（信号与信息处理专业论文）蜂窝移动通信系统中功率控制算法的研究.pdf

中文摘要 采用功率控制技术可以有效地克服“远近效应”和“角效应”，抑 制系统的干扰，增加系统的容量。本论文对移动通信系统中的功率控 制问题进行了深入的研究，完成的主要工作和创新可概括如下： 首先，将集中式和分布式功率控制进行了系统的归纳总结，使之 形成一个比较完整的理论体系，在此基础上，借助数值线性代数和矩 阵计算的理论，深入分析了分布式迭代功率控制方法，提出了构造、 分析迭代功率控制算法的通用框架，以及算法收敛性分析的一般方法。 该方法可以将以前提出的许多分布式功率控制算法归结为该通用框架 在不同迭代矩阵j 隋况下的特例，可以由该通用框架得到。 其次，针对无线资源管理算法仿真中存在的一个普遍闻题：需要 合适的信道模型，建立一个与实际无线环境相符的仿真环境，用于评 估各类无线资源管理算法的性能。为解决这个问题，本文对无线传输 信道进行了比较详细的分析，建立了衰落和阴影等的计算机仿真模型， 以及创建基站，移动台的函数，通过函数调用，方便了诸如切换、速 率分配以及功率控制等无线资源管理算法的仿真；本文将其应用于功 率控制算法的仿真，并通过实例证明了该仿真平台的有效性。 第三，针对分布式功率控制算法的缺点，从能量有效性的角度对 功率控制的问题进行研究，提出了一种具有节能特性的分布式功率控 制算法，并且对其节能性和收敛性分别给出了严格的数学证明。该算 法特别适合于对延时要求不高的非实时数据业务。仿真结果也表明了 此算法的节能特性和收敛特性。 最后，针对数字式系统对发射功率的限制，在性能较好的分布式 二阶功率控制算法的基础上，提出了一种离散型二阶功率控制算法， 并解决了该算法的收敛性以及收敛性是否惟的问题。证明了离散化 后算法的弱收敛性，即收敛到功率矢量的包络，而不是惟一的功率矢 量。我们也定义了一个最优功率矢量，提出的分布式离散二阶功率控 制算法就收敛到该矢量，并通过仿真进行了验证。 关键词：码分多址，功率控制，中断概率，离散算法，仿真 a b s t r a c t p o w e rc o n t r o li so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta p p r o a c h e st o e f f e c t i v e l yc o m b a tt h e n e a r - f a rp r o b l e ma n dc o m e rp r o b l e m ，t os u p p r e s ss y s t e mi n t e r f e r e n c e sa n dt oi n c r e a s e t h es y s t e mc a p a c i t y t h i sd i s s e r t a t i o ni sc o n c e m e dw i t hp o w e rc o n t r o la l g o r i t h m si n m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h em a i nw o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o ni sr e c a p i t u l a t e da s f o l l o w s f i r s t l y , t h ec e n t r a l i z e da n dd i s t r i b u t e dp o w e rc o n t r o la l g o r i t h m sa r es u m m a r i z e dt of o r m a c o m p l e t et h e o r e t i cs y s t e m b a s e do nt h et h e o r ya n dt h ek n o w l e d g eo f n u m e r i c a ll i n e a r a l g e b r aa n dm a t r i x ，p o w e rc o n t r o lm e t h o d sa r ea n a l y z e di nd e t a i l ag e n e r a lf r a m e w o r k o fc o n s t r u c t i n ga n da n a l y z i n gi t e m t i v ep o w e rc o n t r o la l g o r i t h m sa n da g e n e r a lm e t h o d o fc o n v e r g e n c ea n a l y s i sa r ep r o p o s e d m a n yo ft h ee x i s t e dd i s t r i b u t e dp o w e rc o n t r o l a l g o r i t h m sc a nb ed e r i v e da ss p e c i a lc a s e so ft h i sb a s i cf r a m e w o r kw i t hd i f f e r e n t i t e r a t i v em a t r i c e s s e c o n d l y , t h e r ei sau n i v e r s a lp r o b l e mi nt h es i m u l a t i o no fr a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ( r g m ) a l g o r i t h m s ：i tn e e d st oc o n s t r u c ta c h a n n e lm o d e la n das i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t b e i n gu pt ot h er e a lr a d i o ，w h i c ha r eu s e dt oe s t i m a t et h ep e r f o r m a n c eo fv a r i o u sr r m a l g o r i t h m s i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ，t h i sd i s s e r t a t i o nf i r s ta n a l y z e si nd e t a i lt h e r a d i ot r a n s m i s s i o nc h a n n e la n dt h e ne s t a b l i s h e st h ec o m p u t e rs i m u l a t i o nm o d e l so f s h a d o w i n ga n df a d i n gb ys o m ee f f e c t i v em e t h o d s a p a c k a g eo f f u n c t i o n si sa tt h es a m e t i m ed e v e l o p e dt oc r e a t eb a s es t a t i o n sa n dm o b i l es t a t i o n s i tb e c o m e sc o n v e n i e n tt o s i m u l a t eh a n d o f f , r a t ea l l o c a t i o n ，p o w e rc o n t r o la n do t h e rr r ma l g o r i t h m sb ys u c h p a c k a g e t h i st h e s i su t i l i z e s i ti nt h es i m u l a t i o no fp o w e rc o n t r o la l g o r i t h m sa n dt h e r e s u l t ss h o w 也ee f f e c t i v e n a s so f 也ep l a t f o r m t h i r d l y , t h ep o w e rc o n t r o lp r o b l e mi ss t u d i e df r o mt h ep e r s p e c t i v eo fe n e r g ye f f i c i e n c y i no r d e rt oo v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e o u sp r o p e r t y ad i s t r i b u t e dp o w e rc o n t r o l a l g o r i t h mw i t he n e r g ys a v i n gp r o p e r t yi sp r e s e n t e d t h ee n e r g ys a v i n ga n dc o n v e r g e n c e p r o p e r t ya r es t r i c t l yp r o v e db ym a t h e m a t i c a lm e t h o d s t h i sa l g o r i t h mi sp a r t i c u l a r l y a p p r o p r i a t ef o rn o n - r e a l t i m ed a t as e r v i c e sw h e r et h ed e l a yt o l e r a n c ei sh i g h e r t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sa l s os h o wi t se n e r g ys a v i n gp r o p e r t ya n dc o n v e r g e n c e 1 1 1 f i n a l l y ，i nd i g i t a l l yp o w e r - c o n t r o l l e ds y s t e m s ，p o w e rl e v e l sa r ed i s c r e t e t oa d a p tt o s u c hl i m i t a t i o n ，t h i sd i s s e r t a t i o np u tf o r w a r dad i s t r i b u t e dd i s c r e t ep o w e rc o n t r o l a l g o r i t h mb a s e do nt h es e c o n do r d e rp o w e rc o n t r o la l g o r i t h mw i t hb e t t e rp e r f o r m a n c e s t h ep r o b l e mo fc o n v e r g e n c ea n du n i q u e n e s so ft h i sa l g o r i t h mi sw e l ls o l v e d w es h o w t h a tt h e r ei sac o n v e r g e n c ei naw e a k e rs e n s e ，t h a ti s ，i tc o n v e r g e st oa ne n v e l o p eo f p o w e rv e c t o r s ，r a t h e rt h a nt oas i n g l ev e c t o r w ea l s od e f i n ea no p t i m a lp o w e rv e c t o rt o w h i c ht h ep r e s e n t e dd i s t r i b u t e dd i s c r e t es e c o n do r d e rp o w e rc o n t r o la l g o r i t h m c o n v e r g e s k e y w o r d ：c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( c d m a ) ，p o w e rc o n t r o l ，o u t a g e p r o b a b i l i t y , d i s c r e t ea l g o r i t h m ，s i m u l a t i o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果。也不包含为获得叁盗盘茎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。 学位论文作者虢彦彬签字嗍卯年厂月扩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：二参嘭纷 签字日期：乃移年j 月f 厂日 导师签名：i 签字日期：扫卯f 年广月厂日 蛔 莲 燔 第一章绪论 1 1 移动通信系统概述 第一章绪论 随着社会的发展，人们对通信的需求日益迫切，对通信的要求也越来越高。 理想的目标是能在任何时间、任何地方、与任何人都能及时沟通联系、交流信 息。显然，没有移动通信，这种愿望是无法实现的。 在过去的几十年里，世界电信发生了巨大而深刻的变革，取得了举世瞩日 的成就。特别是在过去的一、二十年里，数字程控交换技术的普遍使用，综合 业务数字网的开发成功，以及对智能刚的研究探索，奠定了个人通信发展的网 络基础。同时，数字和射频电路制造技术得到不断的进步，新的大规模集成电 路披术和其它使便携移动设备做得更小巧、史可靠的小型化技术也得到了长足 的发展，在这些新技术的推动下，移动通信技术获得了巨大的发展，特别是蜂 窝小区技术的迅速发展，将为用户彻底摆脱终端设备的束缚、实现完整的个人 穆动性提供了可靠的传输手段和接入方式 1 4 1 , 1 4 7 】。 顾名思义，移动通信是指通信的双方或至少其中一方在运动中( 或者临时 停留在某一非预定的位置上) 进行信息传输和交换的通信方式 1 3 8 , 1 3 9 】；这包括移 动体( 车辆、船舶、飞机或行人) 和移动体之间的通信，移动体和固定点( 同 定无线电台或有线用户) 之间的通信。它被认为是实现通信理想目标的重要手 段。所谓通信理想目标就是个人通信的实现，即无论何时何地都能及时可靠地 实现与任何人的任何种类的信息交换【i “j 。 移动通信的发展，可以追溯n 二- 。世纪2 0 年代 1 4 1 , 1 4 7 】，它经历了从模拟到 数字的巨大变革。早期的移动通信系统主要完成了通信实验和电波传输试验： 作，侧重于开发新的频率资源及提高频潜的使用效率，所建立的移动通信网也 主要是以提高传输距离为目标的大区制。从4 0 年代到6 0 年代，随着各种移动 通信系统的相继建立，在技术上实现了移动电话系统和公众电话嘲的连接。7 0 年代中期以后，民用通信用户数量增加，业务范围扩大，频率资源和可利用频 第一章绪论 道数之问的矛盾日益尖锐。为了解决大区制中出现的频谱匮乏、系统容量小、 服务质量差以及频谱利用率低等问题，美国j 尔实验室提出了蜂窝组刚理论 1 3 9 , 1 4 5 o1 9 7 9 年美国在芝加哥开始进行a m p s 蜂窝系统的试验，并于1 9 8 3 年正 式开通业务。这一系统的发展十分迅速，年增长达3 0 4 0 。该系统属于第一 代移动通信系统，其主要特点是使用频分多址( f d m a ) 接入技术，模拟信号调 制和解调技术，在覆盖、容量、通信质揎和终端移动性上都有4 i 少缺陷【1 4 。作 为具有现代网络特征的第一个全球数字蜂窝系统，泛欧数字蜂窝标准g s m 于 1 9 9 0 年首先在9 0 0 m h z 频带上投入商用，同时在高于1 8 0 0 m h z 的个人通信服务 上也具有很强的竞争力。与其类似的有美国的u s d c 和日本的p d c 系统。这些 移动通信系统具有典型的数字特征，被称为第二代移动通信系统。第二代移动 通信系统的主要特点是采用时分多址( t d m a ) 或码分多址( c d m a ) 接入技术， 数字调制技术等。它的出现，使移动终端用户不仅可以享受正常的语音业务， 还可以享受到多媒体数字业务，同时通信质量、系统覆盖性和终端的移动性等 都有了很大的提高。但是第二代移动通信系统只提供低速率的语音服务，由于 社会信息化进程越来越快，仅仅通话已不能满足人们对信息交流的需要，除语 音外，人们希望数据、图形、图像等各种信息都能随时获取和彼此相通，多媒 体服务就变得越来越有必要。现在，一方面各国的移动通信制造商与服务商都 在为频谱资源的短缺而煞费苦心；另一方面，广大移动通信用户又要求能够进 行更大范围的漫游。这一切都要求移动通信系统必然要发生另一场革命。这一 次革命的标志是全球化，数字化和个人化。为了满足2 1 世纪人们对通信的需求， 8 0 年代末期，人们开始研究第三代移动通信系射o o o 2 2 1 ，8 6 ，9 川，3 9 。1 4 ，1 4 5 ， 1 4 7 , 1 4 8 , 1 5 1 , 1 5 8 。 第三代移动通信系统( 称为3 g ) 以全世界范围的个人通信和多媒体通信为 目标，支持多速率、多业务、宽频带的系统，满足移动性、高比特率、可变业 务的需求。目前各国都投入了大量的人力、物力和财力进行了多方面的研究【l 五8 1 0 2 0 1 2 2 ，3 0 ，1 3 4 ，1 5 ”，其中具有代表性的是以欧洲e t s i 和日本a l i b 为主体提出的 w - c d m a 方案和以美国t r 4 5 5 为主体提出的c d m a 2 0 0 0 ( 也称w i d e b a n d c d m a o n e ) 方案。目前第三代移动通信系统仍处于不断补充和完善的过程中，但 是其商用系统已经投入使用，并且能够提供协议规定的高速数据业务，得到了 市场的认可。 后3 g 1 2 9 1 和第四代移动通信系统的研究也已经开始2 3 ，2 4 ，1 圳，其系统框架也 第一章绪论 初见端倪。第四代移动通信的概念可称为广带( b r o a d b a n d ) 接八和分布网络， 具有非对称的超过2 m b p s 的数据传输能力。可以支持的数据业务的数据速率最 高达到2 0 m b p s 。可以预见，在市场需求的不断刺激和新技术的不断涌现下，移 动通信系统将会有更加迅猛的发展。 1 2 第三代移动通信系统概述 第三代移动通信系统( 3 g ) ，近年来一直是研究和讨论的热点 【1 , 1 0 , 2 0 - 2 2 , 1 4 4 , 1 5 1 , 1 5 8 。早在1 9 8 5 年1 1 月，原国际无线电咨询委员会( c c i r ) 就提 出研制第三代移动通信系统，即未来公用陆地移动通信系统( f p l m t s ) 。1 9 9 2 年世界无线电行政会议( w a r c ) 给f p l m t s 分配了频率：( 1 8 8 5 2 0 2 5 ) m h z ( 上行) 利( 2 1 1 0 2 2 0 0 ) m h z ( 下行) ，其中( 1 9 8 0 2 0 1 0 ) 和( 2 1 7 0 2 2 0 0 ) m h z 用于卫星通信。之后不久，国际电联i t u 将f p l m t s 正式定名为i m t - 2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n sb yt h ey e a r2 0 0 0 ) ，意思是工作在 2 0 0 0 m h z 频段的第三代移动通信产品将计划在2 0 0 0 年左右正式投入商用。 i m t - 2 0 0 0 是一个全球无缝覆盖、全球漫游、包括卫星移动通信、陆地移动 通信和无绳电话等的蜂窝移动通信大系统。其主要特征是世界范围内设计的共 同性，与固定网络兼容，有极高的业务质量，具有全球漫游功能的袖珍终端， 既可以接入地面固定网络，又可以接入卫星网络。i m t - 2 0 0 0 系统可适应于各种 无线运营环境，如住宅内、室内室外环境、市区车载步行环境等，它可在 p s t n i s d n 的支持下提供广泛的通信业务，包括电话、智能用户电报、传真、 消息处理、图象、i n t e m e t 浏览、e m a i l 、v o d 、多媒体等业务。为了满足高速 率数据的多媒体业务。室内的数据速率不小于2 m b p s ，室内室外的慢速移动环 境下数据传输速率不小于3 8 4 k b p s ，室外车载环境不小于1 4 4 k b p s ，卫星环境下 不小于9 6 k b p s 。3 g 系统还应当向下兼容第二代系统，保护已有服务运营商和用 户的投资。 简言之，i m t - 2 0 0 0 移动通信系统的宗旨是建立全球性的综合性个人通信网， 其最终实现的目标可以概括如下： 提供全球范围的覆盖，即实现海陆空的三级无缝覆盖，支持全球漫游。全球 范围包括四种环境：室内环境( 至少2 m b p s ) ，室内、外步行环境( 至少 第一章绪论 3 8 4 k b p s ) ，室外车辆运动环境( 至少1 4 4 k b p s ) 以及卫星移动环境( 至少 9 6 k b p s ) 。 提供各种综合性业务。包括多媒体业务，如语音、宽带数据、视频等，特别 是支持i n t e m e t 业务，适应信息化社会发展的要求。 提供高服务质量和安全保密性能。 i m t - 2 0 0 0 的多址方式可以是时分多址( t d m a ) 、频分多址( f d m a ) 、码 分多址( c d m a ) 。尽管c d m a 已有的技术性能还不够完善，但其优越性已被广 大学者、通信业务制造商和运营商所接受： 具有软容量。在传统的f d m a 和t d m a 系统中，频带、时隙等系统资源是 固定分配给移动用户的，即在频域或时域上不同信号不能同时出现。这样， 当实际接入用户数处于动态变化过程时，有用信道总是存在部分浪费现象； 尤其是固定分配信道的策略造成了固定的接入容量，对于一个动态变化的系 统而言，这是不合理的。相比之下，c d m a 系统则具有明显的优势。在c d m a 系统中，接入容量和通信质量是相互协调的，当接入用户数较多时，每个用 户的通信质量都会在允许的范围内有不同程度的降低；或者相反，通过降低 用户的通信质量，来提高系统的接入容量。这就是c d m a 系统的软容量特 征。需要指出的是，由于功率攀升现象的存在，接入容量的提高伴随着系统 内干扰的非线性提升，系统频带效率也因此而非线性下降。因此在这个意义 上，c d m a 系统的最大接入容量不一定有优势，但是可以在般情况下保 证接入用户充分利用系统的时频资源。 有诸多提高系统容量的新技术。c d m a 系统中采用了很多的新技术来降低 干扰提高功率利用率，从而提高系统的容量。这些技术包括：话音激活技 术、高效编码交织技术、功率控制技术、多用户检测技术、扇区划分技术、 智能天线技术、软切换技术等。需要指出的是，软切换技术通过建立切换区 实现跨区无缝切换，提高了系统的反向容量，但是对于前向容量而言稍有损 害，因此在3 g 系统中的切换区要比i s 9 5 协议下的切换区小很多。在上述 技术的共同作用下，c d m a 系统的容量将比其它传统多址系统的容量有很 大的改善。 抗干扰能力强，保密性好。在c d m a 系统中，信息码元被扩频码调制到更 宽的频带上，在接收端采用匹配滤波器，提取与扩频码相关性最强的信号， 而其它干扰信号的频谱则被扩散，落入匹配滤波器带通范围内的干扰大大降 痢一章绪论 低。另外，由于采用了多级扰码和宽带低功率谱密度信号的传输，除非有相 关匹配器，否则传输信号在信道中很难被分辨，因此难以被截获或偷听。 抗衰落，抗多径干扰。c d m a 系统采用宽带传输技术，具有很强的抗频率 选择性衰落的能力。即使频谱的部分频带受到频率选择性衰落的影响，也不 会造成宽带信号的严重畸变。同时，山于信号频带大于信道的相干带宽，凶 此多径分量可以分离，从而不仅可以部分克服多径t 扰，还可以利用多径分 集接收技术提高接收信号的质量。 c d m a 系统在信道中传输的有用信号的功率比干扰信号的功率低，信号频 谱扩展得越宽，功率谱密度越低，信号越隐蔽，因而可以与许多现有的通信 系统在同一频带上共存。 移动台发射功率低。由于c d m a 系统采用r a k e 接收等技术来提高性能， 且c d m a 系统采用连续发射功率，匿i 此与t d m a 系统相比，移动台所需的 发射功率低，电磁辐射小。而在t d m a 系统中，支持不同传输速率的多媒 体业务是靠分配不同数量的时隙实现的，这样即使对语音业务而言，所需要 的发射功率峰值与最高速率业务时相同。 山于c d m a 系统容易支持非对称的上下行链路结构，因此可以有效地支持 诸如i n t e r n e t 接入等的非对称通信业务。而在t d m a 系统中，很难为某个用 户分配不同的上下行时隙，在f d m a 系统中，提供非对称业务需要改变上 下行载波频段，这也是很困难的。 但是，由于同步不理想和码字不正交，c d m a 系统不可避免地存在多址干 扰和符号间干扰，这限制了系统容量的进一步提高，因此要求精确、迅速的多 用户检测技术和功率控制技术。另外，作为一个功率正反馈系统，在c d m a 系 统中进行高速数据业务传输时会造成很大的系统内干扰，严重降低频带效率， 因此需要高效的传输速率分配技术的保证。 同时，为了充分体现c d m a 技术的上述优异特性，在技术上通常还需采用 分集技术，包括空间分集、频率分集、时间分集和路径分集，可变速率编码器， 语音激活和插空技术等措施予以支持。 由于c d m a 多址技术具有以上其它系统不可比拟的优点，目前已经被多数 第三代移动通信系统采纳。 尽管1 m t - 2 0 0 0 的初衷是建立一个统一的空中接v 1 协议，但是事实上世界上 = 1 i 同国家和地区都提出了各具竞争力的协议方案，因此t i a e i a 不得不成立两 一一 垄二兰堑堕 个专门的工作组3 g p p 利3 g p p 2 分别处理相关方案。其中主要方案有： 欧洲的u m t s ( u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 标准。1 9 9 8 年 1 月，欧洲决定u m t s 的空中接口标准为u t r a ，即在对称频段( f d d ) 采 用可变速率的w - c d m a 体制，在非对称频段( t d d ) 采用t d c d m a 体制。 u m t s 与g s m 兼容。 北美的宽带c d m a 2 0 0 0 标准。由l u c e n t 、m o t o r o l a 、q u a l c o m m 等公司提出， 已由美国t 丛制订为窄带c d m ai s 一9 5 的补充标准，称为i s 9 5 c ，与i s 一9 5 兼容，提供同步的c d m a 支持，采用对称频段f d d 模式。 日本的w - c d m a 标准。由n t t d o c o m o 公司提出，该公司与爱立信合作开 发w - c d m a ，此标准现已与欧洲w - c d m a 合并，核心网络沿用g s m 网络 平台，与g s m 兼容。 中国的t d s c d m a ( t i m ed u p l e xs y n c h r o n o u sc d m a ) 标准，由中国r i t t 提出。 韩国的c d m a i 、c d m a i i 及l e o s a t - c d m a 标准，由韩国t 1 a 提出。 以上方案都是从第二代系统应用的现状出发，力求第三代系统能与第二代 系统后向兼容，使第二代系统能移植或演化到3 g ；尽量使3 g 能与第二代系统 共享一部分资源，并减少不必要的干扰：尽量利用已有的成熟技术，小在大规 模范围内调整参数，以缩短研制开发周期。 目前各国都投入了大量的人力、物力进行了多方面的研究，其中最具有代 表性的是欧洲e t s l 和日本a r i b 为主体提出的w c d m a 方案和美国t r 4 5 5 为 主体提出的c d m a 2 0 0 0 ( 也称w i d e b a n dc d m a o n e ) m 8 , 1 3 4 。这两个方案有着各 自的特点，w c d m a 技术建议充分考虑了与第二代g s m 移动通信系统的互操作 性和对g s m 核心啜络的兼容性。c d m a 2 0 0 0 的开发策略是对以i s 9 5 标准为蓝本 的c d m a o n e 系统的平滑升级。表l - 1 给出了包括我国t d s c d m a 标准在内的 3 g 主流技术的比较： 表l - l3 g 的三大主流技术标准比较 w - c d m ac d m a 2 0 0 0t d s c d m a i 最小带宽需求( m h z ) 5 m h z3 1 2 5 m h z1 6 m h z 第一章绪论 ( 续表1 1 ) 扩频技术类型单载波宽带直接序列多载波和直接扩频两时分同步c d m a 扩频c d m a种c d m a 取工方式 f d d t d df d dt d d 信道间隔( m h z ) 5 m h z1 2 5 5 m h z1 6 m t t z 码片速率( m c h i p s )3 8 4 m c p s 1 2 2 8 8 36 8 6 4 m c p s 1 2 8 m c p s 帧睦( m s ) 1 0 2 0 ( 可选1 2 0 ( 一般的数据和控 i o 制信道1 5 ( 基本控制信道和指 定控制信道) 基站间同步异步( 无需g p s )同步( 需g p s )同步( 主从同步) 调制方式下行：q p s k下行：q p s k下行：q p s k 上行：b p s k上行：b p s k上行：b p s k 扩频因子4 5 1 2 ( 3 8 4 m c p s )4 - 2 5 6 ( 36 8 6 4 m c p s )1 - 1 6 ( 1 2 8 m c p s ) 反向信道结构 导频t p c 业务信道导频控制信道基本导频t p c 业务信道 信令分组业务码时信道补充信道码复信令，分组业务码时 分复用 用分复用 同步检测前向：与导频信号相干 与导频信道相干与下行导频时隙相干 反向：与导频信号相干f 导 与导频信道相干与上行导频时隙相干 频i q 复用) 下行信道导频 公共导频和专用导频公共导频信道( 与其导频和其他信道时分 ( 采用导频符号与其他业务和控制信道码复用t d m 他数据和控制信息时 分复用c d m ) 分复用t d m ) 上行信道导频导频符号 i i t p c 以 各信道问码分复用导频和其他信道时分 及控制数据信息时分f 有反向导频码信复用 复用 u l q 复用 道) 下行扩频码 通道分割：变长的正通道及用户分割：变 交序列，小区和用户长的w a l s h 序列，小区 分割：2 t , s f 拘g o l d 序分割：2 1 5 的m 序列( 相 列f 截断周期1 0 m s )同序列作h i 同时移用 第一章绪论 ( 续表1 1 ) 于h i 同小区，i q 通道 码字不同1 上行扩频码通道分割：变氏的正通道分割：变长的正 交序列；用户分割：交序列；用户分割： 2 4 1 ( * j g o l d 序列( 截2 4 1 的m 序列( 1 i 同用 断周期1 0 m s )户的时移不同1 切换软切换，频问切换，软切换，频问切换，接力切换，频问切换， 与g s m 问的七u 换与i s 9 5 b 问的刨换与g s m 问的切换，与 i s 9 5 问的切换 功率控制速度 1 5 0 0 h z8 0 0 h z1 4 0 0 h z 语音编码器自适应多速率语音编可变速率 码器( a m r ) i s - 7 7 3 1 s 1 2 7 业务信道编码 卷积码，码率1 2 或b a s e l i n e 卷积码，码率卷积码，码率1 2 或 1 3 ，约束长度k = 9 。 1 4 1 3 ，和1 2 约1 3 ，约束长度k = 9 ， 1 3t u r b o 码束长度k = 9 ，高速用 1 3t u r b o 码 t u r b o 码 控制信道编码 卷积码，码率1 2 ，前向：卷秘码，码率卷积码，码率1 2 或 约束长度k = 91 4 约束长度k = 91 3 ，约束长度k = 9 ， 反向：卷积码，码率1 3 t u r b o 码 1 2 约束长度k = 9 ， 高速用t u r b o 码 优势可由g s m 演进成 较为成熟设轿投t d d 方式易于实现 w c d m a ，初期节约，资少智能天线和联合检 设备投资易于平滑过 测，降低多用户干扰， 渡；不需要g p s提高容量：适于非对 称高速数据业务 劣势 异步小区，实现复杂现有设各利用率低。 关键技术有待成熟； 度增加，性能有待予 需要g p s不适合人烟稀少的地 检验，上层协议不成 区和高速移动的状态 熟。有待检验 第一章绪论 1 3 本论文的研究背景 移动通信的电波传播环境十分恶劣，存在着火量的发射波，折射波和散射 波，移动台在迅速运动中，这些多径信号相互抵消或叠加造成瑞利衰落，接收 场强的振幅和相位迅速变化。变化速率与运动速度和工作频率有关，信号电半 起伏可达4 0 d b 以上 1 38 “4 l ：其次，陆上移动通信的移动台还经常运动于建筑物 和障碍物之间，局部场强中值( 信号强度大于它的概率为0 5 的场强值) 随地形 环境而变动；另外电波在空间传播时其能量也会随着距离的增大而4 i 断衰减， 其衰减速度不仅与频率有关，而且与发射机、接收机天线高度以及周阐环境有 关。以上这些原因造成接收机接收到的用户信号总是处于随时随地的变化巾。 由于传输信号的强度随传输距离变大而成指数衰减，因此在相同发射功率情况 下，基站收到来自距它较近的移动台的信号比来自小区边缘处移动台的信号要 强。这样，远处用户的弱信号会被近处用户的强信号淹没，导致无法恢复远处 用户的信号，此现象称为“远近效应m 8 6 9 川，“1 ，t 4 7 + 】4 9 】。山于频率重复利 用，会形成蜂窝系统中小区间干扰，位于相邻小区交界处的移动台收到所属基 站的有用信号功率很低，同时还会收到相邻小区基站较强的干扰，这种现象通 常被称为“角效应” 1 5 1 , 1s 6 。另外如果系统功率的动态范围过大会对发射机的精 度提出较高要求，缩短移动台的电池寿命，不利于小型化。这要求我们在蜂窝 移动通信系统中能够动态地调节用户的发射功率，使到达接收机的用户信号保 持在一定的功率门限上。 对于c d m a 系统来说，功率控制有着更加重要的意义阢8 6 ，1 “1 ，2 5 ， 。1 4 9 1 。它可以有效地克服远近效应和角效应，抑制系统的干扰，增加系统的容 量。c d m a 系统是靠伪随机码或正交码来区分信道的，正交码在异步的情况下 它们互相不一定能够保证正交。而伪随机码问的互相关也不为零，这就产生了 信道间干扰，称为多址干扰( m a i ) ，极大地影响了系统容量。某一用户的多址 干扰是由于其他用户的功率和扩频码问的互相关性决定的。为了减少干扰，提 高系统容量，可以在系统设计过程中通过寻找更好的扩频码来提高系统的同步 能力；同时还可以在保持用户通信质量的条件下有效地控制发射功率，使其尽 筇一章绪论 司能减小。 由于用户的业务质量由接收到的信干比决定，对于给定的多址干扰，用户总 能通过增加自己的发射功率来达到所需的信干比。但这同时对其他用户造成更 高的干扰，从而使其他用户为保持原有的信干比而增加自己的功率。这就可能 导致功率的循环增加直至一些用户或所有用户达到他们的饱和功率值，却仍 矸i 能满足各自f l c j ) l i 务质量要求，由此造成功率的竞争、攀比现象。可见功率也 是一种系统资源，合理有效的功率控制和分配，将会提高系统的性能和增加系 统的容量。除了能抗干扰外，功率控制还可以补偿衰落来提高衰落信道下 d s c d m a 系统的性能。 综上所述，功率控制技术是c d m a 走向实用化的一项核心技术，也是提高 整个系统的功率利用率和系统容量的重要手段之一。因此，本论文主要针对功 率控制的基本理论和算法展开研究。在前人研究的基础上，本文系统地归纳总 结了功率控制的基本理论，并深入研究了分布式功率控制算法，所提出的算法 一方面旨在提高算法的能量有效性和收敛性，另一方面使之更符合实际系统的 情况。 1 4 论文的主要研究工作和内容安排 本课题得到了天津大学9 8 5 基金项目x 3 0 2 0 5 的资助。本文主要研究蜂窝移 动通信系统中功率控制算法的问题。概括而言，本文相对独立地开展了以下几 方面的研究： 1 、系统地归纳总结了集中式和分布式功率控制的基本理论，在此基础上， 借助数值线性代数和矩阵计算的理论。深入分析了分布式迭代功率控制 方法，提出了构造、分析迭代功率控制算法的通用框架，以及算法收敛 性分析的一般方法。前人提出的许多分布式功率控制算法都是该通用框 架在不同迭代矩阵情况下的特侧，可以由该通用框架得到。这部分内容 在目前的相关文献中还没有比较完整、系统的介绍，这方面的工作具有 一定的理论意义。 2 1 针对无线资源管理算法仿真中存在的一个普遍问题：需要合适的信道模 型，建立一个与实际无线环境相符的仿真环境，用于评估各类无线资源 第一章绪沦 管理算法的性能。为解决这个问题，本文通过对无线传输信道进行详细 的分析，建立了衰落和阴影等的计算机仿真模型，通过函数调用，方便 了诸如切换、速率分配以及功率控制等无线资源管理算法的仿真；本文 将其应用于功率控制算法的仿真，并通过实例验证了该仿真平台的有效 性。 3 ) 针对分布式功率控制算法的缺点，从能量有效性的角度对功率控制问题 进行研究，提出了一种具有节能特性的分布式功率控制算法，并且对它 的节能性和收敛性分别给出了严格的数学证明。该算法特别适合于对时 延要求不高的非实时数据业务。仿真结果也表明了此算法的节能特性和 收敛特性。 4 ) 针对数字式系统中存在的发射功率的限制，在性能较好的分布式二阶功 率控制算法的基础上，提出了一种离散型二阶功率控制算法，并解决了 该算法的收敛性以及收敛性是否惟一的问题。证明了离散化后算法的弱 收敛性，即收敛到功率矢量的包络，而4 i 是惟一的功率矢量。同时，定 义了一个最优功率矢量，所提出的分布式离散二阶功率控制算法就收敛 到该矢量，并通过仿真进行了验证。 本论文共分七章，各章的内容安排如下： 第一章为绪论，简要介绍移动通信系统发发展及其特点，以及本文的研究背 景和主要工作。 第二章作为后续章节的背景知识，本章详细介绍了功率控制技术，包括功率 控制的目标、分类、以及具体的控制方法等，综述了国内外功率控制算法的研 究现状，并对已经提出的算法做了简要的分析。本章介绍的内容涵盖了功率控 制研究的大部分成果，大大开阔了后续几章的研究崽路。 第三章系统地归纳和总结了集中式和分布式功率控制的基本理论，在此基 础上，借助数值线性代数和矩阵计算的理论，重点深入分析了分布式迭代功率 控制方法，提出了构造、分析线性迭代功率控制算法的通用框架，以及算法收 敛性分析的一般方法。通过对实际算法的分析，可知以前提出的许多分布式功 率控制算法都是该通用框架在不同迭代矩阵情况下的特例，可以由该通用框架 得到。这部分内容在目前的相关文献中还没有比较完整、系统的介绍，所以这 方面的工作具有一定的理论意义。 第四章针对无线资源管理算法仿真中存在的一个普遍问题：需要合适的信 第一章绪论 道模型，建立一个与实际无线环境相符的仿真环境，用于评估各类无线资源管 理算法的性能。为解决这个问题，本文从无线传输信道的特点出发，建立了衰 落和阴影等的计算机仿真模型，以及创建基站，移动台的函数，通过函数调用， 方便了诸如切换、速率分配以及功率控制等无线资源管理算法的仿真；给出了 其在功率控制算法仿真中的应用，并通该实例验证了该仿真平台的有效性。 第五章研究分布式功率控制算法，文中分析了现有分布式功率控制算法， 发现现有的分布式功率控制算法中存在的缺点是：当用户信号因信道质量衰落 而受到影响时，发射机的发射功率将可能达到最大值，然而，即使以最大发射 功率发射信号，接收到的信号质量也未必有充分的改善，相反会增大功耗，还 会对其他用户产生更大的干扰，发生信号冲突；特别是在系统拥塞的隋况下， 这种现象更容易发生。为了使发射机在信道质量恶劣时也1 i 以最大发射功率工 作，从而达到节能的目的，本章提出了一种改进的节能型功率控制算法，并且 对它的节能性和收敛性分别给出了严格的数学证明。该算法特别适用于对延时 要求不高的非实时数据业务。仿真结果也表明了此算法的节能特性和收敛特性。 第六章研究了离散的功率控制算法。以前关于功率控制的大多数研究均假 定发射功率电平是连续变化的，而数字式功率控制系统中，功率的变化是离散 的，仅在一个离散功率电平的有限集合内取值，例如g s m 系统的上下行链路的 发射功率是2 d b 等间隔的离散值，在高