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北京邮电大学硕士学位论文 摘要 功率控制技术是c d m a 系统的一项关键技术，它对消除“远近效应”，保证 用户的服务质量，提高系统容量，延长电池寿命等方面都有非常重要的作用。 针对基于s i r 的功率控制算法可能导致不稳定的“正反馈”现象，本文首先 分析了其内在的原因，即各移动台间的相互干扰使得各自的功率控制回路相互关 联，并将其归结为控制论中的耦合关系。 本文应用控制论中用于消除耦合关系的解耦控制理论，设计了一种新的功率 解耦控制算法。这种解耦算法通过内在的解耦机制，抵消了上述耦合关系的影响， 在定条件下能够从根本上消除这种“f 反馈”现象。 结合具体的c d m a 系统( w c d m a 系统) ，本文说明了此算法实用化过程中 对系统的要求，并指出了它存在的不足和解决的思路。 最后本文分析了w c d m a 系统的功率管理与控制的递阶分层结构，以及内 外环功率控制的串级控制特征，在此基础上提出了一个基于预测控制的外环功率 控制解决方案。 关键词：c d m a 功率控制解耦控制预测控制 北京邮电大学碗士学位论文 a b s t r a c t p o w e rc o n t r o li so n eo ft h ek e yt e c h n i q u e si nc d m a m 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 tp l a y s a l l i m p o r t a n t r o l ei n r e s i s t i n g t h en e a v f a re f f e c t ，g u a r a n t e e i n g i n d i v i d u a l u s e r s 。q u a l i t yo fs e r v i c e ，i m p r o v i n gt h es y s t e mc a p a c i t y a n dp r o l o n g i n g b a t t e r yl i f e ， s i n c es i r - b a s e dp o w e rc o n t r o la l g o d t h mm a y g e tp o s i t i v ef e e d b a c k t oe n d a n g e r t h es t a b i l i t yo ft h es y s t e m ，e s s e n t i a lr e a s o n ，t h a ti n t e r f e r c n c ef r o mo t h e rm o b i l e s m a k e s p o w e r c o n t r o ll o o pc o r r e l a t e d ，i sr e c o v e r e dt of i td e c o u p l i n gr e l a t i o ni nc o n t r o l t h e o r y an e w p o w e rd e c o u p l i n gc o n t r o la l g o r i t h mi sp r o v i d e dw i t hd e c o u p l i n gc o n t r o l t h e o r y b a s e d o ni n s i d e d e c o u p l i n gm e c h a n i s m ，t h i sa l g o r i t h m e l i m i n a t e st h e p o s i t i v e f e e d b a c ke f f c c tb yc o m p e n s m i n g t h ee f f e c tf r o mt h ed e c o u p l i n gr e l m i o n m o d i f i c a t i o nn e e d e di s g i v e nb e f o r ea p p l y i n gt h ea l g o r i t h m t oa c t u a ls y s t e m s u c ha sw c d m a s y s t e m w e a kp o i n t so f t h i sa l g o r i t h ma r ep o i n t , o u tf o l l o w e db y t h e i rs o l u t i o n s t h eh i e r a c h i c a ls t r u c t u r eo f p o w e r m a n a g e m e n t a n dc o n t r o lf o rw c d m a s y s t e m a n dc a s c a d ec h a r a c t e r i s t i co fi n n e ra n do u t e rp o w e rc o n t r o la r ea n a l y z e d a tt h ee n do f t h ep a p e r t h e nan e wo u t e r - l o o pp o w e rc o n t r o ls o l u t i o nb a s e d p r e d i c t i v ec o n t r o l t h e o r y i si l l u s t r a t e d k e yw o r d s ：c d m a ，p o w e rc o n t r o l ，d e c o u p l i n gc o n t r o l ，p r e d i c t i v e c o n t r o l 北京邮电大学硕士学位论文 第一章c d m a 系统的功率控制技术 1 1c d m a 技术与c d m a 系统 1 1 1c d m a 技术的特点和分类 c d m a 技术的基础是扩频技术，即将需要传送的具有一定信号带宽信息数 据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机信道码进行调制使原数据信号的 带宽被扩展，并使用不同的扰码来区分终端或基站，再经载波调制发送出去。接 收端使用完全相同的扰码和信道码，与接收的带宽信号作相关处理把宽带信号 换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。 与f d m a 和t d m a 相比，c d m a 具有许多独特的优点，其中一部分是扩频 通信系统所固有的另一部分则是由软切换和功率控制等技术所带来的。c d m a 移动通信网是由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率再用等几种技术结合而成，含 有频域、时域和码域三维信号处理的一种协作因此它具有抗干扰性好、抗多径 衰落，保密安全性高，同频率可在多个小区内重复使用、所要求的载干t g ( c i ) 小于l 、容量和质量之间可做权衡取舍等属性。这些属性使得c d m a 相对其它 系统有非常明显的优势。 在i m t - 2 0 0 0 所包含的5 个无线接口技术标准中，有三种c d m a 技术标型l 】： i m t - 2 0 0 0c d m a d s ( i m t o d s ) 。 i m t - 2 0 0 0c d m ad s 是3 g i ? p 的w c d m a 技术与3 g p p 2 的c d m a 2 0 0 0 技术 直接扩频部分( d s ) 融合后的技术，仍然称为w c d m a 。此标准将同时支持o s m m a p 和a n s i 4 1 两种核心网络。 i m t 0 2 0 0 0c d m a m c ( i m t - m c l i m t - 2 0 0 0c d m am c 即c d m a 2 0 0 0 ，在融合之后只含多载波方式，即1 x 、 3 x 、6 x 、9 x 等。此标准也将同时支持g s mm a p 和a n s i - 4 1 两种核心网络。 i m t - 2 0 0 0c d m at d d ( i m t - t d ) i m t - 2 0 0 0c d m at d d 实际上包括低码片速率的t d - s c d m a 和高码片速率 的u t r a t d d ( t d c d m a ) 两种技术。这两种技术的物理层完全分开，分别采用 北京邮电大学硕士学位论文 我国c w t s 和3 g p p 的两套技术规范，层2 和层3 基本相同。 本文中的工作以基本的c d m a 技术为基础不依赖于具体采用技术的是 w c d m a 还是c d m a 2 0 0 0 ，但整个工作是以w c d m a 系统为背景展开的。 1 1 2c d m a 系统简介 以第三代移动通信系统u m t s ( 通用移动通信系统尸为例。 u m t s 按照功能，由核心网( c n ) 、u m t s 陆地无线接入i 网( u t r a n ) 、用户 设备( u e ) 三部分组成，如图1 1 所示。无线接入网负责处理所有与无线通信相关 的功能，核心网负责对话音及数据业务进行交换和寻找路由以便将业务接续至 外部网络，而用户设备连接用户和无线接口。c n 与u t r a n 的接口定义为i u 接 口，u t r a n 与u e 的接口定义为u u 接口。 u eu t r a nc n u e 用户设备 u t r a nu m s t s 陆地无线接入网 c n核心网 图1 1u m t s 系统结构 u t r a n 包含一个或多个无线网络子系统( r n s ) ，其结构图1 _ 2 所示。每个 r n s 都是u t r a n 内的一个子网，它包含一个无线网络控制器( r n c ) 和一个或多 个b 节点( n o l eb ) 。在不同的无线网络子系统可以通过r n c 之间的i u r 接口互 联，而r n c 和n o d e b 通过i u b 接口相连。 r n c 是负责控制u t r a n 无线资源的网络元素，它与c n 相连( 通常与c n 中的一个m s c 和一个s g s n 的相连) ，并且负责终止定义移动台和u t r a n 间的 消息和进程的r r c ( 无线资源控制) 协议。r n c 在逻辑上与g s m 的b s c 相对应。 n o d eb 的主要功能是进行空中接e ll 1 层处理( 信道编码和交织，速率匹配， 扩频等1 。它也执行一些基本的无线资源管理操作，例如内环功率控制，逻辑上， 它对应于g s m 的基站。 2 一 北京邮电大学硕士学位论文 一一一一一l 一二 图1 2u t r a n 结构( 椭圆表示小区) 1 2 无线传播环境 蜂窝无线移动通信系统中，电磁波传播的机理是多种多样的，但总体上可归 结为反射，绕射和散射。通常，无线信道的传播模型可分为l a r g e s c a l e ( 大尺度) 传播模型和s m a l l s c a l e ( 小尺度) 传播模型两种 3 1 al a r g e s c a l e 模型主要用于描 述发射机与接收机( t - r ) 之间长距离( 几百或几千米) 上的信号强度变化，表 征了接收信号在一定时间内的均值随传播距离和环境的变化而呈现的缓慢变化。 s m a l l s c a l e 模型用于描述短距离( 几个波长) 或短时间( 秒级) 内接收信号强度 的快速变化，表征了接收信号短时间内的快速波动。因此，实际的无线信道衰落 因子可表示为： 叩( f ) 三亭o ) f o ) ( 1 1 ) 式中，叩o ) 表示信道的衰落因子，掌( f ) 表示s m a l l s c a l e 衰落，f o ) 表示l a r g e s c a l e 衰落。 1 2 1 路径损耗与阴影衰落 实际上，式( 1 1 ) 中的f 0 ) 不仅与时间有关，还与t r 距离、载波和频率等 因素有关。基于理论和测试的传播模型指出，无论室内还是室外信道，平均接收 信号功率随距离的对数衰减。对任意的t - r 距离，平均l a r g e s c a l e 路径损耗表 北京邮l 包大学硕二匕学位论文 刁i 为： 氘d 枷k 。粉】+ 】吣妊) z ， 其中，”为路径损耗指数，表明路径损耗随距离增长的速率；d 。为近地参考距离， 由测试决定：d 为t - r 距离。在自由空间传播时，”为2 ，当有障碍物时胛变大。 在相同t - r 距离情况下，不同位置的周围环境差别非常大。测试表明，对任 意d 值t 特定位置的路径损耗f ( f ，d ) 又服从随机正态分布，即： 地d 枷k 。粉1 + l 叫。妊 + 以( f ) ( 1 ，) 其中l 为0 均值的高斯分布随机变量，单位为d b ，标准偏差为盯，单位也是 d b 。通常情况下，射频在9 0 0 m h z 时城市地区的盯一般介于4 8 d b 之间。f ( f ，d ) 的时间相关性由地形决定，般认为指数型的相关特性代表了慢衰落最快的情 况，并且与实测数据比较吻合。即f ( f ，d ) 的自相关系数满足下式： 矿 & ( 7 ) = 。x p ( 一量) 1 - 4 ) 其中：v 是车速，x 。是慢衰落的有效相关距离。 对数丁f 念分布描述了在传播路径上- 县有相同t - r 距离时，不同的随机阴影 效应。这种现象叫对数f 念阴影。 1 2 2 多径传播与快衰落 陆地移动信道的主要特征是多径传播。在移动传播环境中，到达基站天线的 信号不是来自单一路径，而是多条路径反射波的合成。由于电波通过各个路径的 距离不同，因而各路径来的反射波到达时间不同，相位也就不同。不同相位的多 个信号在接收端迭加。有时同相迭加而加强，有时反相迭加而减弱。这样，接收 信号的幅度将急剧变化，即产生了多径衰落。 移动信道的多径环境所引起的信号多径衰落，可以从时间和空间两个方面来 描述和测试。从空间角度来看，沿移动台移动方向，接收信号的幅度随着距离变 北京电大学硕士学位论文 动而衰减。其中，本地反射物所引起的多径效应呈现较快的幅度变化，其局部均 值为随距离增加而起伏下降的曲线，反映了地形起伏所引起的衰落以及空间扩散 损耗。从时域角度来看，各个路径的长度不同，因而信号到达的时间就不同。这 样接收信号中不仅包含发射的脉冲信号，而且还包含它的各个时延信号。这种 出于多径效应引起的接收信号中脉冲的宽度扩展的现象，称为时延扩展。 一般来说，在数字移动系统中主要考虑多径效应所引起的脉冲信号的时延扩 展。这是因为，时延扩展将引起码间串扰，严重影响数字信号的传输质量。 移动通信系统中的快衰落损耗可表示为善= 2 0 l o g z ，z 是快衰落幅度，在城 市移动通信环境中认为z 服从r a y l e i g h 分布其概率密度函数为： 郧) = 言e x p ( - 2 - 蓦) ( 1 5 ) 快衰落信号复包络的自相关函数： j r ( r ) = 盯； ( 竿v r ) ( 1 6 ) 其中，厶( ) 为零阶贝塞尔函数。 1 3 功率控制技术的功能与分类 功率控制作为c d m a 的一种关键技术 如下的作用： 属于无线资源管理的范畴，它具有 - 保证用户的q o s ：不同的q o s 要求体现在物理层就是不同的信号质 量而接收信号越强( 功率越大) ，信号质量也就越好。 _ 消除“远近效应”：实际系统中各信号不是绝对j 下交的，过高的功率 会干扰其它用户的接收信号，因此要保证移动台发射的信号到达基 站时功率相等。 一补偿阴影衰落和快衰落的影响：功率控制要求能跟踪并补偿无线信 道的变化。 - 减轻对系统的干扰，提高系统容量：保持较低的发射功率，不但能 降低对本小区内移动台的干扰，也能降低对相邻小区的干扰。 延长m s 电池的工作时间：较低的发射功率也能延长m s 电池的工 北京邮电大学硕士学位论文 作时间。 对于实际系统中的功率控制，需要考虑： 一质量测量：话音质量是主观性很强的量。一般认为信干比( s i r ) 更为 客观，并已广泛用于之前的研究中，尽管它并不理想。例如，在数 据传输中，误比特率( b e r ) 要求更为迫切，s i r 可能并不准确。如果 信号和干扰都不变，b e r 和s i r 能反映同样的质量。但在实际系统 中，s i r 是时变的，因此平均s i r 将与平均b e r 不相关。此时b e r 是更好的质量测量。 _ 可得的测量：通常测量报告包括反映质量的质量指示( q i ) 和反映接收 端接收信号强度的接收信号强度指示( r s s i ) 。这些值通过量化来使用 更少的比特。 _ 约束条件：由于硬件限制，输出功率受限于给定的范围。它包括量 化以及输出功率的上下限。 一 时延：测量和控制信号需要时间从而导致了网络的时延。 功率控制技术可按不同的方式分为多类【4 】，如图1 4 所示。 反向链路 前向链路 ；嚣卜丁森 连续功率 离散功率 基于强度 基于s i r 基于b e r 开环 闭环( 内环、外环) 固定步长 自适应步长 图1 4 功率控制技术的分类 ( 1 )反向功率控制与前向功率控制反向功率控制主要是各移动台实 时调整自己的发射功率，使本小区内移动台信号到达基站接收机时 能够达到保证通信质量的最小信噪比门限。前向功率控制是根据移 动台提供的测量结果或控制命令，基站调整对每个移动台的发射功 率，使所有移动台接收到的信号功率基本相等。前向功控的作用远 不如反向功控。 北京邮电大学颐。仁学位论文 ( 3 ) 集中功率控制与分散功率控制集中功率控制由个含有已建立 连接和信道增益所有信息的集中控制器控制网络或部分网络的所 有功率电平。集中功率控制要求使用多种控制信号，因此在实际中 难以实现。分散控制只控制一个发射机的功率，而且算法只涉及局 部信息，如特定用户的s i r 或信道增益。实际系统中都是采用分散 功率控制。 基于信号强度的功率控制基于s i r 的功率控制及基于b e r 的功 率控制在基于信号强度的方案中，测量到达基站的信号强度，并 将之与期望信号强度相比，然后发出调整相应发射功率的命令。在 基于s i r 的方案中，s i r 为测量量其中的干扰包括信道噪声和多 址干扰( m a i ) 。基于信号强度的功率控制方案较易实现。但是准确 度不如基于s i r 的功率控制方案。而基于s i r 的功率控制方案会带 来一个隐患可能在系统中引起正反馈。当移动台收到指令要提 高传输功率时，功率的提升将会导致对其他移动台的干扰增加，为 了达到自己的期望s i r 其他移动台也要被迫提高功率，从而在系 统中形成了j 下反馈。当载波和干扰功率都为常数时，b 职是s i r 的 函数，而且二者的q o s 相同，但由于s i r 是时变的，所以平均s i r 和b e r 是不同的，此时，b e r 是更好的质量测量。出于实际系统 中都要用到信道编码，功率控制可以基于平均帧的出错数目。 开环功率控制、内环功率控制以及外环功率控制内环功率控制适 用于地面蜂窝系统，但是在低地轨道卫星无线通信系统中由于衰 落太快，以及较大的往返传播时延以至于闭环功率控制无法追踪信 道的变化，此时只能使用开环功率控制。移动台首先检测接收到的 基站导频信号功率，如果移动台接收到的信号功率小表明在前向 链路上此刻的衰耗大，并由此认为反向链路上的衰耗也将较大。为 了补偿这种预测来的信道衰落，移动台将增大发射功率；反之将减 小发射功率。开环功率控制是为了补偿信道中的平均路径损耗及阴 影效应但是由于前后向信道的不相关性，它不能补偿多径衰落。 外环功率控制用来调整内环功率控制的目标s i r 。它基于b e r 和 北京邮电大学硕士学位论文 f e r ( 误帧率) 的测量，根据移动台环境的变化或功率控制的需要来 改变目标s i r 。 ( 5 )功率控制步长固定与功率控制步长自适应的功率控制技术自适 应步长方法的一个典型的例子就是反向更新算法。这一算法根据接 接信号的功率和期望信号的功率差值来增加或减少移动用户的传 输功率。在定步长算法中功率控制仅占传输数据帧中的一个比特。 它的性能不及反向更新算法，但它的最大优点就是易于实现。由于 反向算法需要在信号返回信道上附加带宽来承载功率控制步长大 小，相对于固定步长算法的l 比特开销，就显得复杂多了。 ( 6 )功率电平被控制在连续功率域与功率电平被控制在离散功率域的 功率控制技术数字系统中的传输功率只能以离散电平进行修正， 这就涉及到如何通过选取函数将连续功率控制算法离散化。 另外，在功率控制测量和命令信号传输时，可以采用电路交换和分组交换两 种交换模式。电路交换适合于对时延较敏感，线路占用时间长的业务如话音、 视频以及大规模数据传输；分组交换适用于对时延不敏感，占用线路时间短的业 务。突发信息源一般采用包通信，由于各个数据包之间可能存在大的间隔，如果 采用闭环功率控制反馈信息的错误概率就可能增大，反而恶化了系统性能。 1 4 功率控制的研究现状及论文的主要工作 1 4 1 功率控制的研究现状 近来，对功率控制的研究一般都是咀开环功率控制决定初始发射功率，内环 功率控制根据外环功率控制设定的目标值来动态调整发射功率这样一个研究框 架为基础的，只有基于b e r f e r 的功率控制没有严格区分内环和外环功率控制。 通常功率控制研究的是上行链路，下行链路的情况类似于上行链路。因此，在下 文中，除非特别指明，功率控制指的都是基于s i r 的上行链路的闭环功率控制。 首先要提到的功率控制算法是协议( i s 9 5 ，c d m a 2 0 0 0 ，w c d m a 9 1 ) 支持的 基于增量调制的固定步长算法( d mt p c ) ：如果接收信号的功率或s i r 高于( 或低 于) 要求，移动台会减小( 或增加) 固定数量的发射功率。 北京邮电大学硕士学位论文 针对标准功率控制算法的不足，有以下几种内环功率控制算法： 1 脉冲编码调n i j ( p c m ) 算法 6 1 ：按测量值与要求之间差值的大小将控制命令编 码为多个值。与简单的u p d o w n 相比收敛速度更快，但可能降低系统的容 量。 2 时延补偿算法1 7 i ：通常的分析都忽略了实际系统中存在的多处时延，时延补 偿算法在输入和输出之间引入了一个时延补偿器，使输出结果经时延补偿器 反馈到输入端，用来补偿时延带来的误差。 3 随机线性二阶最优控制算法【8 】：假设在s i r 测量包括白噪声，提出了一种分 布式算法，使用最优控制理论的基于s i r 的随机功率控制策略，在保证稳定 性的前提下，使移动台发射功率的变化与s i r 误差的和最小化。 4 随机非线性反馈算法【9 】：针对c d m a 反向链路在衰落环境下使用增加降低功 率控制算法，导出了一个随机非线性反馈控制系统模型，并使用统计线性化 的方法来研究这种非线性模型下功率控制的性能。 5 分层的功率控制算法【10 】：将功率控制按移动台与基站分成两层：移动台使用 自己的信息柬独立的调节自己的s i r 目标，基站根据移动台反馈来的信息在 系统范围内调整各移动台发送的数据速率。 6 基于增益预测的功率控制算法【“1 ：在多径环境下，采用不同的方式，根据不 同的原则来预测路径损耗，根据预测值，通过功率控制获得更低的掉话率。 7 基于信号强度和s i r 相结合的功率控制【2 1 ：将基于信号强度和基于s i r 两种 功率控制策略结合起来，把系统状态划分成四个状态，针对会导致“正反馈” 的状态信号强度高于目标值而s i r 低于目标值，自适应的改变调节的步 长，谨慎地提高发射功率，同时调整两个目标值，减少进入该状态的机率。 1 4 2 论文的主要工作及意义 闭环功率控制包括内环和外环两个部分，本文侧重于内环，此外还针对 w c d m a 系统提出了一个外环的设计方案。 在接收到的某个移动台的信号中其它移动台发射的功率是作为它的干扰而 存在的。如果不考虑这种影响，采用标准的基于s i r 的功率控制算法将会产生“正 反馈” 1 2 1 现象：一旦某个移动台提高发射功率，就增加了对系统中其它移动台 北京邮电 学颤士学位论文 的干扰，从而降低了这些其它移动台的s i r ，基站就会要求这些移动台也提高发 射功率，最终导致各个移动台都不断提高发射功率以至于达到其发射功率上限。 实际上，各个移动台发射功率的控制回路并不是多个独立的控制回路，因而 不能孤立地去分析每一个控制回路。事实上正是它们存在的这种关联关系( 耦合 关系) 导致了系统的不稳定性，在应用成熟的单控制回路的控制方法之前，需要 设计一个解耦装置，用它去抵消本来就存在于过程中的关联，以便进行独立的单 回路控制。常用的多变量解耦控制的综合方法有对角线矩阵综合法、单位矩阵综 合法和前馈补偿综合法。考虑到用前馈补偿综合法得到的系统结构简单，实现方 便，本文基于日n 馈补偿综合法的思路设计了一个神经网络解耦控制器将这些关联 关系解耦，在控制器的设计过程中还应用最优化理论对控制器的输出进行适当的 优化，从而提高系统的性能。 论文的其它部分包括七章： 第二章：首先分析了标准的功率控制模型，然后功率控制作用作了适当的扩 展，得到更具一般意义的功率控制模型。 第三章：介绍本文的功率控制算法所要用到的解耦控制原理及典型的解耦控 制算法。 第四章i 本文的核心部分。根据多变量非线性系统神经网络自适应解耦控制 原理，设计用于功率控制的解耦控制器，给出了相应的控制算法，并通过仿真来 分析该控制算法的性能。 第五幸：指出该算法应用于现有的c d m a 系统需要注意的地方。 第六章：提出了一个基于预测控制的w c d m a 外环功率控制的设计方案。 第七章：指出解耦控制算法的改进和扩展之处，并给出了外环功率控制下一 步的工作方向。 第八章：简单的小结本文。 北京邮电大学硕士学位论文 第二章功率控制模型 2 1 上行链路功率控制过程 上行链路闭环功率控制过程由内环和外环两个部分组成。外环功率控制估计 接收信号的质量指标，与用户的质量要求相比较，决定内环功率控制的控制目标 值。内环功率控制根据外环功率控制提供的目标值，与接收信号的测量值相比较， 动态调整发射机的发射功率。用户的质量要求由无线资源管理中的接纳控制给 出，并由负荷控制动态调整。 考察整个闭环功率控制过程，就会发现它与自校正控制系统的典型结构( 如 图2 】所示) 几乎完全一致，不同之处在于控制器参数同时也是内环控制器的参考 信号。 性能指k 控铕。 拱1 1 参数设计l 1 + l 爹裂仙丌 _ 控制器参数i ( ht 参考信是j j j _ 墙相f 揣入 f - ，b 一 f h “”i 1 一一i 图2 1 自校正控制系统的典型结构 通过抽象出功率控制过程的控制论模型，就可以应用已有的控制理论与方法 对其进行分析。 这里先关注内环功率控制过程，有关外环功率控制的工作见第六章。 典型的上行链路内环功率控制过程如图2 2 所示。 基站利用所接收的导频信号测量s i r 。当所测s i r 大于所设定的目标s i r 时， 通过下行链路发送一个用于指示移动台增加功率的控制命令，否则将发送减小功 率的控制命令。移动台根据接收到的功率控制命令增加或降低一定的发射功率。 目标s i r 值由外环功率控制提供。 北京邮电大学硕= 匕学位论文 、 接世塑l 订而面丽丽l 订面丽i _ 巾丽 扩频 叫调制 叫基带滤波功率调整 下行链路 命令 图2 2 典型的内环功率控制过程 在图中功率控制研究的部分包含在虚线框内，其它的如对信号的处理与测 量则超出了功率控制本身的研究范围，其核心部分在于根据对s i r 的比较做出功 率控制命令。如何设计这个控制器( 或控制算法) ，是功率控制研究要解决的问题。 2 2 功率控制的控制论模型 典型的连续控制系统的结构如图2 3 所示，它由控制对象、测量环节、比较 器、调节器和执行器构成输出反馈控制系统。 图2 3 典型的连续控制系统 对于功率控制过程，调节器( 控制器) 做出控制命令，由执行器调整发射功率控 制对象是无线信道，具体而言是衰落，详见1 2 节。 从控制对象的角度来分析控制问题要考虑的输入、输出和干扰，它的分析框 图如下。 图2 , 4 功率控制框图 北京邮电大学硕士学位论文 ( 1 ) 可控输入：移动台的发射功率： ( 2 ) 干扰：多址干扰( m a i ) 、背景噪声； ( 3 ) 测量输出：接收功率、接收信号的s i r 、接收的扩频信号 ( 4 ) 控制输出：功率调整的大小。 2 3 功率控制的数学模型 2 3 1 标准控制算法的数学模型 针对一条有k 个用户的c d m a 上行链路，基站接收到的信号功率是所有用 户的信号功率与背景噪声的叠加： j ，( ，) ：ki p 。( f ) + 丙( ，) 其中p ，( t ) 表示基站接收信号的总功率p ，。( f ) 表示基站收到的来自移动台 i 的信号功率，n ( t ) 表示背景噪声功率。在多数情况下会使用变量的对数值，为 了区分变量值是否为对数形式，对于变量工，用x 表示它的对数值，用i 表示它 的线性值。， 定义如下变量：晶( ，) 表示在基站与移动台j 之削的链路增益，只0 ) 表示移 动台i 发射的功率，y ，( f ) 表示接收到移动台i 信号的信噪比，y m ) 表示移动台f 的目标信噪比。 对移动台f ， 它发射的功耗c 川御沁m g n ( 器卜写成对数形式： p ，( f + 1 ) = p ，( ，) + 属s g n ( r ( t ) - r ( ，) ) ( 2 1 ) 基站接收到来自它的信号的功率i 。( r ) = ；( r ) j ，( ，) ，写成对数形式： p 。( f ) = g ( r ) + p ，( ，) = 筹= 鬻，写成对数形式 北京邮电大学硕士学位论文 一( t ) = p ( t ) + g ( f ) 一，( f ) ( 2 2 ) 其中7 j ( f ) = 爵o ) 元( ，) + 亓( ，) ，写成对数形式： ， ，( r ) = l o l o g 、。( 蚕，o ) 瓦( ，) + 万( ，) ) 。 ( 2 。3 ) 。 按照离散系统的状态空恻分析法，方程( 2 1 ) 为状态方程，描述了系统状态的 变化，方程( 2 2 ) 为输出方程，反映了系统的输出与系统所处的状态和输入之间的 关系，它们共同描述了系统的工作过程。 2 3 2 扩展的数学模型 在上述的标准功率控制模型中其控制作用是确定的，即仅根据本控制回路 的已知信息以固定步长提高或降低发射功率，因此必然会产生上面提到的“正反 馈”现象。要得到更好的控制效果就需要对此功率控制模型进行扩展，以新的 控制作用来代替这种控制作用。为了求得新的控制作用，先假设控制作用未知， 建立起更具一般意义的功率控制模型在此基础上再根据下文将要提出的神经网 络解耦控制算法来推导出在任一时刻的控制作用“，。也就是说，在新的功率控 制模型中，其状态方程变为鸭 p ，o + 1 ) = p o ) + ”( t ) 0 一( f ) 一，。( ，) ) 。 ( 2 4 ) 虽然方程( 2 4 ) 与方程( 2 1 ) 中最后一项的形式不一样。( 2 4 ) 是线陛形式t ( 2 1 ) 是非 线性形式，但最终的效果是一样的，都是作为功率调整的幅度。但采用如( 2 4 ) 这样的线性形式，更便于进行数学分析和求解。后面还将提至可以采用另一种形 式：+ p p + 1 ) = p ，( ，) + “，( ，) + ，；( f ) 一 ( ，) 采用这种形式，后续的数学推导较为复杂，因此本文最终采用( 2 4 ) 的形式。 以3 个移动台的情况为例，可以给出对于各个移动台干扰的表达式： 州f ) ：1 0 1 0 9 i 。岛嗍+ 1 0 l o l o g ( 1 01 0 川+ ，i ( f ) =i o 川o + 门o + 万( f ) ) ，( f ) ：1 0 1 0 9 l oc“。卜9。“+10lolog 1 01 0 洲蛔o + - ( r ) ) ，2 ( f ) = 门o + 门o + _ ( r ) ) ，3 ( ，) ：1 0 1i。渺9。+10lolog(101 0 哪+ ) 。，3 ( f ) =i o 1 0 + 。o + 筇( f ) ) 。 北京邮电大学硕士学位论文 将上面三式代入( 2 4 ) 中，得到新的状态方程如下： 玳+ 1 ) ：肿) + u i ( 州，：0 ) 一肿) 一舭) + g ( 1 0 删”。+ 1 0 圳“) ) 础+ 1 ) ：肿) + “：0 ) ( 麒沪聃) 一g ：p ) + g ( 1 0 肿9 。+ 1 0 肿。) ) 聃+ 1 ) ：n ( ，) + “3 0 ) ( 麒r ) 一肿) 一鼬) + g ( 1 0 删哪+ 1 0 删“。) ) ( 2 5 ) 定义函数f ( ) ：f ( 工) ：l o c f o ，将功率值由d b m w 为单位换算成以m w 为单位； 函数g ( ) ：g ( x ) = 1 0 i o g ( x + 万( ，) ) 。根据上面的结果，3 个移动台的功率控制的方 框图为： 图2 53 个移动台的功率控制方框图 图中e ，( ，) = ，? 0 ) 一y f t ) ，u ，0 ) = q ( f ) - 1 , 1 ( r ) ，f = 1 , 2 ，3 。 从这个方框图中可以看出： ( 1 )c d m a 的功率控制问题是一个非线性控制问题。非线性体现为：主 要的控制过程是在对数域中进行的，而作为干扰的信号强度却是线 性相加的，在各个量的线性值与对数值之间存在一对非线性转换f 和g 。 。 北京邮电大学碳士学位论文 ( 2 ) 对于功率控制问题，c d m a 系统是个时变系统，它的时变性来源 于路径增益的时变性( 如果不考虑用户数的变化) 。 ( 3 ) 在基站接收到的移动台i 的信号中，其它移动台的信号作为对它的 干扰，影响着接收信号的信噪比，这种信号间的关联关系是系统本 身固有的。通过这种内在的耦合关系，对单个移动台的控制作用实 际上对其它移动台也附带发生了作用。这种附带作用是不必要的， 由于它必然会存在，因此需要采用下文要提到的解耦控制器来抵消 它。 北京邮电大学硕士学位论文 第三章解耦控制原理 3 1 解耦控制原理 以一个两输入两输出系统( 如图3 1 ) 为例，图中r l ( s ) ，r 2 ( s ) 分别为两个 控制回路的给定值：y i ( s ) ，y 2 ( s ) 分别为两个控制回路的被控量；y i ( s ) ，y 2 ( s ) 分 别为两个控制回路调节器的传递函数：g ( s ) 是对象的传递矩阵，其中g i i ( s ) 是调 节器d l ( s ) z r jy l ( s ) f f 0 作用通道，g 2 t ( s ) 是调节器d i ( s ) 对y 2 ( s ) 酏j 作用通道，g z 2 ( s ) 是调节器d 2 ( s ) 对y 2 ( s ) 的作用通道，g 1 2 ( s ) 是调节器d 2 ( s ) a - c 寸y l ( s ) 的作用通道。 图3 1两输入两输出系统的耦合关系 两个控制回路的耦合关系实际上是通过对象特性g 1 2 ( s ) ，g 2 i ( s ) 相互影响的， 为了解除两个控制回路之间的耦合关系需要设计一个解耦装置f ( s ) 。如图3 所 示，f ( s ) 由f t l ( s ) ，f 1 2 ( s ) ，f 2 1 ( s ) ，f 2 2 ( s ) 构成，通过解耦装置f 2 1 ( s ) 消除u l ( s ) 对 y 2 ( s ) 的影响，通过解耦装置f 12 ( s ) 消除u 2 ( s ) 对y l ( s ) 的影响。 业城 + l j d ( s ) f 0 ) ：口砜! f 尘 吲婴产磐 ：o )l g ( s ) g i i ( s ) 越引 ， 鬣s ) 、 g 2 2 ( j ) 一( 点 l ( s ) 图3 2解耦控制原理 经过解耦以后的系统成了图3 3 所示的两个独立的系统。此时两个控制回路 完全消除了相互的耦合和影响，等效为两个完全独立的系统。 - 1 7 北京邮电大学硕士学位论文 图3 3解耦控制系统的等效图 对于多变量解耦控制，系统可表示成如图3 4 所示。 图3 4 多变量解耦控制系统 图3 , 4 中r ( s ) 是输入向量；y ( s ) 是输出向量；e ( s ) = r ( s ) 一y ( s ) 为偏差向量； d ( s ) 为控制矩阵；g ( s ) 为对象的传递矩阵：f ( s ) 为解耦矩阵。 由图3 4 可以推导出系统的开环传递矩阵 g a s ) = g ( s ) f ( j ) d ( s ) f 3 1 1 系统的闭环传递矩阵为 g 。( s ) = 【l + go ( 5 ) 】g 。( s ) 或 g 。( s ) = g 。( s ) 【i g 。( j ) 】 ( 3 2 ) 对于多输入多输出系统，要求各个控制回路相互独立，系统的闭环传递矩 阵必须是对角线矩阵，即 阵。 g 。( j ) = 旺i i ( 5 ) 0 0 o 0 g c l l ( j ) 0 ： 0 0 0 g i i ( s ) ： - 0 0 0 0 g 。( s ) ( 3 3 ) 由( 3 3 ) 式，g 。( s ) 是对角线矩阵，必为对角线矩阵，因此也必须是对角线矩 在( 31 ) 式的开环传递矩阵中，通常，对于控制矩阵d ( s ) ，由于各个控制回路 一 苎蔓坚皇奎兰堡主兰垄笙苎 的控制器是相互独立，d ( s ) 必为对角线矩阵，所以只要g ( s ) f ( s ) 为对角线矩阵， 便可满足各个控制回路相互独立的要求。因此多变量解耦控制的设计要求是：根 据对象的传递矩阵g 。( s ) ，设计一个解耦装置f ( s ) ，使得g ( s ) f ( s ) 为对角矩阵。 3 2 多变量解耦控制的方法 1 9 6 4 年m o r g a n 在现代控制理论的框架下，正式提出了m i m o ( 多输入多输 出) 线性系统的输入输出解耦控制，即著名的m o r g a n 问题。此后，对解耦控制的 研究逐渐转到对非线性系统上来。根据研究对象的不同，可以解耦控制的方法分 为两类：线性解祸控制方法和非线性解耦控制法。 3 2 1 线性解耦方法 多变量的线性解耦控制方法有三种：对角线矩阵综合法；单位矩阵综合法； 前馈补偿综合法。下面简要介绍将要用到的前馈补偿 法【1 4 1 的原理。 前馈补偿综合法实际上是把某通道的调节器输出对另外通道的影响看作是 扰动作用，然后，应用前馈控制的原理解除控制回路间的耦合。前馈补偿解耦 控制系统的方框图如图3 5 所示。 一上 g ，, ，i f - j 1 氇，( o 、 夕， r 却矾l 星函j g 2 2 ( s ) - 图3 5 前馈补偿解耦控制系统方框图 前馈补偿解耦装置的传递函数，可以根据前馈控制原理求得，从图3 5 可得 g 1 2 ( s ) + d i ( s ) g 1 1 0 ) = 0 前馈补偿解耦器1 的传递函数 北京邮电大学颐士学位论文 ， 啪) _ _ 器 又 g ! l ( s ) + d ，( s ) g 2 2 ( s ) = 0 ( 3 4 ) 前馈补偿解耦器2 的传递函数 d ，小卜器 ， 用前馈补偿综合法得到的系统结构简单，实现方便。 3 2 2 非线性解耦方法 考虑如下非线性系统 f i = ，( x ) + g ( x ) u 【y 2 6 ( x ) 1 其中t f ( x ) g ( x ) 和b ( x ) 都是r n 上的函数，寻找一个可能的状态反馈 u = 口( x ) + 卢( x ) h 陋( 划o 和一个新输入的分划v ，使得闭环控制系统是解耦的， 这就是非线性输入输出解耦问题，又称为非线性m o r g a n 问题。根据状态反馈的 不同形式，可将其划分为非线性静态解耦和非线性动态解耦。目前，用于非线性 解耦的方法非常多，各有自己的优缺点，占主导地位的是微分几何方法和微分代 数方法，此外以基于神经网络的解耦控制和模糊解耦控制为代表的智能解耦控制 也正引起学者们的关注。 3 。2 2 1 微分几何方法 微分几何控制理论【l 习是近些年来研究非性控制的主流方法。它的基本思想 是通过研究非线性系统对于状态和输入坐标变换的不变性来揭示非线性系统独 立于这些变换的固有性质。通过变换非性系统可咀化为线性系统来处理。这种线 性化处理不同于只在某点附近的近似线性化经典理论的方法，而是在大范围( 甚 至全局) 的精确线性化。运用该方法，有可能实现非线性系统的大范围分析综合。 微分几何方法在很多概念上与线性系统几何理论有着相互对应的关系。 微分几何方法在揭示非线性系统的本质方面以及对具体非线性系统设计方 北京邮电大学砸e 学位论文 面都起了极为重要的作用。它在很大程度上解决了非线性解祸中的许多关键问 题，例如，局部受控不变分布、能控性分布及其计算、解耦控制的可解条件等。 但这种方法要求被控对象必须用精确的数学模型来描述，因此难于实现自适应控 制。 3 2 2 _ 2 神经网络解耦方法 神经网络解耦控制系统的结构通常采用以下三种形式f 1 6 j ，如图3 6 所示。 a ) 串联方式( 神经网络解耦器在前) b ) 串联方式( 神经网络解耦器在后) c ) 输出反馈方式 图3 6 神经网络解耦控制系统结构 本文采用的是图中的结构a ) ，即将神经网络的输出作为控制器的一个输入。 神经网络解耦补偿器一般采用三层前向神经网络实现，用b p 学习算法训练。 b p 网