nbhkdz.com冰点文库

LTE系统中的功率控制技术

时间:2010-11-11


电信科学 2009 年第 10 期

TD 与 LTE 技术创新论坛

协办

LTE 系统中的功率控制技术
龙紫薇,邓 伟,杨 光 (中国移动通信集团公司研究院 北京 100053 )
摘 要

3G 系统采用 CDMA 多址方式,小区内 / 小区间的用户使用相同的频率资源,同频干扰较大,而 LTE
系 统 采 用 OFDMA 多 址 方 式 ,小 区 内 的 不 同 用 户 占 用 不 同 的 频 率 资 源 ,小 区 间 一 般 占 用 相 同 的 频 率 资源,小 区 内 用 户 间 同 频 干 扰 相 对 减 弱 , 因 此 ,在 主 要 用 于 解 决 干 扰 问 题 的 功 率 控 制 技 术 方 面 ,

LTE 系统比 3G 系统有较大简化。 本文重点介绍 LTE 系统的功率控制技术,在介绍之前,首先分析
了 LTE 系统的干扰情况,随后对现有系统中的通用功率控制技术进行探讨,从而引出 LTE 系统 的 功率控制方案。 关键词

LTE ;OFDM ;上 行 功 控 ;干 扰

1

LTE 系统的干扰分析
从 3GPP 长 期 演 进 (LTE) 的 设 计 目 标 可 以 看 出 , 下 行

系统,对功率控制的依赖性大大降低了。 CDMA 系统是自干 扰系统,小区内用户占用相同的频率,只是通过码分来区分 用户,同频干扰非常大 ,必须使用高效的功率控制技术 ,限 制系统内部的干扰电平, 降低小区内和小区间的干扰。 另 外,CDMA 系统还需要通过小区内的功率控制来克服“远近 效应”,并减小 UE 的功耗。 对于 LTE 系统来说,系统采用 OFDMA 和 SC-FDMA 多

100 Mbit/s 和上行 50 Mbit/s 的速率指标对物理层传输技术
提出了较高要求。 经过多轮的讨论,最终确定 3GPP LTE 系 统物理层传输方案为上行采用单载波 SC-FDMA 、下行采用

OFDMA 。 由于 LTE 采用 OFDMA 多址方式,相较于 CDMA

了各种多天线发射技术在终端不同移动速度下的吞吐量 。

· 对于运动速度低同时信噪比也低的场景, 建议发射 采用波束赋形技术或闭环技术发射一个数据流 ,以 提高用户接收性能。 · 对于高速情况下建议采用开环空间复用技术、 波束 赋形技术或发射分集技术: 运动速度高且信噪比高 的时候采用开环空间复用技术发射多个数据流 ;运 动速度高而信噪比低的时候采用波束赋形技术或发 射分集技术发射一个数据流。
(收稿日期:2009-09-28 )

8

结束语
在 LTE 系统中,根据覆盖场景、信道环境的变化,可自

适应地采用发送分集、空间复用和波束赋形等技术,以获得 较好的覆盖质量和小区吞吐量。 根据上面的仿真结果,发送 分集、空间复用和波束赋形的应用场景建议如下。 · 对于运动速度低、信噪比高的场景,建议采用闭环空间 复用技术发射多个数据流,可获得较高的小区吞吐量。

71

TD 与 LTE 技术创新论坛

址方式,小区内的不同用户占用不同的时频资源(如图 1 所 示),在时间和频域上得到区分,并不存在很明显的“远近效 应”和自干扰现象。 因此,LTE 系统的干扰主要来自小区间 干扰,小区间干扰主要由以下方面引起。

的衰落情况下。 LTE FDD 由于上下行链路的频段相差远远 大于信号的相关带宽, 所以上行和下行的信道衰落情况相 关度不高,这导致开环功率控制的准确度不会很高,只能起 到粗略控制的作用, 必须使用闭环功率控制才能达到精确 的控制效果。

LTE TDD 由 于 上 下 行 链 路 位 于 同 一 频 段 , 具 有 上 下
行信 道 互 易 性 ,开 环 功 控 可 以 达 到 相 当 高 的 控 制 精 度 , 此时不需要采用闭环功率控制也可以达到很好的控制 效果。

2.2 闭环功控
闭环功控是基站根据终端的反馈信息, 向终端下发增 加或减少发射功率的功控指令。 闭环功率控制可以更精确
图1

OFDMA 多址方式

地控制发射功率,但终端反馈会增加时延,且需要额外的信 令开销。

(1)TDD 系统中上下行子帧间的干扰

2.3 小区内功控
小区内功控由服务小区的基站独立完成, 不需要接收 邻小区的干扰信息。 小区内功控的目的如下。 (1 )补偿信号衰落 信号衰落主要由大尺度衰落和小尺度衰落(快衰落)造 成的。 大尺度衰落主要包括路径损耗和阴影衰落等。 (2 )减小对邻小区的干扰 当系统频率复用因子为 1 时, 小区间的干扰抖动将严 重影响小区边缘用户的性能,对小区边缘的用户做功控时, 需要考虑邻小区的干扰问题。

TDD 系统需要考虑上下行时隙的交叉干扰, 为了避免 eNB 间上下行时隙的干扰 ,TDD 系统需要保持 eNB 间的同
步。 LTE 系统要求 TDD 双工方式下,eNB 间时间同步保持在

3 μs 以内,频率同步保持在 0.05 ppm 以内。
(2 )小区间同频干扰

LTE 系 统 可 以 同 频 或 者 异 频 组 网 , 同 频 组 网 能 够 获
得较高的频谱利用率, 但会引起同频干扰, 可以通过上 行 功 控 、 小 区 间 干 扰 协 商 ( ICIC ) 等 方 式 减 少 小 区 间 的 同 频干扰。 总的来说,LTE 系统内的干扰主要来自同频邻小区,对 功控技术的依赖性也大大降低,同时由于下行与上行相比, 较容易采用其他减小同频干扰的技术 (譬如频选调度 、交 织 、加 扰 、波 束 赋 形 等 ),因 此 LTE 系 统 中 只 做 上 行 功 率 控 制,而下行只进行简单的功率分配。

2.4 小区间功控
小区间功控是本小区功控要基于邻小区受干扰水平指 示。 例如,邻小区测量自己受到的干扰情况,将此干扰水平 与可承受的干扰门限相比,超过干扰门限,则将干扰指示置 为“1 ”,否则置为“0 ”。 邻小区干扰指示为 1 时,将干扰指示 通知本小区,如图 2 所示。 本小区将通过降低 UE 发射功率 等措施,减少小区间的干扰。

2

常见上行功控方案

2.1 开环功控
开环功控是终端根据接收到的下行公共参考信号衰落 情况,估计自身发射链路的路径损耗,通过功控公式计算其 自身的发射功率,其特点是不需要向基站反馈信息,也不需 要等待基站的功控指令。 开环功控主要针对慢衰落,无线信道变化缓慢时,开环 功控能够很好地估计信道衰落情况,并做出响应,而且调整 的功率动态范围大。 这种衰落估计的准确度是建立在上下行链路具有一致
72
图2 小区内功控与小区间功控

电信科学 2009 年第 10 期

3 LTE 系统中的上行功控
如前所述,由 于 LTE 系 统 不 存 在 CDMA 系 统 中 的 “用 户间干扰”,所以可以在每个子频带内分别进行 “慢功控”, 采用的功控方案为开环功控加闭环调整。

值,通过广播消息告诉整个小区的终端。 PO_UE_PUSCH(j )是根据 终端的类型和位置来确定的终端特定的基准值, 通过 RRC 信令通知每个终端。 j 的取值为 {0, 1, 2} ,根据终端上行业务 的不同分为 3 类取值。 当 UE 在 PUSCH 已分配的资源上新 传或者重传 (如半持续性调度 )时,j=0 ;当 UE 在 PUSCH 上 新传或者重传的位置由当前子帧中的 PDCCH DCI format 0 指示时,j=1;当 UE 在 PUSCH 上发送随机响应信息时,j=2 。

LTE 系统的上行功控包括 PUSCH 、PRACH 、PUCCH 和 Sounding RS 的功控,以下分别对这几种信道的功控方案进
行介绍。

α (j )为部分功率补偿因子,取值范围为 {0, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1} 。 该 参 数 属 于 小 区 级 参 数 、半 静 态 配 置 ,用 3 bit 表示, 在小区内广播。 图 3 显示了 α 不同取值时,UE
的 路 径 损 耗 (pathloss) 与 目 标 SINR(target SINR) 之 间 的 关 系 。 α 取 1 时,终端对路径损耗进行完全补偿,SINR 值为固 定值。 当 α 小于 1 时,对边缘用户进行部分路损补偿,以牺 牲目标 SINR 值来避免对邻小区的干扰。 需要注意的是,当 功控考虑对其他小区干扰时,小区边缘 UE 的“目标 SINR ” 比小区中心 UE 的“目标 SINR ”小,这样会进一步影响小区 边缘 UE 的通信质量 ,因此在设置参数 α 时 ,需 要 考 虑 UE 之间的公平性问题。
· ΔTF(i)=10log10(2MPR(i) Ks-1)

3.1 PUSCH 的功控 PUSCH (physical uplink shared channel, 上 行 物 理 共 享
信道)的上行功控通过改变终端的发射功率达到以下 3 个目的: · 当终端处于基站近处,减少终端的发射功率,节省电 池消耗; · 当终端处于基站远处,增大终端的发射功率,保证上 行数据的正确传输; · 当系统内干扰严重时,通过调节终端功率,抑制小区 内和小区间干扰。 简单地说,上行功率就是通过补偿路径损耗,以一定的 规则(功控公式),计算出终端当前最合适的发射功率,保证 终端在小区内的有效工作。 终端的路径损耗随着终端在小区的位置而变化, 基站 需 要 通 过 终 端 上 报 Power Headroom 得 知 其 路 损 情 况 。

(2 )

其中 MPR 为当前的 MCS 方式,Ks 为小区级参数,半静 态配置,取值为 0 和 1.25 ,通过 RRC 信令通知。 当 Ks=0 时,

ΔTF(i ) =0 ,即不对 UE 当前的 MCS 进行功率补偿 ,由于终端
发 射 功 率 受 限 , 基 站 将 给 UE 分 配 多 个 上 行 物 理 传 输 块 (PRB ),保证上行数据吞吐量。 当 Ks=1.25 时,ΔTF(i )不为 0 , 基站将在现有的 MCS 需要的发射功率基础上对 MCS 进行 功率修正。 Ks=1.25 主要用于由 MCS 变化引起的功率修正, 当采用高阶调制时,即 MPR>0.8 时,ΔTF(i )>0 ,需要对终端的 发射功率做额外的补偿 ,当采用低阶调制时 ,即 MPR<0.8 ,

Power Headroom 定义为终端最大发射功率与现有发射功率
之间的差值,范围为 [-23,+40]dB ,采用 6 bit 上报。 当终端需 要 传 输 上 行 数 据 时 , 才 在 相 应 的 PUSCH 数 据 帧 里 上 报

Power Headroom 。 终端可以周期性地上报 Power Headroom ,
也可以当路径损耗的改变值超过了 X dB 时上报。 基站收到终端上报的 Power Headroom 后,利用 PUSCH 的功控公式计算出终端需要的发射功率, 与终端实际发射 功率相比,在 PDCCH 下发相应的功控命令,进行功率调整。

ΔTF(i )<0 ,需要降低该 UE 的发射功率。

PUSCH 的功控公式为: PPUSCH(i)=min{PMAX, 10log10(MPUSCH(i))+PO_PUSCH(j)+α·PL+ ΔTF(i)+f(i)}
其中, (1 )

PMAX 为终端的最大发射功率, 跟 UE 的功率等级有关,
现有 LTE 协议中定义终端最大发射功率为 23 dBm ;

MPUSCH(i)为给终端分配的在子帧 i 里的 PUSCH 物理资
源块的大小;

PO_PUSCH (j) 包 含 了 两 个 参 数 :PO_nominal_PUSCH (j) 和 PO_UE_PUSCH
(j )。 其 中 ,PO_nominal_PUSCH(j)是 根 据 小 区 大 小 设 定 的 功 率 基 准
图3

UE 的路径损耗与目标 SINR 之间的关系

73

TD 与 LTE 技术创新论坛

PO_PUSCH(j)、α (j)、Ks 是 小 区 特 定 参 数 ,需 要 结 合 具 体 的
组网原则设定。 小区特定功率基准值 PO_nominal_PUSCH(j)用于控 制上行总的 IoT ,小区特定功率基准值越大 ,则整个小区的

上发送。 · Message 2 :eNode B 在检测到有 Preamble 码发送后, 下行发送随机接入响应, 随机接入响应中包含所收 到的 Preamble 码的编号,所收到的 Preamble 码对应 的时间调整量,为该终端分配的上行资源位置指示信 息,为该终端分配临时调度 ID 以及功率调整参数等。 · Message 3 :UE 在收到随机接入响应后,根据其指示, 在分配的上行资源上发送上行消息, 该消息中包含 终端的惟一 ID 。 · Message 4 :eNode B 接收 UE 的上行消息, 并向接入 成功的 UE 返回竞争解决消息。 为 了 保 证 随 机 接 入 消 息 的 正 确 接 收 ,LTE 系 统 对

UE 发射功率越高,系统的 IoT 值也越高。 路径损耗部分补
偿因子 α (j ),用于控制小区中心和边缘用户吞吐率的相对 大小,因子越小,边缘吞吐率相对越小。 对 于 覆 盖 受 限 小 区 ,α (j )建 议 取 等 于 1 ,进 行 完 全 补 偿,小区特定功率基准值取小 些 ,使 IoT 较 低 ,保 证 小 区 边 缘覆盖。 对于容量受限小区,α (j )建议取小于 1 ,进行部分补偿, 小区特定功率基准值取大些,使 IoT 较高,提高小区中心用 户速率,提高小区总吞吐率。 以上参数都是开环功控相关的参数, 为了保证功控的 准确性还需要通过函数 f (i )进 行 闭 环 调 整 ,闭 环 调 整 的 功 率修正参数为 δPUSCH。

Message 3 进行功率控制, 即终端在 PUSCH 的发射功率上
增加一个偏移量 ΔPREAMBLE_Msg3,即

PO_NOMINAL_PUSCH(2 )=PO_PRE+ΔPREAMBLE_Msg3

(3 )

δPUSCH 是 UE 特定的功率修正值, 也叫做发送功率控制
(transmit power control, TPC )。 此参数属于闭环功率调整,由

其中,ΔPREAMBLE_Msg3 是小区级参数,由高层配置。 这个参数 属 于 开 环 功 控 , 终 端 自 动 根 据 高 层 配 置 的 ΔPREAMBLE_Msg3,在

PDCCH 的 DCI format 0 单独下发给 UE 或者与其他的 TPC
联合编码用 DCI format 3/3A 下发给 UE 。 为了区分不同用户 的 TPC 命 令 ,CRC 校 验 比 特 利 用 TPC-PUSCH-RNTI 加 扰 。

PUSCH 的发送功率上增加此偏移量发送随机接入消息。
如果终端发送的随机接入消息还不够准确, 基站可以 再进行闭环调整,只采用绝对值式的调整方式,即

δPUSCH 的取值与 DCI 的格式有关,调整步长为 1 dB、3 dB 和 4 dB。 PUSCH 功率控制调整状态由函数 f (i )决定。 f (i )为闭环
调整函数,是 UE 级的参数,通过 RRC 信令通知 UE 。 f (i )有 两种方式:累积式和绝对值式。 两种方式的主要区别在于, 累积式在以前累积的功率上一步步地进行调整, 而绝对值 是直接调整到目标值。 相比于累积式,绝对值式能够更快地 调整 终 端 的 发 射 功 率 。 UE 使 用 累 积 式 还 是 绝 对 值 式 ,由

f (0 )=ΔPrampup+δmsg2
其中 δmsg2 是随机接入响应过程的 TPC 控制信令,ΔPrampup 由高层配置, 与最近一次使用的 preamble 码的功率调整值 有关。

3.3 PUCCH 的功控 PUCCH(physical uplink control channel, 上行物理控制信
道 ) 的功控原理与 PUSCH 相似,其目的是为了保证 PUCCH 的信息能够正确接收,其功控公式为:

RRC 高层配置。
除 了 不 连 续 接 收 (discontinuous reception, DRX )外 ,UE 在 每 一 帧 都 会 用 C-RNTI 解 调 DCI format 0 和 用

TPC-PUSCH-RNTI 解 调 DCI format 3/3A 。 如 果 在 同 一 子 帧
中,同时存在 DCI format 0 和 DCI format 3/3A ,那么 δPUSCH 的 取值采用 DCI format 0 的指示。 如果 UE 处于 DRX 状态、当 前不存在上行子帧以及没有 TPC 控制信令时,δPUSCH 取值为 0。

3.2 PRACH 的功控 PRACH (physical random access channel , 随 机 接 入 信
道)的上行覆盖是 LTE 小区上行覆盖的短板,因此,LTE 设计 时,专门针对 PRACH 信道进行功率补偿,提高其上行覆盖。

LTE 中,随机接入流程分为以下 4 个步骤(如图 4 所示)。
· Message 1 :UE 随机选择一个 Preamble 码,在 PRACH
74
图4 随机接入过程

电信科学 2009 年第 10 期

PPUCCH(i)=min{PMAX, P0_PUCCH+PL+h(nCQI, nHARO)+ ΔF_PUCCH(F)+g(i)}
即 α 恒等于 1,也就是相当于减少了部分功率补偿参数。 由 于 PUCCH 主 要 承 载 的 信 息 是 终 端 反 馈 的 CQI 和 (4) 相较于 PUSCH 的功控,PUCCH 的功控采用完全补偿 ,

了与数据信号的发射功率偏移量 PSRS_OFFSET 和 Sounding 参考 信号带宽 MSRS 两个参数:

PSRS(i)=min{PMAX, PSRS_OFFSET+10log10(MSRS)+PO_PUSCH(j)+ α·PL+f (i)}
(5) 其 中 ,PSRS_OFFSET 是 UE 特 定 的 发 送 Sounding 功 率 偏 移 量 , 由 高 层 配 置 , 半 静 态 配 置 , 占 用 4 bit。 这 个 参 数 与

HARQ 信息,且传输模式有 6 种(format 1 ,1a ,1b,2,2a ,2b),
每种传 输 模 式 的 长 度 不 一 致 , 信 息 承 载 量 也 有 差 别 ,则

PUSCH 功控中的小区特定参数 Ks 有关。
当 Ks=0 时 ,PSRS_OFFSET 取 值 范 围 为 [-10.5,12] dB , 调 整 步 长为 1.5 dB。 当 Ks=1.25 时 ,PSRS_OFFSET 取 值 范 围 为 [-3, 12] dB ,调 整 步 长为 1 dB。

PUCCH 的功控主要针对不同的传输模式进行设计。 h (nCQI, nHARO)是根据 PUCCH 中 CQI 和 HARQ 的信息比特数算出的
功率偏移量, ΔF_PUCCH(F )是每种传输模式每种传输格式相对 于 format 1a 有 -2~5 dB 的功率 偏 移 量 (见 表 1),用 2 bit 指 示具体取值。
表1
PUCCH format (F) 1 1b 2 2a 2b

MSRS 是在子帧 i 的传输块里 Sounding 占用的带宽。
ΔF_PUCCH(F )的 取 值
ΔF_PUCCH(F )(dB ) [-2, 0, 2] [1, 3, 5] [-2, 0, 1, 2] [-2, 0, 2] [-2, 0, 2]

4

结束语
与 3G 系统的 CDMA 相比, 采用 OFDMA/SC-FDMA 多

址 技 术 的 LTE 系 统 对 功 率 控 制 的 依 赖 性 大 大 降 低 了 , 因 此 , LTE 系 统 中 采 用 开 环 功 控 加 闭 环 调 整 的 方 式 , 且

PRACH 、 PUCCH 、 Sounding 的功率调整都是基于 PUSCH 的
功率调整,便于设计和实现。 PUSCH 的功控引入了部分功 率 补 偿 因 子 ,既 考 虑 了 边 缘 用 户 的 吞 吐 量 ,又 考 虑 了 对 邻 小区的干扰。 在 LTE 实际组网规划中,需要根据实际小区 环境及终端情况来相应配置以上功率控制方案的各种 参数。

3.4 Sounding RS 的功控 Sounding 参考信号在 LTE 系统中主要用于上行信道的
估计, 因此, 为了保证上行信道估计的准确性, 系统希望

Sounding 参 考 信 号 能 够 高 于 普 通 数 据 信 号 的 功 率 发 送 。 Sounding 参考信号是与 PUSCH 上的数据信号一起发送的,
因此 Sounding 参考信号的发射功率是 在 PUSCH 发 射 功 率 基础上增加一个偏移量,此偏移量的大小由 eNB 高层指配。 此外,LTE 协 议 中 Sounding 参 考 信 号 的 带 宽 有 不 同 的 配置,带宽大的 Sounding 参考信号需要较大的发射功率,带 宽 小 的 Sounding 参 考 信 号 需 要 较 小 的 发 射 功 率 , 因 此

参考文献
1 2 3 4 3GPP TR 36.211.Physical Channels and Modulation(Release 8). 2008.12 3GPP TR 36.212.Multiplexing and channel coding(Release 8). 2008.12 3GPP TR 36.213.Physical layer procedures(Release 8).2008.12 3GPP TR 36.214.Physical layer-measurements(Release 8).2008.12
(收稿日期:2009-09-02 )

Sounding 发射功率还跟 Sounding 带宽有关。
如上所述,Sounding 的功控公式除了路径损耗外,增加

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
· 简讯 ·

印度议会选择 EADS 安全网络公司 TETRA 网络作为安全解决方案
EADS 安全网络公司与其本地合作伙伴 Sanchar Telesystems 有限公司合作,共同为印度议会提供先进的 TETRA 数字集
群通信系统,这套新的系统将为语音和数据通信、自动车辆和人员定位以及高速数据应用程序连接提供保障。 知名安全专家、议会安全主管、入侵防范专家(IPS)Sandeep Salunke 先生表示:“印度议会所采用的这套高级数字通信系统 的规格完全符合 2008 年 11 月孟买恐怖袭击之后的安全需求。 我们需要通过这套系统加强新德里市中心议会的安全保卫。 ”
75


赞助商链接

LTE答辩试题

LTE 系统下行采用使用 CP 的 OFDMA 多址技术, 上行采用使用 CP 的 SC-FDMA ...速率控制显然效 率要高于使用功率控制的效率,这是因为使用速率控制时总是可以...