（通信与信息系统专业论文）3g通信系统功率控制的研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 码分多址( c d m a ) 技术被认为是3 g 系统的代表之一，它具有其它多址技 术不可比拟的优越性。但同时，c d m a 系统是一个干扰受限系统，各种干扰 影响了系统容量以及用户的通信质量。因此，在c d m a 网络优化的过程中 如何克服干扰、提高系统容量，己成为c d m a 系统中一个迫切需要解决的问 题。功率控制技术正是为解决这一问题被提出的，它可以克服系统远近效应 以及边缘效应，最终提高系统容量和用户服务质量。 本文首先对功率控制技术的基本原理、实现方法以及研究现状进行了讨 论分析。然后在此基础上提出了自适应变步长闭环功率控制算法，同时给出 的自适应变步长闭环功率控制算法利用r a k e 接收机跟踪信道的变化，与传 统的固定步长闭环功率控制相比获得了较小的标准差。 总之，本文的自适应变步长功率控制算法可获得不同的功率控制步长以 更好的跟踪信道的变化，使得发射功率能够快速并准确地补偿信道的衰落， 对c d m a 网络有一显著的改善。 关键词：码分多址；功率控制；自适应 哈尔滨工程大学硕士学位论文 j-i t i ；i i i ；i ；i ；i i ；i i ；i i 昌；宣宣；i ；i 宣宣置 a b s t r a c t c d l v i ai so n eo ft h ep r o m i s i n gt e c h n o l o g i e sf o rf u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m i t s s e v e r a lf e a t u r e sc a nn o tb ec o m p a r e dw i t ho t h e rm u l t i p l ea c c e s s t e c h n o l o g i e s a t t h es a m e t i m e ， c d m ac o m m u n i c a t i o n s y s t e mi s a l l i n t e r f e r e n c el i m i t e ds y s t e m ，t h a ti st os a y ，v a r i o u st y p e so fi n t e r f e r e n c ec a i l i n f l u e n c et h ec a p a b i l i t yo ft h es y s t e ma n dt h eq u a l i t yo fs e r v i c eo fu s e r si nt h e s y s t e m s od i r e c t l yh o w t oo v e r c o m ei n t e r f e r e n c e sh a sb e c o m ea nu r g e n tp r o b l e m i i lt h ec d m a s y s t e m p o w e rc o n t r o lt e c h n o l o g yi sp r o p o s e da san e w m e t h o dt o d e a l 埘t l lt h ep r o b l e m ，w h i c hc a l lc o n q u e re d g ee f f e c t sa n dn e a r - f a re f f e c t st o e n l a r g et h ec a p a c i t yo fs y s t e m a n dt h eq u a l i t yo fs e r v i c e f i r s t ，i nt h i sp a p e r , p o w e rc o n t r o lt e c h n o l o g yi sd i s c u s s e d ，i n c l u d i n gi t s p r i n c i p l e ，m e t h o d so fr e a l i z a t i o na n ds t a t u so fr e s e a r c h a n dt h e nd i s c u s s e dt h e a p p l i c a t i o no fr a k e r e c e i v e r sw i t hm u l t i p l e si sw i d e l yu s e di nc e l l u l a rc d m a s y s t e m sf o re x p l o i t i n gp a t hd i v e r s i t y , t h ec l o s e d - l o o pp o w e rc o n t r o l s c h e m e s s h o u l dm a k eu s eo ft h em u l t it a pr a k er e c e i v e r sf o rt r a c k i n gt h ep o w e rv a r i a t i o n d u et op a t hl o s s ，s l o wf a d i n g ，a n df a s tf a d i n g c o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o n a l f i x e d s t e pp o w e rc o n t r o l ，i tg e t ss m a l l e rd e v i a t i o n i naw o r d ，t h ea d a p t i v ea l g o r i t h mc a nk e e pb e t t e rt r a c k i n gf o rt h ec h a n g e so f t h ec h a n n e lp a r a m e t e r sb yc h a n g i n gt h ea d a p t i v es t e p - s i z ei nt h i sp a p e r t h e t r a n s m i tp o w e rc a nc o m p e n s a t et h ec h a n n e lf a d i n gf a s ta n de x a c t l y , a n dt h e c d m as y s t e mp e r f o r m a n c ec a nb ei m p r o v e do b v i o u s l yb yu s i n gt h ea d a p t i v e a l g o r i t h m k e yw o r d s ：c d m a ；p o w e r - c o n t r o l ；a d a p t a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者。签鼽4 垦兰 日 期：矽夕年o 月馏e i 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 移动通信的发展情况 蜂窝移动通信技术在2 0 世纪7 0 年代问世以来【“，经历了模拟到数字， 从不同的国家标准到区域性国际标准，从单一话音业务到可提供话音与中低 速数据业务的过程，第一代移动通信系统( 简称1 g ) 多址方式均采用频分复 用( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，f d m a ) 无线接入方式，话音调制为 模拟调频，信令调制为f s k 一类的简单数字调制技术，这种系统的主要缺点 是频谱利用率低，同频干扰大，系统的容量有限，保密性差。第二代移动通 信系统( 简称2 g ) 出现于数字化的8 0 年代末和9 0 年代初，它基本采用了当时 通信和信号处理领域的最新技术：多址方式采用t d m a ( g s m ) 系统或窄带 c d m a ( i s 9 5 ) 技术，空中接口采用数字调制和先进的自适应均衡( t d m a ) 、 r a k e 接收技术( c d m a ) 使系统在频谱效率、保密性、话音质量方面都优 于第一代通信系统。但其只能提供话音和低速率数据业务。而在当今的日新 月异的信息时代，图像、话音和数据相结合的多媒体业务和高速率数据业务 业务量与日俱增，为了适应发展，频谱利用率更高，通信容量更大、能在全 球范围内更好地实现无缝漫游以及能为用户提供更多多媒体业务的第三代移 动通信系统( t h et h i r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，3 g ) 应运 而生，成为电信领域的主导方向。目前，全世界第三代移动通信中普遍采用 宽带码分多址接入方式( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 简称c d m a ) 技术， 有代表性的有：w - c d m a ( 宽带码分多址) 、c d m a 2 0 0 0 ( c d m a 2 0 0 01 x e v ) 、 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 时分 同步的码分多址技术) 三种。 3 g 系统的主要特点： 1 全球无缝覆盖和漫游； 2 提供传输速率达2 m b s 的多媒体业务和i n t e r n e t 业务； 3 第三代通信系统便于从第二代通信系统的过渡和演进； 4 频谱利用率高，容量大，保密性高： 5 网络结构能适于无线、有线多种业务要求； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 6 能适应蜂窝、无绳、卫星移动、p s t n 、数据网、i p 、等多种业务环境。 要实现3 g 系统能在复杂的移动通信环境和有限的频率下达到以上的技 术标准，实现任何人、在任何时间地点能向任何其他人传递信息，必须克服 以下三个主要影响因素： 1 多址干扰( m a i ：m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e ) 在c d m a 通信系统中，不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或 时隙不同来区分，而是用各自不同的编码序列来区分的，或者说，靠信号的 不同波形来区分。如果从频域或时域来观察，多个c d m a 信号是互相重叠的。 接收机用相关器可以在多个c d m a 信号中选出使用预定码型的信号。其它使 用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调。它们的 存在类似于在信道中引入了噪声或干扰，通常称之为多址干扰b 1 。 2 衰落信息 移动通信信道是一种多径衰落信道，发射的信号要经过直射、反射、散 射等多条传播途径才能达到接收端，而且随着移动台的移动，各条传播路径 上的信号幅度、时延及相位随时随地发生变化，所以接收到的信号的电平是 起伏、不稳定的，这些多径信号相互叠加就会形成衰落信息。 3 远近效应( n e a r - f a re f f e c t ) 在蜂窝系统中，如果各移动台以相同的功率发射信号，则信号到达移动 台时，靠近基站的移动台的信号比远离基站的移动台的信号强，从而将其湮 没，这就是所谓的“远近效应”川。 1 23 g 系统的关键技术 第三代移动通信系统( 3 g 卜未来公用陆地移动通信系统( f p l m t s ) 自 上世纪8 0 年代初期被国际移动电信咨询委员会提出以来，一直是人们研究的 热点，并在上世纪9 0 年代初被国际电联( i t u ) t 式定名为i m t - 2 0 0 0 。 i m t - 2 0 0 0 是一个包括全球无缝覆盖、全球漫游、卫星移动通信、陆地移 动通信和无绳电话等的蜂窝移动通信大系统。其主要特征是世界范围内设计 的一致性，具有服务质量高、全球漫游等功能，适应各种运营环境，并能提 供包括电话、智能用户电报、传真、信息处理、图像、i n t e r n e t 浏览、e - m a i l 、 多媒体等广泛的通信业务。为了达到高容量、高质量和高速率的通信业务， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 同时抑制多址干扰、衰落信息和远近效应，3 g 系统采用了如下的关键技术： 1 2 1 功率控制技术 由于c d m a 系统是一个干扰受限系统，系统要求所有用户到达基站接 收机信号的平均功率或信干比相等才能解扩，采用功率控伟1 ( p o w e rc o n t r 0 1 ) 可以调整各个用户发射机的功率，使其到达基站接收机的平均功率和信干比 相等。在3 g 移动通信系统中，由于用户共用相同的频带，且各用户的扩频 码之间存在着非理想的相关特性，使系统的“远近效应”尤为突出。用户发射 的功率的大小将直接影响系统的总容量，采用功率控制技术调整移动台和基 站的发射功率，可以有效地减小“远近效应”的影响，提高系统的容量。所以 功率控制技术己成为3 g 通信系统标准中最为重要的核心技术和研究热点之 一1 3 】o 1 2 2r a k e 接收技术 移动通信是在复杂的电波环境下实现的，如何克服电波传播所造成的多 径衰落现象是移动通信的一个基本问题。在3 g 系统中，由于信号带宽较宽， 因此在时间上可以分辨出比较细微的多径信号，对分辨出的多径信号分别进 行加权调整，使合成之后的信号得以加强，从而可在较大程度上降低多径衰 落所造成的负面影响，这就是所谓的r a k e 接收技术。r a k e 接收机在利用多 径信号的基础上可以降低基站和移动台的发射功率。而在g s m 手机中只能 通过时域均衡抵消多径效应，不能通过多路信号的能量相加来降低发射功 率。 1 2 3 智能天线技术 智能天线利用多个天线阵元的组合进行信号处理，自动调整发射和接收 方向图，以针对不同的信号环境达到最优性能。智能天线是一种空分多址 ( s d m a ) 技术，主要包括两个方面：空域滤波和波达方向( d o a ) 估计。空 域滤波( 也称波束形成) 的主要思想是利用信号、干扰和噪声在空间的分布， 运用线性滤波技术尽可能地抑制干扰和噪声，以获得尽可能好的信号估计。 智能天线通过自适应算法控制加权，自动调整天线的方向图，使它在干 扰方向形成零陷，将干扰信号抵消，而在有用信号方向形成主波束，达到抑 哈尔滨工程大学硕十学位论文 制干扰的目的。加权系数的自动调整就是波束的形成过程。智能天线波束成 型大大降低了多用户干扰，同时也减少了小区间干扰。 1 2 4 多用户检测技术 多用户检测技术的基本思想是利用多址干扰中包含的用户问互相关信息 来估计、降低或消除干扰的影响。多用户检测算法能够充分利用扩频码的结 构信息与统计信息联合检测多个用户的信号。多用户检测技术是抑制多址干 扰的一种主要方法，并已成为3 g 系统标准中的关键技术之一。它可以提高 带宽利用率、抑制多径干扰、消除或减轻“远近效应”、降低功率控制要求， 弥补扩频码互相关性不理想造成的影响，减小发射功率、延长移动台电池使 用时间、减小移动台电磁辐射，改善系统性能、提高系统容量、增大小区覆 盖范围。使用多用户检测技术确实能够在很大程度上改善系统容量，但由于 基站接收端的等效干扰用户数等于正在通话的移动用户数乘上基站端可以检 测到的多径数，这使得系统中等效干扰用户数多达数百个，即使采用与干扰 用户数成线性相关的多用户抵消算法仍使其硬件实现过于复杂。多用户检测 器的最佳检测方式是最大似然序列检测器( m l s ) ，由于复杂度问题，目前研 究比较多的是次最佳多用户信号检测器，如：线性检测器( l c ) 、串行干扰检测 器( s i c ) 和并行干扰检测器( p i c ) 等等。 1 2 5 高效信道编译码技术 扩频技术在克服多径衰落以提供高质量的传输信道具有很好作用。但却 存在频谱效率非常低的缺点。因此3 g 系统必须采用信道编码技术以进一步 改善通信质量。现在用以克服衰落效应主要采用的技术是前向信道纠错编码 和交织技术。编码和交织都极大地依赖于信道的特征和业务的需求。不仅对 于业务信道和控制信道采用不同的编码和交织技术。而且对于同一信道的不 同业务也采用不同的编码和交织技术。一般的编码技术是通过牺牲频谱利用 率来换取功率利用率的提高，这是因为采用信道纠错码技术后增加了信息的 冗余位，由于引入了冗余位增加了信道纠错能力，降低了比特误码率( b e r ) ， 在保证一定信干l l ( s i r ) 情况下可以降低发射功率，因此提高了功率利用率。 在3 g 系统中，除了采用与i s 9 5 c d m a 系统相类似的卷积编码技术和交织技 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 术外，还采用了t u r b o 编码技术及r s 卷积链接技术。总的编码要求是选择 效率高、编码增益高、时延性能好、译码算法简单、存储盘较小、对同步要 求低、适于衰落信道传输、易于实现。 3 g 系统是一个干扰受限系统，其优越性的体现有赖于功率控制技术的使 用，功率控制是所有关键技术中的核心，有效的功率控制算法能够降低用户 间的干扰可以在满足每个用户通信质量的前提下，最小化其发射功率，从而 减少干扰，增加系统容量，还能延长待机时间。 1 3 功率控制的研究现状 目前关于功率控制方面的研究比较广泛，传统的研究方法大致可以分为 两种h 1 ：一种是基于优化，一种是基于反馈，这两种方法各有利弊。 1 基于优化的功率控制方法需要知道系统的精确模型，通过目标函数对 系统性能进行描述，在系统性能达到最优的目标下，完成对各个用户发射功 率的计算，然后算出的功率值实时加载给用户。这种方法控制准确且有明确 的意义( 最优化目标函数) ，但是计算量很大，不适合动态环境。当环境参数 发生变化时，原先求得的最优解就不再适用了，特别是当系统维数( 用户数) 发生变化时需要重新建立模型和再次优化，这些任务的实时完成是很难的， 因而该方法只具有理论上的研究价值，而不具有实用意义。 2 基于反馈的功率控制方法控制灵活、易于实现，但需要根据单个用户 服务质量的变化来确定发射功率的变化趋势，即使对单个用户而言，控制都 没有明确的意义，更谈不上整体的最优。此外步长的确定在很大程度上依赖 于经验知识，缺乏理论依据。不适当的步长，会造成很大的过调量或稳定时 间，从而影响了每个用户的信干比和系统的稳定性。 另外，近年来关于多用户检测在白高斯噪声信道及衰落信道中的研究也 是相当广泛，支持多速率传输的多用户检测器的研究也引起了人们的兴趣。 但是，这方面的研究工作大多数只集中于研究多用户检测器克服“远近效应” 的性能，并且通常都假设系统中没有或者可以没有功率控制。另一方面，目 前大量有关3 g 系统功率控制的研究，都假设系统是基于单用户检测器的。 联合功率控制与多用户检测技术的研究，逐渐成为人们研究的焦点问题。 在采用了多用户检测器的系统中，仍然需要功率控制技术来补偿信道的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 衰落，保证用户满足服务质量要求并节省移动台的功耗。研究表明m m s e ( 最 小均方误差) 检测与功率控制的结合能使系统获得更大的容量。 1 4 本文研究的内容 本项研究的主要内容是：3 g 系统的关键技术之一，即功率控制问题。在 功率控制中需要移动台( m s ) 和基站( b s ) 共同协调进行动态的功率控制才能够 实现。功率控制的目的是克服“远近效应”而采取的一项措施，它是在对接收 机端的接收信号强度或信干比等指标进行评估的基础上，适时改变发射功率 来补偿无线信道中的路径损耗和衰减，从而既减少多址干扰，使系统能维持 高质量的通信，又不对其他用户产生大的干扰。其中功率控制的精度和速度 是系统容量能否达到设计值的关键技术。 本研究力求通过分析影响功率控制精度因素的基础上，对传统功率控制 方法进行分析比较，利用对比、仿真等方法，求取一种能提高控制精度和收 敛速度、增加系统的稳定性和容量、减少条件中断概率的功率控制方法。 论文的设计内容如下 第1 章绪论。介绍3 g 系统的发展情况及其特点，3 g 系统的关键技术， 研究的内容、意义及结构安排情况。 第2 章功率控制技术的基本原理。讨论功率控制的目的和重要性。阐明 当前功率控制技术所采用的方法及其影响因素，介绍功率控制技术在3 g 系 统中的应用。 第3 章现有功率算法技术及其实现研究。阐述目前3 g 系统中的功率控 制算法，进行分析、比较并加以改进，给出了传输数据业务时的功率控制算 法。 第4 章自适应变步长闭环功率控制算法研究及其仿真。本章是全文重 点，给出自适应变步长闭环功率控制算法，同时结合多径r a e k 接收机对 接收信号功率和邑毛进行估计并仿真验证。 最后是结论，对全文简要总结，并展望今后的研究前景。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章3 g 系统功率控制技术基础知识 2 1 移动通信系统电波传播的衰落特性 衰落是无线电波传播的普遍现象，直接影响到通信的可靠性，是无线通 信设计中主要考虑的重要问题之一。 移动通信系统中电波传播特性为： 1 ) 移动通信环境电波传播的场强特性曲线的起伏现象加剧； 2 ) 场强特性曲线的平均值随距离的增加而衰减； 3 ) 场强特性曲线的平均值呈慢速起伏变化，即慢衰落； 4 ) 场强特性曲线的瞬时值呈快速起伏变化，即快衰落。 由以上特性可以得到移动通信环境中电波传播特性有如下特点： 1 ) 自由空间传播损耗，它与基站和移动台之间的距离有关 2 ) 阴影衰落( 效应) ，它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 3 ) 多径效应，它是由于移动体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 4 ) 多普勒效应，它是由于移动体的运动速度和方向会使接收的信号产生 多普勒频移，在多径条件下，便形成多普勒频谱扩展。 2 1 1 自由空间的传播损耗 自由空间是在理想的、均匀的、各向同性的介质中传播，不发生反射、 折射、绕射、散射和吸收现象，只存在电磁波能量扩散而引起的传播损耗的 空间。在自由空间中，若发射点处的发射功率为只，并以球面波辐射；若接 收的功率为尸，则有： 彳 c = _ 暑只q (2一1)4m 253 式中，彳，= 2 g , 4 z c 名：工作波长 7 哈尔滨工程大学硕十学位论文 g ，g f ：分别为发射天线和接收天线增益 d ：发射天线和接收天线间的距离。 自由空间的传播损耗定义为： l = e , ( 2 - 2 ) 当g ，= g ，= 1 时，自由空间的传播损耗可写为： l = ( 4 刃兄) 2 ( 2 3 ) 若以分贝表示，则有 ：1 0 1 0 9 ( 掣) 23 2 4 5 + 2 0 1 0 9 f - i - 2 0 l o g d ( 2 4 ) l 式中，：工作频率( m h z ) d ：收发间距离( k m ) 由上面传播损耗公式可知，自由空间的传播损耗是与距离平方成正比的。 2 1 2 慢衰落 慢衰落也称长期衰落，一般是指接收信号的场强中值在长时间内缓慢变 化( 如图2 1 ) 。 1 0 o 0 1 0 图2 1 衰落信号的典型包络 2 0距离 哈尔滨工程大学硕七学位论文 它主要由以下两种情况产生： 1 ) 阴影效应：移动台在运动的过程中，周围地形地物造成对电波传播 路径的阻挡，形成所谓的电磁场的阴影，这种随移动台运动而不断变化的电 磁阴影引起接收点场强中值起伏变化的现象叫做阴影效应。阴影效应引起的 信号电平衰落称为阴影衰落。阴影衰落的信号电平起伏是相对缓慢的，因此， 阴影衰落属于慢衰落。阴影衰落主要由基站和移动台之间的地形形状和人为 环境产生。地形形状可分为：开阔区、平地、丘陵地和山区。人为环境可分 为：乡村地区、准郊区、郊区和城区。地形形状引起场强中值的衰耗和起伏， 而人为环境只引起场强中值的衰耗。通常，阴影衰落是距离( 位置) 的函数。 阴影效应是造成移动通信电波传播慢衰落特性的一个主要原因。 2 ) 大气折射：当移动台处于静止状态时，由于气象条件的平缓变化使大 气相对介电常数发生变化，导致大气折射率的变化，从而引起接收点场强中 值缓慢变化。这种由于大气折射引起的衰落也属于慢衰落。但是，大气折射 衰落是时间的函数。与阴影衰落相比，它对电波传播衰落的影响远小于阴影 衰落。 实际上，电波传播的慢衰落特性是由上述两种衰落的叠加，即时间变化 和位置变化两种衰落的合成。根据国内外实测和统计分析，一般认为在近似 相等距离处的场强中值的累积分布近似服从对数正态分布，其概率密度函数 为： 1( 一止) 川y ) = ，三e 2 移 ( 2 5 ) 4 2 n - 纬 式中，y ：对数正态变量 m 和缈，：y 的均值和标准偏差，m 和缈，都以d b 为单位的。 2 1 3 快衰落 快衰落主要是移动台附近的散射体或自然障碍物引起的多径传播信号在 接收点相叠加，造成接收信号快速起伏，快衰落也常称为多径衰落( 如图 2 1 ) 。散射体系指在移动台周围的房屋、建筑物等：自然障碍物系指在移动 台周围的树木等。而基站和移动台之间的山和丘陵等自然障碍物并不引起快 衰落。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一般认为城市环境中的短期衰落服从瑞利( r a y l e i g h ) 分布。由概率统 计理论可知，瑞利分布的概率密度函数为m 1 ，2 尸( ，) ：喜p 一芦 ( 2 6 ) ，| 2 式中，：短期衰落信号的包络 ，2 ：短期衰落信号的平均功率 、厂2 ：，的均平方根值。 现在讨论一下非瑞利分布的衰落情况。由无线电传播理论可知，在没有 直射波的情况下，接收机接收到的信号是大量随机相位的反射波的矢量合成， 信号包络的概率密度函数服从瑞利分布；当有直射波存在且较强时，幅度值 大量集中在一个值附近，这时服从正态分布；介于两者之间的情况，即直射 波相对于反射波来说不很强时，反射波和直射波的矢量合成可用莱斯( r i c e ) 分布描述，其概率密度函数为p 1 ： 即) ：名e x p ( - 垒箬) 厶 ，2 ，2 ( 2 7 ) 式中，：衰落信号的包络 a ：直射波的幅度 j 。 ) ：零阶修正贝赛尔函数 ，2 ：衰落信号的均方值。 2 2 功率控制的概念及意义 2 2 1 功率控制的概念 c d m a 系统中某个用户信号的功率较强，对该用户信号被正确接收是有 利的，但却会增加对共享频带内其他用户的干扰，甚至淹没有用信号，结果 使其它用户通信质量劣化，导致系统容量下降。为了克服远近效应，必须根 据通信质量实时的调整发射机所需的功率，这就是功率控制。 l o 旦厍二厍 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 2 功率控制的意义 码分多址c d m a 与频分多址f d m a 及时分多址t d m a 相比较，具有 容量大、功率低、软切换、抗干扰能力强等一系列优点。但是，c d m a 系统 的通信质量和容量主要受限于收到干扰功率的大小。若基站接收到移动台的 信号功率太低，则误比特率太大而无法保证高质量通信；反之，若基站接收 到某移动台功率太高，虽然保证了该移动台与基站间的通信质量，却对其他 移动台增加了干扰，导致整个系统质量恶化和容量减少。因此，功率控制是 c d m a 蜂窝移动通信系统提高通信质量、增大系统容量的关键技术，也是实 现这种通信系统的主要技术难题之一。 除了上述问题以外，为了解决移动通信系统所固有的远近效应和边缘效 应问题，必须使用功率控制技术。边缘效应就是当移动台位于相邻小区的边 界时收到所属基站的有用信号很低，同时还会收到相邻小区基站的强干扰。 通过功率控制技术，一方面可以使每个用户满足服务质量的要求，另一方面 能最小化每个用户的发射功率，从而最大化系统容量和最优化系统性能。 无线信号的多径效应引起的衰落深度可达2 0 - 3 0 d b 。采用功率控制来调 整功率以补偿信道衰落，使小区内任一移动台不分远近，都能从基站接收到 质量良好的信号，从而成为克服多径效应的有效手段之一，为了解决上述种 种问题，3 g 系统功率控制方法就是力图通过各种手段跟踪信道衰落，使所有 移动台在基站的接收功率相等，最终达到系统容量最大化的目的。 在现有的3 g 系统中，功控模型如下州： b 堕恒巫戊斗圃p 匝 跞 内环 外环 图2 23 g 系统中功率控制的控制框图 其中s i r t 。啊和b e r t 。啊分别表示目标s i r 和b e r 值。 也可以用下图表示： 哈尔滨：r = 程大学硕士学位论文 n 网医翮一- 习一一冈。 s i r 测量器ji 误帧率识别器 内环控制算法i 外环控制算法 误帧率估计器 图2 33 g 系统中功率控制的实现框图 2 3 功率控制的理论依据 功率控制准则是指功率控制的基本理论依据。从原理上看，功率控制准 则可以大致分为：功率平衡准则、信干比平衡准则两大主流，另外也有人提 出误码率平衡准则m 1 。 2 3 1 基于功率平衡准则 基本原型卅 通过功率控制使接收端接收到的有用信号功率相等。 对于上行链路，目标是使各个移动台到达基站的功率相等。 对于下行链路，目标是使各个移动台收到基站的有用信号功率相等。 2 3 2 基于信干比s i r 平衡准则 基本原理 ( 1 ) s i r 平衡是指接收到信号干扰比相等。 ( 2 ) 对于上行链路，s i r 平衡的目标是使基站接收到的各个移动台信号 干扰比s i r 相等。 ( 3 ) 对于下行链路，s i r 平衡的目标是使各个移动台接收到的基站信号 的信号干扰比s i r 相等。 ( 4 ) 在单小区蜂窝系统中的上行链路，当各个移动台到达基站的信号功 率相等时，所对应的信号干扰比s i r 也相等。因此在单小区系统中，上行链 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i ；宣暑i ；i ； 一i 一 t 一7 - t ；宣；i 宣；宣i 葺i i ；i ；i i i 路功率平衡准则与s i r 平衡准则是等效的。但是在单小区蜂窝系统的下行链 路以及多小区蜂窝系统中，功率平衡准则与s i r 平衡准则具有不同的含义。 以上两种原则中，功率平衡准则的控制方法比较容易实现，但其性能不 如基于信干比s i r 平衡准则。而s i r 平衡准则也有其局限性，比如上行链路 中，可能导致正反馈，而使系统失去稳定性。在实际系统中，w c d m a 采用 s i r 平衡准则，c d m a 2 0 0 0 采用功率平衡准则，前者的目标s i rf - j 限和后者的 功率门限都根据误帧率f e r 来调整卅。 有的文献还采用误b i t 率( b e r ) ，有的采用误帧率( f e r ) 平衡准n - 通过 功率控制使接收端的误码率相等。对上行链路，目标是使各个移动台到达基 站的误码率相等；对下行链路，目标是使各个移动台接收到的基站有用信号 误码率相等。 2 43 g 系统功率控制方法 集中功率控制 分散功率控制 上行链路功控 下行链路功控 闭环功控 开环功控 闭环联合功控 功率控制 算法分类 基于信号强度功控 基于s i r 功控 基于b e r 功控 连续功率控制 离散功率控制 固定步长功控 可变步长功控 图2 43 g 系统功率控制分类图 在3 g 系统中，各个用户在相同的时隙以相同的频率进行通信，容量受 限于系统内移动台的相互干扰，是一个白干扰系统，且“远近效应”问题尤为 突出。如果每个移动台的信号到达基站均达到所需信干比的最小值，则系统 容量将会达到最大值。对3 g 系统实施功率控制可以降低平均发射功率，而 不是峰值功率，目的是在保证高质量通信前提下，不对同一频率的其它用户 产生不必要的多址干扰( m a t ) 。 功率控制技术是一种优化技术，优化目标是在满足每个用户通信质量 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的前提下，最小化每一个用户的发射功率，从而有效地克服“远近效应”和“角 效应”，减少多址干扰，增加系统容量。 如图2 4 ，对于3 g 系统，如果从通信的上、下行链路考虑，功率控制包 括前向链路功率控铝l i ( f o r w a r dl i n kp o w e rc o n t r 0 1 ) 与反向链路功率控f i b l j ( b a c k l i n kp o w e rc o n t r 0 1 ) ，而反向链路功率控制又包括开环功率控制( o p e nl o o p p o w e rc o n t r 0 1 ) 、闭环功率控帝l j ( c l o s e dl o o p p o w e rc o n t r 0 1 ) 和外环功率控制； 从实现功率控制方式则可分为：集中式功率控制和分布式功率控制；从环路 的类型来分可分为开环功率控制、闭环功率和外环功率控制：根据确定功率 控制命令的测量指标分：基于信号强度、基于后s i r 和基于b e r 功控：根据 功率调整大小的度量分：连续功率控制、离散功率控制；根据功率更新的策 略分：固定步长功控、可变步长功控等1 。 2 4 1 开环功率控制与闭环功率控制 1 开环功率控制m 1 开环功率控制的基础是建立在上行链路与下行链路具有一致的信道衰落 情况上的。开环功率控制是指移动台( 或基站) 根据下行链路( 或上行链路) 信号 质量，对信道衰落进行估计，在此基础上进行补偿。系统内的每一个移动台， 根据所接收的上行链路信号强度来判断路径衰耗，并调节移动台的发射功率。 接收的信号越强，移动台的发射功率应越小，需要指出的是当上行链路和下 行链路的载波频率之差大于无线信道相关带宽时，前向信道和反向信道不相 关，使得这种直接依据前向信道信号电平来调节移动台发射功率不能进行完 善的调节，对此，需要应用后面介绍的闭环功率控制。 ( 1 ) 移动台的开环功率控制 移动台的开环控制是指移动台根据接收的基站信号强度来调节移动台发 射功率大小的过程。其目的是使所有移动台到达基站的信号功率相等，以免 因“远近效应”影响系统对码分信号的接收。移动台的开环功率控制是一种快 速响应的功率控制，其响应时间仅为几微秒，开环功率控制的动态范围较大。 移动台发射功率的开环调节，是基于对开环输出功率的估计。 下行链路中的不同信道，其开环输出功率的估计的计算方法是不同的。 其中标称发射功率和初始发射功率是由基站通过系统参数消息送给移动台。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 2 ) 基站的开环功率控制 基站的开环功率控制( 上行链路功率控制) 是指基站根据接收的每个移动 台传送的信号质量来调节基站业务信道发射功率的过程。其目的是使所有移 动台在保证通信质量的条件下，基站的发射功率最小。因为上行链路功率控 制将影响众多的移动用户的通信，所以每次的功率调节量很小，仅为0 5 d b 。 调节的动态范围也有限，为标称功率的士6 d b 。调节的速率也较低，为每 1 5 - 2 0 m s 一次。 2 闭环功率控制 在开环功率控制中，移动台发射功率的调节基于前向信道( 下行信道) 的 信号强度。信号强时，发射功率调小；信号弱时，发射功率增大。但是，当前 向和反向信道的衰落特性不相关时，基于前向信道的信号测量是不能反映反 向信道传播特性的。因此，开环功率控制仅是一种对移动台平均发射功率的 调节。为了能估算出瑞利衰落信道下的对移动台发射功率的调节量，则需要 采用闭环功率控制。 闭环功率控制是指移动台根据基站发送的功率控制指令( 功率控制比特 携带的信息) 来调节移动台的发射功率的过程。基站测量所接收到的每一个移 动台的信干比，并与一个门限相比较，决定发给移动台的功率控制指令的是 增大还是减小它的发射功率。移动台接收到的功率控制指令与移动台的开环 估算相结合，来确定移动台闭环控制应发射的功率值。 闭环功率控制可以包括内环功率控制和外环功率控制。内环功率控制是 指基站将接收到的反向链路信号水平与设定的门限相比较，确定反向链路发 射功率的控制量，并通过前向专用功率信道发送给移动台；而外环功率控制指 基站时时测量反向链路的帧质量，并根据此修正内环功率控制中的信号水平 门限值，从而克服由于多径效应和移动台速度等引起的控制偏差。 2 4 2 反向功率控制与前向功率控制 1 反向功率控制p 。 反向功率控制也称为上行功率控制，主要是移动台的行为，用来控制移 动台的发射功率，使基站接收到的所有移动台发射到基站的信号功率或者 s i r 基本相等，反向功率控制可以使各用户间的相互干扰降到最小，克服传 哈尔滨工程大学硕士学位论文 输中的远近效应，同时使系统可以达到更大容量。 在3 g 系统中，反向功率控制方式主要有：开环功率控制、闭环功率控制 以及外环功率控制。上行随机接入信道( p r a c h ) 采用开环功率控制，具体发 射功率由接收到的信号功率值与路径损耗值以及阴影损耗等确定，接收到的 信号功率越高，移动台发出的功率越低；上行专用信道( d p c h ) 贝j j 是同时采用 开环与闭环功率控制，其中闭环功率控制包括内环功率控制与外环功率控制， 信道的初始发射功率是由开环功率估计决定的，上行闭环功率控制主要是基 站通过调整移动台的发射功率以保持接收到的上行信干比尽量靠近s i r 目标 值s i ，每个小区的s i r t 。喇都是由高层通过外环功率控制调整的。 图2 5 反向链路功率控制原理示意图 反向开环功率控制是移动台根据接收到的导频信号的功率变化，估计出 由基站到移动台的传输损耗，迅速调节移动台的发射功率。开环功率控制的 目的是试图使所有移动台发出的信号到达移动台时有一相同的功率。移动台 首先检测接收到的基站导频信号功率，如果移动台接收到的信号功率小，表 1 6 哈尔滨工程大学硕士学1 1 i ) = 论文 明在前向链路上此刻的衰耗大，并由此认为反向链路上的衰耗也将较大，于 是为了补偿这种信道衰落，移动台将增大发射功率；反之，移动台将减小发 射功率。由于开环功率控制是为了补偿平均路径衰落的变化和阴影、拐弯等 效应，所以它必须具有很大的动态范围。但它只是对移动台发射电平的粗略 估计，移动台通过测量接受功率来估计发送功率，而不需要进行任何正向链 路的调节。 在3 g 系统中，双向无线信道的前向链路和反向链路使用不同的频段， 频段间隔使用户的发射机和接收机能同时工作。而且避免了两者之间的干扰， 频率间隔对功率控制有很大的影响。一般频带间隔远远超过信道的相关带宽， 使得发射和接收信道成为两个独立的衰落信道，。这意味着用户不能把测得的 接收信号的路径损耗当作是发射信号的路径损耗。所以反向闭环功率控制应 根据基站的接收信干比迅速调整移动台的发射功率，以保证基站接收到的信 号足够强，同时对其它信道干扰最小。 反向闭环功率控制是由基站协助移动台，对移动台做出的开环功率估测 迅速地做出纠正，从而使移动台始终保持最理想的发射功率。反向闭环功率 控制是反向功率控制的核心。在3 g 系统的频分双工( f d d ) 方式下，由于 双工间隔频宽远超过信道相干带宽，前向与反向链路间不存在相关性，因而 不能再用前向链路的衰落特性来估计反向链路的衰落特性。反向闭环功率控 制正是对反向开环功率控制的不准确性进行弥补的一种有效手段。 反向外环功率控制是为了适应无线信道的衰耗变化，动态调整反向闭环 功率控制中的信干比或功率门限。例如在话音业务中，影响服务质量的是系 统误帧率f e r ，则在基站端接收到的反向信道的误帧率( f e r ) 的统计值将作 为调整门限信干比的指标，这就使得功率控制直接与通信质量相联系，而不 仅仅体现在改善信干比上。 2 前向功率控制 前向功率控制又称为下行功率控制，是用来控制基站的发射功率，使所 有移动台接收到的信号功率或者s i r 基本相等。前向功率控制可以有效降低 基站的平均发射功率，减小邻近小区干扰，克服传输中的“角效应”。 前向功率控制主要是指对下行专用信道的功率控制，包括专用物理数据 信道( d p d c h ) 与专用物理控制信道( d p c c h ) ，而下行公共信道由于变化较慢， 1 7 哈尔滨丁程大学硕七学位论文 其功率控制主要靠外环功率控制来完成。 专用物理数据信道与专用物理控制信道同时采用开环功率控制与闭环功 率控制。d p d c h 与d p c c h 功率调整幅度相同，其间的相对功率偏差由高层 信令决定。d p d c h 与d p c c h 功率控制包括非压缩模式下的功率控制与压缩 模式下的功率控制。闭环功率控制包括内环功率控制与外环功率控制，其中 内环功率控制又称为快速功率控制，外环功率控制又称为慢速功率控制。与 反向功率控制方式相比较，前向内环功率控制的处理方式较多，包括通常的 功率控制、有限功率增长、功率均衡、压缩模式下的功率控制等。另外，前 向功率控制还包括站点选择分集发射。各种功率控制方式分别适用于不同的 场合和环境。其中快速功率控制主要用在低速移动环境与深衰落环境中，而 慢速功率控制主要用在快速移动的传输环境中。 图2 6 前向功率控制原理示意图 2 4 3 集中式功率控制与分布式功率控制 1 集中式功率控制2 1 集中式功率控制模型分为前向式功率控制模型和反向式功率控制模型。 集中式功率控制是指在基站进行功控，它根据接收端接收到的信号功率和链 路增益来调整发射端的发射功率，以使接收端接收到的s i r 相等。集中式功 率控制最大的难点是要求系统在每一时刻( 时间间隔内) 获得一个归一化的链 1 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 路增益矩阵，这在一个用户较多的小区是难以实现和难以得到的。因此集中 式功率控制算法很难实现。 2 分布式功率控制 分布式功率控制是在移动台进行功率控制，以使得在接收端接收到得 s i r 相等。分布式功率控制算法首先是在窄带蜂窝系统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各个链路上接收到s i r 即可。 即使存在对s i r