a 30 dB acima de uma distância de um ou dois comprimentos de onda, 30 a 60 cm. 
Se o móvel está viajando a 90 km/h, então a taxa de desvanecimento pode exceder 100 Hz. 
Um enfraquecimento dessa ordem, apesar de comum em sistemas de banda estreita, é menos provável em sistemas CDMA devido à sua habilidade de separar os componentes de múltiplo percurso nos receptores Rake.  

Outra consideração é que o processo de desvanecimento para transmissão e recepção, enquanto correlacionados, não é necessariamente idêntico devido à diferença de freqüência de 45 MHz (celular) ou 80 MHz (PCS) entre as  freqüências do canal direto e reverso.  

6.2. Controle de Potência no Link Reverso

6.2.1. Controle em Loop Aberto

A larga faixa dinâmica é gerenciada por uma técnica de controle de potência em loop aberto. 
O móvel estima a perda de propagação até a célula, medindo o nível do sinal recebido. 
Tipicamente, esta medida está baseada em um AGC (controle de ganho automático) de voltagem analógico. 
O loop do receptor AGC tenta manter constante o nível  quadrático do sinal de seus conversores analógico-digitais (A/D), quer dizer, a potência total que entra no filtro de banda passante de 1,25 MHz. 
Esta potência inclui tudo na entrada do receptor: sinal, ruído térmico e interferência. 
O nível de potência medido na entrada é ajustado por uma correção em loop fechado, e então utilizado para controlar a potência de transmissão do móvel conforme a equação (6.1), prescrita na interface aérea do celular: 

R_x Power (dB) + T_x Power (dB) = -73 dB (mW²)                     (6.1) 

Note que esta é uma relação recíproca. 
À medida que a potência de recepção aumenta, a potência de transmissão diminui. 
O produto de ambas tem dimensões de mWatts² e é numericamente igual à constante de retorno. 
Em unidades de dB relativo à (1 mW²), a constante de retorno é -73. 
A constante de turnaround (retorno) especificada para PCS, a aproximadamente o dobro desta freqüência, é -76 dB (mW²).  

Assim, quando a potência recebida pelo móvel é, digamos, -90 dBm, como poderia estar em uma célula nominal, a potência de transmissão do móvel será +17 dBm. 
É interessante que uma estação móvel CDMA, quando perto de uma ERB, estará de fato transmitindo menos potência do que está recebendo.  

Os comandos de ajuste são transmitidos para o móvel nas mensagens de overhead. 
O comando é usado para ajustar o controle de potência em loop aberto para células de tamanhos diferentes e diversas sensibilidades de receptor. 

Pode-se questionar porque usar a potência total de entrada para o controle em loop aberto. 
Porém, este compromisso (tradeoff) foi feito a favor de um tempo de resposta rápido. 
Realmente é verdade que a estimativa de loop aberto tem um erro de vários dB, mas isto é facilmente compensado pela correção em loop fechado. 
O problema também não poderia ser resolvido eliminando o controle de loop fechado e fazendo algo mais sofisticado por via de medidas do loop direto. 
A correção de loop fechado ainda seria necessária para lidar com as diferenças de perda devido à diferença de freqüência. 

6.2.2. Controle em Loop Fechado

O controle de potência em loop fechado é um tipo de refinamento na estimativa de potência do loop aberto. 
A célula mede os E_b/N₀ recebidos e compara a um ponto fixo (que pode se ajustar dinamicamente, mas é uma função da célula). 
Se o E_b/N₀ medido está acima do ponto fixo, então um comando de redução é enviado; se abaixo, um comando de aumento é enviado. 
O móvel ajusta sua potência para cima ou para baixo em aproximadamente 0,75 dB por comando. 
Não há um comando para manter o móvel na mesma potência. 
A decisão de fixar um valor de potência tem que ser transmitida em comandos alternados de redução/aumento. Os comandos são enviados uma vez a cada 1,25 ms, ou a uma taxa de 800 correções por segundo. 

Este é um mecanismo de controle muito rápido (taxa de mudança de 800 dB por segundo), e provou trabalhar muito bem na prática [4, CDG]. 
Medidas dos erros de E_b/N₀ em um amplo sistema experimental mostraram que os erros eram aproximadamente log-normais, com um desvio padrão de cerca de 2 dB. 
Poderia ser esperada uma distribuição log-normal dos erros devido ao fato que os ajustes são de valores discretos em unidades de dB. 

O controle em loop fechado pode não ser veloz o bastante para se manter ativo em relação ao desvanecimento muito rápido. 
Nessas taxas de desvanecimento mais altas, a codificação e a interpolação são métodos mais efetivos. Ao contrário, em taxas de desvanecimento mais baixas, o controle de potência é extremamente robusto. 

Os bits de controle de potência são enviados sem codificação e incluídos na transmissão do canal de tráfego direto em lugar de dois símbolos. 
O receptor, sabendo onde a inclusão está acontecendo, ajusta o decodificador métrico de Viterbi em zero para os símbolos incluídos, de tal forma que eles tenham efeito mínimo na taxa de erros de tráfego do link direto. 
Os dois símbolos são combinados coerentemente para fazer a decisão de controle de potência, ou caso contrário não processados. 

A decisão de enviar os bits de controle de potência decodificados foi, como no loop aberto, um compromisso para obter uma resposta rápida. Qualquer codificação destes bits resultaria em um atraso de processamento e conseqüentemente  em um loop mais lento. 

A faixa dinâmica do loop de controle fechado é de ±24 dB em relação à estimativa em loop aberto. 

6.2.3. Soft Handoff

Durante o handoff suave é crucial que a potência de transmissão do móvel seja controlada pela célula que está recebendo o melhor sinal, de forma que seja transmitida a mínima potência necessária. 
Esta é uma exigência chave para que a capacidade máxima do sistema seja alcançada. 
Por isto, cada célula e setor que participam em um soft handoff fazem uma determinação separada do bit de controle de potência a ser enviado. 
O móvel os processa separadamente, e executa uma operação lógica “OU” entre os bits de redução. 
Quer dizer, se quaisquer dos participantes do soft handoff enviar um comando de redução, a estação móvel reduzirá a potência.  

Uma variação especial é permitida nesta regra. 
Em algumas circunstâncias, os setores participantes do soft handoff podem ver suas decisões entre si e tomar uma decisão em comum, que ambos então transmitem. 
Este normalmente é o caso quando o soft handoff é entre setores de uma mesma célula. 
Neste caso, a estação móvel está informada que os bits de controle de potência são idênticos. 
Ela pode fazer uma combinação por diversidade e tomar uma decisão sobre um único bit, ao invés de separar as decisões e fazer um “OU” lógico.  

6.3. Controle de Potência no Link Direto

As exigências no link direto são menos severas que as do link reverso. Enquanto a perda de propagação sofre as mesmas grandes variações devido ao enfraquecimento e sombras, outra interferência de usuário surge da mesma fonte, os sinais desejado e interferente tendem a enfraquecer juntos. 

O mesmo não é verdade em relação à interferência de uma célula externa, porém, quando houver potencial para uma interferência prejudicial, já terá sido iniciado um soft handoff, de forma que exista um link direto alternativo. 

O suporte ao controle de potência no link direto difere entre os padrões de interface celular e PCS. 
O IS-95A e a taxa fixa 1 do J-STD-008 especificam somente controle de potência direto baseado em mensagens. Quer dizer, quando a estação móvel conclui, por causa de taxa de erro de quadros excessiva, que sua qualidade de sinal direto é ruim, ela envia um relatório à estação base. 
Este método é relativamente lento, sofrendo impacto do atraso de processamento da análise da mensagem pela estação base. 
A taxa fixa 2, o conjunto de 14.400 bps, incorpora um mecanismo de controle de potência direta rápido. 
Cada quadro de tráfego reverso incorpora um bit que informa a taxa de sobreposição de quadros com um leve atraso de processamento de dois quadros. 
Isto permite um controle de potência mais rápido, e conseqüentemente apurado.