袁 泉，孫彥超，李校林，李大龍

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

0 引言

長(zhǎng)期演進(jìn)［1］(long term evolution，LTE)上行多址接入采用單載波頻分多址接入(single carrier-frequency division multiple access，SC-FDMA)方案，避免了小區(qū)內(nèi)用戶之間的干擾，但在頻率復(fù)用因子為1的情況下不能避免小區(qū)間干擾。解決小區(qū)間干擾問(wèn)題的主要思路［2］是限制可能產(chǎn)生干擾的時(shí)頻資源分配或在一定時(shí)頻資源上限制發(fā)射功率。相對(duì)于前者，功率控制方案不會(huì)因?yàn)橛脩魯?shù)目和位置的變化而復(fù)雜度急劇增加，它的實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單靈活。

3GPP規(guī)定LTE上行鏈路采用開(kāi)環(huán)與閉環(huán)相結(jié)合的功率控制方法［3］，補(bǔ)償路徑損耗和陰影衰落并降低小區(qū)間干擾。目前大多數(shù)研究?jī)H局限于開(kāi)環(huán)功率控制算法［4-9］。而在用戶根據(jù)開(kāi)環(huán)功率控制算法計(jì)算初始發(fā)射功率發(fā)送上行數(shù)據(jù)之后，若用戶一直處于附著狀態(tài)，開(kāi)環(huán)功率控制就不再起作用，因此，閉環(huán)功率控制具有重要的研究意義。文獻(xiàn)［7］中的小區(qū)間功率控制算法通過(guò)設(shè)計(jì)迭代函數(shù)來(lái)比較信干噪比(signal to interference plus noise ratio，SINR)測(cè)量值和SINR門(mén)限值，從而得出最佳的功率分配方案。文中提出不同的用戶和用戶業(yè)務(wù)類(lèi)型可以設(shè)置不同的SINR門(mén)限值，但并沒(méi)有對(duì)SINR門(mén)限值的設(shè)置進(jìn)行研究。文獻(xiàn)［10］針對(duì)傳統(tǒng)閉環(huán)功率控制算法不能同時(shí)提高小區(qū)邊緣吞吐量和系統(tǒng)吞吐量的缺點(diǎn)，提出經(jīng)典SINR閉環(huán)功率控制算法。該算法根據(jù)用戶到服務(wù)小區(qū)的路徑損耗情況為不同的用戶設(shè)置不同的目標(biāo)SINR值，但是在小區(qū)邊緣并未考慮到用戶對(duì)相鄰小區(qū)的干擾，小區(qū)吞吐量較低。本文在文獻(xiàn)［10］的基礎(chǔ)上，提出一種基于用戶劃分的閉環(huán)功率控制算法。算法將用戶劃分為小區(qū)中心用戶和小區(qū)邊緣用戶，分析中心用戶和邊緣用戶對(duì)相鄰小區(qū)的干擾情況，采用不同的方法為中心用戶和邊緣用戶設(shè)置目標(biāo)SINR值。經(jīng)過(guò)理論分析后通過(guò)MATLAB系統(tǒng)級(jí)仿真平臺(tái)來(lái)驗(yàn)證算法的性能。

1 LTE上行鏈路功率控制

3GPP規(guī)定了用戶設(shè)備(user equipment，UE)端物理上行共享信道(physical uplink shared channel，PUSCH)的發(fā)射功率配置，第i個(gè)子幀中的PUSCH傳輸功率定義如下［3］

(1)式中:PMAX是UE的最大發(fā)射功率;MPUSCH(i)是PUSCH占用的物理資源塊(physical resource block，PRB)數(shù)目;PO_PUSCH(j)由UE和小區(qū)特性參數(shù)2個(gè)部分組成;j與UE業(yè)務(wù)的類(lèi)型有關(guān);α(j)是部分功率控制系數(shù)，它是3 bits小區(qū)特性參數(shù)，取值為［0，1］;PL是UE根據(jù)參考信號(hào)的接收功率，計(jì)算得到的下行路徑損耗估計(jì)值;ΔTF(i)是與調(diào)制編碼方式相對(duì)應(yīng)的偏移量;f(Δi)是UE特性的閉環(huán)功率調(diào)整狀態(tài)，其中，Δi是閉環(huán)修正值，而f(·)是一個(gè)判斷功率控制調(diào)整狀態(tài)為累積性還是絕對(duì)性的功能函數(shù)。

UE在初始進(jìn)行小區(qū)附著時(shí)進(jìn)行開(kāi)環(huán)功率控制。若此后附著成功，則使用閉環(huán)功率控制以適應(yīng)小區(qū)間干擾的變化。LTE閉環(huán)功率控制流程如圖1所示。

本文進(jìn)行閉環(huán)功率調(diào)整時(shí)，采用累積型修正函數(shù)［10］:

(2)式中:δPUSCH是UE特性修正值，稱(chēng)為發(fā)射功率控制(transmit power control，TPC)命令值;KPUSCH是小區(qū)特性參數(shù)。

圖1 LTE閉環(huán)功率控制示意圖Fig.1 Schematic diagram for LTE closed loop power control

文獻(xiàn)［10］針對(duì)傳統(tǒng)閉環(huán)功率控制算法不能同時(shí)提高邊緣用戶吞吐量和小區(qū)整體吞吐量的缺點(diǎn)，提出經(jīng)典SINR閉環(huán)功率控制算法，該算法根據(jù)每個(gè)用戶到服務(wù)基站不同的路徑損耗值(簡(jiǎn)稱(chēng)路損值)為用戶設(shè)置不同的目標(biāo)SINR值。但是該文獻(xiàn)為用戶設(shè)定目標(biāo)SINR值時(shí)，并未考慮小區(qū)邊緣用戶對(duì)相鄰小區(qū)的干擾。如果小區(qū)邊緣用戶到相鄰小區(qū)的陰影衰落較小，或者相鄰小區(qū)屬于異構(gòu)網(wǎng)系統(tǒng)中半徑較小的小區(qū)，則為小區(qū)邊緣用戶設(shè)置較大的目標(biāo)SINR值將會(huì)對(duì)相鄰小區(qū)造成很強(qiáng)的干擾。

2 基于用戶劃分的閉環(huán)功率控制算法

針對(duì)上述問(wèn)題，文章提出一種基于用戶劃分的閉環(huán)功率控制算法。設(shè)置一個(gè)路損門(mén)限值PLthres，根據(jù)用戶到服務(wù)小區(qū)的路損與該門(mén)限值進(jìn)行比較，將小區(qū)用戶分為小區(qū)中心用戶和小區(qū)邊緣用戶，而算法根據(jù)不同的用戶特性設(shè)置閉環(huán)功率控制中目標(biāo)SINR值。

2.1 小區(qū)中心用戶閉環(huán)功率控制

由于小區(qū)中心用戶距離服務(wù)基站較近，信道條件相對(duì)較好，而且距離相鄰小區(qū)較遠(yuǎn)，對(duì)相鄰小區(qū)的干擾也較小。采用經(jīng)典SINR閉環(huán)功率控制算法中設(shè)定目標(biāo)SINR的方法，為小區(qū)中心用戶設(shè)定較高的目標(biāo)SINR值，以此來(lái)提高整個(gè)系統(tǒng)的性能，如圖2所示。

圖2 小區(qū)中心用戶目標(biāo)SINRFig.2 SINR target for cell-center users

根據(jù)圖2所示，經(jīng)典SINR閉環(huán)功率控制算法設(shè)定目標(biāo)SINR值的公式表示為

(3)式中:SINRtarget表示為用戶設(shè)定的目標(biāo)SINR值;SINRtarget0表示該算法中小區(qū)邊緣用戶最低目標(biāo)SINR值;PLMAX是在P=PMAX時(shí)對(duì)應(yīng)的路損值。當(dāng)PL≥PLMAX時(shí)，UE使用最大發(fā)射功率。

圖2中，路損值小于PLthres的用戶為小區(qū)中心用戶，則根據(jù)(3)式為用戶設(shè)置閉環(huán)功率控制時(shí)的目標(biāo)SINR值。

2.2 小區(qū)邊緣用戶閉環(huán)功率控制

小區(qū)邊緣用戶距離服務(wù)基站較遠(yuǎn)，信道條件較差。在忽略快衰落的情況下，用戶對(duì)相鄰小區(qū)的干擾主要受2個(gè)因素影響:用戶發(fā)射功率和用戶到相鄰小區(qū)的路損。如果2個(gè)用戶具有相同的發(fā)射功率，而到相鄰小區(qū)的路損不一樣，則對(duì)相鄰小區(qū)的干擾也不一樣。因此，小區(qū)邊緣用戶閉環(huán)功率控制中，目標(biāo)SINR值的設(shè)置需要考慮用戶到受干擾最強(qiáng)的相鄰小區(qū)的路損情況。在不對(duì)該相鄰小區(qū)產(chǎn)生較強(qiáng)干擾的情況下，設(shè)置盡量大的目標(biāo)SINR值，如圖3所示。

圖3 小區(qū)邊緣用戶目標(biāo)SINR Fig.3 SINR target for cell-edge users

路損值大于PLthres的用戶為小區(qū)邊緣用戶。文獻(xiàn)［5］提出基于路損差的開(kāi)環(huán)功率控制算法，本文在文獻(xiàn)［5］的基礎(chǔ)上，提出對(duì)小區(qū)邊緣用戶的閉環(huán)功率控制中目標(biāo)SINR的設(shè)定方法。

圖3中目標(biāo)SINR值的設(shè)定公式為

(4)－(6)式中:ΔPLMAX為 SINRtarget取最大值SINRMAX時(shí)的最大路徑損耗差值，在參數(shù) α和SINRMAX已設(shè)定的情況下，ΔPLMAX為固定值;SINRMAX是為避免遠(yuǎn)近效應(yīng)而固定設(shè)置的最大的目標(biāo)SINR值;PLneighbor是小區(qū)邊緣用戶到受干擾最強(qiáng)的相鄰小區(qū)的路徑損耗值;PLserving是小區(qū)邊緣用戶到服務(wù)小區(qū)的路徑損耗值;ΔPL是小區(qū)邊緣用戶到服務(wù)小區(qū)和受干擾最強(qiáng)的相鄰小區(qū)之間的路徑損耗差值，若ΔPL＜ΔPLMAX，根據(jù)(4)式計(jì)算SINRtarget的值;若ΔPL≥ΔPLMAX，則 SINRtarget值取最大值SINRMAX。當(dāng)小區(qū)邊緣用戶到受干擾最強(qiáng)的相鄰小區(qū)基站和服務(wù)基站之間的路損差低于 ΔPLMAX時(shí)，設(shè)定的目標(biāo)SINR值不斷增大，斜率為1－α，達(dá)到ΔPLMAX之后，不再增加。這種為小區(qū)邊緣用戶設(shè)定目標(biāo)SINR值的算法在不對(duì)相鄰小區(qū)產(chǎn)生過(guò)強(qiáng)干擾的情況下，盡量設(shè)置較大的目標(biāo)SINR值，能夠在一定程度上提高小區(qū)邊緣吞吐量。

2.3 基于用戶劃分的閉環(huán)功率控制算法流程

綜上所述，基于用戶劃分的閉環(huán)功率控制算法的流程如下。

1)每個(gè)小區(qū)進(jìn)行獨(dú)立的PRB分配;

2)UE接收下行參考信號(hào)，獲取到服務(wù)小區(qū)和受干擾最強(qiáng)鄰小區(qū)的路損值。若是初次附著小區(qū)，則根據(jù)開(kāi)環(huán)功率控制算法計(jì)算初始發(fā)射功率;否則，使用TPC命令調(diào)整后的發(fā)射功率。將數(shù)據(jù)信息和獲取的路損值發(fā)給基站;

3)服務(wù)基站進(jìn)行接收測(cè)量SINR，獲取UE反饋的路損值，并根據(jù)PLthres將用戶劃分為小區(qū)中心用戶和小區(qū)邊緣用戶，計(jì)算小區(qū)邊緣用戶到服務(wù)小區(qū)和受干擾最強(qiáng)的相鄰小區(qū)的路徑損耗差值。

4)服務(wù)基站判斷每個(gè)用戶是小區(qū)中心用戶還是小區(qū)邊緣用戶，若為小區(qū)中心用戶，則使用2.1中的算法設(shè)定目標(biāo)SINR值，將接收測(cè)得的SINR值與設(shè)定的目標(biāo)SINR值進(jìn)行比較，發(fā)送TPC命令;若為小區(qū)邊緣用戶，使用2.2節(jié)中的算法設(shè)定目標(biāo)SINR值，將接收測(cè)得的SINR值與設(shè)定的目標(biāo)SINR值進(jìn)行比較，發(fā)送TPC命令。

5)用戶接收TPC命令，調(diào)整發(fā)射功率。轉(zhuǎn)到步驟2)。

3 系統(tǒng)級(jí)仿真分析

為驗(yàn)證上述算法的性能，使用MATLAB搭建LTE多小區(qū)上行系統(tǒng)級(jí)仿真平臺(tái)。仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。將用戶隨機(jī)分布在相鄰的3個(gè)扇區(qū)內(nèi)，每個(gè)扇區(qū)隨機(jī)分配100個(gè)用戶，每個(gè)用戶占用一個(gè)PRB，并假設(shè)在同一次快照內(nèi)每個(gè)用戶的路徑損耗和陰影衰落不變。

表1 仿真參數(shù)列表Table1 Simulation parameters

選取PLthres=75.54 dB作為劃分中心用戶和邊緣用戶的路損門(mén)限值。以傳統(tǒng)閉環(huán)功控算法(closed loop power control，CLPC)、經(jīng)典 SINR 閉環(huán)功控算法以及本文提出的基于用戶劃分的閉環(huán)功控算法作為仿真對(duì)象，仿真得到3種算法的干擾水平、小區(qū)吞吐量，如圖4所示。

圖4 受干擾最強(qiáng)鄰小區(qū)的上行干擾水平抬升Fig.4 Interfere over thermal noise for the neighbor cells which suffering the strongest interference

從圖4中可以看出，傳統(tǒng)閉環(huán)功控算法將所有用戶的目標(biāo)SINR設(shè)置為4 dB，小區(qū)邊緣用戶對(duì)相鄰小區(qū)的干擾最強(qiáng);經(jīng)典SINR閉環(huán)功控算法為用戶設(shè)置的目標(biāo)SINR值先隨著用戶路損的增加而線性降低，降低到一定水平后保持恒定值，該算法將干擾控制在較低的水平上;而本文提出的算法在經(jīng)典SINR閉環(huán)功控算法的基礎(chǔ)上考慮對(duì)相鄰小區(qū)的干擾，減小了小區(qū)邊緣用戶的目標(biāo)SINR值，有效地控制了對(duì)相鄰小區(qū)干擾水平的動(dòng)態(tài)范圍(曲線斜率更高)，相比于經(jīng)典SINR閉環(huán)功控算法在高干擾部分對(duì)相鄰小區(qū)的干擾水平最大能夠降低2 dB。

圖5是小區(qū)用戶平均吞吐量的概率密度曲線圖。

圖5 小區(qū)用戶平均吞吐量Fig.5 Average throughput for cell users

從圖5可以看出，本文提出的功控算法考慮了小區(qū)邊緣用戶對(duì)相鄰小區(qū)的干擾，在滿足基本業(yè)務(wù)需求的情況下設(shè)置了較低的目標(biāo)SINR值，降低了小區(qū)間干擾，使得小區(qū)總吞吐量有一定的提高，因此，總吞吐量部分的概率密度曲線相對(duì)靠右。對(duì)小區(qū)中心用戶采用經(jīng)典SINR閉環(huán)功率控制算法，因此，仿真曲線在高吞吐量部分與經(jīng)典SINR閉環(huán)功率控制算法重合。圖6是小區(qū)總吞吐量的統(tǒng)計(jì)圖。

圖6 小區(qū)總吞吐量Fig.6 Total cell throughput

從圖6也可以看出，本文提出的功控算法有效地提高了小區(qū)總吞吐量。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在經(jīng)典SINR閉環(huán)功率控制算法基礎(chǔ)上，將小區(qū)用戶劃分為小區(qū)中心用戶和小區(qū)邊緣用戶，使用不同的方法為中心用戶和邊緣用戶設(shè)置閉環(huán)功控的目標(biāo)SINR值。為小區(qū)中心用戶設(shè)置目標(biāo)SINR時(shí)不考慮用戶對(duì)相鄰小區(qū)的干擾，而為小區(qū)邊緣用戶設(shè)置目標(biāo)SINR時(shí)考慮了對(duì)相鄰小區(qū)的干擾。仿真結(jié)果顯示，本文提出的基于用戶劃分的閉環(huán)功率控制算法能夠在降低對(duì)相鄰小區(qū)的干擾的同時(shí)，提高小區(qū)總吞吐量。受干擾最強(qiáng)的相鄰小區(qū)的路損情況可以通過(guò)切換測(cè)量獲得，算法復(fù)雜度較低且易于實(shí)現(xiàn)。

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