5G TPC – Sterowanie Mocą Nadawczą (Transmit Power Control)

5G TPC – Sterowanie Mocą Nadawczą (Transmit Power Control)

Wczoraj omawialiśmy E-UTRAN w sieci 5G, a dziś skupimy się na TPC – czyli mechanizmie sterowania mocą nadawczą, który odgrywa kluczową rolę w optymalizacji jakości połączeń, oszczędzaniu energii oraz ograniczaniu zakłóceń w systemach bezprzewodowych. W 5G TPC działa zarówno po stronie urządzeń użytkownika (UE), jak i stacji bazowych (gNodeB), a jego znaczenie wzrosło wraz z dynamiczną alokacją zasobów i gęstością sieci.

Co to jest TPC w 5G?

Transmit Power Control (TPC) to mechanizm odpowiedzialny za dostosowanie mocy transmisji sygnału w czasie rzeczywistym. Celem jest utrzymanie odpowiedniego poziomu jakości sygnału przy jednoczesnym ograniczeniu interferencji i zużycia energii. TPC dotyczy wszystkich typów kanałów: sygnałów sterujących, danych użytkownika, sygnałów referencyjnych i innych.

Dlaczego TPC jest kluczowe w 5G?

• Większa gęstość komórek: W 5G mamy wiele małych komórek (small cells), gdzie niekontrolowana moc nadawcza powodowałaby zakłócenia międzykomórkowe.
• Oszczędność energii: UE zbyt długo działające z maksymalną mocą szybko wyczerpują baterię – TPC redukuje zużycie energii.
• Stabilność jakości połączenia: Dynamiczne warunki radiowe wymagają adaptacyjnej kontroli mocy.

Rodzaje TPC w sieciach 5G

W 5G TPC dzieli się na dwie główne klasy – otwartą i zamkniętą pętlę:

• Open Loop TPC (OTPC): UE lub gNodeB szacuje warunki kanałowe (na podstawie CSI, RSRP itp.) i ustawia moc bez bezpośrednich instrukcji.
• Closed Loop TPC (CTPC): gNodeB wysyła dokładne komendy korekty mocy do UE, uwzględniając bieżącą jakość sygnału.

Jak działa TPC dla różnych kanałów?

Parametry TPC w 5G NR

TPC w 5G używa wielu parametrów konfiguracyjnych, z których najważniejsze to:

• P₀ – docelowa wartość mocy odniesienia dla danego kanału (np. PUSCH, PUCCH)
• alpha – współczynnik kompensacji strat ścieżki
• delta_TF – korekta na podstawie wielkości TBS (Transport Block Size)
• delta_offset – stałe przesunięcie mocy dla konkretnych scenariuszy
• TPC Command – polecenie z gNodeB korekty w zamkniętej pętli (+1, -1, 0, itd.)

Wzór na moc nadawczą w PUSCH (uplink)

Moc nadawcza dla kanału danych uplink (PUSCH) w 5G NR obliczana jest wg wzoru:

P_tx = min(P_max, P₀ + 10·log₁₀(M) + alpha·PL + delta_TF + delta_offset + TPC_Command)

Gdzie:

• M – liczba zasobów fizycznych (RB)
• PL – oszacowane straty ścieżki
• P_max – maksymalna dozwolona moc UE

Zależność TPC od warunków propagacyjnych

Jeśli użytkownik znajduje się blisko stacji bazowej – potrzebuje mniejszej mocy. Ale gdy sygnał jest tłumiony (np. przez ściany, drzewa), TPC zwiększy moc, aby utrzymać połączenie.

Zarządzanie zakłóceniami międzykomórkowymi

W gęstych sieciach 5G, gdzie sąsiednie komórki znajdują się blisko siebie, nieprawidłowe ustawienia mocy mogą powodować zakłócenia (interferencje). Mechanizmy TPC pozwalają minimalizować te problemy poprzez dynamiczne dostosowanie mocy każdego urządzenia.

Powiązane koncepcje: Beamforming i CSI

Aby TPC był skuteczny, 5G NR korzysta z precyzyjnych danych o kanale – czyli CSI (Channel State Information). Dodatkowo, beamforming – kierunkowe nadawanie sygnału – pozwala na lepsze wykorzystanie mocy transmisji w wybranym kierunku, zmniejszając zakłócenia i zwiększając efektywność.

Wyjątki i ograniczenia TPC

• Niektóre kanały (np. PRACH) mają ustalone profile mocy i nie stosują dynamicznych korekt.
• W trybie SA (Standalone) TPC działa w pełni niezależnie od LTE, ale w NSA może być sterowane częściowo przez eNodeB.
• W mmWave (powyżej 24 GHz) kontrola mocy staje się bardziej złożona z powodu szybszego tłumienia sygnału.

Podsumowanie roli TPC w 5G

Sterowanie mocą nadawczą (TPC) to fundament efektywnej i zrównoważonej pracy sieci 5G. Bez niego nie byłoby możliwe zapewnienie wysokiej jakości usług, niskich opóźnień i oszczędności energetycznych. Jutro zobaczymy, jak TPC współpracuje z harmonogramem uplink i algorytmami MAC-layer schedulerów.