（通信与信息系统专业论文）dscdma移动通信系统中功率控制策略的研究.pdf

摘要 由于人们对无线通信系统要求的不断提高，无线通信系统的发展进入到了一 个崭新的阶段。随着以码分多址( c d m a ) 技术为基础的第三代移动通信系统逐 渐实用，c d m a 移动通信系统的若干关键技术就成为了通信技术领域内研究的热 点。功率控制技术就是这些关键技术之一。本文着眼于c d m a 移动通信系统的功 率控制技术，力图使所提出的算法能尽可能的提高功率控制中的一些关键性能， 如移动用户的算法收敛速度、平均发射功率、系统容量等。 本文所作的主要工作是： 1 本文研究了w c d m a 移动通信系统这一c d m a 移动通信系统的特例，并 针对为w c d m a 系统所设计的一种优秀的功率控制算法一动态资源调度算法仍 然存在的不足之处，提出了依概率动态资源调度算法。新的算法能在保证一定误 比特率性能的基础上，有效地降低移动用户的平均发射功率。 2 本文提出了两种多状态分布式d s c d m a 功率控制算法。新的分布式功率 控制算法以迭代计算的加速理论为基础，通过引入更多的状态量一一迭代计算的 信干比值，进一步提高了传统分布式功率控制算法的收敛速度，从而提高了 d s c d m a 移动通信系统的系统容量。 3 基于信干比的c d m a 功率控制中存在正回馈现象，而这种正回馈现象实 际上是一种非合作博弈。在这种分析的基础上，本文提出了一种基于博弈论的新 的分布式d s c d m a 功率控制算法，其核心是本文新构造的收益函数代价函数。 本文提出的算法能够很好的解决正回馈问题，使c d m a 系统中的移动用户能够以 较小的发射功率收敛于较大的信干比值。 通过理论分析和仿真实验，本文证明了上述几种功率控制算法的合理性和优 越性。 关键词：码分多址；功率控制；依概率动态资源调度；分布式；非合作博弈 d s - c d m a 移动通信系统中功率控制策略的研究 a bs t r a c t d u et oi n c r e a s i n gr e q u e s t so nt h em o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m s ，i th a sa r r i v e di n ab r a n d n e ws t a g e m a n yp a p e r si nc o m m u n i c a t i o nf i e l dh a v ef o c u s e do nt h ek e y t e c h n o l o g i e so fc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( c d m a ) ，w h i l et h et h i r dg e n e r a t i o n ( 3 g ) c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sb a s e do nc d m ai si m p l e m e n t e dg r a d u a l ly p o w e rc o n t r o l t e c h n o l o g y ，o n eo ft h e m ，i sw h a tt h i sp a p e rs t u d i e db yp r o p o s i n gn e wp o w e rc o n t r o l m e t h o d sa i m e dt oi m p r o v et h ek e yp e r f o r m a n c e s ，i n c l u d i n gm e a np o w e r , c o n v e r g e n c e s p e e da n dc a p a c i t y , a sm u c ha sp o s s i b l e t h i sp a p e ri so r g a n i z e da sf o l l o w s ： 1 ，t h i sp a p e rh a ss t u d i e dp o w e rc o n t r o lf o rw i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ( w c d m a ) ，w h i c hi sap r a c t i c a le x a m p l eo fc d m a t h o u g hi ti sa ne x c e l l e n t m e t h o d ，d y n a m i cr e s o u r c es c h e d u l i n g ( d r s ) s t i l lh a sas h o r t c o m i n g 。t h i sp a p e r p r o p o s e sam e t h o dn a m e dp r o b a b i l i t y - d y n a m i cr e s o u r c es c h e d u l i n gf p d r s ) t h e p r o b l e mt h a td r s m a k e su s e r sl a u n c hm u c hl a r g e rt r a n s m i t t i n gp o w e rw i l lb er e s o l v e d b yp d r s 2 t h i sp a p e rp r o p o s e st w om u l t i * s t a t u sd i s t r i b u t e dp o w e rc o n t r o lm e t h o d s ，b a s e d o nt h et h e o r yo fi t e r a t i o na c c e l e r a t i n g ，f o rd s c d m as y s t e m s b yt a k i n ga d v a n t a g eo f m o r es t a t e s ，t h ec o n v e r g e n c es p e e do fs i g n a l - t o - i n t e r f e r e n c e ( s i r ) o fp r o p o s e d m e t h o d sf o rd s c d m ah a sb e e ns p e e d e du p 。a sar e s u l t ，t h ec a p a c i t yo fs y s t e mh a s b e e ni n c r e a s e d 3 ，t h e r ei sak i n do fp h e n o m e n ac a l l e dp o s i t i v ef e e d b a c ki ns i rb a s e dp o w e r c o n t r o lp r o c e s so fc d m a s y s t e m s i td o e sh a r mt oc d m as y s t e m s i nf a c t ，t h ep o s i t i v e f e e d b a c ke q u a l st ot h es o c a l l e dn o n c o o p e r a t i v eg a m e 。b a s e do nt h ea n a l y s i s t h i s p a p e rp r o p o s e sag a m e - - t h e o r y - b a s e dd i s t r i b u t e dp o w e rc o n t r o lm e t h o dw h o s ec o r ei s t h en e w l yp r o p o s e dc o s tf u n c t i o n u t i l i t yf u n c t i o n t h ep o s i t i v ef e e d b a c kc a l lb e r e s o l v e dw e l lb yt h a t t h es i ro fm o b i l eu s e r s ，t h e r e f o r e ，i sa b l et oc o n v e r g ei nal e s s v a l u et a k i n gl e s st r a n s m i t t i n gp o w e r b ya n a l y z i n ga n ds i m u l a t i n g t h i sp a p e rh a sp r o v e dt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o d sa r em o r e r a t i o n a la sw e l la sp r e f e r a b l e 。 k e yw o r d s ：c d m a ；p o w e rc o n t r o l ；p - d r s ；d i s t r i b u t e d ；n o n - c o o p e r a t i v eg a m e l l 颟举鼗论文 插图索引 圈2 。l 蜂窝移麓逶髂系统。5 溪2 2c d m a 系绫孛瓣润、频率与褥豹关象+ 6 圈2 3f d m a 与t d m a 申辩黼、频率与弼瓣关系6 霆2 + 莲凌搴羧籁毅零酌分类9 圈3 。lw c d m a 系筑绒秘。l8 瘸3 。2 馋绞方法秘转袋s 法瓣警穆b e r 穗熬，2 3 霪3 , 3 传绕方法翻d r s 法黥功率爨浓2 3 嚣3 a 系绫糕蘩黧2 蓬 霾3 5p d r s 法与传统方法翻d r s 法瓣平均b e r 瞧麓对院2 6 霾3 6p d r s 法与褥缓方法帮d r s 法涎臻攀震求瓣魄2 6 黧4 1 穆动翊户发辩麓率瓣收敛傣凝3 2 嚣4 。2 移韵溺户蘩予爨( s i r ) 麴浚敛撩掇。3 3 鬻毒，3 三耱繁法下瓣系统审羝穰黎。3 3 鬻5 g 对鞭l 匏彩麓( ￥a = 9 ) 4 0 圈5 2 两耱凌率穗穰算法豹旃予凌收藏稳凝4 4 圈5 3 薄耱凌率按簇舞法豹发麓臻攀霹5 d s - c d m a 移动通信系统中功率控制策略的研究 附表索弓 表3 1w c d m a 的基本技术参数 表4 1p “1 变化情况 表4 2 一哪以”一三者关系 表4 3 算法1 只”。变化情况 表4 4 算法2 只”变化情况 表5 1 囚徒困境 表5 2 非合作功率控制博弈的主要参数 l v 堋棚瑚棚删胤渊 ， 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑霞声明：所呈交的论文是木人荷! 导师的指导i ：独矗进行研究所取 得的研究成果。除了文叶 特别加以标注引用的内容外，本论文小包今l i 佴t 。“j 其 他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做t 一! “一。j z i r 。l a r l j 个 人和集体，均已在文r t 一以明确方式标t 归。本人充伞意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 至春l 舢 h 期：球r 月叫【j 学位论文版权使用授权书 木学位论文作者完全了解学校有父保留、使用学位论文的规定，同意学 校保尉并向周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 、保密口，在一 卜解密后适用本授枞 2 、小保密团。 ( 请许以l 卉日应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： j - ：h 嘶厂月移| l _ 1 j ；物衫年，月夕f i = _ i 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 移动通信是当今通信技术研究中最为活跃、发展最为迅速的领域之一，也是 将在新世纪对人类生产生活和社会发展有重大影响的科学技术领域之一。自1 9 9 1 年以全球移动通信系统( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，g s m ) 为代表 的第二代数字蜂窝移动通信系统问世以来，十几年间，移动通信技术发生了天翻 地覆的巨大变化。同时随着人与人之间信息交流量的剧增，目前已经基本发展到 极限的以频分多址( f 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 ，f d m a ) 和时分多址( t i m e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，t d m a ) 为主要技术基础的第二代蜂窝移动通信系统已 不能满足人们的需要，于是国际电联( 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 ，i t u ) 于1 9 9 9 年顺应技术及市场发展的要求，提出了以码分多址( c o d e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ，c d m a ) 技术为主的“第三代移动通信系统无线接口技术规范”一一 i m t - 2 0 0 0 ( i n t e r n e tm o b i l e m u l t i m e d i at e l e c o m m u n i c a t i o n ) 。 按i t u 总目标，第三代移动通信系统有如下特点： ( 1 ) 提供高速率和多种速率支持，能支持从话音到分组数据到多媒体业务， 特别是i n t e r n e t 业务等多种业务，应能根据需要来提供必要的带宽。其最低无线 传输要求是： 快速移动环境：最高速率达1 1 4 k b s ； 步行环境：最高速率达3 8 4 k b s ； 室内环境：最高速率达2 m b s 。 ( 2 ) 全球覆盖及全球无缝漫游、全球使用共用频段( 1 8 8 5 2 0 2 5 m h z ，2 1 1 0 2 2 0 0 m h z ) 。但不要求各系统在无线传输设备及网络内部技术完全一致，而要求 在网络接口、互通及业务能力方面的统一或协调。 ( 3 ) 高频谱效率。 ( 4 ) 高服务质量：具有长话的话音质量，比特错误率小于l o _ 6 的数据业务。 ( 5 ) 低成本、低功耗、小体积、高保密等良好的商业特性。 虽然i m t 一2 0 0 0 家族的五种无线传输技术中除了c d m a 还包含有两种t d m a 技术，但实践证明c d m a 较t d m a 和f d m a 更有优势，更适合高速、高质量的 移动通信系统，所以，目前有实用前景的第三代移动通信系统都以c d m a 为其无 线技术。c d m a 技术主要分为多码码分多址( m u l t i - c o d ec o d e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ，m c c d m a ) 和直接扩频序列码分多址( d i r e c t - s e q u e n c e d s - c d m a 移动通信系统中功率控制策略的研究 c o d e d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，d s - c d m a ) ，其中d s - c d m a 是主要的研究方向， 实用的c d m a 系统也以后者为主。本文所研究的也是基于d s c d m a 的功率控制 策略。 虽然理论与实践都证明c d m a 有着比f d m a 和t d m a 更好的性能，更能适 应更高速、更高质量的通信，但它也有一些与生俱来的缺点。与f d m a 和t d m a 相比，c d m a 移动通信系统中各个移动用户使用相同的频率和时隙通信。在 d s - c d m a 中，系统给每一用户分配一个唯一的码序列( 扩频码，由w a l s h 函数产 生) ，并用它对承载信息的信号进行编码。知道该码序列用户的接收机对收到的信 号进行解码，并恢复出原始数据，这是因为该用户码序列与其它用户码序列是近 似正交的，互相关是很小的。但互相关还是存在而不能完全消除，而且干扰会随 着用户数和信号功率的增加而增大。再加上系统的非同步性，导致系统在接收端 收到的其他用户的信息经过与期望用户的扩频码相乘后，变为高频噪声，形成了 多址干扰( m u l t i a c c e s si n t e r f e r e n c e ，m a i ) ，或称多用户干扰。另外，在蜂窝移动 通信系统中，不同移动用户发射的信号由于到基站的距离不同，到达时的功率也 不同一一距离近的信号功率大，距离远的功率小，相互形成干扰，这种现象称为 远近效应( n e a r f a re f f e c t ) 。远近效应在d s c d m a 系统中造成的影响要远大于 t d m a f d m a 系统，因为d s c d m a 系统要求所有用户到达基站接收机信号的平 均功率要相等才能正常解扩。与f d m a 和t d m a 系统最大的不同就在于c d m a 系统不是资源受限的系统，而是干扰受限的系统，多址干扰和远近效应会严重影 响到c d m a 系统的性能。功率控制就是为了解决上述两个问题，提高c d m a 系统 的性能而诞生的。可见，功率控制技术是c d m a 通信系统中一项极为关键的技术。 好的功率控制算法是c d m a 系统拥有优良性能的保障。 1 2 文献综述 第三代移动通信系统( 主要以d s c d m a 系统为代表) 由众多的关键技术( 包 括功率控制技术) 构成，文献 1 - 3 对这些关键技术作了总体上的描述与介绍，并 简要说明了这些关键技术的应用对d s c d m a 移动通信系统的重要意义。在对 d s c d m a 通信系统作了总体的了解以后，本文将研究的重点放在了d s c d m a 移 动通信系统的功率控制策略上来。 功率控制是蜂窝移动通信系统最重要的需求之一，文献【4 ，5 】分析了f d m a 和 t d m a 蜂窝移动通信系统中的功率控制技术，文献【6 】等分析了c d m a ( 主要是 d s c d m a ) 系统中的功率控制技术，从上述文献中可以总结出功率控制在三种多 址通信系统中所发挥作用的相同之处和不同之处一一在f d m a 和t d m a 这两种多 址通信系统中，功率控制主要是为了减小移动台的发射功率从而延长移动终端电 池的使用寿命f 4 ，5 】，而在c d m a 通信系统中功率控制除了延长移动终端电池的使用 寿命，另一个更主要的目的是为了抑制c d m a 移动通信系统所特有的多址干扰和 远近效应，从而达到提高系统容量这一目的 6 1 。 关于c d m a 功率控制技术的文献种类繁多，总的来说主要可以分为如下几类： 文献【7 9 】等给出了前向链路的功率控制方法。而其它相关文献给出的都是反 向链路功率控制方法，这也是本文的研究内容。 文献【1 0 ，1 1 】给出的是开环功率控制方法，可以从中看到开环功率控制在 c d m a 系统中主要用于进行初始发射功率的控制。而文献 1 2 ，1 3 等的研究内容都 属于闭环功率控制。本文提出的算法也都是属于闭环功率控制算法。 文献【1 4 】给出了固定步长的功率控制算法，由于固定步长功率控制的局限性， 已基本不是功率控制技术研究的主要方向。目前，功率控制技术的研究主要集中 在自适应步长功率控制 ”】，本文提出的算法也都是自适应步长功率控制算法。 文献 1 6 ，1 7 讨论了集中式功率控制算法，并证明其有较快的收敛速度。而其 它相关文献给出了集中式功率控制算法不能应用于实际系统的理由一一易于造成 整个系统的崩溃、计算量过大及数据流量过大，并提出了分布式功率控制【l “”】。 集中式功率控制虽然不能进行实用，但可以给出分布式功率控制的极限值。 文献 2 3 ，2 4 描述了w c d m a 建议所提供的功率分配和开环、闭环功率控制机 制，但是从资源共享的观点来看，其中没有一个是最佳的。基于这样的原因，文 献 2 5 1 提出了动态资源调度算法。并在文献 2 7 ，2 8 中进行了进一步的研究。文献 2 9 】 在上述基础上给出了一种改进的算法。 将博弈论引入c d m a 功率控制算法是c d m a 功率控制技术领域近来的一个新 兴的课题，文献 3 0 3 7 是进行的这方面的研究，这也是本文的重点之一。 1 3 本文研究的内容 本文首先选择了研究为i m t 一2 0 0 0 家族成员之一的w c d m a ( w i d e b a n d c d m a ) 所设计的一种功率控制方法一一动态资源调度算法，在其基 础上提出了依概率动态资源调度算法。另外，本文还选择了更为一般化的分布式 功率控制方法作为研究对象。最后，本文将一种主要应用于经济领域的理论一一 博弈论引入到功率控制方法的研究中来，提出了一种基于博弈论的功率控制算法。 w c d m a 移动通信系统是一种已经进入外场试验阶段的第三代移动通信系 统，目前已经有了很多为其设计的功率控制方案，但由于其仍部分处于试验阶段， 尚未有一个完全成熟的功率控制方案被采用。以本文主要研究的一个为其设计的 功率控制方案一一动态资源调度算法( d y n a m i c r e s o u r c es c h e d u l i n g ，d r s ) 为例， 虽然通过实验证明它是一种比较优秀的功率控制方案，但仔细分析之后发现其某 些性能仍然有改进的空间。本文的第3 章在探讨d r s 的优缺点之后，给出了一种 改进的功率控制方案一一依概率动态资源调度算法( p r o b a b i l i t y d y n a m i cr e s o u r c e d s c d m a 移动遴信系统中功率掩帚i 策咯的研究 s c h e d u l i n g ，p d r s ) 。p d r s 骧敬邃移韵逶绩系缓中移凌台熬乎稳发瓣功率邋一 关键性能参数，对提升系娩的性能有着显著的作用。 分枣式( d i s t r i b u t e d ) 功率控割怒摆逶避傻曩兰蠢蓼熬移溺台技辕凌率纛每一小区 分别执行功率控制方案。分布式功率控制是一个相对于粲中式( c e m r a l i z e d ) 功率控 键熬功率控铡方法。垂手榘孛式功率控铡懿嚣令致食簸点一一诗募量积数援鬃过 于巨大，并由此造成了管理和执行功率控制方案的种种豳难，于是分布式功率控 割就发运恧生了。与集中武功率羧锲褶魄，分毒蠛功率控裁诗舞量弱显减少，并 且其只需要比集中式功率控制少得多的倍息就可以进行肖效的功率控制，因而本 文逡铎了分毒式功率控裂撂为磋炎方囊。零文提爨了霹秘分毒蕊功率接剿方寨， 用以提升c d m a 移动通储系统中一项最为关镳的性能指标一一迭代计算收敛速 瘦。越肄，零文遥：i 遣债真实验验诞了这秀爨分毒浅功率挫翻方案戆效鼷，证明了 它们是行之有效的两种分布式功率控制方案。 基于d s c d m a 移动遴缤的系统功攀控铡_ ；耍程孛存在正强馈这一事实( 其产 生原因将在后文中详细讲述) ，d s 。c d m a 移动遇信系统的功率控制过税可以希作 是一个n 人搏弈熬过程，嚣且这搏弈怒一个饕会终搏雾，赝以可以搬它称兔菲 合作功率控制博弈。据此，本文在第5 意中通过构造新的代价两数收菠函数的方 法，提出了秘基于搏弈谂的新躲功率控制算法，蒡旦诞明了农这样一个过稷中 纳什均衡的存在性和唯一憔。最衙仍然通过仿真实验证明这种熬于博弈论的分布 式功率控制冀法要优于健缆静分布式功率控制算法。 4 硕士学位论文 第2 章d s c d m a 移动通信系统中的功率控制技术 近年，蜂窝移动通信市场呈爆炸式的发展。由移动站、基站和移动交换中心 等组成的蜂窝移动通信系统( 如图2 1 ) 的主要目的是能在任何时间、任何地点进 行通信服务。现在已经可以设想，在不久的将来我们可以从一台移动终端上与朋 友或同事进行视频电话的同时从同一移动终端上访问一个远端数据库，或者接受 一封电子邮件，又或者接听一个电话。但是，这一切应该如何开始呢? 图2 1 蜂窝移动通信系统【2 3 】 p s t n = 公共交换电话网( p u b l i cs w i t c ht e l e n e t w o r k s ) ，m s c = 移动交换中心( m o b i l es w i t c h c e n t e r ) ，m s = 移动站( m o b i l es t a t i o n ) ，b s = 基站( b a s es t a t i o n ) 由于更高的数据传输速率和更严格的q o s 要求的必要性，包括基站分配、信 道分配特别是功率控制和切换技术等在内的新的传输技术和改进的资源管理方法 成为了蜂窝移动通信系统的强烈需要。 f d m a t d m a 中功率控制的必要性体现在同信道干扰管理上。由频谱资源的 有限而产生的频率复用是引起这种类型干扰的原因。通过恰当的功率调整，同信 道干扰的有害作用会减小。因此，我们就可以进行更高密度的复用，从而提高系 统容量。 c d m a 是继世界上推出数字通信技术之后，1 9 9 5 年又推出的一种新型数字蜂 窝技术，它利用数字传输方法，采用扩频通信技术，大幅度地提高了频率利用率， 具有容量大、覆盖范围广、手机功耗小、话音质量高的突出优点，将移动通信技 术推向发展新阶段。在c d m a 系统中，窄带信号被乘以叫做扩频信号的宽带信号。 d s c d m a 移动通信系统中功率控制策略的研究 扩频信号是一个伪随机代码序列，此码片速率比消息中的数据速率高若干个数量 级。从图2 2 中可以看到，在c d m a 系统中的所有用户使用同一载频，并且可以 同时发射【3 8 】。从图2 2 、图2 3 的对比可以看出c d m a 与f d m a t d m a 的不同。 每一用户都有他自己的伪随机码，并且与其他用户的伪随机码是几乎正交的。接 收机执行一个时间相关操作来检测唯一需要的码字。所有其它码字由于不相关而 被认为是噪音。为了检测出信号，接收机需要知道发射机所使用的码字。每一用 户都独立于其他用户而运行。 图2 2c d m a 系统中时间、频率与码的关系m 图2 3f d m a 与t d m a 中时间、频率与码的关系”8 j c d m a 蜂窝系统与f d m a 和t d m a 系统相比，c d m a 系统具有以下突出优 点： 1 抗干扰性能好。由于c d m a 经过扩频处理，故抗干扰性能好，可和同频 带的窄带共存，而不影响其正常工作。 2 抗多径衰落能力强。多径衰落是影响移动通信质量的一个突出问题，通常 6 硕士学位论文 必须采取空间分集、自适应均衡等技术加以克服，还有较大衰落余量。c d m a 系 统可以利用多径信号提供路径分集，这样不但缓和瑞利衰落，而且还缓和了因物 理遮挡所造成的慢衰落，从而大大提高通信质量。 3 系统容量增大。对于f d m a 和t d m a ，若小区的频点或时隙已分配完，则 小区就不能接收新的呼叫，容量有硬性限制。而c d m a 是干扰受限系统，在指定 的干扰电平下，即使用户数已达到限定数目时，也还允许增加个别用户，其缺点 是造成话音质量下降。业务提供者可在容量与话啻质量之间进行平衡。c d m a 精 确的功率控制和软切换技术大大降低了干扰信号的强度和所需的信噪比要求，而 且有效地采用诸如话音激活或可变速率话音编码、分集接收、功率控制。研究表 明，c d m a 的信噪比是d a m p s 、t d m a 的3 7 倍，是t a c s 的1 1 2 倍，是a m p s 的1 3 6 倍，是f m f d m a 方式的2 0 倍。 4 通信质量好。c d m a 系统采用直接序列扩频技术，综合应用时间分集、频 率分集、空间分集、路径分集等多种分集技术克服多径效应，可以获得很强的抗 干扰能力，加上它在越区切换时采用先建立后中断的软切换技术，保证了c d m a 的通信质量，特别在越区切换时无乒乓效应。本系统属宽带低噪比，波形允许采 用高冗余度纠错编码和高效数字调制技术来确保高质量话音和数据传输。 5 频率利用率高。c d m a 系统的同一频率，可以在所有小区内重复使用，其 频率复用率2 3 ( f d m a 和t d m a 的频率复用率为1 7 ) ，不需要f d m a 和t d m a 那样进行频率配置，大大简化了小区分裂和微蜂窝引入。 6 多址能力强。c d m a 系统多址能力决定扩频编码间的多址干扰大小，它与 使用的扩频编码方案有关，与同时发送信号的用户问的多址干扰( 即扩频编码的 相关特性) 有关，与允许的接收质量有关( 输出信噪比) ，因此同时工作用户间的 多址干扰越低，能允许的接收质量越低，c d m a 技术的多址能力就越强。 7 高度可靠的保密安全性。c d m a 移动通信系统是一个保密通信系统，若再 加一定的加密算法技术，能大大提高通信保密性能，这是f d m a 和t d m a 系统所 无法比拟的。分析其采用的扩频系统，要想截获别人的通信内容几乎是不可能的， 如只要机内锂电池不放完电，它以5 1 2 k h z 的时钟频率加以改变其序列的即时状态， 即使是连续工作，它的扩频地址序列周期也长达7 年。它还可以方便地在c d m a 系统设置和改变主密钥、副密钥、扩频码表、标准加密算法等，使通信的保密性 更为可靠。 8 移动终端功耗小。c d m a 采用功率控制后，仅在衰落期间调高发射功率电 平，从而使平均发射功率减小，由此可见c d m a 的平均发射功率和最大发射功率 比f d m a 低，从而使系统容量增加，减少了小区数和降低设备成本。 在d s c d m a 系统中，功率控制允许用户同等的分享系统资源。在没有功率 控制的情况下，所有的移动站用相同的发射功率向基站传送信号，而不考虑衰落 d s - c d m a 移动通信系统中功率控制策略的研究 和与基站距离的影响。由于分配给用户的序列之间的非零相关，距基站近的用户 会对距基站远的用户产生巨大的干扰，这就被称为“远近效应”。 由于上面所述的原因，一种好的功率控制算法对一个拥有良好功能的 d s c d m a 系统是十分必要的。缺少功率控制的d s c d m a 系统其容量是很低的， 甚至要低于f d m a 系统【“。 在f d m a t d m a 系统和d s c d m a 系统中使用功率控制的另一重要原因就是 要以最小的传输功率达到传输质量的要求，以此来延长移动设备的电池使用时间。 根据以上提到的众多因素，功率控制对正确运营的现代高容量蜂窝无线系统 是一项十分必要的功能。 2 1 功率控制技术的分类 本节将探讨功率控制技术的类别，并将下文中将要提出的功率控制算法与各 个类别进行了联系比较。 现在蜂窝无线系统已经有了若干种功率控制的方法和策略。当考虑现实系统 的功率控制时，一般对下面的几个方面感兴趣： 1 质量衡量：语音质量是一种非常主观的量。人们对将信干比( s i g n a l i n t e r f e r e n c er a t i o ，s i r ) 作为度量尺度存在很大争议，因为其是一个非常客观的量。 虽然信干比在从前的工作中被广泛地采用，但它远不是一个理想的度量尺度。例 如，在数据传输这一情况中，误比特率( b e r ) 要求非常严格，而s i r 也许就不 是一个适当的衡量尺度。如果信号和干扰功率是恒定的，那么b e r 和s i r 就包含 同等的质量信息，但是在实际的移动通信系统中，s i r 是时变的，因此平均s i r 就 不会与平均b e r 相对应。在这种情况下，b e r 就是一种更好的质量衡量尺度。 2 可靠的测量方法：通常，报导的测量方法由一个反映质量的质量指示器 ( q u a l i t yi n d i c a t o r ，q i ) 和一个反映接收信号强度的接收信号强度指示器( r e c e i v e d s i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t o r ，r s s i ) 组成。为了使用较少的位数，这些值只会被粗略 地量化。 约束：由于硬件的制约，输出功率水平被限制到一个给定值的集合。这包括 了量化和输出功率存在上下限等因素。 时延：测量和控制信号都需要花费时间，这导致了网络中的时间延迟。 功率控制技术能以不同的方法分成许多种，如图2 4 所示。 其中一种可能的分类方法如下： 反向链路( r e v e r s el i n k ) 一从移动台到基站一一功率控制： 前向链路( f o r w a r dl i n k ) 一一从基站到移动台一一功率控制。 由于远近效应的存在，d s c d m a 系统的反向链路功率控制尤其显得重要，这 种情况下需要8 0 d b 的控制动态范围【6 】。对前向链路而言，如果只有一个小区，功 8 d s c d m a 移动通信系统中功率控制策略的研究 和与基站距离的影响。由于分配给用户的序列之阅的非零相关，距基站近的用户 会对距基站远的用户产生巨大的干扰，这就被称为“远近效应”。 由于上面所述的原因，一种好的功率控制算法对一个拥有良好功能的 d s c d m a 系统是十分必要的。缺少功率控制的d s c d m a 系统其容量是很低的， 甚至要低于f d m a 系统忡j 。 在f d m a 1 1 d m a 系统和d s c d m a 系统中使用功率控制的另一重要原因就是 要以最小的传输功率达到传输质量的要求，以此来延长移动发备的电池使用时间。 根据以上提到的众多因素，功率控制对正确运营的现代高容量蜂窝无线系统 是一项十分必要的功能。 2 1 功率控制技术的分类 本节将探讨功率控制技术的类别，并将下文中将要提出的功率控制算法与各 个类别进行了联系比较。 现在蜂窝无线系统已经有了若干种功率控制的方法和策略。当考虑现实系统 的功率控制时，一般对下面的几个方面感兴趣： 1 质量衡量：语音质量是一种非常主观的量。人们对将信干比( s i g n a l i n t e r f e r e n c er a t i o ，s i r ) 作为度量尺度存在很大争议，园为其是一个非常客观的量。 虽然信干比在从前的工作中被广泛地采用，但它远不是一个理想的度量尺度。例 如，在数据传输这一情况中，误比特率( b b r ) 要求非常严格，而s i r 也许就不 是个适当的衡量尺度。如果信号和干扰功率是恒定的，那么b e r 和s i r 就包含 同等的质量信息，但是在实际的移动通信系统中，s i r 是时变的，因此平均s i r 就 不会与平均b e r 相对应。在这种情况下，b e r 就是一种更好的质量衡量尺度。 2 可靠的测量方法：通常，报导的测量方法由一个反映质量的质量指示器 ( q u a l i t yi n d i c a t o r ，q i ) 和一个反映接收信号强度的接收信号强度指示器( r e c e i v e d s i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t o r ，r s s i ) 组成。为了使用较少的位数，这些值只会被粗略 地量化。 约束：由于硬件的制约，输出功率水平被限制到一个给定值的集合。这包括 了量化和输出功率存在上下限等因素。 时延：测量和控制信号都需要花费时间，这导致了网络中的时间延迟。 功率控制技术能以不同的方法分成许多种，如图2 4 所示。 其中一种可能的分类方法如下： 反向链路( r e v e r s el i n k l 一一从移动台到基站一一功率控制 - 前向链路( f o r w a r dl i n k ) 一一从基站到移动台一一功率控制。 由于远近效应的存在，d s c d m a 系统的反向链路功率控制尤其显得重要，这 种情况下需要8 0 d b 的控制动态范围【6 】。对前向链路而苦，如果只有一个小区，功 种情况下需要8 0 d b 的控制动态范围【6 j 。对前向链路而占，如果只有一个小区，功 率控甍l 藏没毒登蘩，嚣秀爨寿豹信号都被一起簧辕，嚣藏也一起交豫。但是，在 多小区系统中，邻近小区的干扰会降低系统性能，所以有必要采用功率控制来削 弱小嚣翅予撬。 由于本文主要探讨消除多址干扰及远近效应影响，所以本文提出的算法都是 疫瘸与复囱链鼹。 集中式功率控制 分布式功率控制 爱褒箍路功事控囊 前向链路功率控髓 功率控制算法 连续磅率控簇 离散功率控制 基于强度的功率控黼 基予信干扰的功率控制 基予误建磐事瓣殛辜控疆 闭环功率控铡 开环功率控制 嚣嚣一耀臻毳套臻搴控铡 嗣定步长功率控制 自适应步长功率控制 囤2 。4 弱翠掇制技术瓣分类 另外，还有一种分类方法是集中式( c e n t r a l i z e d ) 和非集中式( d e c e n t r a l i z e d ) 或称 分蠢式功率控剁。集中式功率控裁靛控制器取德所有确立豹连接和信道增益的信 息，并且控制网络中所有用户的功率水平。集中式功率控制需要网络中大量的控 制信号，豳此不能应熙予实际系统中，缀它可以绘出分布式功攀控铡嬲性能秀限。 非集中式( 分布式) 功率控制的控制器只需要一个单独的传输器的功率，并 且算法只依赖于本地信息，倒如s i r 或特定用户懿信邋增益等。在棚当理想的情 况下，这臻算法能取得禳好的性能，但是在实际系统中有很多不理想的情况，例 如： 传输测量和控制信号所花费时间导致的系统时酝。 由于物理殴铡和爨化，传输器的可能输嬲功率收到铡约。特定信道最大功 率的使用等不同的外部约束影响了输出功率。 估计所需鹘控制镲号也许并不可熬。 质墩是一个主观爨，而我们采用了相对客观的测量尺度。 本文提出的黪法都是可实际应用鲍非集中式功率控制算法。 根据决定功率控制命令所测麓的量，功率控制技术可l 美分为如下三类： 基予强度的( s t r e n g t h b a s e d ) ； 9 d s - c d m a 移动通信系统中功率控制策略的研究 基于s i r 的( s i r b a s e d ) ； 基于b e r 的( b e r b a s e d l 。 在基于强度的方案中，基站测量从移动台到基站的信号的强度以判断它是高 于还是低于期望的强度，并据此做出降低或提升传输功率的命令。 在基于s i r 的方案中，被测量的质量是s i r 值，其中干扰由信道噪声和多用 户干扰组成。基于强度的功率控制比基于s i r 的功率控制更容易实现，但是基于 s i r 的功率控制能更好地反映系统性能，如q o s 和容量等。与基于s i r 的功率控 制相关的一个严重问题是，取得正回馈的潜在可能性会危及系统的稳定性。正回 馈会在下面的情况下出现一一当一个移动台从基站得到提升它的传输功率的指令 以使它在基站的s i r 达到期望值时，它的功率的提升又会导致对其它移动台干扰 的提升，从而这些移动台也被迫提升它们的传输功率，如此往复。在一个n 个移 动台的系统中，这就成为了一个典型的n 人非合作博弈问题【3 ”，在本文第5 章中 对此会有详细论述。同时本文第4 章中提出的算法也都是基于s i r 的。 在基于b e r 的功率控制方案中，b e r 被定义为与原始的比特序列相比较错误 的比特的数量。如果信号和干扰功率是常量，那么b e r 就是s i r 的函数，并且在 这种情况下，b e r 与q o s 是同等的。但是在现实中，s i r 是时变，因此平均s i r 并不与平均b e r 相对应，在这种情况下，b e r 是更好的质量测量尺度。因为每一 个实际系统中都执行信道编码，所以功率控制也可以是基于平均错误帧数量的。 本文第3 章提出的算法即为基于b e r 的。 功率控制技术也能作如下分类： 闭环功率控制( c l o s e dl o o p ) ； 开环功率控制( o p e nl o o p ) ： 闭环功率控制和开环功率控制组成的混合控制( c o m b i n e dc l o s e da n do p e n l o o p ) 。 在陆地蜂窝环境中闭环功率控制是可行的，开环功率控制主要用于初始发射 功率的确定。但是由于巨大的传播延时，在使用多颗低轨道卫星的移动通信系统 中衰落过于迅速以至于闭环功率控制无法跟踪。在这种情况下，开环功率控制不 失为一种解决方法。在开环功率控