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哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学f t 论文 基于s i r 的t d s c d m a 功率控制算法研究与仿真 摘要 随着移动通信的发展，3 g 已经逐渐走入我们的生活。其中，3 g 技术之 一的t d s c d m a 是我国自主研发。本文主要研究的是t d s c d m a 系统中 的关键技术：功率控制。作为码分多址( c d m a ) 系统，“远近效应”和 “多址干扰 一直是c d m a 系统难以解决的问题。功率控制j 下是克服此问 题的办法，精准的功率控制可以保证通信有效性的同时，提高系统容量。 本文首先介绍了t d s c d m a 系统中功率控制技术的准则和机制。针对 现有的上行链路固定步长功率控制算法在深度快衰落时跟不上信道变化的问 题，本文提出了一种改进的功率控制算法。新算法基于信干比测量，对其进 行预测，这样可以反映不同的信道变化，最后以较准确的值与外环提供的目 标信干比进行比较，产生功率控制命令，然后由m a r k o v 状态对应不同的功 率控制步长，选择合适的步长进行功率调整。与传统功率控制算法相比，改 进算法更好的跟踪了信道变化，并且针对于固定步长的功率控制算法，改进 算法对步长有了更多的选择，对功率控制效果起到提高的作用，最后，本文 使用m a t l a b 软件进行仿真，在仿真中建立t d s c d m a 系统的物理层链 路模型以及数据的发射传送、接收模型。仿真结果包括：改进算法与固定步 长算法的性能对比和改进算法对系统性能改进的分析。仿真结果表明改进算 法强于传统的固定步长算法，有效的控制了发射功率，增加了系统的稳定 性，使性能得到提高。 关键词t d s c d m a = 功率控制算法；信干比 哈尔滨理下人学t 学顾i j 学化论文 = = = = = = = = = 目目目目；= = e = = 自= 目= 目i i i l l l l 兽= 詈= = = = = = = = 詈= = = = = = = = ! = = = 阜! ! ! j e 自! ! ! ! ! ! ! 目| s | 鲁! ! ! g ! 目! e rq ；e a r c ha n ds i m u l a t i o nb a s e do nt h e r e s e a r c h | m ub a s e ao nt l l es 1 一1 1i 。n 一1d 3 u s c d m ap o w e rc o n t r o la l g o r i t h m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，t h et h i r dg e n e r a t i o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e nc o m ei n t oo u rl i f e ；a m o n gt h e m ，t d s c d m ao ft h e3 gt e c h n o l o g yi sc h i n a si n d e p e n d e n tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st h et d s c d m as y s t e m st h ek e yt e c h n i q u e s ：p o w e r c o n t r 0 1 a st h ec o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( c d m a ) s y s t e m ，“n e a r f a re f f e c t a n d “m u l t i a c c e s si n t e r f e r e n c e ”i sad i f f i c u l tp r o b l e mt os o l v eo fc d m as y s t e m p o w e rc o n t r o li so v e r c o m et h es o l u t i o nt ot h ep r o b l e m ，a c c u r a t ep o w e rc o n t r o l c a na s s u r ec o m m u n i c a t i o ne f f e c t i v e n e s s ，a tt h es a m et i m e ，i m p r o v et h es y s t e m c a p a c i t y t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st d s c d m as y s t e mp o w e rc o n t r o lt e c h n o l o g y n o r m sa n dm e c h a n i s m a i m i n ga tt h ee x i s t i n gu p l i n kf i x e ds t e p - l e n g t hp o w e r c o n t r o la l g o r i t h mi nd e p t hf a s tf a d i n gc h a n n e lw h e nc o u l d n tk e e p u pw i t h c h a n g e ，t h i sp a p e rp r o p o s e s a ni m p r o v e dp o w e rc o n t r o la l g o r i t h m t h en e w a l g o r i t h mb a s e o ns i rm e a s u r e m e n t ，a n dc a r r yo nt h ep r e d i c t i o nt or e f l e c t d i f f e r e n tc h a n n e lc h a n g e s ，a n dc o m p a r e dw i t ht a r g e ts i rp r o v i d e do u t e rr a c e ， t h e ng e n e r a t et h ep o w e rc o n t r o lc o m m a n d ，b yt h em a r k o vs t a t ec o r r e s p o n d i n gt o d i f f e r e n t p o w e rc o n t r o ls t e p l e n g t h ，c h o o s e t h er i g h t s t e p l e n g t h f o r p o w e r a a i u s t m e n t c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lp o w e rc o n t r o la l g o r i t h m ，t h ei m p r o v e d a l g o r i t h mb e t t e rt r a c k i n gc h a n n e lc h a n g e s a n da i m i n ga t t h ef i x e ds t e p l e n g t h p o w e rc o n t r o la l g o r i t h m ，t h ei m p r o v e da l g o r i t h mh a v em o r ec h o i c e s t or e d u c e t h ep o s s i b i l i t yo fm i s o p e r a t i o na d j u s t a b l e i no r d e rt ov e r i f yp e r f o r m a n c eo ft h e a l g o r i t h m ，t h i sp a p e r u s et h em a t l a bt ob u i l tt d s c d m as y s t e mc o m p l e t e p h y s i c a ll i n k f i n a l l y , u s i n gt h em o d e lo nt h ei m p r o v e da l g o r i t h m ，a n ds i m u l a t i o n i n c l u d e ：t h ei m p r o v e da l g o r i t h ma n df i x e ds t e pl e n g t hp e r f o r m a n c eo ft h e a l g o r i t h m t oc o n t r a s ta n dt h e i m p r o v e da l g o r i t h m o ns y s t e mp e r f o r m a n c e 喻尔滨理t 人学t 学硕l 学位论丈 i m p r o v e da n a l y s i s s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p r o v e da l g o r i t h mi s s u p e r i o rt ot h et r a d i t i o n a la l g o r i t h mo nt h es y s t e m sp e r f o r m a n c ei m p r o v e d k e y w o r d st d s c d m a ，p o w e r c o n t r o la l g o r i t h m ，s i r 哈尔滨理下人学丁学硕l j 学位论文 第1 章绪论 1 1 论文研究的背景与意义 t d - s c d m a ( t i m ed i v i s i o ns y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o nm u l t ia c c e s s ，时分 同步码分多址) 系统是国家信息产业部批准，电信科学技术研究院多年研究的 成果。是我国自主知识产权的3 g ( 3 r dg e n e r a t i o n ，第三代移动通信) 系统标 准，它属于 r o o m m ed i v i s i o nd u p l e x ，时分双i ) c d m a 系统，具备t d d c d m a 系统的一切特点。时分双工即上行和下行链路在不同时隙进行双工通 信，系统的时隙是可以动态分配的，它根据上行或下行的数据量灵活分配，在 上、下行对称的信道和非对称的信道应用广泛。对于目i i i 频谱紧张的问题来 说，这种双工方式是最好的解决办法。t d s c d m a 是t d m a 、f d m a 和 c d m a 三者的结合，作为c d m a 系统，虽然优点很多如：可靠性高、抗干扰 能力强、系统稳定、准确定时等优点，这些优点使它成为第三代移动通信的主 要多址技术，但它的缺点也是不容忽视的，即“远近效应 和“多址干扰 。 大量的发射波、折射波和反射波存在于移动通信的电波传播环境中，来自 不同方向的信号在移动台迅速移动时相互叠加或者抵消，形成瑞利衰落。接收 的场强和振幅随着移动台的迅速移动而变化，其变化速率与移动速度有关，又 因为信号的强度随着传输距离的增大成指数形式衰减，在发射功率一样的情况 下，距离基站较远的移动台所收到的信号远远弱于距离基站较近的移动台，近 处的强信号就会覆盖远处的弱信号，从而远处信号就被干扰。进而影响到通信 系统的质量，这就是“远近效应i l l t z l 。在c d m a 系统中，同一蜂窝小区的用 户使用的频率和时隙足一模一样的，用户有时是依据扩频码的正交特性来区 分，因此各个用户在信号传输时，由于扩频码之l 日j 的互相联系不足很明确，这 样一来用户与用户之问就会相互影响。因此造成“多址干扰 p 。所以，为了 保证通信质量，信号干扰的削弱可以由发射功率来控制。我们知道，接收端产 生的信干比主要是决定用户服务质量的因素，常常会出现多址干扰，这样信干 比的平衡要由用户自身产生的发射功率来满足，因此较为严重的多址干扰将会 影响到其他片j 户。同样，其他用户为了达到自己所需的信干比，也增大发射功 率，这样就形成了恶性循环，导致功率往复增加，虽然一些用户达到了他们功 率饱和值，但其服务质量要求确不能满足。功率控制是使用户拥有高质量的通 哈尔滨理丁人学t 学硕l ：学f t 论文 信系统的同时，最小化发射功率，减小干扰p 。 所以，功率控制是t d s c d m a 越来越趋于实际化的一项重要技术，它拥 有提高用户满意度，提高发射功率的功能。可见功率控制的研究非常重要。本 文基于现有的功率控制理论进行研究，对现有的功率控制算法进行具体分析， 对于t d s c d m a 系统将检测技术和智能天线技术集于一身p 1 ，这样也就降低 了功率控制所要达到的目标，但由于t d s c d m a 系统内部帧结构的速度较慢 的问题，致使控制功率控制时间长，功率控制无法与信道保持同样的节奏变 化。所以系统应该采用信道估计与变步长的相结合的功率控制算法，这样才能 抑制功率控制不完善的问题。 1 2 研究现状和发展趋势 2 0 世纪以来，移动通信使人们的生活发生了翻天覆地的变化，人们越来越 离不丌移动通信，与此同时，移动通信系统的服务质量更应该满足人们的需 求，因此产生了第三代移动通信。其采用的是码分多址系统，作为c d m a 系 统，有效的功率控制大大的体现出了其优势，它可以优化发射功率，从而让用 户对服务质量更加满意也增加了系统的容量。同时，也产生了很多不利因素， 例如多址干扰。 长久以来，功率控制一直是人们对于c d m a 系统来说研究的重点，以功 率控制的分类角度来说，从闭环功率控制到丌环功率控制，从功率控制的集中 式到功率控制的分散式。在这其中的算法也有好多种，同一门限和自适应门限 算法，单比特定步长和多比特变步长功率控制算法，这些算法都是最小化发射 功率，最优化服务质量，最大化系统容量p 1 。早在二十世纪六十年代，在广播 网络传播时，为了抵御相同信道所带来的干扰，基于服务质量的功率控制技术 被研发，产生了利用线性规划的方法来代替功率分配的情况。随着科技的进 步，在1 9 9 2 年美国人z a n d e rj 将信干比平衡的理念搬到的历史舞台，在窄带 c d m a 系统中就得到了使用，该方法是建立在干扰源来自相同信道的基础上， 研究了传输功率控制指标，由信干比测量的启发，集中式功率控制算法也就产 生了。但是集中式功率控制算法也有缺点，例如：处理难度大，分析的数据较 多，同时还要了解所有链路的信道增益，因此，光是集中式是不行的，这样一 来人们的目光开始转向分布式功率控制1 。这种控制方法应用的相当普遍。其 优点在于系统内调整发射功率可以完全根据用户的需要，满足信干比平衡的条 件，为了更进一步的提高服务质量，z a n d e rj 又提出了一种新的分和式功率控 哈尔滨理t 人学t 学硕l ：学化论文 制算法，该算法依靠的是迭代理论，提出一种新的c 1 分布式平衡算法，其影 响它的两个因素是噪声和目标信干比，该算法需要测量目标信号的功率和接收 端的信干比p 1 ，随后，一种基于恒定功率的功率控制算法出现了，该算法是为 基站提供了恒定不变的接收功率，这种算法的出现为以后研究和分析功率控制 算法起到了一定的引导作用。在这之后，又出现一种一阶功率控制算法，它是 由归一迭代变量产生的，此算法只更新移动台的传输功率。针对于此算法， 2 0 0 1 年r i t aj a n t t i 提出了二阶功率控制算法p 1 ，此算法把当前功率和之前的功 率进行迭代算法，移动台的更新速率全靠此项数据，从而将算法进行仿真，仿 真结果显示此算法具有良好的收敛速度，其速度大大好于以往的一阶功率控制 算法。在以后随着功率控制技术研究的投入力度，在s i r 测量处理方面进行的 改进也随之而来。对s i r 进行预测和迭代算法，之后对于功率控制步长的研 究，又有人提出了新的算法，2 0 0 6 年u y k a nz 提出了自适应功率控制方法， 该算法主要是针对对于信道的快速变化产生的瑞利衰落或者是莱斯快衰落等问 题1 1 1 。 从以上功率控制技术的发展来看，功率控制算法得到了很大方面的改进， 有的是从功率衰减补偿方面进行考虑，有的是从功率控制步长方面进行考虑， 有的是对信干比的预测方面进行考虑，有的是把功率控制与智能天线相结合。 总结以上所有的功率控制算法，我们应该把优点应用到系统性能上，把缺点进 行改进，使其对以后的功率控制研究起到重要作用。 1 3 本论文主要研究内容 本文对功率控制技术进行深入研究和分析，针对传统的闭环固定步长功率 控制算法，提出了一种改进的算法。新算法是把信干比预测和变步长自适应功 率控制算法相结合，本课题研究主要包括以下几个方面： 1 信干比预测改进算法是基于信干比测量的，把接收端测得的信干比与 前几个时刻的信干比进行估计，得出预测值，将预测值与外环提供的目标信干 比相比较，产生功率控制命令。 2 功率控制( t p c ) 命令步长的选择功率控制命令生成后，由m a r k o v 状 态对应不同的功率控制步长，选择合适的步长进行功率调整。改进算法对于信 道的快速变化有了更好的解决办法，并且对步长有了更多的选择，减小了误调 的可能性。3 改进算法的仿真，改进算法在m a t l a b 中进行仿真，根据t d s c d m a 系统中的物理层知识，仿真中建立数据的发射、传送、接收模型。 哈尔滨理丁人学t 学硕i 学位论文 第2 章t d s c d m a 中的功率控制技术 2 1 功率控制概述 在c d m a 系统中，功率控制是保证通信质量和系统链路质量的重要技术 之一，功率控制是在对基站或者移动台接收到的信号强度或者信干比进行评 定，然后根据评估结果适时的改变发射功率来减小信道衰落对信号的影响。这 样不但保证了通信质量，也不会影响同一个蜂窝小区内其它用户的干扰，提高 系统容量。 在研究功率控制问题之前，我们先给出系统链路模型“，以蜂窝小区下行 链路为例，我们设基站发射功率为p ，o ) ，表示第f 个基站的发射功率，g ，o ) 表示第f 个移动台到第i 个基站的信道增益，c i o ) 是第i 个移动台接收到的有 用功率，它等于发射功率乘以信道增益。总干扰噪声功率为，o ) ，移动台收到 的高斯加性噪声为u o ) ，那么信干比为式( 2 1 ) 。 鹏) l 器= 豇而g i s ( t ) 而p , ( t ) 丽 ( 2 - 1 ) 箭 由此可见，功率控制问题可以转化为如下图2 - 1 所示的模块来说明，我们 可以看出功率控制过程是反作用于信号传输过程的。 图2 1 功率控制模块 f i g 2 1p o w e rc o n t r o lm o d u l e 在上图2 - 1 中，w 为外部输入信号，它包括信道增益和干扰，u 为控制信 号，它是控制用户的发射功率，y 表示功率控制过程中测得信干比或服务质量 哈尔演理t 人学t 学硕f j 学化论文 的参量值，z 表示通信质量的测量值参量，功率控制的目的就是通过控制的测 量参量来调整功率，使z 满足系统所需的要求p “。 我们把功率控制过程进一步细化，就可以得出如图2 2 所示的功率控制结 构图，f 模块通过功率控制过程中获得相关的测量值来预测下一时刻功率控制 所需要的信息，然后反馈给内环功率控制和外环功率控制，外环功率控制根据 外部信息来计算目标信干比，内环功率控制以较快的速度来调整信干比，使其 满足目标信干比。 g q t ) t p l t ) 、 1 1 1 ) z y 图2 2 功翠控制结构图 f i g 2 2p o w e rc o n t r o ls t r u c t u r e 由上图可以分析可以得出，我们研究的功率控制算法可以从内环和外环两 个角度来研究，当系统的内环功率控制速度足够快，可以跟上信道的变化，那 么我们就要考虑系统的负载和稳定性，从外环的角度考虑，当外环给出的s i r 值满足用户的需要，并且恒定不变，那么我们就要考虑功率控制算法的收敛速 度和收敛性。 2 2 功率控制准则的研究 研究功率控制的前提是研究功率控制准则，因为它是功率控制的依据。功 率控制准则大概可以分为三种：功率平衡准则、信干比平衡准则和把日仃两种准 则相混合的准则1 训。 2 2 1 功率平衡准则 功率平衡准则足指用户或者皋站接收端接收到的发射功率相等，从上行链 路方面来讲，指使基站接收到用户发射的功率相等，从下行链路方面柬讲，指 哈尔滨理t 人学t 学顾l j 学位论文 使用户接收到基站发射的功率相等卜“。 1 上行链路功率平衡基本原理我们假设移动台发射到基站的有用功率为 p ，那么第f 个移动台发射剑第i 个用户的有用功率为函，我们假设岛= p ，其 中基站的个数为，位于第i 个基站的移动台数目为厶；小区内有均匀分布的 移动台个数为m ；瓯表示在第f 个基站网络范围内第k 个移动台到第个移动 台的衰弱因子。 由于相关性不等于零，同频信号下不同基站之间存在干扰，那么其他移动 台对本移动台的干扰信号为式( 2 2 ) 。 小n 荟- i l j 尸垒a m p 基站接收信号的干扰比为式( 2 - 3 ) 。 一百s i l2 繇1，笔甚g 弦f ， 筋矧。肚f ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 2 下行链路功率平衡基本原理基站发射到移动台的有用功率为p ，则第 f 个基站发射到第z 个移动台的有用信号功率为函，我们假设函，。 其他基站对本基站的干扰信号为式( 2 4 ) 。 l n 乏- i 荟l ip 等一尸 移动台接收信号的干扰比为式( 2 - 5 ) 。 一百s i i2 痴 l i l长gi k i 1 邻例“肚f ( 2 4 ) ( 2 5 ) 2 2 2 信干比( s i r ) 平衡准则 信干比平衡准则是指用户或者皋站接收端接收到的信干比相等，从上行链 6 一 哈小jo ：寅理- r 人学t 学硕l j 学位论文 路方面来讲，是指基站接收到用户所传送的信干比相等，从下行链路方面来 讲，指用户接收到基站所传送的信干比相等。在上行链路中，单小区内功率平 衡准则和信于比平衡准则对功率控制的作用效果是一样的，但在下行链路中， 两者是不等效的u 6 1 。 1 上行链路信千比平衡基本原理因为在上行链路上，功率平衡和信干比 平衡作用效果是等效的，也就是说基站接收到移动台的功率是相等的，我们设 基站接收到的有用功率为毋，则第z 个移动台发射到第f 个基站的功率为 s t l = p i o 其它移动台对本移动台的干扰信号为式( 2 6 ) 。 一1 f 4 i u 荟茎p 塑a j k j 一只( 2 - 6 ) 基站接收的信号干扰比见为式( 2 - 7 ) 或( 2 8 ) 。 其中 或者 _ 2 鲁孬p 事厶蓑叁弓等一只 1 + s i r 尸。爿尸 p 一( r 只最昂一。尸 旷叁等 彳一0 。，l 。 ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) 在上式运算过程中，我们只需要解出矩阵a 的特征值和特征向量，就可以 知道s i r 值了。 2 下行链路信干比平衡基本原理我们设第，个移动台接收到第f 个基站 的发射功率为s ，基站，发射的总功率为q i ，则第i 个基站发射到第，个移动 台功率为s i l = e i g 讲。 其它基站对本基站的干扰信号为式( 2 1 1 ) 。 哈尔演理t 人学t 学硕 j 学位论文 其中 _ l i l | 警舟u _ s 瓢 移动台接收端的信号干扰比为式( 2 - 1 2 ) 。 姗；s ，i _ _ l 。酉l 薹q j 锄一弓如 或写成 等q 。彳a q 一( o 。o 。a ：q 尸 工j q f 一罗s “ 箭 妒耋等 at 0 ， 。 ( 2 - 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 通过上式运算过程，我们只要解出矩阵a 的特征值和特征向量，就可以知 道s i r 的值，一同与基站的接收功率参与运算，就可以求出基站的发射功率为 ( 2 1 7 ) 。 气一等蔫q ，石a i 0 ( 2 - 1 7 ) 2 2 3 功率平衡和信干比平衡的混合准则 我们在上面介绍的功率平衡准则，它的优点就是实现简单，但它的稳定性 不如信干比平衡准则。而信干比平衡准则也有它的缺点，实现起来较为复杂， 容易导致系统崩溃。基于上述两种准则的优缺点，有人提出了把功率平衡准则 和信干比平衡准则相结合的方法。 以上行链路为例，基站同时测量接收端接收的功率和信干比，如果接收到 的功率和信干比都高于或者低于相对应的目标值，说明移动台就应该降低或提 高发射功率。当功率比目标值小而信干比在正常的同标值范i | a 内，移动台发射 喻尔滨理丁人学t 学硕i j 学位论义 功率不变，当接收功率在j 下常范围内，而信干l t , j , 于目标值时，原则上是应该 调整发射功率，但这样很容易造成系统冗余。所以我们应该取当前时刻和前几 个时刻的值来观察，看功率达到门限值的概率，如果达到门限值的概率低，那 么移动台就应该提高发射功率1 7 1 。实践表明，此准则要优于其他两种准则。 2 3 功率控制的分类 功率控制的分类我们大致可以从三个方面考虑，从通信链路上可以分前向 功率控制即下行功率控制和反向功率控制即上行功率控制；从控制的整体和局 部方式上可以分为集中式功率控制和分散式功率控制；从有无反馈上分为开环 功率控制和闭坏功率控制。 2 3 1 前向功率控制和反向功率控制 在通信系统中，上行链路和下行链路不是等效的，他们有各自的特征，及 解决办法，所以对于上行链路和下行链路的功率控制我们要分开研究。 1 前向功率控制控制作用体现在基站的发射端上，使移动台接收到基站 的功率或者信干比相等。基站根据移动台传送的测量结果调整功率控制的大 小，对于干扰小，衰落小的路径分配较小的功率，对于干扰较大，距离基站较 远的移动台，分配相对大的功率。前向功率控制主要是克服小区间的干扰，降 低功率的平均值。 2 反向功率控制控制作用体现在移动台的发射端上，使基站接收到移动 台的功率或者信干比相等。反向功率控制主要是克服“远近效应所带来的问 题，因为“远近效应 是当移动台发射相同的功率时，离移动台近的基站接收 的功率值比距离移动台较远的基站接收到的信号要大，功率接收达不到平衡， 这样就会产生干扰引。反向功率控制可以在保证用户的服务质量前提下，减小 发射功率的平均值。 2 3 2 集中式和分布式功率控制 1 集中式功率控制是指在基站端，通过接收信号功率和链路增益来设置 发射功率。集中式功率控制方法要求系统在每一个发射周期内都要进行归一化 处理，它需要知道精确的系统模型，通过最优化目标函数使系统达到最佳状 念，然后将最优函数的解作为依据加载到用户，用户根掘这个最优解调整发射 哈尔滨理t 人学丁学彤 l ? 学位论文 功率”。这种方法虽然目标明确，控制精准，但很大程度上增加了系统实现的 复杂度。因为当信道环境发生快速变化时或者用户数突然增加时，该方法求得 的最优解可能已经不再适用于当时时刻的系统，我们需要重新建立模型和最次 求得最优解。增加了计算难度。以对于用户数较多的蜂窝小区是实现不了的。 所以集中式功率控制方法对于走向实用化还是有困难的。 2 分布式功率控制是指在系统内通过迭代方法对系统性能指标进行估 算，近似的实现功率控制最佳值h 1 。此方法是利用了反馈的思想，实现起来比 较灵活，容易控制，并且对于步长也有更多的选择，能够较快的跟上信道的变 化，快速进行功率控制调整。以上是对于窄带c d m a 系统，对于宽带c d m a 系统来说，当我们考虑s i r 估计误差时，分布式功率控制算法收敛性相对较 差，随着误差值的越来越大，系统性能会越来越差。 2 3 3 开环功率控制、闭环功率控制和外环功率控制 1 开环功率控制是在发射端或者是接收端根据信号质量对信道进行估 计，对衰落的信道进行补偿，丌环功率控制是在上行和下行链路衰落信道一致 的基础上进行的，由于在时分双工系统中，上行与下行链路占有频段相同但时 隙不同，可以看作链路是对称的，所以开环功率控制在t d s c d m a 系统中可 以广泛应用。在不对称的上下行链路中，只能起到粗略控制的作用。 由于开环功率控制是不需要有反馈作用到系统上，因此，与闭环功率控制 相比较，算法较简单且容易实现。它可以一次性调整反射功率，衰落多少就补 偿多少，所以，丌环功率控制的步长比较大，功率调整幅度大。但在深度快衰 落时，这种方法很容易恶化系统容量，造成功率浪费。目前这种控制方法只应 用在无线链路上。 2 闭环功率控制是指发射端或是接收端根据信号的质量与外环给出的信 号质量目标值相比较，产生功率控制命令，得出反馈信息，然后将反馈信息通 过通信链路，传送给接收端或者发射端来调整发射功率，目的是达到功率平衡 或者是信干比平衡。由此可见，闭环功率控制较其他功率控制方法容易实现， 且控制精度较高，是一种可行的方法。 虽然功率控制的优点显而易见，但它的缺点也是客观存在的，闭环功率控 制较= ) r 环功率控制过程复杂，运算量大，尤其是闭环功率控制存小区硬切换 时，山于小区边缘的信号不稳定，容易产生“乒乓式功率控制卜“，产生一系 列系统性能下降的问题，所以我们要想办法改善硬切换对闭环功率控制产生的 哈尔演理t 人学t 学埘! i ：学位论丈 影响。 3 外环功率控制是通过建立无线链路的传输质量得出信干比门限值与内 环功率控制的信干比相比较，它是外环功率控制的主要部分。在控制过程中信 干比门限值是通过误码率的计算得出的。为了使闭环功率控制的信干比能够跟 上外界环境的变化，所以外环功率控制必须提供动态的信干比门限值。这样才 能使闭环功率控制合适的调整功率步长。 我们把功率控制的分类总结如图2 2 所示。 图2 - 3 功率控制算法的分类 f i g 2 - 3p o w e rc o n t r o la l g o r i t h mo fc l a s s i f i c a t i o n 2 4 影响功率控制的因素分析 功率控制的研究主要分为两个步骤：根据测量结果估算出j 下确的反馈信 息；根据反馈信息设计有效的控制算法卜一。 针对以上功率控制研究的步骤，本人对影响功率控制的性能进行分析，总 结包括以下几个方面： 1 系统容量和用户数对于每一个蜂窝小区来说，能够服务小区的用户数 是有限的，我们必须保证在用户数最多的情况下，系统容量不会超标 2 衰落对信道的影响用户数的突然增多和信道的突然衰落都会影响功率 控制的精度，这样会导致功率摔制测量值跟不上信道的变化，造成误调。 3 单用户性能和全小区用户性能我们必须考虑每条独立的链路的性能， 和每条独立链路对整个系统性能的影响。因为相关性，有叮能对同小区内其它 哈尔滨理t 人学t 学顾 ：学化论文 用户造成干扰卜“。 4 功率控制步长我们应该选取合适的功率控制步长，不应该使用固定的 功率控制步长。因为，功率控制步长的选取应该是移动台的运动速度和信道的 衰落速度综合决定的。固定步长的功率控制虽然实现简单，但容易产生误差。 如果我们能估算出移动台的移动速度，那功率控制的效果将会提高很多。 5 时延时延在功率控制过程中是不可避免的，因为在功率控制过程中， 无论是接收端测量值的产生还是功率控制命令的传输都会产生时延，造成功率 控制的误调。 6 比特误码率的增大会导致中断概率也随之增大，但我们可以通过调节 外环功率控制的信干比目标值来解决1 。这么做虽然用户的服务质量得到了保 证，但增加了发射功率，对其它用户造成了更大的干扰。 根据以上因素的分析，我们可以看出，移动台在低速运动时，功率控制的 效果比较好，因为信道变化慢，时延和误差都会小，功率控制的测量值可以跟 得上信道的变化。当移动台运动速度加快时，一系列随之而柬的问题就会产 生。所以，可以得出影响功率控制最大的因素是时延，只要有效的减小时延， 就可以有效的控制功率，我们可以采用估计的方法，根据信道的一些统计值估 计出做下一时刻信道的变化，以估计值为依据先预调整发射功率，这么做虽然 会导致一些误差的存在，但可以减小系统在信道变化和功率调整时产生的时 延，这样提高了系统功率控制的准确性。 2 5 本章小结 在这一章中，作者首先介绍了功率控制的基本含义。对功率控制过程进行 简单描述。随后，介绍了功率控制的准则，使我们知道功率控制的基本依据是 什么，功率控制需要满足什么条件。然后我们介绍了功率控制的分类以及各种 功率控制方式的基本含义。最后，我们详细分析了都有哪些因素来影响功率控 制，我们该如何解决。 哈尔滨胖t 人学t 学硕l j 学f t 论文 第3 章t d s c d m a 系统中的功率控制算法 30 1t d s c d m a 中的功率控制机制 功率控制的目的就是通过有效的方法来最优化发射端的发射功率，减小小 区用户问的干扰，提高系统服务质量。在t d s c d m a 系统中，功率控制的主 要特性可以归纳如表3 - 1 所示。 表3 - 1 发射功率控制特性 t a b l e 3 - 1t r a n s m i tp o w e rc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c 关键点上行链路下行链路 功率控制速率可变可变 闭环：0 2 0 0 次s闭环：0 - 2 0 0 次s 开环：延迟2 0 0 - 3 5 7 5 1 x s 步长 l d b 、2 d b 、3 d bl d b 、2 d b 、3 d b 注释功率控制命令在没有译码的在一个时隙内，激活码功率可 情况- 卜得剑数据。达到2 0 d b 以内。 注：在相同码分组合的传输信道中，如果在一个时隙的码字扩频网子相同，那么它们 的发射功率就要相同。 3 1 1 开环功率控制 由于t d s c d m a 系统采用的是时分双工的通信方式，上行和下行链路占 用相同的频段，因此，上行链路和下行链路的平均路径损耗具有相关性，所以 我们可以根据计算下行链路的路径损耗来估计上行或者下行的发射功率初始值 【2 5 j o 上行开坏功率控制，就足对于上行链路来说，链路物理信道的发射功率初 始化的过程。其工作主要包括以下几方面：随机接入信道( r a c h ，r a n d o m a c c e s sc h a n n e l ) 的初始功率配置及信道的一些相关参数设置；卜行专用物理 控制信道( d p c c h ，d e d i c a t e dp h y s i c a lc o n t r o lc h a n n e l ) 的初始发射功率和信 道的村1 关参数设置。对于移动台到摹站方向包括三种信道：专用物理信道 哈尔滨删t 人学t 学硕l j 学位论文 ( d p c h ，d e d i c a t e dp h y s i c a lc h a n n e l ) 、物理随机接入信道( p r a c h ，p a c k e t r a n d o ma c c e s sc h a n n e l ) 、物理公共分组信道( p c p c h ，p h y s i c a lc o m m o n p a c k e tc h a n n e l ) 。对于用户设备( u e ，u s e re q u i p m e n t ) 而言，任何时刻只能 占用一个信道来发射，其中p r a c h 、p c p c h 是公共信道。实现过程如下所 示： 1 u p p c h ( u p l i n kp i l o tc h a n n e l ) 的发射功率丌环功率控制在上行链路 中是由主公共控制物理信道( p c c p c h ，p r i m a r yc o m m o nc o n t r o lp h y s i c a l c h a n n e l ) 的信号强度测量值决定的，用户设备的具体发射功率可按下式( 3 1 ) 计算。我们设p c c ，删为测量得出的路径损耗( d b ) ，l o 为l p 一的恒定平均 值，k 为基站接收端接收到的信号能量，s i r , 哪d 为s i r 目标值，彳为校正因 子，是一个常数，a 为权重因子，主要用来表示与p c c p c h 信道所处的时隙 延迟_ t 2 6 1 。 p u e 一胡一吐p 一砌硼+ ( 1 - a ) l 。+ ，妇+ s i r ，哪一+ 彳 ( 3 1 ) 由于在实际系统中，a 与实际传播环境息息相关是由经验得出的，由于闭 环功率控制可以补偿开环功率控制的不准确性，所以在实际当中，我们用下面 的方法来表示随机接入过程中u p p c h 的发射功率为式( 3 2 ) 。我们设毋，。p c h 为 发射功率，f 为接入到上行同步的尝试次数；只。为u e 尝试接入失败后下次 尝试时的功率增加值；p 麟u ，删，枷为n o d eb 希望u p p c h 接到的功率值。 昂，删一l p 一鲫删+ p 解，舢，拙+ ( f 一1 毗叩 ( 3 2 ) 2 p r a c h 发射功率 建立上行同步链路后，用户设备根据下式( 3 3 ) 来确 定p r a c h 上的发射功率。我们设衄为u e 在物理随机接入信道的发射功 率( d b m ) ；l e _ c c 聊为由测量得到的路径损耗( d b ) ；p 胱删删拙为在基站接 收端测得的p r a c h 的功率期望值。 p p j 附c h | l p c c p c h + p r x 融融屺h 如s q 一3 3 d p c h 的功率控制利用专用物理信道上的功率控制命令符号在物理层 上进行闭环功率控制，功率调节的范围在8 0 d b 以内，可以选择的步长分别为 1 、2 、3 d b 。由高层设置上行专用物理信道的初始发射功率卜“。 我们知道上行链路和下行链路是正好相反的过程，在下行链路中，丌环功 率控制根据用户设备发送的下行路径损耗测量值来设置下行链路的发射功率的 初始值。可以由上行丌环功率控制过程同理得出，在这罩我们就不拙述下行链 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学化论丈 路的开环功率控制过程。上行丌环功率控制过程可见如图3 - 1 所示。 图3 - 1 上行开环功率控制过程 f i g 3 1u p l i n ko p e nl o o pp o w e r c o n t r o lp r o c e s s 3 1 2 闭环功率控制 在丌环功率控制过程中，是由主公共控制物理信道的信号强度束调节移动 台的发射功率，但当信道发生变化时，由主公共控制物理信道测得的信号强度 不能反映信道的变化特性，因此，我们需要用闭环功率控制来调节。闭环功率 控制的机制是在通信链路中，接收端将接收到的信息反馈给发射端，发射端根 据反馈信息来调节发射功率。进而来补偿通信信道的衰落2 8 1 。 哈尔滨理r 人学t 学硕i j 学位论艾 1 上行闭环功率控制它是作用在上行共享信道( p u s c h ) 和专用物理信 道( d p c h ) 的发射功率，以上行专用物理信道为例，基站从外环功率控制算法 中得到信干比目标值，在每一个子帧内和专用物理信道接收到的s i r 相比较， 如果接收到的信干比大于信干比门限值，那么就在专用物理信道的下行链路上 发送下降的功率控制命令。同理，如果接收到的信干比小于信干比门限值，就 发送一个提高的功率控制命令。然后根据功率控制命令来选择功率控制步长， 调整下一时刻的发射功率。 功率控制步长的选取和移动台的移动速度有关，当移动台移动的速度较快 时，信道的衰落也随之增大，我们就要选择大的步长来调整发射功率。当移动 台移动的速度较慢时，信道的衰落较小，我们就要选择较小的步长来调整发射 机的发射功率卜”。上行闭环功率控制的过程可如图3 2 所示。 图3 - 2 + l ：, t t l 牙j 环功率控制过程 f i g 3 2u p l i n kc l o s e dl o o pp o w e rc o n t r o lp r o c e s s 2 下行闭环功率控制它是作用在下行共享信道( p u s c h ) 和专用物理 信道( d p c h ) 的发射功率，以下行专用物理信道为例，用户从信噪比获得下行 链路中外环算法的一些参数，通过计算参数求得信干比门限值，其功率控制过 哈尔滨珲t 人学t 学硕l ：学f 讧论文 程原理与上行闭环功率控制一样，在这罩我就不一一介绍了。具体下行闭环功 率控制过程如图3 3 所示。由图可以看出，功率控制过程是用户与基站之间相 互联系，r r c 层提供外环s i r 目标值。 图3 3 下行闭环功率控制过程 f i g 3 - 3d o w n l i n kc l o s e dl o o pp o w e rc o n t r o lp r o c e s s 3 1 3 外环功率控制 外环功率控制的作用是在链路中建立通信传输质量与内坏功率控制s i r 目 标值的对应关系，为随着外界变化而变化的内环功率控制s i r 值提供动念的目 标值。 在t d s c d m a 系统中，我们在发射端加c r c 校验，其校验值是根据 m a c 层传送下来的传输块为单位的，在接收端我们根据校验值榆验传输块是 否正确，外坏通过窗函数来统计接收块的误块率b l e r ，其中统计窗的长度为 n f ，假设统计窗中错误校验值的个数为x ，我们用下式方法来汁算误块率，为 哈尔演理t 人学t 学硕l j 学位论义 式( 3 4 ) 例。 b