（通信与信息系统专业论文）无线网络中基于效用函数的速率分配与功率控制研究.pdf

摘要 无线资源管理在无线网络中起着至关重要的作用，随着技术的不断发展，通 信系统对无线资源管理也不断提出新的要求。本论文的研究方向就是无线资源管 理中两个重要的组成部分信道分配和功率控制。 首先，针对第三代移动通信系统中高速数据业务的突发性、不连续性和传输 不平衡性等特点，提出了一种基于效用函数的速率分配算法，该算法兼顾了数据 业务对吞吐量和速率波动的要求，通过仿真显示该算法可以有效地解决无线网络 中终端的速率波动问题，提高网络的整体效率。 在功率控制方面，对功率控制的对策论方法进行改进，提出了一种新的效用 函数，并发展出一种基于对策论的功率控制算法。为了验证算法的有效性，从数 学上推导了纳什均衡的存在性和唯一性，并通过仿真分析了算法的收敛性、发射 功率以及信干比等各项性能。 另外，综合考虑了速率分配和功率控制对系统性能的影响，提出了联合速率 分配与功率控制的资源调度算法。通过仿真显示，在信道环境较差时该算法能有 效提高系统整体性能。最后论文重点讨论了算法的复杂度，给出了定量的分析。 关键词：码分多址；无线资源管理；效用函数；时帧占用；速率分配；对策论； 功率控制；资源调度 中图分类号：t n 9 2 9 5 3 i i i a b s t r a c t r a d i or e s o u r c e m a n a g e m e n tp l a y s ak e yr o l e i nw i r e l e s sn e t w o r k w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y , n e wr e q u i r e m e n t sa r ep u tf o r w a r df o rr a d i or e s o u r c e m a n a g e m e n ti nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h i sp a p e ra i m sa tt h er e s e a r c ho ft w o i m p o r t a n tc o m p o n e n t so fr a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ：r a t ea l l o c a t i o na n dp o w e r c o n t r 0 1 f i r s to fa l l ，t or e s o l v et h e p r o b l e m so fi n s t a n t a n e i t y , d i s c o n t i n u i t y a n d t r a n s m i s s i o ni m b a l a n c eo fh i g hs p e e dd a t as e r v i c e si nt h e t h i r dg e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，ar a t ea l l o c a t i o n a l g o r i t h mb a s e d o nu t i l i t yf u n c t i o ni s p r o p o s e d t h ea l g o r i t h ma c h i e v e sab a l a n c eb e t w e e nt h r o u g h p u ta n dr a t eo s c i l l a t i o n o fd a t as e r v i c e n u m e r i c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mc a ne f f e c t i v e l yr e s o l v et h e p r o b l e mo fr a t eo s c i l l a t i o ni nw i r e l e s sn e t w o r ka n di m p r o v et h eo v e r a l le f f i c i e n c yo f t h en e t w o r k s e c o n d ，i m p r o v e m e n t so nt h eg a m et h e o r ym e t h o do fp o w e rc o n t r o la r em a d e a s ar e s u k ，an e wu t i l i t yf u n c t i o ni sp r o p o s e da n dap o w e rc o n t r o la l g o r i t h mb a s e do n g a m et h e o r yi sd e v e l o p e da sw e l l t ov e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s so ft h ea l g o r i t h m ，t h e m a t h e m a t i c a le x i s t e n c ea n du n i q u e n e s so fn a s he q u i l i b r i u mi s d e r i v e d t h r o u g h s i m u l a t i o nt h ec o n v e r g e n c ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ea l g o r i t h m ，t r a n s m i t t i n gp o w e ra n d s i g n a lt oi n t e r f e r e n c er a t i oa n do t h e rp r o p e r t i e sa r ea n a l y z e d i na d d i t i o n ，c o n s i d e r i n gt h ei m p a c to fb o t hr a t ea l l o c a t i o na n dp o w e rc o n t r o lo n s y s t e mp e r f o r m a n c e ，ar e s o u r c es c h e d u l i n ga l g o r i t h mo fj o i n tr a t ea l l o c a t i o na n d p o w e rc o n t r o li sp r o p o s e d n u m e r i c a lr e s u l t ss h o wa ne f f i c i e n ti m p r o v e m e n to ft h e s y s t e mp e r f o r m a n c ei np o o rc h a n n e lc o n d i t i o n f i n a l l y , t h ec o m p l e x i t yo ft h e a l g o r i t h mi sd i s c u s s e da n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i si sg i v e n k e yw o r d s ：c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ；w i r e l e s sr e s o u r c em a n a g e m e n t ；u t i l i t y f u n c t i o n ；t i m ef r a m eo c c u p a n c y ；r a t ea l l o c a t i o n ；g a m et h e o r y ；p o w e rc o n t r o l ； r e s o u r c es c h e d u l i n g c h i n e s el i b r a r yc l a s s i f y i n gn u m b e r ：t n 9 2 9 5 3 t v 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 对于无线系统来说，无线资源的概念是很广泛的，它既可以是频率，也可以 是时间，还可以是码字。无线资源管理就是对移动通信系统的空中接口资源的规 划和调度。无线资源管理涉及到一系列与无线资源的分配有关的研究课题，如接 入控制、信道分配、功率控制、切换、负载控制以及分组信息的调度等。 随着技术的不断进步以及手持无线设备的快速发展，人们对无线通信和移动 计算也相应的有了更高的要求。考虑到环境改造和经济因素，移动通信用户将持 续增长。另一方面，为了使得传播信息更加有效，多媒体平台上的多种应用也逐 渐普及。综合上述两方面，人们对本来稀缺的无线频谱资源必须加以更充分的利 用。用户对高速数据业务需求的不断增加和有限的无线网络资源之间的矛盾，已 经成为制约无线通信发展的主要因素。要解决这一矛盾，一方面需要在物理层采 用更先进的传输技术( 如m i m o 、o f d m 等) 提高无线信道传输速率；另一方 面需要在上层采用高效的无线资源管理策略合理分配资源，提高系统频谱资源利 用率。因此设计灵活有效的资源调度算法成为未来b 3 g 无线网络设计中面临的 巨大挑战。 在无线通信系统中，不同业务对q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ，服务质量) 有着不同 的需求，根据这些需求动态地管理系统有限的资源，是提高系统通信质量的有效 方法。在传统的语音通信中，资源调度往往仅限于功率控制。而在数据通信中， 资源管理要考虑更多因素以支持不同的q o s 需求，需要考虑各个终端的传输速 率。传统的硬实时业务( h a r dr e a l t i m es e r v i c e ，h r ts e r v i c e ) 将传输速率稳定在某一 水平【1 1 ，但是随着互联网以及数据业务的快速发展，为了寻求网络最大的吞吐量， 人们对尽力而为业务( b e s t e f f o r ts e r v i c e ，b es e r v i c e ) 的需求不断增长1 2 j 。 效用函数很早以前就被引入网络资源管理领域，来解决吞吐量的分配以及网 络优化问题。文献【3 】采用了线性的效用函数对系统吞吐量建模，当仅选择可达速 率最大的终端进行通信时，系统的总吞吐量达到最大。显然，这对于信道质量好 的终端有利，而对信道质量差的终端不利，不具有公平性。考虑到系统的公平性， 文献【1 】和 4 1 提出了比例公平算法( p r o p o r t i o n a lf a i ra l g o r i t h m ，p f ) ，该算法的效用函 数采用了针对平均传输速率的对数形式。在文献【5 】和 6 1 中，效用函数是平均传输 速率的凹函数，系统的优化目标是最大化该效用函数，并且指出传统的比例公平 算法是采用了对数形式效用函数的特例。另外，文献【5 j 还提出了a l p h a r u l e 算法， 适用于采用m i m o 天线的多用户高速率c d m a 数据网络。a l p h a r u l e 算法可以 通过调整效用函数中的口因子来可调地平衡总吞吐量和系统公平性。以上文献所 提出的算法都只适用于尽力而为业务，它们都会导致较大的速率波动。在第三代 移动通信系统中，高速数据业务具有突发性、不连续性和传输不平衡性等特点。 如何针对这些特点对网络进行设计和优化，是研究人员的关注重点。 在移动通信与无线通信领域中，功率控制一直以来都是最重要的系统要素之 一。对f d m a t d m a 系统，它的主要作用是减少共信道二f 扰，提供“更紧密” 的频率资源复用，从而提高系统容量。在c d m a 系统中，为了有效地解决远近 效应a n d , 区边缘问题，功率控制对c d m a 系统显得尤为重要。没有功率控制， c d m a 系统的容量甚至会低于f d m a 系统。另外，从经济的角度考虑，功率控 制还能最大限度地降低移动台发射功率，从而延长移动台电池使用寿命。对策论 原来是应用在数学和经济学领域的工具，早在上世纪五十年代就被提出，它被设 计来帮助理解决策主体相互作用的现象。上世纪九十年代，有人开始将对策论引 入到移动通信小区的功率控制当中，用来描述各终端用户之间的功率控制过程， 获得了一定的突破。近来在c d m a 系统的功率控制问题中，由d a v i dj g o o d m a n 等人将经济学中的对策论方法来入c d m a 系统功率控制中，得到了许多重要成 果，引起了学术界的广泛关注。他把功率控制问题视为非合作博弈过程，所有用 户通过调整发射功率使自己的收益或效用最大化，博弈过程最终收敛到纳什均 衡。最近几年，国内也有很多针对功率控制的对策论方法的研究，主要研究重点 在于提出新的效用函数或代价函数，以适应不同类型的网络或不同的业务。 1 2 论文主要工作 本文围绕着无线资源管理中的两个子课题一一速率分配与功率控制展开研 究，主要的工作体现在以下几个方面： 1 针对第三代移动通信系统中高速数据业务的突发性、不连续性和传输不平衡 性等特点，提出了一种基于效用函数的速率分配算法，并通过仿真验证该算 法可以有效地解决无线网络中终端的速率波动问题，提高网络的整体效率。 2 在前人的研究基础上，对功率控制的对策论方法进行改进，提出了一种新的 效用函数并由此发展出一种功率控制算法，从数学上推导了算法的有效性， 并通过仿真比较分析了算法的收敛性、发射功率以及信干比等各项性能。 3 将速率分配与功率控制结合，提出了联合速率分配与功率控制的资源调度算 法，通过仿真分析了该算法的性能，并且重点讨论了算法的复杂度，给出了 定量的分析。 2 1 3 论文内容安排 本篇论文总共分为五章，具体内容安排如下： 第一章概述了论文课题的研究背景，介绍了作者的主要工作以及文章的结构 安排。 第二章介绍了速率分配的概念，提出了一种基于效用函数的速率分配算法， 并通过m a t l a b 建立了仿真环境，分析了算法的性能。 第三章介绍了无线通信中功率控制的概念以及作用，并且重点介绍了国内外 对于功率控制的对策论方法的研究现状。接着提出了一种新的效用函数，并应用 对策论对功率控制建模，从数学上推导了该博弈过程纳什均衡( n a s h e q u i l i b r i u m ) 的存在性与唯一l 生。最后，通过m a t l a b 仿真比较了该功率控制 算法与其他算法的性能。 第四章结合了速率分配与功率控制，提出了联合速率分配与功率控制的资源 调度算法，通过m a t l a b 仿真分析了算法对于系统性能的改进，同时考虑到了 算法的复杂度，给出了定量的分析。 第五章对全文进行了概括，总结了本文的主要工作，同时也指出了有待于进 一步研究的问题并对未来工作进行了展望。 第2 章基于效用函数的速率分配 2 1 速率分配概述 在各种商业和生活中，为了在各种环境中都能保持正常的通信能力，需要为 移动设备提供一种可以和桌上电脑相比较的宽带接入能力和数据通信能力，提供 高速、低时延的数据业务早己提上了研究日程。目前移动i n t e m e t 接入、高速数 据下载以及无线视频点播等服务业务已日渐普遍。在第三代移动通信系统中，也 提出了最高2 m b p s 的高速数据业务要求。 在第三代移动通信系统中，实现高速数据业务是逐步进行的。不同于语音业 务，数据业务具有突发性、不连续性和传输不平衡性等特点。对于部分数据业务， 例如视频电波和视频电话等而言，对传输时延的要求较高，然而对于大部分数据 业务，如数据下载、网页浏览、收发电子邮件等来说，对于时延的容忍要比语音 业务宽松的多。这使得合理调整可变的数据业务服务质量q o s 以获取最大的系 统容量成为可能。 为了充分利用网络资源并保证用户获得最优的q o s ，需要引入某种流量控制 技术来调整并控制网络中各个用户的传输速率，以获得在q o s 和带宽利用上的 平衡。本章提出的速率分配算法即着眼于解决数据业务的突发性、不连续性等特 点给无线网络带来的问题，充分利用数据业务对时延的不敏感性，在不改变当前 c d m a 系统结构的基础上，根据各个链路无线信道环境的具体状况，对无线网 络中的各个终端进行速率限制，降低过高速率和过低速率对系统的影响，从而提 高整个无线网络的性能。 2 2 基于效用函数的速率分配 在对策论中，效用函数是经常被用到的一个概念，它描述了用户在做出某项 行为后得到的满意程度。使用对策论来对功率控制过程进行建模，效用函数将是 我们研究的主要对象，而系统的最终目标就是实现效用函数的最大化。 用数学语言来描述，效用函数扎是从动作集合彳到实数集合r 的映射，记为 甜：a 一9 1 1 。如果对于所有的x ，y a ，当且仅当u ( x ) u ( y ) 时，则认为x 是优于 y 的【7 】o 显然，这样的效用函数可以有很多种具体的实现形式，不同的研究角度可能 会采取不同的效用函数表达。结合物理意义看来，移动终端的发射功率、吞吐量、 数据传输效率等等都可以作为效用函数来进行研究。 4 在无线通信中，q o s 是指速率、延迟和差错概率等反映通信质量的概念，这 与效用函数所描述的概念是相似的。在语音通信系统中，低延迟是首要保证的， 而传输差错的要求可以适当放宽。但在数据通信中，可以接受一定的延迟，而不 能容忍传输错误。 效用函数很早以前就被引入网络资源管理领域，来解决吞吐量的分配以及网 络优化问题。传统的资源调度方式是在保证用户q o s 、提高系统吞吐量、减小功 耗等目标之间进行折中。而在实际系统中，应该以用户对业务质量的满意程度作 为评估系统性能的重要依据，为此，产生了各种基于效用函数的资源调度算法 8 - 1 2 】。在这些调度算法中，效用函数代表了用户对所得到资源的满意程度，代价 因子代表用户使用单位资源必须付出的代价，算法的基本原理就是通过调整代价 因子控制用户对资源的占用情况，在系统资源利用率和用户公平性间寻求平衡。 这种分配方式是典型的分布式资源分配算法，与需要大规模计算量的集中式资源 分配算法相比，每个参与分配的移动台只使用局部信息，需要的信息量少，算法 简单，执行速度块，因此适用于大容量的c d m a 移动通信系统中。文献【15 j 和 1 6 1 研究了基于效用函数的速率分配问题，给出了在一定的速率分配条件下的功率分 配算法。但是，这些算法都是建立在对无线资源的最佳利用上，信道条件好的用 户可能会被分配更多的资源，因此导致资源分配的不公平。 文献【l3 】采用了线性的效用函数对系统吞吐量建模，当仅选择可达速率最大的 终端进行通信时，系统的总吞吐量达到最大。显然，这对于信道质量好的终端有 利，而对信道质量差的终端不利，不具有公平性。考虑到系统的公平性，文献【j j 和f 1 4 】提出了比例公平算法( p r o p o r t i o n a lf a i ra l g o r i t h m ，p fa l g o r i t h m ) ，该算法的效 用函数采用了针对平均传输速率的对数形式。在文献【1 5 j 和【1 6 j 中，效用函数是平 均传输速率的凹函数，系统的优化目标是最大化该效用函数，并且指出传统的比 例公平( p f ) 算法是采用了对数形式效用函数的特例。另外，文献【5 j 还提出了 a l p h a r u l e 算法，适用于采用m i m o 天线的多用户高速率c d m a 数据网络。 a l p h a - r u l e 算法可以通过调整效用函数中的o f 因子来可调地平衡总吞吐量和系 统公平性。 以上文献所提出的算法都只适用于尽力而为业务，它们都会导致较大的速率 波动。在第三代移动通信系统中，高速数据业务具有突发性、不连续性和传输不 平衡性等特点。如何针对这些特点对网络进行设计和优化，是研究人员的关注重 点。 2 3 系统模型 我们考虑包含个终端的单小区系统，由基站决定整个小区的资源管理策 略，即集中式管理。整个系统以时帧为基础进行通信，每个时帧内多个终端以时 分多址的方式与基站进行通信，基站决定终端对时帧的占用以及终端的发射功 率。 终端与基站之间的通信链路建模为时变的加性白高斯噪声信道( a w g n ) ， 并假设在每一个时帧内信道参数近似保持不变。我们将终端i 在时帧f 的瞬时信 道增益记为蜀( f ) ，将g 心) 服从的概率分布密度函数记为，( g ) ，则整个网络的信 道增益可以用维向量表示为： g ( t ) = ( g l ( f ) ，9 2 ( f ) ，g n ( r ) ) ( 1 ) 对于频率平坦的瑞利衰减信道，a ( g ) 可以表示为： f ( g ) ：击e x p ( 一喜 ) ，g 。 ( 2 ) z ( g ) ： i 畎烈专九9 2 u ( 2 ) 【0 ， g 。 ( 1 9 ) 一= 一一一一- = 一p ， ii 了， a p z 4 c l 、 。 2 由此可见“对于其策略空间是凹的。这就证明了效用函数“存在纳什均衡。 3 4 3 纳什均衡的唯一性 。，为了证望竺竺篓竺= 黟加争南，蜾舯均衡是唯一的， 那么厂( p ) 应该满足下面的性质1 5 2 1 【5 3 】： 6 1 正性：f ( p ) 0 2 单调性：如果p l p 2 ，那么厂( a ) f ( p ：) 3 扩展性：如果占 1 ，那么c f ( p ) f ( c p ) 1 7 如果以上三条性质i 司时满足的话，纳什均衡是唯一存在的，即算法收敛到唯 一点。下面分别推导算法满足三条性质的条件。 1 正性 蝴加等，n 南 。得去 2 单调性 设翻 p 2 ，则由厂( 珐珍p ) 得：n 且 堕l n 旦22 1 , 1 f ( p 翰 棚岫八a ) 垮：g 。n 粤4 a d l 。 尝gh 盘4 a b l22 令x ：4 a b i ，则g ) ：x l n 三应为单调增函数，所以重掣：l n 三一1 o ，得到 x 1 ，则 2 s ( z g j p j + 万2 ) 2 0 r 2 ， l n g l 得到丝g p 1 n 砺忑丽g i s g ，p j + 仃2 g ，p + 盯2 j j 2 ( 占g ，p ，+ 仃2 ) 2 占g j p j 占g ，p ，+ 仃2 + m 惑再了汕 g l z g j p j 七6 j * i l n 砺砭丽g i 恒成立 综上所述，纳什均衡唯一存在的充分条件是 p ，将( 5 ) 式代入可得 e r 陀 e ，所以当y 2 时纳什均衡的存在是唯一的。那么，只要保证系统中所有 终端的信干比都满足y ， 2 ，f _ l ，2 ，n ，那么本文提出的功率控制算法就是收敛 的且收敛于唯一的功率点。 3 5 仿真与分析 3 5 1 仿真环境 考虑单小区c d m a 系统，共有3 0 个用户随机分布在2 k m x 2 k m 的正方形小 区内【4 9 1 ，基站位于小区中心。系统中每个终端的最大发射功率都为一p = o 1 w ，系 统中的加性白高斯噪声功率为仃2 = 2 x 1 0 - 1 3 m w 。信道增益为吕= 1 0 - 1 1 d 4 ，1 0 - 1 1 相当于l k m 处的路径衰减为11 0 d b 。我们选择2 5 6 位的随机扩频序列，因此有 如果以上三条性质i 司时满足的话，纳什均衡是唯一存在的，即算法收敛到唯 一点。下面分别推导算法满足三条性质的条件。 1 正性 蝴加等，n 南 。得去 2 单调性 设翻 p 2 ，则由厂( 珐珍p ) 得：n 且 堕l n 旦22 1 , 1 f ( p 翰 棚岫八a ) 垮：g 。n 粤4 a d l 。 尝gh 盘4 a b l22 令x ：4 a b i ，则g ) ：x l n 三应为单调增函数，所以重掣：l n 三一1 o ，得到 x 1 ，则 2 s ( z g j p j + 万2 ) 2 0 r 2 ， l n g l 得到丝g p 1 n 砺忑丽g i s g ，p j + 仃2 g ，p + 盯2 j j 2 ( 占g ，p ，+ 仃2 ) 2 占g j p j 占g ，p ，+ 仃2 + m 惑再了汕 g l z g j p j 七6 j * i l n 砺砭丽g i 恒成立 综上所述，纳什均衡唯一存在的充分条件是 p ，将( 5 ) 式代入可得 e r 陀 e ，所以当y 2 时纳什均衡的存在是唯一的。那么，只要保证系统中所有 终端的信干比都满足y ， 2 ，f _ l ，2 ，n ，那么本文提出的功率控制算法就是收敛 的且收敛于唯一的功率点。 3 5 仿真与分析 3 5 1 仿真环境 考虑单小区c d m a 系统，共有3 0 个用户随机分布在2 k m x 2 k m 的正方形小 区内【4 9 1 ，基站位于小区中心。系统中每个终端的最大发射功率都为一p = o 1 w ，系 统中的加性白高斯噪声功率为仃2 = 2 x 1 0 - 1 3 m w 。信道增益为吕= 1 0 - 1 1 d 4 ，1 0 - 1 1 相当于l k m 处的路径衰减为11 0 d b 。我们选择2 5 6 位的随机扩频序列，因此有 q ，= 1 ，= 1 2 5 6 ，i ，。假定初始功率为p ( o = 2 x 1 0 。1 6 聊形，目标信干比为 7 栅= 8 ，同时设置参数a = 2 ，6 = 0 5 。 我们将本文的算法与分布式功率控制( d i s t r i b u t e dp o w e rc o n t r o l ，d p c ) 算法 以及k o s k i es 与删i ez 提出的k q 算法进行比较( k g 算法经常作为功率控制 对策论方法领域的比较算法) 。d p c 的功率迭代表达式为： ”= ( 2 0 ) k g 算法的功率迭代表达式为【4 9 】： ，p ，( k + 1 ) _ t a rp 矿：k ) 石懈t y , - t r j l 2 ( 21 ) 仿真中k g 算法的参数设置与文献悯中相同。 3 5 2 发射功率的性能比较 首先比较一下三种算法的发射功率的收敛特性： r 7 黼：左 图3 终端发射功率的收敛特性 图3 给出了分别采用三种算法时系统中各终端发射功率的收敛特性，从左至 右分别为d p c 算法、k g 算法以及本文算法，每一条曲线代表一个终端的发射 功率的变化。从图3 中可以看出，采用d p c 算法，终端的发射功率都需要超过 3 0 次迭代才能收敛；采用k g 算法i 终端的发射功率都需要超过2 0 次迭代才能 收敛。采用本文提出的算法，终端的发射功率经过不到l o 次迭代基本上就能收 敛，本文提出的算法在发射功率的性能上具有更好的收敛特性。 图4 终端发射功率与基站距离的关糸 接着比较三种算法下的各个终端发射功率的大小。图4 中的每一条曲线代表 一种算法下小区内各终端在达到均衡时的发射功率随着其与基站距离的变化。由 图4 可见，随着与基站距离的增加，本文提出的算法能有效地降低终端的发射功 率。但是也应看到，对于距离基站较近的终端来说，本文提出的算法在达到均衡 时的发射功率要大于d p c 算法和k g 算法，这一点容易引起远近效应，是本文 算法需要改进的一个缺陷。 3 5 3 信干比的性能比较 图5 终端信干比的收敛特性 2 0 图5 给出了分别采用三种算法系统中各终端信干比的收敛特性，从左至右分 别为d p c 算法、k g 算法以及本文算法，每一条曲线代表一个终端的信干比。 从图中可以看出，采用d p c 算法终端的信干比需要超过2 0 次迭代才能收敛， k g 算法也需要接近2 0 次才能收敛i 而采用本文提出的算法，经过不到1 0 次迭 代就能收敛，本文的算法在信干比的性能上具有更好的收敛特性。 与基站距离f k r n ) 图6 终端信于比与基站距离的关系 图6 给出了三种算法下各终端的信干比，每一条曲线代表一种算法。由图6 可见，d p c 算法可以保证所有终端的信干比都收敛于目标信干比y 衙= 8 ，而k g 算法在用户与基站距离较近的情况下与d p c 算法性能接近，在距离基站较远的 情况下k g 算法信干比低于d p c 算法。本文提出的算法，在距离基站较近的情 况下终端的信干比要高于d p c 算法，在距离基站较远的情况下与d p c 算法性能 接近。但是从整个小区来看，所有的终端的信干比都大于或者等于目标信干比 y 柳= 8 ，这保证了系统的q o s 要求。 3 6 小结 本章在前人的研究基础上，对功率控制的对策论方法进行改进，提出了一种 新的效用函数，并通过对该效用函数求极值发展出一种基于对策论的功率控制算 法。在进一步分析算法性能之前，我们首先从数学上推导了算法的纳什均衡的存 在性和唯一性，证明了该算法的收敛性和有效性。 接着，通过m a t l a b 仿真分析了算法的收敛性、发射功率以及信干比等各 项性能并将其与传统的分布式功率控制算法( d i s t r i b u t e dp o w e rc o n t r o l ，d p c ) 以 及功率控制的对策论方法领域中的k g 算法进行比较。仿真结果显示，本章提出 的功率控制算法具有收敛速度快、整体发射功率低以及整体信干比高的优点。但 需要注意的是，本文的算法在达到均衡时的发射功率要大二fd p c 算法和k g 算 法，这一点容易引起小区中的远近效应，是本文算法需要改进的一个地方。 第4 章联合速率分配与功率控制的资源调度策略 在c d m a 系统中，为了能够得到更好的网络容量，联合功率和速率控制受到 了广泛的关注。目前，随着其他新技术在3 g 、4 g 蜂窝移动通信系统中的应用， 功率控制与越区切换、多用户检测明等关键技术相结合，形成了各种联合功率控 制算法，主要分为以下几种： 1 联合功率控制与基站分配 2 联合功率控制与多用户检测 3 联合功率控制与波束成形 4 联合功率控制与速率分配 在宽带c d m a 系统中，提供多种多媒体服务，不同业务有不同的传输速率， 误码率和时延要求【5 4 】。为了提高系统容量和频谱利用率，s a m p a t h 5 5 】提出了联合 功率控制和速率分配技术。该文献讨论的是单小区情况，控制方案也是集中式控 制，但它给出了联合速率分配和功率控制的基本模型，提出了该类控制的两种优 化准则：最小化总发射功率的准则和最大化系统总吞吐量的准则。后来的有关文 献将联合功率控制和速率分配扩展到多小区或其他无线网络，提出了各种解决方 案，并从各种角度对系统性能进行了分析。它们大多都是以这两个准则为基础对 系统进行优化的。 提供多媒体业务是第三代移动通信最大的特点，多种类型的业务包括语音、 数据、视频等等。这实际上就是要求系统能够传输多种速率的数据。在c d m a 系统中多速率传输的方案有很多种，例如：多码方案( m c c d m a ) ，正交可变扩 频增益方案( o v s f ) 和多调制方案等等【5 6 1 。c d m a 系统是一个干扰受限系统，系 统的容量取决于用户之间的干扰。c d m a 系统中的功率i - ：1 通过调节发射功率 来补偿信道的衰落。在多速率宽带c d m a 系统中，各个用户的数据速率不同甚 至同一用户的数据速率也会随时间变化，从而使得速率自适应技术成为宽带 c d m a 的必要关键技术之一。 另外在宽带c d m a 系统当中，s i r 同时是功率和速率的函数，传统的单一功 率控制方案无法再有效的平衡s i r ，所以必须对功率和速率同时进行调节。 c d m a 中的功率速率联合控制可以认为是一个二值优化问题，可以用拉格朗日 技术来求解【5 7 】。如我们所知自适应传输的基本概念就是改变传输功率，传输符号 率，调制星座数，编码率或者它们的组合来维持s i r 的平衡。在文献【5 别中提出 了可变速率可变功率的m q a m 调制。文酬5 9 1 提出了一种w c d m a 下的自适应 功率速率控制，这种控制方案使系统可工作在传输功率控制( t r a n s m i s s i o np o w e r c o n t r 0 1 ) 的模式下。 4 1 。国内外研究现状 目前，对于c d m a 蜂窝系统多业务速率分配和功率控制问题的讨论在国内 外均有不同程度的研究。在文献【6 0 】【6 1 1 中，对前向链路高速数据速率分配进行了 研究，文献【6 z 】则对c d m a 系统反向链路速率和功率的分配进行了研究，但目前 已有的研究工作大部分没有区分考虑各种不同业务的服务需求，而是假设系统在 业务激活期间，给用户分配固定的速率。另外，近几年来，基于“经济模型的 无线资源管理和控制机制的研究成为一个热剧6 3 6 。 在本部分，大多数研究者借助微观经济学和对策论【6 8 】中的重要概念“效 用函数”和“代价函数”，对系统中用户的服务质量满意程度用“效用函数”来 表示，系统对无线资源的控制用“价格函数”描述，通过求解效用函数的最大值 来寻求新的功率和速率的联合分配算法。 在第三代移动通信系统中，不同的业务具有不同的服务质量要求，将多业务 划分为比特速率不变业务和比特速率可变业务；前者如语音服务、实时图像传输、 视频点播，这类服务对时延比较敏感，但速率可以维持一个稳定值；后者如数据 传输、f t p 文件传输、e m a i l 服务等，这类服务对时延不太敏感，而是在系统带 宽有限的情况下，这类业务总是希望用户带宽越大越好；因此，对前者可以采用 单纯的功率控制的方法，而放松对速率控制的要求，对于后者采用功率和速率联 合控制的方法。 文献【6 5 】用阶跃函数表征比特速率不变业务对系统服务质量的满意度，用以速 率为自变量的效用函数表征比特速率