LTE功率控制 技术白皮书

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

资料版本：6W100-20200927

 

目  录

1 概述··· 1

1.1 概念介绍·· 1

1.1.1 上行物理信道·· 1

1.1.2 DCI 2

1.1.3 TPC· 3

1.2 功率控制方式·· 4

1.2.1 开环功率控制·· 4

1.2.2 闭环功率控制·· 5

1.3 功率控制运行机制·· 6

1.3.1 PUSCH功率控制·· 6

1.3.2 PUCCH功率控制·· 9

2 典型组网应用··· 11

3 参考文献··· 12

 

1 概述

LTE（Long Term Evolution，长期演进）系统中功率控制技术分为上行信道功率控制和下行信道功率控制。

上行信道功率控制又分为开环功率控制和闭环功率控制两种方式。LTE系统首先通过开环功率控制设置上行信道功率初始值，然后通过闭环功率控制实时调整上行信道功率，以实现基站稳定接收UE（User Equipment，用户终端）信号及节省UE功耗的目的。

下行功率控制实质为功率分配，本文将不进行重点叙述。

在上行方向，由于资源调度的最小时频单元为RB（Resource Block,资源块），所以在上行方向，以RB为带宽单位度量UE发射功率的大小，一个RB上的能量即为PSD（Power Spectral Density，功率谱密度）。

如图1-1，U1距离基站较近，功率衰减较少；U2距离基站较远，功率衰减较大。基站通过上行信道功率控制，使得UE2以较大的功率发送信号，U1以较小的功率发送信号，从而保证了基站信号接收功率的稳定。

图1-1 上行功率控制示意图

 

1.1  概念介绍

1.1.1  上行物理信道

移动通信中根据信道中所传送信号的方向不同，可分为上行信道和下行信道。其中从UE侧到基站侧，称之为上行方向；从基站侧到UE侧，称之为下行方向。本文功率控制涉及的上行信道均指LTE上行物理信道。LTE系统上行物理信道包括：

·     物理随机接入信道（Physical Random Access Channel，PRACH）：承载UE接入网络使用的随机接入前导，一旦获得网络授权，UE即可与基站建立连接，实现上行信号同步。

·     物理上行共享信道（Physical Uplink Shared Channel，PUSCH）：负责承载上行用户数据，采用共享的方式，利用基站的资源调度信息为不同用户分配传输资源。

·     物理上行控制信道（Physical Uplink Control Channel，PUCCH）：承载上行控制信息，负责HARQ（Hybrid Automatic Repeat reQuest，混合式自动重传请求）的结果确认、调度请求（Scheduling Request）和信道质量指示（Channel Quality Indicator）等功能。

 

1.1.2  DCI

DCI（Downlink Control Information，下行链路控制信息）为PDCCH（Physical Downlink Control channel，物理下行控制信道）携带的链路控制信息，具有指示上下行资源分配、上行信道功率调整以及调制编码方案等功能。主要的DCI格式如下表：

表1-1 DCI格式说明

格式	描述
0	用于指示PUSCH（Physical Uplink Shared channel，物理上行共享信道）的资源调度信息，包括资源块分配、调制编码方案、PUSCH传输功率控制命令等
1	用于指示单码字PDSCH（Physical Downlink Shared channel，物理下行共享信道）的资源调度信息，包括资源块分配、调制编码方案、PUCCH传输功率控制命令等
1A	·     标识字段为O时，指示单码字PDSCH的资源调度信息（已压缩），包括资源块分配、调制编码方案、PUCCH传输功率控制命令等 ·     标识字段为1A时，指示由一个PDCCH命令发起的随机接入进程（已压缩）
1B	用于指示带有预编码信息的单码字PDSCH的资源调度信息（已压缩），包括资源块分配、调制编码方案、PUCCH传输功率控制命令等
1C	经过高压缩的用于指示单码字PDSCH的资源调度信息，主要包括资源块分配信息
1D	用于指示带有预编码和功率偏移信息的单码字PDSCH资源调度信息（已压缩），包括资源块分配、调制编码方案、PUCCH传输功率控制命令等
2	用于指示双码字PDSCH（Physical Downlink Shared channel，物理下行共享信道）的资源调度信息，包括资源块分配、调制编码方案、PUCCH传输功率控制命令等
2A	用于指示带有预编码的双码字PDSCH（Physical Downlink Shared channel，物理下行共享信道）的资源调度信息，包括资源块分配、调制编码方案、PUCCH传输功率控制命令等
2B	用于指示带有扰码信息的双码字PDSCH（Physical Downlink Shared channel，物理下行共享信道）的资源调度信息，包括资源块分配、调制编码方案、PUCCH传输功率控制命令等
3	用于PUCCH和PUSCH的传输功率控制命令，使用2比特的功率调整信息
3A	用于PUCCH和PUSCH的传输功率控制命令，使用1比特的功率调整信息

 

1.1.3  TPC

TPC（Transmit Power Control，传输功率控制）为DCI中指示上行信道功率调整的命令。在LTE系统中，上行信道功率主要通过PDCCH信道下发的DCI中携带的TPC命令进行控制的。

不同格式的DCI信息，TPC命令所占的的比特位不同。在DCI 3A中TPC命令为1比特，在DCI 0、DCI 1、DCI 1A、DCI 1B、DCI 1C、DCI 1D、DCI 2、DCI 2A、DCI 2B和DCI 3中TPC命令为2比特。

使用TPC进行功率控制分为累计方式和绝对方式：

·     累积方式：当前功率调整值是在上次功率调整的数值上增加或减少一个TPC命令指示的步长，累积方式是UE缺省使用的调整方式，适用于PUCCH和PUSCH，支持2比特和1比特的TPC命令。

·     绝对值方式：直接使用TPC中指示的步长调整功率，只适用于PUSCH，且仅支持2比特的TPC命令。

针对PUSCH功率控制，系统使用的DCI格式、TPC命令所占的比特位数、TPC功率控制方式及对应的功率调整步长情况请见表1-2和表1-3。

表1-2 2比特TPC命令对PUSCH的功率调整步长

TPC命令取值 （DCI格式为0、3，占位2比特）	累计方式调整步长（dB）	绝对值方式调整步长（dB）
0	-1	-4
1	0	-1
2	1	1
3	3	4

 

表1-3 1比特TPC命令对PUSCH的功率调整步长

TPC命令取值 （DCI格式为3A，占位1比特）	累计方式调整步长（dB）
0	-1
1	1

 

针对PUCCH功率控制，系统使用的DCI格式、TPC命令所占的比特位数、TPC功率控制方式及对应的功率调整步长情况请见表1-4和表1-5。

表1-4 2比特TPC命令对PUCCH的功率调整步长

TPC命令取值 （DCI格式为1、1A、1B、1D、2、2A、2B和3，占位2比特）	累计方式调整步长（dB）
0	-1
1	0
2	1
3	3

 

表1-5 比特TPC命令对PUCCH的功率调整步长

TPC命令取值 （DCI格式为3A，占位1比特）	累计方式调整步长（dB）
0	-1
1	1

 

1.2  功率控制方式

上行信道功率控制分为开环功率控制和闭环功率控制两种方式。

·     开环功率：不需要基站根据信号接收情况进行反馈，由UE根据自身测量结果进行功率控制。主要用于基站和UE建立连接之前的功率控制，如PRACH功率控制及PUSCH、PUCCH的功率初始值设置。

·     闭环功率：UE根据基站的反馈信息进行功率控制。主要用于基站和UE建立连接之后的功率控制，如建立连接之后，PUSCH和PUCCH功率调整。

1.2.1  开环功率控制

在RB带宽确定的情况下，要保证基站接收信号的PSD稳定，只需要保证基站接收信号的功率稳定即可。

假设基站实际接收功率为，基站目标接收功率为，UE上行信号发射功率为，路径损耗为PL，则UE发送上行信号的功率情况如图1-2。

图1-2 上行信号功率示意图

 

LTE系统开环功率控制的目的为确定UE上行信号发送功率。

上图中，上行信号功率满足公式，如果要求接收功率等于基站目标接收功率，则要求UE上行信号发射功率。根据以上公式，只需得到和PL，即可确定UE上行信号发射功率。

1. 基站目标接收功率

基站目标接收功率由高层下发，通过系统广播信息发送给UE。

2. 路径损耗

UE通过接收的下行CRS（Cell Reference Signal，小区参考信号）计算出路径损耗PL。由于上行和下行信道频段相当，且短时内（CRS周期为3个OFDM符号）信道情况变换较小，可认为计算得到的下行路径损耗等于上行信号的路径损耗。

假设基站发送CRS功率为，UE接收CRS功率为，路径损耗为PL，UE接收CRS过程如图1-3。

图1-3 CRS信号功率示意图

 

上图中，路径损耗满足公式。其中CRS功率会通过系统广播信息下发给UE；为UE接收到的CRS功率，即RSRP（Reference Signal Received Power参考信号接收功率）。由此，可以计算得到PL。

3. UE上行信号发射功率

得到PL后，LTE系统还需考虑以下3个条件才能最终确定UE上行信号发射功率。

·     系统最大发射功率限制：UE上行信号发射功率不能超过系统最大发射功率限制。

·     路径损耗补偿：通过给PL乘以一个大于等于0，小于等于1的系数，降低路径损耗，从而降低UE的发射功率。路径损耗补偿主要用于减少小区边缘UE的信号发射功率，从而减少小区间干扰。

·     调制编码方案补偿：调制编码方案补偿针对不同的调制阶数，调整UE信号发射功率。

基于基站目标接收功率、路径损耗PL及以上3个条件，可最终确定由开环功率控制的UE上行信号发射功率。

1.2.2  闭环功率控制

经过开环功率控制后，UE按照初始发射功率给基站发送PUSCH和PUCCH信号。基站收到信号后，开始针对接收的信号功率为UE进行功率调整，实现闭环功率控制。

如图1-4，基站通过在PDCCH发送的DCI中的TPC命令进行闭环功率控制。

图1-4 闭环功率控制过程

 

闭环功率控制过程如下：

(1)     UE按照一定功率发送上行信号。

(2)     基站根据UE上报的SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio，信号与干扰加噪声比）或BLER（Block Error Rate，误码率），结合目标SINR或目标BLER，进行功率调整。

a.     如果上报值小于目标值，且UE总上行发射功率未达到最大值，则发送TPC命令增加UE发射功率；

b.     如果上报值大于目标值，则发送TPC命令减小UE发射功率。

1.3  功率控制运行机制

1.3.1  PUSCH功率控制

1. PUSCH发射功率

UE根据下列公式确定PUSCH的发射功率：

=min{,10

其中：

·     ：表示UE为第i个子帧中的PUSCH配置的发射功率。

·     ：表示终端的最大发射功率，为高层配置并下发给UE。

·     ：表示第i个子帧中的PUSCH带宽，以包含的有效资源块RB的个数表示。

·     ：由小区专用标称功率和UE专用标称功率两部分组成，。

¡     j用于标记不同类型的上行数据包。不同类型的数据包，标称发射功率不同。

-     j=0，表示由PDCCH中DCI动态调度的PUSCH资源。

-     j=1，表示半静态调度的PUSCH资源。

-     j=2，表示随机接入响应中分配的PUSCH资源。

¡     表示小区专用标称功率，为基站希望接收到的功率值，单位为dbm。

-     当j=0或1时，通过SIB2（System Information Blocks 2，系统信息块2）中的p0-NominalPUSCH参数下发给UE。

-     当j=2时，=，其中由SIB2中的参数preambleInitialReceivedTargetPower提供，由高层配置。

¡     表示UE专用标称功率，为不同UE针对的偏移量，单位为dbm。

-     当j=0或1时，由参数p0-UE-PUSCH提供，该参数可能存在于RRC建立信令流程或SIB2等消息中。

-     j=2时，。

·     ：表示路径损耗的补偿因子。

¡     j=0或1时，{0,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1}。越靠近小区边缘用户，，以降低小区边缘用户发射功率，减少小区间干扰。

¡     j=2时，。

·     PL：为路径损耗。具体计算方法请参见1.2.1  2. 路径损耗。

·     ：表示由调制编码方案及数据类型确定的功率偏移量。取值与有关，为针对不同编码调制方案的补偿量，取值为0或1.25，由高层配置的UE专用参数deltaMCS-Enabled提供。

¡     当时，=0；

¡     当时，)。

-     MPR与调制阶数有关。通过如下方法计算得出。

如果PUSCH上发送的为没有UL-SCH（UpLink-Shared Channel，上行共享信道）数据的控制数据，则MPR=。其中表示包含CRC（Cyclic Redundancy Check,，环冗余校验）的CQI（Channel Quality Indication，信道质量指示）的比特数。包含的RE（Resource Element，资源单元）数。

其它情况，MPR=C/，其中C为该PUSCH信道中所有码块包含的比特数。

-     表示控制信息的补偿信息。当PUSCH上发送的为没有UL-SCH数据的控制数据，其值由高层进行配置。其它情况，1。

·     ：表示闭环功率控制调整值。分为累计方式和绝对值方式。

¡     当高层配置的UE专用参数Accumulation-enable被激活，使用累计方式进行功率调整。此时由两部分组成：上一子帧的调整值和TPC命令指示的调整值。。表示在）子帧上TPC命令。

-     f(0)表示累计方式重置后的第一个值。

-     取值与上下行子帧配比及子帧号有关，具体如下表1-6所示。

表1-6 取值情况

TDD UL/DL子帧配置	子帧号i
	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
0	-	-	6	7	4	-	-	6	7	4
1	-	-	6	4	-	-	-	6	4	-
2	-	-	4	-	-	-	-	4	-	-
3	-	-	4	4	4	-	-	-	-	-
4	-	-	4	4	-	-	-	-	-	-
5	-	-	4	-	-	-	-	-	-	-
6	-	-	7	7	5	-	-	7	7	-

 

 

-     即为TPC命令对应的功率调整值。具体取值（功率调整步长）与TPC命令关系见表1-2和表1-3。

当子帧中没有检测到TPC命令，或者DRX发生时，或者第i个子帧不是TDD中的上行子帧时，=0；如果DCI格式为0的PDCCH确认为一个半持续调度触发或者是释放的PDCCH，=0。

¡     当高层配置的UE专用参数Accumulation-enable未被激活，使用绝对值方式进行功率调整。此时，。表示在）子帧上TPC命令。及的取值同积累方式中对应参数的取值方法。

¡     f(i)的初始值设置如下：

-     如果值被高层改变，则f(0)=0；

-     否则，，是随机接入中指示的TPC命令，由高层提供，表示从第一个到最后一个随机接入前导功率总上升幅度。

2. PUSCH功率控制运行机制

PUSCH功率控制运行机制包括开环控制和闭环控制两部分。通过开环控制获得PUSCH发射功率的初始值；通过闭环功率控制，获取PUSCH发射功率的调整值。

(1)     PUSCH开环功率控制：当UE初始接入网络或值被高层改变时，此时UE通过开环功率控制获得初始功率。PUSCH初始功率值为：

=min{,10

¡     以上公式具体参数含义请参见1.3.1  1. PUSCH发射功率。

¡     表示功率调整的初始值，具体取值请参见1.3.1  1. PUSCH发射功率。

(2)     PUSCH闭环功率控制。

a.     根据高层配置的UE专用参数Accumulation-enable激活的情况，确定闭环功率控制方式为积累方式还是绝对值方式。

b.     获取并存储TPC命令：除DRX外的每个子帧，UE尝试对于带C-RNTI（Radio Network Tempory Indication，无线网络临时鉴定）或者SPS（Semi-Persistent Scheduling，半持续性调度）C-RNTI的DCI格式为0的PDCCH，以及带用户TPC-PUSCH-RNTI的DCI格式为3或3A的PDCCH解码，从而获取并存储TPC命令。如果在同一子帧中同时检测到DCI格式0和DCI格式3或3A，则UE会使用DCI格式0提供的TPC。

c.     确认当前子帧号i的PUSCH的值。

-     如表1-6，依据系统设置的上下行子帧配比及子帧号，确定子帧号i的PUSCH对应的TPC命令位置。

-     如表1-2和表1-3，依据DCI格式、闭环功率控制方式的方式（累计方式或获绝对值方式），获得TPC命令对应的值。

d.     根据下列公式计算PUSCH发射功率。

=min{,10

-     以上公式具体参数含义请参见1.3.1  1. PUSCH发射功率。

-     如果UE达到了最大发射功率，则正的将不再累加。

-     如果UE达到了最小发射功率，则负的将不再累加。

-     如果值被高层改变时或接收到随机接入的响应信息，则被重置。

1.3.2  PUCCH功率控制

PUCCH的功率控制基本原理同PUSCH，只是具体参数存在区别

1. PUCCH发射功率

UE根据下列公式确定PUCCH的发射功率：

=min{,

其中：

·     ：表示UE为第i个子帧中的PUCCH配置的发射功率。

·     ：表示终端的最大发射功率，为系统配置。

·     ：由小区专用标称功率和UE专用标称功率两部分组成，。

¡     表示小区专用标称功率，为基站希望接收到的功率值，单位为dbm。通过SIB2（System Information Blocks 2，系统信息块2）中的p0-NominalPUCCH参数下发给UE。

¡     表示UE专用标称功率，为不同UE针对的偏移量，单位为dbm，参数p0-UE-PUCCH提供，该参数存在于RRC建立信令流程或SIB2等消息中。

·     PL：为路径损耗，与PUSCH不同的是，PUCCH采用了完全路径损耗补偿。具体计算方法请参见1.2.1  2. 路径损耗。

·     ：表示针对不同格式的PUCCH（1、1a、1b、2、2a和2b）设置的发送功率偏移量。该值由高层配置。

·     ：依据CQI和HARQ的比特数设置的发射功率偏移量。为CQI的信息比特数，

¡     对于PUCCH格式1，1a或1b，=0。

¡     对于PUCCH格式2，2a，2b，并且为常规循环前缀时，

¡     对于PUCCH格式2，并且为扩展循环前缀时，

·     ：表示闭环功率控制调整值。PUCCH仅支持累计方式。

g(i)由两部分组成，上一子帧的调整值和TPC命令指示的调整值。。表示在）子帧上TPC命令。

¡     g(0)表示累计方式的重置后的第一个值。

¡     取值与上下行子帧配比及所在子帧号有关，具体如下表1-7所示，表格中每一项包含数据的个数即为M值，具体的数值为值，如当TDD UL/DL子帧配置为3、子帧号为2时，M=4，。

表1-7 取值情况

TDD UL/DL子帧配置	子帧号i
	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
0	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	-	-	6	-	4	-	-	6	-	4
2	-	-	7、6	4	-	-	-	7、6	4	-
3	-	-	8、7、4、6	-	-	-	-	8、7、4、6	-	-
4	-	-	7、6、11	6、5	5、4	-	-	-	-	-
5	-	-	12、8、7、11	6、5、 4、7	-	-	-	-	-	-
6	-	-	13、12、9、8、7、5、4、 11、6	-	-	-	-	-	-	-

 

¡     即为TPC命令对应的功率调整值。具体取值（功率调整步长）与TPC命令关系见表1-4和表1-5。

¡     如果DCI格式为1、1A、2、2A和2B的PDCCH确认为一个半持续调度启动的PDCCH，或者DCI格式为1A的PDCCH确认为一个半持续调度释放的PDCCH，那么0。

¡     g(i)的初始值设置如下：

-     如果值被高层改变，则g(0)=0；

-     否则，，是随机接入中指示的TPC命令，由高层提供，表示从第一个到最后一个随机接入前导功率总上升幅度。

2. PUCCH功率控制运行机制

PUCCH功率控制运行机制包括开环控制和闭环控制两部分。通过开环控制获得PUCCH发射功率的初始值；通过闭环功率控制，获得PUCCH发射功率的初始调整值。

(1)     PUCCH开环功率控制：当UE初始接入网络或值被高层改变时，此时UE通过开环功率控制获得初始功率。PUCCH初始功率值为：

=min{,

¡     以上公式具体参数含义请参见1.3.2  1. PUCCH发射功率。

¡     表示功率调整的初始值，具体取值请参见1.3.2  1. PUCCH发射功率。

(2)     PUCCH闭环功率控制。

a.     获取并存储TPC命令：除DRX外的每个子帧，UE尝试对于带C-RNTI或者SPS C-RNTI的DCI格式为1、1A、1B、1D、2、2A和2B的PDCCH，以及带用户TPC-PUCCH-RNTI的DCI格式为3或3A的PDCCH解码，从而获取并存储TPC命令。

终端优先使用格式为1、1A、1B、1D、2、2A和2B的DCI中指示的TPC信息；其次为格式为3或3A的DCI中指示的TPC信息；其它情况认为TPC指示的功率调整值为0。

b.     确认当前子帧号i的PUCCH的值。

-     如表1-7，依据系统设置的上下行子帧配置及子帧号，确定子帧号i的PUCCH对应的TPC命令位置。

-     如表1-4和表1-5，依据DCI格式、闭环功率控制方式的方式，获得TPC命令对应的值。

c.     根据下列公式计算PUCCH发射功率。

=min{,

-     以上公式具体参数含义请参见1.3.2  1. PUCCH发射功率。

-     如果UE达到了最大发射功率，则正的将不再累加。

-     如果UE达到了最小发射功率，则负的将不再累加。

-     如果值被高层改变时或接收到随机接入的响应信息，则被重置。

2 典型组网应用

如图2-1为PUSCH功率控制示意图，其中EPC（Evolved Packet System，演进的分组系统）为4G核心网，与基站相连，PDN（Packet Data Network，分组数据网络）为UE访问的外部网络，与EPC相连。

图2-1 PUSCH功率控制典型组网应用示意图

 

3 参考文献

·     3GPP TS 36.201 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);Physical Layer–General Description

·     3GPP TS 36.211 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);Physical channels and modulation

·     3GPP TS 36.212 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);Multiplexing and channel coding

·     3GPP TS 36.213 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);Physical layer–Measurements

·     3GPP TS 36.214 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);Physical layer–Measurements

·     3GPP TS36.321 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);Medium Access Control (MAC) protocol specification

·     3GPP TS36.331 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);Radio Resource Control (RRC) protocol specification