基于LTE系统的上行功率控制方法研究

蒋益锋，沈 琳，胡琳娜

(1.江苏理工学院信息中心，江苏 常州 213001;2.江苏理工学院电气信息工程学院，江苏 常州 213001;3.南京理工大学 紫金学院，江苏 南京 210046)

0 引言

LTE(Long Term Evolution，长期演进)是由3GPP(The 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划)组织制定的UMTS(Universal Mobile Telecommunications System，通用移动通信系统)技术标准的长期演进。3GPP长期演进(Long Tem Ev01ution，LTE)中上行的输技术使用单载波频分多址技术，使得单个小区内不同的UE之间的上行传输信号能够相互正交的，这样就能够保证没有明显的远近效应和CDMA系统的自干扰[1]。然而小区总的吞吐量以及小区边缘用户会受到小区间相互干扰的限制，从而降低整个系统的频谱利用率，因此要降低这种干扰的影响就必须采用功率控制方法[1]。

功率控制是LTE的关键技术，它主要通过功率的调节来实现对无线资源的合理分配，提高系统的容量，满足用户的服务质量要求。目前在LTE系统中，要实现小区间的相互干扰协调主要是通过小区间功率控制完成的。而小区内功率控制主要是由小区的基站独立完成，不接收周围基站的干扰信息。小区内的功率控制可以用于信号衰落的补偿，这样可以达到降低基站之间干扰的目的。在对边缘用户进行功率控制的时候，由于频率复用因子的关系，此时就需要考虑到小区之间相互干扰协调的问题。LTE系统中数据业务占比较大，这样就导致终端耗电量较大。如何降低终端耗电量，延长UE的续航能力，是目前研究的热点问题。因此，功率控制技术对于提高整个LTE系统性能以及延长电池续航能力发挥着重要作用。如何通过有效的功率控制方案使小区干扰最小化已成为LTE系统研究的重点。主要从干扰的角度研究LTE系统上行功率控制方案。

1 LTE功率控制技术

1.1 LTE系统架构

作为LTE的接入网E－UTRAN，其总体系统架构在文献[2]中进行了详细的描述。如图1所示，E－UTRAN由eNode B组成，由于没有设置集中式控制器，因此，可以认为E－UTRAN的架构是扁平的。EPC(演进型分组系统)和eNode B通过S1接口相连。各个是通过X2接口进行互连的。S1是连接eNode B和服务网关(Serving Gateway，S－GW)之间的接口，S1接口是的控制面终止在移动性管理实体(Mobil时 Managemem Ent时，MME)上[3]。

图1 LTE系统架构图

1.2 LTE功率控制技术

LTE功率控制技术根据小区里面上下行信道的区分，可以分为上行信道的功率控制(终端到基站方向的功率控制)和下行信道的功率控制(基站到终端方向的功率控制);根据终端自己调整功率还是和基站协调来调整发射功率可以分为开环功率控制和闭环功率控制。

开环功率控制是用户根据自身测量到的数据，然后调整下一次要发射的功率。开环功率控制不需要额外的控制信道，算法比较简单。闭环功率控制是用户和基站一起参与到功率控制的过程，用户需要等待基站的TPC(发射功率控制命令)才能够进行发射功率调整。闭环功率控制相对于开环来说具有更好的精确度，由于用户需要等待基站发送的功率控制命令，此命令需要在下行控制信道中发送给终端，在一定程度上增加了网络的信令开销[4]。

LTE系统中，上行物理信道可以分为PUSCH、PUCCH和PRACH其中对PUSCH信道的进行上行功率控制的目的是:

(1)当eNode B测量到所接受到的功率信号过大时，通知终端减少发射功率。

(2)当eNode B测量到所接受到的功率信号过小时，通知终端增加发射功率。

(3)当相邻小区的用户发生干扰时，可以通过上行功率控制来降低小区之间的相互干扰。

目前，上行功率控制技术作为移动通信系统中的关键技术，得到了广泛的研究。在LTE系统中，由于上行链路采用SC－FDMA技术，小区内不存在“远近效应”。小区间干扰成为了影响系统性能的重要因素，所以上行功率控制技术的目的是补偿路径损耗、阴影衰落等慢衰落，以及解决小区间的干扰问题[5]。标准[6]给出了功率控制中各项参数的取值范围，但对怎样取值并没有做出具体的规定。文献[7]对于功率控制机制进行分析，得到目标SINR与路径损耗之间的关系，提出基于目标SINR的小区内上行功率控制方法;文献[8，9]中提出基于负载的上行功率控制算法，该算法根据负载的变化自适应改变上行发射功率。文献[10]是LTE小区内开环功率控制的研究，文中针对LTE小区干扰的特点，提出了一种自适应上行链路功率控制切换技术[10]。从目前的研究情况看，对LTE上行功率控制和小区间功率控制中存在的相互干扰问题考虑的不多。因此，如何从干扰最小化的角度来研究功率控制方法，完善各小区之间协调，将是本文重点要研究的内容。

2 基于干扰最小化的LTE上行功率控制方案

在现有的功控算法中，存在一个较为严重的问题就是干扰恶性循环。对于实际系统，在某些场景(如小区覆盖边缘或小区间重叠覆盖区域)，存在用户间干扰，导致相互竞争，功率抬升的情况。此时即使增加功率，由于竞争导致干扰增加，可能SIR不会得到改善。但是SIR还是无法达到业务需求，所以会出现UE不断提高发射功率，直至eNode B或UE以最大功率进行发射的情况。LTE系统中其它UE由于受到该UE功率的抬升，干扰增大，为了保证自身的业务质量，也会不断抬升各自的发射功率，从而形成恶性循环，从整体上抬升系统干扰水平。在这种情况下，各UE之间的同频干扰非常大，业务质量无法得到保证，严重影响客户感知。图2所示为LTE系统用户间相互干扰示意图。

图2 LTE系统用户间相互干扰示意图

为解决以上问题，提出一种干扰最小化的内环功控算法，使eNode B或用户以最小的功率发射，保证通信质量所需的最小信噪比，使功控永远处于常态化，以致达到整体干扰的最小，解决现有技术中存在的出现功率控制失控现象、无法最大化的发挥功率控制的作用，使干扰最小化等问题。

内环功控算法，采用eNode B或UE对上行链路信干比SIRest测量值与外环功控设定满足业务质量要求的目标信干比SIRtarget比较，同时，通过记录历次测量信干比SIRest(i)，若在功率抬升过程中，进行上次功率抬升前后信干比测量值SIRest(i)与SIRest(i－1)的比较，若SIRest(i)－SIRest(i－1)≥0，则继续抬升功率，否则SIRest(i)－SIRest(i－1)＜0，则不再提升功率，结束内环功控，转向外环功控，根据外环功控设定新的SIRtarget值，继续一次新的闭环功控过程。eNode B用于完成上行信道信噪比SIRest的估计，同时遵循下述的原则来产生TPC指令并且进行发送:

为了避免在环境差、小区间干扰大的交叠区无限制抬升功率直至最大发射功率，引起周围用户也竞争抬升功率的恶性循环，采用通过前后所测SIR比较的方法来决定是否进一步抬升功率。为方便起见，设SIRest的初始值SIRest0取一个最小值，如－100，这样eNode B应该估计上行信道的信噪比SIRest肯定大于上次(即初始值)SIRest0，保证首次功控按原先流程执行。

当SIRest＞SIRtarget，此时的TPC指令显示“降低功率”;

当SIRest＜SIRtarget，此时的TPC指令显示“升高功率”。

SIRtarget表示目标的信噪比值大小，此值可以通过高层来进行适当的设置。

对于非首次功控，按照如下流程执行:

当SIRest＞SIRtarget，此时的TPC指令显示“降低功率”;

如果SIRest＜SIRtarget，同时SIRest(i)≥SIRest(i－1)，SIRest(i)为功率控制过程中第i次的SIR测量值，则TPC指令为“升高功率”;

如果SIRest＜SIRtarget，同时SIRest(i)＜SIRest(i－1)，则停止进一步抬升功率，转向外环功控。

UE侧主要用于完成TPC指令比特的软判决。当指令结果为“降低功率”时，这时可以减少发射功率一个功率控制的步长;相反，当指令结果为“升高功率”时，提高发射功率一个功率控制的步长。功率控制的步长可以进行随意设置，这种设置可以通过网络层的消息信元来完成。如设置为1dB、2dB或者3dB。上行链路的内环功控流程如图3所示:

图3 LTE上行内环功控流程图

上述功率控制算法，能够以最小的发射功率满足链路质量的通信要求，使功控处于正常状态，避免功率控制失控引起网络整体干扰抬升的恶性循环过程。

4 结论

LTE上行链路功率控制技术与无线资源管理密切相关，对于LTE系统提高小区内用户的体验感、抑制小区间干扰、增大小区吞吐量以及保证系统性能发挥着重要的作用。进行上行功率控制能够提高终端上行数据传输的质量，降低终端对小区内其余用户的干扰，提高终端电池的续航能力。如何进行上行链路功率控制，为用户提供所需功率的同时保证系统的性能，是LTE研究中需要面对的重要课题。笔者提出一种干扰最小化的LTE上行内环功控算法，通过功控算法将功率控制过程保持在常态区，以最小的发射功率满足业务通信要求，使得整体干扰最小化，有效提升网络质量和系统容量，提升客户感知度。

[1]翟泾璨.LTE系统上行小区功率控制关键技术研究[D].合肥:安徽大学，2012.

[2]3GPP TS 36.300(V9.0.0).Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E － UTRA)and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network(E －UTRAN);Overall description(Release 9)[S].Antipolis:3GPP，2009:4 －9.

[3]刘冰洋.3GPPLTE上行链路功率控制技术研究[D].郑州:解放军信息工程大学，2011.

[4]陈俊，彭木根.TD－LTE系统功率控制技术的研究[J].数据通信，2010(4):28－31.

[5]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].北京:人民邮电出版社，2008:278.

[6]3GPP TS36.300(V8.8.0).Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E － UTRA)and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network(E －UTRAN);Overall description(Release 8)[S].Antipolis:3GPP，2008:8 －10.

[7]Muhammad B，Mohammed A.Performance evaluation of uplink closed loop power control for LTE system.VTC 2009[C].Anchorage，USA，2009:1 －5.

[8]Mullner R，Ball C F，Ivanov K，et al.Enhancing uplink performance in UTRAN LTE networks by load adaptive power control[J].European transactions on telecommunications.2010，21(5):458 －468.

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