（电磁场与微波技术专业论文）tdscdma系统中功率控制技术研究.pdf

中文摘要 t d s c d m a 系统是一个干扰受限系统，降低系统干扰就可以提高系统的容量，更重要 的是它是我国拥有自主知识产权的第三代移动通信系统。目前只有该系统采用了联合检测 和智能天线的结合技术来抑制系统内的干扰，并且已可以投入实际使用。功率控制技术也 是该系统中一种抑制干扰的关键技术，可以有效的克服“远近效应”和“角效应”问题。 本文通过建立t d s c d m a 的离散时空信号模型，从数学角度分析了在该系统上行链 路中联合运用联合检测、智能天线和功率控制的方法和原理，并且在此基础上，结合该系 统的特征，提出了一种基于变步长的自适应功率控制算法，同时结合实际给出了功率控制 输入参数的基带测量方法。该变步长算法利用不同的功率控制指令组对应不同步长，反映 不同的信道变化情况，与传统功率控制算法相比，更好的跟踪了信道变化，减小了误调的 可能性。为了验证算法的性能，本文利用m a t l a b 中的s 函数搭建了t d s c d m a 系统完 整的物理层链路，建立了功率控制模型，并对模型的建立原理和方法进行了描述。最后利 用模型对提出的变步长算法在多种情况下如不同信道条件、不同控制参数等进行了仿真， 仿真结果表明该算法较传统算法具有一定的优越性。 关键词：t d s c d m a ；功率控制；联合检测；智能天线；s - 函数 第1 页 a b s t r a c t t d s 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 d a n dt h e r e f o r ee f f i c i e n ti n t e r f e r e n c e m a n a g e m e n ti sn e c e s s a r yt oe n h a n c et h ec a p a c i t yo ft h es y s t e m w h a ti sm o r e i ti st h et h i r d g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi n t r o d u c e db yo u rc h i n e s e i no r d e rt os u p p r e s s i n t e r f e r e n c e t h es y s t e mi n t r o d u c e s t h ec o m b i n a t i o no fi o i n td e t e c t i o na n ds m a r ta n t e n n a p a r t i c u l a r l y a n dt h i st e c h n o l o g yh a sb e e np u ti n t op r a c t i c e b e s i d e s ，p o w e rc o n t r o ls t r a t e g yi s a l s oo n eo ft h em o s ti m p o h a n ta p p r o a c h e st or e d u c ei n t e r f e r e n c e ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l yc o m b a t t h en e a r f a rp r o b l e ma n dc o r n e rp r o b l e m i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h es p a c e - t i m ed i s c r e t em o d e lo f t d s c d m ai sg i v e na n dt h ep r i n c i p l e a n da p p r o a c hf o rc o m b i n a t i o no f j o i n td e t e c t i o n ，s m a r ta n t e n n aa n dp o w e rc o n t r o li nu p l i n ko f t d s c d m aw e r ea n a l y z e dm a t h e m a t i c a l l ym a k i n gu s eo ft h ec h a r a c t e r so ft h es y s t e m ，t h i s d i s s e r t a t i o np r e s e n t sa na d a p t i v ev a r i a b l v s t e pp o w e rc o n t r o la l g o r i t t m aa n dt h eb a s eb a n d m e a s u r e m e n ta l g o r i t h m su s e dt oe s t i m a t et h ei n p u tp a r a m e t e r so f t h ep o w e rc o n t r o lb a s e do nt h i s c o m b i n a t i o n a c c o r d i n gt ot h ea d a p t i v ea l g o r i t h m ，d i f f e r e n tt p c ( t r a n s m kp o w e rc o n t r 0 1 ) c o m m a n dc o m b i n a t i o n sc o r r e s p o n dt od i f f e r e n ts t 印s i z e s ，s ot h a tt h ep o w e rc o n t r o lc a nt r a c kt h e c h a n n e lc h a n g et i m e l y c o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n a lw a y , t h ea l g o r i t h mp r o v i d e sal o w e r p r o b a b i l i t yo ft h ew r o n ga d j u s t m e n t f u r t h e r m o r e ，t h ep o w e rc o n t r o ls i m u l a t i o nm o d e lo f t d s c d m ai sp r o p o s e dw i t ht h es - f u n c t i o ni nm a t l a b o fw h i c ht h ep r i n c i p l ea n da p p r o a c h a l ep r o v i d e di nd e t a i li nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ea l g o r i t h mi sa l s os i m u l a t e du n d e rm a n yc o n d i t i o n s ， s u c ha sd i f f e r e n tc h a n n e le n v i r o n m e n t sa n dd i f f e r e n te o n t r o lp a r a m e t e r s i na 1 1 w i t ht h e s i m u l a t i o nr e s u l t s i ti so b s e r v e dt h a tt h en e wa l g o r i t h mi sb e t t e rt h a nt h et r a d i t i o n a lo n e k e yw o r d s ：t d s c d m a ；p o w e rc o n t r o l ；j o i n td e t e c t i o n gs m a r ta n t e n n a ；s f u n c t i o n 第1 i 页 信息t 稃大学硕七学位论文 表目录 表1t d s c d m a 系统的基本参数4 表2 三种系统功率控制方案参数对比1 3 表3t d s c d m a 多径传播模型1 4 表4 两个状态与步长对应组合2 8 表5 四个状态与步长对应组合2 9 表6 变步长算法带来的增益。4 5 表7 功率控制增益4 5 第v 页 信息t 手早大学硕十学付论文 图目录 图1t d s c d m a 系统帧结构3 图2t d s c d m a 系统突发结构3 图3t d s c d m a 系统多用户叠加模型3 图4t d s c d m a 采用f d m a 、t d m a 和c d m a 技术图。1 4 图5 无线衰落信号的典型包络“1 8 图6 环形天线阵与波达方向空间。1 5 图7h 苎掌矩阵1 6 图8 系统矩阵a c 娜结构1 6 图9 t d s c d m a 系统足用户离散传播模型1 7 图1 0t d s c d m a 上行链路基站多天线的无线信道系统模型1 9 图1 1t d s c d m a 系统上行功率控制仿真流程图1 9 图1 2t d s c d m a 链路仿真用户界面2 0 图1 31 2 2 k s 上行仿真链路传输信道编码与复用结构流程图2 l 图1 41 2 2 k b p s 单用户业务映射模块内部结构2 l 图1 51 2 2 k b p s 单用户突发生成模块内部结构2 2 图1 61 2 2 k b p s 上行链路主要传输信道模块框图2 3 图1 71 2 2 k b p s 上行链路接收机模块2 3 图1 8 业务逆映射模块内部结构2 4 图1 9 传统闭环功率控制2 7 图2 0 自适应变步长功率控制2 7 图2 1 发射波束赋型系统框图3 2 图2 2t d s c d m a 系统实现示意图”3 4 图2 3 联合检测( m f b l e ) + 功率控制性能曲线“3 8 图2 4 联合检测( z f b l e ) + 功率控制性能曲线3 8 图2 5 联合检测( m f b l e ) + 智能天线+ 功率控制性能曲线4 0 图2 6 联合检测( z f b l e ) + 智能天线+ 功率控制性能曲线4 0 图2 7 固定步长s i r 收敛曲线4 l 图2 8 变步长s i r 收敛曲线4 2 图2 9 功率控制算法( m f b l e ) 性能曲线4 3 图3 0 功率控制算法( z f b l e ) 性能曲线4 3 图3 l 固定步长功率控制4 4 图3 2 变步长功率控制4 4 第v l 页 信息r 稃大学硕十学位论文 图3 3 用户数对功率控制的影响( m f b l e ) 图3 4 用户数对功率控制的影响( z f b l e ) 。- 1 - - 一4 6 1 ，r ，r - ，- ，- ，4 6 图3 5 不同信道条件下系统性能曲线( m f 。b l e ) 4 7 图3 6 不同信道条件下系统性能曲线( z f ，b l e ) 4 8 图3 7 变步长算法对比4 9 图3 8 功率控制不同速度性能对比5 0 第v i l 页 原创性声明 所提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。尽我所 知，除了文中标注和致谢的相关内容外，论文中不包含其他个人或集体已经公开的研究成 果。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。 学位论文题目：卫2 ：s 旦丛丕统虫功壅揎剑挂苤硒宜 学位论文作者签名： 袁奎蓝日期：岿胡彩年歹月砭日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权信息工程大学 司以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借 阅：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。 ( 涉密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：s 旦丛丕红虫麴室控剑垃鲞讶塞 学位论文作者签名： 盏查蓬日期：洲年石月口6 日 作者指导教师签名：耋2 匡 日期：。b ，f 年月彩日 信息丁稗大学硕十学付论文 1 1 第三代移动通信系统概述 第一章绪论 移动通信的发展，可以追溯到二十世纪二十年代。在二十世纪最后二十年里它经历了 从第一代模拟系统到第二代窄带数字系统的巨大变革。但是在二十世纪九十年代后期，移 动通信业务和移动通信用户数呈高速增长趋势，这使得第二代移动通信系统在系统容量和 业务种类上逐渐趋于饱和，未来很难满足个人通信的要求，尤其是满足不了用户对不同业 务，如会议、多媒体、数掘接入、互联网等的要求。 在这种情况下，1 9 8 5 年国际电信联盟( i i u ) 开始研究适用于全球运营的第三代移动 通信系统，当时称该系统为未来公共陆地移动通信系统( f p l m t s ) 。1 9 9 6 年，i t u 又将 f p l m t s 更名为国际移动通信系统，由于它工作于2 0 0 0 m h z 频段，其最高数掘速率可达2 0 0 0 k b p s ( 即2m b p s ) ，而且预计2 0 0 0 年左右投入商用所以也称为i m t - 2 0 0 0 。在1 9 9 7 年初，i t u 发出通函，要求各国在1 9 9 8 年6 月前，提交候选的i m t - 2 0 0 0 无线传输技术( r t t ) 方案。到 截止日期前，i t u 一共收n 1 6 个有关第三代移动通信无线接口的候选技术方案，其中有1 0 种是陆地方案，其余的为卫星方案。在接下来的一段时间里，i t u 对这些方案进行了多次 严格的评估和修改，终于在2 0 0 0 年5 月，i t u 全会通过了5 个正式的第三代移动通信系统， 它们是c d m a 2 0 0 0 、u w c 一1 3 6 、e e d c t ，w c d m a u t r a f d d 以及中国的t d s c d m a 。 但是由于u w c 1 3 6 和e e d c t 只作为区域性标准使用，因此国际通用的主流标准只有3 种： 欧洲的w c d m a 、北美的c d m a 2 0 0 0 和中国的t d s c d m a 。 第三代移动通信系统旨在建立全球性的综合性个人通信网，与第一、第二代移动通信 系统相比，具有如下的特点：( 1 ) 能够提供宽范围的业务、多速率和高速率数据业务服务 ( 位速率商达2 m b i t s ) ；( 2 ) 能够提供高质量业务服务，即长话质量的语声、位错误概率 ( b e r ) 小于l o “的数据业务；( 3 ) 拥有简单的小区结构和易于管理的信道；( 4 ) 可以在 混合小区情况下运行( 宏蜂窝、微蜂窝和微微蜂窝) ；( 5 ) 可以在不同的环境下运行( 室 内室外、商用民用和蜂窝无绳) ；( 6 ) 需要灵活的频率和无线资源的管理、系统配置和服 务措施；( 7 ) 捌有较大的用户群；( 8 ) 低功率消耗。 为了各国自己的利益，目前欧美和日本等国家都在丌发他们自己提出的第三代移动通 信标准。由于他们起步较早、技术力量雄厚，国外的一些大公司例如摩托罗拉、朗讯、爱 立信、诺基亚等已经先后歼发出了整套系统。相比之下，我囡电信科学技术研究院虽然在 1 9 9 8 年向1 1 u 正式提交了t d s c d m a 标冶：草案，但由于力量薄弱，整体处于落后状态。不 过在2 0 0 3 和2 0 0 4 年，很多国外大型企业和国内电信业巨头纷纷加入t d s c d m a 阵营，使得 t d s c d m a 产业链上的各个环节得到了很大的加强。 第1 页 信息丁稃大学硕十学伊论文 1 - 2t d s c d m a 系统简要介绍 t d s c d m a 是中国首次向i t u 提出的移动通信系统标准，并且被采纳而成为第三代移 动通信系统标准之一。从此中国在自己的通信史上实现了零的突破，这是我国移动通信界 的一次创举，也是中国对第三代移动通信发展的重要贡献。 1 2 1t d s c d m a 系统的形成及发展 1 9 9 5 年，电信科学技术研究院李世鹤博士，陈卫博士、徐广涵博士等率领一批科研人 员承担了国家九五重大科技攻关项目基于s c d m a 的无线本地环路( w l l ) 系统研制， 并于1 9 9 7 年底顺利通过国家验收。以该项目为基础，1 9 9 8 年6 月电信科学技术研究院代表 我国向i t u 正式提交t d s c d m a 标准草案。1 9 9 8 年1 1 月，t d s c d m a 标准在i t u 大会上通 过并成为i t u 的1 0 个公众陆地第三代移动通信系统候选标准之一。之后t d s c d m a 标准与 西门子公司提出的宽带t d d 标准进行了融合，多方经过在一系列国际标准会议上的艰苦努 力，2 0 0 0 年5 月在伊斯坦布尔w a r c 会议上，t d s c d m a 正式成为国际第三代移动通信系 统之一。 由于该标准获得了国家政策方面的强力支持，2 0 0 2 年1 0 月3 0 日，t d s c d m a 产业联盟 正式成立，其中包括大唐移动、南方高科等知名企业，之后又有多家知名企业加入该联盟， 使得该阵营覆盖了从系统到终端的完整产业链。在今后的几年时间中，联盟各方不断的努 力，试图把t d s c d m a 系统推向商用。直至u 2 0 0 5 年年初，中兴通信宣布其t d s c d m a 商用 系统获得重大突破，至此t d s c d m a 产业链已经形成，可见t d s c d m a 系统投入商用己为 时不远。 1 2 2t d s c d m a 系统的特点 1 t d s c d m a 系统的帧结构 如图1 所示，t d s c d m a 系统的每个射频带宽为1 6 m h z ，系统的码片速率为 1 2 8 m e h i p s ，其超帧长度为7 2 0 m s ，无线帧长度为1 0 m s ，一个子帧的长度为5 m s ，而每个 子帧又由3 个特殊时隙和7 个主时隙组成。一个时隙就是一个突发，其结构如图2 所示。而3 个特殊时隙分别为下行导频时隙( d w p t s ) 、保护时隙( g p ) 和上行导频时隙( u p p t s ) 。 在7 个主时隙中，时隙# 0 总是固定的用作下行叫隙来发射广播信息，而时隙撑l 总是固定的 用作上行时隙。其他的常规时隙可以根据需要灵活的配置成上行或者下行。图3 贝, i j 足进一 步的表示出了t d s c d m a 标准多用户的叠加情况。 第2 页 信息ir # 人7 硕十学付论文 ( 7 5 u s )( 1 2 5 u s ) 图】t d s c d m a 系统帧结构 数据域训幼j ，州 教批域 g p ( 3 5 2 e h l p ) ( 1 4 4 ( h i d ) ( 3 5 2 c h l d )l f i e m p 圈2t d s c d m a 系统突发结构 图3t d s c d m a 系统多用户叠加模型 图2 中数据域部分首先经过q i s k 调制形成数据符号，然后采用o v s f 码对数据符号进 行扩频。因此，每个主时隙可以l h o v s f i il $ ( s f = i ，2 ，4 ，8 ，1 6 ) 分为l 1 6 个码道。训练序列 则用于信道估计，该序列不进行扩频和j u 扰。同步调整( s s ) 和发射功率控制( t p c ) 命 令在训练序列后发射。 第3 页 善卅嘟磊二 堡星二翌查兰婴主堂生笙兰 表1t d s c d m a 系统的基本参数 参数说明 数据调制q p s k 8 p s k ( 2 m b s 业务) 扩频调制q p s k 语音编码 8 k b ( s a m r ) 信道编码卷积编码+ t u r b o 码 基站发射功率最大4 3 d b m 移动台发射功率 3 3 d b m 小区覆盖半径 0 1 1 2 k m 上行、下行； 相干检测 连续的公共导频 丌环加闭环功率控制， 功率控制 2 0 0 次s 多时隙、可变扩频 多速率方案 和多码扩频 基站间定时同步 3 t d s c d m a 系统采用的关键技术 删 越 a b * s * g 图4t d s c d m a 采用f d m a 、t d m a 和c d m a 技术图 ( 圈中：a b 表示每个信道的带宽，s 表示扩频因子，m 表示时分复j 1 j 因子) t d s c d m a 作为c d m a t d d 的一种，具备c d m a - t d d 的一切特点。c d m a t d d 将 f d m a 、t d m a 和c d m a 这三种技术结合使用，如图4 所示。c d m a t d d 上行和下行链路 第4 页 信息t 稃人学硕十学付论文 在同一频点、不同的日- j 隙进行双工通信。这不同于在不同频点上进行双工通信的f d d ( f d d 是在上下对称的一对频点上进行双工通信) 。c d m a t d d 的这个特点使得上、下行 链路的信道特性基本一致，从而保证了智能天线等先进技术的采用。它的时隙按上、下行 链路所需要的数掘量动态分配，适合于对称业务，尤其适合于日益增长的非对称的实时、 非实时数据业务的传输。通过这种方式分配时隙可以最大限度的利用目前极度紧张的频谱 资源。由于t d d 有着这些优点，可以预言，t d d 不仅是第三代移动通信的重要手段，还将 是第四代移动通信主要采用的方式”1 。 t d s c d m a 除了具备c d m a t d d 的所有特点外，还采用了智能天线、联合检测、软 件无线电等先进技术，保证了i d s c d m a 有其独特的特色和优点，而且该系统是世界上第 一个采用时分双工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 c d m a 技术和低码片速率的第三代移动通信系统，这些都是t d s c d m a 提案被国际电联接 受的重要原因。 智能天线技术 智能天线技术的核心是自适应天线波束赋型技术。t d s c d m a 系统的智能天线由8 个 天线单元的同心圆阵列组成，直径为2 5 c m 。其原理是使一组天线和列应的收发信机按照一 定的方式排列和激励，利用波的干涉原理产生强方向性的辐射方向图，使用d s p 方法使主 瓣自适应地指向移动台方向。通过使用该技术可达到提高信号的载于比，降低发射功率等 目的。另外智能天线的上述性能使得可以更为密集的复用频率，使频谱效率得以显著提高。 t d s c d m a 系统采用智能天线可以带束诸多优势：( 1 ) 波束赋型的结果等效于增大 了天线增益，减小了信号发射功率；( 2 ) 智能天线降低了多用户干扰问题，同时减少了小 区间干扰；( 3 ) 智能天线获取的d o a ( 波达方向估计) 提供了用户终端的方位信息，可以 用来实现用户定位；( 4 ) 智能天线采用多只小功率放大器代替大功率放大器，降低了基站 成本；( 5 ) 智能天线获得的移动用户的位置信息为实现接力切换提供了基础，从而提高了 系统容量和效率。 联合检测技术 联合检测技术是多用户检测技术的一种，该技术是综合考虑同时占用某个信道的所有 用户或某些用户，消除或减弱其他用户对任一用户的影响，并同时检测出所有用户或某些 用户的信息。该技术不再像传统的检测器那样忽略系统中其他用户的存在，而是通过挖掘 有关干扰用户信息、信号到达时间、使用的扩频序列、信号幅度等来消除多址干扰，提高 信号检测的稳定性。 从理论上讲，使用联合检测技术能在极大程度上改善系统容量。但一个比较困难的问 题是对于基站接收机的等效干扰用户，等于通话中的用户乘以可观察到的多径数。这意味 着在实际系统中等效干扰用户数将达到数百个，这样即使采用与干扰数成线性关系的联合 检侧算法仍使得其硬件实现过于复杂。如何把联合检侧算法的复杂度降低到可接受的程度 第5 页 信息1 = 稃大学硕七学位论文 是联合检侧技术能否实用的关键。 软件无线电技术 软件无线电技术就是在通用芯片上用软件实现专用芯片的功能。该技术通过软件方 式，灵活完成硬件专用a s i c 的功能，可以克服微电子技术的不足，使得系统可以通过软 件升级来增加功能，具有非常好的灵活性和可编程性，而且对环境适应性好，不会老化。 由于t d s c d m a 系统的t d d 模式和低码片速率技术的采用使得数字信号处理量大大 降低，因而该技术非常适合在t d s c d m a 系统中使用。 1 3 研究背景和国内外研究现状 电波在空| 日j 传播会产生大量的发射波，折射波和散身j 波，移动台在迅速运动中，这些 多径信号相互抵消或叠加造成瑞利衰落，导致接收场强的振幅和相位迅速变化，另外信号 能量也会随着距离的增大而不断衰减，因此距离基站近的用户相对于距离基站远的用户， 到达基站的信号功率要强，强信号用户对g b 信号用户造成很大的干扰，使弱信号用户的性 能下降，甚至不能正常工作，这就是所谓的“远近效应( n e a r - f a rp r o b l e m ) ”。在c d m a 蜂 窝移动通信系统中，由于频率重复利用，会形成蜂窝系统中小区问的干扰，位于小区边缘 处的移动台将受到较大的干扰，这就是所谓的“角效应( c o m e r p r o b l e m ) ”。此外，c d m a 系统是利用相互正交的扩频码来区分不同码道的，经空问传播后，由于时问选择性衰落和 频率选择性衰落，这些码将不再相互正交，于是产生“多址干扰”。c d m a 系统是一个容 量受干扰限制的系统，具有典型的软容量特征，上述等干扰的存在严重影响系统容量和通 信质量，所以有效地降低系统的干扰，是研究该系统的一个非常重要的方向。 目前，c d m a 系统采用了多种先进技术来降低系统的干扰，其中一项关键技术就是功 率控制，该技术的目标是在满足每一个用户通信质量的前提下，最小化每一个用户的发射 功率，从而减小m a j ( 多址干扰) 。它可以有效地克服远近效应和角效应的影响，增加系 统容量。 由于t d s c d m a 自身的特点，它对功率控制有着自己特殊的要求。该系统由于采用了 智能天线和联合检测技术，使得其对功率控制技术要求降低，但是传统的功率控制平衡点 方程变的相对复杂。到目前为止，有关功率控制方面的研究性文章有很多，但是由于 t d s c d m a 系统的提出相对w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 系统大约晚了5 年左右，开发力量又较 薄弱，所以目前针对该系统的研究性文章较少。 我国在第一代和第二代移动通信系统的开发中没有掌握核心技术，处处受制于人，每 年要向国外的一些通信巨头缴纳大量的专利费，因此第三代移动通信系统t d ，s c d m a 是我 国在通信领域走向世界前沿的一个契机，可见本文的研究很有意义。 1 4 本人所做工作以及本文内容安排 本人作为主要作者之一完成了( s i m u l i n k 通信仿真教程一书的编写，该书将于2 0 0 6 第6 页 信息t 稃大学硕士学位论文 年6 月由国防工业出版社出版；本人参与了t d s c d m a 系统完整的物理层计算机仂真链 路( s i m u l i n k 链路) 的创建工作和仿真工作，在开发过程中主要负责完成使用m a t l a b 中s 函数搭建仿真链路以及功率控制算法的研究和仿真，撰写了仿真模块既明文档，帮助 文档，模块任务书，模块设计文档等。 本文的内容安排如下： 第一章首先对第三代移动通信系统进行了概述，重点对t d s c d m a 系统进行了介绍， 并阐述了课题研究的背景和现状，最后列出了本人所做工作，给出了全文的内容安排。 第二章介绍了移动通信系统中的功率控制技术的相关理论，对t d s c d m a 系统的功率 控制方案进行了简单的介绍，并且与w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 做了一个列比。 第三章首先描述了本文仿真所使用的仿真环境，接着给出了t d 。s c d m a 的离散系统模 型并且介绍了其核心算法的实现原理，最后阐述了仿真链路模型的创建原理和方法，给出 了模型框图。 第四章描述了功率控制中所涉及的基带测量的实现方法，提出一种变步长功率控制算 法并介绍了功率控制命令的生成和传输，接着研究了t d s c d m a 系统中功率控制技术和联 合检测技术及智能天线技术的结合，最后从数学角度分析了本文所使用的算法的优越性。 第五章对本文仿真所使用的模型作了说明，然后给出在各种条件下的算法的仿真结 果，并对结果进行了详细的分析。 结束语部分对全文进行总结，给出了下一步的工作内容和研究方向。 1 5 本章小结 本章首先对第三代移动通信系统进行了概述，然后从系统的形成、发展以及特点等方 面对t d s c d m a 系统进行了介绍，其中包括t d s c d m a 系统的物理层特点和采用的关键技 术等，接着阐述了课题研究的背景和现状，最后列出了本人所做工作，给出了全文的内容 安排。 第7 页 堡：垦二堡奎! 堡兰堡丝奎 第二章功率控制技术基本理论 2 1 功率控制的概念 通信容量和通信质量是t d s c d m a 系统中最核心的两个问题。c d m a 系统是一个软容 量系统，其容量大小与系统中的干扰存在着直接的关系，减小系统中的干扰就可以增加系 统的容量。c d m a 系统的干扰主要是同频干扰，由两个部分组成：一种是在c d m a 系统中 由于无线通信信道的时变性和多径效应，形成的小区内部的干扰，其中主要包括同一用户 数据之间存在的符号问干扰( i s i ) 以及同小区内部其他用户信号造成的多址干扰( m a d ； 另一种是小区间干扰，指的是其他同频小区之间信号造成的干扰。不过即使在最差的情况 下，小区间干扰功率也不超过小区内部干扰功率的6 0 “，而且这部分于扰可以通过合理 的小区配置来减小其影响。因此提高c d m a 系统容量的一个关键就足取决于对i s i 和m a i 的处理。 笔 氅 型 謇 s p 逛 2 0 1 0 0 o1 02 0 e ! 离 图5 无线衰落信号的典型包络 除了上述干扰，电波在空气中传播还存在传播损耗，这也是通信系统中一个不容忽视 的问题。图5 为无线蜂窝系统的衰落信号包络的典型测量结果。发身寸信号功率在传输过程 中的损耗，使得接收端信号功率不稳定，从而影响用户信号的恢复，导致通信质量下降。 传输信道中的损耗主要由三部分组成，即自由空间的传播损耗，慢衰落以及快衰落。自由 空间的传播损耗与距离平方成正比，距离越大损耗越大；慢衰落也称长期衰落，一般是指 接收信号的场强中值在长时间内缓慢变化，该衰落主要由阴影效应和大气折射产生；快衰 落也称短期衰落，主要是移动台附近的散射体或自然障碍物引起的多径传播信号在接收点 相叠加，造成接收信号快速起伏，因此快衰落也常称为多径衰落。在城市环境中可认为快 衰落服从瑞利( r a y l e i g h ) 分布。当然电波传播时由于移动体的运动速度和方向会使接收 的信号产生多普勒频移，在多径条件下，便形成多普勒频谱扩展，产生多普勒效应，多普 第8 页 信息一i ：稃大学硕十学位论文 勒效应也是影响通信质量的一个重要方面。 功率控制是解决上述问题的一种重要手段，其目的在于保证每个用户高质量通信的前 提f ，最小化每个用户的发射功率，减d x m a l 、克服远近效应，提高系统容量。因此，在 c d m a 系统中，功率控制技术被公认为关键技术的核心。 2 1 功率控制技术分类 功率控制技术主要有3 种分类方法，从通信的上下行链路分；从实现控制的方式分， 从环路类型分等。 1 从通信的上下行链路上分 通信链路分为上行( 反向) 链路和下行( 莳向) 链路。同样，功率控制也分为上行( 反 向) 功率控制和下行( 前向) 功率控制。 上行链路的功率控制也称为反向功率控制，主要是借助于实时调整各移动台的发射功 率，使本小区内任一个移动台无论离基站多远，信号到达基站接收机时能够恰好达到保证 通信质量所需要的的最小信干比门限或者是最小功率门限。它能够使得各用户之间的多址 干扰最小，并能有效克服“远近效应”。同时它还可以使得每个移动台发射功率最合理， 以节省功耗，延长移动台的待机时间。 下行链路的功率控制也称为前向功率控制。下行功率控制的实现是基站根据移动台提 供的测量结果，调整对每个移动台的发射功率，目的是对路径衰落小的移动台分配相对较 小的下行发射功率，而对那些较远的和解调后信干比较低的移动台分配较大的下行发射功 率。基站通过移动台对下行解调后的误帧率的反馈报告来决定增大或减小该移动台的下行 链路功率，使所有移动台接收到的信号功率或信干比相等。下行功率控制不仅可使基站的 发射功率最小，减少下行信道干扰，增加下行容量，还可以克服“角效应”。不过如果是 单小区则可以不必使用功率控制，因为所有信号由基站一起发出，信号的变化是一致的， 但是在多小区系统中，下行链路的功率控制是必须的，因为在这科，情况下，邻近小区的基 站信号会造成干扰，降低系统性能。 相比之下，下行链路的质量远比上行链路要好，因为在下行链路中，小区内信号的同 步性和移动台的相干解调可以带来较大的增益，当移动台解调时，干扰主要来自邻区干扰 和多径引入的干扰，小区内其他用户的干扰可以通过扩频码的正交性除去。所以在下行链 路中，只加入一个慢速的功率控制就可以很好地控制每个信道的发射功率，但是因为远近 效应的存在，t d s c d m a 系统中上行链路的功率控制地位还是非常重要的，而且需要较 大的动态调整范围。 2 从实现控制的方式上分 按照实现控制的方式可以将功率控制分为集中式功率控制和分布式功率控制。 集中式功率控制是指在基站进行功率控制，根据接收端接收到的信号功率和键路增益 来调整发射端的发射功率。集中式功率控制的优点是统一调整基站、移动台的发射功率以 第9 页 信息t 稃大学硕七宁竹论文 达剑最优化，防止正反馈导致的系统崩溃。集中式功率控制精度高，但是算法复杂，它要 求在同一时刻获得一个归一化的链路增益矩阵，目前这在一个多用户小区内是难以实现 的，因此集中式功率控制实用性不大。 分伟式功率控制是为了克服集中式功率控制不能实际应用而发展起来的，它是在移动 台和基站配合下完成的功率控制。目前在实际的工程应用中采用的都是分布式功率控制算 法。分布式功率控制首先是在窄带蜂窝系统中提出，通过迭代方式近似的实现最佳功率控 制，而在迭代过程中只需要知道各个链路上接收的信干比即可。因此分布式功率控制算法 是一种相对有效的算法，不仅控制方法简单，而且控制速度快，具有很强的实用性。但是 它与集中式功率控制相比，不可避免的造成系统性能的下降，因为这种算法的实现需要知 道信干比，信干比测量的准确性对算法的性能有很大的影响，如果信干比估计的不准确， 分布式信干比平衡算法有可能不再收敛于一个平衡信干比水准，不过误差估计较小的话， 算法还是依然有效的，只是随着误差的增大，系统性能会有很大的下降。 3 从环路类型上分 按照环路的类型可以将功率控制分为开环功率控制和闭环功率控制。 歼环功率控制主要用于移动台的接入过程，用来粗略补偿路径损耗和阴影、拐角等效 应带来的功率变化。它的基础是建立在上行链路与下行链路具有一致的信道衰落情况下 的。但是在实际的频分双工系统中，上、下行链路占有的频段要相距4 5 m h z 以上，这远远 大于信号的相关带宽，因此开环功率控制精度比较粗略。不过对于本文所研究的 t d s c d m a 系统，由于该系统上、下行链路占用相同频段的不同删隙，上、下行链路具有 对称性，所以开环功率控制可以达到相当的控制精度。 闭环功率控制分为上行闭环功率控制和下行闭环功率控制。上行闭环功率控制是指基 站根据上行链路信号质量，产生功率控制命令，再经过下行链路将功率控制命令传送给移 动台，移动台根据功率控制命令调整发射功率，以达到功率平衡或信干比平衡。下行闭环 功率控制则是指移动台根掘下行链路信号质量，产生功率控制命令，再经过上行链路将该 命令传送给基站，基站根据这个命令来调整发射功率，以达到功率平撕或信干比平衡。闭 环功率控制的控制精度较高，在实际系统中起到精控的作用，是功率控制的核心。 此外实际系统中还采用了外环功率控制来动态调整闭环功率控制中的信干比或功率 门限，将业务质量( 误比特率b e r 或误块率b l e r ) 间接与发射功率联系起来，用以适应 无线信道的变化。 当然除了以上3 种分类方法，还有其他标准的分类，例如根据算法采用什么样的策略 参数，功率控制算法可以分为：以信号强度为基础的功率拧制、以信干比为基础的功率控 制以及以误比特率为基础的功率控制等等。 第1 0 页 笪：垦：! ：登查兰堡堂生丝壅 2 2 功率控制准则 功率控制准则是指功率控制的基本依据。从原理上看，功率控制准则可以大致分为： 功率平衡准则、信干比平衡准则以及功率平衡和信干比平衡混和准则。另外，目l i i 也有文 献提出误比特率平衡准则，这个准则一般是用来设定闭环的s i r n 限值。 1 功率平衡准则 功率平衡准则的基本原理是：功率平衡是指在接收端接收到的信号功率相等。对于上 行链路，功率平衡的目标是使在基站接收端接收到的各个用户的信号功率相等。对于下行 链路，功率平衡的目标则是使各个用户接收到的基站的有用信号功率相等。 2 信干比( s i r ) 平衡准则 s i r 平衡准则的基本原理是：s i r 平衡是指在接收端接收到各个用户的s i r 相等。对于 上行链路，s i r 平衡的目标是使在基站接收端接收到的各个用户的s i r n 等。而对于下行链 路，s i r 平衡的目标是使各个用户收到的基站的有用信号的s i r 相等。在单小区蜂窝系统中 的上行键路，当各个移动台到达基站的信号功率相等时，所对应的s i r 也相等。因此在单 小区系统中，上行链路功率平衡准则与s i r 平衡准则是等效的。但是在单小区蜂窝系统中 的下行链路以及多小区蜂窝系统中，功率平衡准则与s i r 平衡准则具有不同的含义。 3 功率平衡和s i r 平衡的混合准则 功率平衡准则和s i r 平衡准则各有仇缺点。基于功率平衡准则的功率控制易于实现， 但性能不如基于s i r 平衡的准则。s i r 平衡准则也有局限性，因为它可能会形成正反馈导致 系统崩溃。为了克服采用s i r 平衡准则后可能引入的正反馈，有人提出了功率平衡与s i r 平 衡相结合的功率控制准则。 就上行链路来说，基站同时测量接收信号的功率年 i s i r ，如果两者都低于或都高于所 对应的门限值，说明该移动台应该提高或降低发剩功率。当s i r 在正常范围内，但功率低 于门限值时，移动台的发射功率保持不变；当功率在j 下常范围内但s i r t 氐于门限值时，原 理上移动台需要提高发射功率，但此时信号功率可能己经达到了门限值而有可能形成币反 馈，所以这时需要进行判断，解决这个问题的一个途径是当功率正常但s i r 不满足要求时， 取一些最近的状态进行观察，如果功率达n f j 限值的次数很少，那么移动台就应该提高发 射功率。这种结合功率平衡和s i r 平衡的混合准则比单纯的s i r 平衡准则或者功率平衡准则 都要好。 2 3t d s c d m a 系统中的功率控制 t d s c d m a 系统是一个干扰受限系统，必要的功率控制可以有效的限制系统内部的干 扰电平，克服远近效应，降低小区内和小区间的干扰及u e 的功耗。 第1 1 页 信息r 稃大学硕十学何论文 2 3 1 上行功率控制 t d