基于用戶位置的TD－LTE上行功率控制研究

文 凱，蘇穎博，詹 鵬

(1.重慶信科設(shè)計有限公司，重慶 400065;2.重慶郵電大學(xué)，重慶 400065)

TD－LTE［1］上行采用 SC－FDMA 技術(shù)，一個小區(qū)內(nèi)不同UE的上行信號之間相互正交，這避免了小區(qū)內(nèi)干擾，不存在CDMA系統(tǒng)因遠近效應(yīng)而進行功率控制的必要性。但為了提高頻譜的利用效率，TD－LTE系統(tǒng)實行同頻組網(wǎng)方式，所有小區(qū)共用一套頻譜資源，因此小區(qū)間干擾成為整個系統(tǒng)性能提高的制約因素。

上行方向的干擾主要來自相鄰小區(qū)的用戶，用戶的位置、數(shù)目以及發(fā)射功率都是隨機變化的，因此上行小區(qū)間干擾情況比較復(fù)雜。小區(qū)邊緣用戶離基站較遠，信號衰耗比較嚴重，一般會采用較大的發(fā)射功率，這會產(chǎn)生較強的干擾，降低系統(tǒng)容量。如何平衡邊緣用戶的通信質(zhì)量和整個系統(tǒng)的性能，是一個值得研究的問題，而上行功率控制能比較好地權(quán)衡兩者之間的關(guān)系［2］。本文在3GPP 36.213協(xié)議中上行功率控制的基礎(chǔ)之上，對其應(yīng)用情況進行了更加細致的劃分，并考慮臨小區(qū)的路徑損耗和干擾信息對本小區(qū)用戶功率控制決策的影響。

1 不同用戶位置的功率控制算法

傳統(tǒng)的功率控制算法，采用全路損補償?shù)姆椒?，希望所有用戶達到相同的目標SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)值，其計算式為

式中:PSDTx表示發(fā)射功率譜密度;SINRtarget表示小區(qū)內(nèi)部用戶的目標SINR;Iserving表示服務(wù)小區(qū)所受的干擾;PLserving表示用戶到服務(wù)基站的路徑損耗;PSDTxmax表示最大發(fā)射功率譜密度。

由于(1)式并沒有考慮不同位置的用戶對小區(qū)間干擾貢獻的大小，因此小區(qū)邊緣用戶為了達到和小區(qū)中心用戶相同的SINR，就必須采用很高的發(fā)射功率，這增加了小區(qū)間的干擾，進而影響系統(tǒng)的性能?；谶@種情況，TD－LTE上行的功控算法對傳統(tǒng)的功控算法進行了改進，采用部分路損補償?shù)姆绞剑?］。為了更準確地控制不同區(qū)域用戶的發(fā)射功率，降低小區(qū)間的干擾，本文根據(jù)下行RSRP(RS Received Power)的值估算出不同用戶的路徑損耗，再根據(jù)路徑損耗的大小將用戶劃歸到不同的區(qū)域，然后對某個特定的區(qū)域采用相應(yīng)的功控算法。每個小區(qū)可以分為3個區(qū)域:中心區(qū)域、次邊緣區(qū)域和邊緣區(qū)域［4］。其原理如圖1所示。

1.1 中心區(qū)域的上行功控算法

位于中心區(qū)域的用戶，離服務(wù)基站距離較近，信道條件相對較好，且距鄰小區(qū)較遠，受到鄰小區(qū)用戶的干擾較小，因此可以采用3GPP 36.213協(xié)議中的功控方

圖1 功控算法與不同區(qū)域的對應(yīng)關(guān)系

式，即部分路徑損耗補償?shù)墓β士刂扑惴ǎㄟ^設(shè)置較高的目標SINR值，減少功率提升的限制條件，以此來提高整個系統(tǒng)的性能。在式(1)基礎(chǔ)上進行改進的部分路徑損耗補償?shù)墓β士刂扑惴ǎ?］如

式中:α表示路徑損耗補償因子，取值范圍在(0，1)之間，用來調(diào)節(jié)路損補償?shù)某潭取．敠?1時，小區(qū)內(nèi)所有用戶具有相同的發(fā)射功率譜密度，與傳統(tǒng)慢速功控算法一樣。

1.2 次邊緣區(qū)域的功控算法

次邊緣區(qū)域的用戶相比于中心區(qū)域的用戶，離服務(wù)基站的距離稍遠，信道條件沒有中心區(qū)域的穩(wěn)定，受到臨區(qū)用戶的干擾也相應(yīng)的有所增加，因此次邊緣區(qū)域用戶的功控方式不能簡單地采用部分路徑損耗補償?shù)墓胤椒?。次邊緣區(qū)域用戶的通信質(zhì)量對整個系統(tǒng)性能的影響也是比較重要的，因此不僅要考慮移動臺到本小區(qū)基站的路損情況，還應(yīng)該考慮移動臺到鄰小區(qū)基站的路損情況。在忽略快衰的情況下，用戶對臨區(qū)的干擾主要受兩個因素影響:發(fā)射功率和用戶到臨小區(qū)的路徑損耗［5］，如

式中:Iserving表示服務(wù)小區(qū)所受的干擾;n表示非本小區(qū)的用戶數(shù)目;P(Tx)i表示非本小區(qū)用戶i的發(fā)射功率;PL(neighbour)i表示用戶i到鄰小區(qū)基站的路徑損耗。

如果兩個用戶具有相同的發(fā)射功率，而到達鄰小區(qū)的路損不一樣，由式(3)可知對鄰小區(qū)的干擾也不一樣。如果用戶到臨區(qū)有較大的路損，即使發(fā)射功率很高，也不會對臨區(qū)造成很大的干擾?；谶@種情況，可以考慮在次邊緣區(qū)域的用戶，采用基于路損差的功率控制算法。次邊緣區(qū)域的目標SINR設(shè)定為

式中:PLneighbour表示目標小區(qū)到最強鄰小區(qū)的路徑損耗［6－7］。將式(4)代入式(2)得

對比式(2)和式(5)可以看出，式(5)的發(fā)射功率要較式(2)的發(fā)射功率大，這比較符合實際網(wǎng)絡(luò)中的情況。

1.3 邊緣小區(qū)的功控算法

邊緣區(qū)域用戶離基站距離最遠，信道條件較差，受鄰小區(qū)的干擾也最大，因此為了保證基本的通信質(zhì)量，需要較大的發(fā)射功率，而這又會導(dǎo)致干擾抬升。為了克服干擾，移動臺需要更高的發(fā)射功率，發(fā)射功率與干擾的交替上升，最終會致使邊緣區(qū)域用戶的發(fā)射功率首先達到最大值，此時干擾也是最嚴重的。為了避免干擾與發(fā)射功率的交替上升，就要限制熱噪聲抬升(IOT)的值，使其穩(wěn)定在某一點。IOT可以表征系統(tǒng)受干擾的程度，計算式如

式中:I表示干擾功率，N表示噪聲功率。邊緣區(qū)域用戶發(fā)射功率的大小，會在很大程度上決定系統(tǒng)干擾的大小，因此邊緣區(qū)域用戶發(fā)射功率需要在基于路損差功控方法的基礎(chǔ)之上再把系統(tǒng)的IOT信息也考慮進去。

這種基于干擾信息的功控算法要充分利用IOT和功率裕量的信息，找出滿足條件的最大可用SINR，以此來提升用戶性能，而又不會使整個系統(tǒng)的干擾過高。首先根據(jù)IOT裕量估算出可上升干擾的大小，再根據(jù)功率裕量算出可提升的SINR值，即

由式(7)，(8)可知，當 IOTactual大于 IOTtarget時，ΔSINR＜0，則邊緣區(qū)域目標SINR降低，進而降低發(fā)射功率以減小小區(qū)間干擾;反之，則增加發(fā)射功率來提高邊緣用戶的性能。

2 系統(tǒng)仿真流程與結(jié)果分析

本文的仿真主要是分析3個不同區(qū)域的用戶在系統(tǒng)IOT值不斷變化的過程中如何進行上行鏈路功率控制，以及其對系統(tǒng)吞吐量的影響［8］。在仿真中，3個不同區(qū)域的SINR值是根據(jù)鏈路級仿真誤碼率在1%情況下而確定的，中心區(qū)域的目標SINR為20 dB。仿真的詳細參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

由圖2可以看出，在該仿真條件下，中心區(qū)域有2個用戶，次邊緣區(qū)域有7個用戶，邊緣區(qū)域有1個用戶。其中大部分用戶的吞吐量都會隨著IOT的增加而增大，這是因為當IOT增加時，用戶受到的干擾也相應(yīng)變大，為了保證用戶的SINR維持不變，這時發(fā)射功率也相應(yīng)增加，此時提高的發(fā)射功率產(chǎn)生的增益大于由干擾帶來的負面影響，所以用戶的吞吐量也有所增加。當實際的IOT增加到與設(shè)定的目標IOT相等時，用戶的發(fā)射功率會達到滿足限定條件的一個上限值，此時用戶的發(fā)射功率和整個系統(tǒng)的干擾相互制約，使用戶的吞吐量趨于一個穩(wěn)定狀態(tài)。由于每個區(qū)域的限定條件不同，所以它們對IOT的忍受程度也有所不同，就會出現(xiàn)不同的拐點，這也符合前面的理論分析。少數(shù)用戶由于處于不同區(qū)域的交界地段，受到的干擾較大，發(fā)射功率在IOT比較小的時候已經(jīng)達到所允許的上限值，所以當IOT增大時，吞吐量會急劇減少，只有在中心區(qū)域和次邊緣區(qū)域的用戶會出現(xiàn)這種現(xiàn)象，因為這兩個區(qū)域的用戶采用的功控算法并沒有把功率裕量和IOT的信息考慮進去，因此在實際的應(yīng)用中應(yīng)當避免此種情況的出現(xiàn)。

由圖3可以看出，不論各個區(qū)域用戶比例是多少，隨著IOT的增加，系統(tǒng)吞吐量都有所增加。但當IOT的值大于12 dB之后，此時干擾也增大到一個極限值，限制了系統(tǒng)吞吐量的提高。由于仿真時設(shè)置目標IOT為8 dB，當系統(tǒng)IOT大于8 dB后就會減少用戶的發(fā)射功率，從而避免了傳統(tǒng)功率控制時干擾和功率交替上升的情況，即使整個系統(tǒng)的干擾很大，也會保持系統(tǒng)吞吐量穩(wěn)定在一個范圍內(nèi)，因此把干擾信息和IOT的值作為功率控制的依據(jù)改善系統(tǒng)的性能。在仿真過程中，設(shè)置PLa和PLb的值不同時，整個小區(qū)不同區(qū)域用戶所占的比例也不同，由于不同區(qū)域采用的是不同的功率控制算法，這樣可以更好地利用功率資源。圖3驗證了該方法可以提高系統(tǒng)吞吐量。在實際建網(wǎng)時可以依據(jù)不同的業(yè)務(wù)密度來劃分不同區(qū)域用戶的比例，從而提高系統(tǒng)的容量。

圖2 不同IOT值的用戶吞吐量

圖3 不同用戶比例下的吞吐量

3 結(jié)束語

本文提出的基于用戶位置的TD－LTE上行功率控制方法，可以根據(jù)實際的業(yè)務(wù)環(huán)境劃分不同的區(qū)域，然后對不同的區(qū)域?qū)嵭胁煌墓厮惴?，這可以充分利用有限的功率來盡可能提高系統(tǒng)的吞吐量，對當前的大規(guī)模建網(wǎng)有參考意義。

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