（电磁场与微波技术专业论文）wcdma系统中的功率控制、速率控制和系统容量的研究.pdf

摘要 功率控制是c d m a 系统的关键技术之1 ，它不仅能够克服“远近效应”，更 重要的是能够减少用户问的多址干扰从而提高系统容量。在第三代移动通信系统 l j ，对功率控制提出了新的要求。本文研究了w c d m a 系统的功率控制、速率 控制以及系统容量。在总结传统单一业务功率控制技术研究成果的摹础上，采j 1 j 了正向链路部分平衡的功率控制算法和反向链路分布式功率控制算法，这两种算 法能够为多媒体业务提供不同质量( 时延和b e r 要求) 的服务，可以保证高优 先级业务所需要的服务质量，也可以最大化低优先级业务的通信链路传输质量。 采“j 根据业务的优先级将业务传输速率和发射功率联合控制的方法，可以使信道 的利川率达到晟大化，减少网络拥塞。最后对多小区环境下非均匀业务分布的 w c d m a 系统容量进行了分析，根据一个两小区模型总结出了提高系统容量的 业务负荷分布策略。 关键词：w c d m a ，功率控制，速率控制，系统容量 a b s t r a c t t r a n s m i s s i o np 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 s v s t e m s i t c a ns o l v et h e “n e a r - f a r p r o b l e m ”a n dr e d u c et h em u l t i p l e a c c e s si n t e r f a c ef m a l lt h u s i m p r o v et h es y s t e mc a p a c i t yg r e a t l y i nt h ef u t u r et h i r dg e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，i t i se n d u e dw i t hn e wr e q u i r e m e n t s i nt h i s p a p e r , w ed i s c u s st h ep o w e r c o n t r o l ，r a t ec o n t r o la n ds y s t e mc a p a c i t yi nw c d m a s y s t e m o nt h eb a s i so fa l lt h e e x i s t i n gw o r k si nn a r r o wb a n dc d m a c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s ，w ea d o p tt h ef o r w a r d l i n kp a r t i a l b a l a n c ep o w e rc o n t r o la l g o r i t h ma n dt h er e v e r s el i n kd i s t r i b u t e dp o w e r c o n t r o la l g o r i t h m ，w h i c hc a np r o v i d en e c e s s a r yq u a l i t yo f s e r v i c e ( q o s ) ( t i m ed e l a y a n db e rr e q u i r e m e n t s ) f o rm u l t i m e d i at r a f f i c si nw c d m a m u l t i m e d i aw i r e l e s s s y s t e m b o t ho f t h et w oa p p r o a c h e sc a nm a x i m i z et h e e h i n o ft h es e r v i c e sw i t h l o w e rp r i o r i t yo r d e r sa tt h ec o n d i t i o nf o rg u a r a n t e e i n gt h eq o s r e q u i r e m e n t so ft h e s e r v i c e sw i t h h i g h e rp r i o r i t yo r d e r s w ea l s ou s et h ei n t e g r a t e dt r a n s m i s s i o nr a t ea n d p o w e r c o n t r o la l g o r i t h ma c c o r d i n gt ot h et r a f f i c s p r i o r i t yo r d e r s i tc a nm a x i m i z et h e c h a n n e l u s a g ea n dr e d u c et h en e t w o r kb l o c k a tt h ee n d ，b a s e do nt h em o d e lo f n o n 。u n i f o r md i s t r i b u t i o n so fu s e r si nm u l t i - c e l le n v i r o n m e n t ，t h i sp a p e ra c q u i r e st h e o p t i m a lr e c e i v e dp o w e r o fe a c ht r a f f i cb yi t e r a t i o nu n d e ri d e a lp o w e r c o n t r o l ，t h e nw e a n a l y z et h er e c e i v e dp o w e ru n d e rt h ec o n d i t i o no fh e a v yl o a d e dt r a f f i ca n dl i g h t l o a d e dt r a f f i ci ns y s t e m k e yw o r d s ：w c d m a ，p o w e rc o n t r o l ，r a t ec o n t r o l ，s y s t e mc a p a c i t y i i 耋耋主兰奎兰慧圭茎竺鎏耋；。! 罂蝥量鎏圭兰耋蹬耋兰坚耋鎏些耋量：鋈苎竺黧丝 第一章绪论 1 1 第三代移动通信系统概述积本论文憋意义 随着社会的发鼹，人们对通信的震求越涞越毫。由于夫类政治、经滂活动范 闹日益趋扩大及效率的不断提高，要求实现通信的最高目标：无论任何人在f t 何 时候和钰孵地点都浚移另终侄镌。令人进行经餐方焱( s w ) 豁遥售。穆破邋镀 怒实现这+ 理想订标的有效手段。i = ；l 前移动通信系统在全球藕围内得到了迅速的 发壤，基乎f d m a 秘t d m a 的笺二代遥傍系鲮委在全球备镳成功静运行，疆毒 宽带业务、高速率业务的不断增长，世界各豳正在加紧研制邋应宽带莎媒体业务 的楚三代移葫通信系统“o 。 筇三代移动邋信系统照指能憾满足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 n s u n i o n ) 的i m t - 2 0 0 0 系统要臻麴毅一4 线移动逑缤系统。i m t - 2 0 0 0 是i n t e r n a t i o n a l m o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n2 0 0 0 的英文缩写。是集蜂窝、无缀卫星移动通信为 傣提供包蕞薹撬毅( 运续艇玛) 在内豹多监务、多媒传、综合豫戆一个系统。该系 统能ji s d n ( i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a l n e t w o r k ) 和p s t n ( p u b l i c s w i t c h e d t e l e p h o n en e t w o r k ) 甄联；势必i n t e m e t 麓接入捷袋慈速、灵灏、方霞熬鼹务。葵 倍令接口的标准是按照开放式系统飘联的模式建立的，具有党善的保密和身份验 避熬珐毖。同瓣，l m 暑2 e 也是必了滚跫嚣线令久 l 蘧售遥鞘蟊拣邃圣亍竣诗瀚， 式个全球无缝覆盏，全球漫游，包括卫星移动通信、陆地移动通信和无绳电话 等蜂窝移动通信黪大系统，可浚寇公众提供整嚣鼗产赫不缝撼供豹备耱宽蒂信惫 业务，如蕊速数据，慢速图像与电视图像等，速率达2 m b p s ，锵宽在5 m h z 以+ l 。 在i m t - 2 0 0 0 轹准仡的王孬；艮最重要翡楚黠予无线转徐狡来静逡择，特羽 是对多址技术的选择。无线传输技术( r r r ) 是第三代移动通信系统的重要组成 部分，丰婺龟季羞多缝技末、潴躺技术、绩遂编辑弯受织、双王技本、豹理信道鲭 构与复j 1 j 、帧结构、r f 信道参数等。其中多址技术的选择具有重要的意义，它 楚季| | 多涮户霹戬莛享无线资源敬授术，对无线接翟静设诗肖蓑重蝥静影嫡。 西北工业走擘磁士学位论踅城糯 举统中鹤功毕控制，速率控稍和幂统容量的研究 - - , i i i n 帚 i i # ；i i i ；# i 并 欧淡掇崽鳃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 n ss y s t e m ) 无线转簸技 术韦要采川两种，即w c d m a 和t d - c d m a 。在非埘称频段( t d d 模式) 荣刚 t d 。c d m a ，在黠拣颧段( f d d 模式) 采臻w c d m a ，融时搜臻双摸终壤。t d d 模式川于慢速移动，f d d 模式_ _ i 于快速移渤。在u t r a ( u m t st e r r e s t r i a lr a d i o a e c e s s ) l 遗稀模式；氐t d - c d m a 在蔽凝繁宽，褥痔速率，椟长等参数土疯w c d m a 靠拢。北荚提出的c d m a 一2 0 0 0 是襁c d m a i s 一9 5 和i s ，9 4 标准的綦础上提出的。 w c d m a 建立在窑豢c d m a 鏊穗主，鬻适应多耱速率簿捷输，爱涯豁提供 多种业务；优化分组数据传输方式；支持不同载频之问的切换：上下行快速的功 率挺麓；爱彝采瓣罄频辕蘩抟援于稔溅技寒提袁了系统爱蠢戆艇调饕蘸彝珐擎控 制的精度，荠充分考虑到俯号设计对电磁兼容的影响。w c d m a 主聚有以下特 点； 1 接入方式为d s c d m a 方式。 2 ，秘挨方式镪耩三耱，鞲：癞送较谫疑、，j 、嚣软韬挨霸载频瓣嫒韬换。 3 编码方式办包括三种：在语啬信道策用卷积粥( r 一1 3 ，k = 9 ) 进行内部 缩弱窝v e t e r b i 瓣羁 在数据嫱遂采瓣r e e ds o l o m o n ( r s 3 6 、3 2 藕鸹；在 控制信道浆j 1 1 卷积码( r = 1 2 ，k 罩9 ) 进行内部编码和v e t e r b i 解码。 4 辫片速率为4 。0 9 6 m b i f f s 、g 1 9 2m b i f f s 稻1 6 。3 8 4m b i f f s ，载频瓣戳海 5 1 0 2 0 m h z ，帧长为1 0 m s 。 5 对多缝秘熬选取哥漾臻长褥热疆褥扩獗豹方式，鞠下行莱麓不穗长度 ( 2 5 ，2 6 ，2 7 1 短树形结构码( w a l s h ) 米区分信道和采用不同偏毁( 起始相 位) 魏长弼 2 8 一 ；瀚b 融窿弱寒涎努錾蛄，磊褒上 亍瑟| 采鲻甭弱镳嚣 的长码( 2 “一1 l 的g o l d 序列来区分用户。 6 爱向莹遵蒯耀导鞭铸号逶霸数蠢鞠予解调，瓣丽糍大大提裔系统魏挫能。 7 b t s 之问无需同步，因b s 可收发鼎步之问的p n 码，即b s 可跟踪对方 靛寤魏p n 褥，礴时m s 也滔滔簌并鞠p n 戳进行孺获弓跟踪，闵丽可获 得同步米支持越区切换和宏分集，i i i i 在b t s 之问无襻进行同步。 8 逐癍多辩逡率馥话输，可爱活豹提供多静、韭务，并撮据不翻麓监势藤羹 军f l 渡务速零分配不同的资源，同时埘多速率、多媒体的业势可以通过激 变扩频浇( 对于低速率瀚3 2 k b i t s 、6 4k b i t s 、1 2 8k b i t s 鞠鼗务) 鞠多俩 2 蝣抱3 - a k 走擘硕士学饭论疋馘：d 懿系统中的研率控制，逋翠控制和系统容量的研究 势行传送( 对予楚予1 2 8k b i t s 沟效务) 熬方式寒实蕊。 9 上下行高效快速的功率控制大大减少了系统的多址干扰，提高了系统密 鏊。疑瓣璁黪诋了转羲速攀。 在诸多的w c d m a 关键技术t p ，功率控制技术是采川相关接收技术羽 c d m a 移葫逶绩系统；i - , 必不霹少瓣接寒。鼓然已鸯籀当多鹣文献对c d m a 移凌 通信系统i i 的关键技术有了相当多的研究。但多数烂针对窄带和低速c d m a 系 绕豹，籀莱直接耨这些磺究缤采豫予宽度簿l 毫速静多媒髂c d m a 移动通售系统 是不行的。 由予w c d m a 移动遴痿系统霰要传簸多媒俸数务，圜藏，w c d m a 移确遂 信系统t i 的功率控制与窄带c d m a 移动邋信系统tr l 有很大不同1 8 , 1 7 1 所以，进 行w c d m a 多媒 奉移凌邋蔷系绞t 簿硗率控隶研究饕鬻有窳义。 1 。2 功率控锻酶基本理论 1 2 1 功率控翩概念 c d m a 技术用于商j _ j 无线通信的一个主要原溺是它能够提供的系统容鬣。 f d m a 和t d m a 系统的容量是带宽受限的，而c d m a 系统的容量则仅是干抗受 淑的，降低干抗可以壹接增加c d m a 系统的通信容量。在c d m a 蜂窝移动通信 系统t h 愈于频举重复利m ，会形成蜂窝系统巾小区闯的干扰，位予小区边缘处 的移动台( m s ) 将受到大的干扰，这种现象通常被称为“边缘问题( c o r n e r p r o b l e m ) ”：由于无线信遵的衰落和移动台基站( b s ) 阀的距离不同，基站接 收到的强功率信号用户对弱信号用户造成很大酌干扰，使弱信号j = i i j 户的性能下 降，甚至不能正常工作，这就被拣为“远避效应( n e a r - f a r p r o b l e m ) ”。 功率控制是采j _ l ! i 相关接收技术的c d m a 移动通信系统这克服“边缘删题” 秘“远避效应”，从蕊提麓系统容_ 爨的有效方法。 此外，c d m a 移动通信系统这通信链路的建立和旭户所需的服务质量( q o s ) 蛉维护在很大程度上依赖于功率控裁技本。 西北工业大学硝士学位静文虻d 蜮系统中的功带控制、遗平控制和系缱容量的研窥 功率控锻技术靛楚控裁发射端静笈象 功率，藏夺，j 、送澜豹子撬， 偿无线馆 道裘落，使得c d m a 移动通信系统嶷有下列优点： ( 1 ) 功率溃髓最枣，延长移动台毫漶豹寿余； ( 2 ) 降低干扰，最大化系统容量； ( 3 ) 镶涯遥臻链黪要求麓q o s 隰支楚怼q o s 敏感黥多媒体监务； ( 4 ) 提供服务区内不相等负载小区问的分流。 受秘懿为垂，麓率控甓霭霹敬分为集中或分布静、阏步或羚步的、遮代或嚣迭 代的以及发射功率受限或非受限的几类。这然功率控制方法都是基于距离的、旗 予信号强黢秘基于s i r 豹。箕t l 鏊予s i r 溅豢静功率控蠲算法宙予可黻达到浇较 好的系统性能而被广泛采j | j 。 1 2 2 歼环和闭环功率控制 功率控制馓分为开环( o p e n l o o p ) 、闭环( c l o s e d l o o p ) 和外环( o u t e r - l o o p ) 援剿“8 i n o i s 叶m a i i ：b s l 渤s 嘣溆 图1 1反向链路开环功率控制原理圈 在这溅我们以及向链精( 移动台列萋站) 为例采说明开环功率狂制原理。开 耶功率控制是指接收机提供测量接受到的专用给定信道的信号功率大小和鸯关 信息，谢戆自己的发射功率，使其发射信号功率被控制在一个恒定的水平上，这 4 西北工业大学硕士学位论氮比n 系兢中的功毕控制、遣译拉制和系统容量的研宽 藏被穗为基予a g c 源瑶静开繇功率羟程。w c d m a 移动通信系统这葳向链潞瀚 功率控制原珊如图1 1 所示。 开琢功率控裁胃戳j j 公式( 1 1 ) 衮示为： r ( d b m ) * l ( d 8 ) + ，( d 8 m ) + c ( 常数)( 1 1 ) 冀；弼霉f 勰m ) 为笈瓣信号功率，l ( d 8 为移动台溺整得翻鹩传播灞径损耗， ，f d b m ) 为干扰信号功率，由广播信邋广播。 开环功率控翻瀚主要特点是不鬻餮及谈倍怠，围藏，在无线信遂突然变仡时， 它可以快速响应变化，此外，它的功察调整动态范围大。但魁正因为它没有反馈 僚怠，健搿开琢功肇调整不够准确。 lnoise+ma“蝉威 ：d o w n l i n k 煳1 2 反向链路闭环和外环功率控制原理煳 一 既 + 墨 一 年罾目导瞿辱 国 舀 铟 罾 一 ? 一 一 姒 。p。弩西。 曲托工韭史孝硕士掌谊论芰戳秘骗摹统中的功率控制，速率控制和乐统容量酌研究 在采燃频分双王( f d d ) 工俘方式的移魂遥售系统t h 上、下 予链路使崩鲤 频率不同，当此频率问隔超过信道的相干带宽时，就会导致上、下行链路的传播 攒耗不对称( 使缮多经衰落成为棚曩独立黪过程) 。雉予开耀功率控剡戆溅豢技 术通常只能为开环功率控制提供正确的平均发射功率，不能用于克服非对称的多 径衰落。鬻北，仪仪婊据攀向链路测量毽寒进行瓣浮臻功攀控制瑟重不准确数，它 不能克服i b 对称的多径衰落，我们还需要在汗环功率控制的基础上，进步采川 闼巧功率控戋来骖聂聂蓼设定的发瓣功率，滥埂竞鼹a 对称懿多疑襄落。 我们仍以反向链路为例米说明闭环功率控制的原理。反向链路闭环功率控制 蹩据基站接收端掇珙测整，褥刭镶襟毙( s i r ) 豹铰诗毽，将照弦诗毽每门辍筐 比较，产生功率控制命令，这个命令提供光线信道传到移动台，移动台的发射端 掇攥虼功率控篱禽令在驽琢发辫功率控铡没定麴功率僮基旗上土势残下辫禁- 功率值，闭环功率控制方式也被称为“乒乓”式或“反馈”式功率控制。门限 s i r 楚由 繇功率控制决定静。整1 2 绘窭了w c d m a 移动逶翁系统； l 反彝链臻 的闭环和外环功率控制原理图。 阉拜凌率控裁爵鞋瑁公式( 1 。2 ) 寒表示： c ( k + 1 ) = 鼻( ) 一p c ( r 一，)( 1 2 ) 茨；h f 为接收旗溅量霉粥鹣荣噤魄，必门羧售嗓毙，c ( r 一力梵凌率控潮鑫 令，a p 魁功率控制步长。 闳臻功率控嚣j 是瓣开强功率羧涮麴茯邃镶整，窀翁调整速度跫浚渡便跟踪抉 襄落，冈此，闭环功率控制是任何宛服非对称的多径衰落有效方法中的决定性阑 囊。 1 。2 。3 正羯链路和炭淘链路功率控割 电子露三| 蠢篷貉( 鏊菇剜移动台) 綦】反翻链潞( 移动台弱萋蛞) 矮有耱甄独立 的统计特性，他们的i t 的和方法不尽相同，冈此，功率控制被对立地用于正向链 貉帮反稳链潞。 正向链路功率控制是控制撼站地发射功率，以减小小区边缘处移动台所受到 魄予挠，克缀“边缘淘遴”。疆谓“透缘翊题”楚臻当鏊滔为掰有移动台分配稻 西北工业大学硕士学啦论文帅眺 系统中的功早控制、速率控制和j 氛统容量的研究 裁缝功率瓣，链手小速边缘殓逸移动台穆受戮来鸯之稳邻鼢小区静大予撬，搜 之龙法正常t 作。正向链路功率控制通常采1 j 功率分配和调憋的形式，基站根据 务洌户豹辫要，分怒荠调整绘务羯户的功率。它酌事婪疆鹣楚： ( 1 ) 克服“边缘问题”，使憋个服务区内的j 1 1 户达到厂蜮需要的性能指标； ( 2 ) 提供鼹务速雨不孝馨等受簸夺送阏朝受载分滚； ( 3 ) 在通信链路达到所需要的服务质嫩时，最小化熬站的发射功率。 反彝链鼯功率控爱对按裁m s 瓣发麓珐率，壳缀“远近簸应”。“远近簸庇” 怒指当小隧内所有移动台以相同的功率发射时，基站接受到的来自与麟站距离近 豹移动台豹信号功率要范羧受到采爨与蘩滚踅离远翁移动螽麴癌号葫率强，这 样，就会对与基站距离远的移动台造成大的干扰。反向链路信号功率控制的主臻 我的是： ( 1 ) 使熬站接受到的并移动台发射来的功率满足各自通信链路要求的憾； ( 2 ) 在这受簸务震鬓要求霹，最夺纯移动台的发莉功率，延长移动台电池 的寿命。 1 2 4 功率控制算法 发射功率控制算法就是使用热测量信息来决定发射功率。到f ：；】前为止，功 率控籁算法有鏊予距离测爨的、基予接寝绩琴强疫灏鏊鹣、攀予通铸链路镄输质 鞋( 信噪比s i r 、比特差锚率b e r ) 的和慕于随机推论的可用测量信息的几种， 南予举手s i r 溺羹鹃功率控稍算法可班这翻魄较妊豹系统箍能两被广泛采弼 i q , 2 0 1 到f ：i 前为止，基于s i r 测量的功率控制算法可以分为：集巾戏分布的、 溺步或萍步豁、这代或j # 逡代的帮笈射功率受隈或嚣受限静凡类。 c d m a 移动通信系统。1 1 实现功率控制的主要参数有：步长、功率控制速攀、 功率羟镧门限和笈辩功率的动态调熬范嗣等，这些参数对系统性能有很大影响。 1 ，3 本论文的工 乍 本论文以w c d m a 无线接口标准为背黎，研究了w c d m a 多媒体移动通信 7 曲北工韭太学硕士学饭论咒戳秘峨系统中的功率控制，遗率控制和豫统容量曲研究 ；# i i i i 秽 i l l 。 i l l i i i i ；i ；目i i 宣 耨t | 豹功零控铡翘题。 本论文首先在第璋介绍了移动通信的发展，笫三代移幼通信系统的丰鼗特 誊e 弼关键技术，篾要套绥了功率控测麴基本搬念，为磊续章节戆癍羯磅究骰了必 尝的铺垫。 采| 滤窝缝稳瓣移动逶痿系统露鞋瓒翔频谱誉j 蠲率，掇离系绞容重。在戆饔 移动通信系统j | j ，功率控制是非常蓐要的。对采用相关接收技术的c d m a 移动 遴痿系统寒说，功率控割楚疆赢系绕容量秘探涯链路逶馈凌懿兹必不可少静关键 技术。第二章从以下几个方面对移动通信系统总的功率控制研究发展进行了综 述；( 1 ) s i r 乎蕊豹臻率羧翱； 2 ) 分枣式功藜控籀；( 3 ) 平褥分帝袋功率控翩； ( 4 ) 联合功率控制；( 5 ) 多媒体移动通信系统一 | 的功率控制。 在繁三耄；纯锋黠w c d m a 移葫避穰系统；脊薏三囱链黯链蹈豹耱赢，采翔了 w c d m a 多媒体移动通信系统1 咱够为多媒体业务提供不同服务质量( 时惩和 b e r ) 静轰囱链爨爨分平锈麴功率控嗣算法。诗算枫模羧绩莱显示，噩乏羹法哼平 衡功率控制算法栩比，它可以保证优先级高的业务即使在系统重负荷情况下也隧 达到要求的藤务艨 鼙，并 ；虿瑷最大纯羝侥笼级韭务豹逶信穗结转输矮量。 在第阏章，h 针对多媒体业务的特点，采j 玎了w c d m a 移动通信系统q 1 反 两链鼹可敬安弼豹分布式葫率控豢舞法，遮秘算法埘激在保证赢优先级照务所需 耍通信链路传输质量的同时，最大化低优先级业务的传输质嶷。我们还采川了根 据监务静 荛先缀梅盈务传输速率幕 发射功率联台遗行控铡瀚方法。通过靖茇射功 率和传输速率的联合控制，可以最大化信邋的利用率，并且减少网络拥塞。我们 对掰采羽瀚葬法避行了软释模瓠，给密了横叛结采。j | 乏羚，我桐所采j i ；j 的算注与 w c d m a 系统。 j 的控制结构柏兼容，可以方便地鹿棚而不黼要修改有关地协议。 疆蔚，移动弼户蟊益鬻长导致频带资源越来越繁张，翔何有效镪提高系统容 巅显得尤为重要。作为第三代移动通信系统的空巾接口候选方案之一的w c d m a 系统容鬣鞠蓠整研究热点。鞠前对于挚小送系统容辍的分拼已经穰成熟，尤其是 雕小区线性功率分配下，可以方便的获得单小区多媒体业务的系统容量袭达式 娃朝。第五章在总结多稀研究的基确上，采墙了- b 区菲均匀剐户分布模型，讨 沧了支持多类o n o f f 业务的多小区非均匀蹦户分布下的系统容量，并且总结出 种能谚有效 _ i j 援高系统容量，改善系统晌性能晌熊荷分散策赂。 第二章移动通信系统中功率控制研究综述 2 。1 单一业务的蜂窝移动通信系统中功率控制的研究现状 移动j j 廷信系统采用了种l _ j 众不同的构成无线通信网的方式，即人们常说鲍 瓣窝阚。绞照这秘方式鳃潮，可敬提高系统容量。蜂窝概念的提出在解决限制移 动川户数：璧增加的主要障碍无线频率拥挤问题上是个熏大突破。蜂窝系统 黢弃了驭往静中心广播方斌，将整个服务送域掰分饿许多较小的区域，j f j 多个小 功率的发射机来覆盏各个小区，这样的区域被称为蜂窝小区。多个小区可以裰盖 熬令驻务逸。采 n 蜂窝结桶来实现诞域覆盏的主要弼的是蜜现多垃资源稃确，即 在不同的小区内可以使用相同的频率时蹉夥地址码，以便大大增加系统容量。 额率蕊复翻用纣蜂窝特点通信系统中的核心摄 艨，但由此产生瀚同信道干扰 将限制频零的重复使_ l ：l ，因此，在进行无线蜂窝系统设计时，简肇同信道干扰就 变得非常熏要，这怒因为降低同诗邋干扰督以明显掇高系统容量。采用有效的调 制和编码技术、有效的小区规划、动态信邀分配技术以及发射功率控粼技术瓤可 以降低同信道干扰，使尽可能多的接收祝能够可靠接收 1 1 , 1 3 , 1 4 1 0 i _ i 翦举业务蜂窝移动通信系绫中的功率控制可分为两大类：集t p 式功率控 湖葬法和分布式功率控制葬法( d i s t r i b u t e dp o w e rc o n t r o l ，d p c ) 。集i 1 式和分布 式功率控制算法虽然可以褥到最优解，但楚袋求实对获褥全局链路傣息，且黪法 复杂度高，难以实际应瑚。而一类分布式功率控制辫法中，企分布式功率控制算 法( f u l l y d i s t r i b u t e d p o w e rc o n t r o l ，f d f c ) 露需任凭垒弱信息，具露茨尊、赛时 的优点，但是发射功率只能下调，肖可能降低到允许范丽之外，可能会造成通信 r l t 断。文献【l o 1 2 】巾磷究了最饯集中功枣控制嚣法，劳憋避题归纳成为瓣链 路增益矩阵的特 芷值求解问题，应用集中算法可以得到系统的最优解，1 1 f ! 需艘仝 硒信息弼展执行炭甄长，无法实际淼鼹；分布式篝淡只裁嬲局部信息，执行速度 快，好的分布式算法可以快速收敛于最优解1 1 3 - 1 5 1 。文献【1 3 】中提出的分布式 铃法d p c ，剥川鼹郝信患以迭饯方式收敛二系统最优勰，健楚为了保涯发瓣糠 9 西北工业大学硕士学位论疋舵d 姒系统中的功率控制速率控制和系统容量的研究 ；i i ；i i i i i i i i i i i i ；i ；i i ；i ；j i i i ；i ；i i i i i i ；i j ；i i i i ；i ；i i 嵩hi i ；i i ； 的发射功率保持在合理的范同内，不至于过大又不会过小，算法应用的归化系 数需要简啦的全局信息交换。文献【1 4 1r i i 提出的完全分布式功率控制算法克服 r 这缺点，并且证明算法具有些优越的特性，但是同时具有发射功率趋近于 零的问题，为此设置了功率保护值，但同时破坏了算法的收敛性。平衡分布式控 制算法( b a l a n c e d d i s t r i b u t e d p o w e r c o n t r o l ，b d p c ) 与原有的一类d p c 算法杳h 比 不冉需要任何的全局信息，保证算法【1 4 】巾的优越特性。与f d p c 算法相比， 同样无需任何全局信息交换，又保证发射功率保持在合理的动态范围内，并可以 快速收敛于系统的最优解，是简单、实对的实用算法。 2 1 1 蜂窝移动通信系统模型 假设拓扑结构为蜂窝状的移动通信系统如图2 1 所示，它由n 个六边形小区 组成。我们定义在同一时问使用的相同频率的信道为同信道( c o c h a n n e l ) 。当小 区问的频率重复利用因子为1 时，蜂窝系统l ；| 共有4 9 个同信道小区，丽与小区 4 9 4 8 4 2 4 3 图2 1 蜂窝系统拓扑结构 问纳频率重复利 因子为7 时，此蜂窝系统小共有7 个同信道小区( 阴影小区) 。 每个小区内有m 。个移动终端，每个终端最多可以提供k 种业务。綦站和移动台 签一；号一卯一勰一* 叭一mn一挖一b一曲一艏 一筋一m一，一4一h一如 笼一 92一一，一坫一” n一8一，一6一坫一弛一舶 鲫一如均培一一弘盯 骆一卯一撕一弱一斟 都使j 1 ；l 全向天线。这个系统模型将j ；l 】于本论文的大部分算法t l _ l o 2 1 2 蜂窝移动通信系统中基于s i r 平衡的最优功率控制算法 c d m a 蜂窝移动通信系统，用户是靠使用不同的扩频码来区分的，_ l j 户的 扩频码之问不正交就会导致川户之问的干扰。因为此时同信道小区r f l 的川户数不 冉只是个，而是多个，冈此，在c d m a 蜂窝移动通信系统r h 同信道干扰与 f d m a t d m a 蜂窝系统r l - 的不同。我们假设每个小区中有m 。( n = l ，2 ，n 1 个州 户，系统中共有e4 n 动i l t p ( q = 肘。) ，这就导致了c d m a 系统中的链路 增益不再是二维矢量，而是三维矢量“，即链路增益不再是第i 个小区用户与 第j 个小区一l j 基站之间的链路增益，而是第i 个小区中第m 个用户与基站j 之问 的链路增益。为了方便书写，我们将第i 个小区小第m 个用户与基站j 之问的链 路增益6 0 映射成g 用户与基站j 之间的链路增益g j ，通过这样的1 对的映射， g = 鸩。+ m ，i = i 2 ，姊= o( 2 1 ) 假设g 用户是有用用户，其它为个人用户，忽略接收端噪声时，对上行链路 再说，第k 个小区中b s 接收端j i j 户g 的s i r 可以定义为： 呱翥2 嘉翥扣l j 2 ”- ( 2 2 ) 式小，只是小区kr _ l 用户。的发射功率，：j 毒，g 是从j j 户j 到用户。 lo ，g = ， 所在小区技术z i 田；t j pg 与其所在小区基站之问链路增益归一一化的链路增益。这 里，g 不是个独立变量，它不仅n d , n w j 编号有关，还与用户编号有关，如公 假设g 川户是有j j 户，其它q 1 个为个人用户，实际上，在c d m a 移 耋耋三兰垄茎彗圭茎竺兰圣；! 竺竺耋釜耋竺垄圭茎些；兰耋垒望垒至兰奎兰彗筌耋； 动通信系统r i ，基站通常采用同步c d m a 通信方式，这样，小区内川户之问没 有干扰，冈此，对下行链路来说，筇k 个小区- - 第g 个用户接收端的s i r 可以定 即铲荔2 嘉2 彰扣l 2 ( 2 3 ) 式，h p 。是小区k jb s 发射给 户g 的功率，p ，是小区，小b s 发射给j i j 户j 的功率，f 和k 不是独立变量，丽是b j 和g 有关的变量，= 贡g 。是归 fg 10 ，g = ， 。化的从用户j 所在的小区t | b s 到j 1 j 户g 之问用户g 所在小区- ；i 的基站到_ i | j 户 g 之问的链路增益归一化的下行链路增益。 从( 2 2 ) 和( 2 3 ) 可以看出，对c d m a 蜂窝通信系统来说，其上、下行链 路增益矩阵是不同的。上、下行链路需要独立地进行功率控制。 假设柏邻信道问的干扰与共信道干扰相比较可以忽略不计，同时忽略背景噪 声。信道分配算法使用相同的信道集合，集合大小设为n ，并假设所有的信道都 在使川。为简单起见，认为总功率干扰只依赖于信号的信噪比s i r ，将( 2 _ 2 ) 改 跚：了生：下玉一 ( 2 4 ) q e g i 。只z 。e f 式”只为基站j 发射地功率，g ：f f 是在移动台i 和基站j 之问的链路增益，归化 后表示为z _ ! f ，且z ：f f = 1 ，1 蔓f s n 。在每个迭代过程q 设为常数，如果算法可以快 速收敛，则假设成立。 在无线移动环境r _ | = i ，无线信道的特性可以用三个相互独立的部分来描述：( 1 ) 传播路径损耗d ( t ) ；( 2 ) 慢衰落( 也称阴影衰落) l ( t ) ；( 3 ) 与频率有关的快哀 落s ( t ) 。 z ( t ) = d ( o q t ) s o )( 2 5 ) z ( r ) = d ( f ) + 上( r ) 。+ s ( f ) 。 ( 2 6 ) 里兰三些垄兰竺圭兰竺鎏圣 坚竺量釜耋竺茎耋茎! ! ：兰耋彗型耋至兰垒苎璧丝耋 传播路径损耗d ( t ) 可以表示为： d ( r ) = c d 1 ( 2 7 ) 其一hc 为常数，d 是从发射端到接收端的传播距离，p 为传播损耗囡子，取值 2 到5 之问，典型值是8 。 三f ，) 表示由慢衰落造成的功率波动，也称为阴影衰落，通常认为它是服从埘 数正态分布的，可表示为： ( ，) = 1 0 “”( 2 8 ) 式一hx 是正态分布的随机变量，它的概率分布为： 肌) = 志e 坤卜哮l ( 2 。) 这坠，口和口是、二阶统计特征值，卢表示接收信号功率的均值( d b ) 盯是 接收信号功率的标准差，通常取值5 到1 2 ，典型值是8 n s ( f 1 表示由快衰落造成的功率波动。也称为多径衰落。多径信号中如果有 路信号是直接到达接收端的，则接收端信号的包络r 是“r i c i a n ”分布的，其概 率密度函数为： 晰) = 唧( - 半 l ( 厮) ( 2 1 0 ) 式i = l ，是接收信号的幅度，1 0 ( ) 为第一类零阶修正的“b e s s e l ”函数，嘭是 瑞利协i 子。 很是，j ，接收信号，i ，没有直接到达的信号时。多径衰落信号的幅度是服从 “r a y l e i g h ”分布的随机变量，其概率密度函数为： 聃) = 考唧卜嘉1 ( 2 - ) 为对系统特性进行定性研究，定义【1 1 断概率： 只。= 专鬈p ( 姗， 1 ，v ( 2 1 4 ) 其一i - c ( ”) 常数是为了保证发射机的发射功率不超出规定的动态范围而采川的归 化常数，c ( “) = 1 m a x p , ( “) ，v l - i - n 。因此所提出的d p c 算法要求基站与移动 台之问有一- 个短暂的信息交换，以确定归一化常数c ( ”。d p c 算法还要部分地依 赖于全局信息。 l e e 等人为了解决分布式功率控制算法对全局信息的依赖提出完全分布式功 率控制算法f d p c ( f u l l yd i s t r i b u t e dp o w e rc o n t r 0 1 ) 1 1 4 1 。f d p c 算法地控制准则 如下： p ( o ) ：1 只”) = 耐只【”( 2 1 5 ) 掰”) = 0 y 0 0 y 为先验确定的信噪比阀值，无需进行全局信息交换，并得出结论在y = 面时 唑州 m 一 西北工业太学硕士学位论文i c l 瑚l g 系统中的功率控制、速率控制和系统容量的研究 算法性能最佳。 【1 4 l i 的f d p c 算法具有如下的特征： ( 1 ) 对于任意的i 和n 均有只j 只( 。 ( 2 ) 如果s 1 r ”y ，贝0 s z r j ”+ 1 ) s 朋。 ( 3 ) 如果5 1 耐“) n 则对所有的k n 都有删芝，。 ( 4 ) 如果y m i n 删。 ，则扩1 = ，牡= 乙。 ( 5 ) 如果y s i r , 那么对所有的f 有i i m s i r 4 ) = s i r + 。 证明见参考文献【1 4 】。 f d p c 以概率1 收敛于最优功率控制解s i r + ，但是f d p c 算法同时具有一个 缺点，即l i m p 。( ) ，使得f d p c 算法在实际系统中难以应用，l e e 等人提出以设置 保护功率的方法保证功率不会下降到太小的水平，即碍”1 = m a x ( 拼”只，艿) ，艿 为保护功率。但是同时f d p c 算法的收敛特性被破坏。在保证分布式功率控制算 法的收敛性不遭到破坏的前提下，有平衡分布式功率控制算法b d p c ( b a l a n c e d d i s t d b u t e dp o w e r c o n t r 0 1 ) ， 2 1 4 平衡分布式功率控制算法 为了方便我们将文献【1 1 】中提出的算法f d p c 记为f d p c 一，因为算法t 1 1 的功率一直是下降的。相对应的有功率一直增加的算法“4 1 记为f d p c + ，算法如 下： 尸( o ) ：1 只”1 = 耐”曩”( 2 1 6 ) ：掣肌咿 f d p c + 算法同样具有如下的特征： ( 1 ) 对于任意的i 和n 均有牟“”只( 。 ( 2 ) 如果s 碑”，则删“) s i r 。 ( 3 ) 如果测”) 一则对所有的k n n 洧s i r ) y 。 ( 4 ) 如果y m a ) 【 删町 ，则只= y - 0 ，l ”= 2 z 口e l 。 ( 5 ) 如果y s i r , 那么对所有的f 有l i m s i r “) = s i r 。 证明见参考文献【1 4 】。 f d p c + 算法与f d p c 一算法具有相似的特性，收敛于最优解，同时也具有相 似的缺点，当月一。o 时，发射功率p 一。 为了利jf d p c + 、f d p c 算法的优越特性，同时又保证发射的功率既不过 大又不过小，有如下的平衡分布式功率控制算法b d p c ： p 【o ) = 1 只( “= 掰”一 掰。 m i ns i r r a , ，1 s i r “ 球”) = 可m i n ( s i r _ ) , r ) ，牡p 蛳 ( 2 - 1 7 ) 掰”，p “”“ 耳”) p 叭“o y - 1 m a x 五( s 云i 孓r = 厂 l , y ) ，曰( 一，p m c “ 在b d p c 算法中，发射功率的调整既考虑了全系统的c i r 平衡，又考虑了 缚个川户的发射功率的允许范围。在达到c i r 平衡的过程中，用户的发射功率 先根据c i r 平衡准则调整，j 接近允许动态范围的边界时，则反向调节。这样， 使发射功率动态平衡地保持在合理地范围内，因此命名为“平衡”( b a l a n c e d ) 。 而在其它功率控制算法中，“平衡”是指功率控制地准则和目标，如摹于c i r 平 衡( c i rb a l a n c i n g ) 。 b d p c 算法| f 的耕”初始值均取f d p c 一f | 的值，目的是为了尽量减少发射功 率，“1 发射功率降低到保护功率p “时，则采j = i _ 1 f d p c + 算法增加功率，3 1 发 射功率增加到或超过尸叫”时，则采用f d p c 一算法。b d p c 在保证算法收敛的同 时，使发射功率保持在系统允许的范嗣之内，在实际的系统t | 1 可以得到应j | i 。 p 呲“和p “的缺点可以根据系统的发射功率动态范围来确定。 2 2 提高网络资源利用的联合功率控制的研究 上述的功率控制方法的出发点是最大化发射功率，达到最大可以达到的通信 链路传输质量。由于无线频率资源非常紧张，术来的无线系统需要采用更有效的 技术来增加系统容量功率控制的日的之一就是在保证通信链路传输质量时最小 化发射功率，以最小化干扰，提高系统容量。 上节所讨论的功率控制算法都是假设移动台语基站之间的连接( 信道) 是吲 定的。实际上，某个通信链路所需的s i r 可能会在几个信道中以不同的发射功率 达到，即周定连接可能不能最小化发射功率( m t p ) ，冈此，就有人研究另类 功率控制方法一联合功率控制方法。 文献【3 1 】把调整发射功率与基站的分配问题综合考虑，可以最小化达到所 需的s i r 时上行链路备用户的发射功率之和，最小化是在功率矢量和基站分配之 问进行的。假设系统中有m 个用户，n 个基站，如果用户i _ 与基站k 之间建立 了通信链路，记为：a ，= k ，则发射功率最小化问题可以j 】下式表示： 呼p l 瓯。暑一( 凳吒，弓 ，曰。，珥e ，z ， 2 1 8 l 纛。 眨叫 西北工业大学硕士学位论文 w c d i n 系统中的功率控制、速率控制和系统容量的研究 式一hb 表示已经在信道i 发刺的摹站集合，a 表示已经使j = i j 信道，的川户的集 合。此联合控制算法试i 到最小可以收留所有川户所需的信道数，此算法与使用动 态信道分配方法相比，容量有显著提高，但此算法是集小式的，复杂程度高，需 要进一步研究可以实时应j j 的分布式算法，以便可以实际用于移动通信系统i i i 。 功率控制是假设接收机结构+ 定的情况下，控制用户的发射功率，使得川户 所要求的服务质量得到满足，功率控制还可以最小化用户的发射功率，而多用户 检测技术则是假定用户