LTE系统多小区上行联合功控算法
张柔佳，占庆祥，朱宇航，谭国平*
【摘 要】摘 要:针对传统的小区内开环功率控制算法通常以提升本小区的吞吐量性能为目标，忽略了当前小区用户对邻小区用户同频干扰的问题，为提升边缘用户性能的同时兼顾系统整体性能，提出了一种LTE系统小区间上行联合功率控制(UJPC)算法。该算法采用单基站三扇区为系统模型，以最优化系统吞吐量比例公平函数为目标，首先根据最小信干噪比(SINR)约束值和用户最大发射功率这两个约束条件得到相应的数学优化模型，然后采用连续凸近似的方法求解优化问题得出各个基站所管辖的小区内所有用户的最优发射功率。仿真结果表明，与基准的开环功控方案相比，联合功控方案在保证系统平均频谱利用率的情况下能够较大幅度地提高小区边缘频谱利用率，其最佳性能增益能达到50%。
【期刊名称】计算机应用 【年(卷),期】2024(039)001 【总页数】6
【关键词】关键词:长期演进;上行链路；小区间干扰；联合功率控制；最小信干噪比；连续凸近似 修回日期:2024- 08- 10; 录用日期:2024- 08- 14。
基金项目:中央高校基本科研业务费专项(2015B18914)；中国科学院上海微系统与信息技术研究所无线传感网与通信重点实验室开放课题项目(2016001)。
0 引言
在长期演进(Long Term Evolution, LTE)系统中，上行链路采用单载波频分多址(Single Carrier Frequency Division Multiple Access, SC-FDMA)技术[1]，利用子载波的正交性质，有效消除了小区内用户之间干扰，但是，由于LTE要求高传输速率，在实际布网中使用的是同频组网方式，频率复用因子为1，即相邻小区使用相同的通信频段。多小区同频组网的情况下小区间干扰情况比较严重[2]，小区边缘用户性能较差，严重制约了系统性能的进一步提升。为了有效抑制小区间干扰，LTE系统在多小区场景下进行功率控制时，需要考虑相邻小区之间的干扰。对于相邻小区间的干扰，通过合理功率调控，能够降低干扰，提升边缘用户的用户体验，同时提升整体性能状况，因此，研究多小区联合功率控制问题对于提升通信系统容量和性能具有重大意义。
自2004年启动LTE计划开始，世界范围内移动通信领域各大科研机构和各知名大学均在LTE上行链路功率控制算法以及资源调度方面进行了大量的研究，也取得了大量的研究成果。文献[3-4]中针对上行功率控制的研究，主要采用部分功率控制的方法，其主要的思想是根据用户不同的路径损耗，设置相对应的路损补偿因子，使得不同路径损耗的用户目标信干噪比(Signal-to-Interference plus Noise Ratio, SINR)不同。文献[5]中提出了LTE网络中上行链路部分功率控制全网优化，从网络优化的角度研究上行链路功率控制优化问题；文献[6]中提出了基于多小区的上行功率控制，根据干扰功率和热噪声比值(Interference over Thermal, IoT)进行用户分类，分别进行功率控制。近年来，不少研究将凸优化理论用于通信系统功率控制算法中，建立加权的系统容量最大化(Weighted Sum-rate Maximization, WSM)问题[7]来求解功率分配方案，取得了非常好的效果。不考虑小区间干扰问题时，小区内WSM问题是个凸问
题，通过次梯度迭代算法[7]可以求解问题的最优解，进而得出功控方案。对于多小区WSM建模的时候，需要考虑不同小区之间的用户干扰问题，通过香农公式建立的目标函数是一个非凸函数，即此问题不是一个凸问题。非凸函数求解最优解是极其复杂的，且并不能保证存在最优解。MAPEL(MLFP(Multiplicative Linear Fractional Programming)-bAsed PowEr aLlocation)算法[8]和Branch & Bound算法[9]理论上可以求解WSM问题的最优解，但是求解算法的复杂度极高，在实际应用中具有一定的不可操作性。在不少文献中，通过采用连续凸近似优化算法[10]来求解WSM问题的次优解来解决问题。连续凸近似算法是一种求解WSM问题次优解的有效方法，该算法通过迭代求解一系列WSM问题的近似凸问题获得WSM问题的局部最优解。另外，文献[11]和文献[12]将WSM问题近似成几何规划(Geometric Programming, GP)问题，分别使用集中式和分布式的方式求解GP问题得到WSM的局部最优解。
上述对LTE上行功控的研究均取得了不错的效果，本文将在上述研究的基础上提出一些改进的算法，考虑多小区间的干扰，兼顾边缘用户频谱利用率和系统平均频谱利用率性能。
1 LTE系统上行功率控制
在LTE系统中，无线资源管理的研究内容包括功率控制、信道分配、调度、切换、接入控制、负载控制和端到端服务质量(Quality of Service, QoS)保障等部分[13]。上行链路功率控制对移动通信系统有极其重要的作用，主要是在两个方面获得平衡：一方面是为用户设备(User Equipment, UE)提供满足QoS所需的发送能量，另一方面是最小化每个用户对系统其他用户的干扰以及最大
LTE系统多小区上行联合功控算法
