LTE上行链路自适应功率控制切换技术

邓勇志，胡正才，温文坤，黄梓鹏

（新邮通信设备有限公司广州研发中心 广州 510663）

1 背景

在LTE系统中，各个子信道严格正交，因此不存在小区内干扰的问题。即使由于子载波频率或相位偏移造成信道间干扰，也可以通过信号处理的方法将干扰降到最低。OFDM系统内的主要干扰为小区间干扰，并在很大程度上影响着系统的性能。相比之下，小区边缘用户的发射功率对相邻小区的干扰要比中心用户大得多。

对于频率复用因子为N=1的小区，上行链路的小区间干扰主要由相邻小区的边缘用户使用相同频带资源产生。抑制小区间干扰的主要方法有部分频率复用（fractional frequency reuse，FFR）或者功率控制（power control，PC）。部分频率复用主要通过将小区边缘用户所使用的频率资源相互错开，降低小区边缘用户的同频干扰，但这种方法同时也会降低频谱利用率；功率控制则通过合理控制用户的发射功率，抑制小区间的干扰。

目前，已经提出了很多LTE的功率控制算法，本文中涉及的两个通用算法原理如下。

第一种，根据用户上报的功率余量（power headroom，PH），提升用户的发射功率，以提高接收的用户信号质量并选择阶数较高的调制编码方式 （modulation and coding scheme，MCS），达到提高小区吞吐量的目的。由于每个用户使用的发射功率都较大，因此小区间干扰会比较大。

第二种，基于接收到的功率谱密度 （power spectral destiny，PSD）来进行功率控制，系统通过控制所有用户的接收信号的PSD来稳定系统的小区间干扰水平[1]。使用这种功控方法，对于处在小区中心的用户，虽然其对相邻小区的干扰较小，但由于其接收的PSD被限制，将会导致其不能使用较大的发射功率，不能选择较高阶数的MCS，最终造成小区的整体吞吐量下降。

本文基于对以上两种算法的分析，提出了自适应功率控制算法，该算法结合两种算法所长，确保小区边缘用户性能的同时，尽量最大化小区吞吐量。自适应功率控制算法的原理如下：由于小区间中心用户距离其他相邻小区基站比较远，因此只要中心用户与边缘用户使用的频带错开，采用较大的发射功率，则中心用户对邻区的干扰就不会很大；而对于边缘用户，由于与相邻小区的边缘用户相距较近，有必要对它们的发射功率进行控制与协调，这样可以保证获得较好的小区边缘用户速率。

2 PUSCH功率控制

3GPP定义的PUSCH（物理上行共享信道）功率控制公式[2]如下：

式（1）显示，共享信道的发射功率由被分配的资源数MPUSCH(i)、初始发射功率PO_PUSCH、路损加权因子（即部分功率控制FPC）α、路径损耗PL、自适应编码方式ΔTF(i)及闭环功率控制指令（TPC）f(i)决定，其中i表示子帧号。

第i帧的PUSCH中每个RB（M=1）上的发射功率[3]为：

如果不考虑FPC，即α=1，忽略信道衰落影响（长时间内，信道衰落的均值为0），则接收的单位RB的信号功率PRX为：

基站可以通过信令控制UE是否根据所选的MCS计算 ΔTF(i)，如果不计算，则 ΔTF(i)=0。本文中仅讨论 ΔTF(i)=0的情况，即：

2.1 基于PSD的功率控制[4]

从上面接收到的单位RB功率来看，需要进行全路径损耗补偿，但是由于FDD系统中上下行的不相关性，用户无法通过测量下行的路径损耗来对上行进行完全补偿，因此可以在基站设置一个单位RB的目标PSD即PSDTarget之，同时通过测量得到的PUSCH上的实际PSD，即PRX，计算PRX和PSDTarget之间的差值即得到用户的功率调整量，从而实现对用户的功率控制。由于控制了接收的用户信号PSD，因此只要进行足够的调整就可以找到一个理想的目标PSD值，保证小区间的干扰处于合理的水平区间内。基于PSD功率控制的功率调整量计算如下：

其单位是dBm/RB。这种算法实现简单，而且能够比较容易地找到最优目标PSD，让小区间干扰水平处在一个较低的状态，同时具有较好的系统吞吐量。

2.2 基于PH的功率控制

这种功控算法的目标就是充分利用用户的功率余量（PH），通过提升发射功率来改善信号质量，从而最大化小区吞吐量。基站通过测量得到接收信号的信干噪比（SINR）值，并根据用户上报的PH来计算期望的SINR值[5]：

其中I和N分别是所分配资源上的干扰功率及噪声功率，Target_SINRtemp可以对应到一个MCS，如果目标SINR对应的MCS不存在，那么就要调整目标SINR，寻找与Target_SINRtemp最近的MCS对应的SINR，记为Target_SINR，那么就可以得到：

用户根据收到的功率调整命令以及相应的RB资源来调整发射功率，由于每次被调度的用户都可能采用较大的发射功率，因此对相邻小区的干扰会维持在一个较高的水平。这种功控算法可以提升小区中心用户峰值速率，但是系统整体吞吐量不一定能够改善，而且小区边缘用户的速率会受到很大的影响。

2.3 自适应功率控制切换

由上面分析可知，PSD方案侧重控制干扰水平，而PH方案则侧重于提高小区吞吐量。如果能够合理控制边缘用户的发射功率，同时让小区中心用户使用较大的功率发射，那么就可以在保证小区边缘用户的性能的同时，提升小区整体吞吐量和峰值速率。在此笔者提出了自适应的功率控制算法，充分利用上面两种算法的长处。由于小区中心用户对邻区造成的干扰较小，可以对其采用PH方案，同时对边缘用户则采用PSD方案以抑制其对邻区的干扰。

为使小区中心用户提升的发射功率不会增加对相邻小区边缘用户的干扰，将边缘用户跟中心用户使用的频率资源错开，这样由于不同小区中心用户之间的距离比较远，尽管它们使用大功率发射，也不会对彼此造成过大的干扰。原理如图1所示。

图1 功率控制与频带资源划分原理

系统可以设定功率控制模式的切换门限，如以路径损耗作为切换门限PLthreshold，则对第j个用户的TPC值可以按照式（9）计算：

其PLUEj中是第j个用户的路径损耗。

3 系统仿真与结果分析

本文的系统级仿真主要分析了结合PH及PSD的上行功率控制的系统性能。在仿真中，对于PH方案，Target_SINR设置为最高阶MCS所需要的 SINR，PSD方案PSDTarget则设置为可以使系统具有最大小区吞吐量的目标值。另外，PH方案中，预留的中心用户频带资源只供选择PH功控的用户使用。系统仿真详细参数设置如表1所示。

表1 仿真参数设置

仿真结果及分析如下。

图2 小区吞吐量与干扰噪声比水平

图2显示了随着两种功率控制用户所占比例的不同，小区吞吐量（Tput）的变化及其干扰噪声比（IoT）的变化。由图可见，随着PH用户比例的增加，小区的干扰增大。这是由于为了达到最高阶的MCS值，UE会提高发射功率，从而造成小区间干扰增大。而小区吞吐量方面，当PSD用户占87.5%（即PH用户占12.5%）时，系统具有最大小区吞吐量，相对于全PSD功率控制方案吞吐量提高9%。当PH用户继续增加时，小区吞吐量单调下降。值得注意的是当PSD用户占94%时，小区吞吐量较全PSD方案有所下降。这是因为虽然中心用户的MCS得到提升，但同时由于它们可以使用的资源集中在7%资源上，降低了频率选择性调度的增益，造成总体吞吐量下降。

图3显示了接收SINR的分布曲线。在小区边缘，87.5%PSD功控的接收SINR比100%PSD功控差大约0.5dB，但相对于0%PSD功控 （即所有用户都是用PH功控）明显有所改善，这是因为对小区边缘用户进行了基于PSD的功率控制，抑制了小区边缘用户的干扰；而在小区中心，0%PSD功控效果最好，这是由于PH用户可以使用全频带，从而为小区中心用户带来频选性调度增益。87.5%PSD功控的接收SINR则优于100%PSD功控，这是因为对于小区中心用户进行了基于PH的功率控制，使得这部分用户可以使用较高的发射功率而又不至引起太高的小区间干扰，从而提高了SINR。

图3 接收SINR的分布

图4 用户吞吐量分布

图4显示了用户归一化吞吐量分布曲线。归一化吞吐量定义为用户吞吐量与小区平均用户吞吐量的比值。从图4可以看出，87.5%PSD方案小区吞吐量的增益主要来源于12.5%的PH功率控制用户。这部分用户的吞吐量达到小区用户平均吞吐量的2倍以上。而另一方面，对于87.5%的PSD用户，由于其可用资源比100%PSD时减少了，因此损失了一定的频率选择性增益，造成其用户归一化吞吐量的下降。从公平性方面看，100%PSD方案具有更好的公平性。若允许预留的中心用户频带资源供选择PSD功控的用户使用，则可以改善用户调度公平性。

表2 吞吐量性能比较

表2总结了以上吞吐量的分析。可见，87.5%的PSD方案对峰值吞量改善显著，同时边缘吞吐量损失较小，小区整体的吞吐量也有一定提高。

4 结束语

本文提出的自适应功率控制切换技术，相对于前文所述的基于PH和基于PSD的两种功控技术，在系统吞吐量、边缘用户速率以及用户峰值速率之间提供了不同的平衡点，具有很好的参考意义。

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无线链路关键技术.北京：电子工业出版社，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