（通信与信息系统专业论文）cdma系统中的功率控制策略研究.pdf

论文题目： 学科专业： 研究生： 指导教师： c d m a 系统中的功率控制策略研究 通信与信息系统 叶嘉鲁签名：时嘉笔 李福德副教授签名：力鲁烈舂 摘要 在c d m a 移动通信系统中，所有移动台共用一个载波频率，近地强信号抑制远地弱 信号的可能性很大，产生所谓的“远近效应”；另一方面c d m a 系统是干扰受限系统，干 扰的大小严重影响系统容量和通信质量。功率控制是c d m a 中的关键技术之一，其主要 目的就是克服远近效应，减少干扰确保c d m a 系统的通信质量和增大系统的容量。 本文研究c d m a 蜂窝移动通信系统中上行链路功率控制算法中的有关问题，主要进 行了以下几方面的研究： ( 1 ) 系统地归纳总结了功率控制算法的基本理论，在此基础上，借助数值分析和矩 阵计算的理论，深入分析了线性分布式迭代功率控制算法和指数型分布式迭代功率控制算 法，详细研究了算法的收敛性和收敛速度。 ( 2 ) 把博弈论引入功率控制策略中，基于一定的数学分析提出了一个新的代价函数， 推导出了基于博弈论的新的功率控制算法，并证明了在这样一个非合作博弈中纳什均衡的 唯一存在性。通过仿真实验将这种新的功率控制算法的性能与传统分布式功率控制算法 ( d c p c ) 的性能作了比较。可以发现本文提出的方法极大地提高了算法的收敛速度，降 低了用户的平均发射功率，有很大的实用价值。 研究了博弈中用户的不同判决顺序对功率控制结果的影响，比较了同时决策博弈和序 贯决策博弈下功率控制算法的收敛速度等关键性能。 ( 3 ) 在3 g 系统中，仅采用功率控制难以满足系统性能的要求。所以本文又研究了 功率和速率联合控制问题。对多速率技术中的可变扩频增益方案进行了研究，基于博弈论 提出了使用户吞吐量最大化的功率速率联合控制方案，各个用户根据其无线传输环境确定 数据传输速率和信号发射功率。仿真结果表明，该方法可以使用户在满足服务质量要求的 情况下，保持较高的传输速率，有效地分配了系统的无线资源。 关键词：c d m a ：功率控制；博弈论；功率速率联合控制 a b s t r a c t 1 1 t i e ：t h er e s e a r c ho np o w e rc o n t r o ls t r a t e g yf o rc d m a c o m m u n i c a t l o ns y s t e m s m a j o r ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m s n a m e ：j i a l uy e s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f f u d eu a b s t r a c t s i g n a t u r e ：】；g 么鱼： s i g n a t u r e ：丝! 厶垒 i nc d m am o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m a m o b i l es t a t i o n ss h a r eas a m ec a l t i e rf f e q u e n c y i ti sp o s s i b l et h a ts i g n a lo fs t r o n gn e a rs i g n a li n t e r f e r ew e a kd i s t a n c es i g n a l a tt h es a m et i m e , i n t e r f e r ed e t e r m i n et h ec a p a c i t yo fc d m aa n dq o s 1 1 l ep u r p o s eo fp o w e rc o n t r o li st oc o m b a t t h e “n e a r - f a r e f f e c t ，s 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 di n c r e a s et h es y s t e mc a p a c i t y i ti so n e o f t h ek e y t e c h n o t o g i e si nc d m a s y s t e m t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l ys t u d i e dt h eu p l i n kp o w e rc o n t r o la l g o r i t h mi nt h ec d m am o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m 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 sf o l l o w s ( 1 ) b a s eo nt h et h e o r ya n dk n o w l e d g eo fn u m e r i c a ll i n e a ra l g e b r aa n dm a t r i x ，l i n e a ra n d e x p o n e n t i a ld i s t r i b u t e d i t e r a t i v ep o w e rc o n t r o la l g o r i t h m sa r c a n a l y z e d i nd e t a i l 1 1 l e c o n v e r g e n c ea n dc o n v e r g e n c e r a t eo f a l g o r i t h m si ss t u d i e d ( 2 ) i nr e c e n ty e a r s g a m et h e o r yh a se m e r g e da sap r o m i s e da p p r o a c ht os o l v et h ep o w e r c o n t r o lp r o b l e mi nw i r e l e s sn e t w o r k s e x t e n dt h er e s e a r c ho fg a m et h e o r e t i ca n a l y s i st op r o p o s e ac o s tf u n c t i o na n dd e d u c tan e wp o w e rc o n t r o la l g o r i t h m ，v e r i f yt h ee x i s t e n c eo fn a s h e q u i l i b r i u m 呷) n ec o m p a r i s o no ft h i sk i n do fn e wp o w e rc o n t r o la l g o r i t h ma n dd c p c i s m a d eb ys i m u l a t i o n w em a yd i s c o v e rt h ep r o p o s e dm e t h o de n h a n c et h ea l g o r i t h mc o n v e r g e n c e r a t ee n o r m o u s l y , r e d u c et h eu s e ra v e r a g et r a n s m i t t e dp o w e r , h a sv e r yg r e a tp r a c t i c a lv a l u e d e c i s i o nm e c h a n i s mi n f l u e n c e st h eg a m er e s u l t w em a d ec o m p a r i s o no fa l t e r n a t e d e c i s i o nm e c h a n i s ma n ds i m u l t a n e o u sd e c i s i o nm e c h a n i s m s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e r a t eo fc o n v e r g e n c eu s i n ga l t e r n a t ed e c i s i o nm e c h a n i s mi so b v i o u s l yh i g h e rt h a nt h a tu s i n g s i m u l t a n e o u sd e c i s i o nm e c h a n i s m t h u sa l t e r n a t ed e c i s i o nm e c h a n i s mc o u l di m p r o v es y s t e m p e r f o r m a n c e ( 3 ) i nt h et h i r dg e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s 。u n i t a r yp o w e rc o n t r o lm e t h o dc a nn o t s a t i s f yt h ep e r f o r m a n c eo fc d m as y s t e m c o m b i n e dp o w e ra n dr a t ec o n t r o li sb e c o m i n gah o t t o p i c i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，o v s fi nm u l t i - r a t et r a n s m i s s i o ni sp r e s e n t e d i nv a r i a b l es p r e a d i n g m 西安理工大学硕士学位论文 g a i nc d m as y s t e m ，u s e r sc o l l e c ta p p r o p r i a t ep o w e ra n dt r a n s m i s s i o n r a t ea c c o r d i n gt h e p r o m u l g a t es i t u a t i o n w ea p p l yg a m et h e o r yt oc o l l e c tp o w e ra n dr a t ec o n t r o lt om a x i m i z e u s c r s n e tt h r o u g h p u t s i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a tr a d i or e s o u r c ei sa s s i g n e de f f e c t i v e l yi nt h i s w a y a n d u s e r s s a t i s f yq o sr e q u i r e m e n ta n dk c 印h i g ht r a n s m i t r a t e k e y w o r d s ：c d m a ；p o w e rc o n t r o l ；g a m et h e o r y ；i n t e g r a t e dp o w e ra n dr a t ec o n t r o l i v 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：咀羔薹刃年牛月1 日 学位论文使用授权声明 本人堕垄墼在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，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；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：盟基蠡导师签名：塑塑查抄7 年尹月，日 绪论 1 绪论 1 1 课题的研究背景和意义 1 1 1 移动通信系统概述 随着人们对移动通信业务需求的不断增长，在电子、计算机以及现代数字信号处理技 术等其他相关领域飞速发展的推动下，移动通信在经历了第一代模拟蜂窝系统，第二代基 于t d m a 和窄带c d m a 的数字蜂窝系统市场的巨大成功之后，已经发展到了第三代移动 通信系统。第三代移动通信系统是按照国际电信联盟提出的i m t - - 2 0 0 0 标准进行设计的 新一代移动通信系统【“。 第一代移动通信系统以模拟调频、频分多址为主体技术，包括以蜂窝网系统为代表的 公用移动通信系统，以集群系统为代表的专用移动通信系统以及无绳电话。第一代模拟通 信系统的不足之处在于容量有限、标准不统一、制式太多、系统之间不兼容，不能提供自 动漫游、频谱利用率低、很难实现保密通信、通话质量一般、业务单一。不能提供数据业 务等【1 捌。 目前，第二代移动通信系统已经相当成熟，以数字传输、时分多址或码分多址为主体 技术，包括数字蜂窝系统、数字无绳电话和数字集群系统等。制式代表有欧洲的g s m ， 美国的i s 9 5 即窄带c d m a 系统，主要提供语音业务。第二代数字移动通信系统克服了 模拟移动通信系统的弱点，很大地提高了话音质量和保密性，并可以进行省内、省际自动 漫游。但由于第二代数字移动通信系统的带宽有限因而无法实现高速率业务，限制了数据 业务的发展。同时第二代移动通信标准为区域性的，全球不统一，无法进行全球漫游0 1 。 第三代移动通信系统是向未来个人通信演进的一个重要发展阶段。c d m a 从码分、 频分、时域三维利用频谱，抗干扰能力强，保密性能好，功率谱密度低，容易实现大容量 多址通信，可以精确定时与测距，这些独特的优点显示了其广阔的发展前景，成为第三代 移动通信系统的主要多址技术1 1 1 。目前有影响力的3 g 技术标准中( w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、 t d s c d m a ) ，都是以c d m a 为多址技术的。第三代移动通信系统基于全i p 网络，支持 更多的用户数量，提供更大的系统容量，不仅提供语音业务，也支持多媒体高速数据业务。 最高业务速率可以达到2 m b i t s 。第三代移动通信系统的设计目标是同时提供电路交换和 分组交换业务，实现全球无缝覆盖，支持全球漫游，支持i n t e r a c t 浏览和视频会议，具有 更高的频谱效率，能提供更大的系统容量，同时能和第二代移动通信系统保持良好的兼容 性，网络结构可配置成不同的形式，以适应各种服务需要，具有更高移动管理性，能保证 大量用户数据的存储、更新、交换和实时处理等【堋。 1 1 2c d m a 系统所面临的问题及解决方案 虽然在第三代移动通信系统中c d m a 是最具竞争力的多址技术，理论与实践都证明 c d m a 有着比f d m a 和t d m a 更好的性能，更能适应高速、高质量的通信，但它也有 西安理工大学硕士学位论文 一些与生俱来的缺陷。 与f d m a 和t d m a 相比，在c d m a 移动通信系统中，所有的用户均使用相同频段 的无线信道和相同的时隙，系统给每一用户分配一个唯一的码序列，并用它对承载信息的 信号进行编码。知道该码序列的用户接收机对收到的信号进行解码，恢复出原始数据。该 用户码序列与其它用户码序列是近似正交的，互相关很小。但互相关依然存在不能完全消 除，而且干扰会随着用户数和信号功率的增加而增大，再加上系统的非同步性，导致系统 在接收端收到的其他用户的信息经过与期望用户的扩频码相乘后，变为高频噪声，形成了 “多址干扰( m a r ) ”，或称多用户干扰1 3 1 。另外，无论是模拟频分多址，数字时分多址，还 是码分多址移动通信系统中，由于传输信号的强度随传输距离变大成指数衰减，不同移动 用户到基站的距离不同，若所有用户以相同的功率工作，则信号到达基站时的功率就不同， 距离近的用户信号强，距离远的用户信号弱，远处用户的弱信号会被近处用户的强信号淹 没，产生“以强压弱”的现象，使弱功率信号的性能下降，甚至用户不能工作，这就是所 谓的“远近效应”【3 1 。而在模拟频分多址和数字时分多址移动通信系统中，由于各信道使 用不同的频率或时隙，并且各信道之间有相应的保护带宽或保护时隙，远近效应问题不太 突h b l 6 1 。在下行链路中，当移动台位于相邻小区的交界处时，收到所属基站的有用信号功 率很低，同时还会受到相邻小区基站较强的干扰，这就是所谓的“角效应” 3 , 7 1 。同时电 波传播中由于大型建筑物的阻挡，形成阴影效应，产生了慢衰落【3 1 。这些现象将导致系统 容量的下降和实际通信服务范围的缩小。与f d m a 和t d m a 系统最大的不同就在于 c d m a 系统不是资源受限系统，而是干扰受限系统，干扰的大小严重影响系统容量和通 信质量，同时c d m a 是自干扰系统纠。 为了克服上述c d m a 系统的缺点，使系统处于最佳的运行状态、获得最佳的系统容 量，必须使用功率控制技术。功率控制技术是指基站和移动台的发射功率不像传统的那样 一直不变或分为几档，而是根据功率控制函数时刻在变化 3 1 。功率控制的基本目的是在保 持话音质量的同时增加系统容量，并且保证c d m a 系统平稳工作闭。c d m a 系统中的所 有无线资源( 功率，传输速率等) 管理和控制策略都是以系统中基站和移动台的发射功率 和总干扰电平为中心的，其根本目标就是尽可能降低系统中的干扰电平，减小基站与移动 台的发射功率，增加移动终端的电源寿命，减少电磁辐射对人及环境的污染，克服多址干 扰，提高系统容量，消除远近效应，补偿信号快衰落现象。因此功率控制不仅是3 g 系统 中的关键技术之一，也是无线资源管理( r r m ) 中的重要部分，是保证c d m a 系统由理 论研究走向市场化的重要手段1 2 , 3 , 5 j 。 综上所述，时变的无线传输环境和共道干扰已使功率控制技术成为蜂窝系统中不可缺 少的部分。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无 线资源利用率和系统容量的重要手段之一。c d m a 系统引入功率控制，一个很大的好处 是降低了平均发射功率而不是峰值功率，这就是说，c d m a 在一般情况下由于传输状况 良好，发射功率较低，但是在遇到衰落时会通过功率控制自动提高发射功率以抵抗衰落， 2 绪论 提高衰落信道下c d m a 系统的性能。如果能完美地跟踪信道变化趋势，理想的功率控制 将使衰落信道在接收端作为加性高斯白噪声信道来处理。 1 2 课题的研究现状 功率控制是蜂窝移动通信系统中最重要的需求之一，文献1 4 1 【5 】分析了f d m a 和 t d m a 蜂窝移动通信系统中的功率控制技术，文献【6 】等分析了c d m a ( 主要是d s c d m a ) 系统中的功率控制技术，从上述文献中可以总结出功率控制在三种多址通信系统中所发挥 作用的相同之处和不同之处：在f d m a 和t d m a 这两种多址通信系统中，功率控制主要 是为了减小移动台的发射功率从而延长移动终端电池的使用寿命1 4 】【5 】，而在c d m a 系统 中功率控制除了延长移动终端电池的使用寿命，另一个更主要的目的是为了抑制c d m a 移动通信系统所特有的多址干扰和远近效应，从而达到提高系统容量的目的【6 】。 功率控制应用到c d m a 系统早期是面向语音业务的，从九十年代起，已取得了很多 成果。j c n s z a n d e r 提出一种集中式功率控制算法【羽，在这种算法中，系统内任一用户的功 率都与其他用户的发射功率是线性关系，系数就是用户的链路增益。由于这种算法需要知 道所有用户的链路增益，在无线信道中，链路增益是随机的，难以实时获得，因而这种算 法只是提供功率控制研究中的理论上限，并无实际意义。为了将功率控制用于实际系统中， 人们提出分布式功率控制算法。在这种算法中，不需要知道所有其它用户的链路增益，仅 需要知道用户前一时刻的发射功率和当前时刻的信干比，通过迭代算法，求得用户当前时 刻的发射功率。例如信干比平衡算法，基站通过测量用户前一帧数据的信干比，并与目标 值比较来决定用户下一帧的信号发射功率1 9 1 。 3 g 系统中不仅有语音业务，还包括数据、视频等多媒体业务。由于各种业务的信息 传输速率、误码率、传输时延等方面有所不同，因而3 g 系统中功率控制是一个更加复杂 的问题。近几年来，有关3 g 系统中的功率控制问题已发表了很多文章。如s z h u ，l l v 等 人研究了干扰预测在功率控制中的应用和3 g 系统中基于模糊逻辑理论的外环功率控制算 法，提出了基于业务的一种非线性分布式功率控制算法，取得了很大的成果1 1 0 , n , 1 2 。针对 数据业务的时延不敏感性及低误码率要求的特点，d a v i d j g o o d m a n 等人将经济学中的博 弈论引入功率控制中【1 3 , 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 7 。他把功率控制问题当作非合作博弈过程，所有用户通过 调整发射功率使自己的收益或效用最大化，博弈过程最终收敛到纳什均衡。g o o d m a n 等 人设计的效用函数不仅与信号的信干比有关，还取决于信息的编码、调制、解码及解调等 技术。因而求解用户的收益函数还涉及系统的其它参数，使功率控制过程比较复杂。为了 解决这个问题，s a r m ag u n t u r i 提出一个新的效用函数。用户的效用仅与信干比及信号带 宽有关，使基于博弈论的功率控制问题变得简单“”。 在多速率宽带c d m a 系统中，各个用户的数据速率不同甚至同一用户的数据速率也 会随时间变化，使得速率自适应技术成为宽带c d m a 的必要技术。在c d m a 系统中，s i r 同时是数据功率和速率的函数，传统的单一功率控制方案无法再有效地平衡s i r ，所以必 3 西安理工大学硕士学位论文 须对功率和速率同时调节。文献【1 5 1 至【1 8 1 中基于博弈论的功率控制算法的研究都是 假定用户的传输速率是相同的或恒定的，与3 g 系统中的实际情况不付。文献【1 9 1 把c d m a 中的功率速率联合控制作为一个二值优化问题，应用拉格朗日函数来求解。文献 2 0 1 研 究了最小化系统总发射功率的功率速率联合控制方法，以降低本小区用户对其他小区用户 的干扰，得出该问题是一个线性规划问题。应用博弈论，文献 2 1 】研究了通过功率控制 使系统吞吐量最大化，各个用户通过改变扩频增益来调整传输速率的方法。文献【2 2 】运 用博弈论提出一种基于不同效用函数的综合业务c d m a 系统速率和功率分配算法，选取的 效用函数可以满足在系统资源不足时给话音用户提供更高的优先级，也可以通过调整效用 函数参数满足不同种类数据业务用户的优先级要求。 1 3 本论文的主要研究工作和内容安排 本文主要研究了c d m a 蜂窝移动通信系统中上行链路功率控制算法的有关问题。概 括而言，主要进行了以下几方面的工作： 简单介绍了第三代移动通信系统和窄带c d m a 中的功率控制技术。对功率控制技术 的起源和分类作了详细的说明。 传统的功率控制技术主要是面向话音业务，根据q o s 的要求为用户设定合适的发射 功率，尽量增加系统容量。对此问题已经提出了很多算法，线性分布式功率控制算法与数 值线性代数领域密切相关，选择不同的迭代矩阵可以得到不同的分布式功率控制算法，本 文从迭代矩阵的谱半径出发分析了算法的收敛性和收敛速度。功率控制的目标是最小化实 时的信干比与目标信干比之差。利用非线性函数优良的数学性质在发射功率和这个目标之 间建立某种联系，可以得到性能更优的功率控制函数。对指数型分布式功率控制算法研究 了该算法的参数对算法收敛性和收敛速度及系统稳定性的影响。 把博弈论引入功率控制是最近研究的热点。各博弈者为自己争取最大利益的活动可以 等价为使效用函数最大化和使代价函数最小化。本文构造了一个新的代价函数，推导出了 一种新的分布式功率控制算法。与d c p c 算法相比，新算法以信干比的轻微降低换来用 户发射功率的极大降低，并且信道噪声越大这种效果越明显，同时算法的收敛速度也有很 大的提高。对信干比要求不严格的业务，这是一个降低用户平均发射功率加快收敛速度的 好算法。同时对负荷较重的小区也是一个很好的闭环功率控制算法。 行动顺序是博弈的要素之一，如果所有选手具有同样的策略空间和收益函数，采用不 同的行动顺序可能会产生差异显著的博弈结果。本文研究了同时决策和序贯决策对博弈结 果的影响。仿真表明采用序贯决策搏弈，算法的收敛速度明显快于采用同时决策博弈的。 在提供多媒体业务的3 g 系统中，不同的业务有不同的o o s 要求，仅采用功率控制难 以满足系统性能的要求。所以用功率速率联合控制来处理第三代移动通信系统中的无线资 源( 功率和速率) 分配问题。运用博弈理论，本文对多速率技术中的可变扩频增益方案进 行了研究，提出了使用户净吞吐量最大化的功率速率联合控制方案。仿真表明，该方法收 4 绪论 敛速度快，达到纳什均衡时用户信干比较高。可以使用户在满足服务质量要求的情况下， 保持较高的传输速率，有效地分配系统的无线资源。 5 功率控制技术综述 2 功率控制技术综述 2 1 功率控制的作用 无线通信系统的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，这势必有 更高的数据传输速率和更严格的q o s 要求，使得基站分配、信道分配，特别是功率控制 和切换技术等在内的新的传输技术和改进的资源管理方法成为蜂窝移动通信系统的关键 技术【3 】 功率控制技术在蜂窝移动通信中得到广泛的应用。在f d m a t d m a 系统中功率控制 的必要性体现在同信道干扰管理上。通过恰当的功率调整减小同信道干扰的有害作用，就 可以进行更高密度的复用，从而提高了系统容量 4 , 5 1 。c d m a 移动通信系统是蜂窝移动通 信系统中的一种，又由于c d m a 系统具有典型的软容量特征，是一个容量受干扰限制的 系统，因而功率控制技术在c d m a 系统中尤为重要。功率控制技术是一种优化技术，优 化目标是在满足每一个用户通信质量的前提下，最小化每一个用户的发射功率，从而减小 多址干扰，同时还可以有效地克服远近效应和角效应的影响，最终增加系统容量。对于前 向链路来说，功率控制是减小基站发射功率；对于反向链路而言，功率控制是调整移动台 发射功率，使到达基站的功率达到指定水平( 基于接收信号强度) 或者使接收端测量的信 干比达到指定水平( 基于信干比平衡) 。从另一个角度讲，由于c d m a 系统是一个功率 正反馈系统，从整个网络看，当系统处于某个功率稳定点时，任何功率提升都会造成其他 用户功率的攀比上升，造成整个网内干扰的大幅上升。如果对发射功率进行仔细的规划和 控制，使全网的发射功率处于一个满足q o s 要求的最小点或准最小点，从而降低系统内 的干扰水平，就可最大化系统的容量和最优化系统的性能。对于移动用户而言，还能延长 手机的待机时剐3 1 。 2 2 功率控制技术的分类 功率控制技术以不同的方法有多种分类，如图( 2 - 1 ) 所示。简要介绍如下。 反向链路功率控制是指从移动台到基站的功率控制，前向链路功率控制是指从基站到 移动台的功率控制。由于远近效应的存在，d s c d m a 系统的反向链路功率控制显得尤其 重要【3 2 3 】。 开环功率控制主要用于初始发射功率的确定，i s 9 5 a 系统内，只要手机开机，开环就 起作用。移动台根据前向链路信号强度来判断路径损耗，调整发射功率。只有移动台参与 开环功率控制，响应时间大约为3 0 m s ，只可以补偿路径损耗和大尺度衰落，而不能估算出 瑞利衰落信道下对移动台发射功率的调节量。移动台对接收信号测量和调整是基于前向信 道和反向信道的衰落特性是致的，但是由于反向链路和前向链路收发频率相差4 5 m h z ， 已远远超出信道的相干带宽。因而上行或下行无线链路的多径衰落是彼此独立的。不能认 为移动台在下行信道上测的衰落特性就等于上行信道的衰落特性。所以这种依前向信道信 号电平来调节移动台发射功率的开环调节是不完善的，存在差错，需要采用闭环功率控制 7 西安理工大学硕士学位论文 反向赶籍聃辜羟剽 尊向话黪靖率控制 ；：2 ；盟h 瑭事控射霹燕hi 嚣嚣： 燃il i f 耳鬣擞撵射fl 基于壤干诧翦廓辜拄篱il 开耳墙辜靛甜 li 。足z 1 0 舅- 。曩咒。 垂手崔毪蒋事辨秘睾穗蕾ii 开耳一闭耳蠢台功睾撵射fl o 丑凸“删平e 一 摘自文献 2 3 图2 - 1 功率控制技术的分类 f i g 2 1 b l o c kd i a g r a mo fs o r to fp o w e rc o n t r o l 加以补充。闭环功率控制中移动台和基站共同参与，可以提高开环功率控制的控制精度， 减小开环功率控制的控制错误。一旦移动台开始和基站建立通信，闭环功率控制机制开始 生效，差错得到纠正。功率控制算法在实际系统中是由开环功控、闭环功控和外环功控来 实现的，其中开环功控伴随着随机接入过程对各个信道初始功率进行设置，主要用于补偿 距离损耗和阴影衰落，闭环功控主要补偿f d d 传输模式中上行与下行链路非对称的多径 衰落，外环功控进一步补偿开环和闭环功控的残余误差造成的不良影响1 3 矧。 集中式和非集中式或称分布式功率控制。集中式功率控制的控制器取得所有确立的连 接和信道增益的信息，并且控制网络中所有用户的功率水平。因而需要网络中大量的控制 信号，不便应用于实际系统中，但它可以给出分布式功率控制的性能界限。分布式功率控 制中，移动台只需要知道它所接收到的干扰和到基站路径增益的大小，并不需要知道其它 移动台发射功率的大小和路径增益。由于所用的信息有限，没有集中式控制响应速度快， 会带来一定的控制偏差【2 3 j 。本文研究的算法都是可实际应用的分布式功率控制算法。我 们在此总结一下可以实用的功率控制算法必须满足的性能1 2 4 1 ： 1 算法必须是分布式的； 2 在许多情况下必须有快的收敛速度； 3 对一些准则来说，必须是最优的； 4 必须避免不收敛或者同频链路用户的功率都增加到最大值； 5 功率必须是受限的； 6 必须能应用到实际的网络中。 现在蜂窝系统己经有了若干种功率控制策略投入使用。不同功率控制算法应用的信号 质量判别标准是不相同的，常用的指标有误帧率、误码率、接收信号信干比或接收信号强 度。所以功率控制算法可以分为：基于强度的( s t r e n g t h - b a s e d ) ，基于s i r 的( s i r b a s e d ) ， 基于b e r 的( b e r - b a s e d ) 。对于数字通信系统的最佳标准，一般采用误码率( b e r ) ，由 8 功率控制技术综述 于误码率测量速度慢，与接收信号的信号功率或信干比之间并不存在一一对应关系，同时 还受多径状况、移动台速度、编码效率等影响，很难建立具体的分析模型。因此在理论分 析上，常采用接收信号强度或信干比作为判别准则，而信干比的目标函数则是由f e r 决定 的。在各类文献中，s i r 己成为人们广泛接受并经常采用的衡量通信质量的指标。本文 同样采用s i r 作为算法的衡量指标，以方便和以前的功率控制算法进行比较1 3 , 2 3 1 。 2 3c d m a 系统中的功率控制技术 i t e 、t i a e i a 等国际组织已经给出了l s 9 5 、w c d m a 以及c d m a 2 0 0 0 的相关协议， 详细规定了各种c d m a 系统中的功率控制方案。本节进行简单介绍。 2 3 1 窄带c d m a 系统中的功率控制技术 功率控制是c d m a 系统的关键技术之一。c d m a 系统中的功率控制技术最早出现 在基于i s 9 5 标准的窄带c d m a 系统( 主要支持话音业务) 中。它分为前向功率控制 和反向功率控制。反向功率控制又分为开环功率控制和闭环功率控制。闭环功率控制又分 为内环和外环两种。 在窄带q c d m a 系统中，由于系统基本上只支持话音业务，反向功率控制不仅要 克服“远近效应”，保证基站接收到的小区内所有用户的信号功率相等且刚满足系统性能 要求，更重要的是减少用户间的多址干扰从而提高系统容量。前向功率控制的目的主要是 使得移动台处的信干比s i r 刚好足以达到系统性能要求，减少对邻近小区的干扰。对于 开环功率控制，基站始终发射供初始同步的导频信号以及供解调的频率和时间同步参考信 号，移动台可以提取出这些导频信号和参考信号，计算出来自所属基站发射的导频信号功 率，同时也计算出其接收到的来自所有基站的功率总和，从中估计出前向链路中的路径损 耗，移动台根据此估计值来调整发射功率，使发射信号在到达基站时满足系统性能的要求。 这种方法称为基于a g c 原理的开环功率控制，反向链路开环功率控制的原理如图( 2 2 ) 所示。 由于移动台是以不同于基站的频率来发射信号的，在前向链路与反向链路之间有频率 间隔，该频率间隔远远超出了链路的相关频带( 4 5 m h z ) ，因而链路的衰落过程是相互独 立的。移动台的发射信号在传输过程中不可能有完全一样的快衰落特性，移动台不能把测 得的接收信号的路径损耗当作发射信号的路径损耗。因此，经开环功率控制后，移动台的 信号到达基站时，往往与要求的值之间有一定的偏差，需要进一步采用闭环功率控制来调 整。每个基站解调器测量接收到的用户信干比，并与所需的信干比相比，然后在前向信道 对该移动台发送一个功率调整命令，使移动台做功率调整。移动台结合开环功率控制和闭 环纠正值，最终确定其发射功率。这种闭环功率控制方式也被称为“乒乓式”或“反馈式” 功率控制，反向链路闭环和外环功率控制的原理如图( 2 - 3 ) 所示1 2 5 】。 传输中几乎所有的条件都会随多径衰落而变，例如当用户以不同的速度移动时，维持 某一e b i o 会导致不同的误帧率( f e r ) ，因此外环的功率控制显得尤为重要。通常外环 9 西安理工大学硕士学位论文 功率控制以用户的通信质量为依据，这种通信质量通常采用累计的误帧率为指标，根据基 站测到的每个用户的误帧率，对所需的目标e b l o 进行调整，以保证收到的每个编码语 音帧或数据包低于一定的误帧率。这就使得功率控制直接与通信质量相联系，而不是仅仅 体现在改善信噪比上【2 3 1 。 数措 l 二网一慝k 丑岖叫百懦 一鲨h 篓主旆 曛声加 坏劝攀柱制 岖一日匝卢 摘自文献 2 5 图2 - 2 反向链路开环功率控制原理图 f j g 2 - 2 b l o c k d i a g r a m f o r i m p l e m e n t a t i o n o f r c v c i t l i n k o p e n l o o p p o w c r c o n t r o l 摘自文献 2 5 图2 - 3 反向链路闭环和外环功率控制原理图 f i g 2 - 3 b l o c kd i a g r a mf o ri m p l e m e n t a t i o no fr c v e l s el i n kc l o s el o o pp o w e rc o n t r o l 功率控制技术综述 2 3 2 第三代移动通信系统中的功率控制技术 未来多媒体c d m a 系统的目标是追求更大的系统容量和更高的通信质量。而多业务 的引入，对合理地分配系统资源提出了更高的要求。功率作为一种系统资源为所有用户共 享，系统应根据各种业务的不同速率及服务质量的要求，给用户分配功率。功率分配和控 制在多业务、多速率的系统中成为一个关键性问题。 多媒体c d m a 系统有多种业务，不同的业务有不同的传输速率和不同的服务质量 ( o o s ) 要求。在多媒体业务中有对时延不敏感但误比特率要求较高的数据业务、有时延 敏感但误比特率要求相对低的语音业务、也有两者要求都比较高的视频业务。而且单个用 户可能同时具有多种业务，如果仍像传统c d m a 功率控制方案那样，使各移动台到基站 的功率相等，必然会引起系统资源利用率低或服务质量不满足要求。因此系统应根据不同 用户不同业务的速率和服务质量的要求，给用户分配功纠冽。 在多速率宽带c d m a 系统中，s 取同时是数据功率和速率的函数，传统的单一功率 控制方案无法再有效的平衡s m ，必须对功率和速率同时调节。如我们所知的自适应传输 就是改变传输功率，传输符号率，调制星座数，编码率或者它们的组合来维持s m 的平 衡。c d m a 中的功率速率联合控制也是一个二值优化问题，可以用拉格朗日方法来求解 1 2 6 1 。 在第三代移动通信系统中，反向功率控制的分类与窄带c d m a 功率控制的分类相 同，即采用开环加闭环的功率控制。前向功率控制采用闭环功率控制方式，其控制机制与 反向相同。 2 4 功率控制算法性能的衡量 功率控制算法有很多种，其性能的衡量指标也有很多种，本文主要采用以下指标衡量 算法的性能【3 ，2 5 】： ( 1 ) 中断概率，对用户i 而言，若不等式s i r , 兰成立，则称该用户被系统支持，否则 称该用户被中断。中断概率指出了在给定时刻系统服务于用户的程度，对固定速率的系统， 要尽量使中断概率最小。中断概率对非实时数据业务的情况仍然有意义，可理解为用户 接收到较大的b e r 或f e r 的概率。在分组交换的情况下，它是比给定的目标值更一般 化的衡量指标，大的中断概率就意味着需要进行自动重传请求( a r q ) 或需要采用强纠 错编码。 ( 2 ) 收敛速度，对用迭代法实现的分布式功率控制算法，用在一定的迭代次数内与不 动点的归一化欧氏距离来估算算法的收敛速度。 ( 3 ) 用户的平均发射功率，即总的发射功率除以系统中总的用户数。平均发射功率与 能量有效性有关，正比于每个用户的平均能量消耗。 2 5 小结 西安理工大学硕士学位论文 c d m a 移动通信系统的功率控制方案多种多样，它们都有相同的目的，只是各自具 有不同的性能、用途或理论基础。本章简要介绍了功率控制技术的分类、窄带c d m a 系 统和第三代移动通信系统中应用的功率控制技术和下文研究中要用到的算法衡量指标。通 过本章对功率控制技术的叙述，可以充分了解到下文所提出的各种功率控制算法或策略与 各种功率控制技术的关系。介绍算法性能衡量的标准，对下文中所提出的算法从收敛速度， 中断概率，用户平均发射这几个方面进行算法性能的比较。 1 2 c d m a 系统中的分布式功率控制方法 3c d m a 系统中的分布式功率控制方法 3 1 引言 集中式的功率控制算法需要大规模的数据和很高的计算复杂度，难以操纵，容易发生 死锁现象，尤其是当用户数很大的时候，更会失去它的实用价值。而分布式的功率控制仅 需要本地的信息来调整发射功率，易实现，比较灵活，是目前研究的重点。本章对线性分 布式功率控制算法和指数型分布式功率控制算法进行了分析，研究了算法的收敛性、收敛 速度等功率控制算法的关键性能指标。 3 2 分布式功率控制算法简介 分布式环境中，多种任务的解决可以选择分布式或集中式解决方案。集中式解决方案 把整个决策及与决策有关的各种信息都放在同一个位置上，是最简单的解决方案。但集中 式解决方案有几个严重缺陷：首先，中央管理单元变成关键单元，一旦该单元崩溃，整个 分布式系统也就失效了：第二，因为系统中所有成员都不得不跟这个位置通信，中央管理 单元周围的网络流量将增长。由于c d m a 移动通信系统处在一个无线环境中，其通信环 境比有线通信恶劣得多，更容易产生异常。同时，无线通信中带宽资源也要比有线通信更 加珍贵。而集中式功率控制方案所需要的正是一个极其稳定的工作环境( 集中式功率控制 必须保证关键单元工作正常和一个较大的带宽) ，系统中各个部分都要和中央管理单元通 信。分布式功率控制是在移动台进行的功率控制。该种算法首先在窄带蜂窝系统中提出并 通过迭代方式近似地实现最佳功率控制，而在迭代过程中只需要各个链路上接收到的s i r 即可。即使存在对s i r 估计的误差时，分布式s i r 平衡算法仍然是很有效的。对于宽带 c d m a 系统，当不考虑s i r 估计误差时，分布式算法非常有效。但当s i r 估计存在误差 时，分布式信干比平衡算法可能不再收敛于一个平衡的信干比水准。若估计误差较小，分 布式算法仍然有效，然而随着误差的增大，系统性能下降很快。分布式功率控制算法简单 实用，而且控制速度快，因此分布式功率控制算法的实用性很强1 3 1 。 3 3 线性分布式功率控制算法的数值线性代数方法分析 c d m a 系统的分布式功率控制算法主要是指分布式s i r 平衡算法或称为功率平衡算 法。此类算法通过若干次迭代运算，使系统内所有移动台的信干比收敛到一个共同的水准， 也就是系统平衡信干比水准【3 】