（通信与信息系统专业论文）wimax系统功率控制方法研究.pdf

摘要 基于i e e e8 0 2 1 6 e 协议的移动w i m a x ( 微波接入全球互通) 以o f d m a ( j ! 交 频分复用多址接入) 和m i m o ( 多输入多输出) 为核心技术，在新一代无线通信系统 中占有重要的地位。 w i m a x 系统采用频率复用技术来扩大系统容量，对于频率复用因子为1 的 w i m a x 组网方式，所有扇区工作在相同的频率，不同扇区之间会存在严重的同频 干扰。功率控制技术能节省w i m a x 系统发射端功率、抑制w i m a x 系统中同频 干扰。 本文通过w i m a x 静态系统仿真平台来评估w i m a x 功率控制的性能，主要工 作和研究成果有： 1 使用m a t l a b 仿真软件搭建了w i m a x 静态系统仿真平台，对其中影响 功率控制评估的主要模块进行了设计； 2 为了在静态仿真平台中对功率控制的作用进行评估，使用了功率控制迭 代的方法，对上行链路功率控制在w i m a x 系统中的作用进行仿真； 3 仿真分析目前已有的上行链路功率控制算法，在此基础上，提出了一种 优化选择目标信干噪比( s i n r ) 的上行链路功率控制方法，仿真结果表明： 本文提出的算法有效地降低了w i m a x 系统的干扰水平，在保证覆盖效率 的同时提高了w i m a x 系统的吞吐量； 4 基于w i m a x 下行链路功率控制的特点，对w i m a x 下行链路功率控制性 能进行了仿真。 关键词：w i m a xi e e e8 0 2 1 6系统仿真功率控制 a b s t r a c t w i m a x ( w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ) ，b a s e d0 1 1t h ei e e e 8 0 2 1 6s t a n d a r ds u i t e ，a d o p t st h et e c h n o l o g i e so fo f d m a ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) a n dm i m o ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) ，a n dp l a y sa n i m p o r t a n tr o l ei nt h en e x tg e n e r a t i o no f c o m m u n i c a t i o n w i t ht h el i m i t a t i o no ff r e q u e n c yr e s o u r c e s ，t h ef r e q u e n c yf a c t o ro fs o m eo ft h e w i m a xs y s t e mi s1 s ot h e r ei ss e r i o u sc o c h n n n e i n t e r f e r e n c eb e t w e e nd i f f e r e n t s e c t o r s 。t h et e c h n i q u eo fp o w e rc o n t r o lo ft h ew i m a xc a l ls a v et h ep o w e ro ft h e t r a n s m i t t e ra n dr e s t r a i nt h ec o c h a n n e li n t e r f e r e n c eo f t h es y s t e m i nt h i st h e s i sw es e tu paw i m a xs m i l es y s t e ml e v e ls i m u l a t i o np l a t f o r mb a s e d o nt h ep l a t f o r mw es t u d i e dt h ep e r f o r m a n c eo ft h ew i m a x p o w e rc o n t r 0 1 t h em a i n w o r k sw ed oa r ea sf o l l o w s ： 1 t h et h e s i ss e tu pt h ew i m a xs t a t i cs y s t e m1 e v e ls i m u l a t i o np l a t f o r mu s i n g m a t l a b ，a n dd e s i g n e dt h ei m p o r t a n tm o d u l e st h a ti n f l u e n tt h ep e r f o r m a n c e o f t h ep o w e rc o n t r 0 1 2 i no r d e rt oe v a l u a t et h ep o w e rc o n t r o lu s i n gt h ew i m a xs t a t i cs y s t e ml e v e l s i m u l a t i o n , t h i st h e s i sa d o p t e dt h ei t e r a t i v ep o w e rc o n t r 0 1 b a s e do nt h e i t e r u t i v ep o w e rc o n t r o l ，t h i st h e s i ss i m u l a t e da n da n a l y z e dt h eu p l i n kp o w e r c o n t r 0 1o f t h ew i m a x 3 b a s e do nt h es i m u l a t i o na n da n a l y s i s ，t h i st h e s i sp u tf o r w a r dan e wp o w e r c o n t r o lm e t h o dt h a td i v i d e dt h et a r g e ts i n r ( t h er a t i oo fs i g n a l t o i n t e r f e r e n c ea n dn o i s e ) i n t om o r ep a r t s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i s m e t h o dd e c r e a s et h ei n t e r f e r e n c eo ft h ew i m a xs y s t e me f f e c t i v e l y , a n d i n c r e a s et h et h r o u g h p u tw i t h o u tt h el o s so f c o v e r a g e 4 t h i st h e s i sa l s os i m u l a t e dt h ep e r f o r m a n c eo fw i m a xd o w n l i n kp o w e r c o n t r 0 1 k e y w o r d s ：w i m a x i e e e8 0 2 1 6s y s t e ms i m u l a t i o n p o w e rc o n t r o l 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，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 本人签名：耋! 塑旦 本人承担一切的法律责任。 日期 加了弓1 1 西安电子科技大学 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。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。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。( 保密的 论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：耋画! 塑 导师签名：因荭。一 日期三竺! ：三：l j 日期湖屋；fi 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着社会信息化地不断推进及通信技术地快速发展，用户对信息业务的需求 日益丰富，以互联网业务为代表的宽带多媒体数据业务正成为网络业务发展的主 流，宽带用户的数目在全球呈现非常强势的增长势头。因此，构建宽带化、全业 务、智能化的现代通信网络已成为大势所趋。而通信网络的宽带化不仅需要拓展 广域网、城域网干线网的宽带，而且要解决好接入网的宽带问题，目前随着通讯 技术的逐渐成熟，光网络的大量应用，广域和城域主干网的建设发展呈现出良好 的趋势并颇具规模。而接入网作为新一代网络建设的投资重点，传统的接入方式 已成为新一代网络建设的瓶颈，近年来也出现了光纤接入、x d s l 4 数字用户线路1 、 以太网接入和无线接入等新兴接入来解决宽带网络的“最后一公里”问题。 近年来，在众多的宽带接入技术中，无线宽带接入技术成为最大亮点，是构 成未来通信技术的重要组成部分。无线通信技术一方面满足了用户在移动状态下 获取网络信息的强烈需求，符合当今社会人员流动性大、工作节奏紧张的发展趋 势；另一方面，无线通信技术具有网络部署迅速便捷的特点，对于缺乏线缆资源 的新兴运营商来说，无线技术是成功部署通信网络，迅速为用户提供语音和数据 服务的最佳手段。 国际电子工程师协会( t h ei n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e t s i e e e ) 根据无线宽带接入网的传输距离将它们分成四类，分别是无线个域网 w p n ( w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ) 、无线局域网w l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k ) 、无线城域网w m a n ( w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k ) 和无线广域网 w 、张n f w i r e l e s sw i d e a r e a n e t w o r k ) 。表1 1 给出了各类接入网的各种具体技术及 它们的一些数据。其中，w i m a x ( w o r l d i n t e r o p e r a b i l i t y f o r m i c r o w a v e a c c e s s ) 技术 是作为一种新兴的w m a n 技术，以其优异的性能倍受关注。 w i m a x 系统基于8 0 2 1 6 标准，其技术定位是在城域网中实现无线环境下高 速数据接入。该技术涉及两个国际组织的工作：i e e e8 0 2 标准委员会8 0 2 1 6 工作 组和w i m a x 论坛。i e e e8 0 2 1 6t 作组是标准的制定者，w i m a x 论坛是i e e e 8 0 2 1 6 技术的推广者1 2 j 。 w i m a x 系统功率控制方法研究 表1 1 几种无线接入网技术比较 性能w p a nw l a nw m n w w a n h d ab l u ei 脚8 0 2 1 1 b 8 0 2 1 l g w c d m ac d m aw i m a x t o o t l l 2 0 0 08 0 2 1 6 e 传输速率 “ l1 1 0 1 1 5 4 2 3 1 3 0 ( m b p s ) 传输距离 1 功1 0 ml o m 1 0 0 m 1 0 0 ml k m1 k m 1 k m 起始时间 1 9 9 31 9 9 82 0 0 3 1 9 9 9 2 0 0 3 2 0 0 0 2 0 0 0 2 0 0 5 1 2w t m a x 标准的演进 w i m a x 主要是向市场推广i e e e 新的无线通讯标准i e e e8 0 2 1 6 ，不过它现在 已经成为i e e e8 0 2 1 6 的代名词。i e e e8 0 2 1 6 工作组成立于1 9 9 9 年，其主要目标 是制定b w a ( b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s ) 宽带无线接入标准、开发无线接入系统( 工 作频段为2 6 6 g h z ) 空中接口规范同时开发与空中接口协议相关的一致性测试 规范，以及不同无线接入系统之间的共存规范。表1 2 给出了i e e e8 0 2 1 6 空中接 口相关标准的一些信剧”。 表12i e e e8 0 2 1 6 空中接口相关标准【3 空中接口标准 覆盖的技术领域状态 正e e8 0 2 1 6 固定宽带无线接入系统空中接口标准( 1 0 - , 6 6 g h z ) 2 0 0 1 1 2 发布 i e e e8 0 2 1 6 a 固定宽带无线接入系统空中接口标准( 2 l i g h z )2 0 0 3 0 1 发布 i e e e8 0 2 1 6 c 固定宽带无线接入系统关于兼容性的增补文件( 2 5 6 g h z ) 2 0 0 2 发布 正e e8 0 2 1 6 d 固定宽带无线接入系统空中接口标准( 2 伽h z ) 2 0 0 4 0 6 发布 ( 对前面标准的修订) i e e e8 0 2 1 6 e 支持固定和移动性的宽带无线接入空中接口标准( 2 6 6 g h z )2 0 0 5 1 2 发布 1 - 3 w i m a x 的应用 根据8 0 2 1 6 e 协议的特点，在固定状态下，w i m a x 的最大覆盖范围是5 0 公 里，最大数据速率可达7 5 m b i 魄。在移动状态下，w i m a x 小区半径最大为5 公里， 最大数据流可达3 0 m b i t s 。因此w i m a x 技术具有非常广阔的应用前景1 1 1 1 3 】。 ( 1 ) 固定接入方面的应用 这是w i m a x 应用最基本的业务模型，有点类似于固定d s l 或电缆宽带的业 务，它也是后者的有力竞争者。这种方式并不支持便携式连接或切换。在无线口 第一章绪论 宽带连接建立之前，必须进行鉴权或授权。而接收终端一般为小盒子，并配有室 外型的o d u ( o u t d o o r u n i t ) 和天线。此部分在2 0 0 7 年实现规模商用。如中国电信、 中国网通这样的固话网运营商，可以用w i m a x 给郊区、农村等不适合铺设有线接 入网的地区提供宽带网络。目前已经有英国电信、法国电信、德国电信使用这种 w i m a x 技术提供无线接入服务测试和商用。 ( 2 ) 游离式接入方面的应用 这是固定接入方式的下一个阶段。这时，终端可以从不同的点接入，并可与 固定接入方式同时使用，但这时还不支持不同基站之问的切换。 ( 3 ) 便携式接入方面的应用 这是游离式接入应用发展的下一个阶段，可以实现步行速度下的接入，并具 有有限的切换能力。当终端静止不动时，其应用模型与游离式业务相同。这种应 用模式主要面向的是家庭和商务人士市场，终端可以为p c m c i a ( p e r s o n a lc o m p u t e r m e m o r yc a r di n t e r n a t i o n a la s s o c i a t i o n ) 卡，可放置在便携机里，市场容量较大。根 据w i m a x 的发展计划，其规模商用时间估计要至u 2 0 0 7 年以后。 ( 4 ) 全移动接入方面的应用 这是w i m a x 发展的最终应用，也是w i m a x 应用的主要目标之一。在这种应 用模式下，可以漫游切换，并支持普通车速移动下无中断的无线接入的应用，是 面向个人用户的，类j 以p d a ( p e r s o n a ld i s t a la s s i s t a n t ) 等的移动终端市场。作为一 种与3 g ( t h et h i r dg e n e r a t i o n ) 竞争的技术，其市场容量巨大，据w i m a x 预测，其 规模商用可能需要在2 0 0 8 年以后。 1 4 功率控制技术发展现状 无线节点在功率控制过程中，往往并不知道网络中所有节点的功率信息，它 们只能使用局部的信息，专注于自己的调节，而无法顾及其它节点的功率调节行 为，无线节点只跟当前归属小区中的基站联系，通过二者之间的信息交互，调节 各自的功率水平，即使在a d h o e 网络中，节点功率的调节也同样只能依赖它与周 围的有限的节点的局部信息交流。另外，各个节点的功率调节行为相互之间是独 立的( 或者只有临近的几个节点有关联) ，没有一个全局的时钟同步所有节点的调节 行为，因此网络中的功率控制是局部和异步进行的1 4 j 。 在c d m a ( c o d e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) 移动通信系统中，各个用户的区分是 依靠相互正交的伪随机码，即多个用户在同一时隙、同一频率上进行通信。由于 移动环境中存在多径传播，造成各用户的伪随机码不能严格同步，彼此之间引起 的多址干扰( m a i ) 是制约系统容量的因素，因而c d m a 是一个干扰受限的系统， 4 w i m a x 系统功率控制方法研究 即系统的容量和性能主要取决于系统中的干扰状况。因此，为了保证系统的设计 容量和性能，必须采用严格的功率控制技术饽“】。 t d s c d m a ( t i m ed i v i s i o n s y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 采用了 智能天线和联合检测等空时处理技术，在有智能天线的情况下，功率控制的平衡 点方程变得复杂，传统的功率控制建模方法己经不再适用。这种情况下的功率控 制算法建模必须与具体的智能天线算法相关。联合检测可以降低c d m a 系统中的 远近效应，动态改变链路的增益，但其具体效果与功率控制实现方法有很大的关 系。 和c d m a 系统不同，o f d m a 系统小区扇区之间的同频干扰是制约系统容量 的主要因素，功率控制技术是o f d m a 系统中抑制干扰的一个有效办法，具有重 要的意义。w i m a x 系统以o f d m a 技术为核心，协议i e e e8 0 2 1 6 e 对w i m a x 系统中的功率控制实现方法和功率控制的相关控制信息进行了详细描述，足以说 明功率控制对于w i m a x 系统是十分重要的。 1 5 本文所作的主要研究工作和章节安排 论文通过搭建w i m a x 静态系统仿真平台，研究了w i m a x 系统上行链路的 功率控制的作用，分析了已有上行链路功率控制算法的优缺点，在此基础上，提 出了一种优化选择目标信干噪比的上行链路功率控制方法：仿真分析了w i m a x 系统下行链路功率控制的特点。 论文章节安排为： 第一章对w i m a x 技术的发展和应用进行了描述，介绍了功率控制技术的发 展现状。 第二章对w i m a x 系统及其功率控制技术进行了介绍。 第三章设计了w i m a x 静态系统仿真平台，对其中的几个重要模块的建模进 行详细描述。 第四章仿真分析了w i m a x 上行链路功率控制的作用，仿真分析了目前已有 的功率控制方法，在此基础上提出了一种优化选择目标信干噪比的上行链路功率 控制算法，并进行了计算机仿真；最后仿真分析了w i m a x 系统下行功率控制的 特点。 最后对本文的主要结论进行了总结。 第二章w i k t x 系统及其功率控制介绍 第二章w i m a x 系统及其功率控制介绍 2 1w i m a x 使用的核心技术及其特点 w i m a x 是一种无线宽带解决方案，通过宽带无线接入技术和灵活的网络架构 把移动和固定的宽带网络结合起来。w i m a x 空中接口采用了正交频分多址接入 ( o f d m a ) 技术，改善了非视距多径传播环境，i e e e 8 0 2 ，1 6 e 版本中被引入了可升级 的o f d m a ( s o f d m a ) 技术，依此来支持灵活选择1 2 5 2 0 m h z 之间的信道带宽 9 】。 w i m a x 在无线接入技术和网络架构两个方面提供了灵活性，因此给网络的部 署提供很多可选择佳，下面是w i m a x 技术的突出优点： ( 1 ) 高数据速率。m i m o 天线、灵活的子信道化、功率控制、a m c ( 自适应调 制编码) 技术使1 0 m h z 带宽w i m a x 的每扇区下行链路峰值数据速率达到 6 3 m b p s ，上行链路峰值数据速率达到2 8 m b p s 。 ( 2 ) 服务质量( q o s ) 。m a c 层定义了用一组q o s 参数来标识的服务流。子信道 化和m a p ( 映射1 机制实现了空闯、频率和时间资源的最优调度。 ( 3 ) 灵活性。w i m a x 技术可以在i 2 5 2 0 m h z 之间灵活选择信道带宽，以此 来达到长期的频谱协调。对于特殊场景提供了各种简便的实现方法，例如 偏远地区的无线网络接入和大城市需要提高容量的移动宽带接入就可以 使用不同的信道带宽。 ( 4 ) 移动性。w i m a x 支持切换机制，切换延迟小于5 0 m s ，以此来满足v o 口 等实时性要求较高的业务。 w i m a x 与e v d o ( e v o l u t i o nd a t ao p t i m i z e do r e v o l u t i o nd a t ao n l y ) 和 h s p a ( h i g l ls p e e dp a c k e t a c c e s s ) 系统的相同之处在于：采用了先进技术来提高数据 吞吐量，这些先进技术主要包括功率控制、a m c ( a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n 9 1 、 h a r q ( h y b r i da u t o m a t i cr e t r a n s m i s s i o nr e q u e s t ) 和快速调度( s c h e d u l e ) 等。w i m a x 技术和e v d o 、h s p a 不同之处在于：w i m a x 系统采用o f d m o f d m a 技术， e v d o 和h s p a 采用c d m a 技术。o f d m a 技术实际上是3 g p p 3 g p p 2 ( 3 g p a n n c r s h j pp r o j e e t 3 gp a r t n e r s h i pp r o j e c t2 ) 的一个解决方案，被建议为4 g ( t h e f o u r t hg e n e r a t i o n ) 的标准。w i m a x 可以动态调整上下行链路的带宽比例，使不同 宽带要求的通信得到满足。w i m a x 依赖其结构灵活、数据速率高、网络部署费用 低等特点，在移动宽带无线接入中占有重要的地位【】0 1 。 6 w i m a x 系统功率控制方法研究 2 2w i m a x 系统定位 w i 燃系统不同的角度的定位说明： ( 1 )从宽带接入技术上看，w i m a x 系统使用o f d m 多载波调制技术和 o f d m a 多址接入技术，m i m o 、a a s ( 智能天线) 等高级天线技术。 f 2 1从应用于城域网上看，w i m a x 系统的传播环境为非视距传输，扇区可 以采用同频组网或者异频组网。 ( 3 )从移动角度上看，w i m a x 系统支持切换技术，支持i d l e , ( 空闲模式) 、 s l e e p ( 休眠模式) 、功率控制等省电技术的应用。 ( 4 )从与3 g 技术的关系上看，w i m a x 系统与3 g 系统共存互补。 2 3w i m a x 系统的链路自适应技术 无线链路的衰落特性具有三个特征： ( 1 ) 时间选择性衰落：由多普勒频移引起，属于快衰落； 但)频率选择性衰落：多径衰落，属于快衰落； ( 3 )空间选择性衰落：路径损耗和阴影衰落，属于慢衰落。 克服无线链路的衰落的方法： ( 1 )信道估计：物理层技术，抑制快衰落 ( 2 )自适应调制编码( a m c ) ：抑制慢衰落和快衰落： 口)功率控制：抑制慢衰落。 信道估计、自适应调制编解码、功率控制是w i m a x 系统的链路自适应技术， 其中信道估计属于物理层技术，通过链路仿真方法可以评估信道估计算法的性能。 自适应调制编码在链路自适应过程中，根据信道的环境，采用不同的突发属性( 调 制编码速率) ，信道环境改变后，基于s i n r ( 信干噪比) 和r s s i ( 信号强度指示) 等测 量结果，调整突发特性。功率控制技术的采用有两个目的，一是为了节省能量消 耗，二是为了抑制上下行链路的同频干扰。上行链路功率控制又分为两种方式， m s ( m o b i l es t a t i o n ) 自主调整发射功率的开环功率控制和b s ( b a s es t a t i o n ) 根据测量 结果指示m s 调整发射功率的闭环功率控制。在w i m a x 系统中功率控制和a m c 技术是密不可分的技术，功率调制信息主要依据突发属性进行，功率调整影响突 发的属性。 2 4w i m a x 系统的上行链路功率控制技术 功率控制，作为w i m a x 的一项重要的链路自适应技术，目的是克服无线信 第二章w i m a ) 【系统及其功率控制介绍 道慢衰落和同频干扰对信号质量的影响。 c d m a 系统为了克服小区内( i n t r a - c e l l ) 的远近效应，采用功率控制技术使一个 小区内的所有用户到达b s 的功率相同。对于o f d m a 系统，远近效应的作用不明 显，同时由于频点资源有限，小区间( i n t e r - c e l l ) 的同频干扰是制约网络性能的一个 重要因素。因此，在o f d m a 系统中采用功率控制技术来抑制小区间的同频干扰 水平，提高覆盖、吞吐量等系统性能。 在w i m a x 系统中，为了保持b s 端功率密度与每个m s 的调制编码速率一致， b s 通过功率校正信息和b s 指定的调制编码速率改变m s 发射功率水平。然而， 在很多情况下，m s 应自动更新其发射功率，而不是由b s 指定。在m s 采用公式 ( 2 1 ) 自动调整发射功率“。 只，= e 。，+ ( c r 删一c 乙，) 一( 1 0 9 1 0 ( r # 。) 一l o g l o ( r j o 。，) ) + q 够酣( 2 1 ) 其中，气是当前发射功率，是前一次采用的发射功率，c 一是新的调 制编码速率对应的标准化c | ，c 。，是前一次的调制编码速率对应的标准化 c ，r 一是新调制编码速率的副本次数，r 。是前一次调制编码速率的副本次 数，o f f s e t 是前一次b s 发送的功率校正项的累计值。归一化c 是每种调制编码 速率要达到一定的误码率要求时所需的最小接收信千噪比，归一化c 由b s 进 行维护。 w i m a x 功率控制的基本方法包括开环功率控制和闭环功率控制，开环功率控 制中，m s 测量到b s 的衰落大小，并根据这个衰落值调整自身的发射功率。闭环 功率控制中，m s 根据b s 反馈的功率调整指令来调整自身的发射功率，闭环功率 控制的过程如图2 1 所示【l ，s i n r 是b s 测量到的接收端信干噪比，s i n r o 与式( 2 一1 1 的c n 具有相同的意义。闭环功率控制较精确，但是增加反馈开销，时延较大， 速度较开环功率控制馒，开环功率控制不需要反馈消息，时延较小，但是相对于 闭环功率控制不够精确。 w i m a x 系统功率控制方法研究 ! 基站f需茎器蒌譬功p 鼍i ：! 禳8 图2 1 闭环功率控制流程 2 5w i m a x 系统的下行链路功率控制技术 w i m a x 系统由于资源分配的灵活性，下行链路中，可以根据突发数据经历的 信道衰落环境的不同，调整下行子帧时频资源块的发射功率水平，这就是i e e e 8 0 2 1 6 e 协议提到的突发数据功率b o o s t i n g ，这是w i m a x 系统下行功率控制的特 点所在。 图2 2 为w i m a x 系统的物理层帧结构，下行链路子帧由占据矩形资源块的多 个数据突发( b u r s t ) 组成，每个突发使用确定的调制编码速率，i e e e8 0 2 1 6 e 协议规 定，可以对每个突发的发射功率进行b o o s t i n g ，b o o s t i n g 的范围为一1 2 d b 到9 d b ， b o o s t i n g 的步长为3 d b ，即下行矩形突发的发射功率只能取离散的值“。 竺! 坐! 竺型竺! 竺堕 - 二 图2 2t d d 模式下w i m a x 系统物理层帧结构 。喜ie i三一lc王。崎* 第二章w i , x 系统及其功率控制介绍 2 6 本章小节 本章分析了w i m a x 系统主要技术的特点和w i m a x 技术的定位，w i m a x 作为一种无线宽带通信系统，其链路自适应技术包含信道估计，自适应调制编码 和功率控制等方面。本文主要研究其中的功率控制技术，分别对w i m a x 系统的 上下行链路功率控制的基本思想进行了简单描述。 第三章w i 砌t x 系统仿真建模 第三章w i m a x 系统仿真建模 通信系统仿真通常分为链路仿真和系统仿真两大类【】4 】。链路仿真关注的是发 射机与接收机之间的单一链路。即基站和移动台的空中信道环境，主要针对物理 层解调译码性能的仿真。系统仿真的目标是评估整个系统的总体性能，需要考虑 到所有用户和基站之间的多个链路。系统仿真基于链路级仿真的性能，建模系统 环境、算法，对整个系统的性能如覆盖，流量、容量等进行评估【l 。 w i m a x 系统仿真分又分为w i m a x 静态系统仿真和w i m a x 动态系统仿真两 类，静态仿真的原理是采用蒙特卡罗( m o m e c a r l o ) 方法，在特定的配置下，静态仿 真产生不同的场景( 快照) ，并通过迭代过程达到稳定状态。通过统计多次的快照的 性能进而统计出系统平均性能。静态仿真中，时间是固定的，静态仿真平台多用 于分析系统的组网性能以及网络吞吐量、覆盖效率的统计。动态系统仿真模拟真 实的网络运行，可以用来仿真时延、业务抖动等系统性能，其实现复杂度比静态 仿真要高。 本文中措建仿真平台的目的是为了评估w i m a x 系统中功率控制的作用，可 忽略高层的e r m 算法，为了简化设计，本文中采用静_ ( r a d i o r e s o u r c em a n a g e m e n t ) 态系统仿真方法对w i m a x 系统功率控制进行评估。 3 1w i m a x 静态系统仿真的参数设置及实现流程 3 1 1 系统仿真主要参数设置 w i m a x 系统仿真的参数配置分为三个主要部分，其一是w i m a x 系统参数， 包括天线模型、天线增益、m s 和b s 的最大发射功率等。在m s 使用全向收发天 线，b s 使用定向收发天线，定向收发天线的模型为： 印卜斗加 p ， 其中，- 1 8 0 f ；，) 。所有值中减去最小值，得到的第n 条路径的时延o 。 厂， o = z f l o o ，1 卫i 卫+ 0 5j ，”= l ，n ( 3 9 ) l 1 ， j 其中f l o o r ( x ) 是x 的整数部分，l 为采用间隔，时延顺序为f 。 f h f ，= 0 ( 见 1 8 q b5 3 1 节最后的n o t e s l 和n o t e s 2 ) 。 s t e p 5 ：确定n 条路径的每条路径的随机平均功率。非标准化的功率由式( 3 1 0 ) 给出： (1、-ros)(rf)，-。r0) 只= e “ 1 0 - 5 月1 0 n = ，1 ，6 ( 3 - 1 0 ) 其中善。= 1 ，6 ) 是独立同分布的高斯随机变量，标准差为口。= 3 始，它是阴影 衰落在每径功率上的随机化影响。注意功率是由非量化的信道时延确定的。平均 功率被标准化，这样所有六条路径总的归一化功率等于： d 只2 i 弓( 见 1 8 】中c i a u s e 5 3 l 最后的n o r e 3 ) ( 3 - 1 i ) j 一，= 1 1j s t e p 6 ：产生n 条路径每条路径的a o d ( 离开角) 。先产生独立同分布的零均值 高斯随机变量： 一7 7 ( 0 ，0 2 ) ，n = 1 ，( 3 1 2 ) 其中盯m d = 盯s ，的值由 1 8 中t a b l e5 1 给出，根据城区或郊区环境而 变。角度扩展a s 由s t e p 3 产生，这些变量的单位为度。顺序是 w i m a x 系统功率控制方法研究 1 。) l i ：) i l ) l 。以d ，h = 1 ，n 按这个顺序，且最。= 反。) ，n = l ，n ( 见 1 8 】中5 3 1 节最后的n o t e s4 ) 。 s t e p 7 ：将多径的时延和a o d 联系起来。第n 条路径的时延f 。由s t e p 3 产生， 第n 条路径的a o d 吒。由第6 步产生。 s t e p 8 ：确定b s 端的 r 条路径中每条路径的2 0 条子径的功率、相位、a o d 偏移。一条路径中的所有的2 0 条子路径有着相同的功率( p n 2 其中e 由s t e p 5 得 到) ，独立同分布相位中服从0 3 6 0 度的均匀分布。第m ( m = l ，m ) 条子径相 关偏移一。d 孟d 的值在 1 8 中t a b l e 5 2 中给出。例如，在城区和郊区宏小区情况， 第一和第二子路径的偏移值n i , a = 0 0 8 9 4 。和n = - - 0 0 8 9 4 。这些偏移产生 期望的每径角度扩展( 宏小区是2 度，微小区是5 度) 。第疗路径的每径角度扩展与 条路径信号的合成的角度扩展盯形成对比。 s t e p 9 ：确定每径a o a ( 至i 达角) 。a o a 是独立同分布高斯随机变量 以“7 7 ( 0 ，吒2 m ) ，万= 1 ，n ( 3 - 1 3 ) 其中，盯“= 1 0 4 1 2 ( 1 一e x p ( - o 2 1 7 5 1 1 0 1 0 9 1 0 ( p ) 1 ) ) ，由s t e p 5 得到( 见【1 8 中5 3 1 节的n o t e s5 1 。 s t e p l 0 ：确定m s 端条路径中每条路径的2 0 条子径的a o a 偏移。正如s t e p 8 中a o d 偏移- 第m 条子径的相关偏移见 1 8 q b 的t a b l e5 2 。这些偏移得到 的每径角度扩展为3 5 度。 s t e p l l ：将b s 和m s 的路径和子路径结合。b s 的第n 条路径( 时延f 。，功率， a o d 6 。) 与m s 端的第n 条路径( a o a 以。) 结合起来。对于一对第 条路径， b s 的m 条子径( 由偏移。d 凸定义) 和m s 的子径( 由偏移。定义) 随机组成一 对。每一对子径结合确定s t e p 8 中的相位。为了简化符合，如果b s 的第一个 子径( m = 1 ) 与m s 第l o 个子径( 所= l o ) 组队，那么可把组对前的疋j 。重新写为 组对后的以。 s t e p l 2 ：确定b s 、m s 子径的端天线增益，是子径a o d 和a o a 的函数。对 于第n 条路径，第n l 条子径的a o d ( 相对于b s 天线阵列的边界) 为 色“= 十以。+ 。相似的，第n 条路径的第i n 子径的a o a ( 相对于 m s 天线阵列的边界) 纯。= + 最。+ 。天线增益依靠这些子径的a o d 和a o a 。对于b s 和m s ，天线增益为( 只。n d ) 和g k ( 见刖j ) 。 s t e p l 3 ：第h 条子径的冲击相应 = 事薹 厄万= j 唧( ms i n ( 已。) + m ) x 厄玎瓦：习唧( 腻s i n ( 乱。) ) e x p ( 弦l l v c o s ( 见。一r ) ( 3 1 4 ) 第四章w i m a x 静态系统仿真平台中功率控制的实现 其中，“和s 分布是m s 和b s 端天线的序号，七( 后= 2 # t ) 5 b 、波数，d ，为b s 端天 线s 到参考天线的距离( 以1 1 1 为单位) ，d 。为m s 端天线“到参考天线的距离( 以1 1 1 为单位1 。 3 5 系统仿真输出和系统性能 多用户系统中，每个扇区存在多个用户，时频和功率资源被多个用户使用， 和单用户比，多用户系统每个用户的数据速率降低【2 i 】。例如在一个系统中，共享 信道可达到的峰值速率是2 l v e o p s ，这个信道可以覆盖小区中9 9 的区域，如果一 个用户携带的是速率为2 m b p s 的视频业务，那么如果这个用户得到服务( 可能将 持续长达一个小时) ，其它用户将得不到任何服务。因此，在这个例子里，9 9 的 区域被视频业务占据，这个服务不具有可行性，因此用户的覆盖性能必须和容量 结合起来评估多用户系统性能，不能只通过覆盖效率或者只通过系统容量来评估 系统性能，覆盖效率和容系统量之间是折衷关系【i ”。 在本系统仿真平台中，使用到的评估系统性能的参数为：覆盖、系统的吞吐 量、系统的频谱效率、调制编码速率的覆盖图、s i n r 的c d f ( c u m u l a t i v ed e n s i t y f u n c t i o n ) 曲线、发射功率的c d f 曲线、l o t ( i n t e r f e r e n c e o v e r t h e r m a l ) 的c d f 曲线。 覆盖效率和系统的吞吐量结合在一起评估系统系能，覆盖效率为达到某个面 积覆盖百分比时，系统能够达到的最大小区半径。系统吞吐量定义为一个小区扇 区在某种调度算法下每秒中正确发送或接收到的信息比特数。系统的频谱效率在 系统吞吐量已知的基础上通过计算得到，计算公式为： e c te：dlsystemdatathroughput(3-1dlsitesp t r a l e f f i c ic y s 1e ”= 5 1 ，b t a l s i t e b w a l l o c a t e d t o d l d 也可以用公式，= i 争计算，只是每小区扇区的吞吐量，占睨是有效信道 1 j w 酊 带宽，b = b w t r ，b w 是信道带宽，豫是链路的比例。例如，对于f d d 系统t r 是1 ，对于t d d 系统，如果d l ：u l = 2 ：1 ，那么对于下行链路来说t r = 2 3 ， 对于上行链路来说t r = 1 3 。 调制编码速率的覆盖图是在图3 5 所示的中心小区簇上，画出1 9 个小区所在 的区域中，每种可选的调制编码速率可能覆盖的区域。需要仿真多次快照才能体 现统计特性，输出仿真结果。 s i n r 的c d f 分布曲线反映出系统接收信干噪比的分布情况，发射功率的c d f 曲线反映系统中用户发射功率大小的分布情况，l o t 的c d f 曲线反映系统的干扰 水平。这三个c d f 曲线都是分析系统系能的有效方法。本文所描述的系统仿真平 台的曲线分布如图3 8 ( a ) 、( b ) 、( c ) 所示。图3 8 ( a ) 是上行链路l o t 的概率分布曲线， w i m a x 系统功率控制方法研究 可以看到7 5 左右的用户的l o t 水平都小于8 d b ；图3 8 ( b ) 是上行链路m s 发射功 率的概率分布曲线，可以看到9 5 左右的用户的发射功率小于5 0 m w ；图3 8 ( c ) 是 下行链路s i n r 的概率分布曲线，可以看到8 0 多