（通信与信息系统专业论文）cdma系统中的功率控制算法研究.pdf

摘耍 摘要 功率控制是无线资源管理中的重要模块，也是c d m a 系统的关键技术之一。 有效的功率控制策略可以很好的消除“远近效应”和“边缘效应”，减小系统内干 扰，提高系统容量。本文针对一种典型的时分复用c d m a 系统t d s c d m a 系统，着重研究了其上行外环功率控毒i 策略。 本文在概括总结t d s c d m a 系统的功率控制策略的基础上，着重分析了当 前系统普遍采用的固定步长上行外环功率控制算法的性能。 为克服固定步长上行外环功控算法对于快速变化的信道反应滞后不足，本文 基于自适应思想，提出了幅度、趋势以及联合自适应三种新的上行外环功率控制 算法。算法根据历史的链路质量指标值的变化，得出其幅度及变化趋势，进而动 态地调整内环功控所需的信干比。从而在保持固定步长上行外环功控算法稳定性 的基础上，提高了算法的收敛速度，使得功率控制算法能够灵敏地跟踪并补偿信 道变化。 最后，本文在基于网络层的仿真平台上对算法进彳亍仿真，并在实际环境中进 行性能验证，结果表明自适应算法在收敛速度和稳定性两方面都取得较优的性能， 基本达到了预期的目标，该算法具有一定的实际应用意义。 关键词：c d m a 无线资源管理功率控制 a b s t r a c t a b s t r a c t p o w e rc o n t r o li st h ek e ys t r a t e g yw h i c hd e t e r m i n e st h ei n t e r f e r e n c e ，a sw e l la st h e c a p a b i l i t yi nc d m a i nt h i st h e s i s ，t h eo u t e rl o o pp o w e rc o n t r o lo nu p l i n ki ss t u d i e di n d e t a i l ，b a s e do rat y p i c a lt d ds y s t e m t d - s c d m a b a s e do nt h e i n v e s t i g a t i o no fp o w e rc o n t r o ls t r a t e g y i nt d s c d m a ，t h e p e r f o r m a n c eo ff i x e d s t e po u t e rl o o pp o w e rc o n t r o ls t r a t e g yo nu p l i n k ( f s o l p c ) ， w h i c hi sa d o p t e dc u r r e n t l y , i sa n a l y z e di nd e t a i l ， t os h o r t e nt h ed e l a yo ff s o l p c ，t h r e en e wa d a p t i v es t e po u t e rl o o pp o w e r c o n t r o l ( a s o l r 0a l g o r i t h m sb a s e do np r e d i c t i o na r e ：t h e np r o p o s e da i m i n gt ot r a c e t h er a p i d l yc h a n g e dc h a n n e lf a s t b yt a k i n gt h ea d v a n t a g eo fh i s t o r yc h a n g ea n d d e d u c i n gt h et e n d e n c yt h e r e a f t e r , a s o l p ca d j u s t st h ep o w e rc o n t r o ls t e p ，a n dm a k e t h ec o n v e r g i n gt i m es h o r t e dc o r r e s p o n d i n g l y t h ep e r f o r m a n c eo fa l g o r i t h mi sv e r i f i e do ns i m u l a t i o np l a t f o r m ，a sw e l la sr e a l p r o d u c te n v i r o n m e n t s i m u l a t i o nr e s u l ta n dr u n n i n gr e s u l ti nr e a lp r o d u c te n v i r o n m e n t d e m o n s t r a t e dt h a t ，a s o l p ci sp r i o rt of s o l p ci nb o t hc o n v e r g i n gt i m ea n ds t a b i l i t y k e y w o r d ：c o d ed i v i s i o nm u l f l p l e a c c e s s r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n tr o a m ) p o w e rc o n t r o i 创新性声明 y - 8 5 8 6 2 7 本人声明所呈交的论文是我个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；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它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做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。 本人签名日期卫碰! ：主 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技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西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 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论文。 本人签名： 导师签名 蕴睦盛 毕扯 日期丝! z ：； f = 1 期 第一章绪论 第一章绪论 t 1 第三代移动通信系统简介 2 0 世纪7 0 年代，美国贝尔实验室率先提出蜂窝的概念，解决了频率复用的 问题。8 0 年代，大规模集成电路的迅速发展，很好的解决了移动终端小型化的问 题。随后，美国设计了第一个基于小区制的蜂窝通信系统a m p s 系统。之后 陆续出现了英国的t a c s 、德国的c 4 5 0 9 0 0 、北欧的n m t 和日本的m r r 等第一 代模拟移动通信系统( 1 g ) 。第一代移动通信系统存在很多问题：各系统问没有 公共接口，频谱利用率很低，无法与固定网向数字化推进相适应，不支持漫游功 能。 模拟移动通信系统经过1 0 余年的发展之后，在2 0 世纪9 0 年代被更为先进的 数字蜂窝移动通信系统即第二代移动通信系统( 2 g ) 所代替。第二代移动通信系 统是随着超大规模集成电路和计算机的飞速发展，以及语音数字处理技术的日益 成熟而发展起来的。其中以欧洲的时分多址( t i ) m a ) 数字移动通信系统g s m 系统得到最广泛的应用。美国则在1 9 8 8 年制定了基于 i d m a 技术的i s 5 4 仃s 1 3 6 标准。随后，在2 0 世纪9 0 年代初，美国高通公司提出了码分多址( c d m a ) 技 术，并在1 9 9 3 年完成其标准化为i s 一9 5 标准，这成为了第三代移动通信系统( 3 g ) 标准中c d m a 2 0 0 0 的雏形。第二代移动通信系统虽然较第一代模拟移动通信系统 有了很大改进，但仍然存在很多的问题，例如它没有统一的国际标准，频谱利用 率仍然不高，不能提供高速数据业务和多媒体业务，不能有效支持i n t e m e t 业务 等。 随着社会信息化进程的加快，互联网用户数的飞速膨胀，特别是移动多媒体 和高速数据业务的迅速发展，我们迫切需要能够提供更多无线资源和更大容量的 新一代通信系统，因此第三代移动通信系统便应运而生。第三代移动通信系统由 卫星移动通信网和地面移动通信网组成，形成一个对全球无缝覆盖的立体通信网 络，满足各种用户密度需求，支持高速移动，提供语音、数据和多媒体等多种业 务，能够基本满足个人通信的要求。早在1 9 8 5 年国际电信联盟( i t u ) 就提出了 第二代移动通信的概念，同时建立了专门的组织机构t g s 1 ，当时称为未来陆地 移动通信系统( f p l m t s ) ，但在之后的1 0 年里，研究进展比较缓慢，直到1 9 9 6 年1 t u 确定了正式名称：国际移动通信一2 0 0 0 ( i m t - 2 0 0 0 ) ，其含义为预计该系 统在2 0 0 0 年左右投入使用。1 9 9 7 年r r u 制定了m 1 2 2 5 协议，对i m t - 2 0 0 0 无线 传输技术提出了最低要求，并在全世界范围内征求无线传输建议。各国为了在未 c d m a 系统中的功率控制算法研究 来的通信领域取得领先地位，纷纷提出自己的标准，截至1 9 9 8 年6 月3 0f i ，i t u 共收到十六项建议，其中包括我国电信科学技术研究院( c a t t ) 代表中国提出的 t d s c d m a 技术。1 9 9 9 年h 月5 日i t u 在赫尔辛基举行的t g 8 1 第十八次会议 上，通过了文件r r u rm 1 4 5 7 ，确认了五种第三代移动通信无线传输标准。其中 有两种t d m a 标准：s c t d m a ( u m c 一1 3 6 ) 、m c t d m a ( e p d e c t ) ；三种c d m a 标准：m c ，c d m a ( c d m a 2 0 0 0m c ) 、d s c d m a ( 包括u t r a w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 d s ) 、t d dc d m a ( 包括t d s c d m a 和u t r at d d ) 。其中主流标准为三 种c d m a 标准，三大主流标准的主要参数对照表如表1 1 所示1 1 、2 j 。 第一代移动通信系统的出现开辟了移动通信的崭新天地，第二代移动通信系 统的贡献是让人们普遍享受到移动通信的方便和快捷，丽第三代移动通信系统则 期望实现真正意义上的全球无缝覆盖的个人通信。可以看出，l g 到2 g 的转变实 质卜- 是由模拟到数字的转变，而2 g 到3 g 的主要转变则是t d m a 到c d m a 的多 址方式的转变。c d m a 多址接入方式作为第三代移动通信系统的空中接口方案， 具有突破性的意义。而我国自主研发的t d s c d m a 标准被列入i t u rm 1 4 5 7 ， 成为主流标准之一，在我国通信史上具有里程碑的意义。 表1 1 二种标准主要参数对照表 参数t d _ s c d i d aw c d m ac d m a 2 0 ( ) 0 载频间隔1 6 z5 h d 咀z1 2 5 m h z 码片速率 1 2 8 m o p s 3 8 4 m c p s1 2 2 8 8 m c p s 多址方式 f d m a + t d m a + c d m af d m a + c d m af d m a + c d m a 双下方式 t d d f d d , , t d d肿 基站同步需要不需要需要 检测方式联合检测相干解调相干解调 编码方式 卷积码，t u r b o 码卷积码，t u r b o 码卷积码，t u r b o 码 帧长 1 0 m s ( 分为两个子帧) 1 0 m s2 0 m s 快速功控：上、下行上行：8 0 0 n z 功率控制o 2 0 0 h z 1 5 0 0 h z 下行：慢速、快速 1 2t d s c d m a 系统概述 t d s c d m a 系统作为我国自主研发的第三代移动通信系统空中接口方案，具 有很高的研究价值，本文所做研究均基于t d s c d m a 系统。该系统的研究开始 j ，1 9 9 5 年，电信科学技术研究院的一批科研人员承担了国家九五重大科技攻关项 目基于s c d m a 的无线本地环路( w l l ) 系统研制，浚项目于1 9 9 7 年底通 过国家验收，之后原邮电部批准在此基础上按照1 t u 对第三代移动通信系统的要 求形成我国t d s c d m a 第三代移动通信系统r t t 标准的初稿，1 9 9 8 年6 月底由 第一章绪论 电信科学研究院代表我国向i t u f 式提交了t d s c d m a 标准草案。i t u l 9 9 8 年 召玎的会议通过t d s c d m a 成为i t u 的l o 个公众陆地第三代移动通信系统候选 标准之。同时，重庆邮电学院通过信息产业部立项，启动了与t d 。s c d m a 第 三代移动通信系统r t i 技术配合的核心网技术研究，并向r r u 提交了3 份阱议草 案。1 9 9 9 年国家安排由李世鹤博士率领电信科学技术研究院和重庆邮电学院的6 位技术人员到德国与西门子公司讨论t d d 标准融合与系统设计问题，并_ 歼始了 t d ，s c d m a 的技术验证准备。其后，1 9 9 9 年1 1 月t d s c d m a 写入i t u r m 1 4 5 7 中，并与当年1 2 月开始与u t r a t d d 在3 g p p 融合，至此，t d s c d m a 难式成 为国际第三代移动通信系统。2 0 0 1 年3 月电信科学研究院分别与西门子公司和重 庆邮电学院合作研究的基站和测试终端先后完成开发。2 0 0 2 年2 月，业界关注的 第一次t d s c d m a 户外移动通话公开演示取得了圆满成功。截至2 0 0 3 年底，由 太唐移动、南方高科、华为，联想、中兴通讯、中国普天、重庆重邮信科、一卜海 凯明、展迅通讯等1 4 家企业组成了t d s c d m a 产、l k 联盟，该阵营覆盖了从系统 到终端的完整产业链，被视为t d c d m a 产业化进程中的重大里程碑。另外，2 0 0 2 年中国第三代移动通信频谱规划方案出台，为t d s c d m a 标准划分了总计 1 5 5 m h z 的非对称频段，可以看出国家政策的强劲支持。2 0 0 3 年国家宣布了对 w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 三种第三代移动通信系统进行商用前的大 规模外场测试，t d s c d m a 得到了包括中国移动、中国联通、中国电信等6 家运 营商的集体支持。2 0 0 4 年t d s c d m a 在中国发展迅猛，据有关资料显示，全球 已经有4 0 0 多家企业加入该阵营，近4 0 家厂商投入大笔资金开展相关研发工作。 同时，中国政府对t d s c d m a 产业的第一批7 亿人民币资金支持也开始逐步到 位。2 0 0 5 年t d s c d m a 已经形成了多厂商供货环境和国际化合作格局，6 月各 网络设备及终端均已完成国家组织的3 g 专项测试，从产业基础、技术储备、产 业链成熟度等综合指标评定看，t d s c d m a 已完全具备独立组网和大规模产业化 能力。目前，t d s c d m a 已经进入更大规模的应用试验网建设，为大规模商用作 好了准备。 下面简要介绍t d s c d m a 系统的组网结构、物理层基本特性、关键技术以 及系统干扰分析等。 t d s c d m a 系统的组网结构如图1 1 所示。系统由核心网( c n ) ，无线接入 网( u t r a n ) 和用户设备( u e ) 三部分组成。c n 与u t r a n 之间的接口为i u 1 ：3 ，u t r a n 与u e 之间的接e 1 为u u 口，也称作空中接i s i 。多个无线网络子系统 ( r n s ) 构成了u t r a n ，每个r n s 包括无线网络控制器( r n c ) 和n o d e b 两部 分，这两部分之间的接口为l u b 口，r n s 之间通过l u f 口相连。 4 c d m a 系统中的功率控制算法研究 图1 1t d s c d m a 系统结构图 由于几个主流标准的区别主要在物理层上，所以下文将介绍t d s c d m a 系 统的物理层的基本特性。t d s c d m a 系统物理信道采用特殊的四层结构：超帧、 无线帧、子帧和时隙。圈1 2 为t d $ c d m a 系统的帧结构。 趣帧霸黼尊) 蚕燃( 瞬： 翰脯馈椒馈舸1 ，。予馈e 补 il 子帻缒i 子啊睫t l 拉隧卿)。、 i 8 0 旧蠢t $ 1 稻2薯鼢t s 4聪s丁s 矗 1。， l ” 一 一 1 1g ( 7 u s ) l数器符碍i j i t l 蠹序列| 数撼符号 lgj l i n l 图1 2t d s c d m a 系统的帧结构 超帧长度为7 2 0 m s ，无线帧为1 0 m s ，子帧为5 m s ，一个子帧包含三个特殊时 隙和七个常规时隙。三个特殊时隙为：下行导频时隙( d w p t s ) ，它用于下行导 频和同步，该时隙由6 4 c h i p s 的s y n c _ d l ( 下行同步序列) 和3 2 c h i p s 的保护问 第一章绪论 隔组成；上行导频时隙( u p e r s ) ，它用于上行导频和同步，由1 2 8 c h i p s 的s y n cu l ( 卜行同步序列) 和3 2 c h i p s 的保护间隔组成；保护间隔( g ) ，其长度为9 6 c h i p s 。 七个常规时隙为t s 0 t s 6 ，t s 0 固定为下行时隙，t s l 固定为上行时隙，其它时 隙可根据需要灵活配置上下行，但要保证一个子帧中的上下行时隙转换点只有两 个。每个时隙中发送一个长度为8 6 4 c h i p 的突发，每个突发包括两个长度各为 3 5 2 c h i p s 的数据部分，一个长度为1 4 4 c h i p s 的训练序列和一个长1 6 c h i p s 的保护 间隔。训练序列即m i d a m b l e 码，由于它位于两个数据部分中间，所以也称为中间 码，它被用于信道估计，功率控制测量，上行同步保持和频率校j 下等，它的发送 功率与数据符号部分相同，但不进行扩频处理。 t d s c d m a 系统的突发结构提供了传输物理层控制信令的可能。传输格式组 合指示( 1 n f c i ) 、同步调整( s s ) 和功率控制命令( h c ) 三种物理层控制信令 在突发中的位置如图1 3 所示，因为训练序列码的长度为固定的，所以控制信令 均在数据部分传输1 2 1 ，所以它们和数据比特有相同的扩频操作。对于每个用户， t f c i 在每1 0 m s 豹无线帧里发送一次，并在m i d a m b l e 码前后均与分布，s s 和t p c 则在5 m s 的子帧照发送一次，位于m i d a m b l e 码之后。 t p c 为上行镱路和下行链路发送的一个表示符，用来指示功率调整是增大还 是减小。1 r i ，c 的长度为一个符号，其e e 特长度取决于调制方式，当采用q p s k 的 调制方式时，其比特长度为2 b i t ，“0 0 ”表示减少发射功率。“1 1 ”表示增加发射 功率；当采用8 p s k 的调制方式时，其比特长度则为3 b i t ，“0 0 1 ”表示减少发射 功率，“1 1 1 ”表示增大发射功率。 图1 3t f c i 、s s 、t p c 在突发中的位置 t d s c d m a 系统b b 起其它两个主流标准有其明显的优势和特点，该系统的主 要关键技术有； ( 1 ) 智能天线：智能天线系统由一组天线阵及相连的收发信机和先进的数字信 号处理算法组成。在发送端，智能天线根据接收到的u e 到达信号在天 线阵上产生的相位差，利用先进的数字信号处理算法计算出终端的位置 信息，然后根据终端的位置信息，产生指向某个特定u e 的波束赋形， 并自动跟踪l i e 移动，从而有效的减少了同道干扰，提高了下行容量。 5 c d m a 系统中的功率控制算法研究 在接收端，智能天线利用空间分集和联合检测技术，大大提高了接收灵 敏度和准确性。 ( 2 ) 多用户检测：多用户检测包括联合检测和干扰抵消。联合检测的性能优于 干扰抵消，但复杂度也较高，因此，一般基站采用联合检测，终端采用 干扰抵消。干扰是抑制系统容量的重要因素之一。传统的r a k e 接收机是 把多用户干扰当作噪声来处理，而没有利用该干扰不同于噪声干扰的特 性。联合检测技术则是把所有用户信号都当作有用信号，从而充分利用 了信号的延迟，幅度，扩频码等信息。因此，智能天线和多用户检测的 结合可以获得较好的效果。 f 3 1 上行同步：t d s c d m a 系统中，要求不同u e 豹信号在基站解调器处完 全同步，从而保证了扩频码的正交性，克服了异步系统由于u e 到达基 站的时间不同，导致扩频码非正交带来的干扰m a i ，从而提高了系统容 量。 “1 软件无线电：软件无线电是指用数字信号处理软件实现传统硬件电路来完 成的无线功能的技术，通过加载不同的软件来实现不同的硬件功能。因 此，采用软件无线电可以克服微电子技术的不足，通过软件的方式，灵 活完成硬件，专用a s i c 的功能，通过软件升级来实现系统功能增加，具 有良好的灵活性、可编程性及对环境的适应性。 除此之外，1 b s c d 堪a 系统还有许多其它特点，例如非对称的时隙结构便于 提供非对称业务，具有低码片速率和较高的频谱利用率等，这些特点使得该标准 跟其它主流标准比较有较明显的优越性。 众所周知，c d m a 系统为干扰受限系统，干扰对系统性能影响很大，其中多 址干扰是主要因素。不同用户由于时延和到达基站的角度不同，导致区分多个用 户的扩频码不完全正交，其它用户对期望用户的信号产生干扰，这种现象称为多 址干扰( m a d 。此外，t d - s c d m a 系统由于采用了t d d 的双工方式，上下行信 道共享同一频率造成了上下行信号的互相干扰，这一特殊干扰出现在以下两种情 况：一种是相邻的两个小区不同步；另一种情况是即使相邻小区同步，但存在交 叉时隙( 相邻小区时隙的上下行分配不同的时隙称为交叉时隙) 时，也会互相干 扰f3 1 。 c d m a 系统中的传统抗干扰技术有：r a k e 接收、语音激活、分集接收等。而 t d - s c d m a 系统在此基础之上，还采用了特殊抗干扰技术包括多用户检测技术和 智能天线技术。而要消除t d d 双工模式所带来的干扰，可采用高精度的系统同 步技术使相邻小区同步，并且在动态信邀分配中遵循一定的策略，以避免出现交 叉时隙现象。 第一章绪论 1 3 无线资源管理策略 t d s c d m a 系统的无线资源包括码字、频率、时隙、功率和空问角度等。无 限资源管理( r r m ) 模块是指管理、分配系统无线资源，以及控制调节系统性能 的模块，它是无线网络控制器( r n c ) 的重要组成部分。r r m 子系统的功能主 要是监测通信系统中所有无线资源的使用情况，并根据业务需求、信令请求以及 各种测量报告，进行无线资源的管理和分配，并且能够通过一些算法对系统的性 能和质量进行控制和优化。 r r m 实现的主要功能有： r 1 1 呼叫接纳控制( c a c ) ：当用户发起呼叫时，接纳控制负责接入或拒绝用 户，以防止系统过载，保证链路质量。 ( 2 ) 动态信道分配( d c a ) ：d c a 在逻辑上可以分为两类：一类是把信道资 源分配到小区，叫慢速d c a ；另一类是把资源分配给承载业务，叫快速 d c a 。 ( 3 ) 切换控制( h c ) ：主要任务是随时监测业务变化、链路状况及小区的变 化等，来及时调整和进行相应的切换和配置，以保证良好的通话质量。 负荷拥塞控制( 【c ) ：主要功能是监测网络的负荷信息，当网络出现过 载时，联合其他模块将网络恢复到正常状态。 f 5 1 功率控制( p c ) ：是在尽可能维持通信质量的前提下，减小系统功率消 耗，从而降低网络内干扰，提高系统容量。 ( 6 1 小区选择与重选( c s r s ) ：根据系统资源和接收到的有关测量信息以及 一些优化算法来设定小区选择和重选测量准则的阈值和参数，并将这些 信息通过系统信息管理模块广播下去，使u e 按照这些闽值和参数来进 行小区选择和小区重选。 ( 7 1 无线承载控制( r b c ) ：对已经建立的r b 进行实时监控，通过一定算法 选择r b 控制策略。 f 8 ) 分组调度( p s ) ：用于服务分组数据业务，其具体的调度速率由网络负荷 情况决定。 ( 9 ) 测量控制( m c ) ：测量的目的是为了得到u e 的信号质量，n o d e b 的负 载情况以及r n c 的缓冲区占用率，以便进行合理的负荷控制、功率控制、 r b 控制以及切换等功能1 4 、5 】。 r r m 中基于网络的算法有：c a c 、p s 、d c a 、l c 和c s r s ；有些则是基于 链路的，如h c 、p c 和r b c 。 其中，功率控制算法是无线资源管理的重要模块之一，也是研究的难点和热 7 8 c d m a 系统中的功率控制算法研究 点问题，所以从本文的第二章开始，重点研究功率控制算法。 1 4 论文主要研究内容 第三代移动通信系统的三大主流标准w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a 无一例外地采用了c d m a 的多址方式。虽然各标准的物理层各不相同，但对于功 率控制策略影响不大。所以本文以t d s c d m a 标准为平台，探讨功率控制的各 种策略及其相关性能。相应结论将适用于其他两种标准。 本文重点分析了无限资源管理中的功率控制原理，在传统的固定步长上行外 环功率控制算法的基础上，提出新的自适应上行外环功率控制算法，目的是在保 持算法稳定性的基础上，提高算法的收敛速度。并在仿真平台上进行了大量验证 算法性能的实验，给出了衡量算法性能的统计值和仿真图，最后在实际系统中对 算法性能进行了进一步的验证，从而证明了自适应算法的优越性。论文章节安排 如下： 第一章：简要介绍移动通信系统的发展历史，然后介绍了c d m a 系统的特点， 针对t d s c d m a 系统，介绍了其中的无线资源管理的概念，最后引出本文的重 点功率控制算法。 第二章：就现有功率控制算法的概念和分类进行介绍，深入分析了 t d s c d m a 系统中功率控制算法现状，给出传统的固定步长上行外环功率控制算 法的原理和算法特点分析。 第三章：这一章是本文的重点。针对固定步长算法收敛速度镘的缺点，本文 基于自适应思想提出了三种新算法，以在保持性能的同时，提高收敛速度。本章 洋细论述了三种算法的原理，通过仿真实验验证算法的性能，并确定相关参数。 并进行了大量的仿真实验，在统计数据和仿真图的基础上给出性熊分折，最后将 固定步长算法和自适斑算法进行了比较。 第四章：本章对传统的固定步长算法和文中设计的自适应功率控制算法在实 际系统中的性能分别进撂验征和比较。文中首先介绍了验证环境，然后简述了实 验过程，并给出了采用调试工具抓取功率控制过程中的参数，最后对算法性能进 行分析和比较。 第五章：总结本文工作，展望功率控制算法未来。 第二章功率控制算法概述 第二章功率控制算法概述 2 1 功率控制算法概念 移动信道是时变的随参信道，它对信号的损耗主要包括自由空间传播损耗、 多径衰落和阴影衰落三个方面。自由空间传播损耗与基站和移动台之间的距离有 关，用k ( f r 表示，其中a ( t ) 表示t 时刻移动台到基站的距离；阴影衰落是由于地 形结构引起的传播损耗，表现为慢衰落，或称为长期衰落，用s ( d f ) ) 表示；多径 效应是由于移动台周围的局部散射体引起的多路径传播，使到达接收机输入端的 信号相互叠加，其合成的信号幅度表现为快速起伏变化，即快衰落，或称为短期 衰落，又因为多径衰落的信号包络服从瑞利分布，所以又把多径衰落称为瑞利衰 落，用r 忙( f ) ) 表示。只考虑这三种损耗时，移动信道总损耗就可以用公式表示为： p 似( f ) ) ，p o 】“s p ( f ) l r ( d ( f ) ) 式( 2 1 ) 由于存在路径损耗，移动通信系统会出现以下特殊效应： 在上行链路中，由于移动用户在小区中随机分布，其他用户的发射功率对本 移动台来说都是干扰，假设各移动台以相同的功率向基站发送信号，由于存在路 彳垒损耗，不同用户信号到达基站时的功率不同，距离近的用户的信号功率强，距 离远的用户的功率弱，强信号对弱信号造成干扰，使得远距离用户通信质量下降， 甚至不能保证正常的通信，这种现象称为“远近效应”，c d m a 系统的所有用户 都占用相同的带宽和频率，所以“远近效应”问题特别突出。 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 号较小，同时还会受到相邻小区基站的干扰较大，此时造成链路质量下降，这就 是所谓的“边缘效应”。 “远近效应”和“边缘效应”对c d m a 系统容量影响非常大，而功率控制技 术就是针对这些问题的行之有效的解决方法。在c d m a 系统中，上行链路功率控 制，也叫反向链路功率控制，是对移动台进行的功率控制。主要用来克服“远近 效应”。移动台根据接收信号估计路径损耗来调整发射功率，或根据基站发送的功 率控制命令调整发射功率，使本小区内的移动台在保证通信质量的前提下具有最 小的发射功率，从而降低自身损耗和对其它用户的干扰，提高系统容量。 而下行链路功率控制，也叫前向链路功率控制，是对基站进行功率控制，以 降低“边缘效应”。在下行功控中，基站根据估计的路径损耗或移动台发送的功率 控制命令调整自身的发射功率，使得对信道衰落小的移动台有较小的发射功率， 1 0 c d m a 系统中的功率控制算法研究 对信道衰落大的移动台有较大的发射功率。 具体而苦，c d m a 系统的功率控制策略包括了开环功率控制、内环功率控制 和外环功率控制，后两种属于闭环功率控制，这三种算法在实际系统中的功能各 有特点，它们相互结合就形成了系统整体的功率控制子系统。 开环功控：开环功控主要用于移动台的接入过程，是指移动台或基站根据接 收信号估计路径损耗，来决定自身的初始发射功率的功控过程。开环功控是粗控 的过程，因为不需要反馈，所以实现原理简单，但由于是一步到位的功控，造成 了不能对快变化信道进行较好的补偿。特别在f d d 系统，由于其上下行链路是在 不同的载频上，所以上下行信道衰落特性区别较大，而用上行( 或下行) 来补偿 下行( 或上行) 信道衰落的方法显然不够精确。图2 1 为上行链路开环功拄原理 图。 数撼 警k 圃咽_ 薹羔h 漱 隧 噍声城 多琏l ：抗 糕螭 襞| _ 鞔 援毂绣串l 魄擎嗣鬟i ，互l 沁褥鞠 ” 一蚪蜘攀掺翻 鎏萎卜匝删 图2 1 上行开环功率控制原理图 闭环功控：闭环功控是指蓦站( 或稳动台) 根据在上行( 下行) 链路接收到 的移动台( 或基站) 信号的强羁，产生功率控制命令，移动台( 或基站) 根据命 令对自身发射功率进行调整韵劝控过程。闭环功控嗣样可以分为：上行闭环和下 行闭环。 上行闭环功控按照实现的位置不同分为：内环功控和外环功控。内环功控又 称快速功控，是u t r a n 把实时测量的s i r 与目标信干比s i r t a t g e t 进行比较t 产 生发射功率控制命令( t p c ) ，u e 根据收到的t p c 进行功率调整。外环控制则是 通过检测接收端的某些衡量信道质量的澳 量量，如b l e r 、b e r 、f e r ，来动态 调整内环功控中的目标信干比s i r t a r g c t 的过程。上行链路闭环功控原理如图2 2 第一二章功率控制算法概述 所示。本文重点关注上行外环功控。 妞臣掌 蓉h 鬈5 忖憾 猫h ：i 倒i 悃- 1 ：； 一一囤恤华峨朋 蘸撼上 b 礤 嘏疆 蚓翁 率控制【 显h 茎：卜j 磊一篙裟函 图2 2 上行闭环功率控制原理图 除上述方法外，依据测量量、控制方式，功控策略又有不同分类1 6 ，7 8 j ： ( 1 ) 按照基于的测最量分 基于信号功率的功控：上行链路中，是指调整移动台的发射功率，使得不同 移动台到达基站的信号功率相同；下行链路中，是指调整基站的发射功率，使得 不同移动台接收到的基站的信号功率相同。 基于s i r 的功控：基于s i r 的功控是调整发射端的发射功率，使得接收端的 s i r 达到目标值的功控算法。以s i r 为参数的功率控制算法能更好的反映系统的 性能，如o o s 和系统容量。但是，s i r 算法也存在一个潜在的很严重的问题， 即正反馈导致危及系统的稳定性。当一个移动用户收到基站的要求提高发射功率 的命令后，就按指令提高它的发射功率以达到系统要求的s i r 值，然而，它的 功率的提高也同时增加了对系统中其他用户的干扰，这导致其他用户也不得不提 ；h f 一 薹：龇一川 c d m a 系统中的功率控制算法研究 高发射功率，如此导致循环使得整个系统的功率达到最大的极限值，这就严重危 害了系统的稳定性。 基于b l e r 、b e r 、f e r 的功控：b e r 定义为平均误比特数与原信息序列的 比特数的比值。如果信息信号和干扰信号的功率是保持不变的，那么b e r 与s i r 的作用是相同的。但是，实际情况是s i r 是时变的，因此s i r 的平均值不等于 b e r 的平均值。此时，使用b e r 比使用s i r 的性能更好。b l e r 表示误块率， 由于系统译码的单位是传输块，所以它比b e r 更能反映链路的质量。因为实际通 信系统中均使用信道编码，因此功率控制算法也可以使用误帧率( f e r ) 。 ( 2 ) 按照控制方式分 集中式：集中功率控制时，控制器掌握链接的建立和信道增益等全部信息， 并控制全部或部分网络的所有功率水平。集中功率控制需要网络提供额外的控制 信令，因此很难在实际中应用。它的意义在于可以给出分散功率控制算法的界限。 分布式：分布功率控制时，控制器仅仅控制一个发射机的功率，分布功率控 制算法是依靠本地得到的一些信息进行控制，这些信息包括被控制移动用户的 s i r 和信道增益等。分布功率控制算法在实际系统应用中表现出很好的性能，但 也不是完美无缺的，它仍然存在着诸如时延和信号的测量困难等我们所不希望的 问题。 由于集中式功控算法很难在实际环境中应用，所以关于集中式的算法研究较 少，其中，文献【1 l 】给出了一种新的集中式功控算法最佳删除算法( s o r a ) ， 该文分析了功控算法对系统的影响，给出了最佳算法的性能上界和仿真结果。相 对于集中式算法，分布式算法则得到了广泛的研究，文献【1 2 】对各种分布式功控 算法进行了系统的理论分析和仿真比较，并提出了一种具有较快的收敛速度和优 越的中断性能的改进分布式算法。文献【1 3 】则提出了基于载干比平衡的平衡分布 式功控算法。博士论文 1 4 1 则深入分析了分布式迭代功控算法，提出了构造、分 析迭代功控算法的通用框架，以及分析算法收敛性的一般方法。 将功率控制与其他关键技术相结合，可以更好的提高系统容量，这也是功控 算法研究的一个热点方向。文献【9 】中从控制系统分量的角度着重讨论了c d m a 系统功控算法步长的问题。多用户检测技术也是抑制系统干扰，提高系统容量的 有效技术，将它与功率控制结合起来的联合功控算法1 1 5 16 1 1 7 、1 8 】也褥到了较多的 研究。另外个研究较多的联合功控算法方向，是功率控制和速率控制的联合i i “ 2 0 2 1 l ，这是针对多业务的系统。还有其他一些方向，例如功率控制与非理想串行 f 扰消除技术相结合f 2 2 】也为联合功控算法开辟了新的分支。 自适应技术则具有很好的、快速的跟随信道变化的特点，非常适合应用于功 率控制算法中。硕士论文【2 7 】提出了一种记忆式可变步长的上行链路功控算法， 它采用了一个记忆模块来记录之前的t p c 命令，当收到的t p c 命令与上一t p c 第二章功率控制算法概述 1 3 命令不同时，则调整步长一个固定值( 文中为l d b ) ，且改变符号，当收到的命令 与上个相同时，调整步长则增加或减少一个固定值( 文中为0 2 5 d b ) ，符号不 变。该算法实现思路简单，但文中对于记忆模块的详细实现没有进行说明。文献 2 8 1 提出了一种乘性自适应算法的抽象框架。该算法的特点是综合了前n 次( n 0 ) 的t p c 命令来进行步长调整判决，而不是仅仅考虑当前t p c 命令，也就是加入 了步长调整趋势的有效信息，从而改善算法性能。根据参数取值不同，可以衍生 出不同的具体算法，而文献【2 9 】则是其中一种。以上都是在不改变t p c 命令形式 的基础上的新算法，文献【3 0 】则给出了一种增加t p c 命令携带的信息，从而得到 可变调整步长的算法，该算法的特点在于自适应的判断过程在n o d e b 侧完成，没 有增加u e 侧的负荷，但是t p c 命令占用b i t 数增加了，并且算法提出了命令状 态和状态间跳变的概念。文献【3 1 】则提出了将自适应和预测结合起来的一种新颖 算法。 预测作为一种信道估计手段也被应用于功率控制算法中。由于信道干扰在时 域上具有相关性，所以可以采用预测器进行下一时刻的信道衰落预测，并在此基 础上形成功率控制命令，来对衰落进行事先补偿。预测器可以为卡尔曼滤波器田j 或线性滤波器【抓2 5 1 。卡尔曼滤波器具有简单的递归结构，可应用于参数大范围变 化的条件下，能够提供以最小均方误差为标准的最优估计，而线性滤波器则具有 算法简单易实现的特点。硕士论文【2 6 】提出一种基于开环信道预测的功率补偿算 法，预测补偿算法利用以往多个帧时刻的导频信道衰落值，预测当前帧时刻的信 道衰落，据此调节t p c 命令，该算法主要针对深度快衰落有效提高系统容量。 功率控制对系统性能的影响分析也是很重要的一个方面，文献【3 2 】给出了利 用信干比进行功率控制的混台蜂窝系统反向链路容量的一般分析方法。文献1 3 3 1 对功率控制对系统容爨的影响进行了一定的分析。而文献 3 4 贝1 j 讨论了功率控制 算法中的几个影响算法性能的主要因素。 2 3t d s c d m a 系统中各信道的功率控制 t d s c d m a 系统中需要进行功率控制的物理信道有：上行导频信道 ( u p p c h ) 、下行导频信道( d w p c h ) 、主公共控制物理信道( p c c p c h ) 、辅公 共控制物理信道( s c c p c h ) 、物理随机接入信道( p r a c h ) 、快速物理接入信道 ( f p a c h ) 、专用物理信道( d p c h ) 。本文分别从上下行链路说明各个信道的功 率控制策略。 1 4 c d m a 系统中的功率控制算法研究 2 3 1 上行链路功率控制 ( 1 ) u p p c h ：上行导频时隙主要用于随机接入过程，采用开环功率控制，其 发射功率由下式确定： j k 篁，c c 跫抖p r xu 。唧缸+ ( n 一1 ) p式( 2 2 ) 其中： 三胍呦：表示u e 在p c c p c h 信道上演 得的路径损耗； p r z 。：表示n o d e b 在u p p c h 上的希望接收功率，用d b m 表示， 取值在b c h 上由系统消息广播，也可以在硬切换时用协议消息直接通过 信令告知u e ： p ：表示两次发送s y n c _ u l 之间的功率增量，由系统广播。在髓机接 入过程中，u e 每发一次新的s y n c - _ ul ，功率就以增量p 攀升； n ：表示发送s y n cu l 的次数； ( 2 ) p r a c h ：物理随机接入信道也主要用于随机接入过程，采用开环功率控 制，其发射功率由卞式确定： j k c h - 工n c m h + p r x m式( 2 - 3 ) 其中： p r x c ；表示n 嘲。b 在p r a c h 上的期望接收功率，该值在系统信息 中广播： ( 3 ) d p c h ：专用物理信道用于承载用户信息和控制信令。采用开环和闭环结 合的功控方式。初始发射功率由下式确定，为开环功控： e m 1p r x m p 口d c s + l c 咖 式( 2 4 ) 其中： 艘x 。8 。表示n o d c b 的期望接收功率。u e 一旦收到t p c 命令，就进 入闭环功率控制过程。 2 3 2 下行链路功率控制 ( 1 ) d w p c h ：下行导频信道主要用于小区搜索；采用开环功率控制。其发射 功率由下式确定t p 弼脚c ( 矗胁) 昌姗眦h 如( 棚) + ( o + ，脚柏x d b m ) + 。耐( d b ) + 式( 2 - 5 ) 其中： 第二章功率控制算法糨述 姗。：是保证下行导频信号能够被u e 检测到所需要的信噪比； 。：是有效的热噪声； ，：是小区边缘d w p c h 上的干扰功率； 三。：是最大链路传输损耗中值； ：是安全裕度。 ( 2 ) p c c p c h ：主公共控制物理信道为灯塔信道，采用开环功率控制。所有的 开环功率计算都是基于p - c c p c h 的发射功率p p 一。，该功率值是在广 播消息中发送，u e 在