（通信与信息系统专业论文）tdhsupa系统功率控制技术研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 除信道环境和终端性能外，无线资源管理也是影响t d h s u p a 系统性能的重 要因素。该技术包括功率控制、切换控制、负载控制、呼叫接纳控制、分组调度 和移动性管理等。其中，功率控制技术不仅可以控制发射机的发射功率，克服“远 近效应，减小一系列的干扰，还能维持系统高质量通信，增加系统容量。作为国 家科技重大专项( t d - s c d m ah s u p a 系列化商用无线系统设备研发与产业化) 的一部 分，本论文主要研究t d h s u p a 系统的功率控制技术。 在t d h s u p a 系统中，信号干扰i ：i 二( s l r ) n 量的准确性是影响功率控制的重要 因素。针对3 g p p 协议给出的s r 测量方法，本文重点研究了几种干扰功率提取方法， 推导了基于3 g p p 协议中的q p s k 星座图的干扰功率提取方法，并给出了一种考虑 t d h s u p a 系统的时延及非连续传输模式的s i r 预测算法。该预测算法利用已发送 t p c 命令的有效子帧的s i r 值，来预测下一个有效子帧的s i r 值。 针对传统的固定步长功率控制算法、多比特变步长功率控制算法和单比特自 适应变步长功率控制算法的不足，本文给出了一种改进的变步长功率控制算法。 该改进算法基于s i r 预测，主要是在移动终端加入一个含有三个寄存器的位移存储 器，用于存储当前及前两个t p c 命令，每个功控周期的步长取决于位移存储器的逻 辑值，即步长值的大小反映信道衰落的程度。另外，改进算法采用的是不对称更 新步长的自适应方法，即当收到连续三个t p c 命令都要求增大发射功率时，功率控 制采用更大的步长值，使恶劣的情况得以快速恢复：当收到连续三个t p c 命令都要 求减小发射功率时，功率控制采用一个相对较大的步长值，防止由于过度降低发 射功率而使系统性能受到影响。 最后，本文利用m a t l a b 仿真软件，基于t d h s u p a 物理层仿真平台，对三 种干扰功率提取方法和四种功控算法进行仿真。仿真结果表明，本文推导的干扰 功率提取方法和改进的功控算法具有更优的性能。 关键词：t d h s u p a ，功率控制，s 瓜估计，自适应变步长 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i na d d i t i o nt oc h a n n e le n v i r o n m e n ta n dt e r m i n a lp e r f o r m a n c e ，r a d i or e s o u r c e m a n a g e m e n ti sa l s oam a j o rf a c t o rt h a ta f f e c t ss y s t e mp e r f o r m a n c eo f t d - h s u p a t h e t e c h n i q u ei n c l u d e sp o w e rc o n t r o l ，s w i t c h i n gc o n t r o l ，l o a dc o n t r o l ，c a l la d m i s s i o nc o n t r o l ， p a c k e ts c h e d u l i n g ，m o b i l i t ym a n a g e m e n t ，e t e p o w e rc o n t r o lt e c h n o l o g yc a l ln o to n l y c o n t r o lt h et r a n s m i t t e r st r a n s m i s s i o np o w e r , o v e r c o m et h en e a r - f a re f f e c t ，r e d u c et h e n u m b e ro fi n t e r f e r e n c e ，b u ta l s om a k et h es y s t e mm a i n t a i nh i g h q u a l i t yc o m m u n i c a t i o n , i n c r e a s et h ec a p a c i t yo ft h es y s t e m t h em a i nr e s e a r c ho f t h i sp a p e ri sp o w e rc o n t r o l t e c h n o l o g yo ft d h s u p as y s t e m ，w h i c hi sap a r to fn a t i o n a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g y s p e c i f i cp r o g r a mo fc h i n a ( t d s c d m ah s u p as e r i e sw i r e l e s ss y s t e mc o m m e r c i a l e q u i p m e n tr & d a n di n d u s t r i a l i z a t i o n ) t h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yo fs mi sa ni m p o r t a n ti n f l u e n c eo np o w e rc o n t r o li n t d h s u p as y s t e m t o w a r d st h es i rm e a s u r e m e n tm e t h o dp r o v i d e db y3 g p pp r o t o c o l ， i t m a i n l yr e s e a r c h e ss e v e r a li n t e r f e r e n c ep o w e re x t r a c t i o nm e t h o d s ，a n dd e d u c e sa i n t e r f e r e n c ep o w e re x t r a c t i o nm e t h o dw h i c hi sb a s e do nq p s kc o n s t e l l a t i o ng i v e nb y 3 g p pp r o t o c 0 1 m o r e o v e r , i tp r o v i d e sas i rp r e d i c t i o na l g o r i t h mw h i c ht a k e si n t o a c c o u n td e l a yp e r f o r m a n c ea n dn o n - c o n t i n u o u st r a n s m i s s i o nm o d eo ft d - h s u p a s y s t e m i tp r e d i c t st h es i ro f n e x te f f e c t i v es u b f r a m eb yt h es i ro fe f f e c t i v es u b - f r a m e w h i c hh a v es e n dt p cc o m m a n d a g a i n s tt h ed e f e c to f t r a d i t i o n a ls t e p - s i z e 丘x c dp o w e rc o n t r o la l g o r i t h m ，m o r et h a n o n eb i ta d a p t i v es t e p s i z ep o w e rc o n t r o la l g o r i t h ma n do n l yo n eb i ta d a p t i v es t e p s i z e p o w e rc o n t r o la l g o r i t h m ，t h i sp a p e rp r o v i d e sai m p r o v e do n l yo n eb i ta d a p t i v ev a r i a b l e s t e pp 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 mi sb a s e do ns i rp r e d i c t i o n , a n d a d d sad i s p l a c e m e n ts t o r a g ec o m p o s e do ft h r e er e g i s t e r si n t om o b i l et e r m i n a l t h e d i s p l a c e m e n ts t o r a g ei s u s e dt os t o r et h ec u r r e n ta n df o r m e rt w ot p cc o m m a n d s f o r e a c hp o w e rc o n t r o lc y c l e ，p o w e rc o n t r o ls t e p s i z ed e p e n d so nt h el o g i cv a l u eo ft h e d i s p l a c e m e n ts t o r a g e ，n a m e l ys t e p - s i z ec a nr e f l e c tt h ee x t e n to fc h a n n e lf a d i n g i n a d d i t i o n , i m p r o v e da l g o r i t h mi n t r o d u c e sa l la s y m m e t r i ca d a p t i v em e t h o dt ou p d a t et h e s t e p - s i z e w h e ni tr e c e i v e st h r e es u c c e s s i v et p cc o m m a n d st oi n c r e a s et h et r a n s m i s s i o n p o w e r , t h em o r eb i g g e rs t e pi ss e l e c t e dt or e s t o r et h eb a ds i t u a t i o nq u i c k l y w h e ni t r e c e i v e st h r e es u c c e s s i v et p cc o m m a n d st or e d u c et h et r a n s m i s s i o np o w e r , t h er e l a t i v e i i m o r cb i g g e rs t e pi ss e l e c t e dt op r e v e n tt r a n s m i s s i o np o w e rr e d u c i n ge x c e s s i v e l y , o t h e r w i s ei tw i l li m p a c tt h es y s t e mp e r f o r m a n c e f i n a l l y , m a k i n gu s eo fm a t l a b s i m u l a t i o ns o f t w a r e ，t h r e ei n t e r f e r e n c ep o w e r e x t r a c t i o nm e t h o d sa n df o u rp o w e rc o n t r o la l g o r i t h m sa r es i m u l a t e dt ov e r i f ya l g o r i t h m p e r f o r m a n c ei nt h ep h y s i c a ll a y e r s i m u l a t i o np l a t f o r mo ft d h s u p as y s t e m t h e s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w s ，i n t e r f e r e n c ep o w e re x t r a c t i o nm e t h o dd e d u c e db yt h i sp a p e r a n di m p r o v e dp o w e rc o n t r o la l g o r i t h ma r em o r eb e a e rt h a no t h e ra l g o r i t h m sa n a l y s e d b y t h i sp a p e r k e yw o r d s ：t d h s u p a ，p o w e rc o n t r o l ，s i re s t i m a t i o n ，a d a p t i v ev a r i a b l es t e p n i 重庆邮电大学硕士论文缩略词 2 g 3 g 3 g p p 1 6 q a m a c k a m c k 心g n b e r b l e r c d m a c 己 c r c d c h e a g c h e d c h e h i c h e p u c h e r u c c h e t f c e u c c h f d d f d 【a f e r f f t f p a c h g p h a r q 缩略词 2 n dg e n e r a t i o n 3 衄g e n e r a t i o n t l l 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 16q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n a c k n o w l e d g e m e n t a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g a d d i t i v ew l l i t eg u s s i a nn o i s e b i te o r r o rr a t i o b l o c ke r r o rr a t e c o d ed i v i d e dm u l t i p l e x i n ga c c e s s c h a n n e li m p u l s er e s p o n s e c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k d e d i c a t e dc h a n n e l e d c ha b s o l u t eg r a n tc h a n n e l e n h a n c e dd e d i c a t e dc h a n n e l e d c hh y b r i da r qi n d i c a t o rc h a n n e l e - d c hp h y s i c a lu p l i n kc h a n n e l e - d c hr a n d o ma c c e s su p l i n k c o n t r o lc h a n n e l e n h a n c e d t r a n s p o r tf o r m a t c o m b i n a t i o n e - d c hu p l i n kc o n t r o lc h a n n e l f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x 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 r a m ee r r o rr a t e f a s tf o u r i e rt r a n f o r m a t i o n f a s tp h y s i c a la c c e s sc h a n n e l g u a r dp e r i o d h y b r i da u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t v i 第二代移动通信 第三代移动通信 第三代移动通信伙伴计划 1 6 进制正交幅度调制 应答 自适应调制编码 加性高斯白噪声 误比特率 误块率 码分多址 信道冲激响应 循环冗余校验 专用信道 e d c h 绝对授权信道 增强专用信道 e - d c hh a r q 指示信道 e d c h 上行物理信道 e d c h 随机接入上行控制 信道 增强( 信道) 传输格式组合 e d c h 上行控制信道 频分双工 频分多址 误帧率 快速傅里叶变换 快速物理接入信道 保护间隔 混合自动重传请求 重庆邮电大学硕士论文 缩略词 h s d p a h s u p a f t i s i i t u m a c m a i m f b l e m m s e b l e n a c k n o d e b o v s f p d u p r a c h q o s q p s k r a n r 4 r 5 r 6 r n c r r c r 刚 i 峪c p s f s t t b s t d d t d h s d p a h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s h i 曲s p e e du p l i n kp a c k e ta c c e s s i n v e r s ef f t i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su i l i o n m e d i u ma c c e s sc o n t r o l m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e m a t c h e df i l t e r i n gb l o c kl i n e a r e q u a l i z e r m i n i m u m m e a n - s q u a r e e r r o rb l o c k l i n e a re q u a l i z e r n e g a t i v ea c k n o w l e d g e m e n t n o d eb o r t h o g o n a lv a r i a b l es p r e a d i n gf a c t o r p r o t o c o ld a t au i l i t p h y s i c a lr a n d o ma c c e s sc h a n n e l q u a l i t yo fs e r v i c e q u a d r a t u r ep h a s es l l i rk e y i n g r a d i o a c c e s sn e t w o r k r 4 r 5 r 6 r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r r a d i or e s o u r c ec o n t r o l r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t r e c e i v e ds i g n a lc o d ep o w e r s p r e a d i n gf a c t o r s i g n a l t o - i n t e r f e r e n c er a t i o t r a n s p o r tb l o c ks i z e t i m ed i v i s i o nd u p l e x t d s c d m ah s d p a t d h s u p a t d s c d n 【ah s u p a v h 高速下行分组接入 高速上行分组接入 快速傅里叶反变换 符号间干扰 国际电信联盟 媒体接入控制 多址干扰 匹配滤波线性块均衡器 最小均方误差线性块均衡 器 否定确认 基站 正交可变扩频因子 协议数据单元 物理随机接入信道 服务质量 四相移相键控 无线接入网 3 g p p 的第4 版本 3 g p p 的第5 版本 3 g p p 的第6 版本 无线网络控制器 无线资源控制 无线资源管理 接收信号码功率 扩频因子 信干比 传输块大小 时分双工 t d s c d m a 组接入 t d s c d m l a 组接入 高速下行分 高速上行分 重庆邮电大学硕士论文 缩略词 t d m a t d s c d m a t p c u e u p p c h z f b l e t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s t i m ed i v i s i o n s y n c h r o n o u sc o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s t r a n s m i tp o w e rc o n t r o l u s e re q u i p m e n t u p l i n kp i l o tc h a n n e l z e r o f o r c i n gb l o c kl i n e a re q u a l i z e r i i 时分多址 时分同步码分多址 发射功率控制 用户终端 上行导频信道 迫零线性块均衡器 重庆邮电大学硕士论文第章绪论 1 1 引言 第一章绪论 近2 0 年来，移动通信以惊人的速度迅速发展。当前，第三代移动通信系统( 简 称3 g ) 在全世界引起广泛的关注。t d s c d m a 第三代移动通信系统标准，是我国 提出并得到国际电信联盟( 玎u ) 批准的主流标准。 3 g 系统是一个支持宽频带、多业务以及多速率的系统，可以满足人们对高比 特率、移动性和可变业务的需求，是未来移动通信的重要发展阶段，它在提供语 音业务的同时，还可提供多媒体高速数据业务。目前，3 g 系统已经投入商用，可 提供标准规定的高速多媒体数据业务和更大的系统容量，并且和2 g 系统保持良好 的兼容性1 翻。 3 g 系统极大地满足了人们对多媒体、高速率通信业务的需求，但对于下载、 流媒体类业务和复杂的网络，如电影下载、实时消息、多用户游戏、个公共数 据库接入等应用，都要求系统提供更大的传输速率和更小的延迟。为了满足这些 要求，3 g p p 组织对空中接口进行改进，引入了分组数据接入增强技术，并根据3 g 系统的上、下行特点，分别制定了针对上、下行的分组接入增强技术。高速下行 分组接入( h s d p a ) 是t d s c d m a 的下行增强技术，它可以大大提高系统的下行链 路容量和数据业务传输速率，在时间延迟、系统吞吐量和服务质量( q o s ) 保证等方 面都优于t d s c d m a 系统。但t d h s d p a 并没有考虑对上行高速数据业务的支持， 很难保证g a m i n g 、移动可视电话等业务的用户q o s 。因此，3 g p p 组织为t d s c d m a 补充了改善上行链路性能的技术，即高速上行分组接x , ( h s u p a ) 技术【3 】。 t d h s u p a 系统引入了多种关键技术和算法，可获得更大的上行峰值速率和系 统容量，但与t d s c d m a 系统相比，其无线资源的绝对数量并没有增加，因此， t d h s u p a 采用的先进技术提升的其实是无线资源利用率。随着无线通信用户数的 不断增加、移动业务类型的多样化和用户对业务q o s 要求的不断提高，这些都对有 限的无线资源提出了巨大挑战，给无线资源管理( r r m ) 带来更大的压力。 r r m 的主要目标是在无线资源有限的前提下，通过合理分配及动态调整系统 中的可用资源，尽可能地提高无线资源利用率，使信令负荷最小化，防止网络拥 塞，为网络中的用户提供较好的q o s 保证，同时将t d h s u 】) a 引进的关键技术转化 为系统的上行容量增益。 功率控制技术是无线资源管理的核心内容之一，它不仅可以控制发射机的发 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 射功率，克服“远近效应”，减小一系列的干扰，还能维持系统高质量通信，增加 系统容量。所以，研究t d h s u p a 系统的功率控制具有重要意义。 1 2t d h s u p a 技术概述 1 2 1t d h s u p a 技术发展 3 g 技术的迅速发展使t d s c d m a 技术受到了国家高度重视，于2 0 0 1 年3 月写 入3 g p p 的r 4 版本。2 0 0 8 年北京奥运会的召开促使t d s c d m a 网络逐步实现全国覆 盖，表明t d s c d m a 技术已经日益成熟，可以满足未来随时可能启动的商用需求。 当前，新一轮的移动通信技术标准和技术浪潮风起云涌，以3 g 增强技术、l t e 长期演进及4 g 技术为代表的新的竞争态势正在形成。为了保证t d s c d m a 在这些 新技术上继续有创新、有突破，保持可持续发展，t d s c d m a 技术标准后续的演 进必须基于它现有的关键技术和核心专利。目前，t d s c d m a 已经有了非常清晰 的技术演进路线，具体可用图1 1 表示4 1 。 3 g p p r 8 引入 3 g p p l u l t e 3 g p p r 6 引入 t d h s u p a 引入 3 g p p r 5 1 d m b m s 3 g p pr 4 引入 r 1 、u o t 、d t d s c d m a ( l c rt d d ) 1r 1r i 。( i 1r i 。( i 1r i 。fjr - 2 0 0 0 2 0 0 22 0 0 42 0 0 42 0 0 62 0 0 7 图1 1t d - s c d m a 技术标准演进图 2 0 0 0 年3 月，在西班牙召开的3 g p p 标准化组织t s g - r a n 的第七次会议上， 摩托罗拉首次提出了t d h s d p a 的设想，并于2 0 0 2 年3 月发布了t r 2 5 8 5 8v 5 0 0 ， 全面介绍了r 5 中拟采用的h s d p a 技术标准。2 0 0 2 年3 月，h s d p a 的相关技术 标准正式被写入3 g p p 的r 5 版本。由于t d h s d p a 技术不断进入商用，使下行数 据业务的性能得到很大改善，但上行数据的速率却得不到满足。于是，人们开始 研究t d h s u p a 技术。2 0 0 2 年9 月，在美国召开的3 g p p 标准化组织t s g r a n 的第1 7 次会议上，n o k i a 提出了t d h s u p a 的最初设想。2 0 0 6 年3 月，召开了 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 3 g p pr a n 第3 1 次会议，全会决定了开展t d h s u p a 标准化的研究。2 0 0 7 年6 月，召开了3 g p pr a n 第3 6 次会议，完成了t d h s u p a 的全部标准化工作。 1 2 2t d h s u p a 工作原理 t d h s u p a 是一种上行增强技术，新增了五条增强型信道，分别是增强专用信 道( e d c h ) 、e d c h 上行物理信道( e p u c h ) 、e d c h 绝对授权信道( e a g c h ) 、 e d c hh a r q 指示信道( e h i c h ) 和e d c h 随机接入上行控制信道( e - r u c c h ) 。其 中，e d c h 是连接物理层与m a c e 实体的传输信道，用于承载t d - h s u p a 用户数 据；e p u c h 是承载e d c h 和e d c h 上行控制信道( e - u c c h ) 数据的物理信道； e a g c h 是承载e d c h 绝对信息的下行信道，如资源相关信息、小区信息等； e h i c h 是下行共享信道，主要用于传输n o d eb 向u e 反馈的确认信息；e - r u c c h 用于u e 在没有资源授权的情况下请求授权，以传输用户数据。 t d h s u p a 在u e 、n o d eb 和无线网络控制器( r n c ) 的m a c 层增加了 m a c e m a c e s 实体，用于完成调度、重传、优先级处理、反馈等功能。n o d eb 的m a c e 子层用于网络侧资源授权和数据确认信息a c k n a c k 的反馈，可以极大 地提高调度和传输重传的速度，减少数据传输的整体时延。r n c 中的m a c - e 8 子层 用于保证数据包的按序传输。 t d h s u p a 的工作流程如图1 2 所示，具体分为以下几步： n o d eb i jljl a 发 发 c 送 送 分 传 k 新 速 配 送 | 数 率 速 数 n 据 申 率 据 a 包 请 c 或 重 k 传 1r1r u e 图1 2t d - h s u p a 工作沉程 ( 1 ) u e 调度请求 当l i e 需要传送上行数据时，首先判断数据的业务类型。如果数据为非调度业 务，则无线资源控制器( r r c ) 将系统预留的上行信道资源直接分配给它；如果数据 为调度业务，贝l j n o d eb 根据u e 发送的调度信息进行上行信道资源的分配。若l i e 获得了授权的信道资源，则将相关信息存入m a c ep d u 的填充单元，同数据一起 重庆邮电大学硕士论文 第章绪论 传输给n o d eb ；否则，相关信息将通过物理随机接入信道( p r a c h 3 发送给n o d eb 。 ( 2 ) n o d eb 资源授权 n o d eb 首先分析l i e 发送的调度请求信息，然后根据某种调度算法决定分配给 u e 的时隙、码道和功率资源等，并通过e a g c h 将这些资源传送给l i e 。 ( 3 ) u e 发送上行数据 u e 发送调度请求后一直检测e a g c h ，如果收到属于自己的e a g c h ，则根据 携带的相关信息确定传输块大小( t b s ) 和调制方式，并进行功率控制和上行同步， 最后利用e p u c h 将数据发送给n o d eb 。 ( 4 ) n o d eb 接收数据 n o d eb 接收上行数据后进行合并、解码，并进行循环冗余校验( c r c ) ，然后利 用h a r q 实体和e - h i c h 将a c k n a c k 发送给u e 。 ( 5 ) u e 重传或发送新数据 u e 收n e h i c h 携带的a c k n a c k 后判断发送数据是否正确。如果不正确， 则重新传输数据，直到正确传输或达到重传的最大允许次数：如果正确，则发送 新数据。 1 2 3t d h s u p a 关键技术 t d h s u p a 系统采用的关键技术包括自适应调制编码( a m c ) 、混合自动重传请 求( h a r q ) 和基站( n o d eb ) 快速调度等。其主要目的是提高上行数据业务的峰值传 输速率和总体吞吐率，同时减少传输延迟和系统误帧率( f e r ) 。 ( 1 ) a m c a m c 是一种根据信道条件自适应地选择调制方式和编码速率的技术，如果用 户信道环境较好，则被分配较高的调制等级和编码速率：如果用户接近小区边缘 或受到较大干扰，则被分配较低的调制等级和编码速率。目前，t d h s u p a 系统 主要有q p s k 和1 6 q a m 两种调制方式。其中，q p s k 是必需的调制方式，而1 6 q a m 则由用户设备的能力决定。 ( 2 ) h a r q h a r q 是一种采用纠错编码对传输错误的数据进行纠正的技术，若纠错编码不 能正确恢复数据，则保存此数据，并通知发送方进行重传，将每次传输的数据按 照某种合并方式进行合并，然后解码，直到接收到正确的数据或达到最大重传次 数。由于h a r q 通过物理层进行重传、合并，减少了上层的重传次数，因此减小了 传输时延，提高了系统吞吐量。 ( 3 ) n o d eb 快速调度 4 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 n o d eb 快速调度是一种n o d eb 根据信道条件和公平性分配共享资源的技术， 而不是基于传统的业务队列，因为n o d eb 并不知道l i e 发送上行数据的情况。在调 度过程中，n o d eb 需要为l y e 指定o v s f 码长度、时隙位置、功率授权、h a r q 相关 信息等。由于t d h s u p a 系统将分组调度实体放到了n o d eb ，更加接近空中接口， 因此减少了传输时延。同时，它能及时地对网络负载和用户变化情况做出正确决 策，保证系统的高吞吐量。 1 3 功率控制技术的应用研究现状 在蜂窝移动通信系统中，功率控制技术是无线资源管理的重要内容之一。很 早以前，国内外就有很多研究者对其进行研究，他们给无线通信系统的发展做出 了巨大贡献。在文献 5 】中，作者分析了3 g 系统中功率控制的总体情况。从中可以 知道，功率控制在三种多址方式通信系统中发挥作用的异同：在f d m a 和t d m a 多址通信系统中，功率控制技术主要是为了减小用户的发射功率，延长终端电池 的使用寿命；而c d m a 系统的功率控制技术除延长终端电池的使用寿命外，一个 更为重要的目的是为了抑制c d m a 系统特有的“远近效应 和多址干扰( m a d ，提 高系统容量。 目前，有很多关于c d m a 系统功率控制技术的文献。如在文献 6 】中，作者描 述了开环功率控制的基本原理。从中可以看到，c d m a 系统中的开环功率控制主 要是调整信号的初始发射功率。在文献 7 】中，作者提出了一种基于s i r 的功率控制 算法。此算法主要是确保接收信号的s i r 大于目标s i r 。在文献 8 中，作者描述了 固定步长的功率控制算法，由于其局限性，已不是功率控制技术研究的重要方向。 于是，功率控制技术经历了从单比特的固定步长功控算法到多比特的变步长 功控算法的发展变化。经过长时间的研究发现，变步长功控算法并不能很好地跟 踪信道变化，因此人们开始研究一种可以很好地跟踪信道变化的功控算法，即自 适应变步长功控算法。经过长期的研究，人们提出了自适应功率控制、自适应模 糊功率控制以及基于博弈论的功率控制等多种改进算法【9 1 1 】，如m a r k o v 状态法、存 储字节调制法等，这些算法的步长选取大多都是基于t p c 命令的。 以上所有研究都是关于f d d c d m a 系统的算法机制，在t d h s u p a 系统中， 功控参数设置的方式不同，如闭环功率控制只在每帧内某些时隙进行，功率控制 过程存在非连续性，所以步长的选取方法和f d d c d m a 系统不完全相同。为了使 功率控制很好地跟踪信道变化情况，t d h s u p a 系统需采用性能较好的s 瓜测量方 法和先进的功率控制步长机制，减4 , n 量s 瓜和目标s i r 的差距，确保尽可能高效 地利用系统资源。因此，本文的研究很有意义。 5 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 4 本文工作与论文结构 本文详细介绍了移动通信系统的功率控制基本理论和t d h s u p a 系统的功率 控制方案，重点研究了t d - h s u p a 系统的基于s 瓜测量的上行内环功率控制算法。 在研究3 g p p 协议中的s 双测量方法的基础上，重点研究了几种干扰功率提取方法， 推导了一种基于q p s k 星座图的干扰功率提取方法，并给出了一种考虑t d h s u p a 系统的时延和非连续传输模式的s i r 预测算法。针对传统固定步长功控算法、多比 特变步长功控算法和单比特自适应变步长功控算法的不足，给出了一种改进的不 对称自适应变步长功控算法。该改进算法基于s i r 预测，主要是在移动台加入三个 寄存器来存储当前及前两个t p c 命令，并根据寄存器的逻辑值确定步长大小。最后， 对三种干扰功率提取方法和四种功控算法进行了性能仿真。仿真结果表明，本文 推导出的干扰功率提取方法比传统方法性能更好；同时，改进的功控算法相比其 它几种算法，也具有更优的性能。本论文共分五章，具体安排如下： 第一章为绪论，首先介绍了移动通信系统的发展和t d s c d m a 的增强型技术； 其次描述了t d h s u p a 技术的发展、基本原理和采用的关键技术；然后阐述了功率 控制算法的应用研究现状；最后介绍了论文的研究内容和组织结构。 第二章首先介绍了无线通信系统的传播环境；其次，分析了t d h s u p a 系统的 特点，并指出功率控制技术对t d h s u p a 系统的重要性；然后，描述了无线通信系 统的功率控制基本理论，包括功率控制的概念、意义、分类、准则及影响功率控 制的因素。 第三章首先介绍了t d h s u p a 系统的功率控制仿真环境；其次，搭建了功率控 制仿真模型，分析了仿真流程；然后，详细描述了仿真模型中的核心算法，即信 道估计和多用户联合检测算法，并仿真验证了这两种算法对系统性能的影响。 第四章首先介绍了t d h s u p a 系统采用的功率控制方案；其次，分析了影响功 率控制算法的关键因素，即s r 测量，并推导了一种适合t d h s u p a 系统的干扰功 率提取方法，在此基础上给出了一种考虑时延和非连续传输模式的s i r 预测算法； 然后，介绍了传统的固定步长功控算法、多比特变步长功控算法和单比特自适应 变步长功控算法，针对这些算法的不足，给出了一种改进功控算法：最后通过仿 真验证本文的干扰功率提取方法和改进功控算法的优越性。 第五章对论文进行总结，并对未来的研究工作进行展望。 6 重庆邮电大学硕士论文第二章无线传播环境及功率控制基本理论 第二章无线传播环境及功率控制基本理论 2 1 移动通信传播环境 无线信道是移动通信系统必不可少的传输媒体，是移动通信中发射天线与接 收天线之间的电波通路【1 2 】。信道性能的好坏直接决定通信质量。如果要在有限的 频谱资源上尽可能高质量、大容量地传输有用信息，就必须清楚地了解无线信道 的特性，然后根据信道特性采取相应的抗干扰和抗衰落措施，保证传输质量和系 统容量达到要求。 2 1 1 无线传播特性 移动通信信道有三个主要特点：开放的传播环境：所有无线信道都建立在 电磁波空间传播的前提下，实现开放式的信息传输；复杂的接收环境：接收信 号的地理位置的多样性和复杂性，可以分为高楼耸立的城市繁华区、普通建筑的 近郊区和以平原、山丘、湖泊为主的农村及远郊区；移动通信用户的移动性。 移动信道的电波传播模型可以分为大尺度传播模型和小尺度传播模型。大尺 度传播模型描述的是大尺度发射( 即接收距离为数百或数千米) 的信号强度变化，常 用来估计发射机的无线电波覆盖范围：小尺度传播模型主要用来描述非常短的距 离( 几个波长) 或非常短的时间间隔( 秒级) 内接收信号强度的快速变化。如果研究对 象为接收机基带信号处理，则常常只需要小尺度衰落模型，因为基带信号处理的 码元周期相对而言都很短。这种情况下，信号在短时间内的变化是一个重要的考 察量，也是基带信号处理面对的主要问题，此时信号仍会受到大尺度衰落的影响， 但这些影响在很短的时间内可以忽略。 2 1 2 移动通信的损耗 在移动通信系统中，因为移动台不断运动和实际传播环境复杂多变，所以电 波传播具有复杂性和多样性。一般情况下，导致移动通信损耗和干扰的主要因素 有以下几个方面： ( 1 ) 阴影效应 由于受到高耸建筑物和其它物体的遮挡，电波传播的接收区产生了传播半盲 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章无线传播环境及功率控制基本理论 区。这与太阳光受遮挡后产生的阴影类似，由于光波的波长很短，因此阴影可见； 而电磁波的波长较长，所以阴影不可见，但接收端和测量仪器可以测量到。 ( 2 ) 远近效应 由于接收用户的随机移动性，移动用户和基站间的距离也是随机变化的，如 果所有移动用户发射的信号功率相同，则基站接收到各用户信号的强弱将不同， 离基站近的信号强，离基站远的信号弱，通信系统中的非线性将进一步加重信号 强弱的不平衡性，甚至出现以强压弱的现象，使远离基站的用户产生掉话现象， 我们把这种现象称为远近效应。 ( 3 ) 多普勒效应 当信号源与接收体之间存在相对运动时，接收体接收到信号源的信息频率和 发射源发射的信息频率就有很大差异，我们把此现象称为多普勒效应，把接收频 率与发射频率之差叫作多普勒频移l l 引。 多普勒效应普遍存在，普通慢速移动情况下效应并不明显，如低速运动的步 行及静态的室内通信。但当用户高速运动时，如车载通