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时间:2010-12-15


新技术 Ne w Te chnology

数据通信

2010.4

TD- LTE 系统功率控制技术的研究
陈 俊 彭木根 王文博(北京邮电大学信息与通信工程学院 北京100876 ) 摘 要:分析了TD- SCDMA的长期演进系统 (TD- LTE 中的无线资源管理 (R R M 技术,介绍了 ) ) TD- LTE系统的功率控制 (Power Control 原理以及流程设计, ) 提出了一种基于目标SINR 的室外开环上行功率 仿真结果表明随着目标SINR 的增长,小区边 控制算法, 研究了在功率控制中目标SINR 对系统吞吐量的影响, 由此产生增益。 缘用户SINR 迅速增大到达一定的峰值之后缓慢下降并趋于稳定, 关键词:R R M;TD- LTE;FDD- LTE;功率控制

为了使移动通信与宽带无线接入BWA (Broadband Wireless Access 技术相互融合,并同时应对 ) WiMAX和4G的挑战, 3GPP启动了LTE项目。 LTE采用 ) 多输入多输出 (MIMO 等先 ) 正交频分复用 (OFDM 、

供一些机制保证空中接口无线资源的有效利用, 实 更高的数据速率、 更低的时 现最优的资源使用效率、 延, 从而满足系统所定义的无线资源相关的需求[2]。

进的无线传输技术、 扁平网络结构和全IP系统架构, 1 LTE系统架构 超过200Mbit/s的峰值速 支持最大20MHz的系统带宽、 LTE系统在设计之初便在基于分组交换的提高 率和更短的传输延时, 频谱效率达到3GPP R6标准的 数据速率、 降低传输时延、 提高系统性能、 降低系统 3~5倍。 TD- LTE作为TD- SCDMA的演进技术, 目前已成 为3GPP唯一的基于TDD技术的LTE标准。中国全面 启动的TD- LTE产业与国际LTE产业基本同步,并已 被国际广泛接受,将为中国在引领移动通信产业的 发 展 带 来 重 要 的 机 遇 。 TD- LTE 一 方 面 继 承 了 TD- SCDMA智能天线、 特殊时隙等的核心专利; 另一 TD方面, LTE可以提供更高的带宽,通过更灵活的 频谱配置方案 (1.4~20MHz 来提升网络效率和单个 ) 基站效率,并且采用公共无线资源管理控制基站来 简化系统结构, 减少网络节点, 从而更加有效地为用 户提供服务[1]。 在所有蜂窝系统中, 无线资源管理 (RRM 的功 ) 能对于系统的性能非常重要, 它决定了容量、 覆盖和 RRM提 服务质量 (QoS 及无线接口资源的使用效率。 ) 供空中接口的无线资源管理的功能,目的是能够提 复杂度等系统需求方面进行了严格的定义,现有3G 系统架构难以满足LTE的系统需求, 为全面满足LTE 系统需求, 系统架构也重新进行了设计。 TD从整体上说, LTE系统和FDD- LTE系统采用 相同的系统架构, 与3GPP系统类似, 分为核心网和接 TD入网两部分; LTE和FDD- LTE之间的差别主要表 现在帧结构 (TDD帧包含特殊时隙DwPTS和UpPTS ) 支持8天 和多天线配置上 (TDD沿用智能天线技术, [4] FDD最多支持4天线 。 线的波束赋形技术, ) LTE系统的整体架构包括演进后的 如图1所示, 核心网EPC (Evolved Packet Core network , ) 即图中的 MME/S- GW和演进后的接入网E- UTRAN。LTE接入 网仅由演进后的节点B即eNB (evolved Node B 组成, ) 提供到UE的E- UTRA控制面与用户面的协议终止 点。eNB之间通过X2接口进行连接, 并且在需要通信 LTE接入网 的两个不同eNB之间总是会存在X2接口。

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收稿日期:2010-08-02

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动态资源分配DRA(Dynamic Resource Allocation ) Scheduling , 又称为分组调度PS (Packet ) 该功能用于 分配和释放控制面与用户面数据包的无线资源, 包 进程资源、 资源块等。动态资源分配主要 括缓冲区、 考虑无线承载QoS需求、 信道质量信息、 干扰状态等 小区间干扰协调ICIC(Inter- cell Interference Co ordination, 功能是指通过对无线资源进行管理, ) 从 而将小区之间的干扰水平保持在可控的状态下, 尤 其是在小区边界地带,需要对无线资源做些特殊的 管理。 负载均衡LB (Load Balancing 功能用于处理多个 ) 小区间不均衡的业务量,通过均衡小区间的业务量 分配, 提高无线资源的利用率, 将正在进行会话中的 QoS保持在一个合理的水平, 降低掉话率。负载均衡 算法可能会导致部分终端进行切换或小区重选, 以 均衡小区间负载状况。
图1 LTE系统架构

S1接口支持多 与核心网之间通过S1接口进行连接, 到多连接方式。 与3G系统的网络架构相比,接入网仅包括eNB 一种逻辑节点, 网络架构中节点数量减少, 网络架构 更趋于扁平化。这种扁平化的网络架构带来的好处 并且由于减少了逻辑节点,也会带来运营成本 (OPEX 与资本支出 ) (CAPEX 的降低 。 )
[5]

是降低了呼叫建立时延以及用户数据的传输时延, 信息。

3 功率控制
TD- LTE系统是一个干扰受限系统, 其优越性的 体现有赖于功率控制技术的使用。功率控制是 TD- LTE系统中资源分配和干扰管理的关键技术之 一,有效的功率控制算法能够降低用户间的相互干 扰, 可以在满足每个用户通信质量的前提下, 最小化 增加系统容量, 并能延 其发射功率, 从而减少干扰、 长手机的待机时间[7]。 3.1 功率控制算法分类 功率控制算法主要从两个层次分析和研究: 全 局层次和局部层次。可以将功率控制分成不同的类 型[3], 如图2所示。

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TD- LTE系统RRM组成
RRM技术包括无线承载控制 (RBC 、 ) 无限接纳

控制 (RAC 、 ) 连接移动性控制 (CMC 、 ) 动态资源分配 ) 小区间干扰协调 (ICIC 和负载均衡 ) ) (LB 。 (DRA 、 Bearer Control 包括无 无线承载控制RBC (Radio ) 线承载的建立、 保持、 释放, 是对无线承载相关的资 源进行配置。当为一个服务连接建立无线承载时, 无 UTRAN中无线资源的 线承载控制需要综合考虑E整体状况、 正在进行中的会话的QoS需求以及该新建 服务连接的QoS需求。 无线接纳控制RAC(Radio Admission Control 功 ) 能用于在请求建立新的无线承载时判断允许介入或 拒绝接入。为得到合理、 可靠的判决结果, 在进行接 纳判决时, 无线接纳控制需要考虑E- UTRAN中无线 QoS需求、 资源状态的总体情况、 优先级、 正在进行中 的会话QoS情况以及该新建无线承载的QoS需求[6]。 连接移动性控制CMC (Connection Mobility Control 功能用于对空闲模式及连接模式下的无线资源进 ) 行管理。在空闲模式下, 为小区重选算法提供一系列 参数以确定最好小区; 在连接模式下, 支持无线连接 的移动性, 基于UE与eNB的测量结果进行切换决策。

图2 功率控制技术分类

根据功率控制在蜂窝系统中的链路方向不同分 为: 上行功率控制 (从移动台到基站) 和下行功率控 制 (从基站到移动台 ; ) 根据功率控制处理方式分为:

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集中式功率控制和分布式功率控制。根据确定功率 控制命令的测量指标分为: 基于信号功率、 基于SIR (信干比 、 ) 基于BER (误码率 ; ) 根据功率控制信息的 获取方式分为: 开环、 闭环、 外环。其中闭环又称为快 速内环。 开环功率控制是指发射端根据自身测量得到的 信息对发射功率进行控制, 不需要接收端的反馈。开 环功率控制在TD- LTE系统中主要用于随机接入过 程, 由于系统上下行链路在同一个载频上传送, 通过 对导频信号的路径损耗估计,接收端可以对发送信 号的路径损耗进行准确估计, 相应调整发送功率。开 环功率控制的基本原理可描述为: Pnest(dBm)=Ploss(dB)+Pdes(dBm) 其中Pnest 为开环功率控制调整后的终端发射功 P P 率; loss为测量得到的链路路径损耗; des为基站期望 收到的目标功率。 开环功率控制不需要反馈信道,算法相对于闭 环功率控制反应更灵敏。它可对移动台发射功率的 调整一步到位, 即信道衰落多少就补偿多少。但是在 深衰落的信道环境中,开环会使功率幅度调节过大 产生误调, 恶化系统性能。所以开环功率控制在目前 的标准中仅在无线链路建立时使用。 闭环功率控制是指需要发射端根据接收端送来 的反馈信息对发射功率进行控制的过程。它分为功 率调节和功率判决两个部分,因此功率调整的延迟 较大。 环境因素 (主要是用户的移动速度、 信号传播的 多径和迟延 对接收信号的质量有很大的影响。当信 ) 道环境发生改变时,接收信号SIR和BLER的对应关 系也相应发生变化。要根据信道环境的变化, 调整接 收信号的SIR目标值。由于UE和基站间的通信, 闭环 功率控制可以校正测量误差,并且以更小的更新周 期来补偿快衰,但是相对地需要一部分的反馈信息

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外环功率控制的SIR目标值调整策略是外环功 率控制流程的核心部分,理想的外环功率控制算法 ) 可以根据测量BLER值 (或物理层BER等测量信息 , 兼顾判决的不同情况,以不同步长调整SIR目标值。 根据功率调整大小的度量,功率控制又分为连续功 率控制和离散功率控制; 根据功率更新的测量, 功率 控制分为功率调整步长固定 (固定步长算法 和功率 ) 调整步长根据信道状况自适应地调整。 3.2 TD-LTE 功率控制的特点 由于LTE下行采用OFDMA技术,一个小区内发 送给不同UE的下行信号之间是相互正交的,因此不 存在CDMA系统因远近效应而进行功率控制的必要 性,即基站对本小区内所有频带都是以等功率发射 的。在TD- LTE中主要侧重上行功率控制, 用户根据 功率控制参数对不同的信道设定不同的上行发射功 率。TD- LTE上行功控主要用于补偿信道的路径损耗 和阴影衰落, 并用于抑制小区间干扰。采用慢功控方 TD- LTE系统可以利用上 式, 功控频率不高于200Hz。 下行信道对称性进行更高频率的功率控制。 开环功率控制一般用于TD- LTE系统的上行链 路中; 闭环功率控制在上下行都有, 有时会结合外环 功率控制来使功率保持在一定范围内。功率漂移与 软切换相关, 由于TD- LTE中采用硬切换, 所以此处 并不考虑功率漂移。此外, 非实时服务的功控是选择 性质的, 因为有混合自动重传请求 (HARQ , ) 所以非 实时服务不再需要功率控制使接收功率在深衰下仍 保持在给定值上[8]。 3.3 FDD 系统和TDD 系统的功率控制区别 TDD系统开环功率控制算法和快速闭环功率控 制算法理论上完全可以采用类似FDD系统的相应算 法机制, 主要差别在于不同算法的具体参数设置, 如 TDD系统的快速闭环功率控制只在每帧 (或子帧) 内 某个或某些时隙执行是非连续的,另外采用了多用

来换取调整精度的提高。另外还可以加入外环功控, 户检测技术和智能天线技术,所以其调整步长和 外环功率控制 结合快速AMC (自适应调制和编码 来补偿因信干噪 FDD系统有很大不同。在TDD系统中, ) 比 (SINR 测量和干扰变化而产生的误块率 ) (BLER ) 相对目标值的偏离。 外环功率控制的功能是将目标SIR调整到最恰 当的值, 以保证信号质量。外环功率控制流程主要包 含三部分: 测量接收信号质量BLER、 查询指定BLER 门限值、 门限判决, 按照相应策略调整SIR目标值。 算法需要充分考虑其每时隙服务用户数少,每个接 入用户对系统负载影响剧烈的特性,采用外环功率 控制调整步长策略,自适应确定最佳目标SIR值, 保 证系统频谱效率尽量高[10]。 3.4 TD-LTE 功率控制算法 TD- LTE理论上不需要下行功率控制, 而上行功

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4 结束语
本文提出了一种基于目标SINR的室外开环上行 功率控制算法,并研究了在功率控制中目标SINR对 系统吞吐量的影响。静态链路级仿真结果表明随着 小区边缘用户SINR迅速增大到达 目标SINR的增长, 一定的峰值, 之后缓慢下降并趋于稳定, 并产生了增 益, 提高了系统性能。 参考文献
[1] Mu gen Peng, Wenbo Wang, Hsiao- Hwa Chen.TD- SCDMA Evolution.IEEE Vehicular Technology Magazine, June 2010,5 (2):28- 41 [2] Mugen Peng,Wenbo Wang. A Framework for Investigating Radio Resource Management Algorithms in TD- SCDMA Systems.IEEE Radio Communication Magazine, June 2005, 12- 18 [3] 彭木根,王文博.3G无线资源管理与网络规划优化[M].北京: 人民邮电出版社,2006 [4] Mugen Peng,Wenbo Wang,Hsiao- Hwa Chen.Technologies and Standards for TD- SCDMA Evolutions to IMT- Advanced.IEEE Communications Magazine, December 2009,47(12):50- 58 [5] 沈嘉, 索士强, 全海洋等. 3GPP长期演进 (LTE 技术原理与 ) 2008 系统设计[M]. 北京: 人民邮电出版社, [6] Mugen Peng,Wenbo Wang,Jie Zhang.Investigation of Capacity and Call Admission Control in TD- SCDMA Uplink Systems Employing Multi- user Detection and Smart Antenna

率控制仅是为了补偿路径损耗和阴影衰落,所以我 们只讨论上行功率控制算法。上行功率控制计算公 式可表示为 :
[9]

P=min{Pmax,10log10M+P0+α×PL+ΔMCS+f(Δi)} 其中, P为UE的发射功率; max为UE的最大发射 P M为分配给该UE的上行RB数量; 0为小区特定 P 功率; 或UE特定的参数 (包括目标SINR、 干扰水平等) α ; 为小区特定的路损补偿系数, (取决于部分功控的幅 α=1即进行完全的路损补偿) PL为UE测量下行 度, ; Δ 路损值; MCS是由RRC (无线资源控制) 层制定的针 Δ 对某个特定MCS的参数; i是小区特定的发射功率 控制闭环修正系数; 函数f(x)由高层给出。 3.5 开环功率控制仿真结果分析 图3给出了室外开环功率控制在频率复用因子 小区半径分别为r=300时的SINR- CDF 为N=1情况下, 曲线。表1为图中各条曲线5% CDF对应的SINR值 SINRcell- edge 。

图3 室外开环功控下系统平均吞吐量对比示意图
表1 小区半径和S NR T的不同组合对应的S INR cell- edge(dB), N=1
SNRT (dB) r (m) 300 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6

Techniques.Wireless Communications and Mobile Computing, February 2010,10(2)241- 256 [7] 3GPP TS 36.101 v8.7.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E- UTRA);User Equipment (UE) Radio Transmission and Reception (Release 8) [8] 3GPP TS 36.133 v8.6.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E- UTRA); Requirements for Support of Radio

- 25.22 - 15.39 - 8.10 - 6.10 - 5.87 - 7.16 - 7.47 - 7.47 - 7.47

SNR 结果可看出,当小区半径一定, T的取值在 - 2~6dB之间变化时, SINRcell- edge的变化趋势为迅速增 大到达一定的峰值后缓慢下降并趋于稳定。其中, 当 SNRT取值大于5dB之后SINRcell- edge基本保持在- 7dB左 右,因为在SNRT=5dB时几乎所有的用户都已经使用 最大发射功率值进行通信,继续增大SNRT不会对 SINRcell- edge产生影响,此时相当于未使用上行功率控 制技术; 在小于5dB后, 用户开始根据功率控制算法 进 行 功 率 的 选 择 , 由 表 1 中 可 知 r=300 对 应 的 SINRcell- edge峰值出现在SNRT=2dB时。

Resource Management (Release 8) [9] 3GPP TS 36.331 v8.6.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E- UTRA); Radio Resource Control (RRC) ; Protocol Specification (Release 8) [10] Stefania Sesia,Issam Toufik,Matthew Baker.LTE- The UMTS Long Term Evolution: From Theory to Practice.Wiley,New York,2009
陈 作者简介: 俊 ,北 京 邮 电 大 学 硕 士 研 究 生 ;专 业 为 通 信 与 信 息系统。 ■

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