一种基于用户划分的LTE 上行闭环功率控制算法

袁 泉，孙彦超，李校林，李大龙

(1.重庆邮电大学，重庆400065;2.重庆信科设计有限公司，重庆400065)

0 引言

长期演进［1］(long term evolution，LTE)上行多址接入采用单载波频分多址接入(single carrier-frequency division multiple access，SC-FDMA)方案，避免了小区内用户之间的干扰，但在频率复用因子为1的情况下不能避免小区间干扰。解决小区间干扰问题的主要思路［2］是限制可能产生干扰的时频资源分配或在一定时频资源上限制发射功率。相对于前者，功率控制方案不会因为用户数目和位置的变化而复杂度急剧增加，它的实现比较简单灵活。

3GPP规定LTE上行链路采用开环与闭环相结合的功率控制方法［3］，补偿路径损耗和阴影衰落并降低小区间干扰。目前大多数研究仅局限于开环功率控制算法［4-9］。而在用户根据开环功率控制算法计算初始发射功率发送上行数据之后，若用户一直处于附着状态，开环功率控制就不再起作用，因此，闭环功率控制具有重要的研究意义。文献［7］中的小区间功率控制算法通过设计迭代函数来比较信干噪比(signal to interference plus noise ratio，SINR)测量值和SINR门限值，从而得出最佳的功率分配方案。文中提出不同的用户和用户业务类型可以设置不同的SINR门限值，但并没有对SINR门限值的设置进行研究。文献［10］针对传统闭环功率控制算法不能同时提高小区边缘吞吐量和系统吞吐量的缺点，提出经典SINR闭环功率控制算法。该算法根据用户到服务小区的路径损耗情况为不同的用户设置不同的目标SINR值，但是在小区边缘并未考虑到用户对相邻小区的干扰，小区吞吐量较低。本文在文献［10］的基础上，提出一种基于用户划分的闭环功率控制算法。算法将用户划分为小区中心用户和小区边缘用户，分析中心用户和边缘用户对相邻小区的干扰情况，采用不同的方法为中心用户和边缘用户设置目标SINR值。经过理论分析后通过MATLAB系统级仿真平台来验证算法的性能。

1 LTE上行链路功率控制

3GPP规定了用户设备(user equipment，UE)端物理上行共享信道(physical uplink shared channel，PUSCH)的发射功率配置，第i个子帧中的PUSCH传输功率定义如下［3］

(1)式中:PMAX是UE的最大发射功率;MPUSCH(i)是PUSCH占用的物理资源块(physical resource block，PRB)数目;PO_PUSCH(j)由UE和小区特性参数2个部分组成;j与UE业务的类型有关;α(j)是部分功率控制系数，它是3 bits小区特性参数，取值为［0，1］;PL是UE根据参考信号的接收功率，计算得到的下行路径损耗估计值;ΔTF(i)是与调制编码方式相对应的偏移量;f(Δi)是UE特性的闭环功率调整状态，其中，Δi是闭环修正值，而f(·)是一个判断功率控制调整状态为累积性还是绝对性的功能函数。

UE在初始进行小区附着时进行开环功率控制。若此后附着成功，则使用闭环功率控制以适应小区间干扰的变化。LTE闭环功率控制流程如图1所示。

本文进行闭环功率调整时，采用累积型修正函数［10］:

(2)式中:δPUSCH是UE特性修正值，称为发射功率控制(transmit power control，TPC)命令值;KPUSCH是小区特性参数。

图1 LTE闭环功率控制示意图Fig.1 Schematic diagram for LTE closed loop power control

文献［10］针对传统闭环功率控制算法不能同时提高边缘用户吞吐量和小区整体吞吐量的缺点，提出经典SINR闭环功率控制算法，该算法根据每个用户到服务基站不同的路径损耗值(简称路损值)为用户设置不同的目标SINR值。但是该文献为用户设定目标SINR值时，并未考虑小区边缘用户对相邻小区的干扰。如果小区边缘用户到相邻小区的阴影衰落较小，或者相邻小区属于异构网系统中半径较小的小区，则为小区边缘用户设置较大的目标SINR值将会对相邻小区造成很强的干扰。

2 基于用户划分的闭环功率控制算法

针对上述问题，文章提出一种基于用户划分的闭环功率控制算法。设置一个路损门限值PLthres，根据用户到服务小区的路损与该门限值进行比较，将小区用户分为小区中心用户和小区边缘用户，而算法根据不同的用户特性设置闭环功率控制中目标SINR值。

2.1 小区中心用户闭环功率控制

由于小区中心用户距离服务基站较近，信道条件相对较好，而且距离相邻小区较远，对相邻小区的干扰也较小。采用经典SINR闭环功率控制算法中设定目标SINR的方法，为小区中心用户设定较高的目标SINR值，以此来提高整个系统的性能，如图2所示。

图2 小区中心用户目标SINRFig.2 SINR target for cell-center users

根据图2所示，经典SINR闭环功率控制算法设定目标SINR值的公式表示为

(3)式中:SINRtarget表示为用户设定的目标SINR值;SINRtarget0表示该算法中小区边缘用户最低目标SINR值;PLMAX是在P=PMAX时对应的路损值。当PL≥PLMAX时，UE使用最大发射功率。

图2中，路损值小于PLthres的用户为小区中心用户，则根据(3)式为用户设置闭环功率控制时的目标SINR值。

2.2 小区边缘用户闭环功率控制

小区边缘用户距离服务基站较远，信道条件较差。在忽略快衰落的情况下，用户对相邻小区的干扰主要受2个因素影响:用户发射功率和用户到相邻小区的路损。如果2个用户具有相同的发射功率，而到相邻小区的路损不一样，则对相邻小区的干扰也不一样。因此，小区边缘用户闭环功率控制中，目标SINR值的设置需要考虑用户到受干扰最强的相邻小区的路损情况。在不对该相邻小区产生较强干扰的情况下，设置尽量大的目标SINR值，如图3所示。

图3 小区边缘用户目标SINR Fig.3 SINR target for cell-edge users

路损值大于PLthres的用户为小区边缘用户。文献［5］提出基于路损差的开环功率控制算法，本文在文献［5］的基础上，提出对小区边缘用户的闭环功率控制中目标SINR的设定方法。

图3中目标SINR值的设定公式为

(4)－(6)式中:ΔPLMAX为 SINRtarget取最大值SINRMAX时的最大路径损耗差值，在参数 α和SINRMAX已设定的情况下，ΔPLMAX为固定值;SINRMAX是为避免远近效应而固定设置的最大的目标SINR值;PLneighbor是小区边缘用户到受干扰最强的相邻小区的路径损耗值;PLserving是小区边缘用户到服务小区的路径损耗值;ΔPL是小区边缘用户到服务小区和受干扰最强的相邻小区之间的路径损耗差值，若ΔPL＜ΔPLMAX，根据(4)式计算SINRtarget的值;若ΔPL≥ΔPLMAX，则 SINRtarget值取最大值SINRMAX。当小区边缘用户到受干扰最强的相邻小区基站和服务基站之间的路损差低于 ΔPLMAX时，设定的目标SINR值不断增大，斜率为1－α，达到ΔPLMAX之后，不再增加。这种为小区边缘用户设定目标SINR值的算法在不对相邻小区产生过强干扰的情况下，尽量设置较大的目标SINR值，能够在一定程度上提高小区边缘吞吐量。

2.3 基于用户划分的闭环功率控制算法流程

综上所述，基于用户划分的闭环功率控制算法的流程如下。

1)每个小区进行独立的PRB分配;

2)UE接收下行参考信号，获取到服务小区和受干扰最强邻小区的路损值。若是初次附着小区，则根据开环功率控制算法计算初始发射功率;否则，使用TPC命令调整后的发射功率。将数据信息和获取的路损值发给基站;

3)服务基站进行接收测量SINR，获取UE反馈的路损值，并根据PLthres将用户划分为小区中心用户和小区边缘用户，计算小区边缘用户到服务小区和受干扰最强的相邻小区的路径损耗差值。

4)服务基站判断每个用户是小区中心用户还是小区边缘用户，若为小区中心用户，则使用2.1中的算法设定目标SINR值，将接收测得的SINR值与设定的目标SINR值进行比较，发送TPC命令;若为小区边缘用户，使用2.2节中的算法设定目标SINR值，将接收测得的SINR值与设定的目标SINR值进行比较，发送TPC命令。

5)用户接收TPC命令，调整发射功率。转到步骤2)。

3 系统级仿真分析

为验证上述算法的性能，使用MATLAB搭建LTE多小区上行系统级仿真平台。仿真参数设置如表1所示。将用户随机分布在相邻的3个扇区内，每个扇区随机分配100个用户，每个用户占用一个PRB，并假设在同一次快照内每个用户的路径损耗和阴影衰落不变。

表1 仿真参数列表Table1 Simulation parameters

选取PLthres=75.54 dB作为划分中心用户和边缘用户的路损门限值。以传统闭环功控算法(closed loop power control，CLPC)、经典 SINR 闭环功控算法以及本文提出的基于用户划分的闭环功控算法作为仿真对象，仿真得到3种算法的干扰水平、小区吞吐量，如图4所示。

图4 受干扰最强邻小区的上行干扰水平抬升Fig.4 Interfere over thermal noise for the neighbor cells which suffering the strongest interference

从图4中可以看出，传统闭环功控算法将所有用户的目标SINR设置为4 dB，小区边缘用户对相邻小区的干扰最强;经典SINR闭环功控算法为用户设置的目标SINR值先随着用户路损的增加而线性降低，降低到一定水平后保持恒定值，该算法将干扰控制在较低的水平上;而本文提出的算法在经典SINR闭环功控算法的基础上考虑对相邻小区的干扰，减小了小区边缘用户的目标SINR值，有效地控制了对相邻小区干扰水平的动态范围(曲线斜率更高)，相比于经典SINR闭环功控算法在高干扰部分对相邻小区的干扰水平最大能够降低2 dB。

图5是小区用户平均吞吐量的概率密度曲线图。

图5 小区用户平均吞吐量Fig.5 Average throughput for cell users

从图5可以看出，本文提出的功控算法考虑了小区边缘用户对相邻小区的干扰，在满足基本业务需求的情况下设置了较低的目标SINR值，降低了小区间干扰，使得小区总吞吐量有一定的提高，因此，总吞吐量部分的概率密度曲线相对靠右。对小区中心用户采用经典SINR闭环功率控制算法，因此，仿真曲线在高吞吐量部分与经典SINR闭环功率控制算法重合。图6是小区总吞吐量的统计图。

图6 小区总吞吐量Fig.6 Total cell throughput

从图6也可以看出，本文提出的功控算法有效地提高了小区总吞吐量。

4 结束语

本文在经典SINR闭环功率控制算法基础上，将小区用户划分为小区中心用户和小区边缘用户，使用不同的方法为中心用户和边缘用户设置闭环功控的目标SINR值。为小区中心用户设置目标SINR时不考虑用户对相邻小区的干扰，而为小区边缘用户设置目标SINR时考虑了对相邻小区的干扰。仿真结果显示，本文提出的基于用户划分的闭环功率控制算法能够在降低对相邻小区的干扰的同时，提高小区总吞吐量。受干扰最强的相邻小区的路损情况可以通过切换测量获得，算法复杂度较低且易于实现。

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