LTE上行鏈路自適應功率控制切換技術

鄧勇志，胡正才，溫文坤，黃梓鵬

（新郵通信設備有限公司廣州研發(fā)中心 廣州 510663）

1 背景

在LTE系統(tǒng)中，各個子信道嚴格正交，因此不存在小區(qū)內干擾的問題。即使由于子載波頻率或相位偏移造成信道間干擾，也可以通過信號處理的方法將干擾降到最低。OFDM系統(tǒng)內的主要干擾為小區(qū)間干擾，并在很大程度上影響著系統(tǒng)的性能。相比之下，小區(qū)邊緣用戶的發(fā)射功率對相鄰小區(qū)的干擾要比中心用戶大得多。

對于頻率復用因子為N=1的小區(qū)，上行鏈路的小區(qū)間干擾主要由相鄰小區(qū)的邊緣用戶使用相同頻帶資源產生。抑制小區(qū)間干擾的主要方法有部分頻率復用（fractional frequency reuse，F(xiàn)FR）或者功率控制（power control，PC）。部分頻率復用主要通過將小區(qū)邊緣用戶所使用的頻率資源相互錯開，降低小區(qū)邊緣用戶的同頻干擾，但這種方法同時也會降低頻譜利用率；功率控制則通過合理控制用戶的發(fā)射功率，抑制小區(qū)間的干擾。

目前，已經提出了很多LTE的功率控制算法，本文中涉及的兩個通用算法原理如下。

第一種，根據(jù)用戶上報的功率余量（power headroom，PH），提升用戶的發(fā)射功率，以提高接收的用戶信號質量并選擇階數(shù)較高的調制編碼方式 （modulation and coding scheme，MCS），達到提高小區(qū)吞吐量的目的。由于每個用戶使用的發(fā)射功率都較大，因此小區(qū)間干擾會比較大。

第二種，基于接收到的功率譜密度 （power spectral destiny，PSD）來進行功率控制，系統(tǒng)通過控制所有用戶的接收信號的PSD來穩(wěn)定系統(tǒng)的小區(qū)間干擾水平[1]。使用這種功控方法，對于處在小區(qū)中心的用戶，雖然其對相鄰小區(qū)的干擾較小，但由于其接收的PSD被限制，將會導致其不能使用較大的發(fā)射功率，不能選擇較高階數(shù)的MCS，最終造成小區(qū)的整體吞吐量下降。

本文基于對以上兩種算法的分析，提出了自適應功率控制算法，該算法結合兩種算法所長，確保小區(qū)邊緣用戶性能的同時，盡量最大化小區(qū)吞吐量。自適應功率控制算法的原理如下：由于小區(qū)間中心用戶距離其他相鄰小區(qū)基站比較遠，因此只要中心用戶與邊緣用戶使用的頻帶錯開，采用較大的發(fā)射功率，則中心用戶對鄰區(qū)的干擾就不會很大；而對于邊緣用戶，由于與相鄰小區(qū)的邊緣用戶相距較近，有必要對它們的發(fā)射功率進行控制與協(xié)調，這樣可以保證獲得較好的小區(qū)邊緣用戶速率。

2 PUSCH功率控制

3GPP定義的PUSCH（物理上行共享信道）功率控制公式[2]如下：

式（1）顯示，共享信道的發(fā)射功率由被分配的資源數(shù)MPUSCH(i)、初始發(fā)射功率PO_PUSCH、路損加權因子（即部分功率控制FPC）α、路徑損耗PL、自適應編碼方式ΔTF(i)及閉環(huán)功率控制指令（TPC）f(i)決定，其中i表示子幀號。

第i幀的PUSCH中每個RB（M=1）上的發(fā)射功率[3]為：

如果不考慮FPC，即α=1，忽略信道衰落影響（長時間內，信道衰落的均值為0），則接收的單位RB的信號功率PRX為：

基站可以通過信令控制UE是否根據(jù)所選的MCS計算 ΔTF(i)，如果不計算，則 ΔTF(i)=0。本文中僅討論 ΔTF(i)=0的情況，即：

2.1 基于PSD的功率控制[4]

從上面接收到的單位RB功率來看，需要進行全路徑損耗補償，但是由于FDD系統(tǒng)中上下行的不相關性，用戶無法通過測量下行的路徑損耗來對上行進行完全補償，因此可以在基站設置一個單位RB的目標PSD即PSDTarget之，同時通過測量得到的PUSCH上的實際PSD，即PRX，計算PRX和PSDTarget之間的差值即得到用戶的功率調整量，從而實現(xiàn)對用戶的功率控制。由于控制了接收的用戶信號PSD，因此只要進行足夠的調整就可以找到一個理想的目標PSD值，保證小區(qū)間的干擾處于合理的水平區(qū)間內。基于PSD功率控制的功率調整量計算如下：

其單位是dBm/RB。這種算法實現(xiàn)簡單，而且能夠比較容易地找到最優(yōu)目標PSD，讓小區(qū)間干擾水平處在一個較低的狀態(tài)，同時具有較好的系統(tǒng)吞吐量。

2.2 基于PH的功率控制

這種功控算法的目標就是充分利用用戶的功率余量（PH），通過提升發(fā)射功率來改善信號質量，從而最大化小區(qū)吞吐量。基站通過測量得到接收信號的信干噪比（SINR）值，并根據(jù)用戶上報的PH來計算期望的SINR值[5]：

其中I和N分別是所分配資源上的干擾功率及噪聲功率，Target_SINRtemp可以對應到一個MCS，如果目標SINR對應的MCS不存在，那么就要調整目標SINR，尋找與Target_SINRtemp最近的MCS對應的SINR，記為Target_SINR，那么就可以得到：

用戶根據(jù)收到的功率調整命令以及相應的RB資源來調整發(fā)射功率，由于每次被調度的用戶都可能采用較大的發(fā)射功率，因此對相鄰小區(qū)的干擾會維持在一個較高的水平。這種功控算法可以提升小區(qū)中心用戶峰值速率，但是系統(tǒng)整體吞吐量不一定能夠改善，而且小區(qū)邊緣用戶的速率會受到很大的影響。

2.3 自適應功率控制切換

由上面分析可知，PSD方案側重控制干擾水平，而PH方案則側重于提高小區(qū)吞吐量。如果能夠合理控制邊緣用戶的發(fā)射功率，同時讓小區(qū)中心用戶使用較大的功率發(fā)射，那么就可以在保證小區(qū)邊緣用戶的性能的同時，提升小區(qū)整體吞吐量和峰值速率。在此筆者提出了自適應的功率控制算法，充分利用上面兩種算法的長處。由于小區(qū)中心用戶對鄰區(qū)造成的干擾較小，可以對其采用PH方案，同時對邊緣用戶則采用PSD方案以抑制其對鄰區(qū)的干擾。

為使小區(qū)中心用戶提升的發(fā)射功率不會增加對相鄰小區(qū)邊緣用戶的干擾，將邊緣用戶跟中心用戶使用的頻率資源錯開，這樣由于不同小區(qū)中心用戶之間的距離比較遠，盡管它們使用大功率發(fā)射，也不會對彼此造成過大的干擾。原理如圖1所示。

圖1 功率控制與頻帶資源劃分原理

系統(tǒng)可以設定功率控制模式的切換門限，如以路徑損耗作為切換門限PLthreshold，則對第j個用戶的TPC值可以按照式（9）計算：

其PLUEj中是第j個用戶的路徑損耗。

3 系統(tǒng)仿真與結果分析

本文的系統(tǒng)級仿真主要分析了結合PH及PSD的上行功率控制的系統(tǒng)性能。在仿真中，對于PH方案，Target_SINR設置為最高階MCS所需要的 SINR，PSD方案PSDTarget則設置為可以使系統(tǒng)具有最大小區(qū)吞吐量的目標值。另外，PH方案中，預留的中心用戶頻帶資源只供選擇PH功控的用戶使用。系統(tǒng)仿真詳細參數(shù)設置如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設置

仿真結果及分析如下。

圖2 小區(qū)吞吐量與干擾噪聲比水平

圖2顯示了隨著兩種功率控制用戶所占比例的不同，小區(qū)吞吐量（Tput）的變化及其干擾噪聲比（IoT）的變化。由圖可見，隨著PH用戶比例的增加，小區(qū)的干擾增大。這是由于為了達到最高階的MCS值，UE會提高發(fā)射功率，從而造成小區(qū)間干擾增大。而小區(qū)吞吐量方面，當PSD用戶占87.5%（即PH用戶占12.5%）時，系統(tǒng)具有最大小區(qū)吞吐量，相對于全PSD功率控制方案吞吐量提高9%。當PH用戶繼續(xù)增加時，小區(qū)吞吐量單調下降。值得注意的是當PSD用戶占94%時，小區(qū)吞吐量較全PSD方案有所下降。這是因為雖然中心用戶的MCS得到提升，但同時由于它們可以使用的資源集中在7%資源上，降低了頻率選擇性調度的增益，造成總體吞吐量下降。

圖3顯示了接收SINR的分布曲線。在小區(qū)邊緣，87.5%PSD功控的接收SINR比100%PSD功控差大約0.5dB，但相對于0%PSD功控 （即所有用戶都是用PH功控）明顯有所改善，這是因為對小區(qū)邊緣用戶進行了基于PSD的功率控制，抑制了小區(qū)邊緣用戶的干擾；而在小區(qū)中心，0%PSD功控效果最好，這是由于PH用戶可以使用全頻帶，從而為小區(qū)中心用戶帶來頻選性調度增益。87.5%PSD功控的接收SINR則優(yōu)于100%PSD功控，這是因為對于小區(qū)中心用戶進行了基于PH的功率控制，使得這部分用戶可以使用較高的發(fā)射功率而又不至引起太高的小區(qū)間干擾，從而提高了SINR。

圖3 接收SINR的分布

圖4 用戶吞吐量分布

圖4顯示了用戶歸一化吞吐量分布曲線。歸一化吞吐量定義為用戶吞吐量與小區(qū)平均用戶吞吐量的比值。從圖4可以看出，87.5%PSD方案小區(qū)吞吐量的增益主要來源于12.5%的PH功率控制用戶。這部分用戶的吞吐量達到小區(qū)用戶平均吞吐量的2倍以上。而另一方面，對于87.5%的PSD用戶，由于其可用資源比100%PSD時減少了，因此損失了一定的頻率選擇性增益，造成其用戶歸一化吞吐量的下降。從公平性方面看，100%PSD方案具有更好的公平性。若允許預留的中心用戶頻帶資源供選擇PSD功控的用戶使用，則可以改善用戶調度公平性。

表2 吞吐量性能比較

表2總結了以上吞吐量的分析。可見，87.5%的PSD方案對峰值吞量改善顯著，同時邊緣吞吐量損失較小，小區(qū)整體的吞吐量也有一定提高。

4 結束語

本文提出的自適應功率控制切換技術，相對于前文所述的基于PH和基于PSD的兩種功控技術，在系統(tǒng)吞吐量、邊緣用戶速率以及用戶峰值速率之間提供了不同的平衡點，具有很好的參考意義。

1 Stefania Sesia,Issam Toufik,Matthew Baker.LTE-t he UMTS long term evolution from theory to practice.New York:John Wileys&Sons Inc,2009

2 3GPP TS 36.213 V8.7.0.Evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA);physical layer procedures,March 2009

3 Bilal Muhammad.Closed loop power control for LTE uplink.Blekinge Institute of Technology School of Engineering,November 2008

4 胡宏林，徐景.3GPP LTE無線鏈路關鍵技術.北京：電子工業(yè)出版社，2008

5 Castellanos C U,Calabrese F D,Pedersen K I,et al.Uplink interference control in UTRAN LTE based on the overload indicator.In:Vehicular Technology Conference,September 2008