LTE功率控制的基本思路

1、LTE功率控制的基本思路1 概述 根據(jù)上行和下行信號的發(fā)送特點(diǎn)，LTE物理層定義了相應(yīng)的功率控制機(jī)制。 對于上行信號，終端的功率控制在節(jié)電和抑制小區(qū)間干擾兩方面具有重要意義，因此，上行功率控制是LTE重點(diǎn)關(guān)注的部分。小區(qū)內(nèi)的上行功率控制，分別控制上行共享信道PUSCH、上行控制信道PUCCH、隨機(jī)接入信道PRACH和上行參考信號SRS。PRACH信道總是采用開環(huán)功率控制的方式。其它信道/信號的功率控制，是通過下行PDCCH信道的TPC信令進(jìn)行閉環(huán)功率控制。 對于下行信號，基站合理的功率分配和相互間的協(xié)調(diào)能夠抑制小區(qū)間的干擾，提高同頻組網(wǎng)的系統(tǒng)性能。嚴(yán)格來說，LTE的下行方向是一種功率分配機(jī)制，

2、而不是功率控制。不同的物理信道和參考信號之間有不同的功率配比。下行功率分配以開環(huán)的方式完成，以控制基站在下行各個(gè)子載波上的發(fā)射功率。下行RS一般以恒定功率發(fā)射。下行共享控制信道PDSCH功率控制的主要目的是補(bǔ)償路損和慢衰落，保證下行數(shù)據(jù)鏈路的傳輸質(zhì)量。下行共享信道PDSCH的發(fā)射功率是與RS發(fā)射功率成一定比例的。它的功率是根據(jù)UE反饋的CQI與目標(biāo)CQI的對比來調(diào)整的，是一個(gè)閉環(huán)功率控制過程。在基站側(cè)，保存著UE反饋的上行CQI值和發(fā)射功率的對應(yīng)關(guān)系表。這樣，基站收到什么樣的CQI，就知道用多大的發(fā)射功率，可達(dá)到一定的信噪比（SINR）目標(biāo)。2 上行功率控制 上行功率控制可以兼顧兩方面的需求，

3、即UE的發(fā)射功率既足夠大以滿足QoS的要求，又足夠小以節(jié)約終端電池并減少對其他用戶的干擾。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，上行鏈路功率控制必須使自己適應(yīng)于無線傳播信道的特征（包括路徑損耗特征、陰影特征和快速衰落特征），并克服來自其他用戶的干擾（包括小區(qū)內(nèi)用戶的干擾和相鄰小區(qū)內(nèi)用戶的干擾）。 LTE功率控制室開環(huán)功控和閉環(huán)功控的組合，這樣與純粹的閉環(huán)功控相比，理論上需要的反饋信息量比較少，即只有當(dāng)LTE UE不能準(zhǔn)確估算功率設(shè)置時(shí)才需要閉環(huán)功控。根據(jù)路徑損耗估算和開環(huán)算法，LTE系統(tǒng)為PSD（功率頻譜密度，Power Spectral Density）發(fā)射設(shè)定了一個(gè)粗糙的操作點(diǎn)，這能在最普通的路徑損耗及陰影衰

4、落場景中為平均的調(diào)制編碼方法提供適當(dāng)?shù)腜SD。圍繞著開環(huán)操作點(diǎn)，LTE上行的閉環(huán)功率控制能提供更快的調(diào)整，這能夠更好地控制干擾，并且更精細(xì)地調(diào)整功率以適應(yīng)信道情況（包括快衰落變化）。由于LTE的上行鏈路是完全正交的，上行功率控制不需要象CDMA那樣快，功控周期一般不超過幾百赫茲。 每個(gè)UE根據(jù)接收到的參考信號RS的信號強(qiáng)度完成路徑損耗測量，以確定要補(bǔ)償部分路徑損耗（fraction of the path-loss）需要多大的發(fā)射功率，因此也被稱作Fractional Power Control（部分功率控制）。部分功率控制的參數(shù)由eNodeB決定，該參數(shù)的取值需要兼顧平衡整體頻譜效率和小區(qū)邊

5、緣性能。部分功率控制和閉環(huán)功率控制命令合作完成上行功率控制。 功率控制可以與頻域資源分配策略相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)小區(qū)間的干擾協(xié)調(diào)，提高小區(qū)邊緣性能和整體頻譜效率。其中的一種干擾協(xié)調(diào)技術(shù)是為位于相鄰小區(qū)的路徑損耗相似的幾個(gè)UE分配相同的時(shí)頻資源，這樣可以提高小區(qū)邊緣的性能，避免那些離基站比較近的相鄰小區(qū)UE引起的強(qiáng)干擾（特別是有些基站的前后比性能不理想）。 LTE上行鏈路對PUSCH、PUCCH和SRS進(jìn)行功率控制。三種上行信道或者信號的功率控制的數(shù)學(xué)公式不同，但都可以分成兩個(gè)基本的部分：1）根據(jù)eNodeB下發(fā)的靜態(tài)或者半靜態(tài)參數(shù)計(jì)算得到的基本開環(huán)操作點(diǎn)；2）每個(gè)子幀都可能調(diào)整的動(dòng)態(tài)偏置量，即： 每

6、個(gè)RB的功率=基本開環(huán)操作點(diǎn)+動(dòng)態(tài)偏置量 基本開環(huán)操作點(diǎn)取決于一系列因素，包括小區(qū)間的干擾狀況和小區(qū)負(fù)荷，它可以進(jìn)一步分成兩部分：1）一個(gè)半靜態(tài)功率基數(shù)值P0，P0可以分成適用所有小區(qū)內(nèi)UE的通用功率數(shù)值，一個(gè)每個(gè)UE不同的偏置量；2）一個(gè)開環(huán)路徑損耗補(bǔ)償分量。 開環(huán)路徑損耗補(bǔ)償分量取決于UE對下行路徑損耗的估算，后者由UE測量到的RSRP數(shù)值和已知的下行參考信號（RS）的發(fā)射功率計(jì)算而得。在一種極端情況下，eNodeB可以把P0設(shè)置為最小值-126dBm，完全根據(jù)UE測量的路徑損耗的大小來調(diào)整上行功率。 如果執(zhí)行完全路徑損耗補(bǔ)償方法能讓小區(qū)邊緣的UE得到最大程度的公平對待，但是在多小區(qū)并存的

7、現(xiàn)實(shí)部署環(huán)境中，實(shí)施部分路徑損耗補(bǔ)償方法能減少小區(qū)間的干擾，不需要為確保小區(qū)邊緣用戶的傳輸質(zhì)量分配過多的資源，從而能提高系統(tǒng)的整體上行鏈路容量。因此LTE系統(tǒng)引入了部分路徑損耗補(bǔ)償因子，以平衡上行公平調(diào)度和整體頻譜效率。當(dāng)?shù)娜≈禐?.7-0.8時(shí),既能讓系統(tǒng)接近最大容量，又不讓小區(qū)邊緣的數(shù)據(jù)速率過多地下降。于是，每個(gè)RB的發(fā)射功率中的基本開環(huán)操作點(diǎn)被定義為： 基本開環(huán)操作點(diǎn) = P0 +×PL其中PL是Path Loss的縮寫。 對于低速率的PUCCH信道（傳送ACK/NACK和CQI信息），路徑損耗補(bǔ)償是和PUSCH分開實(shí)施。不同用戶的PUCCH信道之間是碼分復(fù)用（CDMA），為了

8、更好地控制彼此之間的干擾，PUCCH的功率控制采用完全路徑損耗補(bǔ)償方法。PUCCH的P0也和PUSCH不同。 每個(gè)RB的發(fā)射功率中的動(dòng)態(tài)偏置量（Dynamic Offset）也可分成兩個(gè)分量：1）MCS決定的分量；2）TPC（Transmitter Power Control）命令決定的分量。MCS決定的分量也叫TF（TF是Transport Format）的縮寫。 綜上所述，UE上行發(fā)射功率可以表達(dá)為： 以PUSCH為例，在子幀i，終端的PUSCH信道的發(fā)射功率可以表示為：PPUSCH(i)=minPCMAX，10lgMPUSCH(i)+PO_PUSCHj+j×PL+TFi+f(i

9、) (dBm) 其中，（1）PCMAX表示終端的最大發(fā)射功率。（2）MPUSCH(i) 表示PUSCH的傳輸帶寬（RB數(shù)目）（3）PO_PUSCHj是由高層信令設(shè)置的功率基準(zhǔn)值，可以反應(yīng)上行接收端的噪聲水平。（4）的取值范圍是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對大尺度衰落的補(bǔ)償量，由高層信令使用3bit信息指示本小區(qū)所使用的數(shù)值。而PL是終端測量得到的下行大尺度損耗。（5）TFi表示由調(diào)制編碼方式和數(shù)據(jù)類型（控制信息或者數(shù)據(jù)信息）所確定的功率偏移量。（6）f(i)是由終端閉環(huán)功率控制所形成的調(diào)整值，它的數(shù)值根據(jù)PDCCH format 0/3/3A上

10、的功率控制命令進(jìn)行調(diào)整。在物理層有兩種閉環(huán)功率控制類型累計(jì)型（accumulation）和絕對值型（absolute）。 終端的功率空間（Power Headroom）是功率控制過程的重要參數(shù)，物理層對終端剩余的功率空間（即終端最大發(fā)射功率與當(dāng)前實(shí)際發(fā)射功率的差值）進(jìn)行測量，并上報(bào)高層。3 下行功率分配 下行功率分配以每個(gè)RE為單位，控制基站在各個(gè)時(shí)刻各個(gè)子載波上的發(fā)射功率。下行功率分配中包括提高導(dǎo)頻信號的發(fā)射功率，以及與用戶調(diào)度相結(jié)合實(shí)現(xiàn)小區(qū)間干擾抑制的相關(guān)機(jī)制。 下行在頻率上和時(shí)間上采用恒定的發(fā)射功率。基站通過高層指令指示該恒定發(fā)射功率的數(shù)值。在接收端，終端通過測量該信號的平均接收功率并與

11、信令指示的該信號的發(fā)射功率進(jìn)行比較，獲得大尺度衰落的數(shù)值。 下行共享信道PDSCH的發(fā)射功率表示為PDSCH RE與CRS RE的功率比值，即A和B。其中A表示時(shí)隙內(nèi)不帶有CRS的OFDM符號上PDSCH RE與CRS RE的功率比值（例如2天線Normal CP的情況下，時(shí)隙內(nèi)的第1、2、3、5、6個(gè)OFDM符號）；B表示時(shí)隙內(nèi)帶有CRS的OFDM符號上PDSCH RE與CRS RE的功率比值（例如2天線Normal CP的情況下，時(shí)隙內(nèi)的第0、4個(gè)OFDM符號） 下行鏈路的功率分配的方法之一是提高CRS的發(fā)射功率。小區(qū)通過高層指令設(shè)置A和B的比值，通過不同的比值可以設(shè)置信號在基站總功率中不

12、同的開銷比例，由此做到在不同程度上提高CRS的發(fā)射功率。例如以發(fā)射天線數(shù)目等于2為例，規(guī)范中支持4種不同的小區(qū)配置B/A=5/4,1,3/4,1/2，分別對應(yīng)于CRS占總功率開銷為1/6, 1/3,3/6,2/3的情況。下圖表示了B/A=1和B/A=1/2時(shí)天線端口#0的信號功率情況，對應(yīng)的CRS功率開銷分別是2/6=1/3和8/12=2/3，分別實(shí)現(xiàn)了CRS高于同一OFDM符號中數(shù)據(jù)元素3dB和9dB的發(fā)送功率。 在設(shè)定A和B比值的基礎(chǔ)上，通過高層參數(shù)PA可以確定A的具體數(shù)值，得到基站下行針對用戶的PDSCH發(fā)射功率。PA和A的數(shù)值關(guān)系是A=power-offset+PA ,其中power-

13、offset用于MU-MIMO的場景，例如power-offset=-3dB可以表示功率平均分配給兩個(gè)用戶的情況。 為了支持下行小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)的操作，規(guī)范中定義了關(guān)于基站窄帶發(fā)射功率限制（Relative Narrowband Tx Power，RNTP）的物理層測量，并在小區(qū)間X2接口上進(jìn)行交互。該消息表示了基站在未來一段時(shí)間內(nèi)下行各個(gè)PRB將使用的最大發(fā)射功率的情況，相鄰小區(qū)可以利用該消息來協(xié)調(diào)用戶調(diào)度的過程，實(shí)現(xiàn)同頻小區(qū)間干擾抑制的效果。4 LTE與CDMA功率控制對比 LTE的上行功率控制和CDMA系統(tǒng)區(qū)別很大。 嚴(yán)格來說，CDMA系統(tǒng)的上行鏈路彼此之間并不正交，屬于自干擾系統(tǒng)，主要的

14、干擾源是同一小區(qū)里的其他用戶。因此，CDMA系統(tǒng)有比較明顯的“遠(yuǎn)近效應(yīng)”，功率控制是CDMA系統(tǒng)克服遠(yuǎn)近效應(yīng)的利器，是CDMA系統(tǒng)中必不可少的技術(shù)。沒有功率控制，在大話務(wù)量的時(shí)候，CDMA系統(tǒng)自身的干擾將使系統(tǒng)失靈。提高CDMA上行鏈路數(shù)據(jù)速率的主要方法是減少擴(kuò)頻因子（spreading factor）和提高發(fā)射功率。 LTE的物理層使用正交頻分多址（OFDMA）技術(shù)，上行鏈路彼此之間嚴(yán)格正交，受小區(qū)內(nèi)其他用戶的干擾影響比較小，即不屬于自干擾系統(tǒng)，沒有明顯的“遠(yuǎn)近效應(yīng)”。這樣，對功率控制的依賴性大大降低。但是，LTE中的功率控制對降低干擾（尤其是小區(qū)之間的干擾水平），提高信噪比，提升小區(qū)吞吐量

15、，有著非常明顯的作用。因此，功率控制在LTE中雖然重要性下降，但也是必不可少的。提高LTE上行數(shù)據(jù)速率的主要方法是增加發(fā)射帶寬和改變調(diào)制編碼方法（MCS，Modulation and Coding Scheme）。 而且，在CDMA系統(tǒng)中，功率控制的設(shè)計(jì)目標(biāo)是提高連續(xù)發(fā)射的電路交換業(yè)務(wù)的質(zhì)量，而LTE對不同UE的快速調(diào)度的頻率達(dá)到1毫秒。因此，對CDMA來說，為避免遠(yuǎn)近效應(yīng)及對抗快衰落，采用快速小幅功控是必然的選擇，比如WCDMA的功控間隔小到0.67毫秒，且功率調(diào)整間隔是正負(fù)1 dB；而LTE則允許相對較大的功率調(diào)整幅度，且無須使用快速功率控制，甚至不要求周期性地調(diào)整功率。 在LTE中，頻率

16、復(fù)用因子可以是1，但不同小區(qū)間的同頻干擾制約著系統(tǒng)容量。在LTE中，使用慢速功率控制（頻率可能只有幾百赫茲），能夠補(bǔ)償路損和陰影衰落的變化。 在CDMA系統(tǒng)中，每個(gè)用戶的信號都會(huì)占用整個(gè)帶寬，對小區(qū)內(nèi)和小區(qū)外造成的干擾為寬帶干擾。功率控制主要是小區(qū)內(nèi)的干擾控制，重點(diǎn)抑制小區(qū)內(nèi)的干擾。而在LTE系統(tǒng)中，每個(gè)用戶只會(huì)占用系統(tǒng)的一部分帶寬（多個(gè)子載波），占用部分頻率資源，而且每個(gè)用戶占用的子載波數(shù)量和位置不一樣。因此，對小區(qū)內(nèi)和小區(qū)間的干擾是窄帶干擾，是一種頻率選擇性干擾。在LTE中，小區(qū)間的干擾對系統(tǒng)性能影響比較大，因此LTE不但要進(jìn)行小區(qū)內(nèi)功率控制，還要進(jìn)行小區(qū)間的功率控制。 在CDMA系統(tǒng)中，

17、功率控制控制的是整個(gè)鏈路的總發(fā)射功率。 在LTE則有所不同，下行功率控制著每個(gè)RE上的能量（EPRE，Energy per Resource Element）；上行功控則控制著每個(gè)SC-FDMA符號上的能量。 LTE功率控制與CDMA系統(tǒng)功率控制技術(shù)的比較下表所示。LTECDMA遠(yuǎn)近效應(yīng)不明顯明顯功控目的補(bǔ)償路徑損耗和陰影衰落對抗快衰落功控周期慢速功控快速功控功控范圍小區(qū)內(nèi)和小區(qū)間小區(qū)內(nèi)具體功率目標(biāo)上行：每個(gè)RE上的能量EPRE；下行：每個(gè)SC-FDMA符號的能量整條鏈路的總發(fā)射功率自干擾無明顯干擾類型小區(qū)間窄帶干擾小區(qū)內(nèi)寬帶干擾5 小區(qū)間功率控制 上行功率控制不但用來補(bǔ)償路損和慢衰落，而且還有控制小區(qū)之間干擾的作用。 小區(qū)間功率控制有兩種實(shí)現(xiàn)方式：一個(gè)是通過空中接口下發(fā)鄰小區(qū)的干擾水平指示；另外一個(gè)是通過基站之間的X2接口交互干擾情況。 鄰小區(qū)測量小區(qū)受到的干擾情況，將此干擾水平與可承受的干擾門限相比較。如果超過干擾門限，則干擾指示為“1”；如果沒有超過，則干擾指示為“0”。 這里又有兩種實(shí)現(xiàn)方案： 一種是受干擾小區(qū)對所有相鄰小區(qū)發(fā)送相同的干擾水平指示； 另一種是受干擾小區(qū)對不同的相鄰小區(qū)反饋不同的干擾水平指示。 給不同的鄰區(qū)反饋不同的干擾水平指示，可以更精確地控制干擾源的發(fā)射功率。但需要分別測量不同的相鄰小區(qū)引起的干擾，需要給