（交通信息工程及控制专业论文）蜂窝移动通信分布式功率控制及其性能分析.pdf

西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 摘要 在蜂窝移动通信系统中，功率控制是最重要的系统要素之一。对 f d m a t d m a 系统，它的主要作用是减少共信道干扰，提供“更紧密”的频率 资源复用，从而提高系统容量。在c d m a 系统中，为了有效地解决“远一近” 效应和小区边缘问题，功率控制对c d m a 系统显得尤为重要。没有功率控制， c d m a 系统的容量甚至会低于f d m a 系统。另外，从经济的角度考虑，功率 控制还能最大限度地降低移动台发射功率，从而延长移动台电池使用寿命。本 论文针对蜂窝移动通信系统的分布式功率控制以及在采用功率控制后系统的性 能进行了深入地研究。 分布式功率控制算法在实际系统中应用时，存在着诸如时延和信号测量困 难等我们所不希望的问题。因此提高分布式功率控制算法的迭代速度一直是研 究人员关注的焦点。首先，本论文提出了一种适合于f d m a 或t d m a 蜂窝移 动通信系统的基于信干比( s 瓜) 平衡的新型分布式功率控制算法。研究结果 表明，无论是一维蜂窝系统还是二维蜂窝系统，它都大大地减少了迭代步数， 从而使迭代速度明显提高。 3 g 和未来的4 g 移动通信系统将提供诸如高速数据、视频、高质量图像传 输等宽带数据业务。这些服务大多数是下行传输，从而使下行链路的功率控制 与上行链路的功率控制变得同样重要。本文针对o v s f c d m a 和m c c d m a 蜂窝通信系统的下行链路，提出了一种基于贪心算法的速率分配方案，并从理 论上证明了该方案能够以最小的基站总发射功率提供最大的系统吞吐率。在此 基础上，提出了一种适合于蜂窝通信的分布式联合功率和速率控制方案。研究 结果表明，实际系统中轻负荷和重负荷时系统的稳态发射功率受正交化因子影 响很小，但在中负荷情况下，系统的稳态发射功率随正交化因子增大而显著上 升。研究还表明，轻负荷时每个用户都可以最高数据速率传输数据，而在中负 荷和重负荷情况下，用户的平均数据传输速率会随着正交化因子的增大而很快 下降。 在c d m a 系统中，为了能够得到更好的网络容量，联合功率和速率控制受 到了广泛的关注。但目前发表的文献中，很难兼顾语音和数据用户各自的特点。 所以本文针对综合语音和数据业务的c d m a 蜂窝系统的上行链路，提出了四种 基于业务优先级的联合功率和数据速率控制算法并仿真了它们的性能。这四种 第1 i 页西南交通大学博士研究生学位论文 算法为：p b c p r c ( 基于优先级的联合功率和速率控制) 方案，p b s p c 方案( 基 于优先级的选择性功率控制) ，s i r p b c p r c 方案( 基于s i r 和业务优先级的联 合功率和速率控制方案) 和改进的s i r p b c p r c 方案。它们的共同特点是：在 进行资源分配时考虑了语音业务的实时性，给予语音用户更高的优先级。仿真 表明，与不区分优先级的相应方案相比，本文提出的这四种方案都大大降低了 语音业务的中断概率( 甚至到o ) ，而代价是数据用户传输速率的降低。同时， 本文还对这四种算法进行了综合评价：从各种性能综合考虑，当系统重负荷时， 改进的s i r p b c p r c 方案应该是这四种方案中最佳的选择。 功率控制对c d m a 系统的容量有很大影响。本文研究了在瑞利衰落和非理 想功控条件下采用最大比合并的r a k e 接收机的o v s f - - c d m a 多业务系统的 容量，针对国外某刊物论文存在的问题给出了正确的数值结果。并对最佳接收 功率比的取值为定值的数值结果给予了理论说明。 从理论上研究了多速率单小区c d m a 系统的上行链路在a w g n 环境下采 用线性串行干扰消除s i c 接收机的性能。对传统单用户接收机双速率系统，线 性s i c 双速率系统以及理想s i c 双速率系统的容量极限给出了闭合表达式。 关键词：蜂窝移动通信；c d m a ；分布式功率控制；联合功率和速率控制； 串行干扰消除 西南交通大学博士研究生学位论文第1 li 页 a b s t r a c t f o rc e l l u l a rm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s p o w e rc o n t r o li so n eo ft h em o s t e s s e n t i a le l e m e n t s f o rf d m a t d m as y s t e m s i ti su s e dt or e d u c ec o - c h a n n e l i n t e r f e r e n c e ，a l l o w i n gam o r e d e n s e r e u s eo ff r e q u e n c yr e s o u r c e sa n d t h u sh i g h e r c a p a c i t y f o rc d 从s y s t e m s i no r d e rt oe f f e c t i v e l ys o l v et h en e a r f a re f f e c ta n dt h e c o m e rp r o b l e m s ，p o w e rc o n t r o li se s p e c i a l l yi m p o r t a n t i nt h ea b s e n c eo fp o w e r c o n t r 0 1 t h ec a p a c i t vo fc d m a s y s t e m si sv e r yl o w , e v e nl o w e rt h a nt h a to fm o b i l e s y s t e m s b a s e d o n f d m a t e c h n o l o g y o n e o f t h er e a s o n s f o r t h e b s e o f p o w e r c o n t r o l b o t hi nf d m a ，t d m aa n di nc d m as y s t e m si st op r o l o n gb a t t e r yl i f eo ft h e m o b i l e sb yu s i n gam i n i m u mt r a n s m i s s i o np o w e r i nt h i st h e s i s ，d i s t r i b u t e dp o w e r c o n t r o lo ft h ec e l l u l a rm o b i l es y s t e m sa n dt h es y s t e mp e r f o r m a n c ea d o p t i n gp o w e r c o n t r o la r ea n a l y z e di nd e t a i l s s o m ep r o b l e m ss u c ha st i m e d e l a ya n ds i g n a lm e a s u r e m e n td i f f i c u l te x i s tw h e n d i s t r i b u t e dp o w e rc o n t r o ls c h e m e sa r ea p p l i e dt ot h ep r a c t i c a lc e l l u l a rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s t h e r e b yi m p r o v i n g t h ei t e r a t i o ns p e e do fd i s t r i b u t e dp o w e r c o n t r o is c h e m e si st h ef o c u st h er e s e a r c h e r sc o n c e r n e d f i r s t l y , ah o v e ls i r - b a s e d d i s t r i b u t e dp o w e rc o n t r o ls c h e m ef i t t e df o rf d m ao rt d m a s y s t e m si sd e v e l o p e d i 1 1t h i st h e s i s a n a l y s i sr e s u i t ss h o wt h a tt h ei t e r a t i o ns p e e dc a nb ei m p r o v e d s i g n i f i c a n t l yw i t ht h ep r o p o s e ds c h e m e e i t h e rf o r1 - do rf o r2 - dc e l l u l a rs y s t e m s i t i sf o r e s e e nt h a tt h e3 ga n d4 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sw i l lp r o v i d e w i d e b a n ds e r v i c e ss u c ha sh i 曲s p e e dd a t a , v i d e oa n dh i g hq u a l i t yi m a g e s ，a n dm o s t o ft l l e s es e r v i c e sw i l lb ep r o v i d e dt h r o u g hd o w n l i n kt r a n s m i s s i o n , w h i c hm a k e st h e d o w n l i n kp o w e rc o n t r o la si m p o r t a n ta st h eu p l i n kp o w e rc o n t r 0 1 i nt h i st h e s i s ，f o r t h ed o w n l i n ko fo v s f c d m aa n dm c c d m ac e l l u l a rs y s t e m s ar a t ea s s i g n m e n t a l g o r i t h m ，i e g r s ( g r e e d yr a t es c h e d u l i n g ) s c h e m e ，i sp r o p o s e d i t i sp r o v e dt h a t t h eg r sc a nm a x i m i z es y s t e mt h r o u g h p u tw h i l es i m u l t a n e o u s l ym i n i m i z i n gt h e t r a n s m i s s i o np o w e r s b a s e do nt h eg r s ，ad i s t r i b u t e dc o m b i n e dp o w e ra n dr a t e c o n t r o ia l g o r i t h mi sp r o p o s e d a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ti nt h e p r a c t i c a lc e l l u l a rs y s t e m s ，t h es t e a d yt r a n s m i s s i o np o w e ri s l i t t l ea f f e c t e db yt h e o r t h o g o n a l i z e df a c t o ru n d e rl i g h ta n dh e a v y l o a d h o w e v e r , u n d e rt h em i d d l et r a f f i c l o a d , t h es t e a d yt r a n s m i s s i o np o w e ri n c r e a s e sn o t a b l yw i t ht h ei n c r e a s eo ft h e o r t h o g o n a l i z e df a c t o r a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t e a c hu s e rc a n 第1 v 页西南交通大学博士研究生学位论文 t r a n s m i td a t aw i t hi t sh i g h e s td a t ar a t eu n d e rl i g h t1 0 a d , b u tu n d e rm i d d l ea n dh e a v y t r a f f i c1 0 a d , t h ea v e r a g ed a t ar a t ew i l ld e c r e a s er a p i d l yw i t ht h ei n c r e a s eo ft h e o r t h o g o n a l i z e df a c t o r f o rc d m as y s t e m s ，i no r d e rt oa c h i e v eh i g h e rc a p a c i t y , c o m b i n e dp o w e ra n d r a t ec o n t r o lh a sb e e ne x t e n s i v e l yi n v e s t i g a t e d i ng e n e r a l ，i ti sd i f f i c u l tt oc o n s i d e r s i m u l t a n e o u s l yt h es p e c i f i cc h a r a c t e r i s t i c so fv o i c ea n dd a t au s a r sa sc a nb es e e n f r o mt h ep u b l i s h e dl i t e r a t u r e s i nt h i st h e s i s ，f o u rp r i o r i t y b a s e dc o m b i n e dp o w e ra n d r a t ec o n t r o la l g o r i t h m sa r ep r o p o s e df o rt h eu p l i n ko fc e l l u l a rs y s t e mw i t hi n t e g r a t e d v o i c ea n dd a t at r a f f i c t h ef o u ra l g o r i t h m sa r e ：p b c p r c ( p r i o r i t y - b a s e dc o m b i n e d p o w e ra n dr a t ec o n t r 0 1 ) ，p b s p c ( p r i o r i t y b a s e ds e l e c t i v ep o w e rc o n t r 0 1 ) ， s i r p b c p r c ( s i ra n dp r i o r i t y b a s e dc o m b i n e dp o w e ra n dr a t ec o n t r 0 1 ) a n d i m p r o v e ds i r p b c p r c t h e i rc o m m o nc h a r a c t e r i s t i ci st h a t ，w h e na l l o c a t i n gs y s t e m r e s o u r c e s ，a l lv o i c eu s e r sa r ea s s i g n e dh i g h e rp r i o r i t yb a s e do nt h er e a l t i m e c h a r a c t e r i s t i c so fv o i c es e r v i c e s i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a t ，c o m p a r e dw i t h t h ec o r r e s p o n d i n gs c h e m e sw i t h o u tp r i o r i t y , t h ef o u r p r o p o s e dp r i o r i t y b a s e d s c h e m e sm a k et h eo u t a g e so f v o i c eu s e r sm u c hl o w e r ( e v e nn e a rt oz e r o ) a tt h e c o s to ft r a n s m i s s i o nd a t ar a t e s a tt h es a m et i m e ，o u rc o m p r e h e n s i v ea s s e s s m e n t s h o w st h a t ，c o n s i d e r i n gd i f f e r e n tp e r f o r m a n c em e a s u r e s ，t h ei m p r o v e ds i r p b c p r c a l g o r i t h mi st h eb e s tu n d e rh e a v yl o a d p o w e rc o n t r o lh a sac r u c i a li m p a c to nt h ec a p a c i t yo fc d m a s y s t e m s i nt h i s t h e s i s ，t h ec a p a c i t yo faw i d e b a n dm u l t i r a t eo v s f - c d m as y s t e ma d o p t i n gm r c r a k er e c e i v e ri nt h ep r e s e n c eo ff a d i n ga n dp o w e r - c o n t r o le r r o ri sa n a l y z e d t h e c o r r e c t e dn u m e r i c a lr e s u l t sa r eg i v e n ，w i t hr e s p e c tt ot h en o n t r i v i a le r r o r sf o u n di na p a p e rp u b l i s h e db ya ni n t e r n a t i o n a lj o u r n a la b r o a d m o r ei m p o r t a n t ，t h e o r e t i c a l p r o v e n a n c e i s g i v e n t o e x p l a i n t h e p h e n o m e n o n t h a tt h e o p t i m a l r e c e i v e d - p o w e r - r a t i oi saf i x e dv a l u ei nt h ec o r r e c t e dn u m e r i c a lr e s u l t s i nt h i st h e s i s ，f o rt h eu p l i n ko fa s i n g l ec e l lm u l t i r a t ec d m as y s t e m ，t h e p e r f o r m a n c eo fal i n e a rs i c ( s u c c e s s i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n )r e c e i v e ri s a n a l y z e d t h ec a p a c i t yl i m i t so fac o n v e n t i o n a ls i n g l e - u s e rd e t e c t i o nr e c e i v e r , a s y s t e mw i m l i n e a rs i cr e c e i v e r a n das y s t e mw i m p e r f e c ts i cr e c e i v e ra r ed e r i v e d i nc l o s e df o r mf o ra na d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e( a w g n )c h a n n e l k e y w o r d s ：c e l l u l a rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ；c d m a ；d i s t r i b u t e dp o w e rc o n t r o l ； c o m b i n e dp o w e ra n dr a t ec o n t r o l ；s i c 第v i ii 页西南交通大学博士研究生学位论文 图表察引 图1 1 蜂窝移动通信信道传播模型3 图1 - 2 功率控制算法类型4 图1 - 3c d m a 上行链路功率控制原理图7 图1 - 4c d m a 下行链路功率控制原理图8 图2 1 一维f d m a 或t d m a 蜂窝系统( 7 小区频率复用) 一1 9 图2 2 二维f d m a 或t d m a 蜂窝系统( 7 小区频率复用) 1 9 图2 - 3 一维f o s c h i n i s 功率控制( 即本章护1 0 时的功率控制) 2 0 图2 4 一维l e e sp p c ( 0 1 ) 2 1 图2 5 一维本章功率控制算法( l = 0 7 ) 2 1 图3 1o v s f 码树2 5 图3 2 单小区g r s 和正交化因子0 变化时多小区g r s 的基站平均发射功率 与迭代次数的关系3 5 图3 3 单小区g r s 和正交化因子0 变化时多小区g r s 的用户平均数据速 率与迭代次数的关系3 5 图3 4 轻负荷情况下，单小区g r s 和正交化因子0 变化时多小区g r s 的基 站平均发射功率与迭代次数的关系3 6 图3 5 中负荷情况下，单小区g r s 和正交化因子0 变化时多小区g r s 的 基站平均发射功率与迭代次数的关系3 6 图3 - 6 重负荷情况下，单小区g r s 和正交化因子0 变化时多小区g r s 的 3 6 基站平均发射功率与迭代次数的关系3 6 图4 1 系统不同负荷时p b c p r c 和n p c p r c 语音用户的平均功率4 3 图4 2 系统不同负荷时p b c p r c 和n p c p r c 数据用户的平均功率4 4 图4 3 系统不同负荷时p b c p r c 和n p c p r c 语音用户的中断概率4 4 图4 - 4 系统不同负荷时p b c p r c 和n p c p r c 数据用户的平均速率4 5 图4 5 系统不同负荷时p b s p c 和n p s p c 语音用户的平均功率4 7 图4 6 系统不同负荷时p b s p c 和n p s p c 数据用户的平均功率4 8 图4 7 系统不同负荷时p b s p c 和n p s p c 语音用户的中断概率4 8 图4 8 系统不同负荷时p b s p c 和n p s p c 数据用户的平均速率4 9 图4 9 系统不同负荷时p b c p r c 和p b s p c 语音用户的平均功率5 0 图4 1 0 系统不同负荷时p b c p r c 和p b s p c 数据用户的平均功率5 0 图4 1 1 系统不同负荷时p b c p r c 和p b s p c 语音用户的中断概率5 l 图4 1 2 系统不同负荷时p b c p r c 和p b s p c 数据用户的平均速率5 l 图4 1 3 基于s i r 和业务优先级的分布式联合功率和速率控制流程图5 3 图4 1 4 改进的基于s i r 和业务优先级的分布式联合功率和速率控制流程图 5 z l 图4 1 5 轻负荷时s i r p b c p r c 、改进的s 1 r p b c p r c 和s p c 下语音用户平 西南交通大学博士研究生学位论文第1x 页 均发射功率5 5 图4 1 6 轻负荷时s i r p b c p r c 、改进的s i r p b c p r c 和s p c 下数据用户平 均发射功率5 6 图4 1 7 轻负荷时s i r p b c p r c 、改进的s i r p b c p r c 和s p c 下数据用户平 均数据速率5 6 图4 1 8 轻负荷时s 1 r p b c p r c 、改进的s i r p b c p r c 和s p c 下语音用户中 断概率5 6 图4 1 9 重负荷时s i r p b c p r c 、改进的s i r p b c p r c 和s p c 下语音用户平 均发射功率5 7 图4 2 0 重负荷时s i r p b c p r c 、改进的s i r p b c p r c 和s p c 下数据用户平 均发射功率5 8 图4 2 1 重负荷时s i r p b c p r c 、改进的s i r p b c p r c 和s p c 下数据用户平 均数据速率5 8 图5 1 由1 9 个正六边形小区组成的蜂窝c d m a 系统( 阴影部分为一个扇 区) 6 2 图5 - 2r a k e 接收机原理6 3 图5 3l = 4 ，p e 分别为l ，1 5 和2 d b 时语音用户数目随比值s 偈的变化 曲线( 数据用户数目为2 ，实线为修正后的结果，虚线为文献 8 8 】的结 ! 襄) 71 图5 - 4p e = i 5 d b ，l 分别为3 ，4 和5 时语音用户数目随比值s ys l 的变化 曲线( 数据用户数目为2 ，实线为修正后的结果，虚线为文献 8 8 】的结 果) 7 2 图5 5p e = i o d b ，l 分别为3 ，4 ，5 ，6 ，7 和8 时语音用户数目与数据用 户数目之间的关系( 剐& ：例& ) o p t ，实线为本文结果，虚线为文献 8 s 1 的结果) ，7 2 图5 6l 分别为4 和6 ，p e 分别为l 和1 5 d b 时语音用户数目与数据用户 数目之间的关系( & s l = ( s 1 ) o p t ，实线为本文结果，虚线为文献【8 8 】 的结果) 7 3 图5 7 语音用户容量与s 墨之间的关系( l l ：基于p l 的语音用户数目； 1 2 基于p 2 的语音用户数目；肌：语音用户容量) 7 5 图6 1s i c 接收机模型7 8 图6 2 串行干扰消除方案流程7 9 图6 3 系统容纳的最大低速率用户数目与高速用户数目的关系 ( 扎= 6 d b ，y r = 8 c l b , n l = 6 4 , n h = 1 6 ，同步系统，随机相位) 8 4 图6 - 4 系统容纳的最大低速率用户数目与低速率用户目标s i n r 的关系 ( k n = 3 ，7 n = 8 d b , n l = 6 4 , n n = 1 6 ，同步系统，随机相位) 。8 5 图6 5 系统容纳的最大低速率用户数目与低速率用户扩频因子的关系 第x 页西南交通大学博士研究生学位论文 ( y l = 6 d b ，y 旷8 d b ，k 旷3 ，旷1 6 ，同步系统，随机相位) 8 5 图6 - 6 归一化功率与低速率用户序号之间的关系 ( y l = 6 d b ，y , , c = 8 d b ， n l = 6 4 ，n u = 1 6 ，k h = 3 ，同步系统，随机相位) 8 6 图6 7 归一化功率与系统中低速率用户数目之间的关系( t l = 6 d b ，) , u = 8 d b ， n l = 6 4 ，n t ，= 1 6 k h = 3 ，k l - - - - 2 0 ，同步系统，随机相位) 8 6 表2 1 一维系统l o 种随机环境下功率控制算法的迭代次数2 2 表2 2 二维系统l o 种随机环境下功率控制算法的迭代次数2 2 表3 - l 仿真参数3 4 表4 1 重负荷情况下系统平衡时p b c p r c 和n p c p r c 性能比较4 5 表4 2 系统重负荷情况下迭代次数为4 0 时p b s p c 和n p s p c 性能比较4 9 表4 3 系统重负荷情况下迭代次数为4 0 时p b s p c 和p b c p r c 性能比较 ! ；：! 表5 1 系统参数7 0 西南交通大学博士研究生学位论文第xi 页 符号和缩略词表 s 己信干比b e r误码率 f e r 误比特率q o s服务质量 f d m a频分多址t d m a时分多址 c d m a码分多址0 f d m 正交频分复用 c p r c 联合功率和速率p b c p r c基于优先级的联合功率和 控制速率控制 p b s p c基于优先级的选s t p b c p r c基于s i r 和优先级的联合 择性功率控制功率和速率控制 n p c p r c无优先级的联合n p s p c无优先级的选择性功率控 功率和速率控制制 m a i多址干扰m u d多用户接收机 s i c串行干扰消除o v s f c d m a正交可变扩频增益码分多 址 m c c d m a多码码分多址g r s贪心速率分配 e g c等增益合并m r c最大比合并 f d d频分双工t d d 时分双工 s i n r 信号干扰噪声比 西南交通大学曲南父迥大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密，适用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：；戳菜指导教师签名：彩压 日期： 妒。7 年；月力日日期：如刁年弓月z 日 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究作过贡献的个人和集体，均 已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要仓新点如下； 提出了一种适合于f d m a 或t d m a 蜂窝通信系统的新型分布式功率 控制算法，该算法是一种信干比平衡算法。研究表明，无论是一维蜂 窝系统还是二维蜂窝系统，它都大大减少了迭代步数，从而使迭代速 度迅速提高。( 第2 章) 针对o v s f c d m a 和m c - c d m a 蜂窝通信系统的下行链路，提出了 一种基于贪心算法的联合功率和速率控制方案。研究结果表明，实际 蜂窝通信系统中轻负荷和重负荷时系统的稳态发射功率受正交化因子 影响很小，但在中负荷情况下，系统的稳态发射功率随正交化因子增 大而显著上升。仿真还表明，轻负荷时每个用户都能够以最高数据速 率传输数据，而在中负荷和重负荷情况下，用户的平均数据传输速率 会随着正交化因子的增大而很快下降。( 第3 章) 针对综合语音和数据业务的c d m a 蜂窝系统的上行链路，提出了四种 基于业务优先级的联合功率和数据速率控制算法。这四种算法分别是： p b c p r c ( 基于优先级的联合功率和速率控制) 方案，p b s p c 方案( 基 于优先级的选择性功率控制) ，s 心b c p r c 方案( 基于s 瓜和业务优 先级的联合功率和速率控制方案) 和改进的s 瓜p b c p r c 方案，它们 的共同特点是：在进行资源分配时考虑了语音业务的实时性，给予语 音用户更高的优先级。研究表明，这四种方案的语音业务中断概率都 优于没有优先级的方案，代价是数据用户传输速率的降低。而当系统 重负荷时，改进的s 啦b c p r c 方案最佳( 第4 章) 研究了在瑞利衰落和非理想功控条件下采用o v s f 码扩频的宽带多业 务c d m a 系统的容量，针对国外某刊物论文存在的问题给出了正确的 数值结果。并对最佳接收功率比的取值为定值的数值结果给予了理论 说明。( 第5 章) 从理论上研究了多速率单小区c d m a 系统的上行链路在a w g n 环境 下采用线性s i c 接收机的性能。对传统单用户接收机双速率系统，线 性串行干扰清除( s l c ) 双速率系统以及理想s i c 双速率系统的容量极 限给出了闭合表达式。( 第6 章) 学位论文作者签名：；长搀莱 日期：必。7 年多月 西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 蜂窝移动通信系统与功率控制的必要性 移动通信是指通信双方或至少有一方处于移动状态的通信c i 卅。早期移动通 信系统采用大区制，它由一个基站覆盖一个较大的服务区。这种系统的网络结 构简单，不需要无线交换，而是直接与市话交换局相连，移动用户可经市话交 换局与市话用户通信。但为了避免相互干扰，大区制个服务区内的频率不能 重复使用。因此，大区制的频谱利用率和系统容量都受到很大限制。 为了提高覆盖区域内的系统容量和有效利用频谱资源，2 0 世纪6 0 年代末， 美国贝尔实验室提出了蜂窝系统的概念和理论。蜂窝移动通信概念的提出，开 辟了频谱资源在地域上重复利用的新途径，使公用陆地移动通信系统( p l m t s ) 的发展成为可能。随着电子技术的发展，从2 0 世纪8 0 年代初开始，蜂窝移动 通信系统进入实用化。 第一代蜂窝移动通信系统是模拟移动通信系统，利用模拟传输方式实现语 音业务，包括美国的a m p s ( 先进的移动电话业务) 、日本的n t t ( 日本电话 和电报) 、斯堪的纳维亚的n m t ( 北欧移动电话) 以及英国的t a c s ( 全接入 通信系统) 等。 第二代蜂窝移动通信系统是数字蜂窝移动通信系统，于2 0 世纪9 0 年代初 实现商业化。它们利用数字传输方式实现语音和低码率数据业务，其容量和频 谱利用率高于第一代。g s m ( 全球移动通信系统) 、p d c ( 个人数字蜂窝) 、i s 1 3 6 ( d a m p s ) 以及i s 9 5 ( u sc d m a ) 都属于第二代系统。 2 1 世纪是信息时代，因特网在全球产生了爆炸性的大发展，数据的传输将 很快超过语音数字通信，然而第二代蜂窝移动通信不具有高速率数据通信的能 力，因此，美国、欧洲、日本、韩国和我国都提出了被人们称之为第三代( 3 g ) 的蜂窝移动通信系统的技术标准。3 g 采用更新颖、更复杂的技术，以实现更大 的通信容量、更高的数据传输速率和多媒体综合业务服务。3 g 的期望是：全球 统一的标准，增加分组交换业务，增加非对称传输模式，更大的信道容量，加 强数据处理能力，更好的传输质量，提高终端电池使用寿命，具有多媒体传输 能力，更高的频谱效率等。 虽然第三代移动通信系统的目标之一是形成统一的标准，但由于各国投资 第2 页西南交通大学博士研究生学位论文 者和经营者的左右，结果并不十分令人满意。最终，3 g 形成了多种制式并存的 局面。随着人们生活、工作空间的日益扩大，不能充分满足人们各方面的需要， 于是，4 g 出现了。4 g 是多功能集成的宽带移动通信系统，在业务上、功能上、 频带上都与3 g 不同，比3 g 更接近于个人通信。目前，世界发达国家都正在积 极进行4 g 技术规范的研究制定，以期在全球4 g 规格制定中享有发言权。我国 也在4 g 领域取得了较大成果。 在某一地区( 空间) 使用了某一频率后，只要能控制电波辐射的方向和功 率，在相隔一定距离的另一地区可以重复利用这一频率，这就是频率复用。蜂 窝移动通信网就是根据这一概念组成的。在频率复用的情况下，会有若干电台 使用同一频率。虽然他们工作在不同的空间，但由于相隔距离有限，仍会有相 互之间的干扰，称为共信道干扰。这种由于频率复用产生的共信道干扰是制约 蜂窝移动通信系统容量的最重要的因素。为了减少共信道干扰，可以采取很多 措施，比如利用高效的调制和编码方案使用户能忍受更低的信干比，采用高效 的小区规划减小干扰，采用动态信道分配甚至动态小区规划等，除上述几种方 案之外，对一种给定的信道分配方案进行传输功率控制也是降低共信道干扰的 有效方法之一。 在蜂窝移动通信系统中，功率控制是最重要的系统要素之。 对f d m a ( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s 。频分多址) 和t d m a ( t i m e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s , 时分多址) 系统，它的主要作用是减少共信道干扰， 提供“更紧密”的频率资源复用，从而提高系统容量【7 b j 。 对于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 ，码分多址) 系统【“的上行 链路，所有用户使用相同的频带同时发送信息，彼此之间相互干扰。如果同一 小区移动用户的发射功率相同，因为传播路径的不同，基站接收到的靠近基站 的用户发送的信息将比在小区边缘用户发射的信号的强度高，因此远端的用户 信号被近端的用户信号覆盖。这种传播现象称为“远一近”效应【2 3 1 1 5 1 1 6 】。 对于c d m a 系统的下行链路，如果采用大区制，比如卫星通信系统，不需 要采用功率控制。但如果采用小区制，由于移动台进入小区边缘地区时，受到 其他小区的干扰大大增强，尤其是移动台在此地区慢移动，由于深度瑞利衰落 的影响，差错编码和交织编码等抗衰落措施不能有效地消除其他小区信号对它 的干扰，这就是小区“边缘问题” 6 3 , 1 1 3 , 1 1 4 j 。 为了有效解决“远一近”效应和小区边缘问题，功率控制对c d m a 系统显 得尤为重要，没有功率控制，c d m a 系统的容量甚至会低于f d m a 系统。 随着移动通信的发展，系统可以提供的业务不断增强，因此移动台和基站 西南交通大学垮士研究生学位论文第3 页 所消耗的功率会大幅度增加。对基站来说，功耗的增加不会对基站性能造成太 大影响，但对于移动台而言，由于移动台电池容量只能以每年3 0 的速度增长， 远远低于按照摩尔定律发展的硬件技术的发展速度，所以功耗的增加会极大地 降低移动台电池使用寿命，影响系统稳定性。因此，从经济的角度考虑，功率 控制能够降低移动台的发射功率，从而延长移动台电池使用寿命。 1 2 蜂窝移动通信功率控制基本原理 蜂窝移动通信系统的传播模型如图1 1 所示，图中b s 为基站，