LTE功率控制的基本思路.docx

LTE功率控制的基本思路1 概述 根据上行和下行信号的发送特点，LTE物理层定义了相应的功率控制机制。 对于上行信号，终端的功率控制在节电和抑制小区间干扰两方面具有重要意义，因此，上行功率控制是LTE重点关注的部分。小区内的上行功率控制，分别控制上行共享信道PUSCH、上行控制信道PUCCH、随机接入信道PRACH和上行参考信号SRS。PRACH信道总是采用开环功率控制的方式。其它信道/信号的功率控制，是通过下行PDCCH信道的TPC信令进行闭环功率控制。 对于下行信号，基站合理的功率分配和相互间的协调能够抑制小区间的干扰，提高同频组网的系统性能。严格来说，LTE的下行方向是一种功率分配机制，而不是功率控制。不同的物理信道和参考信号之间有不同的功率配比。下行功率分配以开环的方式完成，以控制基站在下行各个子载波上的发射功率。下行RS一般以恒定功率发射。下行共享控制信道PDSCH功率控制的主要目的是补偿路损和慢衰落，保证下行数据链路的传输质量。下行共享信道PDSCH的发射功率是与RS发射功率成一定比例的。它的功率是根据UE反馈的CQI与目标CQI的对比来调整的，是一个闭环功率控制过程。在基站侧，保存着UE反馈的上行CQI值和发射功率的对应关系表。这样，基站收到什么样的CQI，就知道用多大的发射功率，可达到一定的信噪比（SINR）目标。2 上行功率控制 上行功率控制可以兼顾两方面的需求，即UE的发射功率既足够大以满足QoS的要求，又足够小以节约终端电池并减少对其他用户的干扰。为了实现这个目标，上行链路功率控制必须使自己适应于无线传播信道的特征（包括路径损耗特征、阴影特征和快速衰落特征），并克服来自其他用户的干扰（包括小区内用户的干扰和相邻小区内用户的干扰）。 LTE功率控制室开环功控和闭环功控的组合，这样与纯粹的闭环功控相比，理论上需要的反馈信息量比较少，即只有当LTE UE不能准确估算功率设置时才需要闭环功控。根据路径损耗估算和开环算法，LTE系统为PSD（功率频谱密度，Power Spectral Density）发射设定了一个粗糙的操作点，这能在最普通的路径损耗及阴影衰落场景中为平均的调制编码方法提供适当的PSD。围绕着开环操作点，LTE上行的闭环功率控制能提供更快的调整，这能够更好地控制干扰，并且更精细地调整功率以适应信道情况（包括快衰落变化）。由于LTE的上行链路是完全正交的，上行功率控制不需要象CDMA那样快，功控周期一般不超过几百赫兹。 每个UE根据接收到的参考信号RS的信号强度完成路径损耗测量，以确定要补偿部分路径损耗（fraction of the path-loss）需要多大的发射功率，因此也被称作Fractional Power Control（部分功率控制）。部分功率控制的参数由eNodeB决定，该参数的取值需要兼顾平衡整体频谱效率和小区边缘性能。部分功率控制和闭环功率控制命令合作完成上行功率控制。 功率控制可以与频域资源分配策略相结合，以实现小区间的干扰协调，提高小区边缘性能和整体频谱效率。其中的一种干扰协调技术是为位于相邻小区的路径损耗相似的几个UE分配相同的时频资源，这样可以提高小区边缘的性能，避免那些离基站比较近的相邻小区UE引起的强干扰（特别是有些基站的前后比性能不理想）。 LTE上行链路对PUSCH、PUCCH和SRS进行功率控制。三种上行信道或者信号的功率控制的数学公式不同，但都可以分成两个基本的部分：1）根据eNodeB下发的静态或者半静态参数计算得到的基本开环操作点；2）每个子帧都可能调整的动态偏置量，即： 每个RB的功率=基本开环操作点+动态偏置量 基本开环操作点取决于一系列因素，包括小区间的干扰状况和小区负荷，它可以进一步分成两部分：1）一个半静态功率基数值P0，P0可以分成适用所有小区内UE的通用功率数值，一个每个UE不同的偏置量；2）一个开环路径损耗补偿分量。 开环路径损耗补偿分量取决于UE对下行路径损耗的估算，后者由UE测量到的RSRP数值和已知的下行参考信号（RS）的发射功率计算而得。在一种极端情况下，eNodeB可以把P0设置为最小值-126dBm，完全根据UE测量的路径损耗的大小来调整上行功率。 如果执行完全路径损耗补偿方法能让小区边缘的UE得到最大程度的公平对待，但是在多小区并存的现实部署环境中，实施部分路径损耗补偿方法能减少小区间的干扰，不需要为确保小区边缘用户的传输质量分配过多的资源，从而能提高系统的整体上行链路容量。因此LTE系统引入了部分路径损耗补偿因子，以平衡上行公平调度和整体频谱效率。当的取值为0.7-0.8时,既能让系统接近最大容量，又不让小区边缘的数据速率过多地下降。于是，每个RB的发射功率中的基本开环操作点被定义为： 基本开环操作点 = P0 +×PL其中PL是Path Loss的缩写。 对于低速率的PUCCH信道（传送ACK/NACK和CQI信息），路径损耗补偿是和PUSCH分开实施。不同用户的PUCCH信道之间是码分复用（CDMA），为了更好地控制彼此之间的干扰，PUCCH的功率控制采用完全路径损耗补偿方法。PUCCH的P0也和PUSCH不同。 每个RB的发射功率中的动态偏置量（Dynamic Offset）也可分成两个分量：1）MCS决定的分量；2）TPC（Transmitter Power Control）命令决定的分量。MCS决定的分量也叫TF（TF是Transport Format）的缩写。 综上所述，UE上行发射功率可以表达为： 以PUSCH为例，在子帧i，终端的PUSCH信道的发射功率可以表示为：PPUSCH(i)=minPCMAX，10lgMPUSCH(i)+PO_PUSCHj+j×PL+TFi+f(i) (dBm) 其中，（1）PCMAX表示终端的最大发射功率。（2）MPUSCH(i) 表示PUSCH的传输带宽（RB数目）（3）PO_PUSCHj是由高层信令设置的功率基准值，可以反应上行接收端的噪声水平。（4）的取值范围是0,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1，表示部分功率控制算法中对大尺度衰落的补偿量，由高层信令使用3bit信息指示本小区所使用的数值。而PL是终端测量得到的下行大尺度损耗。（5）TFi表示由调制编码方式和数据类型（控制信息或者数据信息）所确定的功率偏移量。（6）f(i)是由终端闭环功率控制所形成的调整值，它的数值根据PDCCH format 0/3/3A上的功率控制命令进行调整。在物理层有两种闭环功率控制类型累计型（accumulation）和绝对值型（absolute）。 终端的功率空间（Power Headroom）是功率控制过程的重要参数，物理层对终端剩余的功率空间（即终端最大发射功率与当前实际发射功率的差值）进行测量，并上报高层。3 下行功率分配 下行功率分配以每个RE为单位，控制基站在各个时刻各个子载波上的发射功率。下行功率分配中包括提高导频信号的发射功率，以及与用户调度相结合实现小区间干扰抑制的相关机制。 下行在频率上和时间上采用恒定的发射功率。基站通过高层指令指示该恒定发射功率的数值。在接收端，终端通过测量该信号的平均接收功率并与信令指示的该信号的发射功率进行比较，获得大尺度衰落的数值。 下行共享信道PDSCH的发射功率表示为PDSCH RE与CRS RE的功率比值，即A和B。其中A表示时隙内不带有CRS的OFDM符号上PDSCH RE与CRS RE的功率比值（例如2天线Normal CP的情况下，时隙内的第1、2、3、5、6个OFDM符号）；B表示时隙内带有CRS的OFDM符号上PDSCH RE与CRS RE的功率比值（例如2天线Normal CP的情况下，时隙内的第0、4个OFDM符号） 下行链路的功率分配的方法之一是提高CRS的发射功率。小区通过高层指令设置A和B的比值，通过不同的比值可以设置信号在基站总功率中不同的开销比例，由此做到在不同程度上提高CRS的发射功率。例如以发射天线数目等于2为例，规范中支持4种不同的小区配置B/A=5/4,1,3/4,1/2，分别对应于CRS占总功率开销为1/6, 1/3,3/6,2/3的情况。下图表示了B/A=1和B/A=1/2时天线端口#0的信号功率情况，对应的CRS功率开销分别是2/6=1/3和8/12=2/3，分别实现了CRS高于同一OFDM符号中数据元素3dB和9dB的发送功率。 在设定A和B比值的基础上，通过高层参数PA可以确定A的具体数值，得到基站下行针对用户的PDSCH发射功率。PA和A的数值关系是A=power-offset+PA ,其中power-offset用于MU-MIMO的场景，例如power-offset=-3dB可以表示功率平均分配给两个用户的情况。 为了支持下行小区间干扰协调的操作，规范中定义了关于基站窄带发射功率限制（Relative Narrowband Tx Power，RNTP）的物理层测量，并在小区间X2接口上进行交互。该消息表示了基站在未来一段时间内下行各个PRB将使用的最大发射功率的情况，相邻小区可以利用该消息来协调用户调度的过程，实现同频小区间干扰抑制的效果。4 LTE与CDMA功率控制对比 LTE的上行功率控制和CDMA系统区别很大。 严格来说，CDMA系统的上行链路彼此之间并不正交，属于自干扰系统，主要的干扰源是同一小区里的其他用户。因此，CDMA系统有比较明显的“远近效应”，功率控制是CDMA系统克服远近效应的利器，是CDMA系统中必不可少的技术。没有功率控制，在大话务量的时候，CDMA系统自身的干扰将使系统失灵。提高CDMA上行链路数据速率的主要方法是减少扩频因子（spreading factor）和提高发射功率。 LTE的物理层使用正交频分多址（OFDMA）技术，上行链路彼此之间严格正交，受小区内其他用户的干扰影响比较小，即不属于自干扰系统，没有明显的“远近效应”。这样，对功率控制的依赖性大大降低。但是，LTE中的功率控制对降低干扰（尤其是小区之间的干扰水平），提高信噪比，提升小区吞吐量，有着非常明显的作用。因此，功率控制在LTE中虽然重要性下降，但也是必不可少的。提高LTE上行数据速率的主要方法是增加发射带宽和改变调制编码方法（MCS，Modulation and Coding Scheme）。 而且，在CDMA系统中，功率控制的设计目标是提高连续发射的电路交换业务的质量，而LTE对不同UE的快速调度的频率达到1毫秒。因此，对CDMA来说，为避免远近效应及对抗快衰落，采用快速小幅功控是必然的选择，比如WCDMA的功控间隔小到0.67毫秒，且功率调整间隔是正负1 dB；而LTE则允许相对较大的功率调整幅度，且无须使用快速功率控制，甚至不要求周期性地调整功率。 在LTE中，频率复用因子可以是1，但不同小区间的同频干扰制约着系统容量。在LTE中，使用慢速功率控制（频率可能只有几百赫兹），能够补偿路损和阴影衰落的变化。 在CDMA系统中，每个用户的信号都会占用整个带宽，对小区内和小区外造成的干扰为宽带干扰。功率控制主要是小区内的干扰控制，重点抑制小区内的干扰。而在LTE系统中，每个用户只会占用系统的一部分带宽（多个子载波），占用部分频率资源，而且每个用户占用的子载波数量和位置不一样。因此，对小区内和小区间的干扰是窄带干扰，是一种频率选择性干扰。在LTE中，小区间的干扰对系统性能影响比较大，因此LTE不但要进行小区内功率控制，还要进行小区间的功率控制。 在CDMA系统中，功率控制控制的是整个链路的总发射功率。 在LTE则有所不同，下行功率控制着每个RE上的能量（EPRE，Energy per Resource Element）；上行功控则控制着每个SC-FDMA符号上的能量。 LTE功率控制与CDMA系统功率控制技术的比较下表所示。LTECDMA远近效应不明显明显功控目的补偿路径损耗和阴影衰落对抗快衰落功控周期慢速功控快速功控功控范围小区内和小区间小区内具体功率目标上行：每个RE上的能量EPRE；下行：每个SC-FDMA符号的能量整条链路的总发射功率自干扰无明显干扰类型小区间窄带干扰小区内宽带干扰5 小区间功率控制 上行功率控制不但用来补偿路损和慢衰落，而且还有控制小区之间干扰的作用。 小区间功率控制有两种实现方式：一个是通过空中接口下发邻小区的干扰水平指示；另外一个是通过基站之间的X2接口交互干扰情况。 邻小区测量小区受到的干扰情况，将此干扰水平与可承受的干扰门限相比较。如果超过干扰门限，则干扰指示为“1”；如果没有超过，则干扰指示为“0”。 这里又有两种实现方案： 一种是受干扰小区对所有相邻小区发送相同的干扰水平指示； 另一种是受干扰小区对不同的相邻小区反馈不同的干扰水平指示。 给不同的邻区反馈不同的干扰水平指示，可以更精确地控制干扰源的发射功率。但需要分别测量不同的相邻小区引起的干扰，需要给不同的小区传送不同的指示，这就增加了系统的复杂度和下行信令开销。 每个用户根据自己对干扰指示的理解进行功率调整。当然也可以将干扰指示理解的结果反馈给基站，由基站集中控制。 通过基站间的X2接口，交换各小区的过载指示（Overload Indicator，OI），也可以实现小区间的集中式功率控制，可以抑制小区间的干扰，提升整个系统的性能。但由于基站之间的通信延迟较大，会导致干扰信息交互不及时。 LTE系统定义了RNTP（Relative Narrowband Tx Power，相关窄带发射功率），用以支持可能进行的下行功率协调，该消息通过X2接口在基站间交换。第 11 页