TD-HSUPA功率授權算法

對於功率授權，主要指Node B對UE進行的最大允許功率的授權，即需要承載在E-AGCH上的授權。這一授權直接決定UE能夠使用的最大功率偏移，也直接決定了E-TFC的選擇結果和UE帶來的干擾。本文將主要介紹功率授權算法。

基本介紹

• 中文名：TD-HSUPA功率授權算法
• 外文名：TD-HSUPA Power authorization algorithm
• 套用學科：通信

授權算法

功率授權過程是調度過程中的一個環節，旨在為UE分配PRRI信息域。首先，在本節的開始處，將介紹一下HSUPA中從基站功率授權到UE的E-TFC選擇的系列過程、原理和公式。

TD-HSUPA的UE傳送功率計算公式如下

（6-25）

首先，對於，在之前的章節中也有所提到，這是一個由基站和UE雙方閉環維護的一個功率量，表示參考意義上的基站端期望達到的接收功率，也可以從側面反映小區內的干擾和噪聲。對於此值有公式

（6-26）

其中，是通過高層RRC信令配置給UE的初始值，取值為用戶受到的干擾和底噪。在初始值基礎上，利用TPC命令對此值做閉環的維護。

其次，L表示路損。在下行方向上UE可以測量小區功率恆定的P-CCPCH來獲得路損信息。

第三，對於，由3部分組成

（6-27）

其中，為SF決定的因子，其映射表格為表1所示。

表1SF和映射表

SFE-PUCH	ae(dB)
1	12
2	9
4	6
8	3
16	0

Δharq為高層配置的參數，本章節中設定為0dB，暫不考慮對此因子的調整。為與UE選擇的E-TFC相關的負載狀況，其計算過程需要涉及系統配置的λ→β映射表格。此映射將決定對於單個資源單元（VRU），採用不用的碼率時，UE在功率上所需的偏置值。但是由於TBS的種類多變，資源配置多變，很難給出全部可能出現的碼率。根據HSUPA系統的要求，這裡採用鏈路級仿真的方式，給出QPSK/16QAM下碼率0.1～0.9的18條MCS的鏈路級SNR→BLER性能曲線，在這些曲線上選取需要的值，選取標準為BLER等於10%。有了碼率和功率偏置的映射，當使用某一個具體的碼率時，可以採用線性插值的方式來計算此碼率對應的。

圖1 E-TFC選擇過程

由以上的UE傳送功率計算公式可知，想要確定應該使用的傳送功率，必須知道UE自身使用的SF和碼率。SF是由E-AGCH上的CRRI指示的，UE在得到調度授權時就已經知道。但是對於碼率，基站並沒有在資源分配環節為UE規定所使用的碼率。這就要求UE自身根據PRRI進行E-TFC的選擇，選出可用的TBS大小和碼率大小。由於PRRI也是針對單個資源單元（VRU上相對於的功率偏置，所以選擇E-TFC的過程，就是選擇不超過PRRI限制的碼率和TBS的過程。此過程描述如圖1所示。

其中，碼率的計算公式為

TBS/(λ×M)+17×N=(704/SF)×T （6-28）

其中，TBS有64種；T為UE占用的時隙個數（TRRI）；SF為UE占用的碼資源（CRRI）；N為ENI，承載在E-AGCH上；M為調製方式，可以取16QAM或QPSK，如果為16QAM則M取為4，若為QPSK則取為2；17代表一條E-UCCH需要占用的符號數，因為E-UCCH固定採用QPSK調製，所以2bit將被調製為一個符號，E-UCCH的32bit，加上TPC的2bit，一共占用17個QPSK符號，如果ENI為N，則需要占用17×N個QPSK符號。通過以上公式可以求出碼率l，對於16QAM和QPSK各有一套對應的碼率。

這個流程將會選出不大於PRRI的最大TBS和可用調製方式。如果一個TBS被兩種調製方式同時支持，則選較小的方式。由此可見，PRRI將直接決定UE的傳輸能力，所以功率授權算法將直接影響系統吞吐量和UE吞吐量。

干擾及其對信噪比的影響模型

首先，先介紹一下TD-HSUPA上行方向上的信噪比計算情況，給出TD-HSUPA上行方向上信號質量的特點和決定因素。在上行方向上採用的是多根天線的MRC合併，一般可以帶來6～9dB的增益，檢測算法為聯合檢測算法，可以有效地消除小區內的干擾，故TD-HSUPA上行方向上的干擾也主要來源於小區間干擾。而且需要注意的是，TD-HSPA系統經常工作在TDM模式下，這是由於TD系統的碼資源受限，且多個用戶共享信道，為了提高吞吐量，必須每一次多為用戶分配資源才能傳輸較大的TB。這就是說，如果在TDM模式下，上行干擾源完全為小區間干擾。例如，採用16QAM0.6左右的碼率，假設ENI為1（實際都大於1），每個扇區下4個用戶，每個用戶完全占用兩個上行業務時隙時，每個用戶能得到的吞吐量平均為（704/1*2−17*1）*0.6*4/4*200=167kbit/s，這並不是一個很大的量，剛剛可以支持128kbit/s的業務。如果兩個用戶共用一個時隙（碼分方式），在用戶數不增加的情況下，調度頻率增加一倍，但吞吐量沒有提升，而且干擾情況將會比TDM模式下複雜。如果用戶數增加，則每個用戶的吞吐量下降一半。這一點與WCDMAHSUPA完全不同，WCDMA在上行方向上為專用碼道，碼資源不受限，系統性能只是受限於干擾。綜上所述，我們可以得到現在一般情況下對HSPA資源的配置方式都是以TDM為基礎的，並且這種方式已經為大多數廠家和運營商所接受。基於這種情況，我們可以分析系統中干擾的特點。

這裡我們引用MRC合併後信號信噪比的推導。假設某一個用戶在它的傳輸間隔（TTI）中與來自其他小區的M個干擾源共存，則該用戶在基站的接收端收到的信號向量為

（6-29）

其中，為碼片級的有用信號，為來自於第i個干擾源的碼片級干擾，和分別為有用信號和干擾源到達基站天線時各個天線陣元上對碼片的衰落。為高斯白噪向量，每根天線上的高斯白噪為獨立同分布的隨機變數。的維數將等於接收天線的個數N。對於MRC合併，各個天線上的加權因子構成的合併向量即為，令信號、干擾源i、高斯白噪的功率分別為，和，則MRC過程可以表述如下

（6-30）

此時，信號的SINR為

（6-31）

從公式中可以分析出以下幾點。

（1）SINR將隨α和β_i兩個向量之間的夾角φ_m-βi的變化而產生波動，這是因為對於共享的E-PUCH，各個小區在每個TTI的各個時隙下調度的用戶具有隨機性，這就導致有用信號和干擾源在空間位置上存在隨機的波動性。由於基站之間的調度信息無法共享，所以無法有效地預測干擾源。

（2）與WCDMAHSUPA不同的是，TD-HSUPA不具有軟切換功能，所以UE不能同時和多個小區相連，不能監聽周圍小區的信息。WCDMA系統用E-RGCH信道控制鄰小區的UE，讓它們感知自己的干擾狀況，一旦遭受嚴重的干擾，基站可以通過E-RGCH告知鄰小區的UE，UE監聽多個小區的E-RGCH衡量目前的周遭干擾狀況，以此決定自己的功率。但TD-HSUPA只能通過控制自身小區的UE來控制整個干擾狀況，如果做到小區間互通，則需要每個小區都頻繁地向RNC匯報自己的干擾狀況，這將是一大筆信令開銷，並且基站之間的直接互通也是在HSPA範疇內無法支持的。

（3）如果進一步考慮HSPA下TDM的資源配置方式，每個時隙下小區只有一個用戶在工作。如果調度的是小區中心的用戶，則此時小區之間用戶的干擾會進一步減小。如果調度的是小區邊緣用戶，則可以考慮利用小區間干擾協調的方式來犧牲小區中心性能提高邊緣用戶性能，這還是一個正在討論的議題，現行網路並不支持實際中的套用，本書將不做討論，只給出一個可能方案的示意圖，如圖2所示。總之，在現有網路條件下，TDM的模式，小區內的干擾水平為0，所有干擾都來自於小區間。

圖2 干擾協調示意圖

基於最大可允許功率的授權

UE進行E-TFC選擇過程時，需要有一個前提，就是無論最後選擇的E-TFC等級如何，其傳送功率都不可能超越自身所允許的最大發射功率。也就是說，針對當前的水平和路損情況，總是可以得到UE當前剩餘的功率水平。

基於最大可允許功率的授權將授予所有用戶各自最大的功率許可，用戶僅僅依靠內環和外環功控調整自己的傳送功率，根據當前的情況和測得的路損計算能夠使用的功率餘量（相對與單個資源單元，VRU）。

此算法用公式表示為

（6-32）

此處，認為E-TFC選擇能夠最大程度上接近PRRI，並且PRRI應儘可能接近UE的剩餘功率，故根據上面的公式，PRRI應該具有如下形式

（6-33）

並且注意到，恰為UPH的定義，所以對於PRRI，有

（6-34）

再考慮到PRRI有協定量化的範圍，對於較好的用戶其UPH可能會超越PRRI疊加上後的範圍，所以此時有：。此公式就是最大可允許功率的授權表示。

基於干擾估計的功控算法

這種算法的基本思想是基於所有小區和用戶都處於對稱分布的假設。所謂小區和用戶對稱是指任取一個小區的一個UE，它受到的鄰小區干擾都等於它對所有鄰小區產生的干擾之和，即存在一種互易的網路環境。很明顯，這是一種很理想的環境，在實際網路中不會存在，特別是在TD-HSUPA中。通過我們前面的分析，可以知道在TDM的條件下，基站的調度有很大的隨機波動性，所以干擾也在隨機波動著，很難創造出干擾的互易特性。

在上述思想中，不但干擾的互易條件很難滿足，一些其他假設也對實際網路提出挑戰。比如，如果要估計符號級的干擾水平，得出信號質量SINR，則需要假設天線的主瓣和旁瓣增益、聯合檢測增益等，而這些參數都是實際系統所無法獲得的。

所以本文有保留的參考上述干擾估計思想，但只進行碼片級的干擾估計，承認由於空間位置波動帶來的干擾波動和由此帶來的信號質量SINR的波動。

下面將分若干部門詳細介紹基於干擾估計的功控算法。

（1）上行鏈路ROT原則

ROT（RiseofThermal），背景噪聲提升值，經常用來衡量上行鏈路的干擾狀況。一般，ROT都是定義在符號級信號質量SINR基礎之上，其公式可以表述為，其中，I_intra和I_inter都包括了MRC合併增益和聯合檢測增益，這些參數與天線的配置情況、信號的空間位置聯繫密切（使用統計得到的參數準確度不足，所以基站側得不到有意義的參數，這就是本文採用碼片級干擾控制的原因）。在TDM的資源配置條件下，I_intra為0，故本書中採用對干擾I_inter的估計作為對用戶ROT的估計，並且僅進行碼片級的估計ROT_chip，而不進行SINR級的估計。對於ROT_chip的門限，本文將假設其為一個可配置的值，並且體現在對底噪N₀的疊加效應上，如大於底噪10dB。

（2）干擾估計算法公式表示

首先，利用干擾估計的思想，UE帶來的對所有其他鄰小區的干擾之和將被用作UE受到的鄰小區干擾。這裡，我們利用了UE上報的調度信息（SI）中的一個信息域SNPL（Serving&NeighborCellPathloss），在第2章和前面小節中已經描述過，這裡重新引用它們的計算公式

{類型1SNPL報告} （6-35）

{類型2SNPL報告} （6-36）

用戶到達基站的功率（碼片級功率，不考慮天線增益和聯合檢測增益）應該為

（dB） （6-37）

（6-38）

用戶到達所有鄰小區基站的功率（碼片級功率，不考慮天線增益和聯合檢測增益，為

（6-39）

下面採用類型1的SNPL報告，則將

（6-40）

表示為：

（6-41）

P_RX,inter是UE帶給所有鄰小區的干擾功率，用來“代替”UE遭受的鄰小區干擾。此算法的目的就是控制P_RX,inter的水平，讓UE帶給鄰小區的干擾不要太大。這裡引入一個門限值Pwr_thresold（dB），取值為與底噪相對的抬升，用來控制UE的傳送功率。其控制方法是將UE的P_RX,inter和P_RX協調起來考慮，使它們不大於。此控制方法表示為

（6-42）

其中，P_RX,inter和P_RX的比例還可以調節，以達到不同的控制效果。比如，令P_RX的比例為1，P_RX,inter的相對比例為α，這裡取α為1。可以推出的表達式為

（linear，所有變數都為線性值） （6-43）

利用這個不等式，可以得到的上限，即超過此上限的所有都不符合Pwr_threshold的要求，基站將遍歷所有，篩選出不符合條件的，將其餘可用的最大用於PRRI的授權（需要減去）。

（3）基於干擾估計的算法流程

用戶調度發生在功率授權之前，調度過程需確定候選用戶以及為此用戶配置的時隙和碼道資源。已知OVSF長度後，再進行功率的授權。最後確定HARQ相關的信息。有關信息的確定順序如圖2所示。

（6-44）

（linear，所有變數都為線性值）

上式所示的判決和選擇過程就發生在PowerGrant環節。在此之前需要知道TRRI和CRRI信息。計算所需的SNPL根據最近一次SI上報的內容決定，根據協定規定，SNPL每200ms上報一次即可。對於Pwr_threshold，系統底噪一般取為−136dBW，在此基礎上疊加5dB、10dB、15dB、20dB，可以看到不同的控制效果。

以上兩小節描述了兩種不同的功率授權方式，一種直接賦予最大的可用功率，另一種基於干擾估計和控制。在下面的仿真環節，將會呈現這兩種算法的性能趨勢。