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.重慶信科設計有限公司，重慶 400065;2.重慶郵電大學，重慶 400065)

TD－LTE［1］上行采用 SC－FDMA 技術，一個小區內不同UE的上行信號之間相互正交，這避免了小區內干擾，不存在CDMA系統因遠近效應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系統實行同頻組網方式，所有小區共用一套頻譜資源，因此小區間干擾成為整個系統性能提高的制約因素。

上行方向的干擾主要來自相鄰小區的用戶，用戶的位置、數目以及發射功率都是隨機變化的，因此上行小區間干擾情況比較復雜。小區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射功率，這會產生較強的干擾，降低系統容量。如何平衡邊緣用戶的通信質量和整個系統的性能，是一個值得研究的問題，而上行功率控制能比較好地權衡兩者之間的關系［2］。本文在3GPP 36.213協議中上行功率控制的基礎之上，對其應用情況進行了更加細致的劃分，并考慮臨小區的路徑損耗和干擾信息對本小區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

傳統的功率控制算法，采用全路損補償的方法，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表示發射功率譜密度;SINRtarget表示小區內部用戶的目標SINR;Iserving表示服務小區所受的干擾;PLserving表示用戶到服務基站的路徑損耗;PSDTxmax表示最大發射功率譜密度。

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

1.1 中心區域的上行功控算法

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

圖1 功控算法與不同區域的對應關系

式，即部分路徑損耗補償的功率控制算法，通過設置較高的目標SINR值，減少功率提升的限制條件，以此來提高整個系統的性能。在式(1)基礎上進行改進的部分路徑損耗補償的功率控制算法［3］如

式中:α表示路徑損耗補償因子，取值范圍在(0，1)之間，用來調節路損補償的程度。當α=1時，小區內所有用戶具有相同的發射功率譜密度，與傳統慢速功控算法一樣。

1.2 次邊緣區域的功控算法

次邊緣區域的用戶相比于中心區域的用戶，離服務基站的距離稍遠，信道條件沒有中心區域的穩定，受到臨區用戶的干擾也相應的有所增加，因此次邊緣區域用戶的功控方式不能簡單地采用部分路徑損耗補償的功控方法。次邊緣區域用戶的通信質量對整個系統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基站的路損情況，還應該考慮移動臺到鄰小區基站的路損情況。在忽略快衰的情況下，用戶對臨區的干擾主要受兩個因素影響:發射功率和用戶到臨小區的路徑損耗［5］，如

式中:Iserving表示服務小區所受的干擾;n表示非本小區的用戶數目;P(Tx)i表示非本小區用戶i的發射功率;PL(neighbour)i表示用戶i到鄰小區基站的路徑損耗。

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

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

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

1.3 邊緣小區的功控算法

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

式中:I表示干擾功率，N表示噪聲功率。邊緣區域用戶發射功率的大小，會在很大程度上決定系統干擾的大小，因此邊緣區域用戶發射功率需要在基于路損差功控方法的基礎之上再把系統的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的干擾過高。首先根據IOT裕量估算出可上升干擾的大小，再根據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，則邊緣區域目標SINR降低，進而降低發射功率以減小小區間干擾;反之，則增加發射功率來提高邊緣用戶的性能。

2 系統仿真流程與結果分析

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

表1 仿真參數

由圖2可以看出，在該仿真條件下，中心區域有2個用戶，次邊緣區域有7個用戶，邊緣區域有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變大，為了保證用戶的SINR維持不變，這時發射功率也相應增加，此時提高的發射功率產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增加到與設定的目標IOT相等時，用戶的發射功率會達到滿足限定條件的一個上限值，此時用戶的發射功率和整個系統的干擾相互制約，使用戶的吞吐量趨于一個穩定狀態。由于每個區域的限定條件不同，所以它們對IOT的忍受程度也有所不同，就會出現不同的拐點，這也符合前面的理論分析。少數用戶由于處于不同區域的交界地段，受到的干擾較大，發射功率在IOT比較小的時候已經達到所允許的上限值，所以當IOT增大時，吞吐量會急劇減少，只有在中心區域和次邊緣區域的用戶會出現這種現象，因為這兩個區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，因此在實際的應用中應當避免此種情況的出現。

由圖3可以看出，不論各個區域用戶比例是多少，隨著IOT的增加，系統吞吐量都有所增加。但當IOT的值大于12 dB之后，此時干擾也增大到一個極限值，限制了系統吞吐量的提高。由于仿真時設置目標IOT為8 dB，當系統IOT大于8 dB后就會減少用戶的發射功率，從而避免了傳統功率控制時干擾和功率交替上升的情況，即使整個系統的干擾很大，也會保持系統吞吐量穩定在一個范圍內，因此把干擾信息和IOT的值作為功率控制的依據改善系統的性能。在仿真過程中，設置PLa和PLb的值不同時，整個小區不同區域用戶所占的比例也不同，由于不同區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吞吐量。在實際建網時可以依據不同的業務密度來劃分不同區域用戶的比例，從而提高系統的容量。

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，可以根據實際的業務環境劃分不同的區域，然后對不同的區域實行不同的功控算法，這可以充分利用有限的功率來盡可能提高系統的吞吐量，對當前的大規模建網有參考意義。

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