基于TD-LTE的上行功率控制技术研究

林晓冬，宋晓国②

（①南京广播电视大学，江苏 南京 210002；②南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210003）

0 引言

随着无线通信的应用越来越广泛，现有 3G技术已经不能够满足用户对数据高速传输的需求，另一方面随着WiMAX标准被ITU-T批准为3G标准之一，WiMAX也在向移动化(802.16e)发展，企图抢占移动通信份额。为了迎接WiMAX技术带来的挑战，3GPP开始了下一代移动通信技术3GPP LTE的研发。LTE在以前的3G标准从架构上做了重新的设计[1]。LTE支持两种制式：TDD和FDD，TDD制式是中国自行研发的下一代通信系统。

功率控制主要用于设置下行信道基站发射机和上行信道移动台发射机的发射功率。3GPP规定LTE的频谱效率为 1，在多用户的场景下，许多用户都共享这些频谱资源，网络中有限的无线信道分配给小区里的用户，可能会发生相同的无线信道分给了不同的用户，导致发射给某个用户的信号由于其他用户使用了相同的信道而产生对其他用户的干扰，恶化了通话质量。另外，对信道质量好的用户可以考虑在不降低用户通信质量的情况下尽可能的降低发射功率，这样可以减少对其他用户的干扰，提高自身信道的通信质量。

1 TDD和FDD的区别

在TDD和FDD两种制式中，主要的不同之处是双工方式和帧结构。图1为FDD制式的帧结构[2]，图2为TDD制式的帧结构[2]。

图1 FDD制式的帧结构

LTE FDD采用成对但不相邻的频谱，依靠频率来区分上行和下行信道。数据的发送和接收必须在分离的两个对称频谱信道上进行，用保护频段来降低发送和接收信道之间的干扰[3]。频谱资源在时域上是连续的。在支持对称业务时，FDD能较好利用上、下行的频谱，但在支持非对称业务中，频谱利用率将降低很多。特别是在当今频谱资源比较稀缺的情况下，部署特性不是十分灵活。

LTE TDD系统无需成对的频谱，数据的发送和接收使用相同频带的不同时隙作为信道承载，是用时间来分离接收和发送信道的[3]。为了防止上行和下行之间的相互干扰，LTE TDD在上、下行两个方向转换中插入一定的时间保护间隔。TDD可通过调整上、下行时隙转换点，很好地支持非对称业务。因此，TDD部署特性要比FDD灵活。

LTE FDD借鉴了现有的UMTS的帧结构的设计，在帧结构的设计中没有采用特殊时隙，上下行都采用了简单的等长时隙的帧结构。一个无线帧的长度为10 ms，由10个子帧构成，每个子帧的包括两个时隙，每个时隙长度为0.5 ms。

LTE TDD的帧结构是在TD-SCDMA帧结构的基础上修改而成的，一个无线帧的长度也为 10 ms，每个10 ms无线帧包括2个长度为5 ms的半帧，每个半帧由4个数据子帧和1个特殊子帧组成。TDD保留了原帧结构中的3个特殊的时隙，分别是：保护间隔 (GP)、下行导频时隙 (DwPTS)和 上行导频时隙(UpPTS)，LTE TDD还支持上下行切换周期，具体见参考文献[2]。

2 基于目标SINR的上行功率控制算法

3GPP规定LTE上行功率控制的计算公式为[4]：

Bilal Muhammad提出的基于目标 SINR的上行功率控制算法的插图说明[5]如图3所示。

图3 基于目标SINR的上行功率控制算法的插图说明

其中，SINRtarget为终端以最大发射功率时的信干噪比，SINRtarget’为非最大时之值；PL为路径损耗；为终端发射功率。

此算法的计算公式为：

3 改进的算法

Bilal Muhammad算法的基本原则是首先确定若干个部分补偿因子值，然后分别根据部分补偿功率控制和全补偿功率控制两种设定情况，采用该算法对小区里所有用户进行仿真，由此得到一组小区里所有用户和小区边缘用户的平均数据比特率数据，再根据这些数据来选择和确定最优的部分补偿因子值。该算法存在不完善之处。主要体现在它仅仅考虑了全补偿和部分补偿功率控制两种情况，对小区里和小区边缘的用户数据比特率的影响。其实，功率控制还可以从用户的发射功率这个点来进行分析讨论，即从尽可能降低用户的发射功率这个视角进行考虑，在保证用户通信质量的前提下，对小区里面的全部用户分别使用上述改进算法进行全补偿和部分补偿功率控制，使用误码率和数据传输比特率来衡量用户的通信质量，通过仿真结果分析来得到最优的部分补偿因子值。然后把该算法应用于TD-LTE系统中进行仿真分析。

全补偿功率控制用户发射功率的计算公式为：

全补偿功率控制基站接收端信干噪比计算公式为：

部分补偿功率控制用户的发射功率为：

部分补偿功率控制基站接收端信干噪比计算公式为：

式(3)和式(5)为改进的算法关于用户发射功率的计算公式；式(4)和式(6)为该算法关于基站接收端的信干噪比的计算公式，在式(4)和式(6)中，IN为用户受到的干扰值。

仿真假设在一个TD-LTE系统单小区中，假设小区中有100个用户，他们在小区中的分布方式分别为均匀分布随机分布。用户是小区中心用户还是小区边缘用户，仿真中用路径损耗和阴影衰落两种取值的和来进行甄别，假设当某个用户的损耗超过10分贝时，则系统认为该用户为小区边缘用户，否则为中心用户。首次进入小区的用户与基站进行通信时，终端都会以最大功率发射信号，后续的功率调整则按照上述介绍的算法进行，功率控制调整周期为12个上行TTI。仿真具体参数见表1、表2。

表1 无线网络模型参数

表2 系统模型参数

图4、图5和图6为在TD-LTE单小区中的仿真结果。

图4 用户发射功率的仿真结果

图5 用户数据比特率的仿真结果

图6 用户误码率的仿真结果

观察图5和图6，补偿因子为0.7和0.6时用户数据传输比特率下降比较多，并且误码率与补偿因子在0.9和0.8时相比，也显得较大。综上所述，应在0.9和0.8之间选择最优补偿因子为佳。表2是补偿因子分别为0.9、0.8和1时的仿真数据对比分析。

表3 仿真数据的分析

从表3中可以看出，相对于全补偿的功率控制，部分功率控制当补偿因子分别为0.8和0.9时，发射功率分别节省了大约12.5%和5.4%,，数据比特率大约分别下降了4.3%，和2.55%。补偿因子为0.8和0.9时数据比特率相差大约10KB，3种情况下的误码率则相差不多。综合考虑数据比特率、发射功率和误码率情况，即认为部分补偿因子取0.8时为性能最优。

4 结语

在Bilal Muhamma提出的闭环功率控制算法的基础上，在保证用户通信质量的前提下，从尽可能降低用户发射功率这个视角来进行分析，给出了一种改进的算法，通过在TD-LTE系统中的仿真分析，证实了该算法的正确性。下一步可以考虑推广到TD_LTE多小区的功率控制研究，并重点关注小区边缘用户的切换问题。LTE(FDD和TDD)系统中上行功率控制算法其实也是一种小区间干扰抑制技术[6-8]，下一步也可以考虑进行软频率复用(SFR)与上行功率控制融合的方法，达到性能最优。

[1] 沈嘉，索士强，全海洋,等. 3GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计[M].人民邮电出版社，2008(11):32-33.

[2] 3GPP TS 36.201 V8.5.0. LTE Physical Layer- General Description[S].Antipolis:3GPP,2008: 14-19.

[3] 王映民，孙韶辉. TD-LTE 技术原理与系统设计[M].北京:人民邮电出版社，2010:107-109.

[4] 3GPP TS 36.213 v8.2.0 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRAN);Physical Layer Procedure[S].Antipolis:3GPP,2008:8-10.

[5] MUHAMMAD B,MOHAMMED A. Performance Evaluation of Uplink Closed Loop Power Control for LTE System[C]// IEEE Vehicular Technology Conference Fall (VTC 2009-fall):1-5.

[6] 董伟杰,王超.TD-LTE发展中的关键问题[J]. 通信技术,2010,43(05):168-169,175.

[7] 陈昌川,廖晓锋,赵川斌. TD-LTE无线接入网介绍[J].通信技术,2009,42(03):103-105.

[8] 罗志年,张文军,张海滨. TD-SCDMA系统基站间干扰分析[J]. 信息安全与通信保密,2006(10):60-62.

[9] 黄磊,戎蒙恬.中继增强型蜂窝网络资源调度算法研究[J]. 信息安全与通信保密,2007(06):86-88.