（信号与信息处理专业论文）第三代移动通信中的功率控制算法研究.pdf

摘要 摘要 第三代移动通信将为移动用户提供高速率的数据传输、因特网访问、移动视 频业务以及多媒体服务，同时提供全球漫游。本文研究的功率控制技术是第三代 移动通信的关键技术之一，可以有效地克服反向链路中存在远近效应问题以及前 向链路中存在的“角效应”、“阴影效应”及码问干扰问题，解决这些问题可提高 移动通信系统的容量。本文围绕着第三代移动通信系统的功率控制这一个关键技 术展开了研究和讨论，具体内容包括以下几个方面： ( 1 ) 从功率控制的准则入手，分析了基于功率平衡准则、信干比平衡准则和 误码率平衡准则，详细推导前两种准则的信干比表达式：分析了前反向链路的模 型，并讨论了无线信道的一种多径瑞利快衰落模型。 ( 2 ) 讨论了第三代移动通信中的七种关键技术以及三种主流标准的功率控制 技术，并对其功率控制参数做了比较；从链路的方向和环路状态讨论了功率控制 的基本方法，分析了现有3 g 的功率控制的局限性和国内外的改进算法，为提出本 文的算法打下了基础。 ( 3 ) 本文提出了一种适合于应用在第三代移动通信中的反向功率控制算法， 它根据功率控制帧中各个比特的到达基站时接收功率不同通过测量这些比特的 功率，使用a r 预测器来预测出下一个时刻的接收功率，从而可以调整功率控制命 令，对衰落事先进行补偿。通过计算机仿真结果表明，所提出的算法能够很好补 偿信道的快衰落，具有比传统算法更优越的性能。 论文的结沦部分对本文的工作进行了总结，并对课题今后的发展方向和研究 重点进行了展望。 关键词：前向链路反向链路远近效应功率控制快衰落 华南理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et h ir dg e n e r a t i o nm o b il ec o m m u n i c a t i o n ss y s t e m sw i l lp r o v i d e h i g h s p e e d d a t at r a n s m is s i o n r e t w o r ka c c e s s ，m o b ilev i d e os e r v i c e s ， m u l t i m e d i aa n dt h ew o r l dr o a m i n gt ot h em o b il eu s e r s t h ep o w e fc o n t r o l w h a ts t u d i e di nt h isp a p e riso n eo ft h ek e yt e c h n i q u e so f3 g i tc a ns o l v e t h en e a r f a re f f e c ti nr e v e r s el i n ka n d “e f f e c to fa n g l e ”，“e f f e c to f s h a d o w ”a n ds y m b o li n t e r f e r e n c e a sar e s u l t ，t h es y s t e m sc a p a c i t yc a n b ei m p r o v e d i nt h i sp a p e r ，w ed or e s e a r c ho np o w e rc o n t r o ii nt h et h i r d g e n e r a t i o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s s y s t e m s s p e c i f i c c o n t e n t sa r ea s f o ii o w s ： ( 1 ) w ea n a i y z et h ef u l eo fp o w e rc o n t r 0 1w h ic hb a s eo np o w e rb a l a d c e ， s i rb a l a n c ea n de r r o rr a t eb a l a n c e ：a m p l yd e d u c et h ee x p r e s s i o no fs i rt o t h ef o r m e ft w of u le s ：w ea n a l y z et h em o d e lo ff o r w a r dl fn ka n dr e v e r s e1 i n k a n dd i s c u s saf a s tf a d i n gm o d e lo fm u l t t p a t hr a y l e i g hf a d i n gc h a n n e l ( 2 ) w ed i s c u s ss e v e nk e yt e c h n i q u e sa n dp o w e fc o n t r o lt e c h n i q u e so f t h r e em a i ns t a n d a r d si nt h et h tr dg 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 a ss y s t e m s w ec o m p a r et h ep o w e fc o n t r o lc h a r a c t e r is t i c so ft h e ma n dd is c u s st h eb a s i c c o n t r o lm e t h o df r o mt h ed i r e c t i o na n dt h el o o p w ea l s od is c u s st h e 1 0 c a liz a t i o no ft h ep o w e rc o n t r o la l g o r i t h ma tp r e s e n t3 ga n dt h ei m p r o v e d a l g o t i t h mw h i c hp r e s e n t e da th o m ea n da b r o a d a 1 1t h e s ea r et h eh a s icf o r t h ea l g o r it h ma d v a n c e di nt h i sp a p e r ( 3 ) 【nt h isp a p e r ，w ep r e s e n tap o w e rc o n t r o lo fr e v e r s el i n ka l g o r i t h m w h i c hi ss u i t a b l ef o rt h et h i r dg e n e r a t 【o nm o b i l ec o m m u n ic a t i o n ss y s t e m s 【na c c o r d a n c ew i t ht h ed i f f e r e n ts i g n a lp o w e ro ft h eb i t si nt h ep o w e r c o n t r o lf r a m e w ec a nm e a s u r et h e ma n du s ea rp r e d ic t o rt op r e d i c tt h en e x t r e c e i v e ds i g n a la n da d j u s tt h ep o w e rc o n t r o lc o m m a n dt oc o m p e n s a t et h e e x p e e t e df a d in ge f f e c t i na d v a n c e c o m p u t e rs i m u l a t i o ns h o w st h a tt h e a b s t r a c t a l g o r i t h mc a f ic o m p e n s a t et h ef a s tc h a n n e lf a d i n gw e l la n dh a sb e t t e r p e r f o r m a n c et h a nt h et t a d iti o l r l a lo n e s a tl a s t w em a k eac o n e l u s i o no fo u rw h o l ew o r k 。p r o p o s ei t sp r o s p e c t a n dp l a ns o m ef u t u r er e s e a r c hw o r k k e y w or d s ：f o r w a r dl i n k ：r e v e f s el i n k ：n e a r f a re f f e c t ：p o w e rc o n t r o l f a s tf a d i n g 华南理工大学 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：专才务t 】 日期：哕年占月日 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。本人授权华南理工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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：咭j - s t + 0 日期：y 对年月占日 导师签名：剁卜8 星 日期：扣旷年占月6 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 第三代移动通信系统 第三代移动通信系统是指第一代和第二代之后的通信系统。第一代移动通信 系统是模拟制式，多址方式是频分多址( f d m a ) ，典型的系统有：t a c s ，a m p s ；第 二代移动通信系统是数字制式，多址方式是时分多址( t d m a ) ，提供数字化的话音 业务及低速数据业务，典型的系统有数字蜂窝系统，如：g s m ，d a m p s ，i s 一9 5 c d m a ( 即窄带c d m a ) ：提供的数据业务的速率是几k b p s 到十几k b p s 。第三代移动 通信系统则以提供移动环境下的多媒体业务和宽带数据业务为主，是宽带数字系 统，采用码分多址或时分多址，数据速率可达2m b p s ，第三代移动通信系统必将 对下一世纪人类社会的生活方式带来深远的影响。 1 1 1 第三代移动通信系统的概况 随着移动通信的发展和移动电话用户数目的增长，单靠现有的技术、现有系 统以及现有频段的第一代和第二代移动通信系统已不能适应移动通信的发展规模 和移动电话用户增长速度的需求。另外，仅仅通话的通信技术己不能满足用户对 信息交流的需要；用户希望随时随地地获得的服务除语音之外，还有数据、视频 和图像等多媒体业务信息，这些都要需求频谱利用率更高的技术，需求通信容量 更大的移动通信系统，这极大地推动了第三代移动通信系统的研究和发展m 。 国际电联( i t u ) 早在1 9 8 5 年就开始研究适于全球运营的第三代移动通信系统 ( 3 g ) ，当时称为未来公共陆地移动通信系统( f p l m t s ) ：1 9 9 2 年，世界无线 电大会( w a r c ) 分配了2 3 0 m h z 的频率给f p l m t s ；1 9 9 6 年，i t u 将f p l m t s 更 名为i m t 2 0 0 0 ，即国际移动通信系统，这个命名有三重含意：工作于2 0 0 0 m h z 频 段，最高数据速率可达2 0 0 0k b p s ( 即2m b p s ) ，预计2 0 0 0 年左右投入商用。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 一2 0 0 0 无线传输技 术( r t t ) 方案。1 9 9 8 年6 月，i t u 共收到了1 6 个有关第三代移动通信无线接1 ：3 的 候选技术方案，其中1 0 种是陆地方案，其它是卫星方案。陆地方案中最受关注的 华南理工大学硕士学位论文 是美国提出的c d m a 2 0 0 0 、欧洲提出的w c d m a 以及中国提出的t d s c d m a 。 至今，第三代移动通信系统的标准华工作已经完成，形成了w c d m a 、 c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a 三种主流标准三足鼎立的局面，其中欧洲的w c d m a 和美国的c d m a 2 0 0 0 分别是在g s m 和i s 一9 5 c d m a 的基础上发展起来的。而大 唐电信代表中国提出的t d s c d m a 标准由于采用了t d d 模式，支持不对称业务， 加上国家和产业界的支持以及我国的巨大市场潜力，因此格外引人注目，必将成 为未来移动通信市场上的一个新高点“。 1 1 2 第三代移动通信系统的特点 第三代移动通信系统的最终目标是将世界上所有的蜂窝系统、无绳系统、无 线本地环路( r l l ) 、无线局域网络终端、专用移动广播和寻呼结合在一起，形成 一个功能强大的网络，实现任何人( w h o e v e r ) 在任何地点( w h e r e e v e r ) 、任何 时问( w h e n e v e r ) 与任何人( w h o e v e r ) 都能够便利地通信0 1 。 与基于第一代、第二代以语音和低速率数据业务为主的移动和个人通信系统 标准相比较，第三代移动和个人通信系统的特点如下： 1 ) 多媒体化：提供高质量的多媒体业务，如话音、可变速率数据、活动视 频和高清晰图像等多种业务，实现多种信息一体化。 2 ) 全球性：公用频段，全球漫游，大市场。在设计上具有高度的通用性， 该系统中的业务以及它与固定网之间的业务可以兼容拥有足够的系统容量和强 大的多种用户管理能力，能提供全球漫游。是一个覆盖全球的、具有高度智能和 个人服务特色的移动通信系统。 3 ) 综合化：多环境、灵活性，能把现存的寻呼、无绳、蜂窝( 宏蜂窝、微 蜂窝、微微蜂窝) 、卫星移动等通信系统综合在统一的系统中( 具有从小于5 0 m 的微微小区到大于5 0 0 k m 的卫星小区) ，与不同网络互通，提供无缝漫游和业务一 致性。网络终端具有多样性。平滑过渡和演进：与第二代系统的共存和互通， 开放结构，易于引入新技术。 4 ) 智能化：主要表现在优化网络结构方面( 引入智能网概念) 和收发信机 的软件无线电化。 5 ) 个人化：用户可用唯一个人电信号码( p t n ) 在任何终端上获取所需要的 第一章绪论 电信业务，这就超越了传统的终端移动性，真正实现个人移动性4 两种最主要的r t t 方案：w c i ) m a 和c d m a 2 0 0 0 第三代系统中主要方案是c d m a 方案，其中最重要的是 w - c d m a 和c d m a 2 0 0 0 ，它i t 采用宽带载波( 5 m h z ) 、相干解调、平衡干扰处理，因 此能提供更大的容量。 此外，第三代系统有着更好的抗干扰能力。这是由于其宽带特性( 5 m h z 射频 载波) ，可分辨更多多径信号，因此信号较窄带系统更稳定，起伏衰落小，使系统 对信号功率的动态范围和最大功率信号值的要求降低。上行链路采用相干检测， 相对于没有采用相干检测的第二代c d m a 来说，上行链路有3 d b 的性能改善。3 g 系 统还使用了多用户检测，可消除来自其他用户的干扰。第三代系统还提供多速率 的业务，这意味着在高灵活性和高频谱效率的情况下可提供了不同服务质量的连 接。第三代系统还支持频间无缝切换，从而支持层次小区结构。同时，3 g 系统还 采用快速功率控制。3 g 系统保持对新技术的丌放性，支持智能天线阵列技术，使 系统得到许多改进。在满足给定信号接收质量的前提下增加了有效通信用户数： 用户数给定时，可以改善接收质量；可降低移动用户的发射功率：减少其他用户 信号的干扰和影响。在3 g 系统中还会采用其它许多新技术，使系统不断得到改进。 1 2 第三代移动通信系统面临的问题 第三代移动通信系统给人们展示了一个美好的前景，但这一前景的实现要以 克服所面临的技术难题为先决条件。这些难题有的是蜂窝移动通信系统所固有的， 也有的是第三代移动通信系统所固有的。 1 ) 多址干扰 由于3 g 系统多采用c d m a 技术，即采用不同的扩频码字来区分用户，这就要求 各用户的扩频码具有极强的自相关性和极弱的互相关性。但是实际上各用户间的 互相干扰不可能完全消失，所以c d m a 系统是干扰受限的系统n “。来自本小区和 临近小区用户的干扰成了决定系统容量和性能的主要因素。多址干扰是基于码分 多址的3 g 系统所特有的一种干扰。 2 ) 远近效应 在各移动台以相同的功率发射信号时，基站接收到的近端移动台发射的信号 功率将远大于远端移动台发射的功率。远近效应就是指近端功率强的信号对远端 华南理工大学硕士学位论文 功率弱的信号产生的于扰。这也是一类多址干扰，只不过在3 g 系统中这种多址干 扰显得十分突出。 3 ) 多径衰减 多径衰减存在于所有的蜂窝移动通信系统中，由于电磁波在传输过程中将发 生扩散、辐射和散射，从而产生多条传输路径。不同路径的信号到达接收机天线 时，由于天线的位置、方向和极化方式不同，使得接收功率、相位起伏变化，产 生严重的衰落现象。为了保证通信质量，就不得不增加信号功率，从而导致通信 系统容量的减少。 4 ) 时延扩展 信号经过不同的路径就会产生不同的传播时延当时延超过检测脉冲符号宽 度的l o 时，符号间的干扰就明显存在这使得移动通信的数据速率受到了限制。 1 3 功率控制的地位和作用 在基于码分多址( c d m a ) 的第三代移动通信系统( 3 g ) 中，由于各个移动用 户的扩频码之间存在着非理想的相关特性，用户发射的功率大小将直接影响系统 的容量：从而使得功率控制技术成为了系统中的最重要的核心技术。在3 g 中采用 功率控制技术，可以有效地解决反向链路中存在的远近效应问题m ”i 以及前向链路 中存在的“角效应”、“阴影效应”及码间干扰问题 13 一i 。c d m a 系统是干扰受限的 系统u “，那么解决这些干扰问题可以显著地提高系统容量。 1 4 本论文研究的内容和意义 本文主要研究第三代移动通信中的功率控制技术。功率技术作为3 g 中的关键 技术之一，能够克服阴影效应，减小多址干扰，提高系统容量，因而具有举足轻 重的意义。本文通过论述和分析了与功率控制相关的内容后，提出了一种能够克 服无线通信中多径快衰落的功率控制算法，并通过仿真验证了该算法的性能。全 文为五章，主要结构如下： 第一章为绪论，对第三代移动通信系统的概况、特点以及所面临的问题进行 介绍，并分析了功率控制的地位和意义。 第一章绪论 第二章为功率控制基础，首先讨论了功率控制的准则，并对其进行了有关推 导；其次讨论了功率控制的分类，并对功率控制的目标和影响因素进行了分析； 然后讨论了基于码分多址的移动通信前、反向链路模型，功率控制就是通过前、 反向链路起作用的：最后通过对无线信道的一种多径快衰落模型一一多径瑞里衰 落进行了仿真。 第三章为3 g 的关键技术及三种主流标准的功率控制技术，讨论了第三代移动 通信中的关键技术，各种关键技术的相互配合才能使得系统的性能完美，任何一 项3 g 的关键技术都不是孤立存在地对系统起作用的；接着分析了3 g 中的w c d m a 、 c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 的功率控制技术。 第四章为功率控制的基本方法及现有的3 g 功控方案，首先论述3 g 中功率控制 通用的基本方法；然后分析现有3 g 的功率控制方案及其局限性：最后分析了国内 外的对其研究所提出的一些改进算法。 第五章为一种基于a r 预测的反向闭环功率控制算法，提出了一种适合于第三 代移动通信系统的快衰落环境下的基于a r 预测的功率控制算法，首先通过数学上 的论证，接着进行仿真验证。 最后是全文的结论与展望，主要对作者的研究工作进行了总结，并进行了对 功率控制技术及其算法的研究展望。 华南理工大学硕士学位论文 第二章功率控制技术基础 为了克服远近效应，实现最优通信质量而采取的功率控制技术，是在对接收 机端的接收信号能量或解调信干比指标进行评估的基础上，适时地补偿无线信道 中引入的衰落，从而既维持了高质量的通信，又不对同一无线资源中的其它用户 产生干扰，保证了系统的容量w 。 2 1 功率控制技术的基本理论 2 1 1 功率控制准则 功率控制的准则是指功率控制的基本依据，可以大致分为三类：功率平衡准 则、信干比平衡准则和误码率平衡准则。本节将在文献 3 ， j 。 7 的基础上分 析三类准则的准则的意义。 1 ) 功率平衡准则 通过功率控制使得接收端接收到的有用功率相等。对于上行链路，其目标是 使各个移动台到达基站的功率相等；对于下行链路，其目标是使各个移动台接收 到基站的有用信号功率相等。 对于上行链路，设各个基站接收到的移动台的有用信号功率为p ，则第i 个基 站接收到的第1 个移动台的信号功率s = p ，来自其他移动台的干扰信号为i 。那 么有： f ，：y n - i y l rp 垒一p( 2 一1 ) ，= 孚一p ( 2 一l 1 = 0k = l n 曲 式中，n 为基站数，属于第i 个基站的移动台数目为l 。：服务区内移动台有m 个， 均匀分布在服务区内：各移动台身份是按照最小衰落准则：a 。表示属于第f 个基 站的第k 个移动台至第j 个移动台的信号衰落因子，其中i ，j = o ，l ，2 ，n l 。 此时，基站接收信号的信干比为： 第二章功率控制技术基础 s i r ：昱： ! 篓善等一 ( 2 2 ) 对于下行链路，设各个移动台收到的基站有用信号功率为p ，则第1 个移动台 接收到的第i 个基站的信号功率s 。= p ，来自其他基站的干扰信号为i ，那么有： 仁芝兰j d 争一j d ( 2 - 3 ) j = 0k = l 向 此时，移动台接收信号的信干比为： 姗：曼：l ( 2 4 ) 厶篓耄去一 2 ) 信干比平衡准则 通过功率控制使得接收端接收到的信干比相等。对于上行链路，目标是使各 个移动台使各个移动台到达基站的误码率相等：对于下行链路，目标是使各个移 动台接收到基站的有用信号功率相等。 通过功率控制使得接收端接收到的信干比相等。对于上行链路，目标是使各 个移动台到达基站的信干比相等；对下行链路，目标是使各个移动台接收到基站 的有用信号信干比相等。 对于上行链路，首先使各个蜂窝小区内的移动台到达各自所属基站的信号功 率相等，并设各个基站接收到的移动台的有用信号功率为p 信，则第i 个基站接收 到的第1 个移动台的信号功率s 。= p 。，来自其他移动台的干扰信号为i ，那么有： 仁艺壹尸拿一只 ( 2 埘 i bk = l 向 基站接收到的信号干扰比为： 令p = ( p 0 ，p ，艮【) t ， ：兰孕，a = a ，则 k = la 砌 ( 2 - 6 ) 华南理上大学硕士学位论文 解得 a p ：1 + s i r 尸 s i r s i r = ( 爿一i , v 。) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 式中，i 为n 阶单位阵。由( 2 - 8 ) 可知，s i r 与p 无关，只需知矩阵a 就可以 求出s i r ，并进一步求出基站接收到的功率p 。 对于下行链路，设基站i 对第1 个移动台发射的信号功率为p 儿，基站i 发射的总 功率为q 。，第1 个移动台接收到的第i 个基站的信号功率s = p 。，a i ，来自其他基站 的干扰信号为i ，那么 一l ，= q ，厶只a i ( 2 - 9 ) j = o 此时，移动台接收信号的信干比为： s i r ：孚：丌上生 ( 2 圳) 。 9 4 ，一p f 4 。 令q 2 ( q 0 ，q ，q m ) 1 ，q i = 兰1 = 1 争l i ，a = a i 一= 艺k = l 争a t h ，则有n l 解得： 班等q s i r = ( a i u 。) ( 2 1 1 ) ( 2 一l2 ) 式中i 为n 阶单位阵。由( 2 1 2 ) 可知，s i r 与p 无关，只需知矩阵a 就可以 求出s i r ，并进一步求出基站对每个移动台发射的功率q ，。 3 ) 误码率平衡准则 通过功率控制使得接收端接收到的误码率相等，对上行链路，目标是使各个 移动台使各个移动台到达基站的误码率相等；对于下行链路，目标是使各个移动 台接收到基站的有用信号误码率相等。 由于误码率或者误帧率的测量速度慢，同时还受到多径状况、移动台速度、 编码效率等因素影响，导致误码率与接收信号的功率或信干比之f n j 不存在一一对 第二章功率控制技术基础 应关系，难以建立具体分析模型，所以很少人对此进行研究。 2 1 2 功率控耕的分类 按照不同的分类标准，功率控制技术有各种不同的类型： 2 1 2 1 前向( 下行) 链路功率控制和反向( 上行) 链路功率控制 按照通信的前反向链路方向，功率控制可分为： 1 ) 反向功率控制 它又称为上行功率控制，用于控制移动台的发射功率，保证基站接收到各个 移动台发射的信号功率或信干比( s i r ) 基本相等，这样既能有效克服“远近效应”， 又能使移动台在满足自身服务质量( q o $ ) 要求的情况下尽可能降低发射功率， 从而延长电池的寿命。 在前向功率控制时，移动台检测前向传输的误帧率，并向基站报告该误帧率 的统计结果，基站根据移动台报告的误帧率，决定向上或向下调整前向传输功率。 移动台向基站报告误帧率统计结果有两种方式：一是门限报告方式，移动台统计 接收到的误帧数，一旦该值达到基站给定的门限值，移动台就向基站报告；二是 周期报告方式，移动台在基站给定的时间段内统计接收的误帧数，在该段时间结 束时，移动台就向基站报告误帧的统计值。至于采用哪一种方式或者两者结合使 用，由基站决定。 2 ) 前向( 下行) 功率控制 它又称为下行功率控制，若基站采用同步c d m a ，且选用完全正交扩频码，在 理想情况下，基站发射给每个移动台的扩频信号完全正交，则移动台问的干扰就 不存在”1 。因此，在单小区同步码分时，前向功率控制可以不予考虑，但在实际 的时变多径衰落信道中，理想同步是达不到的，特别是在多小区情况下，前向功 率控制是有必要的，用于控制基站的发射功率，使所有移动台收到的基站发射信 号功率或信干比( s i r ) 基本相等，从而克服“角效应”，并使基站的平均发射功 率减小，有效降低了小区间干扰。 2 1 2 2 集中式功率控制和分布式功率控制 按照功率控制的方式，功率控制可分为集中式和分布式功率控制。 1 ) 集中式功率控制 华南理工大学硕士学位论文 是指在网络端进行功率控制，根据接收端接收到的信号功率和各条链路的增 益整体，调整发射端的发射功率，以使接收端接收到的信干比( s 【r ) 相等。集中 式功率控制的优点是统一调整基站一移动台的发射功率，使之达到最优化，防止 正反馈导致的系统性能恶化。由于集中式功率需知道所有链路的信息，会造成很 大的时延，而且计算复杂度很高，在实际系统中难以实现。但它可以提供功率控 制的性能范围。 2 ) 分布式功率控制 它是在接收端进行的功率控制根据接收端的接收信号功率及其链路增益， 单独调整自身的发射功率。这种方式只需要了解接收端自身的局部信息，算法比 较简单，在实际系统中易于采用。 2 1 2 3 开环功率控制和闭环功率控制 按照链路的环路方式，功率控制可以分为开环功率控制和闭环功率控制。 1 ) 开环功率控制 主要用于随机接入过程中，在移动台准备发起呼叫时，先接收基站发射的广 播信号，估计前向链路的衰落情况，然后把前向链路衰落近似等价为反向链路损 耗进行补偿，再加上一定的安全裕度，作为初始发射功率。 当移动台( 或基站) 接收到的信号很强时，表明移动台与基站之间的距离很 近，或者是有一个很好的传播路径。这时移动台( 或者基站) 可以降低它的发射 功率：相反，就增加发射功率以抵消信道衰落。 2 ) 闭环功率控制 是指基站根据在反向链路上接收到的移动台信号的强弱产生功率控制命 令，并由前向链路将基站功控命令传送给各个移动台，移动台根据此命令在开环 所选择发射功率的基础上，上升或下降一个固定量，以保持基站接收到的信干比 ( s i r ) 基本相等。 2 1 3 功率控制的目标 功率控制的目标主要有如下几点： 1 ) 克服无线信道的慢衰落对信号的影响 早期功率控制的主要目的是克服无线信道慢衰落和干扰中变化缓慢部分对 第二章功率控制技术基础 信号质量的影响，快衰落和干扰变化激烈的部分通过交织编码来克服。衰落和干 扰谱是一个连续谱，其中包含相关性较强的分量和相关性较弱的分量，功率控制 可以对部分相关性较强的分量进行跟踪补偿，交织编码可以克服部分相关性较弱 的分量，但是总存在功率控制和交织编码无法克服的部分。改善方法是提高功率 控制速度，降低功率控制时延，同时提高交织深度，降低干扰相关性影响。己有 研究指出，如果功率控制周期高于l o 倍的衰落速度的话，就可以有效地补偿衰落 地影响 7 1 。因此，现代功率控制一般采用较高的控制速度和较低的控制时延，能 够对快速衰落和干扰变化激烈的部分实施部分跟踪补偿，从而扩大功率控制对干 扰、衰落的补偿范围。 2 ) 避免功率攀升，降低系统总的干扰水平 由于c o m a 系统是一个功率正反馈系统，任何一个信道的发射功率的升高都会 造成其他用户功率的攀比上升，从而造成系统内干扰的大幅度上升。功率控制通 过调整信道发射功率，使整个系统的发射功率处于有解的最小点或准最小点。从 而降低系统内的干扰水平，达到提高系统容量的目的。 3 ) 在满足通信质量要求的条件下尽量减小发射功率 功率控制技术是一种优化技术，优化目标是在满足通信质量要求( b e r 、f e r 足够小) 的条件下尽量减小发射功率n “。具体对于前向链路来说，就是减小基站 的发射功率：对于反向链路来说，是指调整移动台的发射功率，使得到达基站的 接收功率或者信干比达到指定水平。 2 1 4 影响功率控制的主要因素 影响功率控制精度和稳定性的主要因素主要包括以下几个方面： 1 ) 控制速度 功率控制速度即控制周期的倒数。功控速度越快，则能跟踪补偿更快的衰落。 但是功控周期越短，在此期蒯测量到的信干比均值涨落越大，造成发射功率起伏 增大，影响控制的稳定性。同时，缩短信号的测量周期会降低信号质量均值间的 相关性，因此要求降低控制时延否则无法降低控制延时，否则无法对信道作出 正确估计。 2 ) 控制时延 华南理工大学硕士学位论文 实际系统中功率控制总会存在时延，而无线移动系统的信道是一个时变的信 道，时变的信道参数具有复杂的相关特性。因此功率控制实际上是一种预测控制。 时延越长，信道参数相关性越差，预测的精性就越低。因此，功率控制算法必须 考虑实际时延的影响，否则控制性能难以保证。 3 ) 信道估计与预测 由于功率控制是典型的预测控制，需要对信道参数作精确的预测和估计，因 此，高效的功率控制需要准确的信道估计和预测参数。 4 ) 误帧率与信号信干比的关系 实际系统中，用户业务质量是通过误帧率来反映的，而误帧率受信号信干比、 多径状况、移动台速度、编码调制技术等共同作用。在功率控制中，分别采用误 帧率和信干比作为外环和内环功率控制的判决指标，如何确定误帧率与信号信干 比在各种条件下的变化关系到功率控制算法的稳定性和精确性。 2 2基于码分多址的移动通信系统链路模型 在基于码分多址的移动通信系统中，基站发往移动台的信号线路，称为前向 链路，也称为下行链路；而由移动台发往基站的信号线路，称为反向链路路，也 称作上行链路。 2 2 1 前向链路的模型 图2 一l 所示为c d m a 移动通信系统前向链路的组成框图，图中有3 个移动用户， 图中基站待发送的二进制数据分别是b ：，b 。和b 。，其中b 。发往移动台a ，b 。发往 移动台b ，b 。发往移动台c 。各路信息数据分别经过伪随机码扩频。c ( t ) ，c ：( t ) ，c 。( t ) 是准正交的伪随机码。扩频后的信号分别记为y ，( t ) ，y ：( t ) ，y 。( t ) 。将 y ，( t ) ，y 。( t ) ，y 。( t ) 合路求和为y ( t ) ，然后通过射频调整送往天线发射出去。移动 台的接收过程为解调、解扩和( 即比特检测器) ，恢复数据。 第二章功率控制技术基础 基站 c ，( z ) 输入 扩频 台路l 端蓊 il 移动台 褊 解扩 ie 嘴控测| 输出 | 图2 一lc d m a 系统前向链路组成模型图 f i g 2 一lt h ef o r w a r d li n km o d elo fc d m as y s t e m s 假设基站要向n 个移动台发射数据，合路器的输出为y ( f ) ，则有 y ( r ) = 乃( t ) = y l ( t ) + y 2 ( f ) + + 虬( f ) = b l ( ，) c l ( t ) + b 2 ( f ) c 2 ( f ) + + b o ( t ) c o ( t ) ( 2 一i s ) 式中，b 。( t ) 为基站待发送往移动台i 的二进制数据，c 。( t ) 为第i 个用户的准 正交伪随机码发往移动台i 的数据。由于移动台所处位置不同，因此，基站发送的 合路信号到达不同移动台的传输损耗( a 。) 和传输时间( t ) 都是不同的，对于 第i 个移动台，其接收和输入端都是z i ( t ) ，即： h z f ( f ) = 龇q ( f t , ) b j ( t f ，) 】c o s ( 哦f + 仍) ( 2 1 4 ) 移动台i 接收端接收到z i ( t ) 后，通过解调器，与c o s ( ( o j + 纪) 相乘，即得 到发送端的合路信号y ( f ) ，然后与本地位随机码c j ( t f 。) 相乘，因为 c ( t 一) e ( f t ) = l ，所以y ( f ) 与本地伪码相乘 ( 实质为解扩) ，可以恢复出 b 。( t ) 。 华南理工大学硕士学位论文 2 2 2 反向链路的模型 图2 2 所示为c d m a 移动通信系统反向链路的组成框图，图中有3 个移动用 户，同时使用相同的载波频率发射二进制数据分别是b ，b 。和b 。 移动台 ； 输入l i 扩频 l 设频调制 l i 设频调制| 解扩 ； 比特检测 i 输出 l 图2 2c d m a 系统反向链路组成模型图 f i g 2 - 2t h er e v e r s el i n km o d e lo fc d m as y s t e m s 反向链路发射方是各自独立的移动台，基站接收各个移动台的信号。与 前向链路相类似，发射方仍采用直扩和射频调制。接收方进行解扩和积分判决， 输出数据。 图2 2 中在基站接收天线上的信号z ( t ) 为： 3 z o ) = 4c f ( f 一) 6 f ( 卜- t ) c o s ( q f + 纪) + ”( f ) ( 2 1 5 ) 担1 式中，a 为各个移动台到基站传输损耗系数；c 是伪码序列，满足准正交， 各伪码序列仅起始位置不同；t 为各个移动台到基站传输的时间，记为各个载 波相位( 由t l 引起，从q 变为记) ；n ( t ) 为背景噪声。 在基站，采取相干解调方式，可消去p 的影响；在时间同步情况f ，t 的影响可不考虑。式( 2 一1 5 ) 为3 个移动用户的情形，可推广到【1 个用户。对于第 i 个支路解调器的输入端z 。( t ) 为： 第二章功率控带4 技术基础 z ( f ) = 4 c ：( f i ) 6 j ( t - t , ) c o s ( c o j + 6 p , ) + ( m 一1 ) ，+ 肝( f ) ( 2 1 6 ) 式中，i 为两移动用户之间的干扰( 假设任意两用户间干扰相等) ，z ( t ) 与c o s ( c o c t + p , ) 相乘( 即相干解调) ，上式中第一项将产生( 4 2 ) c , ( 卜) 6 ( 卜) ， 再与c ( f f 。) 相乘( 即解扩) 。由于c ( t - t i ) x c , ( f - ) = 1 ( 二进制序列无论为+ l ， 一l ，其平方恒为1 ) ，这样通过解扩，即可得到有用的数据信息岛f f ) ，需要说明 的是由于( m 1 ) ，和n ( r ) 与c f ( ) 不相关，解扩中，将它们的谱密度大大降低了， 输出干扰和噪声已降到很小。 2 3 无线信道的特点及模型 2 3 1 无线信道的特点 在移动环境下，在发射机和接收机天线之f n j ，发送信号会受到许多影响，两 者之间的传播路径非常复杂，电波在传播路径上遇到各种障碍物都可能产生反射、 散射和吸收。所以，接收点的电波实际上是直射波、反射波和散射波的合成，形 成多径传播，如图2 3 所示。 图2 3多径传播示意图 f i g 23s k e t c hm a p0 fm u l ti p a t hp r o p a g a ti o n 由于各条传播路径各不相同，各条路径信号的时延也各不相同，接收信号( 场 强) 矢量合成的结果就形成接收点场强瞬时值的迅速大幅度变化，这种变化称为 由多径引起的快衰落。若移动台在传播径向的移动将使接收到的信号产生多普勒 ( d o p p l e r ) 频移，从而使接收信号的功率谱展宽。当运动方向与径向一致时，有 最大的多普勒频移厶。相干时问t 。定义为多普勒频谱扩展宽度f d 的倒数，即： 华南理工大学硕十学位论文 【= l r 。该参数表示由多普勒效应导致的信号衰落速度。这类衰落是在特定的 时间段发生的，因而被称为时间选择性衰落”1 。在城市环境中，一辆快速行使车 辆上的移动台的接收信号在一秒钟之内的显著衰落可达到数十次，衰落深度可达 到3 0 d b n 】。 电波在传播路径上遇到障碍物会产生电磁场的阴影区，移动台通过不同的阴 影区会引起接收场强中值的变化，其变化较为缓慢，称为慢衰落，也称为阴影衰 落( s h a d o wf a d i n g ) 。 在自由空间中电波传播损耗与距离的平方成正比，而在无线通信传播环境中 电波损耗近似与距离的4 次方成正比”“。 2 3 2 多径衰落信道 多径信道是移动台收到不同路径来的同一信号源的电波干扰所造成的结果。 假设信号是垂直极化的( 即电场沿z 轴方向) ，发射信号为r e e j “t = c 。s 雌f ，接 收信号为r e t ( f ) = r c o s ( c o o t + q j ) ，它由具有不同衰减和不同时延的n 条径的信号 叠加组成： t ( f ) ：岛窆g ( f ) 。，k ( h 巾卅( 2 口 哪】 p “e o y c ( r ) p 以 ( 2 一1 7 ) 式中，项反映了多径衰落特性，n 为径数，e o g ( f ) 反映了第n 条径的幅度衰 n 减( q ( f ) 满足q ( f ) = 1 ) ，o ( t ) 反映了第n 条径的时延。其中包= 0 9 t + 丸 n 1 = 2 u f c o s o r 是多谱乐频移，a 。为第n 条径的能流密度矢量文与速度矢量旷的夹 角。丸= 一q 乙是在0 2 厅均匀分布的随机相角。( 2 一1 7 ) 进一步写成： e z ( t ) = e “e o z c ( t ) e 舢= e 刚 i ( f ) + i ( ，) ( 2 一t 8 ) = l 因为接收信号r e t ( ，) = t 。( 1 ) c o s c o , t t , ( t ) s i n c o j = r c o s ( c o o t + w ) ，所以有： 6 第二章功率控制技术基础 t ( ，) = 晶q ( t ) c o s ( c o t + ) 月= l n i ( f ) = 岛e ( t ) s i n ( c a 。t + # ) ( 2 一1 9 ) i ( r ) 和i ( ，) 分别代表接收信号的同相和正交分量。根据中心极限定理，当n 足够大时，i ( ，) 和i ( ，) 互不相关，且服从高斯分布，均值为o 方差相等，即有： 均值： 研瓦( ，) = e e t ，( t ) = o ( 2 2 0 ) 方差： 盯2 = e 巧( f ) = e 巧( f ) = & 2 = e | t 门( 2 - 2 1 ) i ( ，) 和t ( t ) 的联合概率密度为： p ( 1 ，i ) 2 磊1 p2一(2-22) 砰+ 砰 因为： r 2 = 巧+ 芽，甲= 邪嗽( i l ) ，将式 ( 2 2 2 ) 从直角坐标映射到极坐 标( r ，甲) j ：- z ，并在( o ，2 z ) 上对t 积分，可以得到信号包络r 的概率密度为： ) = 了rp 一r o ( 2 - 2 3 ) l p ( ，) = o ，r 0 可见，服从瑞利分布，在( o ，+ m ) 上对，积分，可得到信号相角甲在( o ，2 e r ) 上服 从均匀分布m 。服从瑞利分布的衰落信道叫做瑞利衰落( r a y l e i g hf a d in g ) 信道。 瑞利衰落是移动通信系统中的一种相当重要的衰落信道模型，它在很大程度 上影响着移动通信系统的质量。在