（信号与信息处理专业论文）tdscdma系统中的功率控制技术研究.pdf

硕士学位论文 i 摘 要 摘 要 功率控制是蜂窝系统中的关键技术之一，在通信过程中，基站和移动台都需要 实 时 动 态 地 调 整 传 输 功 率 ， 以 提 高 系 统 性 能 和 减 少 干 扰 。 td-scdma （time-division synchronous code division multiple access，时分同步码分多址接 入）系统是由我国提出并得到国际电信联盟批准的主流标准，由于其采用了 tdd （time division dual，时分双工）方式，上下行采用相同的载频，这使得同步以 及相关的干扰成为系统的主要问题。同时由于“远近效应” ，系统容量受限于系统 内各移动台和基站间的干扰，因而需要对接收机端的接收信号强度或信噪比等指 标进行评估的基础上，适时改变发射功率来补偿无线信道中的路径损耗和衰落， 从而维持通信质量。因此如何更好地解决干扰问题是系统商用化的关键，这使得 功率控制显得尤为重要。 本论文旨在研究适合 td-scdma 系统应用的功率控制技术，简要介绍了 td-scdma 系统的发展，特点以及关键技术，同时描述了 cdma 系统功率控制 的研究背景、国内外的研究状况以及本课题的研究意义。系统的介绍功率控制的 基本理论，描述适合 td-scdma 系统特性的功率控制方法。 提出一种改进的基于 sir（signal interference ratio, 信号干扰比）测量的闭环 链路二阶分布式功率控制算法，并给出了算法的通用结构。该算法采用当前功率 和前次迭代的功率参与运算。数值仿真分析结果表明，通过对迭代参数和迭代常 数的恰当选择，该算法获取最优传输功率所需的迭代次数较少，因而缩短系统处 理时间，提高系统性能。 另外结合 td -scdma 系统所采用的多用户检测技术， 提出一种自适应功率控 制和多用户检测的联合优化的算法。经过仿真测试，该算法较基于 sir 平衡的功 率控制以及传统的 zf-ble（zero forcing block linear equalizer，迫零线性均衡） 多用户检测下的功率控制都有明显的改善，可以有效的降低系统的发射功率。由 于在 td-scdma 系统中一般采用多用户检测和智能天线相结合的方法， 简要讨论 了结合智能天线技术后对功率控制算法的影响。 关键字关键字: td-scdma；功率控制；信噪比；多用户检测；智能天线；功率控制；信噪比；多用户检测；智能天线 td-scdma 系统中的功率控制技术研究 ii abstract power control is one of the keys technologies of cellular mobile communication. in the process of communication, mobile and base station should both adjust the transmission power real-time and dynamic, in order to improve system performance and reduce the co-interferences between users. td-scdma (time-division synchronous code division multiple access) is the homemade 3g standard in china and has accepted by international telecommunication union. because of the tdd (time division dual) modes, it uses the same carrier frequency in both uplink and downlink, this makes synchronization and the relational interference has become the main problem of the system. due to the “near-far effect”, the capacity of system is limited by the interference between mobile and base station. based on the estimation of received signal strength and signal-to-interference ratio, changing transmit power to compensate the path loss and fading in wireless channel, accordingly keeping qos. how to solve the interference problem effectively is the key problem to commercialize this system, this makes power control particularly important. in this paper, power control technique that adapted to td-scdma system has been investigated. a brief introduction of the development, characteristic and key technologies of td-scdma system, and a description of the research background of power control in cdma system and the research status and research significance in this paper. a brief introduction of the basic method for power control, a description of power control techniques adapted to td-scdma system. a improved based on sir (signal interference ratio) measure closed-loop second-order distributed power control algorithm is suggested and a general form is giving at the same time. applying iterative method for power updating, this algorithm uses both current power level and previous power level to adjust transmission power. through the analyses of simulation and computational experiments that carried out, we has found that in same spreading condition, the proposed power control algorithm has faster convergence and better system capacity. an optimization of adaptive power control and multi-user detection joint algorithm is described, this used the multi-user detection technology of td-scdma system. after the analyses of simulation that carried out, a significant improvement can be found, when comparing with based on sir balance power control and 硕士学位论文 iii traditional zf-ble (zero forcing block linear equalizer) multi-user detection power control. it can effectively reduce the system transmit power. according to td-scdma system rarely uses multi-user detection alone, an analysis and discussion of the effect on the power control algorithm combining smart antenna technology. key words: td-scdma； power control； sir； multi-user detection； smart antenna td-scdma 系统中的功率控制技术研究 iv 插图索引 插图索引 图 1.1 td-scdma 系统的帧结构.4 图 2.1 功率控制算法和其他无线资源管理算法关系 .11 图 2.2 功率控制技术分类.14 图 2.3 智能天线和联合检测技术结合流程示意.21 图 3.1 上行链路分布式功率控制实现框图 .27 图 3.2 路径增益模型 .29 图 3.3 不同算法下的 sir 收敛曲线.29 图 3.5 不同算法下的标准欧氏误差的变化曲线.30 图 4.2 td-scdma 突发结构中的 midamble.34 图 4.4 mai/isi 抑制接收器 .35 图 4.5 系统发射功率比较.37 图 4.6 信道 1 条件下不同算法下的误比特率的比较 .38 图 4.7 信道 2 条件下不同算法下的误比特率的比较 .38 硕士学位论文 v 附表索引 附表索引 表 1.1 td-scdma 系统的基本参数 .5 表 1.2 各种类型的频谱利用率 .6 表 2.1 发射功率控制特性.15 湖湖 南南 大大 学学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。 对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后 果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并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。 本人授权湖南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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学 位论文。 本学位论文属于 1、保密，在_年解密后适用本授权书。 2、不保密。 （请在以上相应方框内打“”） 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 硕士学位论文 1 第 1 章 绪论 1.1 第三代移动通信系统概述 随着日渐来临的“信息社会”，图像、语音、数据结合的多媒体业务和高速率 业务将成为必不可少的服务内容，它们的业务量可能远远超过传统的语音业务的 业务量。因此针对传统的语音和低速率数据业务的第一代、第二代蜂窝移动通信 系统不仅远远不能满足未来用户对数据业务的要求，而且随着用户的数量剧增， 现有的系统也无法满足用户容量发展的要求。另外，随着高速度、大容量、多媒 体的信息传输网络的建立，陆地公共网传输的许多业务，也必将与移动通信系统 有接口。因此新一代的移动通信系统的研究和发展成为电信领域的一个热点1-5。 早在 20 世纪 90 年代初，有些地区和标准化组织就已经对的三代移动通信开 始进行研究。第三代移动通信系统最早由 itu（international telecommunications union，国际电信联盟）于 1985 年提出，当时称之为 fplmts （future public land mobile telecommunication system,未来公众陆地移动通信系统） ，后改为 imt-2000 （international mobile telecommunications-2000，国际移动电信2000） ，意指在 2000 年左右开始商用并工作在 2000mhz 频段上的国际移动通信系统。1997 年 4 月国际电信联盟向各成员国的主管部门发出通知，征求 imt-2000 无线接口候选传 输技术，并将在此基础上制定国际标准。 在经过对提交到 itu 的 rtt（radio transmission technology，无线传输技术） 的详细技术评估、研究分析和大量的协调及融合工作之后，2000 年 5 月，itu 批 准并通过了第三代移动通信系统的无线接口技术规范建议，列入规范建议的有 cdma （code division multiple access， 码分多址） 和 tdma （time division multiple address，时分多址）两大类 5 种技术，其中主流的有以下三种6： 1、 imt-2000 cdma-ds （imt-2000 直接扩频） ，即 wcdma （wideband code division multiple access 宽带码分多址移动通信系统） ：在带宽为 5mhz 的频带内 对信号进行直接扩频。主要关键技术建立在窄带 cdma 基础之上，但有了进一步 的改进。 wcdma 可以有 fdd （frequency division dual， 频分双工） 和 tdd （time division dual，时分双工）两种实现方案。 2、 imt-2000 cdma-mc （imt-2000 多载波 cdma） ，即多载波 cdma2000： 有多个 1.25mhz 的窄带直接扩频系统组成的宽带 cdma 系统。延用了 is-95 的主 要技术和基本技术思路，但也作出了一些实质性的改进。 3、 imt-2000 cdma-tdd： 包括中国提出的时分同步码分多址 （td-scdma） td-scdma 系统中的功率控制技术研究 2 和欧洲倡导的通用陆地无线接入时分双工（utra-tdd） 。 其中 td-scdma第三代移动通信系统标准作为我国提出的标准被 itu接受并 最终成为主流标准之一，使得在通信标准领域，我国首次取得了与美、日、欧等 国家和地区平起平坐的地位7。该系统综合采用了智能天线、同步 cdma、联合 检测、软件无线电等无线通信中的先进技术，解决了这些技术在应用中的各种问 题，使得系统具有较高的性能和频谱利用率。 1.2 td-scdma 系统的发展与技术特点 1.2.1 td-scdma 的发展历程 众所周知，td-scdma 是一个由中国和欧洲的公司共同推动并正在开发的一 种第三代移动通信技术，它特别适合中国市场对第三代移动通信服务的需求2。目 前，这一技术已经被国际电联（itu）正式采纳成为第三代移动通信国际标准 imt-2000 家族的一员，并且被公认为能够全面支持第三代业务的技术。这一技术 已经引起了多方的关注，同时，由于 imt-2000 中包含 td-scdma 技术，因此， 在第三代协作项目组织（3gpp）内部正在加紧进行标准融合的工作，以促进第三 代移动通信标准的发展， 这一点， 使 td-scdma 更进一步地受到国际社会的关注。 1.2.1.1 td-scdma 的产生阶段 1995年 到 1998年6月。电信科学技术研究院的一批科研人员承担了国家九五 重大科技攻关项目“基于scdma的无线本地环路系统研制”，并于1997年底完成， 获得国家科技进步一等奖。该项目的研制成功为td-scdma标准的产生奠定了基 础。1998年6月，电信科学技术研究院代表我国向ttu正式提交了td-scdma标准 草案。该标准提交后，在国际上引起了强烈反响，因为这是中国第一次提出自己 的移动通信标准。 1998 年 11 月，td-scdma 标准被 ttu 确定为 10 个第三代移动通信系统候 选标准之一。之后 td-scdma 标准与西门子公司提出的宽带 tdd 标准进行了融 合。经过多方的艰苦努力，在 2000 年 5 月伊斯坦布尔 warc 会议上，td-scdma 标准最终正式成为国际第三代移动通信系统标准之一。 1.2.1.2 td-scdma 的发展阶段 2000 年 12 月 12 日，td-scdma 技术论坛成立9。 2001 年 3 月 16 日， td-scdma 标准被 3gpp（第三代移动通信伙伴项目）接纳。2001 年 4 月 11 日， td-scdma 基站与模拟终端之间打通电话。2001 年 4 月 27 日，现场试验 td-scdma 终端样机之间打通电话。 2001 年 7 月 4 日，td-scdma 基站与模拟 终端间实现了图像传输。2001 年 10 月 3 日，td-scdma 内部试验网系统联调成 硕士学位论文 3 功。 2002 年 1 月，由 nokia、ti、lg，普天，大霸（dbtel）和 catt 六家核心 成员联合发起的凯明（commit）公司在上海成立。 2002 年 1 月 22 日，ftms 打 通第一个 moc 双向话音电话。 2002 年 2 月，内部试验网演示成功（车速 120km， 基站覆盖半径 16km） ， 证明 td-scdma 完全符合国际电联对第三代移动通信系统 的要求，不存在任何技术障碍，能够独立组网和全国覆盖。2002 年 3 月，大唐移 动通信设备有限公司挂牌成立，拉开了中国 td-scdma 技术全面产业化的序幕。 2002 年 5 月，通过 mtnet 第一阶段测试。 2002 年 10 月 23 日，信息产业部 通过【2002】479 号文件公布 td-scdma 频谱规划，为 td-scdma 标准划分了 总计 155mhz（1880-1920mhz、2010-2025mhz 及补充频段 2300-2400mhz 共计 155mhz 频率）的非对称频段。 2002 年 10 月 30 日，td-scdma 产业联盟正式成立，大唐、南方高科、华立、 华为、联想、中兴、中电、中国普天等 8 家知名通信企业作为首批成员，签署了 致力于 td-scdma 产业发展的发起人协议 。这标志着我国第一个具有自主知 识产权的国际标准 td-scdma 终于获得了产业界的整体响应， 阵营覆盖了从系统 设备到终端的完整产业链，在产业化进程上获重大突破。 2002 年 11 月，大唐移动、飞利浦半导体和三星电子签署关于成立合资公司的 合作意向书。ut 斯达康与大唐移动在北京正式签署合作协议，共同开发 td-scdma 系统设备。2003 年 3 月 19 日, 美国泰克公司加入中国 3g 标准开发。 2003 年 7 月 14 日，西门子的，td-scdma 384kbps 数据传输现场演示会在北京成 功举行。 2003 年 7 月 25 日， 北电、 大唐成立 td-scdma 联合试验室， 对 td-scdma 设备的功能和互连互通性进行测试。2004 年 2 月 12 日，西门子和华为成立 td-scdma 合资公司，生产和销售 td-scdma 无线接入网络设备。2004 年 3 月 23 日，摩托罗拉公司与大唐移动签署了谅解备忘录，合作开发和推广基于 td-scdma 标准的基带芯片组。2004 年 8 月 22 日，信息产业部在北京人民大会 堂召开了“中国芯工程”成果报告 td-scdma 核心芯片研发成果汇报会，此时我 国成功开发出全球首颗具有自主知识产权的 td-scdma 核心芯片。2004 年 10 月 12 日，天基科技举行了 td-scdma 终端基带核心芯片工程样片和手机参考设计 板设计成功的庆祝仪式。在 2005 年年初，中兴通信宣布其 td-scdma 商用系统 获得重大突破，2005 年 7 月 21 日，大唐移动通信设备有限公司宣布：由我国自主 提出的 3g 国际标准 td-scdma 的网络性能已经全面达到 3g 要求，td-scdma 已完全具备大规模独立组网能力。大唐移动同时宣布，其 td-scdma 商用版本的 首批基站即将下线。 2006 年，中国自主的 3g 国际标准 td-scdma 走过了极为关键的一年，从颁 布为行业标准到开始规模网络技术应用试验；从完成系统、终端的外场测试到进 入专业用户、 友好用户的放号； 通过这一系列的突破性进展， 我们看到 td-scdma td-scdma 系统中的功率控制技术研究 4 产业链日趋完善，国际合作日益加强，商用化基本成熟。2007 年，td-scdma 的 技术标准化工作的重点主要集中在针对 3gpp r5/r6/r7，即基于 hsdpa 多载波的 技术，和 3gpp(lte)标准的制定工作，主要是针对 ofdm 技术，未来 td-scdma lte 解决方案，将覆盖从 1mbps 到 100mbps 数据传输。 1.2.2 td-scdma 系统特点 td-scdma 是世界上第一个采用时分双工（tdd）方式和智能天线技术的公 众陆地移动通信系统，也是唯一采用同步 cdma（scdma）技术和低码片速率 （lcr）的第三代移动通信系统。 td-scdma 系统的帧结构如图 1.1，其物理信道主要有超帧、无线帧、子帧 和时隙/码四层结构。一个超帧长 720ms，由 72 个无线帧组成，每个帧长 10ms。 每个帧可分为两个子帧，帧长分别为 5ms，且该子帧由长度为 0.675s 的 7 个主时 隙和 3 个特殊时隙组成。3 个特殊时隙分别为下行导频时隙(dwpts，75s)、上行 导频时隙(uppt，125s)和保护时隙(g，75s)。在 7 个主要时隙中 ts0 总是分配给 下行链路，ts1 分配给上行链路。 ts0ts1ts2ts3ts4ts5ts6 子帧 #0子帧 #1 帧 #0帧 #1帧 #71 超帧 (720ms) g数据符号数据符号训练序列l1l1 交换点 无线帧(10ms) 子帧(5ms) 时隙(675s) dwptsg uppts 864 chips 图 1.1 td-scdma 系统的帧结构 硕士学位论文 5 td-scdma 系统的基本参数可以归纳为表 1.1 所示。 表 1.1 td-scdma 系统的基本参数 参数 值 技术特征 td-scdma 信道间隔 1.6mhz 码片速率 1.28mc/s 多址方式 fdma+tdma+cdma 双工方式 tdd 帧长 短帧长 10ms (子帧 5ms) 信道/载波 48 (对称业务) ds 与 mc 方式 单载波窄带 ds 数据调制 qpsk/8psk (2mb/s 业务) 扩频调制 qpsk 语音编码 8kb/(samr) 信道编码 卷积编码turbo 码 基站发射功率 最大 43dbm 移动台发射功率 33dbm 小区覆盖半径 0.112km 切换方式 硬切换/软切换/接力切换 上行同步 1/8chip 相干检测 上行、下行：连续的公共导频 功率控制 开环加闭环功率控制，200 次/s 多速率方案 多时隙、可变扩频和多码扩频 基站间定时 同步 相比与 wcdma 和 cdma2000 网络，td-scdma 网络是 tdd 和 cdma、 tdma 技术完美结合，有很好技术优势： 1、频谱效率高 td-scdma 系统综合采用了联合检测、智能天线和上行同步等先进技术，系 统内的多址和多径干扰得到了极大缓解，从而有效地提高了频谱利用率，进而提 高了整个系统的容量。 具体来讲，联合检测和上行同步可极大降低小区内的干扰，智能天线则可以 有效抑制小区间及小区内的干扰。另外，联合检测和智能天线对于缓解 2g 频段上 td-scdma 系统中的功率控制技术研究 6 更加明显的多径干扰也有极大作用。所以，td-scdma 系统的这一特点决定了它 将非常适合于在 3g 网络建设初期提供大容量的网络解决方案。 表 1.2 各种类型的频谱利用率 类 型 项 目 gsm is-95cdma2000wcdma td-scdma 频率复用系数 7 1 1 1 1 每载波频宽(mhz) 0.4 2.5 2.5 10 1.6 每载波同时工作信道 数 8 20 20 60 48 频谱利用率(话音) 2.8 8 8 6 30 最大数据传输速率 2.5mb/s 4mb/s 2mb/s 频谱利用率 1.0 0.4 1.25 td-scdma 系统采用时分双工模式，它的一个载波只需占用 1.6mhz 的带宽 就可以提供速率达 2mbps 的 3g 业务，对于频率分配的要求简单和灵活了许多。 在今后多家移动运营商共存的情形下，频谱资源的使用情况会相对复杂，而 td-scdma 系统大大提高了对频谱资源利用的灵活性。 中国政府为 tdd 分配了 155mhz 的工作频段，对比于 fdd 上下行共 90mhz 的对称频段，tdd 系统在频率资源方面的优势，为 tdd 系统的网络扩容和后续发 展埋下了轻松的一笔。 除中国外，世界各国 3g 频谱规划都包括 tdd 频段，日本、欧洲运营商 3g 牌照中已经包括 tdd 频段，为未来 td-scdma 进入国际市场提供了机遇。这为 td-scdma 技术的国际化应用和国际漫游，提供了必要的条件。 2、支持多载频 对 td-scdma 系统来说，其容量主要受限于码资源。td-scdma 支持多载 波，载频之间切换很容易实现。因为 td-scdma 是时分系统，手机可在控制信道 时扫描其它频率，无需任何硬件轻松实现载波间切换，并能保证很高的成功率。 另外通过多载波可以消除导频污染以及突发导频，从而降低掉话率。因为 td-scdma 系统可以将邻小区的导频安排在不同的载波上，从而降低导频污染。 而众所周知导频污染是 cdma 系统最头疼的地方。因此 td-scdma 系统在这方 面有独特优势。另外 td-scdma 系统在室内覆盖方面也有很大优势。 3、不存在呼吸效应及软切换 用户数的增加使覆盖半径收缩的现象称之为呼吸效应。cdma 系统是一个自 硕士学位论文 7 干扰系统，当用户数显著增加时，用户产生的自干扰呈指数级增加，因此呼吸效 应是一般 cdma 系统的天生缺陷。 呼吸效应的另一个表现形式是每种业务用户数的变化都会导致所有业务的覆 盖半径发生变化，这会给网络规划和网络优化带来很大的麻烦。td-scdma 是一 个集 cdma、fdma、tdma 于一身的系统，它通过低带宽 fdma 和 tdma 来 抑制系统的主要干扰，使产生呼吸效应的因素显著降低； 由于 td-scdma 在每个时隙中采用 cdma 技术来提高容量，产生呼吸效应 的唯一原因是单时隙中多个用户之间的自干扰， 由于 td-scdma 单时隙最多只能 支持 8 个 12.2k 的话音用户，用户数量少，使用户的自干扰比较少。 同时，这部分自干扰通过联合检测和智能天线技术被进一步抑制，因此 td-scdma 不再是一个干扰受限系统，而是一个码道受限系统，覆盖半径不随用 户数的增加而变化，即没有呼吸效应。 4、灵活高效承载非对称数据业务 tdd 技术的采用是 td-scdma 系统与其他两大 3g 主流标准 fdd 系统的根 本区别。td-scdma 系统子帧中上下行链路的转换点是可以灵活设置的，根据不 同承载业务分别在上下行链路上数据量的分布，上下行资源可以有从 33的对称 分配到 15的非对称分配调整。 在未来 3g 多样化的业务应用中，非对称的数据业务会占有越来越多的比例， 大部分业务的典型特征是上行链路和下行链路中的业务量不对称。fdd 系统由于 其固定的上下行频率的对称占用，在承载非对称业务时会造成对频谱资源的浪费。 而 td-scdma 系统可以通过配置切换点位置，灵活地调度系统上下行资源，使得 系统资源利用率最大化。因此 td-scdma 系统更加适合未来的 3g 非对称数据业 务和互联网业务方面。 1.2.3 td-scdma 中的几个关键技术 1.2.3.1 联合检测技术 联合检测技术是目前第三代移动通信技术中的热点，它指的是充分利用多用 户信息，同时将所有用户的信号都分离开来的一种信号分离技术。联合检测技术 能够大大降低干扰，增大容量，降低功控要求，削弱远近效应。 联合检测计算复杂度比较高，尤其是当扩频系数较大时（比如 64、128）计算 量非常庞大，因此设备实现上比较困难。这也是其它系统难以采用联合检测技术 的原因所在。 td-scdma 系统扩频系数较低（最大只有 16） ，有利于采用联合检测技术。 从实现来看，联合检测又分为单小区联合检测、多小区联合检测两种。其中单小 区联合检测指对一个小区范围内的多用户信号进行联合检测，多小区联合检测则 td-scdma 系统中的功率控制技术研究 8 是同时针对多个小区（包括本小区和若干邻小区）的信号进行检测以降低甚至消 除同频小区间的干扰。 联合检测是 td-scdma 系统不可或缺的一项关键技术。在 td-scdma 的基 站、终端设备中都采用了联合检测技术。 1.2.3.1 智能天线技术 由于 td-scdma 系统的 tdd 模式可以利用上、下行信道的互惠性，即基站 对上行信道孤寂的信道参数可以用于智能天线的下行波束赋形， 这样， 相对于 fdd 模式的系统智能天线技术比较容易实现。 td-scdma 的智能天线使用一个环形天线阵，由 8 个完全相同的天线元素均 匀地分布在一个半径为 r 的圆上所组成。智能天线的功能是由天线阵及与其相连 接的基带数字信号处理部分共同完成的。该智能天线的仰角方向辐射图形与每个 天线元相同。在方位角的方向图由基带处理器控制，可同时产生多个波束，按照 通信用户的分布，在 360的范围内任意赋形。为了消除干扰，波束赋形时还可以 在有干扰的地方设置零点， 该零点处的天线辐射电平要比最大辐射方向低约 40db。 tdscdma 使用的智能天线当 n8 时， 比无方向性的单振子天线的增益分别大 9db（对接收）和 18db（对发射）。每个振子的增益为 8db，则该天线的最大接 收增益为 17db，最大发射增益为 26db。由于基站智能天线的发射增益要比接收增 益大得多，对于传输非对称的 ip 等数据、下载较大业务信息是非常适合的。 1.3 本文研究背景和国内外研究现状 随着人们对无线个人通信的的要求与日俱增，高用户量、高数据传输量和多 业务并存给未来无线网络带来的很多挑战。解决这一问题需要合理的资源管理技 术。第三代移动通信系统的无线资源管理技术是提高系统容量和系统稳定性的根 本技术， 这其中功率控制是所有关键技术的核心， 高效的功率控制是高容量 cdma 系统设计的保障。 在 cdma 系统中，由于所有用户均使用相同频段的无线信道和相同的时隙， 用户间仅靠地址扩频码的不同，即靠他们之间相关特性加以区分，因此若用户间 的互相关为零，则用户间就会存在多址干扰。同时在上行链路中，如果保持小区 内所有移动台的发射功率相同，由于小区内移动台的随机移动，使得移动台和基 站间的距离是不同的，其到达基站的信号强度是不同的，通常情况下离基站越远 强度越小，这时离基站远的用户就会受到离基站近的用户的强烈干扰，这就是所 谓的远近效应。在下行链路中，当移动台位于相邻小区的交界处时，收到所属基 站的有用信号功率很低，同时还会受到相邻小区基站较强的干扰，出现角效应。 除此之外，电波传播中由于大型建筑物的阻挡，形成阴影效应产生慢衰落。这些 硕士学位论文 9 现象都将会导致系统容量的下降和实际通信服务范围的缩小。解决这些问题最有 效的方法就是采用功率控制技术。 通过功率控制， 一方面可以使每个用户满足 qos 的要求，另一方面能够最小化每一用户的发射功率，降低干扰，从而最大化系统 的容量和最优化系统的性能，同是可以使功率消耗最小，延长电池寿命。 长久以来，功率控制技术的研究与应用得到了广泛的重视，从集中试功率控 制到分布式功率控制，从等功率控制到基于业务质量的功率控制，穿插运用其中 的算法还有分为统一门限和自适应门限算法，单比特定步长功率控制到多比特变 步长功率控制等算法，目的都在于实现通信质量的最佳化和系统容量的最大化。 针对 td-scdma 系统，随着多用户检测技术和智能天线技术的引入，功率控制算 法将产生新的形式，并且之前的很多算法也没有阐述相应的功率控制平衡和收敛 方程由于上行链路采用了多用户检测技术，上下行同时使用智能天线技术而有所 不同。 目前关于功率控制方面的研究已相当广泛，对于闭环链路，国内外功率控制 的研究热点和难点主要集中在如何调整移动台的发射功率，使通信链路在达到要 求的信干比时最小化发射机功率，其中基于信干比测量的功率控制算法由于可以 达到比较好的系统性能而被广泛采用。文献12研究了用于窄带 cdma 系统的功 率控制方案，但是由于集中式需要知道系统所有链路的信道增益，需要处理大量 数据，这导致一系列实现上的困难。因此大部分研究开始偏向于分布式功率控制 方案13-19。这是目前研究最多的一种功率控制方法，系统各个用户内可以根据分 布式算法调整自己的发射功率来达到信干比的平衡。为更进一步的优化功率控制 算法，有别与以往仅采用当前功率作为归一迭代变量更新移动台传输功率的一阶 功率控制算法，文献20，21提出了二阶功率控制算法，该算法采用当前功率和前 次迭代的功率参与运算，从而达到对移动台功率的更新。一个好的功率控制算法 应该达到较好的收敛速度， 文献22二阶功率控制的仿真分析结果表明其拥有优于 一阶功率控制的收敛速度。随后亦有不少针对自适应步长功率控制的研究，以便 快速处理系统中诸如瑞利或莱斯等快衰落23-28。 文献29对无线资源管理中的功率 控制技术进行了细致的分析，此后亦有不少改进的针对 sir 测量处理的功率控制 方案30-35。 随着多用户检测和智能天线等关键技术的引入36 ，37，功率控制发生了新的变 化。由于功率控制是在发射端进行的，而多用户检测是在接收端进行的，因此可 对发射端和接收端进行联合优化。文献38-41采用博弈论的观点，将闭环功率控 制的过程看成是一个非协调的博弈过程。在无线通信系统中，采用博弈论的方式 后，效度函数是信干比的函数，而代价函数是用户发射功率的函数。文献42分细 讨论了几种多用户检测器及其性能。多用户检测技术和联合功率控制的基本研究 问题就是在系统内的各用户的 qos 要求即对应的目标 sir 值确定的情况下，在每 td-scdma 系统中的功率控制技术研究 10 次自适应迭代得得过程中寻找最优得符合条件的多用户检测器的滤波系数向量。 然后运用上一步的最优滤波器系数向量优化更新用户的发射功率，以使每个用户 在施加给别人的干扰功率最小， 即系统的总发射功率最低的前提下， 满足各自 qos 要求51-56。文献58-62分析了智能天线技术与功率控制结合的问题。 1.4 本文的贡献和创新点 本文主要研究了 td-scdma 系统中的功率控制问题，同时特别针对 td-scdma 系统的关键技术特点，通过查阅大量的文献资料和分析思考以及仿真 验证，取得了以下成绩: 1、研究了基于 sir（signal interference ratio, 信号干扰比）测量的归一化功 率控制， 提出了 td-scdma 系统中的闭环链路的一种改进的二阶分布式功率控制 算法。 2、分析考虑多用户检测技术的引入对闭环功率控制的影响，提出一种自适应 功率控制和多用户检测的联合优化的算法。 3、研究 td-scdma 系统中的智能天线技术对功率控制的影响，修改功率控 制算法的平衡方程式。 1.5 章节安排 本文主要讨论研究 td-scdma 的功率控制问题，章节安排如下： 第一章 简要介绍 td-scdma 系统，阐明本论文的研究背景和意义。 第二章 首先说明什么是功率控制，功率控制的目的和重要性以及功率控制的 分类，最后简要介绍了 td-scdma 系统中的功率控制。 第三章 建立了 td-scdma 系统中闭环功率控制模型， 进而提出一种基于 sir 测量的二阶快速收敛分布式闭环功率控制算法。 第四章 提出 td-scdma 中一种自适应功率控制和多用户检测的联合优化的 算法。并结合智能天线技术，分析讨论了该技术对功率控制算法的影响。 最后对全文进行总结，并对未来的研究工作进行展望。 硕士学位论文 11 第 2 章 移动通信系统中功率控制机制 2.1 功率控制简介 功率控制是蜂窝系统中最重要的要求之一，它是在对接收机端的接受信号的 强度和信噪比等指标进行评估的基础上，实时改变发射功率来补偿无线信道中的 路径损耗和衰落，从而既维持了通信质量，又不会对同一无线资源中其他用户产 生额外干扰。另外，功率控制使得发射机功率减小，从而延长电池使用时间。 下面我们简单介绍功率控制算法在 cdma 系统中起到的重要作用，首先它确 定了初始接入用户公共控制信道和专用业务信道的初始发射功率，也确定了在通 信过程中的链路质量，快速闭环功率控制和外环功率控制算法尽可能补偿快衰和 慢衰对系统信道的影响。功率控制算法和其他无线资源管理模块的关系如图 2.1 所示，它将直接影响接入控制和物理层测量。 接入控制 *在随机接入状态确定初始发射功率 *在初始接入状态确定初始发射功率 功率控制 *专用信道外环功控 *专用信道开环功控 *专用信道快速闭环功控 *公共控制信道开环功控 *分组数据传输时的功控 （可选） 物理层测量 *链路质量与干扰信息 *业务属性 *通信状态 *根据功率控制更新链路信息 快速dca *提供不同时隙下资源分 配信息 资源 分配 信息 目标sir 上 下 行 初 始 发 射 功 率 资源分配信息 链路信息& 测量信息 发射功率信息 图 2.1 功率控制算法和其他无线资源管理算法关系 针对 3g 系统，由于需要支持各种分组数据业务的传输，因此要对移动终端的 功率进行控制使其保证用户的 qos（quality of service, 服务质量）要求且不增加 对其它用户的干扰。 2.2 功率控制准则 2.2.1 功率平衡准则 基本原理：功率平衡是指在接收端收到的有用信号功率相等。 对于上行链路，功率平衡的目标是使各个移动台到达基站的信号功率相等； td-scdma 系统中的功率控制技术研究 12 对于下行链路，则是各个移动台到达基站的信号功率相等36。 2.2.2 sir 平衡准则 基本原理：sir 平衡是指接收到的信号干扰比相等。 对于上行链路，sir 平衡的目标是使基站接收到的各个移动台的信号干扰比 相等。对于下行链路，sir 平衡的目标是使各个移动台接收到的基站信号的信号干 扰比相等。 在单小区蜂窝系统中的上行链路， 当各个移动台到达基站的信号功率相等时， 所对应的信号干扰比相等。因此在单小区系统中，上行链路功率平衡准则是与 sir 平衡准则等效的。但在单小区蜂窝系统的下行链路以及多小区蜂窝系统中，功率 平衡准则与 sir 平衡准则是不等效的。 2.2.3 功率平衡和 sir 平衡混合体制 功率平衡准则和 sir 平衡准则各有优缺点：功率平衡准则的功率控制方法易 于实现，但性能不如基于 sir 平衡准则的功率控制。sir 平衡准则也有局限性， 比如在上行链路中， sir 平衡准则功率控制可能导致正反馈， 而使系统失