LTE上行链路自适应功率控制切换技术
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TD 与 LTE 技术创新论坛
电信科学 2010 年第 3 期
协办
LTE 上行链路自适应功率控制切换技术
邓勇志，胡正才，温文坤，黄梓鹏 （新邮通信设备有限公司广州研发中心 广州 510663）
摘要
根 据 LTE 协 议 对 上 行 链 路 功 率 控 制 的 有 关 描 述 ，分 析 了 两 种 通 用 的 上 行 功 率 控 制 策 略 ：第 一 种 策略充分利用用户的功率余量， 通过提高发射功率提高用户的信号质量， 尽可能选择高阶的 MCS，最 大 化 小 区 吞 吐 量 ；第 二 种 策 略 则 尽 量 将 基 站 接 收 到 用 户 的 功 率 密 度 控 制 在 一 定 的 水 平 来抑制小区干扰，提高小区信号环境的稳健性和整个网络的性能。 基于以上两种策略的特性，本 文提出了自适应的功率控制切换技术，即根据用户在小区中的位置来判断使用以上哪一种功率 控制策略，以达到尽量提高小区吞吐量并同时提高整个网络性能的目的。
电信科学 2010 年第 3 期
图 2 小区吞吐量与干扰噪声比水平
而造成小区间干扰增大。 而小区吞吐量方面 ，当 PSD 用户 占 87.5%（即 PH 用 户 占 12.5%）时 ，系 统 具 有 最 大 小 区 吞 吐量，相对于全 PSD 功率控制方案吞吐量提高 9%。 当 PH 用户继续增加时，小区吞吐量单调下降。 值得注意的是当 PSD 用户占 94%时， 小区吞吐量较全 PSD 方案有所下降。 这是因为虽然中 心 用 户 的 MCS 得 到 提 升 ， 但 同 时 由 于 它 们可以使用的资源集中在 7%资源上， 降低了频率选择性 调度的增益，造成总体吞吐量下降。
PRX 为 ：
PRX(i)=PO_PUSCH+ΔTF(i)+f(i)
（3）
基 站 可 以 通 过 信 令 控 制 UE 是 否 根 据 所 选 的 MCS 计
算 ΔTF(i)，如 果 不 计 算 ，则 ΔTF(i)=0。 本 文 中 仅 讨 论 ΔTF(i)=0 的情况，即：
PRX(i)=PO_PUSCH+f(i)
表 1 仿真参数设置
参数
数值
带宽
10 MHz
载频
2 GHz
BS 与 BS 距离
0.5 km
信道模型
ITU 6 径 慢 衰 落 信 道
路径损耗模型
128.1 + 37.6lg (R)
传输模式
SIMO(1×2)
基站发射功率
46 dBm
阴影衰落标准差
8 dB
天线波形
70 degree (-3 dB)，前后比 20 dB
对于频率复用因子为 N=1 的小区，上行链路的小区间 干扰主要由相邻小区的边缘用户使用相同频带资源产生。 抑 制 小 区 间 干 扰 的 主 要 方 法 有 部 分 频 率 复 用 （fractional frequency reuse，FFR）或者功率控制（power control，PC）。 部 分频率复用主要通过将小区边缘用户所使用的频率资源 相互错开，降低小区边缘用户的同频干扰，但这种方法同 时也会降低频谱利用率；功率控制则通过合理控制用户的 发射功率，抑制小区间的干扰。
本文基于对以上两种算法的分析，提出了自适应功率 控制算法，该算法结合两种算法所长，确保小区边缘用户 性能的同时，尽量最大化小区吞吐量。 自适应功率控制算 法的原理如下：由于小区间中心用户距离其他相邻小区基 站比较远， 因此只要中心用户与边缘用户使用的频带错 开，采用较大的发射功率，则中心用户对邻区的干扰就不
（4）
2.1 基于 PSD 的功率控制[4]
从上面接收到的单位 RB 功率来看，需要进行全路 径
损耗补偿，但是由于 FDD 系统中上下行的不相关性 ，用户
无法通过测量下行的路径损耗来对上行进行完全补偿，因
此 可 以 在 基 站 设 置 一 个 单 位 RB 的 目 标 PSD 即 PSDTarget 之，同时通过测量得到的 PUSCH 上 的 实 际 PSD，即 PRX，计 算 PRX 和 PSDTarget 之间的差值即得 到 用 户 的 功 率 调 整 量 ，从
第 i 帧的 PUSCH 中每个 RB（M=1）上的发射功率[3]为：
PPUSCH(i)=PO_PUSCH+α·PL+ΔTF(i)+f(i忽 略 信 道 衰 落 影 响 （长 时 间
内，信道衰落的 均 值 为 0），则 接 收 的 单 位 RB 的 信 号 功 率
式 （1） 显 示 ， 共 享 信 道 的 发 射 功 率 由 被 分 配 的 资 源 数
MPUSCH(i)、初 始 发 射 功 率 P 、 O_PUSCH 路 损 加 权 因 子 （即 部 分 功 率 控制 FPC）α、路径损耗 PL、自适应编码方式 ΔTF(i)及闭环功 率控制指令（TPC）f(i)决定，其中 i 表示子帧号。
图 3 显 示 了 接 收 SINR 的 分 布 曲 线 。 在 小 区 边 缘 ， 87.5% PSD 功 控 的 接 收 SINR 比 100% PSD 功 控 差 大 约 0.5dB， 但相对于 0%PSD 功控 （即所有用户 都 是 用 PH 功 控）明显有所改善，这是因为对小区边缘用户进行了基于 PSD 的 功 率 控 制 ，抑 制 了 小 区 边 缘 用 户 的 干 扰 ；而 在 小 区 中心，0% PSD 功 控 效 果 最 好 ，这 是 由 于 PH 用 户 可 以 使 用 全频带，从而为小区中心用户带来频选性调度增益。 87.5% PSD 功控的接收 SINR 则优于 100%PSD 功 控 ，这 是 因 为 对 于小区 中 心 用 户 进 行 了 基 于 PH 的 功 率 控 制 ，使 得 这 部 分 用户可以使用较高的发射功率而又不至引起太高的小区 间干扰，从而提高了 SINR。
第 二 种 ， 基 于 接 收 到 的 功 率 谱 密 度 （power spectral destiny，PSD）来 进 行 功 率 控 制 ，系 统 通 过 控 制 所 有 用 户 的 接收信号的 PSD 来稳定系统的小区间干扰水平[1]。 使用这 种功控方法，对于处在小区中心的用户，虽然其对相邻小 区 的 干 扰 较 小 ，但 由 于 其 接 收 的 PSD 被 限 制 ，将 会 导 致 其 不能使用较大的发射功率， 不能选择较高阶数的 MCS，最 终造成小区的整体吞吐量下降。
目 前 ，已 经 提 出 了 很 多 LTE 的 功 率 控 制 算 法 ，本 文 中 涉及的两个通用算法原理如下。
第 一 种 ， 根 据 用 户 上 报 的 功 率 余 量 （power headroom， PH），提 升 用 户 的 发 射 功 率 ，以 提 高 接 收 的 用 户 信 号 质 量 并 选 择 阶 数 较 高 的 调 制 编 码 方 式 （modulation and coding scheme，MCS），达 到 提 高 小 区 吞 吐 量 的 目 的 。 由 于 每 个 用 户使用的发射功率都较大，因此小区间干扰会比较大。
方案则侧重于提高小区吞吐量。 如果能够合理控制边缘用
户的发射功率， 同时让小区中心用户使用较大的功率发
射，那么就可以在保证小区边缘用户的性能的同时，提升
小区整体吞吐量和峰值速率。 在此笔者提出了自适应的功
率控制算法，充分利用上面两种算法的长处。 由于小区中
心用户对邻区造成的干扰较小，可以对其采用 PH 方案，同
容易地找到最优目标 PSD，让小区间干扰水平处在一个较
低的状态，同时具有较好的系统吞吐量。
2.2 基于 PH 的功率控制
这种功控算法的目标就是充分利用用户的功率余量
（PH），通 过 提 升 发 射 功 率 来 改 善 信 号 质 量 ，从 而 最 大 化 小
区吞吐量。 基站通过测量得到接收信号的信干噪比（SINR）
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会很大；而对于边缘用户，由于与相邻小区的边缘用户相 距较近，有必要对它们的发射功率进行控制与协调，这样 可以保证获得较好的小区边缘用户速率。
2 PUSCH 功率控制
3GPP 定义的 PUSCH（物理上行共享信道）功率控制公
式[2]如 下 ：
PPUSCH(i)=min{PCMAX, 10lg(MPUSCH(i))+PO_PUSCH+α·PL +ΔTF(i) +f (i)} （1）
PLUE
>PL j
threshold
PLUE
<PL j
threshold
（9）
其 PLUE j 中是第 j 个用户的路径损耗。
3 系统仿真与结果分析
本 文 的 系 统 级 仿 真 主 要 分 析 了 结 合 PH 及 PSD 的 上 行 功 率 控 制 的 系 统 性 能 。 在 仿 真 中 ， 对 于 PH 方 案 ， Target_SINR 设 置 为 最 高 阶 MCS 所 需 要 的 SINR，PSD 方 案 PSDTarget 则 设 置 为 可 以 使 系 统 具 有 最 大 小 区 吞 吐 量 的 目 标 值 。 另 外 ，PH 方 案 中 ， 预 留 的 中 心 用 户 频 带 资 源 只 供 选 择 PH 功 控 的 用 户 使 用 。 系 统 仿 真 详 细 参 数 设 置 如 表 1 所示。
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系统可以设定功率控制模式的切换门限，如以路径损
耗 作 为 切 换 门 限 PLthreshold，则 对 第 j 个 用 户 的 TPC 值 可 以 按
照式（9）计算：
! fj(i)=
PSDTarget-PSDTarget(dBm/RB) , Target_SINR-Actual_SINR ,
值，并根据用户上报的 PH 来计算期望的 SINR 值[5]：
ΔSINR=
PH I+N
（6）
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LTE 上行链路自适应功率控制切换技术
邓勇志，胡正才，温文坤，黄梓鹏 （新邮通信设备有限公司广州研发中心 广州 510663）
摘要
根 据 LTE 协 议 对 上 行 链 路 功 率 控 制 的 有 关 描 述 ，分 析 了 两 种 通 用 的 上 行 功 率 控 制 策 略 ：第 一 种 策略充分利用用户的功率余量， 通过提高发射功率提高用户的信号质量， 尽可能选择高阶的 MCS，最 大 化 小 区 吞 吐 量 ；第 二 种 策 略 则 尽 量 将 基 站 接 收 到 用 户 的 功 率 密 度 控 制 在 一 定 的 水 平 来抑制小区干扰，提高小区信号环境的稳健性和整个网络的性能。 基于以上两种策略的特性，本 文提出了自适应的功率控制切换技术，即根据用户在小区中的位置来判断使用以上哪一种功率 控制策略，以达到尽量提高小区吞吐量并同时提高整个网络性能的目的。
电信科学 2010 年第 3 期
图 2 小区吞吐量与干扰噪声比水平
而造成小区间干扰增大。 而小区吞吐量方面 ，当 PSD 用户 占 87.5%（即 PH 用 户 占 12.5%）时 ，系 统 具 有 最 大 小 区 吞 吐量，相对于全 PSD 功率控制方案吞吐量提高 9%。 当 PH 用户继续增加时，小区吞吐量单调下降。 值得注意的是当 PSD 用户占 94%时， 小区吞吐量较全 PSD 方案有所下降。 这是因为虽然中 心 用 户 的 MCS 得 到 提 升 ， 但 同 时 由 于 它 们可以使用的资源集中在 7%资源上， 降低了频率选择性 调度的增益，造成总体吞吐量下降。
PRX 为 ：
PRX(i)=PO_PUSCH+ΔTF(i)+f(i)
（3）
基 站 可 以 通 过 信 令 控 制 UE 是 否 根 据 所 选 的 MCS 计
算 ΔTF(i)，如 果 不 计 算 ，则 ΔTF(i)=0。 本 文 中 仅 讨 论 ΔTF(i)=0 的情况，即：
PRX(i)=PO_PUSCH+f(i)
表 1 仿真参数设置
参数
数值
带宽
10 MHz
载频
2 GHz
BS 与 BS 距离
0.5 km
信道模型
ITU 6 径 慢 衰 落 信 道
路径损耗模型
128.1 + 37.6lg (R)
传输模式
SIMO(1×2)
基站发射功率
46 dBm
阴影衰落标准差
8 dB
天线波形
70 degree (-3 dB)，前后比 20 dB
对于频率复用因子为 N=1 的小区，上行链路的小区间 干扰主要由相邻小区的边缘用户使用相同频带资源产生。 抑 制 小 区 间 干 扰 的 主 要 方 法 有 部 分 频 率 复 用 （fractional frequency reuse，FFR）或者功率控制（power control，PC）。 部 分频率复用主要通过将小区边缘用户所使用的频率资源 相互错开，降低小区边缘用户的同频干扰，但这种方法同 时也会降低频谱利用率；功率控制则通过合理控制用户的 发射功率，抑制小区间的干扰。
本文基于对以上两种算法的分析，提出了自适应功率 控制算法，该算法结合两种算法所长，确保小区边缘用户 性能的同时，尽量最大化小区吞吐量。 自适应功率控制算 法的原理如下：由于小区间中心用户距离其他相邻小区基 站比较远， 因此只要中心用户与边缘用户使用的频带错 开，采用较大的发射功率，则中心用户对邻区的干扰就不
（4）
2.1 基于 PSD 的功率控制[4]
从上面接收到的单位 RB 功率来看，需要进行全路 径
损耗补偿，但是由于 FDD 系统中上下行的不相关性 ，用户
无法通过测量下行的路径损耗来对上行进行完全补偿，因
此 可 以 在 基 站 设 置 一 个 单 位 RB 的 目 标 PSD 即 PSDTarget 之，同时通过测量得到的 PUSCH 上 的 实 际 PSD，即 PRX，计 算 PRX 和 PSDTarget 之间的差值即得 到 用 户 的 功 率 调 整 量 ，从
第 i 帧的 PUSCH 中每个 RB（M=1）上的发射功率[3]为：
PPUSCH(i)=PO_PUSCH+α·PL+ΔTF(i)+f(i忽 略 信 道 衰 落 影 响 （长 时 间
内，信道衰落的 均 值 为 0），则 接 收 的 单 位 RB 的 信 号 功 率
式 （1） 显 示 ， 共 享 信 道 的 发 射 功 率 由 被 分 配 的 资 源 数
MPUSCH(i)、初 始 发 射 功 率 P 、 O_PUSCH 路 损 加 权 因 子 （即 部 分 功 率 控制 FPC）α、路径损耗 PL、自适应编码方式 ΔTF(i)及闭环功 率控制指令（TPC）f(i)决定，其中 i 表示子帧号。
图 3 显 示 了 接 收 SINR 的 分 布 曲 线 。 在 小 区 边 缘 ， 87.5% PSD 功 控 的 接 收 SINR 比 100% PSD 功 控 差 大 约 0.5dB， 但相对于 0%PSD 功控 （即所有用户 都 是 用 PH 功 控）明显有所改善，这是因为对小区边缘用户进行了基于 PSD 的 功 率 控 制 ，抑 制 了 小 区 边 缘 用 户 的 干 扰 ；而 在 小 区 中心，0% PSD 功 控 效 果 最 好 ，这 是 由 于 PH 用 户 可 以 使 用 全频带，从而为小区中心用户带来频选性调度增益。 87.5% PSD 功控的接收 SINR 则优于 100%PSD 功 控 ，这 是 因 为 对 于小区 中 心 用 户 进 行 了 基 于 PH 的 功 率 控 制 ，使 得 这 部 分 用户可以使用较高的发射功率而又不至引起太高的小区 间干扰，从而提高了 SINR。
第 二 种 ， 基 于 接 收 到 的 功 率 谱 密 度 （power spectral destiny，PSD）来 进 行 功 率 控 制 ，系 统 通 过 控 制 所 有 用 户 的 接收信号的 PSD 来稳定系统的小区间干扰水平[1]。 使用这 种功控方法，对于处在小区中心的用户，虽然其对相邻小 区 的 干 扰 较 小 ，但 由 于 其 接 收 的 PSD 被 限 制 ，将 会 导 致 其 不能使用较大的发射功率， 不能选择较高阶数的 MCS，最 终造成小区的整体吞吐量下降。
目 前 ，已 经 提 出 了 很 多 LTE 的 功 率 控 制 算 法 ，本 文 中 涉及的两个通用算法原理如下。
第 一 种 ， 根 据 用 户 上 报 的 功 率 余 量 （power headroom， PH），提 升 用 户 的 发 射 功 率 ，以 提 高 接 收 的 用 户 信 号 质 量 并 选 择 阶 数 较 高 的 调 制 编 码 方 式 （modulation and coding scheme，MCS），达 到 提 高 小 区 吞 吐 量 的 目 的 。 由 于 每 个 用 户使用的发射功率都较大，因此小区间干扰会比较大。
方案则侧重于提高小区吞吐量。 如果能够合理控制边缘用
户的发射功率， 同时让小区中心用户使用较大的功率发
射，那么就可以在保证小区边缘用户的性能的同时，提升
小区整体吞吐量和峰值速率。 在此笔者提出了自适应的功
率控制算法，充分利用上面两种算法的长处。 由于小区中
心用户对邻区造成的干扰较小，可以对其采用 PH 方案，同
容易地找到最优目标 PSD，让小区间干扰水平处在一个较
低的状态，同时具有较好的系统吞吐量。
2.2 基于 PH 的功率控制
这种功控算法的目标就是充分利用用户的功率余量
（PH），通 过 提 升 发 射 功 率 来 改 善 信 号 质 量 ，从 而 最 大 化 小
区吞吐量。 基站通过测量得到接收信号的信干噪比（SINR）
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TD 与 LTE 技术创新论坛
会很大；而对于边缘用户，由于与相邻小区的边缘用户相 距较近，有必要对它们的发射功率进行控制与协调，这样 可以保证获得较好的小区边缘用户速率。
2 PUSCH 功率控制
3GPP 定义的 PUSCH（物理上行共享信道）功率控制公
式[2]如 下 ：
PPUSCH(i)=min{PCMAX, 10lg(MPUSCH(i))+PO_PUSCH+α·PL +ΔTF(i) +f (i)} （1）
PLUE
>PL j
threshold
PLUE
<PL j
threshold
（9）
其 PLUE j 中是第 j 个用户的路径损耗。
3 系统仿真与结果分析
本 文 的 系 统 级 仿 真 主 要 分 析 了 结 合 PH 及 PSD 的 上 行 功 率 控 制 的 系 统 性 能 。 在 仿 真 中 ， 对 于 PH 方 案 ， Target_SINR 设 置 为 最 高 阶 MCS 所 需 要 的 SINR，PSD 方 案 PSDTarget 则 设 置 为 可 以 使 系 统 具 有 最 大 小 区 吞 吐 量 的 目 标 值 。 另 外 ，PH 方 案 中 ， 预 留 的 中 心 用 户 频 带 资 源 只 供 选 择 PH 功 控 的 用 户 使 用 。 系 统 仿 真 详 细 参 数 设 置 如 表 1 所示。
86
系统可以设定功率控制模式的切换门限，如以路径损
耗 作 为 切 换 门 限 PLthreshold，则 对 第 j 个 用 户 的 TPC 值 可 以 按
照式（9）计算：
! fj(i)=
PSDTarget-PSDTarget(dBm/RB) , Target_SINR-Actual_SINR ,
值，并根据用户上报的 PH 来计算期望的 SINR 值[5]：
ΔSINR=
PH I+N
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