（电路与系统专业论文）宽带无线城域网实时通信系统中功率控制技术的研究与实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 近年来，随着i n t e r n e t 的进一步普及，网络服务已经深入到大众生活的方方面 面，网络已经成为人们日常生活中不可缺少的一部分，网络i p 化，无线化也是现 在网络发展的必然趋势。互联网工程任务组( i e t f ) 在无线领域针对不同的市场需求 和应用模式制定了不同的标准，包括应用于无线个人网( w p a n ) 的i e e e 8 0 2 1 5 标 准，应用于无线局域网的( w l a n ) i e e e8 0 2 1 1 标准，以及i e e e8 0 2 1 6 无线城域 网标准( w m a n ) 等等。无线城域网( i e e e8 0 2 1 6 ) 标准一经提出，就因为其高 带宽，低投入等优点成为当前热点研究的无线网络技术。 在无线城域网通信系统中，采用功率控制技术可以降低o f d m 无线系统的同 频道干扰，从而增加系统容量。本论文对无线城域网通信系统中的功率控制问题 进行了深入研究，完成的主要工作和创新可概括如下： 首先，本文简要介绍了功率控制技术的发展状况，并对几种经典的功率控制 算法进行了系统的归纳总结，得出了这些功率控制算法各自的优缺点。然后，对 i e e e 8 0 21 6 协议中提出的功率控制算法作了详细的介绍和理论分析，分析了该算 法中所存在的缺点，将此作为后续研究和待解决的重点问题。同时，对本文的无 线城域网实验平台所采用的软硬件系统分别作了较为详细地介绍。 其次，针对本人研究工作的重点，对无线城域网实时通信系统中的功率控制 技术的实现提出了上行丌环功率控制、上行闭环功率控制、上行开环闭环联合攻 率控制和上行厂f 彳亍结合的功率控制这四种可选方案，并对这几种方案进行了分析 比较，得出一种相对优化的实现方案。将该方案在l i n u xo s 下以网络驱动程序的 方式加以实现，包括基站功率控制模块和移动台功率控制模块。 最后，针对以j ：介绍的功率控制方案的实现结果，搭建了实际的实验网络平 台，对该实验网络进行了相应的参数配置，并在该硬件平台上运行了带有功率控 制模块的无线城域网基站和移动台软件系统，对其中的功率控制部分作了详细的 测试，验证了本文提出的o f d m a 的功率控制方案在无线城域网实时通信系统中 的【：r 行性和有效性。 关键词：功率控制，i e e e 8 0 2 1 6 ，o f d m 0 f d m a ，实现 a b s t r a c a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a l o n gw i t ht h ep o p u l a r i z a t i o no ft h ei n t e r a c t ，t h en e t w o r ks e r v i c e m sp e n e t r a t e di n t o e v e r ya s p e c t o fp e o p l e sl i v e sa n dt h en e t w o r kb e c o m e sa n i n d i s p e n s a b l ep a r to fp e o p l e sd a i l yl i v e s n o wt h en e t w o r ki sc o n v e r t i n gt oaw i r e l e s s a n di n t e r a c t p r o t o c o l - b a s e d ( i p - b a s e d 、n e t w o r ka n di ti st h ei n e v i t a b l ed i r e c t i o no ft h e d e v e l o p m e n t o ft h en e t w o r k t h ei n t e r n e t e n g i n e e r i n g t a s kf o r c e ( i e t f ) h a s c o n s t i t u t e dd i f f e r e n ts e t so fs t a n d a r d st os u r p o r td i f f e r e n tm a r k e tn e e d si nt h ew i r e l e s s f i e l d ，i n c l u d i n gt h es t a n d a r d so ft h ei e e e 8 0 2 15w h i c hi sa p p l i e dt o t h ew i r e l e s s p e r s o n a la r e an e t w o r k ( w p a n ) ，t h ei e e e 8 0 2 11 w h i c hi s a p p l i e dt ot h ew i r e l e s sl o c a l a r e an e t w o r k ( w l a n ) ，t h ei e e e 8 0 2 16w h i c hi s a p p l i e d t ow i r e l e s s m e t r o p o l i t a n n e t w o r k ( w m a n ) a n d s oo n a si t i s p r e s e n t e dc u r r e n t l y ，t h ew m a ns t a n d a r d ( 1 e e e 8 0 2 16 ) b e c o m e so n eo ft h eh o t t e s tw i r e l e s sn e t w o r k i n gt e c h n o l o g yb e c u a s eo fi t s b r o a db a n d w i d t h ，l o wc o s ta n do t h e rm e r i t s i no r d e rt or e d u c et h ec o - c h a n n e li n t e r f e r e n c e so ft h eo f d mw i r e l e s ss y s t e ms o t h a tw ec a ni n c r e a s et h ec a p a c i t yo ft h es y s t e m ，w ec a na d o p tp o w e rc o n t r o lt e c h n o l o g y i nt h ew m a nc o m m u n i t a t i o ns y s t e m t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yf o c u s e so nr e p o r t i n gm y r e s e a r c h e so nt h ep r o b l e ma r e ar e l a t i n gt ot h ep o w e rc o n t r o l l i n gi nt h ew m a nr e a l t i m e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h em a i nc o n t e n t so fm yr e s e a r c h e sa r eg e n e r a l i z e db e l o w ： f i r s t l y ，t h ed i s s e r t a t i o nb r i e f l yi n t r o d u c e st h ee v o l u t i o no ft h ep o w e rc o n t r o l t e c h n o l o g y b a s e do nt h e s e ，i ta n a l y s e ss e v e r a lc l a s s i c a lp o w e rc o n t r o la l g o r i t h m sa n d s u m m a r i z e st h em e r i t sa n dd e m e r i t so ft h e m a f t e rt h i s ，t h ep o w e rc o n t r o la l g o r i t h mo f i e e e 8 0 2 1 6i sa l s oi n t r o d u c e da n d a n a l y z e d t h i s d i s s e r t a t i o n p o i n t s o u ti t s s h o r t c o m i n g s ，w h i c hw i l lb et h ep r o b l e m st ob es o l v e da d d i t i o n a l l y ，i ti n t r o d u c e st h e s o f t w a r es y s t e mo ft h er e a l i z a t i o no ft h ei e e e 8 0 216 em a ca sw e l la st h eh a r d w a r e s y s t e m ，w h i c hi si m p l e m e n t e db yt h ep i c o c h i pc o m p a n y ，t os u p p o r tt h ep h yo ft h a t s p e c i f i c a t i o n s e c o n d l y ，a i m e da tt h ee m p h a s i so nt h er e s e a r c hw o r k ，t h i sd i s s e r t a t i o na l s o p r e s e n t sf o u ri m p l e m e n t i n gs c h e m e so ft h ep o w e rc o n t r o l l i n ga l g o r i t h m si nt h ew m a n c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ：t h eu p l i n ko p e nl o o pp o w e rc o n t r o ls c h e m e ，t h eu p l i n kc l o s e d a b s t r a c t l o o pp o w e rc o n t r o l ，t h eu p l i n ko p e nl o o pa n dc l o s e dl o o pc o m b i n e dp o w e rc o n t r o l s c h e m ea n dt h eu p l i n ka n dd o w n l i n kc o m b i n e dp o w e rc o n t r o ls c h e m e b a s e do nt h e c o m p a r i s o no nt h ef o u rs c h e m e s ，i to b t a i n sa no p t i m i z e ds c h e m et oi m p l e m e n tt h e p o w e rc o n t r o la l g o r i t h m si nt h ew m a nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h e nii m p l e m e n tt h e s c h e m eu n d e rl i n u xo sa sap a r to ft h en e t w o r kd r i v e rw i t ha l lt h ef u n c t i o n so ft h e p o w e rc o n t r o lm o d u l eo ft h eb a s es t a t i o na n dt h em o b i l es t m i o n f i n n a l l y ，w eb u i l dat e s tb e do fw m a nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，w h i c hi sb a s e d o nt h ei e e e 8 0 2 16 es p e c i f i c a t i o n t h ep o w e rc o n t r o la l g o r i t h mi sa p p l i e dt oi t w et e s t t h ep e r f o r m a n c eo fp o w e rc o n t r o la l g o r i t l m ao nt h et e s tb e d t h et e s t i n gr e s u l ts h o w s t h a tt h ep r o p o s e dp o w e rc o n t r o l8 c h e m ei nt h i sd i s s e r t a t i o ni sv a l i d a t e da n df e a s i b l e k e y w o r d s ：p o w e rc o n t r o l ，i e e e 8 0 2 1 6 ，o f d m o f d m a ，i m p l e m e n t 简略字表 简略字表 w i m a xw 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 i n g全球微波互联接入 m a cm u l t i m e d i aa c c e s sc o n t r o l多媒体接入控制 c i dc o n n e c t i o ni d e n t i f i e r连接标识符 b sb a s es t a t i o n 基站 s s ，m ss u b s c r i b e rs t a t i o n m o b i l es t a t i o n 用户台移动台 m i m o m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t 多输入多输出天线系统 q o sq u a l i t yo f s e r v i c e 服务质餐 a a s a d a p t i v ea n t e n n as y s t e m白适应天线系统 a r q a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t 自动重传请求 0 f d m a o r t h o g o n a lf 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 正交频分多址 丁d m ar i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 时分复用时分多址 0 f d m o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 正交频分复用 d c dd o w n l i n kc h a n n e ld e s c r i p t o r f 行信道描述 u c d u p l i n kc h a n n e ld e s c r i p t o r上行信道描述 d i u cd o w n l i n ki n t e r v a lu s a g ec o d e f 行链路时隙使j _ 1 3 码 u i u c u p l i n l d d o w n l i n ki n t e r v a lu s a g ec o d e 上行链路时隙使用码 d l m a pd o w n l i n km a d f 行链路映射 u l m a p u p l i n km a p 上行链路映射 l o s 刖l o s l i n e - o f - s i g h t n o n - l i n e - o f - s i g h t 视距月 视距 f f t f a s tf o u r i e rt r a f l s f o r m陕速傅立叶变换 i f f tl n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a f l s f o r m 反向快速傅立叶变换 f e c f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n前向纠错 c i n rc a r r i e ri n t e r f e r e n c ea n dn o i s er a t i o 载波干扰比 r s s i r e c e i v es i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t o r接收信号强度指示 a p i a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e 应j = f i 程序接口 m t p c m u l t i p l et r a n s m i s s i o np o w e rc o n t r o l 多级发射功率控制 j e t fi n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c eh 联网r 样任务组 w m a nw i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k无线城域网 v 简略字表 a a aa u t h e n t i c a “o na u t h o r i z a t i o na n da c c o u n t i n g 鉴别、授权和计费 s c a s i n g l e c a r r i e ra d a p t i v em o d u l a t i o n单载波自适应调制 f u s cf u l lu s a g eo f t h es u b c h a n n e l s 全使州子信道 p u s cp a t i a lu s a g eo f t h es u b - c h a n n e l s 部分使用子信道 a m ca d v a n c e dm o d u l a t i o nc o d i n g高级调制编码 c s c o n v e r g e n c es u b l a y e r 汇聚子层 c p sc o m m o np a r ts u b l a y e r 公共部分子层 v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：驾垫 吼砷年，月乒 关于论文使用授权的说明 本- 9 位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 繇姓导师签名：曼鲨 j 嗍习年7 日 第一章绪论 第一章绪论 最后一公罩的接入是制约通信发展的瓶颈，近1 0 年来，有线宽带接入技术， 如x d s l 、c a b l em o d e m 等技术都取得了巨大的成功，但是由于受限于缆线资源和 技术覆盖能力，全球仍有很多的用户无法享受宽带接入服务，特别是偏远郊区。 伴随着蜂窝技术、无线通信技术的发展，宽带无线接入逐渐成为用户新的选择。 目前，i e e e 8 0 2 1 6 协议，就是i e t f 为实现宽带无线接入而开发的一种协议，它作 为发展势头非常强劲的一种无线网络技术，提供最后一公里宽带无线接入的解决 方案，并可作为3 g 蜂窝通信网的补充甚至替代技术。 作为i e e e 8 0 2 1 6 协议家族中支持无线移动能力最强的i e e e 8 0 2 1 6 e 协议 2 】， 它支持四种物理层技术，分别是单载波调制模式s c 、单载波白适应调制模式s c a 、 o f d m 模式和o f d m a 模式。在宽带传输中，单载波的传输方式其码间干扰会严 重影响系统的传输性能，同时大大地提高均衡器的设计难度。o f d m 模式由于其 自身细分了带宽的特点，自动消除了一部分的码间干扰，因此在宽带传输系统中 表现优异。而o f d m a 则是在o f d m 调制模式下，对单个o f d m 频域信道进一步 细分，从而更进一步提高了信道的利用率，因此o f d m a 成为目前业界普遍看好 的8 0 2 1 6 e 在移动环境下最为合适的一种物理层实现模式。 o f d m a 作为一种多载波接入方式，可以改善频率选择性衰减信道对无线通信 系统的影响，具有很好的抗多径效应，并且还能很好的与m i m o 技术和多天线技 术配合使用。然而，o f d m a 继承了o f d m 技术固有的一个很大的缺点：就是o f d m 系统具有很高的峰均功率比( p a p r ) ，这就需要在发射端有一个动态范围很大的高 线性度的功率放大器，而要实现这样一个大动态范围、高线性度的前端功率放大 器是非常困难的，因此这就成为了无线通信系统中实现o f d m o f d m a 技术的最 主要障碍。因此，如何有效的降低o f d m o f d m a 系统的p a p r 成为当今研究的 一个热点问题。 针对这一情况，需要在i e e e 8 0 2 1 6 e 无线移动通信系统中引入上行功率控制来 降低系统的p a p r ，利用这种方法一方面可以极大的降低系统的p a p r 从而降低了 射频前端的实现复杂度；另一方面，还可以提高系统的功率利用率，节省移动台 的能量损耗，降低无线通信系统的误码率( b e r ) ，从而提高了整个系统的容量。 电子科技大学硕十学位论文 1 1 课题研究背景及现状 1 1 1w i m a x 技术研究与发展现状 i e e e 8 0 2 1 6 协议的发展主要受全球微波互联接2 , ( w i m a x ) 论坛推动。w i m a x 论坛于2 0 0 1 年6 月，由诺基亚，h a r r i s ( i n t e r s i l ) 与e n s e m b l e 发起并成立。它早期 的发展比较缓慢，但到了2 0 0 4 年，一批国际知名大型电信设备提供商和运营商纷 纷加入w i m a x 论坛，从而极大的推动了w i m a x 技术的发展和应用。 在过去近两年的时间里，新兴的w i m a x 技术已经取得显著进展。w i m a x 论 坛的会员数已经由2 0 0 4 年初的4 0 多家增长到2 0 0 6 年初的近4 0 0 家。在2 0 0 5 年 1 1 月，共有1 0 家厂商参加了w i m a x 论坛组织的第二次互操作测试( p l u g t e s t ) ，而 第一次只有4 家。全球w i m a x 的实验网已经超过1 5 0 个。这些数据反映出w i m a x 的实质进展，以及受关注程度与日俱增。 自2 0 0 5 年以来，w i m a x 在亚太地区引起了极大的关注。亚太地区大多数通 信行业管制者都对w i m a x 开了绿灯。服务提供商，尤其是竞争业务提供商，都 在把w i m a x 作为进入宽带和无线领域的一个好机会。 在国内，宽带w i m a x 的建设丁f 在逐步兴起。信息产业部将3 5 g h z f 3 4 0 0 3 4 3 0 m h z 、3 5 0 0 3 5 3 0 m h z ) 年 15 8 g h z ( 5 7 2 5 5 8 5 0 m h z ) 两个频带规划为城域 i 酬无线接入专用频段。3 5 g h z 城域网无线接入试验网已经于两年前开通，目前已 推广到国内几十个城市；5 8 g h z 城域网无线接入试验网也已进入实施阶段。同时， w i m a x 电己经从产品设计阶段开始迈向实际应用阶段，各个设备商为了争夺一席 之地纷纷提出自己的系统解决方案。 与此同时，在技术方面，i e e e 8 0 2 1 6 的标准化进程正逐步得到完善。8 0 2 1 6 d 协议【1 1 的物理层( p h y ) 采用o f d m ，而m a c 层上行链路采用t d m a 。这种 o f d m t d m a 系统由于峰均功率e l ( p a p r ) 太大，导致上行链路增益预算紧张，必 须使用十几分贝的室外天线才能满足最大覆盖范围要求。为了克服这个问题，移 动w i m a x 标准采用了更先进的正交频分多址( o f d m a ) 技术，这增加了1 0 d b 增 益，因而可以使用室内天线。为了提高吞吐量，8 0 2 1 6 e 还将采用m i m o 技术。 目前，w i m a x 作为一个重要的行业联盟，正聚集着越来越多的业内组织，包 括英国电信、法国电信、香港盈科、i n t e l 等一批有重要影响的通信运营商和通信 设备制造企业，他们为宽带无线接入设备的迅速发展和应用打下了良好的基础。 w i m a x 产业化面临的主要考验包括与3 g 的竞争、频谱划分和运营模式等。这些 第一章绪论 因素是w i m a x 能否成功的关键。 11 2w im a x 主要技术特点 i e e e8 0 21 6 系列标准对于不同频带的无线城域网接入系统空中接口进行了规 范。根据使用频带高低的不同，i e e e8 0 2 1 6 系列标准可分为应用于视距和非视距 两种，其中使用2 1 1 g h z 频带的系统应用于非视距州l o s ) 范围，而使用1 0 6 6 g h z 频带的系统应用于视距( l o s ) 范围。根据是否支持移动特性，i e e e8 0 2 1 6 系列标 准又可分为固定宽带无线接入空中接口标准和移动宽带无线接入空中接口标准， 标准系列中的8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 、8 0 2 1 6 d 属于固定无线接入空中接口标准，而8 0 2 1 6 e 属于移动宽带无线接入空中标准l ”j 。目前，i e e e 8 0 2 1 6 标准主要包括 i e e e 8 0 21 6 d 和i e e e 8 0 2 1 6 e 。下面将8 0 2 1 6 d 和8 0 2 1 6 e 的主要特征如表1 1 所示。 表1 - 1i e e e 8 0 2 1 6 d e 的主要技术特征。 技术参数 i e e e8 0 2 1 6 di e e e8 0 2 1 6 e 子载波数 2 5 6 ( o f d m )2 5 6 ( o f d m ) 2 0 4 8 ( o f d m a ) 12