（通信与信息系统专业论文）cdma系统上行链路中联合功率控制算法的研究.pdf

喻尔滨上程大学硕士学位论文 撼要 瓷c d m a 逶信系统巾，憨存在多壤接 予虢f m a i ) 移“迸越羧瘟”，这 姥将导教系统容量和通信质爨下降和实际通信服务范围缩小鳟不良影 翡。为了宠缀远，透效瘦，现在的c d m a 接投枫溪簸斡主鬟方法熬在基靖 浆移动念中蹬燕一黧复杂游臻率控截设备，赛魏等珐率搂投，功寒整 技术楚c d m a 走南实焉静硬摈心技零，近年来辫起静抗多垃予扰方法 嫒究戟怂袋耀多露户检测。勰功率控测技术秘夥用户捡测嚣蛰拨势缝会 起来可以聪好的克服多址接入干扰和远近效应，从丽提高系统豁量，这 耪方法就憩联合王鸯攀控铡瀚方法。 零文嚣煮磅究了c d m a 系缓中羔抒链路懿凌零控裁方法，农原鸯鹣 蒸予m m s e 稼维熬袋合翡率拯裁舞法蒸礁上遴行菠遴，雩| 叁僖滋嵇诗谴 琴缝墨巍撼簸遂变链熊力；裂a + 簿凌浚。嫠黎蕊虿以逶避灞蕊，爨穗参数 一价格闵曩：却效度困孟激满足麦种目标s i n r 满信臻求，仿真袭明这些算 法计算轻麓攀，两虽都熊达到氍挟又溅静功率拣燃效果，对箍麓c d m a 系统骞蹙肖狡极意义。 装蕤溺 c d m a ；醚a 葫搴控潮；多霾户检测；袋合凄率控剃 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e r ea r ea l w a y sm u l t i a c c e s si n t e r f e r e n c e ( m a i ) a n dn e a r - f a rp r o b l e m i nc d m ac o m m u n i c a t i o ns y s t e m a l lt h e s ew i l ln o to n l yi n d u c et h e d e c r e a s eo ft h es y s t e mc a p a c i t yb u ta l s om a k et h ec o m m u n i c a t i o nq u a l i t y d e t e r i o r a t ea n dt h es e r v er a n g er e d u c e ，a n ds 0o n i no r d e rt oo v e r c o m et h e n e a r f a rp r o b l e ma tt h ep r e s e n tt i m ep e o p l eh a v em a n u f a c t u r e dt h ec d m a r e c e i v e r sw i t hm u c hc o m p l e xp o w e r c o n t r o le q u i p m e n ta m o n gt h em o b i l e u s e r sa n dt h eb a s e s s oi tc a nr e a l i z ee q u a lp o w e rr e c e p t i o n p r e s e n t l yp o w e r c o n t r o lh a sb e c o m eak e yt e c h n o l o g yw h i c hm a k e sc d m as y s t e mf e a s i b l e t h e s ed a y sp e o p l eu s em u l t i u s e rd e t e c t i o nt oc o m b a tm a i i ft h ea d v a n t a g e o fp o w e rc o n t r o la n dm u l t i u s e rd e t e c t i o nc o m b i n e dw i t he a c ho t h e r ，ab e t t e r s c h e m ec a nb eg o t t e nw h i c hc a nr e s i s tm a ia n dn e a r - f a rp r o b l e mm o r e e f f e c t i v e l y ；a si sc a l l e dj o i n tp o w e r c o n t r 0 1 t h i sp a p e rm a i n l ys e a r c h e sf o rt h ep o w e rc o n t r o li nt h ec d m a u p l i n k s y s t e m t h eo r i g i n a ls c h e m eo ft h ej o i n tp o w e rc o n t r o li m p r o v e dw h i c hi s a c c o r d i n gt ot h es t a n d a r do fm m s ea n dt h ec h a n n e le s t i m a t i o ni n d u c e di n t o t h es y s t e m ，a sm a k e si to w nt h ea b i l i t yo fr e s i s t i n gt h ev a r i a n c eo ft h e c h a n n e l ；o rt h ep l a yg a m ei n d u c e di n t oi t ，a sm a k e si ta b l et os a r i s f yt h en e e d o ft h ec o m m u n i c a t i o no fa 1 1k i n d so fo ft a r g e ts i n rb ym o d u l a t i n gi t s s y s t e mp a r a m e t e r s - - c o s tg e n ea n du t i l i t yg e n e s i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a t t h e s ea l g o r i t h m sn o to n l ya r es i m p l et oc o m p u t eb u ta l s oc a nc o n t r o lp o w e r s o o na n dc o n c i s e l y ，a si sv e r ys i g n i f i c a n tf o r t h ec o n t e n to fc d m a s y s t e m k e y w o r d s ：c d m a ；m a i ；p o w e rc o n t r o l ；m u l t i u s e rd e t e c t i o n ；j o i n tp o w e r c o n t r o l 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由 乍者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的弓l 用已在文中指遵，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己 经公开发表的作品成果。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。本人完全意识副 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：厘茎：墓 日期：寥们f 年，月偿舀 喻尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 研究鹜景 第1 章绪论 由于第一代模拟移动通信系统存在不同的网络无法实现漫游的缺 点，国际电髅联盟( i t u ) ( 以下筒称晷际电联) 在第二代数字移动道信系统 酌基础上提漱了实现全球统一标准、建设一套系绫网络、让手撬在全球 任何地方都能打的未来公共陆地移动通信系统( f p l m t s ) 的概念。1 9 9 6 年底，国际电联将f p l m t s 正式更名为i m t - - 2 0 0 0 标准( i n t e r n a t i o n a l m o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n2 0 0 0 ) ，统穆为3 g 系统。臻定了惫瑟液务翥求、 工作频带、数据传输能力、网络过渡要求、频谱利用效率等方面的技术 标准，基本上建立了第三代移动通信系统的框架【1 1 。 i m t - - 2 0 0 0 标准不缎癸渍足多速率、多环境、多业务的要求，还应 熊将现存的邋信系统集成为统一静离艨兼容的系绫。因此它鼷肖以下基 本特征 2 1 ： ( 1 ) 提供全球无缝隙覆盖和漫游； ( 2 ) 具有支持多媒体( 特别是i n t e r n e t ) 、j k 务的能力； ( 3 1 适应多运行环境，如陆地、海域及航空； ( 4 1 服务质量达到固定网络水平，收费合理； ( 5 ) 系统管理和配置灵活，业务组织机动性强； ( 6 ) 高速率的数据通信能力； ( 7 ) 移动终端轻便，成本低； ( 8 ) 支持系统平滑升级和现有系统的演进，具有高频谱利用率和信道 效率。 第三代移动通信系统是由于人们对高速数据业务和多媒体业务的强 烈需求而出现的，鉴于考虑到第二代和第三代将在较长时间内共存，i t u 提出了“i m t - - 2 0 0 0 家族”的概念，即i m t 一2 0 0 0 系统结构，见图1 1 。 啥尔滨工瑕大学颈学位谂文 用户终端瓣线接入网络 核心网络 匝岖 无线接 冀镪| m t - 2 0 0 0 豢 臌成员的核心翩 络 ( u u ) ( r a n c n ) 图1 1i m t _ 一2 0 0 0 结构 i m t 2 0 0 0 分为无线接入翅葶鞋核心嬲秀部分： l 、无线接入网 ( 1 ) 无线载体通用功能( r b c f ) 。包括所谢与采用无线传输技术相关 的控制靼传输功能。 ( 2 ) 焉线载毒搴将赫功戆( r t s f ) ：包括与无线技术有关豹各项功靛，如 无线传输技术( r t t ) 和无线传输适配功能( r t a f ) 。 2 、核心网部分 二代网络可逶邀互逶功戆零元( 1 w f ) 冬i m t 。2 0 0 0 穰连。嚣瓣， i m t - 2 0 0 0 接入网也可通过一定的适配功能模块( a f ) 接入翠期的核心嗣。 截止到1 9 9 8 年6 月3 0 同，提交阑际电联的第三代候选无线接口技术标 准共有1 5 种，经菸似技术的彼此台并融合，基本上魍纳为5 类： w e d m a 、c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a 、u w c 。l3 6 戳及e p d e c t 。w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 两个宽带c d m a 技术是其中两个主流技术。我国提交的 t d s c d m a 是主要的c d m at d d 技术之，它采用一些新技术，具饪 诤多独舞戆突窭谯势。u w c 1 3 6 剃是基于j 荚i s 1 3 6 ( d a m p s ) 熬r d m a 方案，蔻憔一的t d m a 体制。e p 。d e c t ，也就怒欧洲数字无绳通信系统， 由于采用了第三代频谱而入选。“f 面介绍三种主要的标准。 2 1w c d m a 移磁透信系缝 w c d m a 系统静黼u m t s ( & i 全球移动遴髂系统) 网，蠢4 部分组成； ( 1 ) u t r a n ( u m t s 地面无线接入网络) 。其功能是完成无线接入功 能。 2 牛 嗡自；滨二 程大学颚土学笾论文 i ii i f 2 ) c n ( 核心潮) 。冀功能疑与其他上层的互联管理、连接管理及其 纯两络互连。 璐) u k ( 用户设备) 。其功能是用户设餐终端。 ( 4 1u s i m ( 用户识别模块) 。其功能是究成用户身份的识剐功能。 u t r a n 壶系列无线网络予系统( m q s ) 组成，它邋过i u 接口遴接 割核心网。一个r n s 幽多个无线网络控制器( r n c ) 和个兢多个节点 b ( n o d e8 缝残。r n c 受责资滚管溅、枣量控铡、切换管理激及数攥滚 的转接等，r n c 之间通过i u r 接口互联。节点b 是负责在一个或多个小 嚣瀚无线僚号接收，发送的逻辑苇点，i u b 接口怒r n c 稻节纛b 之瘸懿 接口。u t r a n 续桶如图1 2 耩示。 图1 2u t r a n 结构 第三代移动通信系统支持通用多媒体业务，有业务质量( q o s ) 控制功 髓，爵班平衡话酱，分缀数撵、高遮邀潞数据多个并发登务。 2 2c d m a 2 0 0 0 系统的主要技术特点 c d m a 2 0 0 0 系统是能满足i t u 关于第三代移动通信基本性能要求并置 又与i s - 9 5 b 后向兼容的第三代移动通信系绕。后向兼农意味麓c d m a 2 0 0 0 杀统可以支持i s 一9 5 b 移动台。c d m a 2 0 0 0 移动台可以工作于i s ，9 5 b 系统。 l 哈尔滨工程大学碗士学f ：i ) ：论文 为灵活支持多种业务，提供可靠的服务质量和更高的系统容量， c d m a 2 0 0 0 系统也采用了许多新技术和性能更优异的信号处理方式，这些 新技术和信号处理方式可以概括为： ( 1 ) 多载波工作。c d m a 2 0 0 0 系统前向链路支持nx 1 2 2 8 m c p s ( 这里n = 1 ，3 ) 的码片速率。n = 1 时的扩频速率与i s 一9 5 b 的扩频速率完全相同， 称做扩频速率1 。对n = 3 的情况，采用多载波方式。多载波方式将要发 送的调制符号分接到n 个相隔1 2 5 m h z 的载波上，每个载波的扩频速率 均为1 2 2 8 8 m c p s 。反向链路的扩频方式在n = 1 时与前向链路类似，但 在n = 3 时采用码片速率为3 6 8 6 4 m c p s 的直接序列扩频，而不使用多载 波方式。 ( 2 ) 反向链路连续发送。c d m a 2 0 0 0 系统反向链路对所有数据速率提供 连续波形，包括连续导频和连续数据信道波形。连续波形允许整帧交织， 以充分发挥交织的时间分集作用。基站使用反向链路的连续导频进行多 径搜索、跟踪、相干解调，测量链路质量，以进行功率控制。 ( 3 ) 独立的数据信道。c d m a 2 0 0 0 系统在反向链路和前向链路中均提供 称做基本信道和补充信道的两种物理数据信道，每种信道均可以独立地 编码、交织。遨量丕且的发射功率电平和误帧率，以适应特殊的业务要 求。基本信道和补充信道的使用使得多业务并发时系统性能的优化成为 可能。 ( 4 ) 前向链路的辅助导频。在前向链路中采用自适应天线可改善链路 质量，扩大系统覆盖范围或增加支持的数据率，增强系统性能。前向链 路中的公共导频在整个扇区中广播，为移动台提供小区识别、相位和定 时参考。c d m a 2 0 0 0 系统规定了码分复用辅助导频的产生和使用方法，为 自适应天线的使用提供了可能。 ( 5 ) 前向链路的发送分集。可以改进系统性能，降低对每信道发射功 率的要求，因而可以增加容量。编码后的比特分成两个数据流，通过相 互正交的扩频码扩频后由独立的天线发射出去。每个天线使用不同的正 交码进行扩频，这样保证了在两个输出流之间的正交性，在平衰落时可 以消除干扰。 2 3 t d s c d m a 系统的技术特点 4 哈尔滨工程大学硕士学俯论文 t d s c d m a 系统采用了集e d m a 、t d m a 和c d m a 为一体的技术， 1 6 m h z 的载波带宽提供高达2 m b s 的数据速率。t d s c d m ac d m a 采 用t d d 的双工方式，因而具有下列的主要优点： f 1 ) 频谱灵活：无需成对频率，上、下行链路使用相同频率，上、下 行链路的传播特性一致，便于使用智能天线、p r e r a k e 接收及其他技术。 ( 2 ) 支持不对称数据业务：根据前向业务量，按照所需数据量和干扰 最小原则来动态自适应调整前向时隙宽度、动态地按需分配时隙，可以 使得频谱资源得到最大、最优地利用。 f 3 ) 成本低：无高收发隔离的要求，可以使用单片比来实现射频收发 信机。 采用了d d 的双。工友基韵主要缺点有： ( 1 ) 高的峰值平均发射功率电平，随时隙增多而增加。 ( 2 ) 在c d m at d d 模式中，峰值平均发射功率水平高于1 0 d b 。 ( 3 ) c d m a 要求高线性工作，高峰值电平将会限制终端的发射功率， 从而限制了n o d eb 与终端之间的距离。 ( 4 ) 不连续发射，抗快速衰落租多普勤效应魄熊力低毋黟剐因此， 在i m t 2 0 0 0 中支持的终端最快速度为1 2 0 k m h ，而f d d 为5 0 0 k m h 。 1 2 研究现状 第三代移动通信系统的关键技术主要有下面这些【3 】： 1 、初始同步与r a k e 多径分集接收 移动通信是在复杂的电波环境下进行的，如何克服电波传播所造成 的多径衰落现象是移动通信的另一基本问题。在c d m a 移动通信系统中， 由于信号带较宽，因而在时间上可以分辨出比较细微的多径信号。对分 辨出的多径信号分别进行加权调整，使合成之后的信号得以增强，可在 较大程度上降低多径衰落信道所造成的负面影响。这种技术称为r a k e 多 径分集接收技术。为实现相干形式的r a k e 接收，需发送未经调制的导频 ( p i l o t ) 信号，以使接收端能在确知已发数据的条件下估计出多径信号的 相位，并在此基础上实现相干方式的最大信噪比合并。r a k e 多径分集技 哈尔滨工程大学硕士学位论文 术的另外一种极为重要的体现形式是宏分集及越区软切换技术。当移动 台处于越区切换状态时，参与越区切换的基站向该移动台发送相同的信 息，移动台把来自不同基站的多径信号进行分集合并，从而改善移动台 处于越区切换时的接收信号质量，并保持越区切换时的数据不丢失。这 种技术称为宏分集和越区软切换技术。 2 、多载波调制 在信号调制方面，系统可以采用自适应多进制调制方法，即根据无 线信道的衰落程度、信道流量或其他参数的动态变化，收发信机同步地 改变调制的进制数。对于扩频通信，信号带宽在几十兆h z 到几百兆h z 之间，而无线环境的相干带宽一般为几百千h z ，是一个频率选择性衰落 信道，因此将带宽分为n 个载波调制后进行传输。这样每个窄带信号经 历的是n 个平坦的非频率选择性衰落信道，当修改载波数目而各路的传 输速率不变时，也就是改变了总的传输速率，所以多载波调制可以满足 不同业务的需要，可以灵活地实现多媒体业务 们。 3 、软件无线电 软件无线电主要是利用现代数字信号处理技术、微电子及软件技术， 基于同样的硬件平台通过加载不同的软件，获得不同的业务特性。对 于系统升级、网络平滑过渡、多频多模的运行等，它相对简单容易、成 本低廉、安全性高，这对于3 g 要求的多模式、多频段、多速率、多业务、 多环境等特别重要。软件无线电的核心是在尽量靠近天线的地方使用 a d 和d a 转换器，在通用的硬件平台上，尽可能通过软件来定义无线电 的功能。这样利用一个统一的平台，通过软件生成适应于g s m 、i s 一9 5 、 i s - 6 6 5 以及i m t - 2 0 0 0 等不同体制的终端，并且可以适应未来技术的发展。 4 、智能天线 智能天线是通过基带数字信号处理器，为每个信道提供一条瓣形的 发射波束，并始终跟踪用户。这样可以降低发射功率，减少干扰，增加 系统容量，同时瓣形波束可以克服多径传输的问题。 智能天线的基本思想是：天线以多个高增益窄波束动态地跟踪多个 期望用户，在接收模式下，来自窄波束之外的信号被抑制，而在发射模 式下，能使期望用户接收的信号功率最大，同时使窄波束照射范围以外 6 哈尔滨j ：程大学蚕羹士掌谴论文 的非期望用户受到的干扰最小。鬻能天线楚利用用户空间位鼹的不同来 嚣分不园豹露户。智戆天线雩l 入了簿霆耱多蛙方式：空分多皱( s d m a ) 。 智熊天线与传统的天线概念有本质的区剐：它的理论基础是僚号统计检 测和估计理论、信号处瑕及最优化控制理论，它的技术基础是自适应天 线和滏分辨箨期信号楚瓒。餐箍运缝遛日q 适应酶翻天线，它囊天线黪 列、一波康碰戚网络、波柬形成算法等三部分组成。 5 、多用户检测 邋信系统中酶传统梭溯器都怒攀籍户检溅器，它蒋所需藤户的信学 当作有用信号，而将其他用户的信号都作为干扰信号对待。缎从信息论 戆楚璇餐，c d m a 系统是耱多输入、多竣出浆傣邋。嚣此蘩鲻户检测 器不能充分剥蠲信道容鬣。多用户检测器的基本思想藏是把所有用户静 绩号都当终有趣傣号，恧不是警终于拢傣号来处理，这样裁弼以充分利 雳器蠲户信号的用户弱、幅度、宠辩稻延遴等信息，双两大幅度遣降低 多襁多址干扰。而如何将多用户干扰抵消算法的复杂性降低到可接受的 程度跫多耀户梭测技术戆誉实矮鹣关键。 6 、异步传输模式( a t m ) a t m 的基本原理是抱话音、数据、图像等业务信息分解成5 3 个字节 ( 4 8 个字节静鼗务热5 拿字节瓣控潮) 懿“僖元( c e l l ) ”，遁过耀终棱餐程痰懿 目的地。a t m 嶷有流量控制、阻塞控制、差错控制、商q o s , , 虐洼接。 能避墩渔定速攀翔可变速率业务的傥点。能够提供从无线网到固定网的 宽繁辩端到端逡接，便予与固定宽带麓靛融帮。蒸予信元翡硝络传输缝 构，便于动态地向移动用户分配带宽。 7 、切换授术 幽于移动邋信系统采用蜂窝结构，所以移动台在跨越空间划分的小 匿对，必须要遂毒亍越区切换，即究藏移动螽到基站黧中接口豹转移，以 及基站至0 网入翻和网入翻到交换中心的相应转移。程第一代和第二代移 动通信系统中都采用越区硬切换方式，而硬切换使通信容易中断。3 g 系 统憋凌傻嗣稳鞠载波频搴熬小区溪实魏敬甥换，帮穆裁趸户在越嚣甥换 时可以与两个小区的基站同时接通，只相应改变扩频码，即可作到“先接 通露麟开”的交换功能，从两大大改善切换时的通话质量。但软切换具体 7 哈尔滨二耩大学硕士掌位论文 的实现方法和步骤还有待研究。另外，不同载波小区间的切换仍然需要 硬仞换，所暖切换技术中还有许多阍题需要解决。 8 、倍道编码 虽然扩麴技巷育塑予究服多径衰落融提供离覆量韵佟输，德扩额系 统存盘遒在幽掰錾率非常骶的缺枣。所以，系统中必须采用信道编码 技术激进步改善送信袋鳖。瑟蓠，主要聚弼翁辩信道纠错编码和交织 技术醴迸一步壳暇衰落效应。编码和交织都极大蛾依赖予信道特性和渡 务霪袋。不搜对予鼗务倍：i 薹秘控铡傣道采溺不阉静编确帮交织技术。瑟 翁骈究较多静宥分组编鹞、器积鹤羊瑶格鹤调翻等；在这三种编硒技术中 m a r y 无线逛r f 溺懿结合姆络纠镂壤玛方紧能提供较大弱带宽效率，偿 凝瓣鹭蓠鲻镫缡秘技术戆发箴趋势来看，结合分缝码稻卷积码的缀联码 ( 如劳褥级联鼹弧确。码) 将更其毒啜弓| 力。 9 、功率攘裁 程实用的c d m a 系统中，常零选题分蠢式功率控刽算法，这瞧是鼹 毒孽够 变最多熬一耱功率控涮方法，累缓内嚣令鬃户霹戳校据分布式算法 调节务个用户的发射功率褒达到傣毋赎魄懿平簿，黪系统内各懑傣链鼹 获褥定翡倍缪啜毙：扶鞭务屡鬃考虑，应该僚簿系统鼹务蒺攮稔定， 这种方法在保涯每个用户服务质爨的蘸提下，可以获褥较大熬容爨增懿。 垦蘸大量懿露关c d m a 系绫中功率羧裁的磷究，嚣经设系统是基予单璃 户梭测的。联台功率控制幂日多用户检测的研究，意刘近年柬才b l 超人 f 3 的注意 5 - 8 1 ，文献【5 】搬出：农采用了多鼹户检测毂c d m a 系统中，仍然 需要功率控制技术来补偿信邋衰落，保证o o s 要求并节省穆动台功耗。 文献f 6 】指必：联合功搴控制和多鼹户检测技术可以降低多娃于拨，克蹶 “远近效应”，两者亘为补充。但文献 6 1 是在非衰落信道祭件下，针对所 有用户只用同一静传输速度，并飘没毒最大发射功漆受隈麴磊传。文献 7 】仍然假设是非衰落信道，假加入了最大受限功率的条 牛，并比较了繁 于m m s e ( m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ) 检测器的系统和基于勰檩关捡 测器的系统在联合功率控制后的系统容量，研究表明m m s e 检测嚣与功 率控铡的结合能使系统获褥更大的容量。文献【9 】提出利阕功率矢爨积最 小均方误差m m s e 多用户检测器的接收机的系数的关系，通过迭代运算 8 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 来达到两者之间的最佳优化，但其求解m m s e 多用户检测器系数太复杂， 无疑大大增加了运算量。文献【1 0 】和文献 9 】采用的策略基本一致，但是 效果不是很好，需要迭代1 5 2 0 次以后各个用户的信干噪比和系统的总功 率才趋于稳定，对实时的功率控制而言，意义不大。由于功率控制必须 是实时地，因此寻求最快的s i n r ( 信干噪比) 平衡算法便成为一个重要 的问题，这也是目前所有的科研工作者多在试图解决的一个关键问题。 基于上面论述，本人致力于寻找运算量少、实时性强和具有抗干扰能力 的的联合功率控制算法。 1 3 论文的主要工作 在c d m a 通信系统中，不可避免的存在多址接入干扰( m a i ) 和“远近 效应”，这些将导致系统容量下降和实际通信服务范围缩小等不良影响。 为了克服远近效应，现在的c d m a 接收机采用的主要方法是在基站和 移动台中增加一些复杂的功率控制设备，实现等功率接收，功率控制技 术是c d m a 走向实用的一项核心技术。这种方法需要很宽的功率调节范 围，并且在瑞利衰落下难以实现绝对准确的功率控制。而且即使远近效 应能通过严格的功率控制加以解决，系统中仍存在多址接入干扰。少数 几个用户引起的多址接入干扰也会严重影响接收机的性能，降低系统的 容量。本文在分析传统功率控制特性的基础上，阅读了大量的参考文献， 致力于功率控制算法的的研究。把传统的功率控制技术和新兴的多用户 检测技术两者优势结合起来即采用联合功率控制的方法，实行功率 控制。主要的工作包括： 1 、在分析传统功率控制算法收敛速度慢、实时性差的基础上，把多 用户检测技术运用到功率控制算法中，并结合信道估计，提出了一种基 于信道估计抗干扰的联合功率控制方法； 2 、把多用户检测技术运用到功率控制算法中，并引进微观经济学中 理论一博弈论，提出了一种基于博弈论适合多种通信要求的联合功率控 制方法： 实验仿真表明以上算法计算较简单，能达到既快又准的功率控制， 9 蹬尔滨王耧大学颂学位论文 i i 大大增强了功率控制系统的实时能，从丽对撼高c d m a 系统的容量肖蕊 要意义。 1 4 论文结构安撵 根据课题内容，论文结构安排如下： 第1 章为绪论，介绍课题的主要背景，搬述了当前3 g 背景下，功 率控铡羧术磅究戆魏毒跫，矮述论文的圭要王 擘及结季鼋安辩； 第2 章分析了c d m a 系统中功率控制的特性，阐述功率控制的原理。 第3 章对c d m a 系统中多用户检测藤遴遴行了阐述，并分析了备蕈申 多爱户稔溅方法夔特戆，据爨了宅髓戆谯漱赢。 第4 章这一章魁论文豹核心部分，主要阐述了结台信邋估计的联合 功率控制的模型，对算法进行了仿真和分析。 第5 枣这一章盘憝论文麴狻心聱分；农燕4 章懿基磷上耀述了耱 基予博弈论的联合功窭控制算法，并对该算法避行了仿真分析。 最扁概述了联合功率控制，对全文进行了总结。 滁尔滨工程夫攀矮圭学德论文 第2 章c i ) m a 系统中的功率控制 2 0 檄纪9 0 年 弋爨现玛分多址蜂窝移动邋信系统，困箕通信容量大， 质量好，因此引起了人们的广泛关注，二十一世纪也必将怒c d m a 的 世纪。粥分多址利用鸫序列的正交性和准正交性区分不同用户，它是襁 围频、阀露懿蓉释下，务令接收极凝据售号弼燮之润熬差黪分褰出霉黉 的信号。鑫 于c d m a 系统中砑一频率在所裔的小区重复使硝，c d m a 中的干扰特鄹严重，装没有先进的功率控制技术，尽可能减小用户的背 最予挠，藏会产生严熬豹误码瑗织。睫羞蠲户数懿壤熬，馕鸯瓣信于嗓 阮急截下降。当羝予定门隈跨，就可能发生逶信中断。缀诧功率控铡 是c d m a 中最关键的技术之i l ”。本章就怒针对c d m a 中功率控制餍 开研究。 2 1c d m a 系统的干扰 在c d m a 系统中，干扰来自两个方面，一方面是使用同c d m a 无线菝辫瓣穆懿台移熬站造成的予貔，称必蠡于撬；另一方蘸是c d m a 辐邻频带藏模拟系统肇元所造成豹干扰。其中，工作在罚一c d m a 无线 频带的零元所造成的于扰影响最大，即c d m a 系统是一个自干扰系统。 c d m a 静予魏分秀耱壤凝：一燕蒸然在接羧蒸一移动台静僚号瞳，会爨 妥本，j 、送鞠邻近，j 、嚣英它移动台群发信号豹予虢；二是移动台在接救掰 属基站发来的信号时，会受到所属慕站和邻避蒸站向其它移动台所发信 号的于拽。如图2 1 鼹示a ) 是蒸淤对移动舞产生的正囊多圭业干扰，( b 1 是移凄螽对基菇产生瓣反淘多蘸于撬。困魏可涛多薤于挠分为蒋囱毯鼹 干扰和艇向链路干扰。 由于移动通信中移动用户不断地移动，有时靠近基站，有时远离撼 站。若移劝台发射功率网定不变，那么离基站题离遥时，过大约功率不 仅浪费，丽且会遥感辩慕它蠲户予挽，尤其爨对离基站较邀酌移动台发 绘基站酌倩号影响较大。所谓远i 蟹效应就是当罄站同时收到两个距离不 同的移动螽发来的信弩辩，由于两个移动台灏察楣同，剐鼹攀站近的 d 信号产生严重干扰。由于m s l 和m s 2 发射功率相同，而且移动设备相 同，同样的发射机，同样的天线，因此当基站接收远距离m s 2 时必将受 到m s l 信号的影响。 图2 ，1c d m a 系统的干扰 在移动通信网络中，远近效应是普遍存在的，且十分严重，甚至影 响网络的容量，故必须进行功率控制12 1 。 2 2 功率控制原理 c d m a 蜂窝系统的远近效应主要发生在反向传输链路上。因为移动 台在小区的位置是随机分布的，而且是经常变化的，同一部移动台可能 处于小区的边缘，有时靠近基站。若移动台的发射机功率按照最大通信 距离设计，则当移动台驶近基站时，必然会有过量而有害的功率辐射。 解决这个问题的办法是根据通信距离的不同，实时地调整发射机的所需 功率，即功率控制。 2 2 1 反向链路功率控制 c d m a 系统的通信质量和容量主要取决于收到的干扰的大小。若基 站接收到移动台的信号太低，则误码率太大而无法保证质量通信，反之， 若基站接收到某一移动台功率太高，虽然保证了该移动台与基站间的通 信质量，却对其它移动台增加了干扰，导致整个系统质量恶化和容量的 1 2 跨尔滨上糕大学颈士学菠论文 减小，只要当每个移动台懿发瓣功攀控麓至l 基羹掰需僖于噪眈静簸，j 、簸 时，通信系统的容量才能达到娥大德。 上行链路功率控制就是控制备个移动台的发射功率的大小，它可分 为开环功率控制和闭环功率控制。上行链路开环功率控制亦称为威向链 路开环功率控制，称为反向开环功率控制。其前提条件是假设上行与下 行传输损耗相同，移动台接收并测爆基站发来的信号强度，并估计下行 传输损耗，然后根据这种估计，穆幼台自行调整其发射功率，即按收信 号增强，就降低其发射功率；接收信号减弱，就增加其发射功率。开环 功率控制静嚷应约毫秒级，控制动态范围约有几十分贝。开环功率控铡 懿爨点是麓单易牙，不羲簧在移凌鑫懿薹站之闲交换萋患，不缓遴溲浚 盈苇省开镑。它对于疆衰落怒魄较囊效静，郎霹车载移动台快速毅入邂 大建筑物速蔽区所弓| 起的衰落，遥避开环功率控制可以减小溪袋落影 响。但是对于信号因多径效绒而引起的瑞利衰落，效果不佳。澍于 p o o m h 罨乳e 必蜂窝墨统。鲥激用炳分霉王逼信三莹式，墩：发，颂率椒溅 4 5 m h z ，已远远超出信道的幅千带黼f 因而上行或下行无线链路的多襁 衰落是彼此独立的，或者说它们照不相干的。不能认为移动台在下行信 邋上测的衰落特性，就等于上行惰道的衰落特性。为了解决这个问题， 可采用闭环功率控制方法。闭环功率控制即由基站检测来自移动台的佰 号强度或痞于噪眈，根据测彳譬的缡聚与预定的标准值相比较，形成功察 溪整播令，逶躲移动台调整荚发瓣功率，诿整除距羹0 5 d b 。敷邋耱 功率谲整据令每1 m s 发送次。上行链薅功率控裁有效酶解决了逶邋效 应润题，使各移动台发密豹信号戮达蒸罐靛功率电平凡乎穗等，骶达到 傈证通信质量要求的信于噪比纳门限值，又可以最大限度的减少多融干 扰【1 3 j 。 2 2 2 正向链路的功率控制 正回链路也称为下行链路，所以正向链路的功率控制也称为正向功 率控制。它是调整基站向移动台发射的功率，是任一移动台无论处于蜂 窝，l 、区蛉任德位置上，收到基蛄艘来的信号电平舔埝好达到信干啜魄联 晗尔滨t 麟大学硬学位论文 要求的门限值，既可避免基站陶距离近的移幼台辐射过大的信号功率， 也可防止或减小移动台进入传输恶劣或背襞干扰过强的地区发生误码 率增大戚遁售质量下降的现象。 歪囱功率控铡方法与反商功率控翻裙类识，正向功率控制可由移貔 台检测旗站发来的倍号的强度，并不断的比较信号电平和干扰电平的比 值。若此值小于预定的门限值。移动台就向錾站发出增加功率的请求。 基菇牧掰调整功率瓣渡求嚣，按0 。5 d b 戆诱熬玲踅袭交秘应静发鼓功察。 最大的调整范围约6 d b ，上述的正向功率控制是属于闭环方式。正向功 率控制也可采用开环功率控制方式，即可由然站检测来囱移动台的信母 强度，以估计反向传输的损耗势糨应调整该穆动套的功率f i 3 】。 2 2 3 功率控制的凝求 ( 1 ) 寒带c d m a 的功率控制的要求： 上行链路静功攀控潮使本小溪的各移魂裔弱达基站豹功率稻等，强 刚好满足系统的性能腰求。下行链路的功率控制使移动台处的信千噪比 刚好足以达到系统性能的要求。 ( 2 ) 宽黄c d m a 懿功搴控裁缝要求： 未来的多媒体c d m a 系统的目标是追求搿的系统睿鼹和通信质镦， 应根据不同的业务的不同速率以及服务质量鼹求，给用户分配功率【1 4 】。 2 2 。4 葫搴攘裁麓源戮 当信道的传输条件突然改善时，功率控制应做出快速反应，以防止 信号的突然增强丽对其它用户产生附加的干扰；相反，警俺输条件突然 交环，功率调整静速率可穗对淹些。即宁可擎个雳户稳傣号质量籁嚣寸 间恶化，也要防止许雾用户都增加背景干扰【1 5 】。 2 3 功率与系统赛量的关系 由于发射功率的制约或系统囱身的干扰，c d m a 系统的容量受到限 制。在反向链路，当一个移动台的功率不足以克服其它移动台的干扰时， 晗尔滨工程大学硕士学位论文 袈绫这到褰爨缀疆。在蔻囱键鼹上，警蘩楚戆慧功率投毒多余熬灏努分 配绘一个新鹃溺户时，系统达到最大容嚣。邵当一个基站力傻蘩全部用 户难常的运行简发射的总功率超过基站的额定功率时，前向链路就达到 受功率限制驰容量“。 洚了接入个呼日，c d m a 移动台静功率必矮大翻足以竞瓣帮宽内 熬它c d m a 移动台产生的干扰，即必绷达到一定的信号干扰比。在任意 给定时刻，移动台所需要的发射功率取决于从移动台到基站的路径损耗 酾掰毒爱囊镳潞总魏于魏彀平。爱蠹取凌予其它c d m a 移动台弱数量帮 饿蹩。 所有的移动台每建立一个新呼叫就提高了干扰电平，每一移勘台也 麟妊须携癍静增热发龛| 功枣激缣持呼# q 浆完整戆。这个过程随蘩移动台 豹增黢鼹反餐遴季亍，壹弱这剿个极戳链c 。达到这令稷疆时，任侮一个 新的移动台，笼论其位置在哪，都无法以足够的功率来克服。丽蠛有的 移潮台也没霄足够的功率来克服新呼叫产生的附加于扰。小嚣肉所有呼 跨都要其骞鞠弱貔邑，磊要求，这个疆麓袭凌麓蘩求小区基建接渡鞠蕊 倍号强度都等于一个相同的值。对于任何一个移动台，小区内的干扰即 为( n 1 ) s ，n 为小区内的移动台的数目。来自小区外移动台的共道干 扰是一个次级麓干扰源，它的大小可以取为小区肉于抗的郡分缓 剧m 矽 = i g 南 ( z - 3 ) 嘲l l 十口j 式中d 为所需的蜀厶。当使用1 3 k b s 声码器时，对于一个扇遥大约为 2 4 。重写浚达式( 2 - 1 ) 褥每个羯户平均霉要戆信号凌率为： 南。忑石蕊1fn 1 3 ) ( 15 沼4 ) m 矽。口( 1 + 一当) 每个用户所需的，、区基站的信于噪比随小区负载的加重而习# 媲性 增加，负载越大，小区付出的平均功率代价要大的多。因此，每增加一 个移动用户，一个高负载的小区比一个低负载的小区付出的代价大，另 外，负载过重的小区将不能响应其用户话音激活的统计波动。进一步调 整式( 2 - 1 ) 以反映总的接收干扰吒。= a ( 1 + 1 3 ) n s 。巴。与基站噪声之比 可以由小区负载“= n n 。完全表示出来，干扰是随小区负载非线性增 加的。 生：兰( 2 - 5 ) f n m w 1 一“ 功率和负载之间的关系可以表示为总功率( 接收信号加基站噪声) 与基站噪声之比为： 面p t o c a l = 警f n = 击1 p s ， 一= n - f n t 拶f h 、 蹬尔滨工程大学硪圭学位论文 2 。4 功率控制分析 现有的功率控制方法大致可分为趟秘：一磅是基予优化，一秘是基 于反馈，这鼹神方法冬蠢剥弊。翦喾震要知道系缝的准确模型，通过尽 标函数对系统性能进行描述，在使系统性糍达到最优的耳标下，完成各 个用户发射功率的解算，然后将算出的最优功率实时加载给用户，这弛 方法控制准确且有明确的意义( 最优化目标函数) ，但计算工作墼很大， 不适于动态环境。当环境的参数发生改变时，原先求得最优解就不薅适 用，特别是当系统维数( 用户数) 发生变化时，需要匿瓤建立系统模型 和再次优化，这蝗任务是很难实时完成的，因而该方法也就失去了实际 意义。后者控制灵活，翁于实现，当这种方法也是根据单个用户服务质 量的变化来确定发射功率的变化趋势，即使对单个用户而言，控制也没 有明确的意义，谈不上系统整体的优化，此外步长的确定在很大程度上 依赖经验知识，缺乏理论依据，不适当的步长，会造成很大的过调量和 较长的稳定时间，从而影响每个用户的信干噪比和系统的稳定性【l 引。 f 1 ) 反向开环功率控制确定初始发射功率 情况1 ：预先不知道基站的发射功率，采用试探的方法。 入网时，移渤台通过入网信道向基站发送信息，并在寻呼信道上接 收信怠。阔题是移动台在接入状态开始向基站发送信息时应该使用多大 的功率电平。为了防止移动台开始就使糟过大的功率，产生过大的干扰， 这里鬻到一次入黼尝试程序，它实质是一种功率逐渐增大的过程。所谓 一次入网尝试是指传送一条消意矗弼收到该消息的认可的过程。一次入 窝尝试钰括多次入网深灏。在一次入两尝试中，多次入网探测都传送同 潜惑。把一次入潮尝试中豹多个入两探测分成一个鬣多个“入网探测序 列”，嗣一个接入探测序列所含静多个入弼探测鄱在同一个入网信道中发 送。各入阙探测淳歹l 豹第一个入礴探测梗攒额定开环功率所麓定的亳平 进行发送，其后，每个入网探测所髑功率均毖前一个入网探测提高一个 嫂定馕。 入网探测与入网探测彦裂都是分对骧发送的，每次传输入溺探测序 列之裁，移动台都要产生一令隧橇数，并把入溺攘测序列酌传输时润延 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 迟一个时隙。若入网尝试得到入网信道请求，还要再加一个附加时延 一p d 个时隙供移动台测试入网信道的时隙，只有测试通过了，探测序 列的第一个入网探测才在那个时隙开始传输，否则要延迟到下一个时隙 进行测定再定。在一个入网测试后，移动台要从时隙末端等候规定的时 间，以接收基站发来的认可应答消息。若接收到认可信息测试尝试结束， 若收不到信息，则下一个入网探测在延迟一定时间后发送。 接收信号强度测量主要利用a g c 电平测量。测量电路要有8 0 d b 以 上的动态范围和合理的响应速度，以适应移动台在大建筑后通行及克服 阴影效应的影响。由于导频信号的强度在整个基站发射功率中占有一定 的比例，如2 0 ，也可以通过测量导频信号强度来初始化功率。 利用自动功率增益控制测量接收信号的总功率或所测的导频信号 的功率算出总接收功率，移动台发射第一个试探的平均功率为： 平均输出功率( d b m ) 平均接收功率( d b m ) 7 3 + n o mp w r + i n i tp w r 后面两项数值由入网信道消息给出。随后的试探序列每一个增加一个功 率条件步长，直到接收到相应的应答信号，或序列结束。业务信道的初 始发射功率为： 平均输出功率( d b m ) ，平均接收功率一7 3 + n o mp w r + i n i tp w r 情况2 ：预先知道基站的发射功率，则： 卜加唔 ( 2 _ 7 ) 式( 2 - 7 ) 中只是基站发射机的输出功率，b 是移动台接收到的功率。移动 台通过来自基站的接收信号强度估计它与基站间的传输损耗，这个估计 参数用于开环功率控制，用于响应正向链路信号的突然增加，而不响应 正向链路信号的突然衰减。正向链路信号突然衰减的提升响应是通过闭 环功率控制来实现。而闭环控制的速度比较慢，这样使性能有一定的损 失，但却具有较大的工程意义。因为移动台的发射信号快速增加，多址 干扰增大，对系统中的其他移动台的链路的质量带来很大的影响，使通 信容量减小。 ( 2 ) 反淘溺环功率羧制调整发瓣功搴 移动台测量的只是j ：_ e 向链路的路径损耗。开环功率控制仅仅提供合 1 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 适的发射功率，反向链路与正向链路呈现弱相关，因为难、反链路采用 不同的频段，频段间隔对功率控制有很大的影响。一般频带的间隔远远 超出信道的相干带宽，使得发射和接收信号成为两个独立的衰落信道， 不能把测得接收信号的路径损耗当作发射功率的路径损耗，因此，需用 闭环功率控制对开环功率控制进行修正。 具体攒施为：出基站测试接收倦号的信干噪比，与预先确定的信于 臻配门羧糖疆较，以一定静遮寝产：垒蹭热或减小功率静功率控毒魄将， 并通过醣向业务信邋发送给移动台，