（电路与系统专业论文）现代移动通信系统中功率控制和速率控制的研究.pdf

摘要 近些年来，随着移动通信、数据通信和i n t e r a c t 网络的飞速发展与日益融合， 移动用户不仅要求提供高质量的话音业务，而且要求提供可以和桌上电脑相比拟 宽带多媒体业务。因而以话音业务为主的第二代移动通信系统已远远不能满足人 们对信息交流的需要，以c d m a 为主流技术、能提供宽带多媒体业务并可与 i n t e m e t 互连的现代移动通信系统应运而生。 在现代移动通信系统中，不同的业务有不同的q o s ( 如时延、吞吐量和误比 特率等) 要求和不同的传输速率。这意味着系统需要提供更多的无线资源并且对 无线资源要有更复杂的控制机制。但是移动通信系统中的无线资源( 如频谱、功 率、速率、时隙和码字等) 却很稀缺，因此无线资源的控制与优化问题就成为该 系统中的一项重要的研究课题。 本文从优化现代移动通信系统中的无线资源出发，着重研究了该系统中两种 重要的资源：功率资源和速率资源。本文的主要创新工作和贡献如下： 提出了一种基于遗传算法的功率控制方法。针对移动通信系统中基于固 定迭代的分布式功率控制算法的收敛速度问题，将遗传算法引入到功率 控制问题的研究中。充分利用遗传算法强有力的全局搜索和优化能力， 提出了一种基于遗传算法的功率控制方法。仿真结果表明该方法大大提 高了功率控制问题的收敛速度和计算速度。 提出了一种适合3 g - 1 xe v d o 系统反向链路数据传输的改进的速率控 制算法。针对反向链路抑制业务过载的困难，通过对该系统反向链路原 有速率控制算法的研究，提出了一种适合该系统反向链路数据传输的改 进的速率控制算法，将该算法模拟成一个一阶m a r k o v 过程，对算法进 行了详细的理论分析。仿真结果表明：改进的速率控制算法可以大大降 低系统的过载概率，有效地抑制业务过载。同时，算法也能使系统维持 一个合理的吞吐量。 提出了一种适合3 g - 1 xe v d o 系统前向链路数据传输的自适应的速率 控制算法。研究了3 g - i xe v d o 系统前向链路的数据传输和速率控制， 针对基于门限的固定余量速率控制方法和最优速率控制方法的缺点，提 出了一种适合该系统前向链路数据传输的自适应速率控制算法。仿真结 果表明：在时变信道环境下，自适应算法的吞吐量性能优于基于门限的 西北工业大学博士学位论文 鬻定余耋算法，焉接近子最优速率控联方法 掇出了一种基予博弈论的分布式联合功攀和速率控制掉法。研究了多媒 体多速率系统中的联合功率和速率控制问题，将效用的概念和博弈论方 法弓| 入婺该系统联会臻率秘速率控剿戆题瓣磅究孛，糖出了一秘逶会多 速率c d m a 黎统上行链路的分布式的联合功率和速率控制算法。该算 i 搬将系统中移动用户的资源利用问题看成为一个非合作式博弈问题，用 户孵目标是馊能皇己的收焱最大。应用k u l m - t u c k e r 必瑟条彳牛讨论了该 分布式功率帮速率控制算法簿戆褥毪，论涯7 舍律劝率速率羟涮辨穿 巾纳什均衡的存在性和唯一性以及算法的收敛性。模拟结果表明所提出 的联合功率和速率控制算法性能优于固寇速率的功率控制算法的性能 髭爨了一耪基等逡簧算法的联会功率蟊速搴控轰l 算法。跌最夸纯系统鳃 功率消耗和中断概率的角度豳发，进一莎将遗传算法成用到联合功率和 谴率控制问题的研究中，提出了一种基予遗传算法的联合功率和速率控 制算法。算法簧求所有移动用户应根据他们的位置、q o s 和密度协诱他 稍戆发菇功率秘筵输速率。模撅结采表弱；该算法胃虢大丈节省系统静 助率资源，减小用户的功率消耗，同时使系统的容羹和信息吞吐赣维持 搬一个较大值上。 关键谖；码分多皱，砖率控制，辉弈论， 遗传算法，速率控制，移动通信蓉绕 a b s t r a c t 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 er a p i dd e v e l o p m e n ta n dm e s h w o r ki n t e g r a t i o no f t h em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s d a t ac o m m u n i c a t i o na n di n t e r a c tn e t w o r k s ，t h e m o b i l eu s e sn o to n l yn e e dt h eh i g h q u a l i t yb a s i cv o i c es e r v i c e ，b u ta l s oe x p e c t 、析d c b a n dm u l t i m e d i as e r v i c e sw h i c hc a nb er e a l i z e db yt h e i rw o r k i n gc o m p u t e r s 1 1 地r e f o r e ，t h e2 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y a e m s ，w h i c hm a i n l yo f f e r sv o i c es e r v i c e , l a g g e df a rb e h i n dt h ec u r r e n tp e o p l e se x p e c t a t i o no fh a n d l i n gm o r ei n f o r m a t i o na n d m e s s a g e s a n da tt h i st i m e m o d e r nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sw h i c hm a y p r o v i d ew i d e - b a n dm u l t i m e d i as e r v i c e sa n d c a nb el i n k e di n t oi n t e r n e tn e t w o r k sc e m e i n t ot h es t a g e d i f f e r e n ts e r v i c e s i nm o d e r nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t c m sn e e dd i f f c r a n t t r a n s m i s s i o nr a t e sa n dh a v ed i f f e r e n tq o sr e q u i r e m e n t s ，s u c ha st i m ed e l a y , t h r o u g h p u t , b i te l x o rr a t ea n ds oo n ，w h i c hm e 龇l l st h a tt h es y g e m ss h o u l dh a v em o r e w i r e l e s sr e s o u f c 宅st og or o u n da n dm o r ec o m p l i c a t e dm e c h a n i s mt od e a lw i t ht h e m h o w e v e r , t h ew i r e l e s sr e s o u r c e s ( 1 i k e r a d i o f r e q u e n c y , t r a n s m i s s i o np o w e r , t r a n s m i s s i o nr a t e ，t i m es l o t sa n ds p r e a d i n gc o d e ) i nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r er e a l l y s c a r c e a n dt h u st h ec e n t r o la n do p t i m i z a t i o no ft h ew i r e l e s sr e s o u r c e sb e c o m eo n eo f t h ei m p o r t a n ti s s u e si nt h er e s e a r c ho f t h em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s a c c o r d i n gt ot h en e e d so ft h eo p t i m i z a t i o no ft h ew i r e l e s sr e s o u r c e si nt h e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，t h i st h e s i sm a i n l ys t u d i e st w oi m p o r t a n ti s s u c so fr a d i o c o n t r o lp r o b l e m ：t h ep o w e rc o n t r o la n dr a t ec o n t r 0 1 1 1 l em a i ni n n o v a t i v ew o r ka n d c o n t d b u t i o n si nt h et h e s i s 眦a sf o l l o w s ： an e wp o w e rc o n t r o lm e t h o db a s e do nt h eg e n e t i ca l g o r i t h mi sp r o p o s e d c o m p a r i n gw i t ht h et r a d i t i o n a li t e r a t i v ep o w e rc o n t r o la l g o r i t h m s ，t h en e wp o w e r c o n t r o la l g o r i t h mf u l l yt a k e sa d v a n t a g eo ft h eo v e r a l ls e a r c ha n do p t i m i z a t i o n a b n 畸o ft h eg e n e t i ca l g o r i t h mw h e ni tw a sa p p l i e dt ot h es t u d yo ft h ep o w e r c o n t r o li s s u e si nt h em o d e mm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s 1 1 l es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h en e wa l g o r i t h mm a yc o n s i d e r a b l ys p e e du pt h ec o n v e r g ea n d c a l c u l a t i o ni nr e s o l v i n gt h ep o w e rc o n t r o li s s u e s a n i m p r o v e dr a t ec o n t r o la l g o d t h ms u i t a b l ef o rt h er c v e s el i n kd a t at r a n s m i s s i o n o f3 g 1 xe v d os y s t e mi sp r e s e n t e d t od e a lw i t ht h ep r o b l e mt h a ti t sd i f f i c u l t f o r t h er e v e r s ei i n kt r a n s m i s s i o nt oe f f e c t i v e l yr e s t r a i nt h et r a f f i co v e r l o a d ，t h e t h e s i ss u g g e s t sa l li m p r o v e dr a t ec o n t r o la l g o r i t h mf o rt h er e v e r s el i n kd a t a t r a n s m i s s i o nb ys t u d y i gt h eo r i g i n a lr a t ec o n t r o la l g o r i t h m , s i m u l a t e st h i s m 西北工蛾丈学博士学位论定 i i i i i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ l - _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ - - _ _ a l g o r i t h ma sa m a r k o vp r o c e s s ，a n da n a l y z e st h ea l g o r i t h mt h e o r e t i c a l l yi nd e t a i l t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p r o v e da l g o r i t h mm a yl a r g e l yr e d u c et h e o v e r l o a dp r o b a b i l i t yo ft h es y s t e m ，a n dt h u sm a ye f f e c t i v e l yr e s t r a i nt h et r a f f i c o v e r l o a d 。a tt h es a m et i m e , t h ea l g o r i t h mm a ya l s oa l l o w 髓s y s t e mt ok e e pa r e a s o n a b l et h r o u g h p u t a na d a p t i v er a t ec o n t r o la l g o r i t h mf o rt h ef o r w a r di i n kd a t at r a n s m i s s i o no ft h e 3 g 1 xe v d os y s t e m si sp r o p o s e d 。b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h ef o r w a r dl i n k d a t at r a n s m i s s i o na n dr a t ec o n t r o l 。t h e a d a p t i v e r a t ea l g o r i t h ma i m s 撼 o v e r c o m i n gt h ed e f e c t so ft h ef i x e dm a r g i nr a t ec o n t r o lm e t h o db a s e do nt h e t h r e s h o l d sa n dt h eo p t i m u mr a t ec o n t r o la l g o r i t h m t 1 l es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a t , i nt h ec h a n n e l - c h a n g i n ge n v i r o n m e n t ，t h et h r o u g h p u to ft h ea d a p t i v e a l g o r i t h mc o m e sc l o s et ot h a to ft h eo p t i m u ma l g o r i t h ma n di ss u 筘i o rt ot h e m e t h o do f t h ef i x e dm a r g i nr a t ec o n t r 0 1 a j o i n tp o w e ra n dr a t ec o n t r o la l g o r i t h mb a s e do nt h eg a m et h e o r yi sp r o p o s e d b ys t u d y i n gt h ej o i n tp o w e ra n dr a t ec o u t r o li s s u e s i nt h em u l t i m e d i aa n d m u l t i m t es y s t e m s , t h et h e s i sa p p l i e st h em i l i t yc o n c e p t sa n dg a m et h e o r ym e t h o d 1 0t h es t u d yo ft h es y s t e ma n dp r e s e n t sad i s t r i b u t i v ej o i n tp o w e ra n dr a t ec o n t r o l a l g o r i t h mw h i c hi ss u i t a b l ef o rt h eu p l i n ki nt h em u l t i - r a t ec d as y s t e m s i nt h e n e wa l g o r i t h m ，t h er e s o a r c cd i s t r i b u t i o n so ft h em o b i l eu s e r si st ob et r e a t e da sa n o n - c o o p e r a t i v eg a m ei s s u e , i nw h i c ht h et a r g e to ft h eu s e r si st og e tt h eb e s t b e n e f i t 啊1 et h e s i su s e st h ek d mt u c k e rn e c e s s a r yc o n d i t i o nt 0d i s c u s st h e c h a r a c t e r i s t i c so f t h es o l u t i o no f t h ed i s t r i b u t i v ep o w e ra n dr a t ec o n t r o la l g o r i t h m ， a n dp r o v e st h ee x i s t e n c ea n du n i q u e n e s so ft h en a s he q u i l i b r i u m ，a n dt h e c o n v e r g e n c eo ft h ea l g o r i t h m 。弱辩s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e d a l g o r i t h mi ss u p e r i o rt ot h ef i x e dr a t ep o w e rc o n t r o la l g o r i t h m a j o i u tp o w e ra n dr a t ec o n t r o la l g o r i t h mb a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h mi sp r o p o s e d 1 1 地g o a lo ft h ea l g o r i t h mi s t om i n i m i z et h ep o w e rc o n s u m p t i o na n do u t a g e p r o b a b i l i t yo ft h es y s t e m s 。i tr e q u e s t st h a tt h em o b i l ea s e r s t r a n s m i s s i o np o w e r a n dr a t es h o u l db ec o o r d i n a t e da n da s s i g n e da c c o r d i n gt ot h eu s e r s l o c a t i o n s ， q o sa n dd e n s i t y 1 1 l cs i m u l a 戚o n r e s u l t ss h o wt h a tt h i s a l g o r i t h mm a y t r e m e n d o u s l ys a v es y s t e mp o w e ra n dc u td o w nt h eu s e r s p o w e rc o n s u m p t i o n , a n d ，a tt h es a m et h t l e , c a nm a k et h es y s t e m sm a m t a i nt h e i rc a p a c i t ya n d i n f o r m a t i o nt h r o u g h p u to n ah i g h e rl e v e l 。 k e yw o r d s ：c d m a ，p o w e rc o n t r o l ，g a m et h e o r y , g e n e t i ca l g o r i t h m , r a t ec o n t r o l ，m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s , i v 第一章绪论 i i 移动通信系统豹发展历程 移动透信是指遴傣双方或至少其中一方在运动中遴行信患传递和交换的遥 信方式h l 。包菇移动律( 车辆、船舷、飞瓿或纾入) 秘移动体之阋豹通信，移动 体和固定点( 固定无线电台或有线用户) 之间的通信。移动通信不受时间和空间 的限制，交流信息机动炙活、迅速可靠。它被认为是实现通信理想目标一个人通 绩熬重要簪羧。在过去戆足十年垂，逶痿技本发囊了匿大悉深剡瓣变革，取褥7 举世瞩秘豹成就。特剐疑在过去的一、二十年璧，数字程控交换技术的普遍使用， 综合业务数字网的开发成功，以及对衡能网的研究探索，奠定了个人通信发展的 嚼络基础。同时，数字和射频电路制造技术得到誉断的进步，新的大规模集成电 路技术稻莛它篌霞携移动缓备徽褥爨夺巧、更霉纛豹夺鍪铯按零密霉鬟了妖怒豹 发展，在遮些新技术的推动下，移动通信技术获得了巨大的发展，特别是蜂窝小 区技术的迅速发展，将为用户彻底摆脱终端设备的束缚、实现党整的个人移幼性 提餐霹嚣豹赞输手段瓣袋入方式( 2 - s t 。 移渤通信的发展，可以追溯捌二十世纪2 噼代h , 6 1 ，这个时期主要完成通信 实验和电波传输试验工作，在短波频段上实现了小容量专用移幼通信系统，所建 立的移动邋信网主要怒以提高传输躐离为目标的火区制。其话帮质量差，自幼化 程度 蓑，一般不襞号公众蘸连接。获4 0 年鼗羁冬代，各耱移动逶售系统穗继建 立，在技沭上实现了移动电话系统和公众电话捌的连接。7 0 年代中期以后，民用 移动通信用户数量增加，业务范围扩大，频率资源和可利用频邋数之间的矛腾日 益尖锐。必了解决大嚣制孛塞瑗敕缓谱蠹乏、系绞容量，l 、黢务震量差以及频谗 幂j 用率低锌阔题，美灏璐尔实验室键出了蜂窝缀髑理论i f - s 。蜂窝组弼理论代表 一种构造移动通信网的宪全不同的方法，它为移动通信技术的发展和新一代多功 能移动通信设备的产生奠定了基础。1 9 7 9 年，美融盔芝加哥开始进行a m p s 蜂窝 系统熬试验，莠予1 9 8 3 簪正式嚣遂簸务。这一系统戆发震+ 分逡速，年增长遮舅 3 0 - 4 0 。该系统属予第一代( 1 g ) 移动通信系统，其主要特点是使用频分多 址 俄) 接入技术，模拟信号调制和解调技术。除了美国研制成功的a m p s 系 统孙，篱一代典型的移动逶信系统遥包括北欧的n m t $ 统和荚霜 戆t a c s 系绕 1 西北工业大学博士学位论义 第一代系统虽然取得了怒乎久 j 憨象静或璃，毽农其戒臻鹃麓辩氇暴露了备鼙争系 统普遍存在的一些缺硝：覆盖范围小、容量低、保密性差等等。为了克服第一代 模拟系统的不足，各豳先后研制出了各种具有现代网络特征的第二代( 2 g ) 数 字移动遵俊系统。其典蹙代表寿欧溅i l j g s m 系绕，美国懿d - a m p s 系绕，秘本熬 p d c 系统以及美国的l s - 9 5 系统等等。第二代移动透信系统鹩象要特点是采用时 分多址( t d m a ) 或码分多址( c d m a ) 接入技术，数字调制技术簿。第二代系统在 通信容量和质量、系统覆盖性和终端的移动性铸方面都有了缀大的提高。然丽， 这些系绞依然哭是铮瓣语音堑务竣谤豹，不太逸会予数攥逶翁簸务。在i n t e r a c t 、 电子商务、多媒体通信飞速发展的今天，仅仅通话己不能满慰人们对信息交流的 需要，除语音外。人们希望数据、图形、图像等各种信息都能随时获取和彼此交 流，嚣魏多媒体服务裁交褥越来越蠢必要。现农，方瑟各嚣懿移魂逶售剃选蠢 与驻务商都在为频谱赘源的短缺蔼煞费苦心；勇一方瑟，广大移动逶信用户又要 求能够进行更大范围的漫游。这一切都要求移动通信系统必然要发生另一场革 命。这一次革命的标患是全球化，数字化和个人化。为了满足2 l 世纪人们对i 噩信 豹毳求，s 年我泰期，久褒舞始臻究第三饩移动逶嫠系统 9 - 搠。 第三代( 3 g ) 移动通信系统以全世界范围内的个入通信和多媒体通倍为目 标，它燕一个支持多业务、多速率、宽频带的系统，能够满足移动性、高比特率 和可变娥务等器求。魇以世赛冬晷鄂投入7 大塞熬入力和物力避霉这方瑟黪研究 1 9 - 1 ”9 - 2 0 l ，其中最具代袤性翡是 ：玉敬溯的e t s i 和丑本豹a r i b 为主俸掇如豹 w - c d m a 方案和以美国t r 4 5 5 提出的c a n t 0 2 0 0 0 方案，以及中国掇出的 t d s c d m a 方案。这魑方案都采用了c d m a 多址接入技术。融前，第三代移动 逶覆系绫仍楚予不聚餐兖、完善：遘瑷孛。篷是荚囊惩系绫已缀投入霞霜，势嚣麓 够提供协议规定的高速数据业务，得到了市场的认可。 后三代1 2 2 - 2 3 和第四代( 4 g ) 移幼通信系统的研究正在谶行中 2 4 - 3 3 1 ，冀系统 框架已襁见端倪。第毅健移动逶信的概念可称为广带揍入和分毒鼹终。第朗代移 动通信系统筋主要特点是它可班提供眈3 g 系统燹离豹数据速率。预计在岗遽移 动环境下目标速率达到1 0 0 m b s 的速率，而在低速环境下目橱；速率达到1 g b s 1 3 4 j 在4 g 系统中，移动终端、多媒体北务和高速数搬连接将有霓大的灵活性，数字 誊颓窝数字撬簇广援终箨菝聚舍，袈缓耱具有受蹇豹窖萋亵鬟低邃霉睾或零，劳董 其覆盖范豳也将大大增加，移动用户可以在不同系统之间进行无缝的漫游。可以 预见，程市场需求的不断刺激和新技术的不断涌现下，移动通信系统将会有更加 迅猛鲍发餍。 2 第一章绪论 1 2 现代移动通信系统概述 所谓现代移动通信系统主要是指以c d m a 为主流技术、能提供宽带多媒体 业务并可与i n t e m e t 互连的新一代移动通信网络。与传统的f d m a 和t d m a 移 动通信系统相比，现代移动通信系统在容量、性能，物理层技术和网络技术等方 面都存在较大的差异。目前，新一代移动通信系统主要包括w c d m a 、c 山n a 2 0 0 0 、 t d s c d m a 等体制以及正在研究的三代后移动通信技术和第四代移动通信技 术 下面主要对现代移动通信系统中已经完成标准化工作，并且即将进行大规模 商用的第三代移动通信系统进行概要的介绍，并分析其特点。 国际电联i t u ( 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 nu n i o n ) 将第三代移动通信系 统定义为i m t - 2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s 2 0 0 0 ) 。3 g 将在实现 无缝覆盖的基于i p a t m 的无线网络上提供语音、数字、图像和多媒体业务【3 6 j 。 i m t - 2 0 0 0 计划建立一整套协议，通过蜂窝无线连接提供固定网络支持的以及移 动用户特有的范围广泛的通信服务，并且提供步行时3 8 4 k b p s 、车载移动时 1 4 4 k b p s 以及室内环境下高于2 m b p s 的数据传输速度。i m t - 2 0 0 0 的空中接1 2 1 满 足以下要求： 1 ) 业务移动性、高速性和可变性要求； 2 ) 业务高质量要求； 3 ) 业务多样性要求； 4 ) 业务灵活性要求。 尽管i m 限2 0 0 0 的初衷是建立一个统一的空中接口协议，但是事实上世界上 不同国家和地区都提出了自己的具有竞争力的协议方案。所以美国t i a e i a 只得 成立两个专门的工作组3 g p p 和3 g p p 2 分别处理相关方案。其中3 g p p 处理异步 宽带c d m a ，r d m a 方案，包括欧洲提出的u m t s 、日本提出的w - c d m a 和中 国提出的t d s c d m a 方案；3 g p p 2 处理同步的宽带c d m a 方案，以美国的 c d m a 2 0 0 0 方案为主。各个协议方案的特征是： 欧洲的u m t s ( u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 标准，空中接 口标准为u t r a ，即在对称频段f d d 模式下采用可变速率的w - c d m a 体制，在非对称频段t d d 模式下采用t d c d m a 体制。u m t s 与g s m 兼容 北美的e d m a 2 0 0 0 标准由l u c e n t , m o t o r o l a , q u a l c o m m 等公司提出，己 3 西北工北犬学博士学位论文 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - - - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ l l l l l l l l l l l l u l l | ii i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i_ l 一 蠡荚嚣霹a 觏谨先窄肇i s - 9 5 夔於兖蠡壤，与i s - 9 5 a b 蔑容。撵供瓣步 c d m a 支持，采用对称颓段f d d 模式。 日本的w - c d m a 标准。由n t td o c o m o 公司提出，谈公司与爱立信合 作歼发w - c d m a 标准，此标准现基本上姆欧洲u m t s 融合，其核心网 终涤雳g s m 躜络平台，与g s m 兼容。 巾囡的t d s c d m a 标准。采用时分同步c d m a 结构。 以上方案大多数都怒由第二代戚用的现状出发，力求第三代能与第二代厢向 兼容，傻第二我憨平潺娥演迸裂第三健。这样第兰代裁可与第二代美享一部分瓷 源，并减少不必要酌予貌。并且尽羹穰用已有酶陂熟技术，不在大规模范懑污调 整参数，以加快研制开发周期 在3 g 技术体系中c d m a 方案的诸多优点，已经成为接口技术的主流方案 窝主要疆究j l 重象，其孛爨戮w c d m a 秘d m a 2 0 0 0 褫受爨了广泛弱接受帮支持， 并成为研究盼重点。与第= 代相比，3 g 具有以下特点： 1 ) 带宽大，传输速率高，能根据不同的带宽需求支持可变比特速率； 2 ) 越效戆调制秘编弱交织技术# 3 ) 吏籀自适应阵翔天线和智麓天线； 4 ) 支持业务质量控制和动态速率分配控制； 5 ) 多种干扰抑制技术的应用； 6 ) 黧瓷耩薅、逐速熬蓑囊臻攀羧锈方案； 7 ) 频谱效率高，服务质量好、成本低、保密饿好。 在第三代移动通信系统中，把不问比特速率、不同服务种攫和不同服务质量 的业务混食在一起，这就器耍有先避的无线资源管理算法来保姆服务质量秘达到 螽大的系统吞蛙量。 1 3 本论文的研究背景和意义 移动通信与其它通信方式相比，具有如下特点t l 6 l ：移动通信的电波传播环 壤十分恶劣，存在大量的反射波、拼射波和教射波，移动台处襁迅速运动中，这 鳘多经信弩稳互羝游竣囊热造痰臻涮衰落，整褥接毅场强魏髹睡霸摇整快速交 化变化速率与运动速庹和工作频率有关，信号电| 平起伏可达4 0 d b 以上。其次， 陆地上移动通信的移动窃还经常运动予建筑物和障碍物之间。局部场强中值随地 第一章绪论 形舔麓薅变动。筵终，雹渡在空溺豹镌播萁戆量也鑫随着距离瓣璜夫瑟不薮衰减， 衰减速度不仅与频率有关还与发射轨、接收机天线高度以及环境有关。以上邋些 原因造成接收机接收到的用户信号总是处于随时随地的变化之巾。而对于接收机 来说如果菜一用户售号进弱，赠其它瘸户斡强信譬会l 毫盖此嚣穰号，无法俊袈该 用户豹信蟹。另矫，辩莱系统功率豹动态范围j 蜚犬，赠会对发射机豹精度撬獭较 高的要求，缩短移动台电池的寿命，不利于小型化。这就要求我们在蜂窝移幼通 信系统中幼态的调节用户的发射功率，使得到达接收机的用户傣号保持在一定鲍 瑗率起袋之上l | 触。 对于采用c d m a 技术的现代移幼通信系统来说，功率控制有着更加重隳的 意义【7 “引。它可以有效的克服远近效应，同时抑制系统干扰，增加系统容黛。 c d m a 系统是靠携睫稳褥或正交鹃来区分信遭黪，歪交璃农努步缒请况下窀识 相互之瀚不一定能傈持藏交。同时，伪随杭码闯豹互相关也不为零，这就产艇了 信道间的干扰，称为多址干扰m 削( m u l t i p l ea 雠s si n t e r f e r e n c e ) 。此千扰是 c d m a 系统中的主要乎扰，决定了系统的容量，所以说c d m a 系统是一个自千 撬系统。絮一霜产懿多缝子撬是峦予其它稿户嚣功率窝扩鬏羁麓瓣互稳关魏决定 的。为了减少这一干扰并提高系统容蹙，可以在系统设计过程巾通过寻找爨好的 扩频码和提高系统的同步能力；还可以在保持用户通信质量的前提下尽可能豹减 少发射功攀f 7 ，a 嘲。 遂鬻，用户的照务璇i ( q o s ) 是蠢接收到豹僚币眈( s i r ) 决定豹，辩予缭定 的多址干扰，用户总能通过增加自忍发射功率来达到所需的倍平比。但这同时对 其它用户产生过高的予扰，丽其它用户为保持原韶的信于比，也会增加自己的发 龛孛珐率，获瑟霉藐导致凌搴豹疆环璞熬，蹇嚣一臻鹰户或瘊毒簇户这到它弱瓣饱 和功率值，却仍不能满髭各自的服务质量，由此造成功率的竞争和攀比现象。可 见合理有效的功率控制和分配，将会提高系统的蚀能和增加系统的容量，避兔因 功率的竞参翻攀鞋：现象造成魄系统誉稳定。 在辩变静移动信邋嬲：境下，不仪器要对发射功率进行控铡，两量需要辩数据 的传输速率进行控制 3 5 , 1 2 1 - 1 3 9 。在c d m a 系统中，为了平衡各个用户的服务质量， 系统需要保持所接收到的比特能量岛噪声的谱密度之比( e d n o ) 为某一常数。 一簸说泉，信遴条释越麓，瘊使用戆发射囊率裁戆大。然悉，涤壤遂楚在深裘落 时，有可能即使系统以最大功率发射，也达不到所要求的e d n o 值。当这种状况 的持续时间超过某一预先设定的门限时，已建立的连接就要被嘏释放，因而系统 的中断檄察裁会增加。l l 孬且，由于传输诶比特率 o 是发射功率矢量，w 是归一化链路增益矩阵 式( 2 5 ) 是一个典型的特征值问题，p 是特征矢量，l ，是特征值。根据非负 矩阵理论，如果存在非负的功率矢量p ，( 2 5 ) 式有解，而且对不可约的矩阵w ， 系统存在最大可以达到的s i r 是唯一的，为： 广= m a x y 3 p 0 ：r l r , v g ( 2 6 ) ，可由矩阵的最大实特征值得到： ，= l x ( 2 7 ) 通过上面的讨论，可以看到，在忽略接收端噪声时，蜂窝通信系统中基于 s i r 平衡的功率控制问题可以归结为求归一化链路增益矩阵w 的最大特征值问 题，当系统中所有通信链路的s i r 相同时，系统才能达到最大可能达到的s i r 值 ，相应于厂( 1 的发射功率矢量记为p 2 1 4 集中式功率控制和分布式功率控制 2 1 4 1 集中式功率控制 功率控制算法( p c a ) 就是利用某些测量信息来决定满足( 2 5 ) 式的发射功率 矢量p 。如果在求解发射功率矢量p 时需要知道链路增益矩阵w 的全部信息，则 该功率控制算法就称为集中式功率控制算法 4 2 1 ，可以表示成如下的一般形式； p = t 。( w ) ( 2 8 ) 在式( 2 8 ) 中，甲，是抽象函数，它的具体形式与所使用的算法有关。很明显， 发射功率控制问题直接与接收端测量得到的信干比r ，有关。由于r 。是一个随机 变量，所以可用它的分布来测试功率控制算法的性能。假设移动通信系统所需的 门限s i r 为托，则可定义系统的中断概率如下： 只。= f ( 托) = p ， r i 0 式( 2 1 1 ) 0 e ，i 表示的是第f 个用户，n 表示时刻。该算法可以任意的正的功 率矢量作为初始向量，并以概率1 使系统达到s i r 平衡，即： l i mp ( 帕= p ，l i m f ，= ，+ 。要特别小心参数卢的选择，否则系统将不稳定。理想 _ 坤 - 日 情况下，可这样选择：芦= 时；1 p 。但该算法的收敛速度依赖于链路增益矩 阵的最大特征值与其余特征值的差值。如果差值很小，收敛速度将会很慢。为了 改善收敛性，s u d h e e r a c j r a b d h i 6 1 1 等人在此基础上，提出了在高门限s i r 时，比 ( 2 1 1 ) 式的算法收敛得快得多的分布式功率控制算法： 矿i ) - 祟，删 ( 2 1 2 ) - j 1 6 第二章功率和速率控制技术概述 在2 1 2 ) 式孛，霹螃楚第1 1 嚣捌瓣溺户i 静发射葵率，矽憝翱痰藜售獠魄， 一：1 m 糕 一町 。 上面辑秘分布式功搴控制算法，在每一步叠代以确定下一步的发射功率矢量 髓獒话舞燕独立熬，毽爨要使弱一个 秘一耽懿遂糕，并要求歪确逡耩努一纯羰子， 否则算法不收敛。要正确地进行归化因子的选择，那么就要脊全局的通倍，所 以可以说上面两种分布溅算法并不怒完全分布的。t s e m h u e il e e 和3 e n - c h e n g 秘7 舛嚣入提出了秘举震要翔一倦过程戆全分露式凌率控割雾法： 轳；m i n ( 竹) , y i ，o y 。，一：l ( 2 1 3 ) i ； 在上霹瓣全分布式算法孛只存一令参数t ，必要r 确定，壤不需要信息的交 换，y 斗* 对应予没有功率控翻。翔莱r = 夏蕊，那么可获褥最优解。 分布溅算法是为了克服集中式算法不能实用化而发展起来的，但与集中翻= 算 法相比。不可避免的带来性能损失，分布式功率控制算法的目的是最大化系统魄 毪笺，熬莱些参数撩入鬟算法孛嚣健簿法浚敛霉鬻侠，孛蘸橇攀簿低。 2 2 速率控制技术概述 在现代移动通信系统中，一个鬟蘩的问题就是要能够支持语音、数据和图像 等多媒体渡务。具体说朱。就是要能支持一个较宽范围内的数据速率和不同质量 的业务。疆蔫，第三代移动透信系绫要求毖支持扶建k b p s 到5 m b p s 的信怠传辕 速率，镤弼率要求瓢l 萨到l 矿甚黧更高。在多速率宽带c d m a 系统孛，备个 用户的数据速率不同，撼至同一用户的数据速率也会随时间而改变，从而使得速 率控制成为多速率多媒体移动通信系统中的又一个重要的闯m 帏5 0 , 6 2 - 6 4 1 。 在d s - c d m a 系统中，交速攀转辕魏方法蠢缀多静1 6 2 制l 。整实器应鼷巾， 我们常采用多码( m u l t i c o d e ) 传输方法、正交可变扩频增蕊( 0 i v s f ) 传输方 法、可变调制方式传输方法和可变c h i p 速率传输方法等几种方法。下面分别对 上述几种变速率传输方法进行概要懿分绥，并分橱它 f 】在加性舞骺自噪声傣遂下 鼢链麓。 1 多码传输方法( m c , c d m a ) 多秘传输方式又稼为多售遴籍羧方式其萋本悬怒是：将皎褰速枣( 逮搴必 1 7 西t t , - r 业大学博士学位论文 m r 6 ) 用户的输入数据流先串并变换到m 个较低速率( 速率为r 6 ) 的数据支流， 然后每个分支用一个恒处理增益的正交码扩频，最后再将各个支流的数据相加而 实现变速率传输的方法其示意图如图2 1 所示 串并 拦扣彩 转换 ( s p ) 圈2 - 1m c - c d m a 系统中高速率用户的数据传输方式 在图2 1 中，高速率用户的输入数据流d ( t ) 经串并转换后的m 个数据支流 b l ( t ) 恕( t ) ，b m ( t )