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中山大学硕一b 掌饿论文罄于功率控制的搬化匹配算法耕究 基于功率控制的极化匹配算法研究 硕士生：谢永安 专鲎：遵绩与蓓意系统 导师：周渊平教授 摘要 一个乎磷波豹极化怒凌蓬壹子黪撩方翔的平疆内，场兹矢拨雀个弱期蠹掰 磷出靛鞔灏。天线静摄纯就跫天线笈瓣辩所辐莉鳃波黪极健。投毒 ：方向一般为泡 场方向。对于线极化天线来说，天线的方向就是极化的方向。当接收天线的极化 特蛙与接敬极健波翡辍他特性竞全穗潮瞬，移为投键簸配，鼗瓣接收劐豹戴爨鬣 大。僵在移渤通信孛，入 f j 使用手梳辩并不是褥手棍薅壹旅在群边使瘸，两怒脊 定的倾斜角度。这就焱引起极化损失，甚至极化隔离。 天线懿投秘疆嚣哥叛掇篱接故蘩嗓魄，簿甄谖鹞牵，提褰蕊号接毁豹震攘， 减少基站的发鸢章功率。馥麓功率控粼，在满足通僚旗繁要求敬慕档下尽量减少发 射功率，可以降低系统内的干扰，这刹提高系统容擞的目的。将这两种技术缩念 怒巢，壤蠲瓷双辍继天线蠛三援琵天线上，袋势互耱，必然其鸯淹好麴系统毽黪。 本论文德精功率控制的方法采实现缀纯匹配。邋避分别在蘸交天线上镯整教 送功率的大小，极化大小相应变化，合成后可以形成不同的极化矢麓，只臻极化 麓度鞭接羧天线弱受覆一致，寝可蜜蜣辍往莲配，这翮蛋号熬簸傻接竣。 本论文蓠先对国内外璐阶段对缀豫禚配的研巍谶行简单静介绍。第二、三豢 阐述了极化的基本概念、天线的最健接收条件以及功率控制的熬本内容。第四牵 详缨套缮双校讫天线魏投亿篷配系统模黧，握窭了穗使爰凌枣拣毒l 袋实褒投纯 匹配的簿法，弊通过建模仿真显示漱了弊法的优髓憔。第五章逛一步对三极纯天 线的极化暇配算法进行研究。最后对两种极化匹配算法的性能进行分析和比较。 美键谛：极化，双极纯哭线，三极俄必线，极化躐粼，功率摭涮 中出犬学硕士学位论文基于妨率控制的极他簇配算法研究 p o l a r i z a t i o nm a t c h i n gu s i n gp o w e rc o n t r o l n a m e ：x i e * g o n g a n 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 a d v i s e r ：p r o z h o uy u a n p i n g a b s t r a c t p o l a r i z a t i o ni n d i c a t e st h ed i r e c t i o no fe l e c t r i c a l 磊e l do fr a d i o - w a v et r a r l s m i t t e d f r o ma i la n t e n n a i nal i n e a r l yp o l a r i z e da n t e n n a t h ed i r e c t i o no fe l e c t r i c a lf i e l di st h e s a r r l ea st h ed i r e c t i o no ft h ea n t e n n a w h e nt h ed i r e c t i o no far e c e i v ea n t e n n ai s a l i g n e dw i t ht h ep o l a r i z a t i o nd i r e c t i o no ft h ei n c o m i n gs i g n a l ，t h er e c e i v e ds i g n a l e n e r g yb e c o m e sm a x i m a l b u ti np r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ，t h ea n t e n n a sm a yb eo r i e n t e d i nd i r e c t i o n st h a ta r ed i f f e r e n tt i o mt h ep o l a r i z a t i o nd i r e c t i o n s t h i sm i s a l i g n m e n t r e s u l t si nap o l a r i z a t i o nm i s m a t c hw h i c hm a yl e a dt oar e d u c e ds i g r 臻lq u a l i t y i nt h i st h e s i s ，w eu s et h et r a n s m i tp o l a r i z a t i o nm a t c ht e c h n i q u e st oe n h a n c et h e s i g n a lr e c e p t i o na n da c h i e v et h ei m p r o v e ds i g n a lq u a l i t y d u a ll i n e a r l yp o l a r i z e d a n t e r m 鑫：5w i l lb eu s e da tt h et r a n s m i ts i t ew i t ha d j u s t m e n tf o r t h ep o l a r i z a t i o nm a t c ht o a c h i e v et h ed e s i r e dc o m m u n i c a t i o nq u a l i t y a na d a p t i v ea r r a yu s i n gt h r e em u t u a l l y p e r p e n d i c u l a rd i p o l e sc a l l e dt r i p o l ea n t e n n ai sa l s os t u d i e d a ni m p o r t a n tf e a t u r eo f t h ep r o p o s e dm e t h o di st h a tt h ep o l a r i z a t i o nm a t c hi si m p l e m e n t e dt h r o u g ht h ep o w e r c o n t r o lm e c h a n i s m ，w h i c hi so n eo f t h ek e yt e c h n o l o g i e si nc d m a s y s t e m s k e y w o r d s ：p o l a r i z a t i o n ，d u a ll i n e a r l yp o l a r i z e da n t e n n a ，t r i p o l ea n t e n n a ， p o l a r i z a t i o nm a t c h ，p o w e rc o n t r o l 珏 中山大学硕士学位论文基于功率控制的极化匹配算法研究 1 1 研究背景 第l 章概述 在移动通信系统中，空间无线信号的发射和接收都是依靠移动天线来实现 的。因此，天线对于移动通信网络来说，起着举足轻重的作用。目前，在g s m 网络建设和维护工作中，如何解决g s m 网络高话务密度区的容量和干扰问题， 提高全网的接通率，降低掉话率和提高通话质量，已经成为工作的重点和难点。 采用合适的天线技术将是能够有效地控制覆盖范围，降低同频干扰和改善手机信 号的接收效果的方法之一。 人们使用手机时并不是将手机垂直放在耳边使用而是有一定的倾斜角度，根 据统计数据显示，倾斜角度通常为6 0 。这将引起垂直方向6 d b 、水平方向5 d b 的衰减。为了保证通信质量，分集接收技术得到了应用和发展。分集接收技术可 以有效地降低多路径衰落效应。通常采用的空间分集方式需要2 个或2 个以上的 天线，这对天线的架设提出了较高的要求，同时也提高了系统成本。而且在手机 上安装多个天线难以实现，空间分集的2 个天线之间的相互耦合也会引起天线方 向图的畸变。空间分集的缺点可以用极化分集来弥补。极化分集的2 个天线可以 位于同一个物理位置，要求的空间比空间分集小，这样简化了天线的安装要求， 且降低了系统成本。如果将极化技术应用于发射天线上，采用互相正交的两根天 线组成双极化天线发射电磁波。使合成后的极化方向与手机天线的倾斜角度一 致，可以达到信号的最佳接收。这个过程可以称为极化匹配。 双极化天线是一种新型天线技术，组合了+ 4 5 。和4 5 。两副极化方向相互正交 的天线并同时工作在收发双工模式下，因此其最突出的优点是节省单个定向基站 的天线数量；一般g s m 数字移动通信网的定向基站( 三扇区) 要使用9 根天线， 每个扇形使用3 根天线( 空间分集，一发两收) ，如果使用双极化天线，每个扇 形只需要l 根天线；同时由于在双极化天线中，4 - 4 5 。的极化正交性可以保证+ 4 5 。 和一4 5 0 两副天线之间的隔离度满足互调对天线间隔离度的要求( 兰3 0 d b ) ，因此双 极化天线之间的空间间隔仅需2 0 3 0 c m ；另外，双极化天线具有电调天线的优点， 在移动通信网中使用双极化天线同电调天线一样，可以降低呼损，减小干扰，提 中山大学硕士学位论文基于功率控制的极化匹配算法研究 高全网的服务质量。如果使用双极化天线，由于双极化天线对架设安装要求不高， 不需要征地建塔，只需要架一根直径2 0 c m 的铁柱，将双极化天线按相应覆盖方 向固定在铁柱上即可，从而节省基建投资，同时使基站布局更加合理，基站站址 的选定更加容易。 在移动信道中，两个在同一地点、极化方向相互正交的天线发出的信号呈现 出互不相关衰落特性。利用这一特点，在发端同一地点装上垂直极化和水平极化 两副发射天线，在收端同一地点装上垂直极化和水平极化两副接收天线，就可以 得到两路衰落特性互不相关的极化分量e x 和e y 。所谓定向双极化天线就是把垂 直极化和水平极化两副接收天线集成到一个物理实体中，通过极化分集接收来达 到空间分集接收的效果，所以极化分集实际上是空间分集的特殊情况。这种方法 的优点是它只需一副天线，结构紧凑，节省空间。 和传统单极化天线相比，双极化天线技术具有节省天线数量，减少基建投资， 对站址要求低和高接收分集增益等优点；因此在将来的天线技术应用中，在基站 密集等高话务地区，都会尽量采用双极化天线。 c d m a 系统在相同时间内使用相同的频率，仅以不同的扩频码字来区分不 同的信道，从而不可避免地引起多址干扰。同时由于c d m a 系统中干扰的大小 直接影响着系统容量，是一种干扰受限系统，因此，有效地克服和抑制多址干扰 就成了c d m a 系统最主要、最关键的问题之一。此外，在上行链路中，小区内 移动台用户的随机移动会产生“远近效应”：在下行链路中，当移动台位于相邻 小区的交界处时会产生“拐角效应”；还有电波传播中由于大型建筑物的阻挡， 会形成“阴影效应”产生慢衰落。这些现象将会导致系统容量下降和实际通信服 务范围缩小等负面影响。解决这些问题最有效的方法之一就是采用功率控制技 术。 功率控制的准则大致可以分为三类：功率平衡准则、信噪比平衡准则和误码 率平衡准则。按功率值的来源功率控制实现的方式可以分为：内环功率控制和外 环功率控制；按控制方向功率控制实现的方式又可分为：上行功率控制和下行功 率控制；还可以分为开环和闭环功率控制。 本论文使用功率控制的方法来实现极化匹配。通过分别在正交天线上调整发 送功率的大小，发射电场的变化引起极化大小也相应变化，合成后可以形成不同 中山大学硕士学位论文基于功率控制的极化匹配算法研究 的极化矢量，只要极化角度跟接收天线的角度一致，便可达到信号的最佳接收。 功率控制主要采用前向链路闭环功率控制，主要使用误码率平衡准则和功率平衡 准则。 1 2 国内外研究现状 有关电磁波的极化问题早在二十世纪初就已经提出来了，但极化匹配在自适 应系统上的研究要晚得多。文献 1 提出了一种较正极化的方法，发射波的极化 由于在雨天的环境中发生改变，一个圆极化的毫米波经过雨天的通信信道变成了 椭圆极化。这种方法通过测量下雨的速度来较正极化。所需要的极化信息可以通 过计算出来的较正极化的公式恢复出来。 在文献【2 中，l m s 算法被应用在两阵列的交叉天线上来改进信干噪比 ( s i n r ) ，只要目标信号和干扰信号不在同一个角度上并且具有相同的极化信 息，s i n r 就会有所改进。文献【3 】提出了使用l m s 算法来获得三根正交天线的 幅度和相位权值来改进s 1 n r 。这篇文章提供了对大多数波达角和极化都适用的 抗干扰方法。 2 0 0 1 年，一种新型的极化智能天线算法被提出。这种算法在测量接收信号 的相关性之后生成一对权值来决定b t s 发送信号的幅度和相位，以此来达到极 化匹配 4 。这种算法减少了前向功率的变化和基站的平均发射功率，并能抗干 扰和补偿极化阴影的损失。文献 5 】提出了白适应地调整一根天线的电场幅度和 相位，而另一根天线保持单位幅度和零相位的方法。在功率传输方面改进后，可 以达到2 d b 的增益。文献【6 】完善了之前提出的g a 算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ) ，通过 在每根天线上加权来改善分集和极化匹配，以达到信号的最优传输。链路增益多 达6 d b 。 极化匹配方法可以提高信噪比，降低误码率，提高信号接收的质量。使用功 率控制，在满足通信质量要求的条件下尽量减少发射功率，可以降低系统内的干 扰，达到提高系统容量的目的。在发射功率一定的情况下，又可以大大减少传输 误码率，从而增加传输距离。使用功率控制实现极化匹配，其创新之处有二： 首先，功率控制是近年来提出的c d m a 的一种无线资源管理策略，是 w c d m a 的关键技术之一。随着3 g 的发展，功率控制的应用必将越来越广泛。 中山大学硕士学位论文 基于功率控制的极化匹配算法研究 而使用功率控制来实现极化匹配，更是处于技术的前沿，国内外尚无人对此有研 究。 其次，国内外对于极化匹配的研究还主要集中在天线的硬件上或者系统建模 上，本论文从软件仿真上对算法进行研究，提出一种基于功率控制的极化匹配算 法，是一种新的尝试。这种研究方法是可行的。功率的大小反映了电场的变化， 电场的变化又会引起极化的变化。通过分别在两根正交的天线上调整发送功率的 大小，极化大小相应变化，合成后可以形成不同的极化矢量，只要极化角度跟接 收天线的角度一致，便可达到信号的最佳接收。 1 3 论文结构 本论文首先对国内外现阶段对极化匹配的研究进行简单的介绍。第二、三章 阐述了极化的基本概念、天线的最佳接收条件以及功率控制的基本内容。第四章 详细介绍双极化天线的极化匹配系统模型，提出了一种使用功率控制来实现极化 匹配的算法，并通过建模仿真显示出了算法的优越性。第五章进一步对三极化天 线的极化匹配算法进行研究。最后对两种极化匹配算法的性能进行分析和比较。 中山大学硕士学位论文基于功率控制的极化匹配算法研究 第2 章天线极化的基础知识 2 1 天线的极化特性 2 1 1极化的概念 天线向周围空间辐射电磁波。电磁波由电场和磁场构成。一个随时问作正弦 变化的单色平面波，可以用频率、振幅、相位和极化来描述。天线的极化是指在 最大辐射方向上远区电场的极化，它的概念可以从以下关于平面波的极化讨论获 得。 一个局域源天线辐射的波的等相位面，在一个小的观察范围内近似于一个平 面，称为局部平面波，其电场和磁场也位于一个平面内。一个平面波的极化，是 指在某个固定的观察点上时变电场的轨迹图。也就是在垂直于传播方向的平面 内，场的矢量末端在一个周期内所画出的轨迹。以电场为例，根据场的矢端的轨 迹，极化分为线极化、圆极化、椭圆极化三类 7 】。 1 、如果电场矢量沿着一条线往复运动，那就称为线极化，电基本振子或直线电 流分布产生的辐射场就是线极化的。线极化又分为垂直极化( 图2 - l a ) 和水 平极化( 图2 - l b ) 。在天线工程中，通常取地面为参考，若电场矢量与入射 面( 由入射线、反射线和法线构成的平面) 平行，则称为垂直极化；反之， 若电场矢量与入射面垂直，反而称为水平极化。 2 、如果电场矢量的长度不变但末端作圆周运动，则称为圆极化。如果波由远而 近朝着观察者而来，并且电场矢量末端顺时针绕行，那么它是左旋圆极化， 满足左手定则。如果旋转是逆时针的，那么它是右旋圆极化。左旋和右旋极 化如图2 1 c 和图2 一l d 所示。一对时空正交的电基本振子就能产生圆极化波。 3 、一般来说，在固定的观测点上看到的电场矢量末端的轨迹多半是椭圆形，故 椭圆极化为普遍情形，图2 1 e 和图2 1 f 分别表示右旋和左旋椭圆极化。 中山大学硕士学位论文 基于功率控制的极化匹配算法研究 。e 7 一蕊 j | i 一 一 7 一一 e 歹孓、 ， 、 一7 e b ) ”。国、 e 7 、 3t 、。一 一 d ) 一一 e ， h 多一广、 t 一一， 图2 - 1 波的各种极化状态( 波朝着观察者而来) a ) 垂直线极化b ) 水平线极化c ) 左旋圆极化 d ) 右旋圆极化e ) 左旋椭圆极化f ) 右旋椭圆极化 天线的极化是天线发射时所辐射的波的极化，可以将对波的极化的讨论直接 应用于天线。一个天线所辐射的波的极化往往是随方向变化的。通常，依据主瓣 最大辐射方向的极化特性来描述某天线的极化。一般规定，电场的方向就是天线 极化方向。一般使用的天线为单极化的。图：2 - 2 示出了四种基本的单极化天线的 6 中出大学硕士学位论文 基予功率控制的校纯敬算法醑究 情况：垂直极化、水平极化和派负4 5 。极化，垂直天线的极化方向悬垂直的， 窳乎天线蕤极耽方淘是瘩乎豹。这嚣穆投纯天线较零强舞。勇乡 逐蠢瓣耱单极 化的情况：+ 4 5 。檄化与一4 5 。极化，它们仅仅在特殊场合下使用。 囊夔觳镶 确嫒纯 豪攀辙憩 2 4 5 ”缀玩 翻2 - 2 圈耱天线辍佳 把垂直极化和水平极化两种极化的天线组合在一起，或者，把+ 4 5 。极化和 4 5 。辍证两耱极诧瓣天线缀合程一超，藏擒戏了一稀耨瓣天线双辍亿天线。 图2 3 示出了两个单极化天线焱装在一起组成一副双极化天线。双极化天线有两 个接头。双极化天线辐射( 或接收) 两个极他在空间相氨正交( 垂直) 的波。 图2 - 3 双极化天线 中山大学硕士学位论文 基于功率控制的极化匹配算法研究 天线的可逆性不仅确保天线的辐射和接收方向是相同的，也包括极化属性在 内。一个发射天线和一个接收天线( 最大方向对准发射天线) ，如果它们的椭圆 轴比、极化以及主轴的位置都一样，那么它们之间是极化匹配的；反之，则称为 极化失配。例如，一个右旋圆极化接收天线和一个右旋圆极化波是极化匹配的。 2 1 2极化匹配和极化损失 当接收天线的极化特性与极化波的极化特性完全相同时，称为极化匹配，此 时接收到的能量最大，在接收线极化波时，极化匹配就是指接收天线的极化方向 与所接收的线极化波的极化方向一致。所以，如果要获得最大的接收能量，垂直 极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收，水平极化波要用具有水平极化特性 的天线来接收。右旋圆极化波要用具有右旋圆极化特性的天线来接收，而左旋圆 极化波要用具有左旋圆极化特性的天线来接收。 实际上，在线极化匹配调整时，不可能达到完全匹配。当来波的极化方向与 接收天线的极化方向不一致时，接收到的信号都会变小，也就是说，发生极化损 失，也称为极化失配。例如：当用+ 4 5 。极化天线接收垂直极化或水平极化波时， 或者，当用垂直极化天线接收“5 。极化或一4 5 0 极化波时，都要产生极化损失。用 圆极化天线接收任何线极化波，或者，用线极化天线接收任何圆极化波，也必然 发生极化损失只能接收到来波的一半能量。失配夹角的存在产生的极化损 耗。和交叉极化隔离度s 。由下式给出【8 】： l p = - 2 0 l g ( e o sa ) a b 】 ( 2 1 ) s p = - 2 0 1 9 ( s i n ) l 船l ( 2 - 2 ) 当= 1 8 。时，极化损耗仅为o 0 0 4 3 d b ，而交叉极化隔离度为3 0 0 5 8 4 d b ， 这就必须保证失配夹角小于1 8 。，显然这项要求是很严格的。要达到这项要 求，必须深入细致地研究线极化匹配问题，找出方便操作的调整方法，认真做好 调整工作。 2 1 3 极化隔离 当接收天线的极化方向与来波的极化方向完全正交时，例如用水平极化的接 中山大学硕士学位论文 基于功率控制的极化匹配算法研究 收天线接收垂直极化的来波，或用右旋圆极化的接收天线接收左旋圆极化的来波 时，天线就完全接收不到来波的能量，这种情况下极化损失为最大，称极化完全 隔离。 理想的极化完全隔离是没有的。馈送到一种极化的天线中去的信号或多或少 总会在另外一种极化的天线中出现。例如在垂直极化天线和水平极化天线组成的 双极化天线中，如果垂直天线的输入功率为i o w ，在水平天线的输出端依然可 以测得1 0 m w 的输出功率。 在垂直于矢径r 的平面( 即波前或等相位面) 上，可以将电场矢量分解为两 个相线正交的极化分量。对于倾斜的线极化可分解为垂直和水平极化分量；对于 椭圆极化则可分解为两幅度不等、旋向相反的圆极化。与设计初衷一致的称为主 极化分量，而与之正交的非预期的极化分量称为交叉极化或寄生极化。由于天线 电波的极化形式是由发射天线以及传播过程中的条件决定的，因此，在设计某一 信道两端的收、发天线时，需针对传播条件考虑天线的极化形式，以满足极化匹 配的要求。应尽可能地减小交叉极化分量。以避免不必要的能量蚀耗。主极化分 量越强、交叉极化分量越弱，就称极化隔离度越高。在极化隔离度充分大的前提 下，同一个频率可正交复用，即利用两个相互正交的极化，以实现收发之间的同 频隔离或双频隔离的目的 7 】。 2 2 天线的最佳接收条件 2 2 1 天线的有效面积【9 】 当天线与负载处于匹配状态下接收机所获得最大功率为 p ：堕：望。丝 1 “4 r l4 见4 r ( 2 3 ) 式中，民和t 分别为接收天线处的辐射电阻和天线有效长度，而e 为接收天 线处的场强。接收天线则朝向最大接收方向。这时圪= e 。 为 利用天线有效长度和天线输入阻抗的概念可将接收天线的方向性系数表示 9 中山大学硕士学位论文 基于功率控制的极化匹配算法研究 令 d ：型 心 a ：d , 2 f 4 z ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 则天线最大输出功率可表示为天线所处位置来波的功率流密度( 即坡印亭矢量) 与a 的乘积 。篆4 p 。， 式中，z 0 为自由空间波阻抗，而式( 2 - 5 ) 所定义的a 称为接收天线的实效 面积。由式( 2 - 6 ) 可知，它是接收天线接收外来电磁能量的能力的量度。因为它 乘上来波的坡印亭矢量e 2 z n 就得到天线可能接收到的最大功率，即当天线最大 接收方向朝向来波方向，且天线与负载( 接收机) 处于匹配状况时所获功率。 2 2 2 天线的矢量有效高度 任一天线当其用作发射时，其远场区可以写为 e ：二坚! ： 4 z r h ：土r e i 拓- l k r ， z o 4 z r ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) 式中，r 为场点矢n r r 的单位矢量，而称为辐射矢量。对于半波振子为 ：妻学cos(：亨coso)厶各万s 1 n f ( 2 9 ) 其中目表示电波传播方向与z 轴的夹角。辐射矢量的方向，就是该天线的极化 方向。对于单偶极天线来说，就是天线轴的方向。 天线有效高度矢量厅则将发射天线电流l 与辐射矢量联系起来，对于半波振 子，天线有效高度h 为 中山大学硕士学位论文基于功率控制的极化匹配算法研究 h 2 n ( 2 1 1 0 ) 可见，天线的有效高度 也是矢量，其方向与是一致的。 和一样，都 是( 口，妒) 的函数。l h i 2 的图像即天线功率方向图。 由收、发天线的互易原理，接收天线的开路电压为天线的有效高度 与入射 波电场矢量瓦的乘积，即 2 “毛 f 2 1 1 ) 2 2 3 最佳接收条件 由式( 2 6 ) 可知，天线最大输出功率等于天线所处位置的坡印亭矢量与接收 天线实效面积的乘积。但这一结论有三个先决条件，归纳如下【7 】： ( 1 ) 接收天线的最大接收方向对准来波方向； ( 2 ) 接收天线的极化与来波的极化匹配； ( 3 ) 接收天线的负载与自身的阻抗匹配。 前两个条件为了感应电动势最大化，最后一个条件为了获取最大接收功率。 当上述三个条件不能得到完全满足时，接收天线输出的功率将减少。若以p 和q 分别代表极化匹配和阻抗n g g n 子，则接收天线实际输出功率可表示为 p 2 圪“p 。2 4 p a 2 ；4 。：。：， 式中， 42 却q r 2 1 3 ) 为存在失配时的实效接收面积。p 和g 的最大值为1 ，分别对应于极化匹配和阻 抗匹配的情况。存在极化失配和阻抗失配时p 和q 小于l ；失配愈严重，p 和q 愈接近零值。 在本论文的研究当中，暂且不考虑阻抗匹配的情况，即认为这种匹配是良好 的，q = 1 。只考虑极化损失，则可以得到接收机的输入功率b 为 中山大学硕士学位论文 基于功率控制的极化匹配算法研究 b 2 圪“p 2 差| _ 4 p 2 4 陀。、 极化匹配因子表示由于极化失配而引起的功率传输损失。一般地讲，它可由 天线有效高度矢量来计算。 p 2 黠2 嘲孚 陪嘲 由上式可见，极化匹配因子实际已包含在有效高度函数中。若定义h 和e 的 极化比为 2 胞俨 ( 2 1 6 ) e | e m m = s e sa(2-17) 则极化匹配因子可表示为 。一1 + 2 s t c o s ( c t + ) + s 2 ，2 舻酉而斧 f 2 _ 1 8 1 对于线极化天线，如赫兹短偶极子天线，若来波极化方向与天线轴向呈口的 夹角，则极化匹配因子 p = c o s 2 口 ( 2 1 9 ) 对于圆极化天线，若以v l 和屹分别表示接收天线和来波极化椭圆的轴比( 长 轴和短轴的比值) ，口表示这两个极化椭圆长轴之间的夹角，则极化匹配因子 p 2 。s i 抵+ 主黼c 。s ：口，：。、 该式子第二项前面的+ 、一号分别对应于天线与来波极化旋转的方向相同和相反 1 2 中山大学硕士学位论文 基于功率控制的极化匹配算法研究 第3 章c d m a 系统的功率控制技术 3 1 功率控制概述 c d m a 系统在相同时间内使用相同的频率，仅以不同的扩频码字来区分不 同的信道，从而不可避免地引起多址干扰。同时由于c d m a 系统中干扰的大小 直接影响着系统容量，是一种干扰受限系统，因此，有效地克服和抑制多址干扰 就成了c d m a 系统最主要、最关键的问题之一。 此外，在上行链路中，由于不同的移动台到基站的距离不同，远处用户的信 号会被近处用户的信号淹没而不能正确解调，这种现象称为“远近效应”；与上 行链路不同，下行链路的干扰主要来自于其他基站的前向信号和本基站内其他用 户的前向信号。尽管不存在远近效应，但是当位于相邻小区的交界处时，移动台 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较强的干扰，因此 仍需要对前向功率进行一定的控制。还有电波传播中由于大型建筑物的阻挡，会 形成“阴影效应”产生慢衰落。这些现象将会导致系统容量下降和实际通信服务 范围缩小等负面影响。解决这些问题最有效的方法之一就是采用功率控制技术。 功率控制除了能抗干扰，还能靠补偿衰落来提高衰落信道下直接序列扩频 c d m a ( d s c d m a ) 系统的性能。如果能及时地跟踪信道变化趋势，理想的功 率控制将把衰落信道在接收端作为加性高斯白噪信道来处理。 c d m a 系统就是要在保证质量的前提下降低发射功率，减少干扰，增加容 量。所以有人称“功率控制”是c d m a 技术中关键的关键。w c d m a 系统和 c d m a 系统一样是干扰受限系统，功率控制用来维持在空中接口的最低干扰电 平，提供需要的服务质量( q o s ) ，并提高系统频谱利用率，从而在为每个用户 提供可以接受的服务质量同时减少对其他用户的干扰【1 1 】。 1 功率控制的目标 1 ) 克服无线信道的慢衰落对信号的影响 2 ) 防止功率攀比上升，降低系统总的干扰水平 3 ) 在满足通信质量要求的条件下尽量减少发射功率 中山大学硕士学位论文 基于功率控制的极化匹配算法研究 2 功率控制的准则 1 ) 功率平衡准则 通过功率控制使接收端收到的有用信号功率相等。对上行链路，目标是使各 个移动台到达基站的功率相等；对下行链路，目标是使各个移动台接收到基站的 有用功率相等。 2 ) 信噪比平衡准则 通过功率控制接收端接收到的信噪比( c 1 ) 相等。对上行链路，目标是使各 个移动台到达基站的c l 相等；对下行链路，目标是使各个移动台接收到的有用 信号c ，相等。 3 ) 误码率平衡准则 通过功率控制使接收端接收到的误码率相等。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基站的有 用信号误码率相等11 1 。 3 2 功率控制的分类 在c d m a 系统中，功率控制可分为前向功率控制和反向功率控制。其中反 向功率控制又包括反向开环和反向闭环功率控制，闭环功率控制又分为内环功率 控制和外环功率控f l ； 1 2 1 。 1 、开环功率控制和闭环功率控制的区别 开环功控( o l p c ) 指的是移动台( 或基站) 根据前向( 或反向) 链路接收 到的信号功率大小来调整移动台( 或基站) 的发射功率。开环功控建立在上行与 下行链路具有一致的信道衰落情况之上。闭环功控( c l p c ) 一般是指基站( 和 移动台) 根据前向( 或反向) 链路上接收到的移动台( 或基站) 信号的e n 来 产生功率控制指令，然后通过前向( 或反向) 链路传送给移动台( 或基站) ，移 动台( 或基站) 根据功率控制指令来调整发射功率。 对于频分双工模式( f d d ) 的c d m a 系统而言，其上行链路与下行链路相 应的频率间隔为4 5 m h z ，远大于信道的相关带宽，因此，上行链路与下行链路 的衰落是不相关的，采用开环功控难以达到所要求的控制精度。通常认为，在 f d d 模式的c d m a 系统中，开环功控的作用是调整移动台初始接入时的发射， 中山大学硕士学位论文基于功率控制的极化匹配算法研究 同时对弥补由于路径损耗而造成衰减的慢变化起到一定的作用。为了提高功率控 制精度，克服较为快速的瑞利衰落，必须采用闭环功控。 2 、前向功率控制 前向功率控制又称下行链路功率控制，是基站根据移动台提供的测量结果， 调整对每个移动台的发射功率而实现的。其目的是对路径衰落小的移动台分配相 对较小的前向发射功率，而对那些较远的和解调信噪比较低的移动台分配较大的 前向发射功率。基站通过移动台对前向解调误帧率的反馈报告来决定针对该移动 台的前向链路功率的增大或减小。从这个意义上说，前向功率控制也采用了闭环 的形式。 3 、反向功率控制 反向功率控制主要是借助于基站的功率控制指令来实时调整各移动台的发 射功率，使本小区内任一移动台无论离基站多远，其信号到达基站接收机时刚刚 到达保证通信质量的最小信噪比门限，从而保证系统容量。反向功率控制包括两 部分：开环功率控制和闭环功率控制。 1 ) 反向开环功率控制 反向开环功率控制是当移动台发起呼叫或响应基站的呼叫时首先工作的。在 开环功率控制中，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，表明此刻前向链路上的衰耗大，并由此认为反向链路上的衰耗 也将较大，于是为补偿这种预测的信道衰落，移动台将增大发射功率；反之，移 动台将减小发射功率。开环功控利用移动终端接收到的前向信号质量估计反向信 道状态，并据此判断反向信道的发射功率，用于信道接入初期的功率粗调。反向 开环功率控制过程如图3 1 所示。 图3 - 1 反向开环功率控制模型 中山大学硕士学位论文 基于功率控制的极化匹配算法研究 2 ) 反向闭环功率控制 反向闭环功率控制是由基站协助移动台，对其作出的开环功率估测迅速作出 纠正，从而使移动台始终保持最理想的发射功率的一种技术。基站每隔一定时间 检测一次解调后的反向业务信道信号的信噪比。然后将其与事先设定的门限相比 较，若收到的c ，高于门限值，基站就在前向信道中送出一个减小移动台发射功 率的指令；反之，就送出一个增加移动台发射功率的指令。移动台每次调整发射 功率的动态范围称为功控步长。功控步长可以是0 2 5 d b ，0 5 d b 和1 o d b ，使用 不同的功控步长，功控的效果是不同的。传统的闭环功率控制模型如图3 2 所示。 图3 - 2 传统闭环功率控制模型 闭环功率控制包括内环和外环控制，用于信道通信过程中移动终端发射功率 的精细调整。反向外环功率控制的过程为：基站通过测量误帧率，并定时地根据 目标误帧率来调节设置点c ，来维持恒定的目标误帧率。如果误帧率过高，则 将设置点相应地调高；如果误帧率过低，则将设置点相应地调低。反向内环功率 控制的过程为：基站测量接收到的信号c i ，将该值与设置点相比较，通过发送 功率控制命令来增大或减小功率，以使接收到的信号c i 接近于设置点。 1 6 中山大学硕士学位论文 基于功率控制的极化匹配算法研究 3 3w c d m a 的功率控制 3 3 1w c d i v i a 简介及其物理层概述 第三代移动通信系统是一种能提供多种类型、高质量的多媒体服务，实现全 球无缝覆盖，具有全球漫游能力，与固定网络相兼容，并以小型便携式终端在任 何时候、任何地点进行任何种类型通信的系统。为实现上述目标，对其无线传输 技术( r t t ：r a d i ot r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y ) 提出了以下的要求： ( 1 ) 高速传输以支持多媒体业务。 室内环境至少2 m b i t s ； 室内外步行环境至少3 8 4 k b i t s ； 室外车辆运动中至少1 4 4 k b i t s ； 卫星移动环境至少9 6 k b i t s 。 ( 2 ) 传输速率能够按需分配。 ( 3 ) 上下行链路能适应不对称需求 1 3 。 在众多的第三代系统r t t 技术中，w c d m a 技术已经成为被广泛采纳的第三代 空中接口，其规范已经在3 g p p ( t h i r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ，第 三代移动通信伙伴合作项目) 中制定。 w c d m a 系统是宽带直接序列扩展码分多址( d s c d m a ) 系统，即用户的信息 比特和来自c d m a 扩频码序列集的伪随机序列比特( 码片) 相乘，得到频域内的 宽带信号。w c d m a 系统采用了变扩频因子和多码传输技术，实现高速的物理连接 ( 达2 m b i t s ) 。 w c d m a 作为u m t s ( 通用移动通信系统) 的实现，其系统体系结构与大多数第 二代系统甚至第一代系统基本类似。w c d m a 系统包括若干逻辑网络元素，逻辑网 络元素可以按不同子网分类，也可以按功能来划分。 功能上，逻辑网络元素可以分成u e ( 用户设备终端) 、无线接入网( r a n ) 和核心( c n ) 。无线接入网又简称为u t r a n 。其中，u t r a n 处理与无线通信有关 的功能。c n 处理语音和数据业务的交换功能，完成移动网络与其他外部通信网 络的互联，相当于第二代系统中的m s c v l r h l r 。u e 和u t r a n 采用全新的w c d m a 中山大学硕士学位论文基于功率控制的极化匹配算法研究 无线技术规范，而c n 基本上来源于g s m 。因此，g s m 在全球的广泛应用为w c d m a 无线网络的发展奠定了一定的基础。 3 g p p 定义了w c d r a 标准的各个方面。其中，物理层的协议属于2 5 系列，主 要的物理层协议如表3 1 所示。 表3 - 1w c d m a ( f d d ) 系统主要的物理层协议 协议号码协议名称 t $ 2 5 1 0 1u e 无线传输和接收( f d d ) t $ 2 5 1 0 4 u t r a ( b s ) f d d ：无线传输和接收 t $ 2 5 2 0 l 物理层概述 t $ 2 5 2 1 1 无线信道和映射到物理信道上的传输信道( f d d ) t $ 2 5 2 1 2 复用和信道编码( f d d ) t $ 2 5 2 1 3 扩频和调制( f d d ) t $ 2 5 2 1 4 物理层进程( f d d ) t $ 2 5 2 1 5 物理层：测量( f d d ) w c d m a 系统的基本特点如表3 2 所示。高层的数据传输到物理层后，映射到 物理层的无线帧中。w c d m a 系统的物理信道按时间分为三层结构：超帧、无线帧 和时隙。物理信道的帧结构如图3 3 所示。 表3 - 2w c d m a 系统的基本特点 码片速率 3 8 4 m o p s 多址接入方式 直扩码分多址( d s - c d m a ) 系统带宽5 m h z 帧长 1 0 m s 扩频因子 4 2 5 6 上行链路采用q p s k 调制，下行链路采用h p s k 调制，同 调制方式 时采用了复加扰技术。上下行链路均采_ = l j 了相干调制 上行链路采用2 2 5 - 1 的g o l d 码来区分不同用户，下行链路 扩频方式采用2 1 8 1 的g o l d 码来区分不同基站。同时，采用可变长 度的正交序列区分不同信道 除采用编码速率为1 2 和1 3 的卷积编码外，也增加了用于 编码方式 高速率数据业务传输的t u r b o 编码技术 多速率方式 采用可变扩频因子和多码传输 功率控制方式 同时采用了开环和快速闭环功控，功控速率达到15 k h z 切换方式 软切换和硬切换 中山大学硕士学位论文基于功率控制的极化匹配算法研究 丌百匦f 阿 乏s 3 8 4 0 0 c h i p。 二，一7： 时隙l1 时隙2 【时隙3i 时隙4 i 时隙1 4 l 时隙1 5 。| | _ j ，? ? 。| | | | 。| | 。| | 图3 - 3 物理信道的帧结构 图3 - 3 中，一个超帧的时长为7 2 0 m s ，分为7 2 个无线帧，每个无线帧的时 长为l o m s 。无线帧是物理信道的基本单元，对应3 8 4 0 0 c h i p ，包括1 5 个等长的 时隙，每个时隙对应2 5 6 0 c h i p 。 3 3 2w c d m a 的功率控制 在w c d m a 系统中，前向和反向链路均支持1 5 0 0 h z 速度的快速功率控制。这 个不同于g s m 的慢速( 将近2 h z ) 功控，也不同于i s 一9 5 反向8 0 0 h z 快速功控和 前向慢速功控。由于无线传播环境的恶劣，在典型的蜂窝移动通信环境中，基站 与移动台之间的发射信号是经过多次反射、折射和散射才到达各自的接收端的。 这样就很容易造成信号的多径衰落。对于慢速移动的接收机，快衰落会对其接收 质量造成很大影响。在g s m 系统中，移动台每4 8 0 m s 上报一次测量报告，功率控 制的最快频度不超过每秒2 次。因此，对于g s m 系统，其对抗多径衰落的主要方 法是通过系统跳频来实现的。对于w c d m a 系统，在上行情况下，专用物理控制信 道( d p c c h ) 将l o m s 的无线帧划分为1 5 个时隙，每个时隙包含一个功率控制命 令( t p cc r n d ) ，由于功率控制的速度高于快衰落，从而有效地保证了慢速运动 时移动台的接收质量，给系统带来一定的增益。除此之外，它还具有以下的优点： l 、能够在短时间内迅速调节移动台的功率，在很大程度上避免了远近效应 的产生； 2 、对功率的迅速调整也减少了对其他小区或移动台的干扰。 1 9 中山大学硕士学位论文 基于功率控制的极化匹配算法研究 w c d m a 系统的功率控制也是分为三类：闭环( 内环) 功率控制( 快速功率控 制) 、外环功率控制( 慢速功率控制) 和开环功率控制。由于本论文使用的功率 控制属于下行闭环功率控制，因此下面将重点讨论w c d m a 的下行功率控制。 下行功率控制又称为前向链路功率控制，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。下行功率控制可以有效降低基站 的平均发射功率，减小邻小区干扰，克服传输中的“角效应”。 下行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缓慢，其功 率控制主要靠外环功率控制来完成。与上行功率控制方式相比较，下行内环功率 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，下行功率控制还包括站点选择分集发射。 在w c d m a 中，下行闭环功控同时控制一个d p c c h 信道和与之相关的若干个 d p d c h 信道的功率。两者的功率调整幅度相同，d p c c h 和d p d c h 的相对功率差不 变，d p c c h 和d p d c h 之问的相对功率偏差由网络在高层信号中通知移动台。 对于普通帧的功率控制，下行链路内环功率控制调整基站的发射功率，使得 移动台接收的下行链路龇r 大于r 。( s i r 目标值) ，龇r 。由上层的