（信息与通信工程专业论文）cdma系统中反向链路的功率控制技术的研究.pdf

，-bi-l_-_t 工作 的地 包含 共同 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 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，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：叠垒至焦师签 摘要 c d m a 作为第三代移动通信的核心技术之一，具有良好的保密 性和抗干扰性。功率控制是c d m a 系统的一项关键技术，已经成为 移动通信领域理论研究的热点。论文以提高系统通信质量为目标，深 入地研究了c d m a 系统中反向链路的功率控制技术。 针对移动通信系统的随机性和时变性，提出一种基于改进的 m m s e 预测功率控制算法。该算法将m m s e 信道预测算法和变步长 功率控制算法相结合，实现了自适应m m s e a s p c 功率控制算法， 并引入最陡下降法有效地降低算法的运算复杂度。o p n e t 仿真实验 表明，该算法在s i n r 误差率、信道增益和均方误差等方面具有良好 的性能表现，并且能根据实时预测动态地调整功率控制步长的精度， 以便更快地补偿信道衰落。 针对系统资源分配的合理性和公平性，提出一种非理想串行干扰 消除下的博弈功率控制算法。该算法将功率控制策略转化为寻找博弈 理论中用户最大净收益的问题，在传统收益函数的基础之上，引入了 一种新的动态代价函数。该函数以信道增益和信号干扰比为代价因 子，自适应地调整用户的发射功率，论文证明了算法纳什均衡的存在 性及唯一性。数值仿真实验表明，与经典功率控制算法相比较，该算 法能明显改善系统性能，以较低的发射功率满足用户高收益的需求。 关键词功率控制，c d m a 2 0 0 0 ，信道预测，博弈论 c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h er e v e r s e i sd e e p l yi n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r 1 i n kp o w e rc o n t r o lo fc d m a s y s t e m f o rt h er a n d o m n e s sa n d v a r i a b i l i t yo f m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ， ap o w e rc o n t r o la l g o r i t h mb a s e do n i m p r o v e dm m s ep r e d i c t i o ni s p r o p o s e d w i t ht h ec o m b i n a t i o no fm m s ec h a n n e lp r e d i c t i o na l g o r i t h m a n dv a r i a b l es t e pp o w e rc o n t r o la l g o r i t h m ，t h ea d a p t i v em m s e a s p c p o w e rc o n t r o la l g o r i t h mi sa c h i e v e da n dt h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yo f t h i sa l g o r i t h mi s e f f e c t i v e l yd e c r e a s e db yt h ei n t r o d u c t i o no fs t e e p e s t d e s c e n tm e t h o d t h eo p n e ts i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h m h a sg o o dp e r f o r m a n c e si nt h es i n re r r o rr a t e 、c h a n n e lg a i na n dm e a n s q u a r ee r r o r sa n ds oo n ，a n dc a nd y n a m i c a l l ya d j u s tp o w e rc o n t r o ls t e p s i z ea c c o r d i n gt or e a l - t i m ep r e d i c t i o ni no r d e rt oc o m p e n s a t et h ec h a n n e l f a d i n gi nt i m e f o rt h er a t i o n a l i t ya n df a i m e s so ft h ea l l o c a t i o no f s y s t e mr e s o u r c e s ， ap o w e rc o n t r o l a l g o r i t h mb a s e do ng a m et h e o r yu n d e ri m p e r f e c t i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o ni s p r o p o s e d t h ea l g o r i t h mt r a n s f o r m sp o w e r c o n t r o ls t r a t e g yi n t ot h ep r o b l e mo f f i n d i n gt h eu s e r sl a r g e s tp r o f i ti nt h e g a m et h e o r y b a s e do nt h et r a d i t i o n a lr e v e n u ef u n c t i o n ，an e wd y n a m i c c o s tf u n c t i o n w i t hac o s tf a c t o rd e f i n e db yc h a n n e l g a i na n ds i g n a l i n t e r f e r e n c er a t i oi s d e s i g n e dt oa d j u s tt h eu s e r st r a n s m i t t i n gp o w e r a d a p t i v e l y , a n dt h ee x i s t e n c ea n du n i q u eo f - n a s he q u i l i b r i u mi sa l s o p r o v e di nt h i sp a p e r s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tc o m p a r e dw i t ho t h e r c l a s s i c a l p o w e rc o n t r o la l g o r i t h m s ，o u ra l g o r i t h mc a n s i g n i f i c a n t l y i m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c e ，w h i c hc a nm e e tt h en e e d so ft h eu s e r sh i g h p r o f i tw i t hl o w e rt r a n s m i t t i n gp o w e r k e yw o r d sp o w e r c o n t r o l ，c d m a 2 0 0 0 ，c h a n n e lp r e d i c t i o n ，g a m e t h e o r y 摘要 a b s t r a c t 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 1 2 国内外研究现状 1 3 研究内容 1 4 论文组织结构 第二章功率控制相关技术 2 1 功率控制的基本理 2 1 1 功率控制的目的6 2 i 2 功率控制的准则6 2 1 3 功率控制的分类7 2 2c d m a 系统的信道衰落预测技术8 2 2 1 信道状态预测算法的研究9 2 2 2 信道参数预测算法的研究9 2 3c d m a 系统的博弈论1 0 2 3 1 博弈论数学模型与纳什均衡1 1 2 3 2 净收益函数1 2 2 4 影响功率控制的因素1 3 2 5 本章小结1 4 第三章基于信道衰落预测的功率控制算法1 5 3 1 功率补偿模型的建立15 3 2m m s e a s p c 功率控制算法的实现1 6 3 2 1 基于m m s e 准则的预测推导16 3 2 2m m s e a s p c 算法的确定2 0 3 2 3 算法性能分析2 5 3 3 算法仿真与结果分析2 5 3 3 1o p n e t 仿真平台2 5 3 3 2 仿真参数配置2 6 3 3 3 仿真结果分析2 8 3 4 本章小结3 0 第四章非理想串行干扰消除下的博弈功率控制算法3 2 4 1 i s i c - n p c g 算法的设计目标3 2 i v ：；：； ： ! ； ：；! ； ：；7 3 8 4 1 4 1 4 1 4 3 4 5 4 5 4 5 4 7 5 4 ! ；! ； 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 自从2 0 世纪9 0 年代以来，伴随着移动通信的高速发展，第三代移动通信系 统的主流技术普遍采用码分多址( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，c d m a ) 技术。 c d m a 系统是以码分多址为接入的数字蜂窝移动通信系统，具有良好的保密性 和抗干扰能力。功率控制作为c d m a 系统的关键技术之一，能够增大系统容量， 提高通信质量，成为通信领域理论研究的热点，受到学术界和工业界的广泛关注。 由于移动通信信道的时变性和系统资源的有限性，与传统c d m a 网络以吞吐量 最大化和低干扰为设计目的不同，本文以提高c d m a 系统的信道响应能力，促 进系统资源的公平利用为研究目的，深入地研究了c d m a 系统中反向链路的功 率控制技术，以保证提高系统的性能，为用户提供满意的服务质量。 码分多址技术是以扩频技术为基础，利用伪随机序列把用户信号的频谱扩展 到一定的宽带中进行传输【i 】。系统中所有的用户都使用相同的频率，不同用户之 间依靠各自不同的扩频码序列加以区分，在时间和频率上是可以重叠的。码分多 址技术使c d m a 移动通信系统具有很多良好的优点( 加，如抗干扰性强、系统容 量大、软容量、保密性强和频谱利用率高等，但是，仍存在一些有待研究和解决 的问题： 一是信道衰落问题。衰落主要分慢衰落和快衰落两种。这两种衰落是造成 c d m a 系统中接收信号幅度变化的主要因素。在用户信号的传输过程中，由于 地形和高大建筑物的阻挡，信号会起缓慢的变化，产生慢衰落。同时，由于多径 效应和多普勒频移，使得信号在短期内快速起伏地变化，产生快衰落1 3 1 。信道的 衰落会严重影响系统的通信质量。因此，如何实时地补偿信道衰落，提高信道响 应能力是c d m a 系统设计面临的主要挑战之一。为了能够抵抗信道衰落，国内 外研究学者提出了很多切实可行的解决方案，例如采用功率控制f 4 刮、多用户检 测【7 ，8 j 、速率控制技术【9 , 1 0 、信道估计【1 1 , 1 2 1 以及信道预测【1 3 , 1 4 1 等技术来控制用户的 发射功率，动态地适应信道环境的变化。 二是系统资源分配的合理性和公平性。在c d m a 系统中，每个用户为了获 得良好的通信质量，在发射功率的允许范围内，都希望尽可能地增大自身的发射 功率，而不顾对其他用户造成的干扰影响。这样会造成用户之问发射功率的攀比 增大，使系统容量受限，甚至会造成系统崩溃。因此，为了能够均衡用户之i 日j 的 发射功率，使得系统资源可以公平分配，国内外研究学者提出了许多可行的方法 1 1 5 - 1 8 】，例如在功率控制中引入博弈论f 1 5 , 1 6 】、神经网络【1 7 , 1 8 1 等。 硕士学位论文第一章绪论 为了解决上述问题，需要在c d m a 系统中采用功率控制技术。功率控制的 目标就是在保证定的通信质量的前提下，尽可能低地降低用户发射功率，使得 每个用户对其他用户的干扰最小，并使每个用户都满足所需求的服务质量 ( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) ，从而抑制系统中的多址干扰，提高c d m a 系统的容 量，降低系统的劣化率。从目前已有的功率控制算法来看，还存在以下难点：信 道衰落的速度大于功率控制的速度，不能实时动态调整功率步长；没有固定的协 议标准对用户的发射功率进行限制。此外，如何让用户以较小的发射功率获得高 质量的通信服务，以及提高算法的快速收敛性等，都是需要研究解决的重要问题。 本文主要研究如何在c d m a 系统的反向链路功率控制技术中，提高系统的 抗衰落能力，同时合理约束用户的发射功率，提高系统的通信质量，满足用户的 需求。这不但具有重要的意义，而且也具有很大的挑战性。 1 2 国内外研究现状 2 0 0 9 年，中国的3 g 牌照正式发放。第三代移动通信网络开始初期建设，但 是由于系统架构和相关技术还没有完全成熟，还有很多工作需要研究【1 9 , 2 0 1 。我国 信息部门高度重视3 g 的建设发展，相继启动了一系列项目研究c d m a 技术， 如教育部科研项目“无线c d m a 通信关键技术研究，“8 6 3 计划项目“c h i n a - c d m a 移动通信关键技术和系统、“基于l a s c d m a 技术的b 3 g 无线链路 技术研究 ，国家自然科学基金项目“基于先进的序列设计、编码和检测方法的 准同步c d m a 系统性能增强研究”等。现在，越来越多的高校与研究机构都已 经开展了对c d m a 系统的研究。 其中，功率控制技术已经成为了近年来移动通信领域的研究热点。功率控制 技术用于动态地调整终端的发射功率。快速、准确的功率控制在保证c d m a 系 统容量和性能方面有着至关重要的作用。如果没有功率控制，发射功率大的终端 就会干扰整个小区。 本文主要研究基于信道衰落预测和系统资源公平分配下的功率控制技术。信 道衰落预测算法，可以实时预测当前的信道环境，是进行功率控制步长调整的前 提和基础。为了公平分配地系统资源，采用博弈论对发射功率进行限制，保证用 户之间发射功率的均衡。国内外学者对信道衰落预测算法和博弈功率控制算法的 相关研究如下： ( 1 ) 信道衰落预测算法的研究现状 虽然信道的衰落变化是随机的，但在时间上具有一定的相关性，因此可以对 信道衰落状念进行预测。在功率控制中引入信道衰落预测算法，能够准确地判断 未来信道的响应，使功率控制能够逼近信道衰落的随机过程。崔冬等提出了一种 共轭数据重排的子空间信道预测e s p r i t 算法【2 ，该算法在不增加信号采样数目 2 硕士学位论文第一章绪论 的前提下，利用共轭复数对信道衰落系数进行重排，等效于使数据长度增加了一 倍，在保持运算复杂度不变的情况下，提高了预测精度。h s g o m b a c h i k a 等提 出一种滤波整形的l m s 预测算法【2 2 1 ，该算法在考虑衰落时延的情况下，利用自 适应梯度算法使实际输出和期望值之间的均方误差最小。y i g u a n gc h e n 等提出 一种自适应的最b - - 乘算法，即r l s 算法【2 3 1 ，该算法的代价函数是指数加权的 误差平方和，利用数据矩阵的移不变性使得算法能够快速收敛。z r o s b e r g 提出 了在c d m a 中结合最小均方误差( m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ，m m s e ) 多用 户检测技术进行最优功率控制1 2 4 1 ，该算法通过利用最小均方误差对用户信号进行 线性估计，采用奇异值分解方法对算法参数进行计算求解，消除噪声的干扰。 s u b r a m a n i a n 提出了在时变随机信道下，利用线性滤波器对下一帧的s i n r 值进 行预测1 2 5 1 。l e e 提出了在d o p p l e r 效应下，利用自回归模型进行信道预测的算法 1 2 6 j 。孙建成等提出了在无线信道中应用信道预测的方法，但没有针对c d m a 系 统进行研究1 2 7 】。w g e r h a r d 等研究了信道预测技术对反向链路性能的影响，但是 没有综合考虑功率控制技术【2 8 】；j a k h t m a n 等考虑到结合信道预测算法的功率控 制算法，但是没有结合可变步长进行自适应的功率控制【2 9 l 。 ( 2 ) 博弈功率控制算法的研究现状 c d m a 系统的功率控制问题，可以看作是微观经济学中的博弈过程【3 0 】。在 博弈理论中，博弈者在争取最大收益的同时总是尽量减小自身的消费，博弈者的 这两种行为可以分别用收益函数和代价函数描述，博弈者争取最大收益的问题可 以等价为使收益函数最大化和代价函数最小化。在功率控制中应用非合作博弈理 论，博弈者是c d m a 系统的用户，博弈的策略组合是对用户的发射功率的选择， 而且博弈的收益函数一般是用户对服务质量的满意度。博弈论方法研究的功率控 制问题主要是使每个用户最大化自己的收益。收益函数是用户信干比或q o s 的 函数，通过对收益函数的构建，制定出相应的功率控制策略1 3 1 , 3 2 j 。f a r h a d 等考虑 在时延约束的情况下，基于博弈理论分析信干比对效用函数的影响，提出了一种 分布式功率控制算法f 3 3 1 ，并通过仿真验证了系统的稳定性和纳什均衡性。 g o o d m a n 等提出了一种非合作博弈功率控制的收益函数f 3 钔，该收益函数是基于 传输误差率考虑的。 基于对发射功率的考虑，所有用户都希望以最小的发射功率来获得最大的收 益。因此，在基于收益函数的基础上，引入了代价函数。代价函数一般与发射功 率相关联，是用户私自提高发射功率所要付出的代价。现有几种博弈功率控制的 代价函数，其主要设计目的有以下两点：一是使网络吞吐量或系统容量最大化； 二是达到信干比的均衡。一个有效合理的价格机制，能鼓励用户合理的分享无线 资源，使得整个系统的资源利用变得更加有效。为了达到更好的功率控制效果， 硕士学位论文第一章绪论 采用一定的代价函数可以为功率控制很好地建模。d a v i dg o o d m a n 等把代价机制 引入c d m a 系统，提出了非合作的博弈功率控制方法，代价因子为每单位电池 能量传输的有效比特数【3 5 1 。s a r a d a r 等研究了基于代价函数的功率控制模型f 3 6 】， 但是功率控制效果不是很理想，且仅采用线性的代价函数。s u m g 等提出了采用 组合代价函数( g r o u pp r i c e ) 1 3 7 1 。 此外，国内外很多学者对功率控制的步长问题进行了深入地研究，力争寻找 一种最优功率控制方法。t d o h i 等提出了一种基于信干比的功率控制方法【3 8 】， 该算法保证接收信号的信干比大于目标值。j e o n g 等考虑到固定步长的控制不灵 活性，提出了一种尽量减小信号深衰落的变步长功率控制算法【3 9 1 ，该算法将功率 控制过程划分成两个状态，按固定的比例增大或减小功率控制的步长，提高了总 的发送功率，但却下降了系统容量。基于上述综合考虑，s a g h a e i 研究了一种基 于s i g n 函数的可变步长和固定步长的混合步长闭环功率控制算法 4 0 1 ，该算法在 没有添加功率控制信令开销的情况下，增大了系统容量，降低了闭环延时。 综上所述，尽管有不少文献研究了c d m a 系统中的功率控制技术，但从前 面的分析可以得知，目前的文献中对于影响系统容量的因素考虑得还是不够全 面，未能够全面兼顾功率控制误差、多普勒频移、多径衰落、干扰和噪声、系统 资源公平利用等因素对系统的影响。 1 3 研究内容 本文以c d m a 2 0 0 0 无线移动通信系统为背景，研究了c d m a 2 0 0 0 移动通 信系统中反向链路的功率控制问题，以提高系统抗衰落能力，制约用户发射功率， 提高系统容量为目标，寻求功率控制方面的解决方案。针对协议中功率控制方案 存在的问题，提出了一种基于信道衰落预测的功率控制m m s e a s p c 算法，该 算法通过对信道环境进行实时预测，并采用最陡下降法降低预测算法复杂度，结 合变步长功率控制算法，设计一种自适应的功率控制算法。针对系统资源分配的 合理性和公平性，提出一种非理想串行干扰消除下的博弈论功率控制i s i c - n p c g 算法，该算法在g o o d m a n 提出的收益函数的基础之上，构造了一种新的代价函 数，将信干比、外部干扰和发射功率作为代价因子，有效地制约用户发射功率的 攀比增大，消除系统干扰。 1 4 论文组织结构 本论文共分五章，各章的内容安排如下： 第一章为绪论，简单阐述论文研究的背景及意义，对功率控制技术的国内外 现状进行分析，并介绍论文的研究内容和论文的组织结构。 4 硕十学位论文第一章绪论 第二章归纳和总结了功率控制技术的基本理论，包括功率控制的目的、功率 控制准则和c d m a 功率控制算法等，阐述已有信道衰落预测算法和博弈算法的 优缺点，提出本文的设计思路。 第三章针对信道快衰落的问题，提出一种采用降低复杂度的m m s e 信道衰 落预测算法，结合变步长功率控制算法，构建一种新的自适应基于信道预测的变 步长功率控制算法。实验仿真表明，该算法具有良好的性能，提高了系统的容量。 第四章研究了基于非理想串行干扰消除下的博弈功率控制算法，提出将博弈 论算法引入功率控制方案中，把功率控制看作为一种非合作的博弈过程，设计一 种新的代价函数机制，实现博弈功率控制算法，验证了算法纳什均衡的存在性和 唯一性以及算法的收敛性。 第五章对论文的全部工作进行了总结，并展望了今后需深入研究的方向。 硕士学位论文 第二章功率控制相关技术的分析 第二章功率控制相关技术的分析 2 1 功率控制的基本理论 无线通信系统的发展目标是为移动用户提供更大的系统容量和更好的通信 质量。为了有效地降低系统的同频干扰，提高系统容量，保证通信链路质量，需 要对频带和发射功率等无线资源进行合理的动态分配，以使系统资源得到充分利 用【4 l 】。功率控制是c d m a 系统中的一项核心技术，通过功率控制将使整个系统 实现高容量和高服务质量。 2 1 1 功率控制的目的 功率控制技术在蜂窝移动通信中得到了广泛应用。c d m a 移动系统是一个 容量受干扰限制的系统，而限制系统容量的主要因素是多址干扰。多址干扰是指 系统中的所有用户使用相同的频段，用户之间依靠扩频码进行区分。如果用户之 间的互相关值不为零，则用户之间将造成干扰，干扰的大小会直接影响系统的容 量。而控制干扰源的发射功率是减少多址干扰的有效措施。功率控制技术可以在 保证每一个用户通信质量的前提下，使每一个用户的发射功率最小化，从而减小 多址干扰，同时有效地克服远近效应，最终增加系统的容量。对于前向链路来说， 就是减小基站发射功率；而对于反向链路而言，就是调整终端发射功率，使得到 达基站端的接收功率达到目标阈值。从另一个方面讲，由于c d m a 系统是一个 功率正反馈系统，任何一个用户的发射功率都会造成对其他用户的干扰。从整个 通信网络分析，当系统处于某一个平衡功率点时，任何用户功率的增大都会造成 其他用户发射功率的提高，造成系统干扰的增大【3 ”。如果对发射功率进行良好的 规划和控制，使系统的总发射功率处于最小化，可以有效地降低系统的干扰水平， 优化系统的性能，提高系统容量。 c d m a 系统引入功率控制，可以降低用户平均发射功率，即在信道传输良 好情况下，发射功率较低；但是在遇到信道衰落时用户会通过功率控制自动提高 发射功率，以抵抗衰落【4 2 1 。如果功率控制周期高于1 0 倍的衰落速度，则可以很 好地预测信道变化，尽量地减少衰落的影响。有效的功率控制能够有效地补偿衰 落，并在接收端将衰落信道作为加性高斯白噪声信道来处理。因此，在功率控制 算法中引入信道预测算法，可以扩大功率控制对干扰、衰落谱的补偿范围。 2 1 2 功率控制的准则 功率控制准则是指功率控制的基本依据。从原理上看，功率控制准则可以分 为功率平衡准则、信干比s i r 平衡准则和误帧率平衡准则 4 3 1 。 6 硕十学位论文第二章功率控制相关技术的分析 功率平衡准则是指通过功率控制使接收端的用户有用信号功率相等。该准则 比较容易实现，但性能不如信干比平衡准则。对于反向链路，功率平衡的目标是 使各个终端到达基站的信号功率相等；对于前向链路，则是使基站到达各个终端 的信号功率相等。 信号干扰比( s i r ) 平衡准则是指通过功率控制使接收到的信号干扰比相等。 对于反向链路，s i r 平衡的目标是使基站接收到的各个终端信号干扰比s i r 相等。 对于前向链路，s i r 平衡的目标是使各个终端接收到的基站信号的信号干扰比 s i r 相等。信干比准则虽然能提供良好的系统性能，但是其有可能产生正反馈， 使用户发射功率的相互增大，造成系统的不稳定，甚至崩溃。 误帧率平衡准是将信干比准则和误帧率结合在一起，由误帧率决定信干比的 目标值。 2 1 3 功率控制的分类 功率控制技术从不同的角度分析有不同的类型。从通信的前向链路、反向链 路来划分，可以分为前向功率控制和反向功率控制；从功率控制环路的类型来划 分，可以分为开环功率控制和闭环功率控制；从功率控制实现方式来划分，可以 分为集中式功率控制和分布式功率控制。 前向功率控制方式可以分为以下两种： ( 1 ) 前向外环功率控制 前向外环功率控制在终端侧实现，基站把外环控制的门限值通过寻呼信道消 息中发送给终端，其中包括f c h 和s c h 的外环上下限和初始门限。 外坏功率控制根据指配的前向业务信道要达到的目标误帧率( f e r ) 所需的 e n 来估算门限设置值。该设置值或者通过闭环间接通知基站进行功率控制， 或者在f j 向业务信道没有闭环的情况下通过消息通知基站根据设置值的差异来 控制发射功率水平。 ( 2 ) 前向闭环功率控制 前向快速功率控制的实现在基站侧，但却是在终端侧来进行测量计算的，在 r c 3 r c 6 的反向信道中增加了反向导频信道，因为实现前向快速功率控制的功 控比特是由反向导频上的反向功控子信道发送给基站的。 闭环功率控制把前向业务信道接收信号的日m 与相应的外环功率控制设 置值相比较来判定在反向功率控制子信道上发送给基站的功率控制比特的值。 反向功率控制方式可以分以下两种： ( 1 ) 反向丌环功率控制 在反向开环功率控制中，终端测量整个频带内接收到的前向链路总功率，然 后根据一些接入参数，采用一定的算法计算出在接入状态时的发射功率大小。如 7 硕士学位论文第二章功率控制相关技术的分析 果接收功率高，则终端降低发射功率。反之，则提高发射功率。开环功率控制是 在反向接入信道和反向增强接入信道上进行的。如果终端处于预留接入模式，则 开环和闭环功率控制都可以在反向公共控制信息上进行。根据空中接口协议，开 环功率控制有一个很大的动态范围，至少在3 2 - , - + 3 2 d b m 之白j 。 ( 2 ) 反向闭环功率控制 反向闭环功率控制是反向功率控制的核心。反向闭环功率控制是指基站根据 测量到的反向信道的质量，调整终端的发射功率。在c d m a 2 0 0 0 系统中，所有 反向信道，包括反向基本信道，反向补充信道，反向补充编码信道和反向专用控 制信道都需要进行闭环功率控制，用于对各个信道的平均发射功率进行精确的调 整。如果终端工作在预留接入模式，则闭环功率控制也可以在反向公共控制信道 上进行。 开环功率控制是终端根据接收到的前向链路信号功率大小来调整自己的发 射功率。它主要用于补偿接收信号的路径传播损耗和阴影慢衰落。但没有考虑多 径衰落，控制精度过于粗略，有很大的动态范耐4 4 1 。 闭环功率控制是建立在开环功率控制的基础之上，对开环功率控制进行校 正。闭环功率控制的优点是控制精度高，利于通信过程中发射功率的精确调整【4 5 1 ， 但从功率控制指令的发送到终端的最终执行，存在一定的时延。当时延变大时， 功率控制的性能将受到严重的影响。 针对功率控制的实现方式，功率控制算法可以分为集中式功率控制和分布式 功率控制。z a n d e r 等提出了一种集中式功率控制算澍4 6 1 ，用户之间的发射功率 呈线性关系，利用链路增益计算功率控制中的理论上限。由于集中式功率控制算 法需要实时计算信道增益，在实际系统中难以应用。因此，不少学者研究了分布 式功率控制算法，该算法经过若干次迭代运算，使系统达到平衡信干比水准，实 现简单。典型的分布式功率控制算法有d p c 算澍4 7 1 ，f m a 算法嗣和d a p 算法 4 9 3 。由于分布式功率控制算法容易造成部分用户可能达到最大发射功率，这会对 其他用户造成严重干扰，甚至系统崩溃。为此，b e r g g r e n 等提出了广泛分布式限 制功率控制算法【删。刘宁庆等提出了基于s i r 均方误差最小的估计器闭环分布 式功率控制方法【5 ，该算法具有快速的收敛性和较强的信道跟踪能力，并且预测 值与真实测量值之间的误差非常小，能够很快地根据信道的前一时刻值对下一时 刻做出预测判断，达到跟踪目的。 2 2c d m a 系统的信道衰落预测技术 移动信道环境随时随地的变化，会使无线通信系统的性能受到很大的影响。 终端和基站之间的多径传播效应，以及移动终端高速运动时产生的多普勒效应， 都会使接收信号的幅度和相位产生很大的功率波动，也就是信道衰落，而且速度 硕士学位论文 第二章功率控制相关技术的分析 越大，衰落越严重。由于信道快衰落的影响，通信系统的性能受到严重的限制， 因此需要研究能预测到当前信道信息的新的自适应传输技术，例如智能天线、分 集接收、信道均衡、信道编码等技术。这些技术在保证一定误帧率的同时，可以 有效地利用功率和频谱，实现更高的数据传送速率。因此，只有在对无线信道参 数进行预测的前提下，自适应的传输技术才能更好地发挥作用，从而保证系统的 通信服务质量。信道衰落预测算法分为信道状态预测算法和信道参数预测算法， 下面进行归纳分析。 2 2 1 信道状态预测算法的研究 信道状态预测算法就是对信息传输过程中未来的信道状态信息进行准确估 计预测的算法。它通过分析、研究接收机过去一段时间衰落信道参数的采样，利 用信道预测算法准确地计算未来衰落信道状态的信息，再通过公共信道传送给发 射机，发射机再根据信道状态信息自适应地调整发射功率，以适应当前实际的信 道环境。从而自适应地提高了系统的性能，也保证了通信的质量。典型的信道状 态预测算法主要包括长距离预测算法( l o n gr a n g ep r e d i c t i o n ，l r p ) 【5 2 ，5 3 1 、最 大熵方法( m a x i m u me n t r o p ym e t h o d ，m e m ) 5 4 3 和子空间信道预测算测5 5 1 等。 m e m 和子空间信道预测算法的运算复杂度较大，在快速衰落信道中要不断 更新输入计算值，因此难以在实际环境中应用。l r p 算法则运算简单，但其存在 问题是在信道变化缓慢时预测性能比较好，如果信道发生快衰落变化，l r p 算法 的权向量就无法及时更新，并且要用预测出的信道系数替代真实的预测系数，造 成误差的传播。 2 2 2 信道参数预测算法的研究 信道参数预测算法主要是研究在干扰噪声中通过预测技术，构造系统的某一 指标参数最佳逼近值的算法。其中针对平坦快衰落信道，大量文献提出了最优线 性预测算法和自适应跟踪算法等算法【5 6 ，丌，研究结果表明了将用户的信干比作 为信道预测的参数，当满足奈奎斯特采样定理时，只要使用的过去的信道数据样 本足够长，其预测误差是可以足够小的。基于a r 模型的卡尔曼信道预测器被用 于跟踪信道的变化【5 8 1 ，当终端高速移动引起多普勒频移时，均衡的实现是依据卡 尔曼滤波器，但难以进行实时处理。当参数选择折中时，用于跟踪无线信道的变 化并且比l m s 算法具有更好性能的是最优二阶l m s 算法1 5 9 1 ，其参数在频域内 可以通过均方误差跟踪错误数值优化来获取，但时域内还在研究解决中，算法收 敛很慢，很难迭代到最优性能。不少学者深入广泛地研究了基于最小均方误差 m m s e 准则的线性信道预测算法，最小均方误差信道预测算法具有良好的预测 性能，而且实现起来比非线性预测算法的复杂度比较低唧】。除此之外，还有不少 9 硕士学位论文 第二章功率控制相关技术的分析 算法针对无线信道的随机性进行研究，例如m u s i c ( m u l t i p l es i g n a lc l a s s i f i c a t i o n ) 算法，普朗尼方法以及高阶累积量方法【6 。文献【5 7 】还介绍了对信道有限马尔可 夫状态进行预测的信道状态估计。 在信道预测时，要求预测算法有较低复杂度，且能够比较准确地预测信道， 以便自适应地跟踪信道的变化，如果不能及时准确地预测信道质量变化，在很大 程度上会严重影响系统性能，甚至有可能造成系统崩溃。因此，在信道预测技术 中，提前预测由于终端的高速移动或速度变化而产生的信道衰落，将对通信质量 提高起到了积极的影响。在信道预测技术中主要研究的是信道包络信息，信道的 相位信息是没有作用的。因此，不少文献对信道包络的预测进行了深入的研究， 而且从文献 6 2 】可知，信道参数频谱的范围是信道包络的频谱的一半，根据奈奎 斯特采样定理可知，表示信道包络预测的范围是信道参数预测的范围的一半。所 以本文采用最小均方误差m m s e 信道参数预测算法，在系统中添加信道预测模 块，对信道参数进行预测，并结合变步长功率控制算法，形成一种自适应功率控 制算法。对于高速多业务的第三代移动通信系统c d m a 2 0 0 0 而言，可以有效抑 制噪声，补偿信道衰落，改善系统的性能。 由于c d m a 系统受到干扰限制，存在严重的“远近效应”问题。为了消除 远近效应，需要设计合理的功率控制算法，实时调整发射功率，减少对其他用户 的干扰。在传统的反向功率控制中，基站根据接收信号的强度产生功率控制指令， 通过广播控制信道把功率控制指令传送给终端，终端根据此功率控制指令对自身 发射功率进行调整【6 3 1 。由于受信道衰落的时变性影响，每次发射的信道环境可能 不同，在现有的网络标准中，终端的发射功率只能进行固定功率控制步长调整。 然而，在快速衰落信道环境下，当信道衰落的变化速率大于功率控制指令的更新 周期时，固定步长的功率控制跟不上衰落的变化，基站产生的功率控制指令不能 实时反映信道对功率的需求【6 4 1 。另外，信道的时变衰落和功率控制指令的传输延 时会引起基站接收功率偏离最优功率，该偏离会使系统容量的大小受限【6 5 1 。由于 信道质量的好坏会直接影响到整个移动通信系统的传输性能，为了能够尽量对信 道特性进行利用，只是根据当前信道值作为未来信道值的近似是不够的，只有对 信道环境进行预测，实时补偿信道衰落，才能准确地调整信道参数。 2 3c d m a 系统的博弈论 博弈论( g a m et h e o r y ) 是微观经济领域的经典理论之一，主要研究博弈者行 为发生时的策略问题和纳什均衡问题。博弈理论最早出现于中国春秋战国时期， 孙武著作的孙子兵法是最早的一部博弈理论m j 。博弈论的理论研究丌始于冯 诺伊曼的最小最大定理，他的博弈论与经济行为，属于首次对博弈论的系统 化和形式化。其后纳什利用不动点定理验证了纳什均衡点的存在，为博弈论的广 l o 硕士学位论文第二章功率控制相关技术的分析 泛应用奠定了基础。经过几十年的发展，博弈论得到了飞速的发展，广泛使用于 经济学、生物学、政治学和计算机科学等方面。近年来，博弈论也成为了研究功 率控制方面的强有力工具。博弈论应用于c d m a 系统中时，收益函数是信干比 或服务质量的函数，而代价函数是用户发射功率的函数，对功率控制问题的求解 可以转化为某个收益函数或代价函数的求解问题。 2 3 1 博弈论数学模型与纳什均衡 博弈论与传统的优化决策理论的不同之处在于m ：博弈论中博弈者在利益上 有冲突竞争，博弈者会选择各自最优化决策，并力图最大化个人的利益；每个人 的决策和其他博弈者之间相互影响，即他人的决策会干扰到某个人，而某个人的 决策也会干扰到他人。博弈论是一个严谨的数学模型，一个完整的博弈论至少得 包含三方面的要素，即博弈方、策略组合和博弈信息，具体如公式( 2 1 ) 所示。 通过定义一个三元组，表示博弈过程中的数学模型： g = 公式( 2 1 ) 其中，n = 1 ，2 ，3 ，) 代表博弈方的集合，共有个参加博弈者，也就是 博弈策略的制定和执行者；s = s i ，是，s ) 代表可供博弈方选择行动策略的集 合，墨是博弈方f 对应的策略组合；u = 扣。，u ：，u ) 表示博弈信息，u i 一般表 示博弈方i 对应的效用函数；当博弈方的策略确定后，效用函数体现了各博弈方 从博弈中所获得的利益。不同的策略组合可能会导致不同的效用，在博弈过程中， 每个博弈方都希望自己所得利益最大化，即u i 值的极大化。 现实中博弈可以按照不同的办法进行分类。根据博弈者的人数，博弈可以分 为两人博弈和多人博弈；根据博弈者合作的方式，博弈可以分为合作博弈和非合 作博弈。现在研究的重点都是基于非合作的博弈，合作博弈论的研究比较少。当 博弈方之间不存在一个约束力协议时，就是非合作博弈，反之就是合作博弈。在 功率控制中，各用户都选择最优于自己的策略，不存在各用户之间强制按照某一 协议执行，因此本文提出的基于代价函数的功率控制算法也是非合作博弈。 在非合作博弈中，根据博弈者和其他博弈的各种特征信息的差异，博弈可以 分为完全信息博弈和不完全信息溥弈。解决博弈论问题所采取的方案策略就是纳 什均衡。纳什均衡( n a s he q u i l i b r i u m ) 是一种策略组合，该组合体现了决策者之 间相互利益争夺的最优化，即每个博弈者的策略对其他博弈者策略的反应都是最 优的。博弈的目的，就是寻找这样一个整体最优化的策略组合，即纳什均衡，任 何博弈者都不能通过改变自己的策略而增加自身收益。在博弈模型中，对于某个 博弈方的策略组合( g ，) ，任何一个博弈方i 的策略满足 ( 研，。，g ，殴i ) ( s ：，$ 。，l ，) ，则策略( 研，) 称为博 弈的“纳什均衡”。 硕士学位论文 第二章功率控制相关技术的分析 纳什均衡是指在每个博弈方的行动策略所组成的策略空间中，其中每个博弈 方的策略都是针对其他任何博弈方的策略组合来制定的，该策略能够给博弈者带 来最大化的利益或期望利益，大于或者至少不会小于其它任何策略所带来的利 益，而且策略组合中任何一个博弈者私自改变其策略，都不会使其利益增加。 纳什均衡分析的关键问题是寻找博弈中的纳什均衡( g ，) ，即在博弈的 过程中，验证纳什均衡的存在，而且通过迭代方法论证均衡点的唯一性。纳什定 理的严格证明需要借用不动点理论，不动点理论是经济学研究的主要工具。一般 来说，寻找均衡点的存在性相当于寻找博弈的不动点。但是纳什均衡并不一定必 然存在，而且就算存在也可能不是唯一的。纳什均衡点为博弈论提供了非常重要 的分析方法，使任何博弈者单方面改变策略都无法获取额外的效用。 2 3 2 净收益函数 在博弈理论中，收益函数和代价函数二者之差构成了博弈者的净收益函数。 在移