（通信与信息系统专业论文）cdma蜂窝系统功率控制技术研究.pdf

原创性声明 m i i i1 1 1 1 1 1i i i i i i i1 1 1l u li i i i y 1 7 9 0 915 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。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己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：耋l 堡日期： 皇q ! 垒：墨：仝 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 麴鱼 导师签名： 山东大学硕士学位论文 目录 摘要 a b s t r a c t 第一章绪论一 1 1 蜂窝移动通信概述 1 2 论文研究的背景意义 1 2 1 码分多址技术 1 2 2c d m a 蜂窝通信系统中的干扰和功率控制 1 3 国内外研究现状 1 4 论文主要贡献及结构安排 第二章c d m a 系统功率控制技术 2 1 无线信道传播特性及仿真模型 2 1 1 无线信道传播特性 2 1 2 无线信道仿真模型 2 2 功率控制技术概况_ 一 2 2 1 功率控制的目标 2 2 2 功率控制的准则 2 2 3 功率控制的分类 2 2 4 功率控制算法的实现 2 3c d m a 蜂窝系统中的功率控制技术 2 4 本章小结 第三章c d m a 蜂窝系统功率控制算法 3 1 引言 3 2 功率控制的数学模型 3 3 典型的分布式功率控制算法分析 3 4 本章小结 第四章c d m a 系统中基于误差估计的比例功率控制算法 山东大学硕士学位论文 4 1 引言2 9 4 2 系统模型2 9 4 3 新的功率控制算法31 4 3 1 基于s i g m o i d 函数的比例功率控制算法3 l 4 3 2 基于误差估计的比例功率控制算法3 3 4 4 算法仿真分析3 5 4 5 本章小节。4 3 第五章总结与展望4 4 5 1 论文的主要贡献4 4 5 2 工作展望。4 4 参考文献4 6 至j 谢5 0 攻读硕士期间发表的论文51 i i 山东大学硕士学位论文 篁量! 曼寡曼鲁曹皇量鼍皇皇! 量曼皇喜詈皇詈曼! ,l, o i 鼍! 曼! 皇曼曼毫皇鲁皇鼍皇皇皇毫曼皇鲁! 毫葛曼! 曼苎詈置皇鼍曼詈皇皇曼鼍 c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) 1 a b s t r a c t ( e n g l i s h ) 3 c h a p t e r1p r e f a c e 5 1 1o v e r v i e wo nc e l l u l a rr a d i oc o m m u n i c a t i o ns y s t e m 5 1 2b a c k g r o u n do f r e s e a r c h 6 1 2 1c d m a t e c h n i q u e s 7 1 2 2i n t e r f e r e n c ea n dp o w e rc o n t r o li nc d m a s y s t e m 7 1 3c u r r e n tr e s e a r c hs i t u a t i o n 9 1 4m a i nc o n t e n t sa n da r c h i t e c t u r eo f t h ep a p e r 11 c h a p t e r2p o w e rc o n t r o lt e c h n o l o g y i nc d m a s y s t e m 1 2 2 1o v e r v i e wo nw i r e l e s sc h a n n e l 1 2 2 1 1p r o p a g a t i o np r o p e r t i e so f w i r e l e s sc h a n n e l 1 2 2 1 2s i m u l a t i o nm o d e l so f w i r e l e s sc h a n n e l 1 2 2 2p o w e rc o n t r o lt e c h n o l o g y 1 5 2 2 1o v e r a l lo b j e c t i v e so fp o w e rc o n t r o l 15 2 2 2c r i t e r i o no fp o w e rc o n t r o l 15 2 2 3c a t e g o r i e so f p o w e rc o n t r o l 1 6 2 2 4i m p l e m e n t a t i o no fp o w e rc o n t r 0 1 18 2 3p o w e rc o n t r o lp r o c e s si nc d m a s y s t e m s 1 9 2 4c o n c l u s i o n s ：! ：! c h a p t e r3p o w e rc o n t r o la l g o r i t h mi nc d m a c e l l u l a rs y s t e m s 2 3 ：；1i n t r o d u c t i o n 2 3 3 2m a t h e m a t i c a lm o d e lo f p o w e rc o n t r o l 2 3 3 3t r a d i t i o n a ld i s t r i b u t e dp o w e rc o n t r o la l g o r i t h m s 2 5 3 4c o n c l u s i o n s ：1 8 c h a p t e r4p r o p o r t i o n a lp o w e rc o n t r o la l g o r i t h mw i t he r r o re s t i m a t i o n 2 9 i i i i v ：卜 山东大学硕士学位论文 摘要 c d m a 技术是第三代移动通信的核心技术之一，具有抗干扰能力强、保密性高、 抗多径衰落、软容量、频带利用率高、数据速率高等优势。然而，c d m a 系统是 干扰受限系统，随着用户数的增多，来自其他用户的干扰会越来越大，最终导致 信号无法正确检测，干扰的大小严重影响系统容量和通信质量。同时，c d m a 也 是自干扰系统。由于各自的扩频码并非理想正交，移动终端所处的位置以及无线 信道的衰落等原因，导致在3 g 系统中存在着多径干扰、远近效应、角效应等问 题。常规的匹配滤波器无法解决这些问题，功率控制是克服这些问题的技术，其 根本目标就是克服多址干扰，提高系统容量，消除远近效应，补偿信号衰落现象。 与此同时，采用适宜的发射功率还有助于提高移动终端电池的使用寿命，从而延 长其使用时间。 功率控制的基本原理是根据移动环境的变化快速调整发射功率，在能够为用 户保证一定的通信质量的基础上尽量降低发射功率，减弱对其他用户产生的干扰。 本文首先从功率控制的必要性、目标、准则、方法分类等几个方面对功率控制技 术进行概括性的介绍，并描述了无线信道传播特性和几种典型仿真模型，给出了 常用算法的仿真与性能比较。功率控制技术的核心内容是功率控制算法的设计与 实现，本文讨论的是基于信噪比平衡的分布式算法，主要工作如下： 首先，研究了传统的利用数值线性代数理论构造迭代函数的分布式功率控制 算法。基于这一系列算法的结构，在随机时变的链路增益条件下，提出了一种完 全分布式的、自适应变步长算法模型，指出满足收敛性对迭代函数的要求。 然后，根据该算法模型，提出了基于s i g m o i d 函数的比例功率控制算法 ( p r o p c ) ，并证明其收敛性。为了在实际系统中应用，结合固定步长功率控制算法， 在p r o p c 算法中引入非线性误差估计方法，得到新的功控算法一基于误差估计 的比例功率控制算法( e p r o p c ) 及其改进算法( m e p r o p c ) 。根据该误差估计方法， 在控制链路中，只需回传的1 比特或2 比特功率控制信令就可以准确地估计出信 干比误差。因此，算法易于实现，控制速度快。 理论推导和仿真都证明，相比于传统的d c p c 算法，本文提出的算法能够自 山东大学硕士学位论文 2 改变功率调整步长，收敛速度更快，尤其在时变链路增益条件下，该算法 时地跟踪链路增益的变化，算法稳定性好、鲁棒性高，因此更加适用于随 变通信环境。本文提出的算法在估计误差过程中只需要l b i t 或2 b i t 反馈信 d c p c 算法和基于随机理论和控制理论的各种算法需要反馈精确的检测或 息，因此，新算法实现简单，所占信道容量少。当算法应用于实际c d m a 统中时，由于反馈信道有噪声，新算法性能明显优胜于其他算法。 ：功率控制误差估计自适应变步长信道增益信干比 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t c 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 ) i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt e c h n i q u e s f o r3 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o n , w h i c hh a sa d v a n t a g e si na n t i i n t e r f e r e n c e ，h i g hs e c u r i t y ， a n t i - m u l t i p a t hf a d i n g ，s o f tc a p a c i t y ，i d e a lb a n d w i d t he f f i c i e n c y ，h i g hd a t ar a t ee t c c d m as y s t e m sa r ei n t e r f e r e n c el i m i t e dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s w i t ht h ei n c r e a s eo f n u m b e ro fs u b s c r i b e r s ，i n t e r f e r e n c ef r o mo t h e ru s e r sw i l li n c r e a s e ，w h i c hc a u s e se r r o r d e t e c t i o no fs i g n a la n df u r t h e rl o s si ns y s t e mc a p a c i t ya n dp e r f o r m a n c e a l lm es a m e ， c d m as y s t e m sa r es e l f - i n t e r f e r e n c el i m i t e dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s i n3 gs y s t e m s ， m u l t i - a c c e s si n t e r f e r e n c e ，n e a r - f a re f f e c ta n da n g l ee f f e c te x i s td u et ot h ef a c tt h a t s p r e a dc o d e sb e t w e e nd i f f e r e n tu s e r sa r en o tc o m p l e t e l yo r t h o g o n a lb e c a u s eo ft h e f a d i n go fw i r e l e s sc h a n n e la n dt i m e v a r y i n gp o s i t i o n so fm o b i l es t a t i o n s r e g u l a rf i l t e r c a nn o to v e r c o m et h e s eq u e s t i o n s p o w e rc o n t r o li so n eo fk e yt e c h n o l o g i e st o o v e r c o m ea b o v e m e n t i o n e dp r o b l e m s i ti sa b l et oc o m p e n s a t es i g n a lf a d i n g ，s u p p r e s s i n t e r f e r e n c ea n di n c r e a s es y s t e mc a p a c i t y i na d d i t i o n ，p o w e rc o n t r o lc a na l s o m i n i m i z et h em o b i l es t a t i o nt r a n s m i t t i n gp o w e r ，t h e r e b ye x t e n d i n gt h eb a t t e r yl i f eo f m o b i l es t a t i o n s i np r i n c i p l e ，p o w e rc o n t r o li sap r o c e s sb yw h i c ht e r m i n a l sa n d o rb a s es t a t i o n s a r ea b l et oa d j u s tt h e i rt r a n s m i t t i n gp o w e rb a s e do nt h ec h a n g i n go fc h a n n e lp r o p e r t i e s o nt h ec o n d i t i o no fg u a r a n t e et h eq u a l i t yo fs e r v i c ef o re v e r yc o m m u n i c a t i o nl i n k ， t r a n s m i t t i n gp o w e r i sm i n i m i z e dt oo t h e ru s e r s t h i sp a p e rg i v e sa no v e r v i e wo np o w e r c o n t r o lt e c h n i q u e s ，i n c l u d i n gi t sn e c e s s i t y ，o v e r a l lo b j e c t i v e s ，c r i t e r i o n ，a n dc a t e g o r i e s w ea l s os t a t ep r o p a g a t i o np r o p e r t i e so fw i r e l e s sc h a n n e l ，e n u m e r a t es e v e r a lt y p i c a l s i m u l a t i o nm o d e l sa n dt h e nc o n s t r u c tt h es i m u l a t i o nm o d e lo fc d m as y s t e m s a s i m u l a t i v es t u d yo np o w e rc o n t r o la l g o r i t h m sw a sd o n eb a s e do nt h em o d e la b o v e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fa l g o r i t h m si st h ec o r eo fp o w e rc o n t r o lp r o b l e m w e d i s c u s ss i r - b a l a n c e dd i s t r i b u t e da l g o r i t h m ，t h em a i nc o n t r i b u t i o n sa r ei n c l u d e da s 山东大学硕士学位论文 f o l l o w s ： f i r s t l y ，w ed i s c u s s e dt r a d i t i o n a ld i s t r i b u t e dp o w e rc o n t r o la l g o r i t h m si nw h i c ht h e i t e r a t e df u n c t i o ni sd e r i v e df r o mn u m e r i c a la l g e b r a b a s e do nt h es t r u c t u r eo ft h e s e a l g o r i t h m s ，w ep r o p o s eag e n e r a lf o r mo ff u l l yd i s t r i b u t e da n da d a p t i v ev a r i a b l es t e p s i z ea l g o r i t h m sf o rt i m e - v a r y i n gl i n kg a i ne n v i r o n m e n t s s e c o n d l y ，w ep r o p o s e dan e wp o w e rc o n t r o la l g o r i t h mb a s e do ne r r o re s t i m a t i o n ， w h i c hc a nb eu s e di na c t u a lc d m ac e l l u l a rr a d i os y s t e m s i nt h eu p l i n k ，t h em o b i l e s t a t i o n ( m s ) e s t i m a t et h es i g n a lt oi n t e r f e r e n c er a t i o ( s i r ) b yu s i n gp o w e rc o n t r o l c o m m a n d ss e n tb yt h eb a s es t a t i o n ( b s ) ，w h i c hn e e d slb i to r2b i t s t h ee s t i m a t e d s i ri n f o r m a t i o ni su s e dt oa d j u s tt h et r a n s m i t t i n gp o w e rf o rt h em o b i l et e r m i n a lb y u s i n gt h ea d a p t i v ev a r i a b l es t e ps i z ep o w e rc o n t r o la l g o r i t h m t h ep r o p o s e da l g o r i t h m h a sa d v a n t a g e si nt e r m so fq u i c kr e s p o n s ea n ds t r o n gr o b u s t ，a n di se a s yt ob er e a l i z e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mc a nt r a c kt h ec h a n g e so fl i n kg a i n sa n di s b e t t e rt h a nf s p ca l g o r i t h ma n dd c p ca l g o r i t h mf o rs t o c h a s t i ct i m e v a r y i n gl i n k g a i n s 4 k e yw o r d s ：p o w e rc o n t r o l ，e r r o 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 ，l i n kg a i n ，s i r 山东大学硕士学位论文 1 1 蜂窝移动通信概述 第一章绪论 1 9 7 4 年，美国贝尔实验室提出了蜂窝( c e l l u l a r ) 的概念【l 】，从此移动通信进入 了公众移动通信发展的新阶段。蜂窝移动通信采用蜂窝无线组网方式，将终端和 网络设备之间通过无线通道连接起来，解决了频率复用的问题，提高了无线频谱 的利用率，大大扩展了系统的容量。近2 0 年来，移动通信技术发展迅速，先后经 历了第一代模拟式移动通信系统、第二代数字式移动通信系统、已投入商业运营 的第三代移动通信，以及正在研发阶段的超三代及第四代移动通信系统。 第一代移动通信系统( 1 g ) 采用调频调$ 1 j ( f r e q u e n c ym o d u l a t i o n ，f m ) 方式和频 分多址( f r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ，f d m a ) 的用户接入方式。典型系统包 括美国的高级移动通信系统( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ，a m p s ) 等。1 g 存在 着频谱利用率低、通话质量不高、业务种类有限、制式太多且不兼容等缺点。第 二代移动通信系统( 2 g ) 采用数字式时分多址( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ， t d m a ) 和码分多址( c 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 ) 技术，同时也采用了数 字化技术和新的调制方式。典型系统包括欧洲的全球移动通信系统( g l o b a l s y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，g s m ) 、美国提出的c d m ao n e ( i s 9 5 ) ，即 n c d m a ( n a r r o w b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 。2 g 提供了数字化的语音业 务及低速数据业务，得到了广泛的应用和普及，现已取得商业上的巨大成功。 随着用户容量发展的需要，以及满足人们提出的对于多媒体数据业务以及宽 带化、智能化、个人化的综合全球通信业务的需求，提出了第三代移动通信系统 ( 3 g ) 的技术标准。3 g 对无线传输技术提出了以下要求：高速率的数据传输以支持 多媒体业务：室内环境至少2 m b p s ，室外步行至少3 8 4 k b p s ，室外车辆环境至少 1 4 4 k b p s ；传输速率按需分配：上下行链路能适应不对称业务的需求；简单的小区 结构和易于管理的信道结构；灵活的频率和无线资源的管理。3 g 的典型系统包括 美国提出的c d m a 2 0 0 0 技术、欧洲和日本支持的w c d m a 技术和中国提出的采 赔琵魏 山东大学硕士学位论文 用t d m a 和c d m a 混合接入方案的t d s c d m a 技术。2 0 0 7 年1 0 月，微波接入 全球互通( w o r l d w i d ei 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 ，w i m a x ) 被正式批准为 第四个全球3 g 标准。由于网络结构和无线链路结构特点的限制，高速数据业务 可能成为3 g 的性能瓶颈。存在的问题包括：在c d m a 结构下需要克服更大的干 扰；空中接口标准对于核心网的限制使系统难以胜任大量的有不同的业务质量要 求( q o s ) 的多速率数据业务；为了有效地适应不同的无线环境，时分、频分复用结 构的融合受到限制。 为了满足未来高速数据传输能力要求和更加多样化的业务类型，超三代 ( b e y o n d3 g ) 以及第四代( 4 g ) 无线蜂窝移动通信技术的研究已开始进行【2 】。从技术 实现角度来看，b 3 g 是在2 g 以及3 g 基础上演进得到的，因此3 g 中的关键技术 将会在b g 3 中继续发挥作用，例如高效的无线资源管理策略( r a d i or e s o u r c e m a n a g e m e n t ，r r m ) 、多用户检测技术( m u l t i u s e rd e t e c t i o n ，m u d ) 、智能天线技 术( s m a r t a n t e n n a ) 等等。为了支持高速业务，高速分组接入技术( h i g hs p e e dp a c k e t a c c e s s ，h s p a ) 、多入多出技术( m u l t i p l e - i n p u ta n dm u l t i p l e - o u t p u t ，m i m o ) 以及 正交频分复用技术( 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 e x i n g ，o f d m ) 等相关研 究十分活跃。其中c d m a 多址技术与o f d m 调制技术的各种结合更是研究热点， 长远看极有可能成为b 3 g 无线移动系统的核心技术。 几大主流的3 g 标准( w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a ) ，以及正在研究 中的4 g ，均是基于c d m a 技术的。以c d m a 为代表的通信系统在移动通信领域 被广泛应用，c d m a 技术及其结合技术被认为是未来移动通信的主流技术。 1 2 论文研究的背景意义 第三代移动通信系统( 3 g ) 在上世纪9 0 年代初被国际电联( i t u ) 正式定名为 i m t - 2 0 0 0 ，成为一个包括全球无缝覆盖、全球漫游、卫星移动通信、陆地移动同 性和无绳电话等的蜂窝移动通信大系统。为了达到高容量、高质量和高速率的通 信业务，3 g 采用了r a k e 接收技术、智能天线技术、多用户检测技术、高效编 译码技术、功率控制技术等关键技术。其中，功率控制技术现已成为第三代移动 通信系统标准中最为重要的核心技术和研究热点之- - 3 。 6 山东大学硕士学位论文 1 2 1 码分多址技术 在c d m a 通信系统中，所有用户共用同一公共信道传输信息，同时传输信息 的多个用户是使用各不相同的编码序列来区分的，系统为每个用户分配特定的地 址码。也就是说，每个用户有自己的地址码，地址码之间相互正交，用来区分每 一个用户。在同一频率、同一时隙的条件下，多个c d m a 信号时间上、频率上相 互重叠，接收机使用相关器根据不同信号码型之间的正交性及准正交性分离出预 定码型的信号 4 1 1 5 1 。 c d m a 通信系统以扩频技术为基础，因而具有扩频通信系统特有的优势，如 大容量、软容量、保密性好、无线频谱利用率高，抗干扰性强，同时可以采用有 效的功率控制等关键技术，保证系统容量、有效抑制多径干扰。 1 2 2c d m a 蜂窝通信系统中的干扰和功率控制 在蜂窝移动码分多址通信系统中，干扰可以大致分为三种类型：加性高斯白 噪声干扰、多径干扰和多用户间的多址干扰。 由于所有用户均使用相同频段的无线信道和相同的时隙，多个用户间仅靠地 址扩频码的不同，即它们之间的正交性或准正交性加以区别。在信号经过无线信 道后，地址扩频码之间的互相关特性受到破坏，解扩时其他用户的信号就会对特 定用户的信号产生干扰，称为多址干扰( m u l t i p l e a c c e s si n t e r f e r e n c e ，m a i ) ，或者 多用户干扰。如图1 1 所示，c d m a 蜂窝系统的多址干扰分两种情况：( a ) 是在下 行链路中，移动台在接收所属基站发来的信号时，会受到所属基站和邻近基站向 其他移动台所发信号的干扰；( b ) 是在上行链路中，基站在接受某一移动台的信号 时，会受到本小区和邻近小区其他移动台所发信号的干扰。在上行链路中，如果 保持小区内所有移动台的发射功率相同，由于小区内移动台用户的随机移动，移 动台与基站之间的距离是随机的，信号经过不同传播距离时，其损耗会有非常大 的差异。离基站近的移动台的信号强，离基站远的移动台信号弱，将会产生以强 压弱的现象，而通讯设备的非线性更会加速这一现象的产生，这种现象就是移动 通信中的“远近效应 问题。在下行链路中，当移动台位于相邻小区的交界处时， 7 起伏，主要表现为多径效应、多普勒效应等带来的衰落特性。另外，从码片周期 的角度来看，根据信道的相干时间与发射信号周期长短的关系，又可分为快衰落 和慢衰落。快衰落与慢衰落并不是两个独立的衰落，快衰落反映的是瞬时值的快 速起伏，慢衰落反映的是瞬时值加权平均后中值的变化。慢衰落引起的最主要的 性能下降是降低了接收的信号功率，从而降低了信噪比( s n r ) ；快衰落会引起基 带信号的严重失真，导致较高的比特误码率。 对于传统加性高斯白噪声干扰，c d m a 系统一般采用信道编码和数字式调制 解调技术来抵抗。 c d m a 系统是干扰受限系统，干扰的大小严重影响系统容量和通信质量，同 时c d m a 是自干扰系统。由于各自的扩频码并非理想正交，移动终端所处的位置 以及无线信道的衰落等原因，导致在3 g 系统中存在着多径干扰、远近效应、角 8 山东大学硕士学位论文 效应等问题。功率控制是克服这一系列问题的重要核心技术，其根本目标就是克 服多址干扰，提高系统容量，消除远近效应，补偿信号衰落现象。与此同时，采 用适宜的发射功率还有助于提高移动终端电池的使用寿命，从而延长其使用时间。 综上所述，功率控制技术是3 g 系统的关键技术，是c d m a 技术由理论研究走向 实用化的一项核心技术【6 【7 】。 1 3 国内外研究现状 c d m a 系统是白干扰系统，某一用户的发射信号和接收信号对小区内的其他 用户而言就是干扰，为此，c d m a 采用功率控制技术，减少系统内用户的相互干 扰，使系统容量最大化 8 】。另外，功率是通信系统的有限资源，如何在满足更多 用户q o s 条件下，尽可能地降低发射端的发射功率就是功率控制的核心问题。近 十几年来，功率控制问题引起人们的广泛关注，研究者从不同的角度解决功率控 制问题。随着3 g 时代的到来，c d m a 技术已普遍应用于现实生活中，因此一个 性能好的算法需要收敛速度快、实现简单，更重要的是鲁棒性好，能够适应复杂 的、时变的通信环境。 j m a e i n 在研究卫星通信系统共道干扰的管理问题中，提出了信干比均衡的 概念【9 】，将功率控制转化为求一个非负矩阵的最大特征值及其对应特征向量的问 题，由p e r r o n f r o b e n i u s 定理可以证明由求解链路增益矩阵方程获得的功率解的存 在性和唯一性。j z a n d e r 将信干比均衡方法应用于无噪声窄带c d m a 系统，提出 了一种可以最小化中断概率的集中式功率控制算法，所有链路达到最大可达信干 e 1 0 】。集中式功控算法需要大量系统信令信息，难以应用于实际，因此，分布 式功率控制算法成为研究的重点。j z a n d e r 在假定忽略系统背景噪声前提下提出 分布式信干比均衡算法( d b a ) 1 1 】。f o s c h i n i 和m i l j a n i c 在文献 1 2 】中给出背景噪 声为正值的c d m a 系统模型，模型更接近于实际，以此为根据提出一种分布式的 功率控制算法( f m a ) ，证明了在系统可行条件下，即系统内资源足以满足所有激 活用户q o s 的条件下，不论系统中各用户发射功率同步【1 2 】或异步 1 3 更新，接 收信干比都收敛到固定点。在f m a 算法基础上，g r a n d h i 考虑最大发射功率受限， 提出分布式受限功率控制算法( d c p c ) 1 4 ，成为功率控制经典算法。同时，y a t e s 9 山东大学硕士学位论文 在文献 1 5 】中给出了上行链路功率控制收敛性分析的理论框架，证明了若干扰函 数是非负的、单调增的、可扩展的，则存在一个最优功率矢量解能够满足所有用 户的服务质量要求。随后，根据数值线性代数中迭代求解线性方程的方法，研究 者们提出了一系列功率控制算法：代表性的有r j a n t t i 的受限二阶功率控制算法 ( c s o p c ) 1 6 1 、d l e l i c 的高斯塞德尔迭代算法( c g s ) 1 7 等等，相比d c p c 算法， 这些算法收敛性都有所提高。以上算法把时变系统功率控制问题转化为具有特定 信道增益的功率控制问题，因此算法的实现都是基于两个条件：1 、链路增益是固 定不变的；2 、功率控制指令可以取实域的任意值。这在实际系统中是过于理想化 的，在无线系统中，复杂的通信环境使链路增益时变，而且功率控制指令必须通 过容量受限信道传输。另一方面，基于反馈的功控算法控制灵活，易于实现，但 面对复杂的物理环境，不适当的步长，会出现很大的过调量和较长的稳定时间， 从而影响到每个用户的信噪比和系统的稳定性，因此在实际应用中无法保证收敛 性，既定的优化性能指标很难实现。 假设系统中链路增益是随机、时变的情况下，用户接收信干比、信道干扰等 是服从一定分布的随机变量，信道估计与预i 9 l t 1 8 1 1 9 1 也应用于功率控制算法中。 根据随机逼近理论，s u l u k u s ，r d y a t e s 得到基于匹配滤波器输出的随机功率控 制算法 2 0 1 ；l i j u nq i a n 提出基于卡尔曼滤波器估计并预测信道变量的随机功率控 制算法 2 1 】。上述算法实现过程繁琐，需要附加较复杂的预测、估计算法，算法 的实时性不好，精确的反馈信息需要占用一定的信道容量。 近年，控制理论也被应用于功率控制问题的解决。c d m a 闭环功率控制可认 为是“带延迟的反馈功率控制系统”( d f p c ) ，因此控制理论在各个领域中的相关 分析和设计技术都可以用来进行c d m a 功率控制系统的分析和设计 2 2 1 1 2 3 。随 着博弈论的成熟，越来越多的相关算法也相继出现。文献 2 4 1 1 2 5 1 把c d m a 中的 功率速率联合控制作为一个二值优化问题，应用拉格朗日函数来求解。上述算法 是从单个用户的角度分析功控环路，是基于优化方法的功控算法，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，在使系统性能达到最优的目标 下，完成各个用户发射功率的确定，然后将算出的最优功率值实时加载给用户。 这种方法控制准确而且有明确的意义( 最优化目标函数) ，但计算工作量很大，不 山东大学硕士学位论文 适用于动态环境。当环境参数发生变化时，原先求得的最优解就不再适用，特别 是当用户数发生变化时，需要重新建立系统模型和再次优化，这些任务的实时完 成比较困难。 将功率控制与其他关键技术相结合，可以更好的提高系统容量，这也是功控 算法研究的一个热点方向。多用户检测技术是一种抑制系统干扰的技术，联合功 率控制与多用户检测技术得到较多研究【2 6 】【2 7 】 2 8 】。同时针对多业务系统，研究 联合功率控制和速度控f l 列 2 9 1 1 3 0 1 1 31 。 1 4 论文主要贡献及结构安排 目前有影响力的3 g 技术标准q b ( w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a ) ，都 是以c d m a 为多址技术的。c d m a 的关键技术是功率控制算法的研究。本文分 别采用单个小区、多个小区d s - c d m a 蜂窝系统为仿真平台【3 2 】【3 3 】，探讨了各种 功率控制算法及其性能。 本文的主要工作是在传统的分布式迭代功率控制算法基础上，提出自适应变 步长功率控制算法框架，在保证算法稳定性的基础上，结合固定步长功率控制算 法，将误差估计应用于该算法框架，提出新的基于误差估计的比例功率控制算法， 并给出仿真结果。 全文内容安排如下： 第一章简要介绍蜂窝移动通信系统的发展，本文的研究背景和主要贡献。 在第二章中介绍了无线信道传播特性及仿真模型，对c d m a 系统功率控制技 术进行概述，包括功率控制目标、准则和方法分类。 在第三章中，系统地归纳总结了功率控制算法的基本理论，分析了传统的分 布式迭代功率控制算法和固定步长功率控制算法，该算法基于数值分析和矩阵计 算理论。 在第四章中，提出自适应变步长功率控制算法框架，在此基础上提出了一种 自适应变步长算法，将误差估计方法应用于该算法，使其可以应用于实际系统的， 然后，对提出的算法进行了仿真性能分析。 第五章对全文进行总结。 山东大学硕士学位论文 第二章c d m a 系统功率控制技术 由于c d m a 系统具有典型的软容量特征，是一个容量受限系统，为了有效地 降低系统内、系统外干扰，提高系统容量，保证通信链路质量，功率控制技术成 为c d m a 系统关键技术。 2 1 无线信道传播特性及仿真模型 2 1 1 无线信道传播特性 在现实环境中，无线电波传播的空间环境十分复杂，从简单的视距传输，到 遭遇各种复杂的地物，如建筑物、山脉、对流层等。无线电波传播具有很强的随 机性，影响的因素相当多，包括信号的频率与带宽，移动台的移动速度、发射天 线与接收天线之间的地形环境( 乡