（通信与信息系统专业论文）利用人工神经网络技术解决wcdma上行链路功率控制问题的研究.pdf

摘要 移动通信领域的迅速发展以及3 g 时代的全面到来都反映出个人通信系统的 重要性。随着各种新业务的不断出现，十分有限的无线资源更加显得尤为珍贵。 无线资源管理也因此而倍受重视。从本质上讲，无线资源管理是各种最优化算法 的组合，在各个模块协调工作下，系统性能得到不断提升，并且系统的资源也得 到了最优化的利用。 本文中将对影响无线通信系统容量的关键因素之一：上行链路中的功率控制 问题展开详细的研究。首先从单小区入手对c d m a 系统进行数学模型的建立， 分析了限制c d m a 通信系统容量的同频干扰问题。在对单小区内功率控制进行 详细的数学分析的基础上，文中提出了利用人工神经网络技术解决上行链路功率 控制问题的数学模型，并给出了设计过程中必需的目标函数模型。 通过数学分析，本文提出了一种旨在解决单小区内同频干扰问题的人工神经 网络模型。通过仿真实验的实验结果，对比了利用该人工神经网络模型进行功率 控制前后系统内各用户发射功率的变化，以及网络模型自身的收敛状态。这些实 验结果证明了人工神经网络技术在抑制单小区内同频干扰问题上所产生的积极 作用。 在单小区功率控制模型的基础上，结合解决移动通信系统内各用户可在相邻 小区内跨小区注册的实际情况，本文提出了一种基于h o p f i e l d 人工神经网络技术 的功率控制器。通过引入移动用户在小区内的状态参考量点0 ，解决了用户跨小 区注册的过程中归属状态的问题。利用实验结果所显示出的用户在移动通信系统 内的分布图，说明了当小区容量过饱和时对相应移动用户的处理结果。 关键字 功率控制，同频干扰，人工神经网络，h o p f i c l d 神经网络，跨小区切换 北京t 业人学丁学硕l ：学位论文 a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o na n dt h ec o m i n go f3 g i n d i c a t et h e g r e a ti m p o r t a n c e o fp e r s o n a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m w i t ht h e a p p l i c a t i o no fs e v e r a ln e ws e r v i c e s , t h ev e r yl i m i t e dw i r e l e s sr e 翻) l l r c ei sp a r t i c u l a r l y p r e c i o u s ，a n dj u s tf o rt h i sr e a s o n , r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ( r r m ) h a sb e e np u t o na g r e a ti m p o r t a n c e e s s e n t i a l l ys p e a k i n g r a d i or e s o u 眦m a n a g e m e n ti sag r o u p o fo p t i m ma l g o r i t h m s , w h o s ec o o r d i n a t e dw o r k i n gh e l pt h eo w 5 z a l lp e r f o m = n c eo f s y s t e mi m p r o v em u c h i nt h i sp a p e r , t h em a j o rp o i n ti st h a tr 黜a r c h i n go n eo ft h em o s ti m p o r t a n tk e y t e c h n o l o g i e si n3 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ：p o w e rc o n t r 0 1 w ef i r s tb u i l dt h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fs i n g l ec e l l ，f i l lw h i c hw ea n a l y z ec o - f r e q u e n c yi n t e r f e r e n c e t h a ta f f e c t sc a p a c i t yo fm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m a f t e rad e t a i lm a t h e m a t i c a l a n a l y s i sa b o u tp o w e rc o n ( a o li ns i n g l ec e l l ，d r a wam a t h e m a t i c a lm o d e lt od e a lw i t h u p l i n kp o w e r c o n t r o lb yu s i n ga r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kt e c h n o l o g y , a n da l lo b j e c t i v e f u n c t i o n o nm a t hd i s c u s s i o n , w eb r i n gf o r w a r d 锄a r t i f i c i a ln e u r a ln o , y o r km o d e lt o h a n d l ec o f i e q u e n c yi n t e r f e r e n c ei ns i n g l ec e l lm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h o u g hs i m u l a t i o n , w ea c h i e v ea na n t i c i p a t o r y r e s u l ta b o u tu s e 侣p o w e ri n c o m p a r i s o nw i t ht h er e s u l tw i t h o u tp o w e rc o n t r o l ，a n dc o n v e r g e n c ef i g u r ea b o u t a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r km o d e l b a s e do i lt h em o d e lo fs i n g l ec e l lp o w e rc o n t r o l l e r , w eb u i l dam o r ec o m p l e x p o w e rc o n t r o l l e rm o d e lb yu s i n gh o p f i e l da n nt oh a n d l em u l t i - c e l ls w i t c h b y i n t r o d u c i n gas t a t er e f e r e n c e 助，w es u c c e s s f u l l yr e s o l v eu s e r s a d s c r i p t i o np r o b l e m w h e nt h e ys w i t c hf r o mo n ec e l lt oa n o t h e r t h eu s e 鹤l o c a t i o ns i m u l a t i o nf i g u r e s h o w st h er e s u l to f s w i t c h i n gw h e nc e l l i so v e r - s a t u r a t i o n k e y w o r d ： p o w e rc o n 血o l ，c o - f r e q u e n c yi n t e r f e r e n c e ，a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k , h o p f i e l d , m a l t i - c e us w i t c h i n g 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：名4 盈垒牟一日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：剑蜷导师签名：叠苎豇眺兰丑幺 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 随着q u a l c o m m 公司成功的将c d m a 技术商用化，移动通信领域又出现 了新的高峰。由于c d m a 技术与传统的无线传输技术相比具有独特的优势，很 快它就赢得了人们的青睐。与模拟技术相比，c d m a 系统的容量可以提高7 到 l o 倍，而即便是与t d m a 数字通信系统相比，也可以将系统容量提升6 倍。不 仅如此，在话音质量上，c d m a 通信系统是有史以来表现最为出色的，尤其是 在无线环境较为恶劣的地区以及用户密集区域。在由t r a c ( t e l e c o m m u n i c a t i o i l s r e s e a r c ha n da c t i o nc e n t e r ) 做的一项关于无线平台性能的分析中显示，c d m a 技术在各个方面都优于传统的数字和模拟技术，具体体现在信号质量、安全性、 功率消耗量、可信赖性等方面。 随着移动通信的迅速发展以及移动设备的快速普及，多媒体业务通信已经成 为3 g 和b e y o n d3 g 当中的核心业务。多媒体业务与传统的话音业务相比，往往 需要更高的传输速率和更高的q o s 要求。针对多媒体业务的日益普及，各种研 究机构也纷纷提出了相应的解决方案，如3 g p p 针对w c d m a 系统提出的h s d p a ( h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s ) 1 1 ，以及3 g p p 2 所提出的i x e v - d o ( 1 x e v o l u t i o n - d a t ao n l y ) 以及l x e v - d v ( 1 xe v o l u t i o n - d a t aa n dv o i c c 、1 2 j 。 然而，目前所能提出的各种解决方案并不一定能够长久适用，流媒体业务以 及大量的数据下载上传业务使得c d m a 通信系统在广泛应用的同时也遇到了前 所未有的挑战。在这种情况下，一方面是寻找比c d m a 物理层传输技术更加适 于高速传输的技术( 如：o f d m ) ，另外一方面是在c d m a 技术的基础上尽可能 对系统资源进行充分利用。面对c d m a 通信系统的全球化商用的局面，这后一 方面内容显示是更加现实的。因此，这就需要不断探索如何更加高效的管理无线 资源，在已有传输技术的基础上不断提高系统q o s 和系统容量。在这些工作中， 如何在保证正常q o s 的前提下尽可能的控制系统中各移动台的发射功率则是重 中之中。这也是本文的重点研究内容。 c d m a 移动通信网络中的功率控制具有传统功率控制的共性，例如具有共同 的描述参数，同样需要合理的q o s 策略，采取一定的业务模型等；同时，还具有 一些特殊性，这是由c d m a 移动通信的特点所决定的，需考虑以下几个移动性 环境下的特殊问题： 无线信道的高误码率 通过空中接口上的分集技术、差错控制( 前向纠错、c r c 校验) 及反馈重传 北京t 业大学下学硕j 论文 机制来克服，但是反馈重传会引入一定的时延，需要权衡。 无线资源的有限性 无线链路由于频带资源和传输技术的限制，所能提供的带宽相当有限，3 g 系统所能达到的最好情况也只是2 0 4 8 m b p s ( 室内或者室外小范围内，静止状 态) 。相比之下，传统的以太网中能提供1 0 1 0 0 m b p s 的带宽，而光纤则能够达 到上o b p s 的传输速率。因此，在3 g 系统中，无线接口部分的带宽不足的情形 尤为突出，这也是3 g 中q o s 的瓶颈所在。在兼顾资源使用效率前提下，为保证 业务的误码率、时延等q o s 参数要求，采用多址技术及复杂的m a c 层协议来 合理地配置和管理有限的资源。 移动性问题 在移动通信中，用户终端随时可以从一个小区移动到另一个小区，从一个网 络移动到另一个网络，同时要求正在进行的业务不受影响。由于移动台位置改 变，通过有效的资源预留和接入控制算法，保证用户应用在跨区切换时的服务 质量，在改善掉线概率的同时尽量提高系统资源利用率。 1 2w c d m a 系统中的功率控制 在c d m a 系统中，由于用户共用相同的频带，且各用户的扩频码之间存在 着非理想的相关特性，用户发射功率的大小将直接影响系统的总容量，从而使得 功率控制成为c d m a 系统中最为重要的核心技术之一。 如果不采用功率控制，所有用户就会以相同的功率发射信号，这样离基站较 近的移动台就会对较远的移动台造成相当大的干扰，这种现象称为远近效应。因 此设计一种良好的功率控制方案对于c d m a 系统的正常运行是非常重要的。研 究表明，不采用功率控制技术的c d m a 系统容量很小，甚至会小于普通f d m a 系统的容量。在w c d m a 系统中采用功率控制的另一个原因是尽可能利用最小 的发射功率获得所需的传输质量，以延长用户终端中电池的寿命。 当前，功率控制主要有1 ) 基于强度的功率控制 4 - 6 1 ；2 ) 基于信噪比( s i r ) 的功率控制【7 1 0 】。后者更容易实现，而且因为s i r 决定了接收信号的比特差错率， 因而它可使上行链路获得更理想的传输信号。 在当前三种c d m a 标准中，c d m a 2 0 0 0 采用了“开环+ 闭环功率控制方式”， w c d m a “开环+ 自适应闭环功率控制”，提高了功率控制的速度，可以抵消一般 的快衰落；而t d s c d m a 由于采用了联合检测技术，抗快衰落的能力也较强。 本文将以w c d m a 技术为基础，对功率控制问题进行深入研究。 一般很容易想到的解决方法是开环功率控制机制发送下行链路信标信 号来对路径损耗做出粗略的估计，但是这一方法相当地不精确。主要原因是，由 2 第1 帚绪论 于w c d m a 在f d d 模式中的上行链路和下行链路的频率间隔相差得比较大，上 行和下行链路的快衰落之间在本质上是不相关的。然而，在w c d m a 中仍然使 用开环功率控制，只不过用在接续的开始阶段给移动台提供比较粗略的出事功率 设置。 w c d m a 中采用的功率控制方案是快速闭环功率控制。在上行链路的功率 控制中，基站要频繁地估计接受到的信干比( s 瓜) 值，并把它同目标s i r 值相 比较。如果测得的s i r 高于目标s i r ，基站就命令移动台降低功率；如果测得的 s i r 要比目标值低很多，基站就命令移动台提高功率。对每一个移动台，这个“测 量一指示一反应”循环的周期为1 5 0 0 次s ( 1 5 k h z ) ，比任何较明显的路径损耗 的改变都要快。实际上，甚至比低速到中速运动的移动台产生的瑞利快衰落的速 度还快。这样闭环功率控制就能够防止在基站接受的所有上行链路信号中出现功 率不平衡的现象。 下行链路中采用同样的闭环功率控制技术，但是目的不同：由于下行链路是 一个基站对多个移动台的情况，所以不存在远近效应的问题。一个小区中的所有 信号都来自一个基站并能到达所有移动台。然而，如果在移动台处于小区边缘时 能提供高发射功率就更理想了，因为在这种时候，移动台受到的来自其他小区的 干扰增加了。而且在移动台低速移动时，由于深度瑞利衰落的影响，当其他那些 基于交织和纠错码的纠错方法变得不那么有效时，下行链路中也需要增加信号发 射功率。 在结束介绍闭环功率控制这部分内容之前，还要提一下一种与之更相关的控 制环：外环功率控制。外环功率控制根据各个单独的无线链路的需要来调整目标 s i r 的设定点值，其目标是取得恒定的链路质量，通常定义为某个误码率( b e r ) 和误块率( b l e r ) 。为什么要改变目标s i r 的设定点值呢? 例如，b l e r f l 所 要求的s i r ( 存在相应的e d n o 要求) 取决于移动台的速度和多径的分布。现在， 假如s i r 的设置值要考虑最坏的情况，如高速移动的情况，那么在低速时这些连 接就会有很大的容量浪费。所以，最好的策略是让目标s i r 的测定点值在刚好满 足所要求的目标质量的最小值附近浮动。随着移动速度和传播环境的改变，目标 s i r 的设置点也将随着时间来改变。 本文所研究的内容就是如何提高w c d m a 系统中上行链路功率控制的效率 问题，如何使上行链路中的自适应闭环功率控制在不同的s i r 设定点下能尽快的 达到稳定状态。 1 3 人工神经网络 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，a n n ) ，亦称为神经网络( n e u r a l 北京t 业大学_ 丁学硕f 论文 n e t w o r k s ，n n ) ，是由大量处理单元( 神经元n e u r o n s ) 广泛互连而成的网络， 是对人脑的抽象、简化和模拟，反映人脑的基本特性。人工神经网络的研究是从 人脑的生理结构出发来研究人的智能行为，模拟人脑信息处理的功能。它是根植 于神经科学、数学、统计学、物理学、计算机科学及工程等学科的一种技术。 人工神经网络是由简单的处理单元所组成的大量并行分布的处理机，这种处 理机具有存储和应用经验知识的自然特性，它与人脑的相似之处概括为两个方 面：一是神经网络通过学习过程从外部环境中获取知识；二是内部神经元( 突触 权值) 用来存储获取的知识信息。 神经网络也经常被称为神经计算机( n e m o c o m p u t c r ) ，但它与现代数字计算 机的不同之处主要表现在以下方面： 1 ) 神经网络的信息存储与处理( 计算) 是合二为一的，即信息的存储体现 在神经元互连的分布上；传统计算机的存储与计算是独立的，因而在存储与计算 之间存在着瓶颈。 2 ) 神经网络以大规模模拟计算为主；数字计算机是以串行离散符号处理为 主。 3 ) 神经网络具有很强的鲁棒性和容错性，善于联想、概括、类比和推广， 任何局部的损伤都不会影响整体结果。 4 ) 神经网络具有很强的自学习能力，能为新的输入产生合理的输出，可在 学习过程之中不断完善自己，具有创新特点。 5 ) 神经网络是一大规模自适应非线性动力系统，具有集体运算的能力。这 与本质上是线性系统的现代数字计算机迥然不同。 人工神经网络是近年来的热点研究领域，涉及到电子科学与技术、信息与通 信工程、计算科学与技术、电气工程、控制科学与技术等诸多学科，其应用领域 包括：建模、时间序列分析、模式识别和控制等，并在不断拓展。本文所做的工 作就是在通信工程领域中寻找人工神经网络新的应用方向。 根据不同的评价标准，人工神经网络有不同的分类方法，如： ( 1 ) 从网络性能角度可分为连续型与离散型网络、确定性与随机性网络。 ( 2 ) 从网络结构角度出发可分为前向网络与反馈网络。 ( 3 ) 从学习方式角度可分为有导师学习网络和无导师学习网络。 ( 4 ) 按连接突触性质可分为一阶线性关联网络和高阶线性关联网络。 如仅从网络结构角度出发，又可具体划分为： ( 1 ) 多层感知器网络：如b p 网络。可用于分类和函数逼近。 ( 2 ) 径向基函数神经网络：即r b f 网。可用于分类和函数逼近。 ( 3 ) h o p f i e l d 网络：可用于优化计算和联想记忆等功能。 ( 4 )自组织特征映射网络：即s o f m 网络，一种竞争学习网络。 本文将根据不同的研究重点对上述部分种类的神经网络在w c d m a 上行链 4 第1 章绪论 路功率控制中的应用进行研究，并结合实验数据给出分析结果。 1 4 本文研究工作 本文的研究工作主要可以分为两大部分：( 1 ) 对于w c d m a 移动通信系统 上行链路中的功率控制进行了透彻的分析，并通过实验证明使用人工神经网络技 术在解决这一问题时的可行性，同时提出了一些自己的想法；( 2 ) 针对不同结构 的人工神经网络在解决w c d m a 移动通信系统上行链路功率控制问题方面进行 深入探讨，并通过实验结果对比各网络解决该问题时的不同性能。 第二章对w c d m a 移动通信系统中上行链路的功率控制问题进行了深入分 析，从详尽的分析及相应的数学推导过程中可以看出这一问题可以看作对目标函 数的最优化求解过程。 第三章对利用人工神经网络技术解决功率控制问题进行了初步的分析。在第 二章数学推导的基础上进一步完善了解决功率控制时人工神经网络技术所需要 的数学基础。 第四章以单小区内上行链路中的功率控制为研究对象，对人工神经网络技术 在该领域中的应用进行了理论研究，并通过仿真实验对研究结果进行了证明。 第五章结合h o p f i d d 人工神经网络技术，以7 小区组成的移动通信系统为实 验环境，通过仿真实验分析了当存在用户跨小区注册的情况时，功率控制对系统 容量的积极作用。 北京t 业人学t 学硕l ：论文 第2 章w c d m a 通信系统的功率控制分析 2 1 引言 移动通信系统一直被有限的频带资源所困扰，如何利用有限的资源来实现更 高的性能、更快的速率、以及更大的容量，这一问题一直是所有移动通信工程师 所竭尽全力所思考的问题。研究通信系统一方面是传输技术上的进步，这主要体 现在传输速率和传输质量上的提高，例如从一开始只能够支持话音业务，到目前 已经被普遍看好的多媒体业务，这当中的飞跃就主要集中在传输技术上的进步。 另外一方面就是系统整体性能的优化，这主要体现在整体系统能够容纳的用户数 量上的提高以及对于有限网络资源的充分利用。这后一方面的内容是无线资源管 理研究的重点，而对于通信系统容量的分析并从中发现其瓶颈，是无线资源管理 研究的重要基础，因此，本章的重点主要在于分析功率控制对w c d m a 移动通 信系统的容量的影响。主要包括以下几方面的内容： 系统模型的建立； 提高系统容量的相关功率控制技术； 2 2 传统应用中功率控制的过程 2 2 1 外环功率控制过程 在第一章中曾简单提及外环功率控制的作用是通过为上行链路功率控制设 定目标值，使通信链路的质量满足需要。外环功率控制的目的在于提供所需的通 信质量：既不要太差，也不要太好。太高的质量将浪费容量。 因此，在进行外环功率控制时需要对信号的接受质量进行估计。一个简单可 靠的方法是利用检错结果，即通过循环冗余校验( c r c ) 的结果来检测接收是否 有错误。利用循环冗余校验的优势在于它对误帧的检测非常可靠并且简单。基于 c r c 的方法非常适合那些错误频繁发生，至少每隔几秒钟出现一次的业务，例 如非实时分组数据业务，其重传之前的误块率( b l e r ) 可高达1 0 0 一2 0 ；还有 语音业务，一般b l e r 要达到l 质量才能符合要求。如果采用交织深度为2 0 m s 、 b l e r 为1 的自适应多速率( a m r ) 声码器，对应的错误发生周期为2 s 。 接收质量也可以通过基于帧可靠性的软信息来进行估计。软信息包括以下内 容： 信道译码前的误比特率( b e r ) 估计，成为原b e r 或物理信道的b e r ； 6 第2 帚w c d m a 通信系统的功牢拧制分析 对卷积码进行译码的维特比译码器的软信息； t u r b o 译码器的软信息，如中间迭代译码器的b e r 或b l e r ： 接收到的e 卯。 对接受到的信号质量进行估计后，将把接受到的信号质量同所需要的信号质 量进行比较，依靠比较的结果来提供目标s i r 值。其控制流程如图3 1 所示： 图2 - 1 常用的外环功率控制算法流程 f i g u r e2 - io u t e r - l o o pp o w e rc o n t r o la l g o r i t h mf l o wc h a r t 参考文献b i 介绍了一种可能的外环功率控制算法，该算法基于数据c r c 校 验的结果，其伪代码如图2 2 所示。 i f c r cc h k o k s t e p d o w n = b l e r _ t m g e t 。s t e ps i z e ； e b n o _ t m g e t ( n + i ) = e h ，n 0 ：i a 唱c t ( n ) - s t e p _ d o w n ； e l s e s t e p _ u p = s t e p _ s i z e b l e rt a r g e t s t e p _ s i z e ； e b n 0 _ t a r g e t ( n + 1 ) = e b n o _ _ l a r g e t ( n ) + s t e p _ u p ； 翻岫 w h e r e e b n o _ 协r g e t ( n ) i st h ee b n ot & 曙e ti n 缸f f l l ci l b l e r _ t m g e ti st h eb l e rt a 曙e tf o rt h ec a l la n d s t e ps i z ei sa p a r a m e t e r , t y p i c a l l y0 3 0 5d b 图2 - 2 外环功率控制算法的伪代码 f i g u r e2 - 2p s e u d oc o d ef o ro u t e r - l o o pp o w e rc o n t r o la l g o r i t h m 为实现上述外环功率控制过程，w c d m a 移动通信系统中会采用专门的信 道传送信令。首先在系统可设置参数中，每种业务根据各自b l e r 设定一个初始 目标s i r 值，无线网络控制器( r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r ，r n c ) 将其传给n o d e b ；再由n o d e b 接收每个传输块中的包头( 循环冗余校验码c r c ) ，8 、1 2 或1 6 b i t ； 之后n o d eb 检测c r c ，通不过c r c 检测的块宣布为误块，并产生质量标签c r c i 给每一个传输块；在n o d e b 计算s i r 差后( 当前测量s 瓜目标s i r ) ；最终s i r 之差和c r c i 传给r n c ，r n c 再考虑每种业务的b l e r 需求和系统所设定的目 7 北京1 = 业大学t 学硕f ：论文 标s 瓜，计算出新的目标s 瓜，下传给n o d e b 。其控制过程如图2 - 3 所示： 提供初始s i r 值 图2 - 3 外环功率控制过程 f i g u r e2 - 3p r o c e s so f o u ：i e r - i o o pp o w e rc o n t r o l 2 2 2 内环功率控制过程 在w c d m a 下行信道中，每l o m s 为一帧，一帧由1 5 个时隙( t u n es l o t ， t s ) 组成。每一个t s 中都会发送一个内环功率控制命令( 口c ) 。所以w c d m a 移动通信系统中，内环功率控制的频率为1 5 k h z ，因此内环功率控制又称快速 功率控制。 内环功率控制的数学推导过程在第二章中已有详细涉及，这里不再赘述，仅 将内环功率控制的过程做一简单介绍。 在上行链路中，n o d eb 根据上行专用物理控制信道( d p c c h ) 导频字符计 算每个t s 的s i r 值，并与r n c 提供的目标s i r 值进行比较。根据比较的结果 决定如何对发射功率进行控制。 接收s 目标s i r ：降低发射功率，t p c = 0 ； 接收s k 目标s i r ：升高发射功率，t p c = i 。 p c 通过下行d p c c h 向移动台发出，根据m s 的移动速度不同，功率控制 的步长在0 5 2 d b 间调整1 1 2 1 。其控制过程如图3 - 4 所示： m sn o d e br n c l = = = 二= = 习r _ 1l 一上行d p c c h 一一 图2 4 内环功率控制过程 f i g u m2 - 4p r o c e s so f i n n e r - l o o pp o w e rc o n t r o l 必须指出，基于s i r 功率控制的缺点之一是容易引起正反馈。为了防止正反 馈现象，文献1 1 3 1 中提出了基于强度和s i r 相结合的功率控制方案。针对于不同 评价标准时，功率控制技术的差异，文献【1 4 1 中有详细介绍。本文中不再赘述。 8 兰：王：2 譬金霎篁至釜竺2 兰芝型2 要 2 3c d m a 系统中的功率控制模型 2 3 1 单小区模型的建立 c d m a 通信系统与传统的f d m a 、t d m a 系统的不同之处在于在同一个小 区内所有用户的数据都在同一频带内传送。对于某一个用户来讲，本小区内其余 所有的用户对其都是干扰。在此，假设单- d , 区在功率控制( p o w e rc o n t r 0 1 ) 的 情况下，所有用户到达基站的功率相同。显然，信噪比可以表示如下： s n r ：妻：上 ( 2 1 ) ( 一l 拶一l 其中，s 表示用户发送数据时到达基站的功率，而表示该小区的用户数目。 对于一个通信系统，常用的一个重要指标是比特信噪比( b i te n e r g y - t o - n o i s e r a t i o ) ，计算方法是将信息速率去除分母，同时用系统带宽除分子。表示如下： 局悱丽s 丽r = 筹 ( 2 _ 2 ) 其中：胄表示信息速率，而矿表示系统带宽。上式中没有考虑到白噪声，7 的 影响，由于其分布在整个系统带宽范围内，现将上式修正如下： 毛o = 两而w i r ( 2 3 ) 在上式中，w r 称为处理增益( p r o c e s s i n gg a i n ) ，而昂o 则是成功解调所必 须的信噪比门限，在数据话音传输中，往往要求b e r 在l o 3 甚至更好1 5 】。从 的表达式中可以清晰看出，限制c d m a 系统的一个重要因素就是e ，o ，而 毛o 与该小区的用户数目n 直接相关：用户数目越多( 即n 值越大) ，毛o 的值就越低，系统的性能就越差。虽然c d m a 通信系统被称为“软容量”，即对 于用户数目没有一个硬性的限制，但是通过上面的分析可以看出，系统容量并非 没有限制。对于反向链路来讲，由于基站接收各个用户时采用非相关接收 ( n o n - c o h e r e n tr e c k o n ) ，且各个用户信号具有彼此独立的衰落，一般要求 毛n o - - - - 7 d b 。 9 北京t 业人学t 学硕l ：论文 2 3 2 多小区模型中功率控制遇到的问题 然而在实际中，某一小区内的基站除接收来自本小区的移动台信号外，还要 受到相邻小区内其它移动台发生信号的影响。必须从实际角度出发考虑多小区模 型中功率控制所遇到的问题。因此建立如下多小区模型： 小区数目：1 9 用户数目：n ( 可跨小区) 小区i 的白噪 声干扰：仉 图2 - 5 多小区移动通信系统模型 f i g u r e2 - 5m u l t i - r l lm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mm o d e l 在上述多小区移动通信系统模型中，以小区“1 ”为中心参考小区，小区“2 ” 小区“7 ”为第二圈小区，小区“8 ”小区“1 9 ”为第三圈小区。全部1 9 个小 区中总的用户容量为n ，且这n 个用户可在1 9 个小区中自由切换。各小区内白 噪声干扰分别以r i ( i e 【l ，1 9 ) 代表。 在c d m a 系统中，由于任何一个用户的信号对于其他用户来说都是干扰， 所以这个干扰自然越小越好。在反向链路中，减小这种干扰的方式就是通过基站 对本小区的移动台进行功率控制，尽量使某一小区中与基站距离不同的用户信号 到达基站时基本相同，从而基本可以解决“远近效应”。然而这种机制的问题在 于某个基站只能控制该小区内部的移动台，而对于其他小区的移动台却无能为 力。所以其他小区的移动台对目的小区产生的干扰并不能消除，从而限制了系统 的容量。 在此，仍然通过毛，o 来说明问题。在多小区反向链路中： 毛，o ：矿型_ 一 ( 2 _ 4 ) 而+ ( ，s ) + ( ，7 ，回 其中，i 代表其他小区的干扰，而釜而仍然代表该小区内部的用户，只不 过引入了话音激活因子盯，假设小区内其他用户不是在某一时刻全部处于激活状 态，而是一个随机变量，服从下列分布： 毛= 1 ，口 葺= 0 ，1 - a 由上述公式可以看出，某小区的容量与周围小区的环境密切相关，周围小 区当中处于激活状态的用户越多，对目的小区产生的干扰就越强，中心小区的容 量越受限制。 2 3 3 前向链路中的功率分配 当谈及系统容量时，并不单单指反向链路；前向链路中的容量也在考虑范围 内，而且也是限制系统容量的一个重要因素。因为在前向链路中也存在周围小区 的干扰。以图2 1 所示多小区移动通信系统模型作为参考，在此主要考虑临近两 圈之内小区的干扰，第三圈及之外的小区干扰暂且忽略不计。 在计算前向链路容量时，主要是从功率分配的角度来出发的。在前向链路中， 基站发射信号的所有功率并不是都用来传输业务数据，其中一部分功率需要分配 给导频信道：这一方面是由于导频信号是帮助移动台来确定服务小区的，如果移 动台不能够成功接收导频信号，剩余的通话步骤都不能进行。另一方面是由于在 前向链路中，移动台采用相关接收方式，这需要导频信号为之提供相位参考。在 前向链路中，发送给某一个用户的毛o 也必须满足一定的条件，在一般情况下， 为了达到b e r _ 1 0 - 3 ，需要满足毛，o = s d b 。计算毛，o 的表达式如下： 白，2 嚣篇 协5 ) 其中：表示分配给该小区所有业务信道功率的比例( q u a l c o m m 建议 o 8 ) ，( i - ) 即分配给导频的比例，在这里分配给业务信道的总功率之所以不 能够超过一定比例，是因为导频信道、寻呼信道和同步信道的信号传输都基本上 是固定功率的，因此如果业务信道的功率过大，那么这种干扰将导致移动台无法 正常接受到导频信道、寻呼信道或同步信道的信号，从而导致系统性能恶化；垂 表示分配给某个用户的功率的比例；品表示本小区基站的功率( t o t a l ) , ( 岛) 。 表示到达某小区中某一用户的所有其他小区的干扰，路径损耗已经计算在内。 北京丁业大学工学硕i 。论文 从上式可以看出影响前向链路容量的因素主要是基站有限的发射功率以及 邻近小区基站的干扰。这是因为e ，0 是一个门限值，是一个必须达到的指标( 由 于在前向链路中采用了相关解调，性能较非相干解调要好，所以对昂0 的要求 较反向链路低，为5 d b ) 。而其他小区基站的干扰使得目的小区的基站为达到此 目标所需付出的代价越大，即给每个移动台发送信号时都需要更多的功率。然而， 如前所述，某一基站分配给业务信道( t r a f f i cc h a n n e l s ) 的功率是有一个限制的， 既然分配给个体的功率增加。那么所能服务的用户数目必然减少，从而限制了前 向链路的容量。换言之，随着小区( 或扇区) 内的用户数目增多，有限的功率不 能使各用户的信噪比水平达到一定标准，所以造成误码。 然而，实际工程中情况远远不如上述预测的那样乐观，在系统的扩展过程中， 有很多实际因素限制c d m a 系统的容量。 2 4 多业务c d m a 系统功率控制 2 4 1 多业务c d g t 通信系统上行链路容量分析 在3 g 和b e y o n d3 g 通信系统当中，多业务可以说是发展的趋势之一，也是 吸引消费者的主要应用之一。因此如何有效的协调好资源在各种业务之间的分配 则是必须要解决的关键问题。在本节和下一小节当中，集中讨论了多业务系统的 容量分析问题。 在分析之前，我们做出几点必要的假设： 有m 类业务，分别用下标1 ，2 ，3 ，肌来表示： - 系统具有完备的功率控制机制，这里暂不考虑因为功率控制算法而产生 的误差；所以，在同一小区内，同类业务到达基站处的功率相同，不同 类业务在基站处的接受功率分别表示为s ，最， 各小区面积相同，不考虑宏小区和微小区的存在，用六边形的惯用拓扑 结构来描述小区结构； 所有业务都引入了激活因子，即考虑所有类型的业务都可以不连续传 输，业务激活因子分别用q ，吃，来表示； 在单小区当中，第i 类业务某一用户的信噪比表示如下： 跚：毛广一：士一( 2 6 ) ( 弼一1 蝎+ 以s ( 弼一1 ) + m 皈墨) k f l , k 刊k = l j 第2 章w c d m a 通竹系统的功率柠制分析 其中，札表示在此小区中第k 类业务日前处于通话状态中的用户数目。与 前面的讨论类似，在此，仍然用毛0 这个指标来衡量通话质量。分别用信息传 输速率r 和系统带宽来除分子和分母，表示如下： e | n o = 在考虑了白噪声的因素之后，可以进一步修正为： e h | i n 口= ( 2 - 7 ) m 兰! 墨 ( 2 8 )、 ( l 一1 ) + m ( 盈，墨) + ( 刁s ) 。l f i 在此，我们同样考虑引入了扇区化对于系统容量的促进作用。假定小区依然 被平均分为3 个扇区，各个扇区之间没有相互干扰，那么上述表达式中的各类业 务用户数目可以用( m d 来表示，这里我们用j 来表示扇区化对与系统干扰用户 的减小作用。理想情况下，s = l 3 ，但是一般情况下，我们只需要假定( 1 3 冰1 1 e p - j 。同时，加上业务激活因子的作用，毛，o 的表达式可以表示如下： e 6 , n o ：型l 一 ( 2 _ 9 ) ( m 伊一1 心+ m 呼q ( 瓯s ) + ( 刁墨) k = l j 一 然而，真正的干扰并不仅仅来自与本小区。来自周围临近小区的干扰同样也 对本小区产生了干扰，因为在数学分析当中较难准确的表达来自于周围小区的干 扰，我们暂且用，来表示来自于周围小区的干扰，那么上述表达式可以修正如下： 0 ：- 1 广坐l 一( 2 1 0 ) ( m j 一1 ) q + m j q ( 墨s ) + u 墨) + ( 刁，墨) 2 4 2 多业务c d m a 通信系统下行链路容量分析 在下行链路的容量分析当中，我们做出如下假设： - 基站的功率可以在各类业务当中自由分配，不存在某类业务只能占用一 部分功率的假设； - 对于某一类业务的用户，所分配的功率不能够超出某- - f 3 限，这是有效 利用资源的重要前提； 1 3 北京t 业人学t 学硕i ：论文 不考虑基站之间的差别，所有基站给予相同考虑，即所有基站的最大发 射功率、导频分配比例相同； 因此，反响链路的昂0 值可以表示如下： 鱼：盟坠! 墨 (211)k o 【( 岛) 。+ ，7 w y - i 其中，表示分配给该小区所有业务信道功率的比例；九表示分配给第f 类业务某个用户的功率的比例；表示本小区基站的功率；( 童岛k 表示到达某 1 - 1 小区中某一用户的所有其他小区的干扰，路径损耗已经计算在内。 从表达式来看，多业务下行链路容量分析与单业务的分析类似，在传统的文 献当中【1 6 1 ，也基本上都认为c d m a 系统的容量是受限于上行链路的，这主要是因 为下行链路当中的功率控制和同步技术的运用使下行链路的信号传输质量更好， 干扰更小。因此本论文将对w c d m a 系统上行链路中的功率控制进行研究，找出 利用人工神经网络技术抑制“远近效应”的最佳方法。 2 5 本章小结 本章主要对w c d m a 移动通信系统中的功率控制过程进行了分析。首先分析 了功率控制对w c d m a 移动通信系统容量的影响，并从单小区，多小区、单任务 多任务的不同角度进行了数学推导。随后，针对上行链路中的功率控制进行了更 进一步的分析。最终推导出控制各移动台在保证各自申请业务所需的信噪比条件 下所需最小发射功率的约束条件。 1 4 第3 章基于a n n 技术进行功牢拧制的数学分析 第3 章基于a n n 技术进行功率控制的数学分析 3 1 引言 在第2 章的论述中已经详细介绍了解决功率控制问题的传统方法。从中可以 明显看出传统功率控制的方法需要实时对用户的信噪比进行评测，根据用户当前 信噪比情况和用户申请业务所需要的服务质量比( q o s ) 随时控制用户改变其发 射功率。在控制的过程中，系统通过专用信道在每一个t s 上向用户发送功率控 制信令( t c ) 。然而，这种方法在控制