基于LTE系統(tǒng)的上行功率控制方法研究

蔣益鋒，沈 琳，胡琳娜

(1.江蘇理工學(xué)院信息中心，江蘇 常州 213001;2.江蘇理工學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，江蘇 常州 213001;3.南京理工大學(xué) 紫金學(xué)院，江蘇 南京 210046)

0 引言

LTE(Long Term Evolution，長(zhǎng)期演進(jìn))是由3GPP(The 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計(jì)劃)組織制定的UMTS(Universal Mobile Telecommunications System，通用移動(dòng)通信系統(tǒng))技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)期演進(jìn)。3GPP長(zhǎng)期演進(jìn)(Long Tem Ev01ution，LTE)中上行的輸技術(shù)使用單載波頻分多址技術(shù)，使得單個(gè)小區(qū)內(nèi)不同的UE之間的上行傳輸信號(hào)能夠相互正交的，這樣就能夠保證沒(méi)有明顯的遠(yuǎn)近效應(yīng)和CDMA系統(tǒng)的自干擾[1]。然而小區(qū)總的吞吐量以及小區(qū)邊緣用戶(hù)會(huì)受到小區(qū)間相互干擾的限制，從而降低整個(gè)系統(tǒng)的頻譜利用率，因此要降低這種干擾的影響就必須采用功率控制方法[1]。

功率控制是LTE的關(guān)鍵技術(shù)，它主要通過(guò)功率的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線資源的合理分配，提高系統(tǒng)的容量，滿(mǎn)足用戶(hù)的服務(wù)質(zhì)量要求。目前在LTE系統(tǒng)中，要實(shí)現(xiàn)小區(qū)間的相互干擾協(xié)調(diào)主要是通過(guò)小區(qū)間功率控制完成的。而小區(qū)內(nèi)功率控制主要是由小區(qū)的基站獨(dú)立完成，不接收周?chē)镜母蓴_信息。小區(qū)內(nèi)的功率控制可以用于信號(hào)衰落的補(bǔ)償，這樣可以達(dá)到降低基站之間干擾的目的。在對(duì)邊緣用戶(hù)進(jìn)行功率控制的時(shí)候，由于頻率復(fù)用因子的關(guān)系，此時(shí)就需要考慮到小區(qū)之間相互干擾協(xié)調(diào)的問(wèn)題。LTE系統(tǒng)中數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)占比較大，這樣就導(dǎo)致終端耗電量較大。如何降低終端耗電量，延長(zhǎng)UE的續(xù)航能力，是目前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。因此，功率控制技術(shù)對(duì)于提高整個(gè)LTE系統(tǒng)性能以及延長(zhǎng)電池續(xù)航能力發(fā)揮著重要作用。如何通過(guò)有效的功率控制方案使小區(qū)干擾最小化已成為L(zhǎng)TE系統(tǒng)研究的重點(diǎn)。主要從干擾的角度研究LTE系統(tǒng)上行功率控制方案。

1 LTE功率控制技術(shù)

1.1 LTE系統(tǒng)架構(gòu)

作為L(zhǎng)TE的接入網(wǎng)E－UTRAN，其總體系統(tǒng)架構(gòu)在文獻(xiàn)[2]中進(jìn)行了詳細(xì)的描述。如圖1所示，E－UTRAN由eNode B組成，由于沒(méi)有設(shè)置集中式控制器，因此，可以認(rèn)為E－UTRAN的架構(gòu)是扁平的。EPC(演進(jìn)型分組系統(tǒng))和eNode B通過(guò)S1接口相連。各個(gè)是通過(guò)X2接口進(jìn)行互連的。S1是連接eNode B和服務(wù)網(wǎng)關(guān)(Serving Gateway，S－GW)之間的接口，S1接口是的控制面終止在移動(dòng)性管理實(shí)體(Mobil時(shí) Managemem Ent時(shí)，MME)上[3]。

圖1 LTE系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.2 LTE功率控制技術(shù)

LTE功率控制技術(shù)根據(jù)小區(qū)里面上下行信道的區(qū)分，可以分為上行信道的功率控制(終端到基站方向的功率控制)和下行信道的功率控制(基站到終端方向的功率控制);根據(jù)終端自己調(diào)整功率還是和基站協(xié)調(diào)來(lái)調(diào)整發(fā)射功率可以分為開(kāi)環(huán)功率控制和閉環(huán)功率控制。

開(kāi)環(huán)功率控制是用戶(hù)根據(jù)自身測(cè)量到的數(shù)據(jù)，然后調(diào)整下一次要發(fā)射的功率。開(kāi)環(huán)功率控制不需要額外的控制信道，算法比較簡(jiǎn)單。閉環(huán)功率控制是用戶(hù)和基站一起參與到功率控制的過(guò)程，用戶(hù)需要等待基站的TPC(發(fā)射功率控制命令)才能夠進(jìn)行發(fā)射功率調(diào)整。閉環(huán)功率控制相對(duì)于開(kāi)環(huán)來(lái)說(shuō)具有更好的精確度，由于用戶(hù)需要等待基站發(fā)送的功率控制命令，此命令需要在下行控制信道中發(fā)送給終端，在一定程度上增加了網(wǎng)絡(luò)的信令開(kāi)銷(xiāo)[4]。

LTE系統(tǒng)中，上行物理信道可以分為PUSCH、PUCCH和PRACH其中對(duì)PUSCH信道的進(jìn)行上行功率控制的目的是:

(1)當(dāng)eNode B測(cè)量到所接受到的功率信號(hào)過(guò)大時(shí)，通知終端減少發(fā)射功率。

(2)當(dāng)eNode B測(cè)量到所接受到的功率信號(hào)過(guò)小時(shí)，通知終端增加發(fā)射功率。

(3)當(dāng)相鄰小區(qū)的用戶(hù)發(fā)生干擾時(shí)，可以通過(guò)上行功率控制來(lái)降低小區(qū)之間的相互干擾。

目前，上行功率控制技術(shù)作為移動(dòng)通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，得到了廣泛的研究。在LTE系統(tǒng)中，由于上行鏈路采用SC－FDMA技術(shù)，小區(qū)內(nèi)不存在“遠(yuǎn)近效應(yīng)”。小區(qū)間干擾成為了影響系統(tǒng)性能的重要因素，所以上行功率控制技術(shù)的目的是補(bǔ)償路徑損耗、陰影衰落等慢衰落，以及解決小區(qū)間的干擾問(wèn)題[5]。標(biāo)準(zhǔn)[6]給出了功率控制中各項(xiàng)參數(shù)的取值范圍，但對(duì)怎樣取值并沒(méi)有做出具體的規(guī)定。文獻(xiàn)[7]對(duì)于功率控制機(jī)制進(jìn)行分析，得到目標(biāo)SINR與路徑損耗之間的關(guān)系，提出基于目標(biāo)SINR的小區(qū)內(nèi)上行功率控制方法;文獻(xiàn)[8，9]中提出基于負(fù)載的上行功率控制算法，該算法根據(jù)負(fù)載的變化自適應(yīng)改變上行發(fā)射功率。文獻(xiàn)[10]是LTE小區(qū)內(nèi)開(kāi)環(huán)功率控制的研究，文中針對(duì)LTE小區(qū)干擾的特點(diǎn)，提出了一種自適應(yīng)上行鏈路功率控制切換技術(shù)[10]。從目前的研究情況看，對(duì)LTE上行功率控制和小區(qū)間功率控制中存在的相互干擾問(wèn)題考慮的不多。因此，如何從干擾最小化的角度來(lái)研究功率控制方法，完善各小區(qū)之間協(xié)調(diào)，將是本文重點(diǎn)要研究的內(nèi)容。

2 基于干擾最小化的LTE上行功率控制方案

在現(xiàn)有的功控算法中，存在一個(gè)較為嚴(yán)重的問(wèn)題就是干擾惡性循環(huán)。對(duì)于實(shí)際系統(tǒng)，在某些場(chǎng)景(如小區(qū)覆蓋邊緣或小區(qū)間重疊覆蓋區(qū)域)，存在用戶(hù)間干擾，導(dǎo)致相互競(jìng)爭(zhēng)，功率抬升的情況。此時(shí)即使增加功率，由于競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致干擾增加，可能SIR不會(huì)得到改善。但是SIR還是無(wú)法達(dá)到業(yè)務(wù)需求，所以會(huì)出現(xiàn)UE不斷提高發(fā)射功率，直至eNode B或UE以最大功率進(jìn)行發(fā)射的情況。LTE系統(tǒng)中其它UE由于受到該UE功率的抬升，干擾增大，為了保證自身的業(yè)務(wù)質(zhì)量，也會(huì)不斷抬升各自的發(fā)射功率，從而形成惡性循環(huán)，從整體上抬升系統(tǒng)干擾水平。在這種情況下，各UE之間的同頻干擾非常大，業(yè)務(wù)質(zhì)量無(wú)法得到保證，嚴(yán)重影響客戶(hù)感知。圖2所示為L(zhǎng)TE系統(tǒng)用戶(hù)間相互干擾示意圖。

圖2 LTE系統(tǒng)用戶(hù)間相互干擾示意圖

為解決以上問(wèn)題，提出一種干擾最小化的內(nèi)環(huán)功控算法，使eNode B或用戶(hù)以最小的功率發(fā)射，保證通信質(zhì)量所需的最小信噪比，使功控永遠(yuǎn)處于常態(tài)化，以致達(dá)到整體干擾的最小，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的出現(xiàn)功率控制失控現(xiàn)象、無(wú)法最大化的發(fā)揮功率控制的作用，使干擾最小化等問(wèn)題。

內(nèi)環(huán)功控算法，采用eNode B或UE對(duì)上行鏈路信干比SIRest測(cè)量值與外環(huán)功控設(shè)定滿(mǎn)足業(yè)務(wù)質(zhì)量要求的目標(biāo)信干比SIRtarget比較，同時(shí)，通過(guò)記錄歷次測(cè)量信干比SIRest(i)，若在功率抬升過(guò)程中，進(jìn)行上次功率抬升前后信干比測(cè)量值SIRest(i)與SIRest(i－1)的比較，若SIRest(i)－SIRest(i－1)≥0，則繼續(xù)抬升功率，否則SIRest(i)－SIRest(i－1)＜0，則不再提升功率，結(jié)束內(nèi)環(huán)功控，轉(zhuǎn)向外環(huán)功控，根據(jù)外環(huán)功控設(shè)定新的SIRtarget值，繼續(xù)一次新的閉環(huán)功控過(guò)程。eNode B用于完成上行信道信噪比SIRest的估計(jì)，同時(shí)遵循下述的原則來(lái)產(chǎn)生TPC指令并且進(jìn)行發(fā)送:

為了避免在環(huán)境差、小區(qū)間干擾大的交疊區(qū)無(wú)限制抬升功率直至最大發(fā)射功率，引起周?chē)脩?hù)也競(jìng)爭(zhēng)抬升功率的惡性循環(huán)，采用通過(guò)前后所測(cè)SIR比較的方法來(lái)決定是否進(jìn)一步抬升功率。為方便起見(jiàn)，設(shè)SIRest的初始值SIRest0取一個(gè)最小值，如－100，這樣eNode B應(yīng)該估計(jì)上行信道的信噪比SIRest肯定大于上次(即初始值)SIRest0，保證首次功控按原先流程執(zhí)行。

當(dāng)SIRest＞SIRtarget，此時(shí)的TPC指令顯示“降低功率”;

當(dāng)SIRest＜SIRtarget，此時(shí)的TPC指令顯示“升高功率”。

SIRtarget表示目標(biāo)的信噪比值大小，此值可以通過(guò)高層來(lái)進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)置。

對(duì)于非首次功控，按照如下流程執(zhí)行:

當(dāng)SIRest＞SIRtarget，此時(shí)的TPC指令顯示“降低功率”;

如果SIRest＜SIRtarget，同時(shí)SIRest(i)≥SIRest(i－1)，SIRest(i)為功率控制過(guò)程中第i次的SIR測(cè)量值，則TPC指令為“升高功率”;

如果SIRest＜SIRtarget，同時(shí)SIRest(i)＜SIRest(i－1)，則停止進(jìn)一步抬升功率，轉(zhuǎn)向外環(huán)功控。

UE側(cè)主要用于完成TPC指令比特的軟判決。當(dāng)指令結(jié)果為“降低功率”時(shí)，這時(shí)可以減少發(fā)射功率一個(gè)功率控制的步長(zhǎng);相反，當(dāng)指令結(jié)果為“升高功率”時(shí)，提高發(fā)射功率一個(gè)功率控制的步長(zhǎng)。功率控制的步長(zhǎng)可以進(jìn)行隨意設(shè)置，這種設(shè)置可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層的消息信元來(lái)完成。如設(shè)置為1dB、2dB或者3dB。上行鏈路的內(nèi)環(huán)功控流程如圖3所示:

圖3 LTE上行內(nèi)環(huán)功控流程圖

上述功率控制算法，能夠以最小的發(fā)射功率滿(mǎn)足鏈路質(zhì)量的通信要求，使功控處于正常狀態(tài)，避免功率控制失控引起網(wǎng)絡(luò)整體干擾抬升的惡性循環(huán)過(guò)程。

4 結(jié)論

LTE上行鏈路功率控制技術(shù)與無(wú)線資源管理密切相關(guān)，對(duì)于LTE系統(tǒng)提高小區(qū)內(nèi)用戶(hù)的體驗(yàn)感、抑制小區(qū)間干擾、增大小區(qū)吞吐量以及保證系統(tǒng)性能發(fā)揮著重要的作用。進(jìn)行上行功率控制能夠提高終端上行數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量，降低終端對(duì)小區(qū)內(nèi)其余用戶(hù)的干擾，提高終端電池的續(xù)航能力。如何進(jìn)行上行鏈路功率控制，為用戶(hù)提供所需功率的同時(shí)保證系統(tǒng)的性能，是LTE研究中需要面對(duì)的重要課題。筆者提出一種干擾最小化的LTE上行內(nèi)環(huán)功控算法，通過(guò)功控算法將功率控制過(guò)程保持在常態(tài)區(qū)，以最小的發(fā)射功率滿(mǎn)足業(yè)務(wù)通信要求，使得整體干擾最小化，有效提升網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和系統(tǒng)容量，提升客戶(hù)感知度。

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