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        基于用戶位置的TD-LTE上行功率控制研究

        2012-06-06 08:14:08蘇穎博
        電視技術 2012年1期
        關鍵詞:發(fā)射功率吞吐量損耗

        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(qū)內不同UE的上行信號之間相互正交,這避免了小區(qū)內干擾,不存在CDMA系統(tǒng)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(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衡兩者之間的關系[2]。本文在3GPP 36.213協(xié)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(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)內部用戶的目標SINR;Iserving表示服務小區(qū)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(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)域的對應關系

        式,即部分路徑損耗補償?shù)墓β士刂扑惴?,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(tǒng)的性能。在式(1)基礎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,用來調節(jié)路損補償?shù)某潭?。當?1時,小區(qū)內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ā4芜吘墔^(qū)域用戶的通信質量對整個系統(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量,需要較大的發(fā)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(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變大,為了保證用戶的SINR維持不變,這時發(fā)射功率也相應增加,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,因此在實際的應用中應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,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)務環(huán)境劃分不同的區(qū)域,然后對不同的區(qū)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(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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