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w c d m a 申的功率控制 摘要 c d m a 系统是干扰受限的通信系统，故存在“远近效应”问题。功率控制的 目的就是克服远近效应，使系统既能维持高质量通信，又不对占用同一信道的其 他用户产生不应有的干扰。 功率控制是w c d m a 系统中的关键技术。它是无线资源管理的重要组成部分。 本文首先概要地叙述一下当前无线通信技术发展的状况，接着介绍了c d m a 系统中的功率控制，w c d m a 系统中的功率控制技术及现有的几种功控方案，在固 定步长功率控制方案中分别介绍了基于最大似然估计的算法和基于s i r 的定步 长功控算法；在变步长功控方案中介绍了一种变步长的功率控制算法，经仿真证 明，这种变步长功率控制算法改善了传统的固定步长功率控制算法的性能。 鉴于可变步长算法在上行链路功率控制中的性能优越性和固定步长算法能 节省带宽的特点，本文最后提出了一种综合二者优点的可变步长功率控制算法 一a s p c 。通过对w c d m af d d 上行链路的系统模型仿真，表明了这种算法的中断概 率比固定步长算法低，收敛速度比固定步长算法快，从而证明t a s p c 算法优越性。 由于a s p c 算法具有收敛速度快的特点，它可以很好的适应快衰落的变化，大大提 高系统性能。 关键词：w c d m a 无线资源管理功率控制算法仿真自适应 w c d m a 中的功率控制 a b s t r a c t c d m as y s t e mi sa ni n t e r f e r e n c el i m i t e dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ；i th a s “f a r - n e a r e f f e c t ”t h ep u r p o s eo fp o w e rc o n t r o li st oo v e r c o m et i l ef a r - n e a re f f e c t ，t om a k e s y s t e mn o to n l ym a i n t a i nh i g h q u a l i t yc o m m u n i c a t i o nb u ta l s o n o tp r o d u c et h e u n n e c e s s a r yi n t e r f e r e n c et oo t h e ru s e r si no n e - c h a n n e l p o w e rc o n t r o li st h ec o r et e c h n o l o g yi nw c d m as y s t e m ；i ti sa l l _ i m p o r t a n t c o m p o n e n to fr a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t f i r s to fa l l ，t h i st h e s i si n t r o d u c e sm es i t u a t i o no fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，a n d t h e ni n t r o d u c e st h ep o w e rc o n t r o li nc d m as y s t e m ，p o w e rc o n t r o lt e c h n o l o g ya n d s e v e r a lk i n d so fe x i s t i n gs c h e m e si nw c d m a s y s t e m i nr e g u l a rs t e pp o w e rc o n t r o l p r o j e c t ，w ei n t r o d u c ea l g o r i t h m sb a s e do nm a xl i k e l i h o o d e s t i m a t ea n ds i r ；i n v a r i a b l es t e pp o w e rc o n t r o lp r o j e c t ，w ei n t r o d u c ea na d a p t i v es t e pp o w e rc o n t r o l a l g o r i t h m ，w h i c hi m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo f t h es y s t e m s e e i n gt h a tt h ep e r f o r m a n c es u p e r i o r i t yo fv a r i a b l es t e pa l g o r i t h mi nu p l i n k p o w e rc o n t r o la n dr e g u l a rs t e pa l g o r i t h mt h a tc a ns a v ec h a r a c t e r i s t i co fb a n d w i d t h ， t h i sp a p e rp r o p o s e sa l la l g o r i t h mt h a tc o l l i g a t e sa d v a n t a g e so ft h et w oa l g o r i t h m s 一一a s p c t h r o u g ht h es y s t e m a t i cm o d e le m u l a t i o nt ow c d m af d du p l i n k ，i t i n d i c a t e st h a tt h ep r o b a b i l i t yo fc u t t i n go f fo ft h i sk i n do fa l g o r i t h mi sl o w e rt h a nt h e r e g u l a rs t e pa l g o r i t h m ，a n dt h i sa l g o r i t h mc o n v e r g e n c e sf a s t e rt h a nt h er e g u l a rs t e p a l g o r i t h m ，s ot h ea l g o r i t h mi m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo f t h es y s t e m b e c a u s eo ft h ec h a r a c t e ro fa s p c sf a s t e rc o n v e r g e n c e ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h e s y s t e mc a nb ei m p r o v e dg r e a t l y k e yw o r d s ：w c d m a ，r r m ，p o w e rc o n t r o l ，a l g o r i t h m ，s i m u l a t i o n ， a s p c 声明 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 互丛日期： ! ! ：i 塑 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：叮王! ! 二日期：1 5 ，；、哿 导师签名：幽多 日期：纡，彤 w c d m a 中的功率控制 1 ，1 第三代移动通信系统概述 第一章绪论 现代移动通信技术的发展始于二十世纪2 0 年代，近十几年来，移动通信发 展尤为迅速，以数据业务和多媒体业务相结合为特征的第三代移动通信成为发展 的必然趋势。 第三代移动通信系统最初的研究工作始于8 0 年代中期，1 9 8 5 年晚些时候， i t u r ( c c i r ) 成立临时工作组，提出了未来公共陆地移动通信系统( f p l m t s ) ， 所要达到的目标为实现全球无缝的移动漫游。1 9 9 6 年，f p l m t s 被正式更名为 i m t 一2 0 0 0 ，即国际移动通信系统，工作在2 0 0 0 m h z 频段，2 0 0 0 年左右投入商用。 在欧洲第三代网络被称为通用移动通信系统( u m t s ) 。u m t s 概念的核心是如何将 g s m 发展成为i m t 一2 0 0 0 相兼容的系统。1 9 9 9 年底，国际电联i t u r t g 8 1 在芬兰 召开会议，通过了“第三代移动通信系统( i m t 一2 0 0 0 ) 无线接口技术规范”建议， 为今后全球第三代移动通信产业的发展指明了方向，标志着第三代移动通信系统 的开发和应用将进入实质阶段。 第三代陆地无线接入技术分为c d m a 和t d m a 两大类，具体包括5 种无线传输 技术：w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 ，t d - s c d m a ，u w c l 3 6 和e p d e c t 。u w c 一1 3 6 是一个纯t d m a 技术，是在北美i s 一1 3 6 t d m a ( d - a m p s ) 技术的基础上提交的，将被i s 一1 3 6 运营者 继续使用。欧洲d e c t 无线接入标准作为i m t 一2 0 0 0 的微小区微微小区组成部分， 适合无线p b x 等应用。其他传输技术都是基于c d m a 技术，也就是说宽带c d m a 技术是第三代移动通信的主要技术。w - c d m a 实际上是下面两个独立的建议的融 合：日本无线工业与商业协会( a r i b ) 支持的纯w - c d m a 和欧洲电信标准协会 ( e t s i ) 制定的u t r a 。c d m a 2 0 0 0 是基于窄带i s 一9 5 c d 技术的宽带c d m a 技术， c d m a 2 0 0 0 和i s 一9 5 采用的基本技术和关键技术如功率控制、软切换、r a k e 接收 等是类似的，性能上也没有太大的差异。t d s c d m a 采用了智能天线等先进技术， 非常适合非对称数据业务，特别适合中国市场对第三代移动通信服务的需求，被 公认为能够全面支持第三代业务的技术。这一技术已更进一步受到国际社会的关 注。 第三代移动通信系统( i m t 一2 0 0 0 ) 的主要特征是： 首先和最重要的就是全球统一的标准。i m t 一2 0 0 0 应在世界范围内能够促成 高度共同性的全球标准，能同时容纳各种不同的系统：它可在世界范围内使用一 个小型袖珍终端，同时也可容纳各种其他终z 端：它具有世界统一的频段和基于 w c d m a 中的功率控制 终端移动性的全球漫游特性。 其次是能够提供多种新业务和新功能。第三代移动通信系统i m t 一2 0 0 0 的第 一阶段的目标是支持用户信息速率低于2 m b i t s 的包括多媒体宽带电信业务在 内的各种业务，涉及到多种无线工作环境、多种无线空中接口和多种无线传输技 术。i m t 一2 0 0 0 目标和框架的要求超出了第二代移动通信系统( i s 一5 4 、i s 一9 5 和 g s m ) 的要求，主要表现在： 提供宽范围的业务，支持低速率的话音和数据业务达到2 m b i t s 速率数据业 务，高速率数据业务包括多媒体业务和不对称数据传输业务，在室内和高速 移动工作环境中，用户数据速率最初可从8 k b s 向上达到3 8 4 k b s 、最后达 到2 m b s 。在室内的工作环境中，用户数据速率最初可从8 k b s 向上达到 2 m b s 。 高业务质量要求，语音服务质量达到地面通信网的服务质量要求，数据业务 的b e r 优于1 0 6 。 以灵活的混合小区( 宏小区、微小区和微微小区等) 方式工作，i m t 一2 0 0 0 将会在四种无线工作环境中工作，每种工作环境有其要解决的覆盖和容量问 题。但是，为了扩大系统容量和覆盖面积，一定会有混合小区工作方式的情 况，在这种情况下，灵活的接入和切换不同的无线工作环境( 小区) 是很必 要的。 四种工作环境，室内环境，室9 人行道并进入室内环境、高速移动环境和 卫星环境。 高系统容量和高频谱利用率，采用新技术增强频谱效率，使用户得到更多的 系统容量。i m t - 2 0 0 0 提供先进的宽带业务。它要求更多的频谱资源，采用先 进的编码和调制技术可以提高频谱利用率，降低系统对频谱资源的需求。 i m t 一2 0 0 0 对频谱的需求显然比第二代数字移动通信系统对频谱的需求要大 得多。目前，许多国家开发的i m t 一2 0 0 0 系统占有的频带可达上下行各1 0 m h z 。 1 2w o d m a 网络体系结构 第3 代网络将支持多媒体业务，这意昧着充足的带宽和承载的灵活性。带宽 需求与空间接口有关，而空间接口的高速率和可变比特率意味着需要新的、更灵 活自传送和交换技术。w c d f a 系统网络体系出无线接入网( u t r a n ) 、核，心网 ( c n ) 、用户终端( u e ) 及外部网络( e x t e r n a ln e t w o r k s ) 组成，如下图卜1 所示。 2 w c d m a 中的功率控制 图1 - 1w c d m a 系统的网络体系结构 r n c ( 无线网络控制器) 矛d n o d e b ( w c d m a 基站) 构成w c d m a 无线接入网络。 r n c 决定u e 的切换，它具有合并分集功能，用以支持在不同n o d e b 之间的宏 分集。n o d e b 包括无线收发信机和基带处理部件，它的主要功能是扩频、调制、 编解码、解调，以及基带信号和射频信号的相互转换等功能。 无线接入网与u e 的接口定义为u u 接口，c n 与无线接入网的接口定义为i u 接口。r n c 之间通过i u r 接口交互信息，i u b 接口是n o d e b 与u t r a n 的无线网络 控制部分的逻辑连接接口。i u 接口的协议栈在纵向分为两个平面：控制平面和用 户平面：在横向分为两个层次：无线网络层和传输网络，主要完成无线资源管理、 移动管理等功能。 w c d m a 分层结构包括3 层：l 1 ( 物理层) ，l 2 ( 无线链路控制层r l c ) ，l 3 ( 无 线资源控制层r r c ) 物理层：p h y s i c sl a y e r 称为l l 层，由一系列的下行物理信道和上行物理 信道组成。 上行物理信道包含： r a c h 信道上行随机接入信道，发起呼叫和随机接入请求。 d p d c h 和d p c c h 信道专用物理数据信道和专用物理控制信道，d p d c h 和d p c c h 进行i q 复用。 下行物理信道包括： c p i c h 信道公共导频信道，根据c p i c h 信道可以唯一的识别一个小区。 s c h 信道同步信道，根据s c h 信道得到小区的同步信息，同步信道分为主 同步信道( p s c h ) 和辅同步信道( s s c h 信道) 。 c c p c h 信道公共控制物理信道，分为主公共控制物理信道p c c p c h 和辅公 共控制物理信道s - c c p c h 。 d p c h 信道专用物理信道，包括d p d c h ( 专用物理数据信道) 和d p c c h ( 专 w c d m a 中的功率控制 用控制信道) ，下行d p d c h 和d p c c h 是时分复用，传输数据和控制信息。 从传输信道映射来的数据经过扩频、加扰等一系列过程分配到不同的物理信 道，然后通过天线接收或发射数据。 数据链路层：d a t al i n kl a y e r 称为l 2 层，在w c d m a 中l 2 层分为多个子层， 在控制面l 2 包含两个子层，媒体接入控制层m a c ，无线链路控制层r l c ；在用户 面上，在r l c 和m a c 的基础上，还包括分组转发协议p d c p 和广播多点传送协议 b m c 。对于控制面，主要用于信令业务的传送，用户面主要用于业务( 包括各种 话音，多媒体业务) 的传送。无论是在控制面还是用户面，r l c 将商层的数据映 射到逻辑信道中，然后通过m a c 层映射到传输信道，最后传输信道在经过复杂的 编码、交织、速率匹配等过程把变速率的实时和非实时的业务，复用到同样的一 个物理信道上。 无线资源控制层：r a d i or e s o u r c ec o n t r o l 称为r r c 层，它属于控制面上 的内容。u e 和网络之间的信令都是由r r c 处理的消息，r r c 消息传递l 1 层，l 2 层实体的建立、修改和释放的所有参数，传递所有的高层信令。u e 在连接态的 各种移动性如测量、切换和小区更新等都由r r c 消息来控制。l 2 层和l 1 层都是 由r r c 的消息来控制的。 对于不同的传输信道，u e 和u t r a n ( u t r a n 包括n o d e b 和r n c ) 层之间的对 应关系不相同，以d c h 信道为例，说明u e 和网络之间的分层对应关系，如图： n o d e b 和r n c 之间的对等层次 u e 侧的数据经过r r c 和r l c 层的控制，映射到逻辑信道d t c h ( 专用传输信 道) 和d c c h ( 专用控制信道) ，通过m a c 层的控制功能，将逻辑信道映射到传输 信道，将多个传输信道合并成一个c c t r c h ，然后将其经过扩频，加扰等过程再 通过物理信道发射出去。 n o d e b 与u e 之闻是空中接口( u u 接口) ，通过u u 接口，n o d e b 接收u e 上行 的数据，解调后传给高层，然后经过有线连接将数据传给r n c ，n o d e b 和r n c 之 间的接口是i u b 接口。 f u r 接口也可分为两个平面：控制平面和用户平面。 核心网的各个组成部分的功能为： 1 ) 3 g m s c ( 3 g 移动业务交换中心) 是w c d m a 核心交换网络在电路域重要的功能逻 辑节点。它提供w c d m a 无线接入网络( u t r a n ) 矛h g s m 基站系统的接入功能，同时 实现与其他通信网络的互连互通。除作为端局3 g m s c 使用外，它还可作为m s c 关口 局( g m $ c ) 、m s c 汇接局( t m s c ) 、业务交换功能点( s s p ) 使用或合一使用。 2 ) 3 gh l r a u c ( 归属位置寄存器鉴权中心) 作为w c d m a 核心网络两个重要的 功能节点，主要提供用户签约数据存储、漫游信息记录、被叫路由提供、在建网 4 w c d m a 中的功率控制 初期要兼容2 g 3 g 鉴权等功能。在物理实现中，这两个功能实体一般采取合设的 方式。 3 ) 在w c d m a 核心网分组域( p s ) 使用分组技术传输数据和信令，使网络资源和无 线资源的应用得到优化，也是w c d m a 系统可以提供宽带数据业务的保证。在逻辑 上分组域由两种网络节点组成：3 g s g s n ( 建网初期也为服务g p r s 支持节点) 和 3 g g g s n ( 同时在建网初期也是网关g p r s 支持节点) 。 4 ) 3 gs g s n 主要提供分组数据包的路由与转发功能、加密与鉴权功能、会话管 理功能、移动性管理功能、逻辑链路管理功能、话单产生和输出功能等。 5 ) 3 gg g s n 主要提供p s 与外部分组数据网( p d n ) 的接口，承担网关或路由器的 功能。g g s n 提供数据包在w c d m a 网络和外部数据网之间的路由和封装。 1 3w c d m a 中的关键技术 1 3 1 同步技术 w c d m a 是异步系统，这与其它的系统如i s - 9 5 、c d m a 2 0 0 0 等有本质的区别， 它对同步的要求更高。w c d m a 系统的同步包括：小区搜索、码片同步、频率同步、 相位同步。因为是异步系统，所以w c d m a 的小区搜索分为3 步： ( 1 ) 获得时隙同步，u e 利用p - s c h 信道获得n o d e b 的时隙同步。 ( 2 ) 获得帧同步与确定扰码组，在这一步，u e 要用s _ s c h 信道找到帧同步， 并确定已经或得时隙同步的下行扰码所在的扰码组号。 ( 3 ) 确定扰码，利用第二步得到的帧同步信息，用扰码组中的扰码分别与 c p i c h 信道进行相关，从中选出主扰码。 小区搜索获得当前n o d e b 的帧同步，确定扰码后，就可以检测p _ c c p c h 及获 取超帧同步，系统信息和小区特有的b c c h ( b r o a d c a s tc o n t r o lc h a n n e l 广播 控制信道) ，信息就可以读取了。 码片同步是利用跟踪技术，尽可能的使接收端解调的p n 码与发射端的p n 码 对齐，可以达到1 2 c h i p 、1 4 c h i p 或更高的同步性能。 频率同步是利用a f c 使接收端的频率与发射端的频率尽可能一致，a f c 将约 3 p p m 的频差矫正在0 1 p p m 的频差之内。 相位同步是利用信道估计的平滑、差值等方法，对接收信号的相位做前向估 计，纠正相位偏差。 1 3 2 软件无线电 在不同工作频率、不同调制方式、不同多址方式等多种标准共存的第三代移 w c d m a 中的功率控制 动通信系统中，软件无线电技术是一种最有希望解决这些问题的技术之一。软件 无线电技术可将模拟信号的数字化过程尽可能地接近天线，即将a d 转换器尽量 靠近r f 射频前端，利用d s p 的强大处理能力和软件的灵活性实现信道分离、调 制解调、信道编码译码等工作，从而可为第二代移动通信系统向第三代移动通信 系统的平滑过渡提供一个良好的无缝解决方案。 1 3 3r a k e 接收机 图卜2 所示为一个r a k e 接收机，它是专为c d m a 系统设计的经典的分集接收器， 其理论基础就是：当传播时延超过一个码片周期时，多径信号实际上可被看作是 互不相关的。 图t - 2r a k e 接收机框图 带d l l 的相关器是一个迟早门的锁相环。它由两个相关器( 早和晚) 组成，和解 调相关器分别相差1 2 ( 或1 4 ) 个码片。迟早门的相关结果相减可以用于调 整码相位。延迟环路的性能取决于环路带宽。 w c d v i a 中的功率控制 延迟估计的作用是通过匹配滤波器获取不同时间延迟位置上的信号能量分布( 如 图1 ) ，识别具有较大能量的多径位置，并将它们的时间量分配到r a k e 接收机 的不同接收径上。匹配滤波器的测量精度可以达到1 4 一i 2 码片，而r a k e 接收 机的不同接收径的问隔是一个码片。实际实现中，如果延迟估计的更新速度很快 ( 比如几十i l l s 一次) ，就可以无须迟早门的锁相环。由于信道中快速衰落和噪 声的影响，实际接收的各径的相位与原来发射信号的相位有很大的变化，因此在 合并以前要按照信道估计的结果进行相位的旋转，实际的c d e d t 系统中的信道估 计是根据发射信号中携带的导频符号完成的。根据发射信号中是否携带有连续导 频，可以分别采用基于连续导频的相位预测和基于判决反馈技术的相位预测方 法。在系统中对每个用户都要进行多径的搜索和解调，而且w c d m a 的码片速率很 高，其基带硬件的处理量很大，在实际实现中有一定困难。 13 4 功率控制 如果小区中的所有用户均以相同功率发射，则靠近基站的移动台到达基站的 信号强，远离基站的用户到达基站的信号弱，导致强信号掩盖了弱信号，这就是 移动通信中的“远近效应”问题。w c d a 系统是一个自干扰系统，所有用户使用 同一频率，所以“远近效应”更加突出。w c d m a 功率控制的目的就是克服远近效 应，使系统既能维持高质量通信，又不对占用同一信道的其他用户产生不应有的 干扰。 w c d m a 系统采用了精确的功率控制，即采用基于s i r ( 信噪比) 的开环+ 闭环 的功率控制方式，在业务信道帧中插入功率控制比特，插入速率1 6 k b i t s ，比 i s 一9 5 的功控速率增加一倍，可以跟踪一般的快衰落过程。根据欧洲电信技术标 准协会e t s i 对w c d m a 系统的规定，在上、下行信道中采用反馈型快速功率控制， 其中，在上行信道采用开环、闭环相结合的反馈型功率控制方法，开环功率控制 主要用于克服距离衰减，闭环功率控制主要用于克服多普勒频率产生的衰减，以 此保证基站接收到的所有移动台信号具有相同的功率；在下行信道采用闭环的反 馈型功率控制方法。上、下行信道功控速率均为1 6 k b i t s 。 1 3 5 软切换技术 所谓软切换就是当移动台需要跟一个新的基站通信时，并不先中断与原基站 的联系。软切换的原理如下：移动台在上行链路中发射的信号被两个基站所接收。 经解调后转发到基站控制器( b s c ) 。下行链路的信号也同时经过两个基站再传 送到移动台。移动台可以将收到的两路信号合并，起到宏分集的作用。因为处理 过程是先通后断，故称为软切换。软切换本身是一个比较有争议的c d m a 特性， w c d m a 中的功率控制 一方面软切换在两个基站覆盖区的交界处起到了业务信道的分集作用，以减少移 动台发射功率和由切换造成的掉话。但另一方面，它由于同时占用多个信道资源 而加强了设备投资和系统设备的复杂性。但无论怎样，由于w c d m a 系统的相邻小 区同频工作，为避免由于同频在重迭覆盖区域的强干扰，必须采用软切换。它与 快速功率控制一样，是w c d m a 必不可少的核心技术之一。而且实现软切换以后， 由于切换引起掉话的概率大大降低，保证了通信的可靠性。 1 ，3 6 多址干扰消除技术 在c d m a 系统中，由于多个用户的随机按入，所使用的扩频码集一般并非严 格正交，非零互相关系数会引起各用户之间的相互干扰称为多址干扰( m a i ) 。 多址干扰的存在严重地影响了w c d m a 系统的性能和大大降低了系统的容量，因此 多址干扰的抑制和消除对于w c d m a 系统的发展具有重要的意义。经过近2 0 年的发 展，多址干扰抑制技术的研究已日臻成熟，从最初s v e r d u 提出的最优检测器， 到后来以解相关检测器为代表的线性检测器，真至从实现的角度考虑而发展形成 的多级型和自适应等次最优检测器。毫无疑问，在现有的技术条件下，并行多址 干扰对消算法( p i c ) 是到目前为止最有可能得以实现的多址干扰消除技术。干 扰消除技术实际上是多用户检测技术的一种实现方式。干扰抵消方法基本原理是 认为想要从存在多址干扰的信号中提取所需用户的信号，就必须首先恢复干扰信 号；然后从整个接收信号集中减去这些多址信号，就能获得所需用户的信号。并 行多址干扰对消技术属于多级型多址干扰抑制算法，是一类很重要的准最优检测 器，它的主体思想就是利用前面的检测结果反复地进行优化检测。并行的概念源 自各用户之间的处理是同步进行的，在处理上没有优先权的区别。因为并行多址 干扰对消算法属于一类多级型检测器，所以需要通过多次的对消才能达到对信号 最佳检测的目的，但是级数的增加不仅会增加系统的成本，更会增加系统的复杂 度，故合理级数的确定也是应用并行多址干扰对消技术的关键。在一般情况下需 要经过5 级以后，并行多址干扰对消算法的性能趋于极限。考虑到系统的成本和 复杂度，在应用时只选取2 3 级的检测方案。 1 3 7 智能天线技术 移动通信系统中天线从全向天线发展到扇区天线，使系统容量大大增加，而 智能天线技术的应用将进一步提高系统性能。智能天线是通过反馈控制去自动调 整天线波束成型模式的自适应天线阵，其波束方向和增益被增益智能处理后自适 应改变。这样，可以降低多用户干扰( m a i ) 和多径干扰，增加系统容量。 由于在c d m a 系统中，对一个用户造成干扰的用户太多，所以，在w c d m a 移动通信 w c d m a 中的功率控制 系统中的智能天线的研究不能停留在原来的空分多址的阶段，而需要将空分多址 和c d m a 结合起来进行研究。此外，将智能天线与功率控制、多用户检测等技术 结合起来可以进一步提高系统性能。 1 4 无线资源管理概述 无线资源管理主要负责对系统可以使用的所有无线资源进行分配和管理，其 核心问题是在保证网络服务质量的前提下，提高频谱利用率。无线资源管理的基 本出发点是在网络业务分布不均匀或信道状况因衰落和干扰而起伏变化的状况 下设法灵活地分配，并及时调整可用资源。第三代移动通信系统要求支持高速率 及多可变速率媒体业务，这样一来，无线资源管理就极为复杂。 w c d m 通信系统的无线资源管理负责空中接口资源的利用，是系统控制的灵 魂。从网络的运行来看，无线资源管理对于确保系统的服务质量( q o s ) 获得规 划的覆盖区域以及提供系统容量都有重要的保障作用，无线资源管理主要包括功 率控制、切换、接入控制、负载控制、码资源分配、分组接入等内容。 1 4 1 功率控制 1 4 1 1 快速功率控制 在w c d 凇中，上、下行链路同时采用了频率为i 。5 k h z 的快速功率控制。在g s m 中采用了频率大约为2 h z 的慢速功率控制。慢速功率控制可以补偿路径损耗和阴 影衰落，相比之下，快速功率控制还可以补偿衰落。仿真结果表明，快速功率控 制对移动速度较低的用户的控制效果比对高速移动的用户的控制效果好。产生这 样结果的原因是功率控制存在一定的时延，在进行快速功控时，当时延的存在使 功控速度跟不上高速用户快衰落的变化时，功控的结果就很不理想。 1 ) 下行链路功率漂移 当某一移动台处于软切换中时，它要对和它建立链路的多个基站发出功控信息。 由于快速功控对时延的敏感性，移动台的功控指令不能通过无线网络控制器 ( r n c ) 来统一发送给各基站而是直接发送给各基站。由于空中接口存在信号误 码，最后功控的结果会有误，即有的基站在降低发射功率，有的基站在增加发射 功率。为了解决这种基站之间的功率漂移问题，可以采用两种方法：一种是限制 功率控制的范围；另一种是定期通过r n c 对各基站进行统一的控制调整。这两种 方法都可以在一定程度上解决链路功率漂移问题。 2 ) 上行链路功控的可靠性 对于处于切换状态的移动台，所有处于激活组中的基站都要对其发送控制信息， w c d m a 中的功率控制 只要有一个基站能正确接收到移动台的发射信号就可以了。由于各基站发送的功 控指令是互不相同的，对于控制信息，移动台不能够象对数据信息一样采用最大 比合并的方式进行解调。为了提高控制信息的准确度，可以增加控制信道的发射 功率，而且，需要对所接收到的控制信息设置一个检测门限，以去掉被干扰破坏 的控制信息。 1 4 1 2 外环功率控制 外环功率控制的作用是设置快速功控的目标值，以保证所要求的通信质量。 外环功控的目标在于提供所要求的通信质量：既不太好，也不太差，因为过好 的服务质量会浪费容量。由于w c d m a 上下行链路采用了快速功率控制，所以上下 行链路都需要外环功控。快速功率控制的频率是1 5 k h z ，外环功控的频率一般是 1 0 一1 0 0 h z 。 在外环功控中，由r n c 对信号进行宏分集接收后，把接收到的信号质量同预 先设定的要求信号质量相比较。如果接收信号好于所要求的信号质量，就降低目 标信干比，反之，就增加目标信干比。调整后的目标信干比被发送给基站，用来 检测上行链路的接收信号。在外环功率控制之下为了保证用户接收信号的质量， 对于移动用户的目标信于比要高于低速用户的目标信干比。对于多业务复用于同 一条物理链路的情况，目标信干比选择多业务所分别对应的目标信干比的最大 值。在进行外环功控时，当发射功率到达极限值( 最大极限值或最小极限值) 时， 如果继续调整目标信干比，对于提高系统性能没有任何益处，反而有可能降低系 统性能。为了避免这种情况的发生，可限定外环功控对目标信干比的控制范围。 1 4 2 软切换控制 当呼叫中的移动台从一个小区转移到另一个小区，即在两个基站的边缘处， 或由于无线传输、业务负荷量调整、激活操作维护、设备故障等原因，为了使移 动通信不中断，通信网必须启动越区切换过程。 切换包括硬切换和软切换。硬切换是指与新基站连接前必须先断开与旧基站 的连接；软切换则是在于新基站连接时仍保持与旧基站的连接。在c d m a 系统中 这两种越区切换都存在，硬切换发生在两个载频不同的c d m a 系统之间，在使用 统一载频的一个c d m a 系统内部则进行软切换。 软切换只能在同频的c d m a 信道间进行。它相当于在各个基站的交界处起到 了业务信道的分集作用，这样就大大降低了切换过程中的掉话率。因为据以往 f d m a ，t d m a 系统的测试统计，无线信道上的9 0 的掉话是在切换过程中发生的。 实现软切换以后，切换引起掉话的概率大大降低，从而保证了系统的服务质量和 o w c d m a 中的功率控制 可靠性。软切换在给系统带来好处的同时也会引入一些对系统不利的因素，以下 就是对这些因素的简单归纳： 优势： 软切换相对于硬切换减少了“乒乓”效应。所谓“乒乓”效应就当用户在两 小区交界附近运动时，在两小区之间的频繁切换。 不降低服务质量的小区间平滑过渡。 相当于上行链路宏分集，增大上行容量。 保证与最佳( 路径增益最大) 的基站保持连接。 劣势： 由于软切换带来额外的系统资源的占用。 增大了系统的下行干扰水平。 使系统的实现更复杂。 软切换过程中，与该用户相连的所有基站称为激活集( a s a c t i v es e t ) 。切 换的另外一个重要参数是切换门限( h a n d o v e rm a r g i n ) 。最大激活集指的是一个 用户能同时连接的最大的基站数目。切换门限和最大激活集决定了一个系统中处 于软切换状态的用户数。切换门限和最大激活集越大处于软切换状态的用户数越 多。 软切换过程中的宏分集能从几个方面提高系统性能。第一，它分配更多的下 行功能给处于恶劣条件下的用户，而这是软切换中经常发生的情况。第二，它能 削弱由于切换延迟所带来的系统信能降低，宏分集有利于消除上、下行链路的阴 影衰弱。第三，宏分集还能消除快衰落。 对于上行链路，软切换总是带来好处。处于软切换状态中的用户越多，系统 上行干扰水平越低。原因是软切换能保证用户与最佳基站保持连接，且用户总是 跟随从最佳基站发来的功控信号，这样用户总是传输尽可能小的上行功率。然面 对于下行链路，处于激活集中的所有基站都对该用户发射下行功率，导致系统的 下行干扰水平增加。因而软切换对下行链路带来的影响是宏分集带来的好处与于 扰水平增加的交换。另一个重要因素是固定接入网的传输负荷。对于处于软切换 状态的用户，所有与它相连的基站都需要有一条与无线网络中心相连的传输链 路。因而，如果处于软切换状态的用户太多的话，就会给固定接入网带来过多的 额外传输负荷。 1 43 接入控制 w c d m a 系统是一个白干扰的系统，它的系统容量不是一个相对固定的值，而 具有较大的弹性。服务质量与同时接受的用户数量之间存在着平衡与折中的关 w c d m a 中的功率控制 系。如果允许空中接口负荷过度增长，那么小区的覆盖面积就会减少到预计的数 值以下，而且已有连接的服务质量也无法得到保证，所以合理有效的接入控制算 法对w c d m a 系统的稳定运行具有重要的意义。接入控制过程根据系统的实际负荷 决定是否接收新到达的用户的呼叫请求，从而控制系统中通话的用户数量，使系 统负荷维持在个比较稳定的水平上。对系统空中接口负载的准确判断是接入控 制的基础，所以先对系统负荷的估计做简单的介绍，然后再介绍接入控制的控制 算法。空中接口的负荷估计可以分为上行链路的负荷估计和下行链路的负荷估 计，其估计方法又可以分为基于接收功率的负荷估计与基于吞吐量的负荷估计两 种。所以负荷估计可以根据链路方向和使用方法分为四类。1 ) 上行链路基于接 收功率的负荷估计2 ) 上行链路基于吞吐量的附和估计3 ) 下行链路基于功率的 负荷估计4 ) 下行链路基于吞吐量的负荷估计 在上行链路基于功率的接入控制中，系统需要分别估计用户接入可能会对 上、下行链路造成的影响。只有上下行两个方向的负荷情况都允许用户业务接入 系统才能批准其接入申请。允许用户接入的负荷门限可以在系统的设计规划中设 定。与上述的小区负载估计方法对应，接入控制策略也分为基于功率和基于吞吐 量的两种方案。 1 4 ，4 负荷控制 无线资源管理功能的一个重要任务是确保系统不要过载，保持稳定。如果系 统规划适当，接入控制和分组安排就能工作得很好，过载的情况就能避免。如果 遇到了过载的情况，负荷控制功能让系统快速而有控制地达到目标负荷。下面列 出了为了减少负荷而采取的必要的负荷控制措施：1 ) 下行快速负荷控制：拒绝 由移动台发出下行功率增加命令2 ) 上行快速负荷控制：降低由上行快速功控使 用的上行目标e o 1 0 3 ) 降低分组数据业务的吞吐量4 ) 切换到另一个w c d m a 的载 波5 ) 与g s m 之间的切换6 ) 减少实时业务的码速率7 ) 受控方式下的掉话 1 4 5 分组安排 分组安排功能是在分组用户之间共享可用的空中接口资源。分组安排能决定 码速率和相应的数据长度。在c d m a 中，分组安排可采用两种方式：码分或时分。 在码分方式下，大量的用户可同时使用一个低速率信道。当用户容量需要增加时， 码速率就要降低。在时分方式下，在某一时刻所有资源可被分配给一个或少数的 几个用户。这样一个用户可在一个非常高的码率下传输。在w c d m a 中，最小的时 间分辨率是l o m s 贞。当在时分方式下用户数增加时，每个用户都要等待较长的 时间来传输。 w c d m a 中的功率控制 1 5 本文的主要贡献和章节安排 本文的主要贡献在于介绍了移动通信系统中的功率控制方案，重点介绍了 w c d m a 系统中的功控算法，最后提出了一个自适应步长功控算法，在此基础上建 立模型对其进行仿真并给出了仿真结果。 全文的章节安排如下： 第二章主要介绍了c d m a 系统中的功率控制，概要的介绍了前向、反向功控 原理，功控算法以及功控存在的问题及解决方法。 第三章介绍了w c d m a 系统中的功率控制技术。概要的介绍了功控准则、方法 及功控方案，为后面的理论分析和算法设计提供了指导。 第四章给出了w c d m a 系统中现有的几种功控算法。在固定步长功率控制方案 中介绍了基于最大似然估计的算法和基于s i r 的定步长功控算法；在变步长功控 方案中介绍了一种变步长的功率控制算法，经仿真证明，这种变步长功率控制 算法改善了传统的固定步长功率控制算法的性能。 第五章给出了w c d m a 系统中的一个变步长功控算法，建立了模型并给出仿真 结果。 w c d m a 中的功率控制 第二章g d m a 系统中的功率控制 2 1o d m a 系统中的干扰与功率控制 在无线移动系统中有三种基本的多址接入方案，分别为：f d m a ( f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e i c c e s s ) ：t d m a ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) ：c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 。由于c d m a 能提供较大的系统容量，所以在 第三代移动通信中几乎都采用了c d m a 多址方式。 f d 淞和t d m a 系统的容量主要与信号带宽有关。而c d 凇系统主要与干扰有 关，降低干扰可以直接增3 n c d m a 系统的系统容量。c d m a 中存在的干扰主要有： ( 1 ) 在无线移动环境中存在阴影、多径衰落和远距离损耗等影响，而移动台 在小区内的位置是随机的，且经常变动，所以路径损耗的变化非常太，同时分 配给不同用户的扩频码由于多径传播，到达接收端并非完全正交，会造成严重 的多址干扰： ( 2 ) 在多小区蜂窝系统中，由于频率复用，在下行链路中，位于小区边缘处 的移动台( m s ) 将受到相邻小区的较大的干扰，通信质量会迅速下降，甚至中断 通信，这种现象通常被称为“边缘效应” ( 3 ) 在上行链路中，如果小区中所有用户均以相同的功率发射，由于无线信 道的衰落及移动台与基站( b s ) 间距离不同，b s 接收到的离b s 近的m s 的信号功 率要比接收到的离b s 远的m s 的信号功率强，这样，就会对远离基站的m s 造成 很大的影响，使其性能下降，甚至不能正常工作，被称为“远近效应”。 为了克服c d 【a 系统中的“边缘效应”和“远近效应”，通常采用功率控制 技术，控制发射端的发射功率，减少小区间的干扰，补偿无线信道