CN103037380A - 一种基于隔离度的td-lte系统上行功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明给出了一种基于隔离度的TD-LTE上行功率控制方法，适用于TD-LTE系统与电视系统共存的场景，方法包括：设置初始ACIR，每一个TD-LTE UE根据其隔离度设置目标信噪比，路径损耗与ACIR所占比例由参数比例参数决定，以TD-LTE UE对电视接收机的干扰低于门限为前提，以最大化TD-LTE UE及电视接收机的数据速率和为目的构建以比例参数为优化函数的功率控制优化模型，求解功率控制优化模型并计算TD-LTE UE对电视接收机造成的干扰，若能满足对电视接收机的干扰小于门限，则功率控制算法完成，否则调整ACIR值重新进行上述步骤。该功率控制方法保证了TD-LTE对电视系统的干扰在其接受范围内，确保了电视系统的正常工作，同时提高了TD-LTE系统和电视系统的频谱效率。

Description

一种基于隔离度的TD-LTE系统上行功率控制方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，特别涉及分时长期演进系统(TD-LTE，Time Division LongTerm Evolution)功率控制以及认知无线电频谱共享技术。

背景技术

随着无线通信业务的飞速发展，频谱资源日渐匮乏，如何充分利用现有频谱资源，提高频谱利用率成为了人们关注的热点问题。由于模拟电视向数字电视的转换，一些位于UHF部分的频段空闲了出来，称为电视白频段(TVWS，TV White Space)，通过认知无线电(CR，Cognitive radio)技术我们可以对TVWS加以利用，CR技术是一种新型的智能频谱共享技术可主动检测并机会式利用授权频段中的频谱空穴(所述频谱空穴为已分配给授权用户但未被其使用的空闲频谱)，实现不可再生频谱资源的再次利用。

在CR系统的实际无线应用场景中，通常包括：授权用户、认知用户(也称CR用户)、CR基站。在本发明的场景中，电视系统中的电视接收机作为授权用户，TD-LTE系统中的用户(UE，user equipment)为认知用户，作为认知用户，利用授权用户的频谱首先要保证对于授权用户不造成干扰，针对这一问题，许多研究通过设置额外隔离度，即增大保护频段或保护距离，来避免干扰，但是这样的设置会导致可用频谱资源的减少从而会降低频谱利用率。

针对TD-LTE系统，本发明利用上行功率控制来避免TD-LTE UE发射的信号对电视系统的干扰，现有关于TD-LTE上行功率控制的方法没有考虑两个系统间的干扰和隔离度，因此并不适用于TD-LTE与电视系统共存的场景。

本发明针对上述问题，充分考虑了TD-LTE系统与电视系统间的干扰以及两系统间的隔离度，在避免对电视系统造成干扰的前提下提高了两系统的频谱利用率。

发明内容

在TD-LTE与电视系统共存的场景下，为了避免TD-LTE UE对电视接收机的干扰并且提高两系统的频谱利用率，本发明提出了一种基于隔离度的TD-LTE上行功率控制方法，所含技术方案如下：

一种基于隔离度的TD-LTE上行功率控制方法，包括：

通过频谱感知技术获得可用频段信息后，设置两系统间初始邻信道干扰功率比(ACIR，Adjacent Channel Interference Ratio)。

在开环功率控制部分中，为每一个TD-LTE UE根据其隔离度设置目标信噪比，路径损耗与ACIR所占比例由比例参数决定。

构建以比例参数为优化函数的功率控制优化模型，以TD-LTE UE对电视接收机的干扰低于门限为前提，以最大化TD-LTE UE及电视接收机的数据速率和为目的。

利用拉格朗日乘子法求解功率控制优化模型，得出比例参数的最优解，得出TD-LTE UE的发射功率。

分析TD-LTE UE对电视接收机的干扰，若以此发射功率TD-LTE UE能满足对电视接收机的干扰在门限范围内则功率控制部分完成，两系统共存所需ACIR确定，否则调整ACIR值重新进行功率控制部分。

本发明实施例提供的技术方案的有益效果是：

通过基于隔离度的TD-LTE上行功率控制方法，一方面TD-LTE UE调整了发射功率，避免了对电视接收机的干扰；另一方面TD-LTE UE利用了其可以利用的频谱资源并减小了两系统共存所需的ACIR，有效地提高了两系统的频谱利用率。

附图说明

图1：本发明实施例提供的系统共存场景；

图2：本发明实施例提供的干扰场景；

图3：本发明实施例提供的方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作一步地详细描述。

本发明实施例的系统共存场景如图1所示，图中TD-LTE系统与电视系统共域，电视系统为授权系统，TD-LTE系统为认知系统，电视接收机为授权用户，TD-LTE UE为认知用户。

本发明实施例提供的干扰场景如图2所示，图中C1，C2和C3分别表示TD-LTE系统和电视系统正常通信信号，I1代表电视下行信号干扰TD-LTE下行信号，I2代表电视下行信号干扰TD-LTE上行信号，I3代表TD-LTE下行信号干扰电视下行信号，I4代表TD-LTE上行信号干扰电视下行信号，本发明重点关注的干扰信号为I4。

实施例

参见图3，本发明实施例提供了一种基于隔离度的TD-LTE上行功率控制方法，包括：

S100，利用CR中的频谱感知技术获得TVWS。

S200，设置两系统间初始ACIR＝0。

S300，根据TD-LTE UE与其干扰的电视接收机间的隔离度为每一个TD-LTE UE设置目标信噪比。

S400，以TD-LTE UE对电视接收机的干扰低于门限为前提，以最大化TD-LTE UE及电视接收机的数据速率和为目的构建以比例参数为优化函数的功率控制优化模型。

S500，求解功率控制优化模型，得出比例参数的最优解，得出TD-LTE UE的发射功率。

S600，将TD-LTE UE的发射功率代入TD-LTE UE对电视接收机的干扰公式，计算TD-LTEUE对电视接收机造成的干扰。

S700，判断干扰是否大于门限值。

S800，若判断“干扰大于门限”假设成立，说明该TD-LTE UE对于电视接收机干扰过大，不能以此时的功率和ACIR利用该TVWS，则增大该TD-LTE UE与电视接收机间的ACIR，重新进行S300至S700。

S900，若判断“干扰大于门限”假设不成立，说明ACIR设定合适，则最终功率以及ACIR确定，功率控制方法结束。

在本发明实施例中，S200包括：

ACIR为邻信道干扰功率比，表征了两系统间的频率隔离度，ACIR＝0表示两系统间没有频率隔离，ACIR的表达式如下：

$\frac{1}{\mathrm{ACIR}}=\frac{1}{\mathrm{ACLR}}+\frac{1}{\mathrm{ACS}}$

其中，ACLR为邻道泄露比，用来衡量邻道发射信号落入到接收机通带内的程度，定义为发射功率谱密度与相邻信道上的测得功率谱密度之比。ACS为邻道选择性，用来衡量存在相邻信道信号时，接收机在其指定信道频率上接收有用信号的能力，定义为接收机滤波器在指定信道上的衰减与在相邻信道上的衰减的比值。

在本发明实施例中，S300包括：

为每一个TD-LTE UE的目标信噪比可表示为：

SINR_target＝Г+(1-β)·(PL_D-PL)+β·ACIR

在接收机和发送机性能固定的情况下，两系统间的隔离度主要由距离隔离度和频率隔离度决定，距离隔离度和频谱隔离度分别由两系统间的路径损耗和ACIR表示。

由于TD-LTE UE对电视接收机的干扰与路径损耗和ACIR成反比，所以路径损耗和ACIR相对较大的TD-LTE UE对电视接收机的干扰较小，则其目标信噪比可定得相对大一些以达到更好的性能，反之，对于路径损耗和ACIR相对较小的TD-LTE UE，则目标信噪比也较小来首要保证电视接收机的正常工作，TD-LTE UE的性能就较差；

3GPP定义的物理上行共享信道(PUSCH，Physical Uplink Shared Channel)的发射功率为：

P_PUSCH＝min{P_max，P₀+10·log₁₀ M+α·PL+Δ_mcs+f(Δ_PUSCH)}

其中，P_max为最大发射功率，P₀为初始功率，M为物理资源块(PRB，Physical ResourceBlock)数，PL为下行路径损耗，α为路径损耗补偿参数，Δ_mcs和f(Δ_PUSCH)为闭环功率补偿部分。

TD-LTE上行功率控制包括闭环功率控制和开环功率控制两部分，本发明主要关注开环功率控制部分，去掉上式中闭环部分，针对一个PRB，功率谱密度(PSD，power spectral density)可表示为：

PSD＝P₀+α·PL[dBm/RB]

根据3GPP的提案规定：

P₀＝SINR_target+I_LTE＝Г+I_LTE+(1-β′)·(PL_{strongest_neighbor}-PL)[dBm]

其中，Г为小区内部目标信噪比，SINR_target为目标信噪比，I_LTE为TD-LTE UE受到的上行干扰水平，PL_{strongest_neighbor}为TD-LTE UE到邻小区的最强路径损耗，β′为路径损耗补偿参数且0＜β′＜1。

根据上式可以看出，对于电视接收机，传统的TD-LTE上行功率控制方法中每一个TD-LTEUE的目标信噪比都是相同的，并没有考虑到系统间的干扰与隔离度，本发明中每一个TD-LTEUE的目标信噪比可表示为：

SINR_target＝Г+(1-β)·(PL_D-PL)+β·ACIR

其中，PL_D为TD-LTE UE与电视接收机间的路径损耗，β为衡量路径损耗差与ACIR比重的参数且0＜β＜1

在本发明实施例中，S400包括：

功率控制优化模型如下：

max_β R＝R_DTV+R_LTE

subject to SINR_DTV≥SINR_th

SINR_target∈[SINR_min，SINR_max]

电视接收机的信噪比要大于21dB才能正常工作，所以功率控制优化模型中以电视接收机信噪比作为干扰限制门限，在干扰限制的情况下最大化TD-LTE和电视系统的传输速率，以此提高频谱效率。

功率控制优化模型中，R_DTV，R_LTE分别表示电视接收机和TD-LTE UE的传输速率，其表达式如下：

$R_{\mathrm{DTV}}{=B}_{\mathrm{DTV}}\·{\log }_2(1+{10}^{{\mathrm{SINR}}_{\mathrm{DTV}}/10})$

$R_{\mathrm{LTE}}=B_{\mathrm{LTE}}\·{\log }_2(1+{10}^{{\mathrm{SINR}}_{\mathrm{LTE}}/10})$

其中，B_DTV，B_LTE分别表示电视和TD-LTE的工作带宽，SINR_DTV，SINR_LTE分别表示电视接收机和TD-LTE UE的信噪比，其表达式如下：

${\mathrm{SINR}}_{\mathrm{DTV}}=P_t+{\mathrm{PG}}_{\mathrm{DTV}}-10\·{\log }_{10}({10}^{I_{\mathrm{DTV}}/10}+P_N)$

${\mathrm{SINR}}_{\mathrm{LTE}}=P_{\mathrm{UE}}+{\mathrm{PG}}_{\mathrm{LTE}}-10\·{\log }_{10}({10}^{I_{\mathrm{LTE}}/10}+\mathrm{IN})$

其中，P_t为电视发射功率，PG_DTV，PG_LTE分别为电视系统和TD-LTE系统的信道增益，包括路径损耗、阴影衰落和多径衰落，P_N，IN分别表示在电视接收机端和TD-LTE UE端的噪声功率。

在本发明实施例中，S500可使用拉格朗日乘子法，具体求解过程如下：

为方便求解，我们将上述提到的以dB为单位的参数均化为数值，方程写为线性。

首先确定β的范围：

当SINR_target＝SINR_min时，可得 ${\mathrm{\β}}_1={\log }_{\frac{\mathrm{PL}\·\mathrm{ACIR}}{{\mathrm{PL}}_D}}({\mathrm{SINR}}_{\min }\·\mathrm{PL}\·\mathrm{\Γ}/{\mathrm{PL}}_D);$

当SINR_target＝SINR_max时，可得 ${\mathrm{\β}}_2={\log }_{\frac{\mathrm{PL}\·\mathrm{ACIR}}{{\mathrm{PL}}_D}}({\mathrm{SINR}}_{\max }\·\mathrm{PL}\·\mathrm{\Γ}/{\mathrm{PL}}_D);$

当SINR_DTV＝SINR_th，可得 ${\mathrm{\β}}_3={\log }_{\frac{\mathrm{PL}\·\mathrm{ACIR}}{{\mathrm{PL}}_D}}\left(\frac{P_d\·{\mathrm{PG}}_{\mathrm{DTV}}\·\mathrm{ACIR}-P_N\·{\mathrm{SINR}}_{\mathrm{th}}\·\mathrm{ACIR}}{\mathrm{\Γ}\·I_{\mathrm{LTE}}\·G_{\mathrm{DTV}}\·G_{\mathrm{LTE}}\·M\·{\mathrm{PL}}^{\mathrm{\α}+1}\·{\mathrm{SINR}}_{\mathrm{th}}}\right).$

如果β₃的范围在[0，1]内，β的范围为：

β∈[β_min，β_max]＝[0，1]∩[β₁，β₂]∩[β₃，1]

否则β的范围为：

β∈[β_min，β_max]＝[0，1]∩[β₁，β₂]

将所需参数代入优化函数中可得：

$R=B_{\mathrm{DTV}}\·{\mathrm{SINR}}_{\mathrm{DTV}}+B_{\mathrm{LTE}}\·{\mathrm{SINR}}_{\mathrm{LTE}}=$

$\frac{C_1\·B_{\mathrm{DTV}}}{C_2\·{\mathrm{PL}}_D^{2-\mathrm{\β}}\·{\mathrm{ACIR}}^{\mathrm{\β}-1}\·{\mathrm{PL}}^{\mathrm{\α}+\mathrm{\β}-1}+P_N}+\frac{C_3\·B_{\mathrm{LTE}}\·{\mathrm{PL}}_D^{2-\mathrm{\β}}\·{\mathrm{ACIR}}^{\mathrm{\β}}\·{\mathrm{PL}}^{\mathrm{\α}+\mathrm{\β}-2}}{C_4+C_5\·{\mathrm{PL}}_D}$

其中， $\begin{array}{c}{C}_1=P_d\·{\mathrm{PG}}_{\mathrm{DTV}},C_2=\mathrm{\Γ}\·I_{\mathrm{LTE}}\·G_{\mathrm{DTV}}\·G_{\mathrm{LTE}},C_3=\mathrm{\Γ}\·I_{\mathrm{LTE}}\·G_{\mathrm{LTE}}\·M\·{\mathrm{ACIR}}_{\mathrm{DTV}}\\ C_4=P_d\·G_{\mathrm{DTV}},C_5=\mathrm{IN}\·{\mathrm{ACIR}}_{\mathrm{DTV}}\end{array}$

构建拉格朗日函数：

L(β，μ₁，μ₂)＝R+μ₁·(β-β_min)-μ₂·(β-β_max)

求解方程如下：

$\frac{\∂L(\mathrm{\β},{\mathrm{\μ}}_1,{\mathrm{\μ}}_2)}{\∂\mathrm{\β}}=0$

μ₁·(β-β_min)＝0

μ₂·(β-β_max)＝0

μ₁≥0，μ₂≥0

可得最优解β^*：

1)当 $\frac{\∂L({\mathrm{\β}}^{*},{\mathrm{\μ}}_1,{\mathrm{\μ}}_2)}{\∂\mathrm{\β}}=0$ 且μ₁＝μ₂＝0， ${\mathrm{\β}}^{*}={\log }_{\frac{\mathrm{PL}\·\mathrm{ACIR}}{{\mathrm{PL}}_D}}\frac{{\left[\frac{C_1\·C_2\·B_{\mathrm{DTV}}\·\mathrm{ACIR}\·(C_4+C_5\·{\mathrm{PL}}_D)}{C_3\·B_{\mathrm{LTE}}\·{\mathrm{PL}}_D^2}\right]}^{1/2}-P_N}{C_2\·{\mathrm{PL}}^{\mathrm{\α}-1}}$

2)当且μ₁＞0，μ₂＝0，β^*＝β_min

3)当

且μ₁＝0，μ₂＞0，β^*＝β_max

在本发明实施例中，S600包括：

TD-LTE UE对电视接收机产生的干扰主要影响参数为TD-LTE UE发射功率，两系统间路径损耗和ACIR，TD-LTE UE与电视接收机的天线增益，表达式如下：

I_DTV＝P_UE-PL_D+G_LTE+G_DTV-ACIR

P_UE为TD-LTE上行发射功率，PL_D为TD-LTE UE与电视接收机间的路径损耗，G_LTE和G_DTV分别为TD-LTE UE与电视接收机的天线增益。

在本发明实施例中，S700包括：

干扰门限值的设定是以电视电视系统覆盖损失率(CL，coverage loss)小于等于5％为标准。

在有干扰环境中，电视接收机的信噪比要大于21dB才能正常工作，否则电视接收机无法正常接入系统，造成电视系统的覆盖损失，干扰门限的限定以电视系统覆盖损失小于等于5％为标准。

用C(A)表示一台DTV接收机是否被成功覆盖，即这台接收机是否能正常工作：

$C\left(A\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& {\mathrm{SINR}}_{\mathrm{DTV}}\≥{\mathrm{SINR}}_{\mathrm{th}}\\ 0,& {\mathrm{SINR}}_{\mathrm{DTV}}\≤{\mathrm{SINR}}_{\mathrm{th}}\end{array}\right.$

DTV系统的覆盖范围为：

$S=\underset{\mathrm{cellarea}}{\∫}C\left(A\right)\mathrm{dA}$

则DTV系统的覆盖损失率可表示为：

$\mathrm{CL}=1-\frac{S}{\mathrm{\π}\·R_d^2}$

在本发明实施例中，S800包括：

增大该TD-LTE UE与电视接收机间的ACIR遵循以下标准：

若CL≥90％，增大ACLR的幅度为20dB；

若70％≤CL＜90％，增大ACLR的幅度为15dB；

若50％≤CL＜70％，增大ACLR的幅度为10dB；

若20％≤CL＜50％，增大ACLR的幅度为5dB；

若5％＜CL＜20％，增大ACLR的幅度为1dB。

Claims (8)

1.一种基于隔离度的分时长期演进系统(TD-LTE，Time Division Long Term Evolution)上行功率控制方法，其特征在于，包括：

S1，设置两系统间初始邻信道干扰功率比(ACIR，Adjacent Channel InterferenceRatio)，ACIR＝0；

S2，在开环功率控制部分中，根据TD-LTE UE与其干扰的电视接收机间的隔离度为每一个TD-LTE UE设置目标信噪比；

S3，以TD-LTE UE对电视接收机的干扰低于门限为前提，以最大化TD-LTE UE及电视接收机的数据速率和为目的构建以比例参数为优化函数的功率控制优化模型；

S4，求解功率控制优化模型，得出比例参数的最优解，得出TD-LTE UE的发射功率；

S5，分析TD-LTE UE对电视接收机的干扰，若以此发射功率TD-LTE UE能满足对电视接收机的干扰在干扰门限范围内则功率控制完成，TD-LTE UE发射功率以及两系统共存所需ACIR确定，否则调整ACIR值重新进行S2至S5部分。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中所述根据TD-LTE UE与其干扰的电视接收机间的隔离度为每一个TD-LTE UE设置目标信噪比，包括：

在接收机和发送机性能固定的情况下，两系统间的隔离度主要由距离隔离度和频谱隔离度决定，距离隔离度和频谱隔离度分别由两系统间的路径损耗和ACIR表示。

针对某一特定TD-LTE UE设定其目标信噪比，目标信噪比作为初始功率中的一部分最终决定了TD-LTE UE的发射功率，目标信噪比表达式基于TD-LTE UE与电视接收机间路径损耗和ACIR。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述目标信噪比表达式基于TD-LTE UE与电视接收机间路径损耗和ACIR，包括：

目标信噪比由小区内部目标信噪比加上补偿部分组成，补偿部分包括TD-LTE UE与电视接收机间路径损耗和ACIR，两者之间权重由比例参数决定。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中所述功率控制优化模型包括：

max_β R＝R_DTV+R_LTE

subject to SINR_DTV≥SINR_th

           SINR_target∈[SINR_min，SINR_max]

其中，SINR_DTV为电视接收机的信噪比，R_DTV，R_LTE分别表示电视接收机和TD-LTE UE的传输速率，其表达式如下：

$R_{\mathrm{DTV}}{=B}_{\mathrm{DTV}}\·{\log }_2(1+{10}^{{\mathrm{SINR}}_{\mathrm{DTV}}/10})$

$R_{\mathrm{LTE}}=B_{\mathrm{LTE}}\·{\log }_2(1+{10}^{{\mathrm{SINR}}_{\mathrm{LTE}}/10})$

其中，B_DTV，B_LTE分别表示电视和TD-LTE的工作带宽，SINR_DTV，SINR_LTE分别表示电视接收机和TD-LTE UE的信噪比，其表达式如下：

${\mathrm{SINR}}_{\mathrm{DTV}}=P_t+{\mathrm{PG}}_{\mathrm{DTV}}-10\·{\log }_{10}({10}^{I_{\mathrm{DTV}}/10}+P_N)$

${\mathrm{SINR}}_{\mathrm{LTE}}=P_{\mathrm{UE}}+{\mathrm{PG}}_{\mathrm{LTE}}-10\·{\log }_{10}({10}^{I_{\mathrm{LTE}}/10}+\mathrm{IN})$

其中，P_t为电视发射功率，PG_DTV，PG_LTE分别为电视系统和TD-LTE系统的信道增益，包括路径损耗、阴影衰落和多径衰落，P_N，IN分别表示在电视接收机端和TD-LTE UE端的噪声功率。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中所述求解功率控制优化模型，得出比例参数的最优解，包括：

利用拉格朗日乘子法求解功率控制优化模型，得出比例参数的最优解，最终确定UE的发射功率。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S5中所述分析TD-LTE UE对电视接收机的干扰，包括：

TD-LTE UE对电视接收机产生的干扰主要影响参数为TD-LTE UE发射功率，两系统间路径损耗和ACIR，TD-LTE UE与电视接收机的天线增益，表达式如下：

I_DTV＝P_UE-PL_D+G_LTE+G_DTV-ACIR

P_UE为TD-LTE上行发射功率，PL_D为TD-LTE UE与电视接收机间的路径损耗，G_LTE和G_DTV分别为TD-LTE UE与电视接收机的天线增益。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S5中所述干扰门限范围包括：

在有干扰环境中，电视接收机的信噪比要大于21dB才能正常工作，否则电视接收机无法正常接入系统，造成电视系统的覆盖损失，干扰门限的限定以电视系统覆盖损失率小于5％为标准。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S5中所述调整ACIR值包括：

增大该TD-LTE UE与电视接收机间的ACIR遵循以下标准：

若CL≥90％，增大ACLR的幅度为20dB；

若70％≤CL＜90％，增大ACLR的幅度为15dB；

若50％≤CL＜70％，增大ACLR的幅度为10dB；

若20％≤CL＜50％，增大ACLR的幅度为5dB；

若5％＜CL＜20％，增大ACLR的幅度为1dB。

Images