（通信与信息系统专业论文）第三代移动通信系统中功率控制技术的研究.pdf

哈尔滨丁程大学硕十学位论文 摘要 第三代移动通信系统采用宽带c d m a 技术 其主要目标是实现任何人可以 在任何时间 任何地点进行任何方式的通信 然而c d m a 移动通信系统的信道 为无线信道 它是自然界中的一种较为恶劣的通信介质 在信息的传输过程 中 存在着多址干扰 高斯噪声 多径效应 远近效应及多普勒效应等诸多 不利因素 这些不利因素极大地影响了c d m a 移动通系统的传输可靠性 限制 了系统容量 c d m a 移动通信系统作为一种干扰受限系统 任何能提高系统抗干扰性 能 即可靠性的技术都能提高系统容量 c d m a 系统采用的关键技术都是围绕 着在保证可靠性的前提下提高系统容量 在码分多址 c d m a 系统中 功率控 制被认为是所有关键技术的核心 可以有效地克服远近效应和多址干扰的影 响 本文针对宽带码分多址系统的上行链路提出了一种基于干扰预测的功率 控制方法 利用当前时刻和以前若干时刻的干扰对下一时刻的干扰进行最佳 预测 以此为基础来解决下一时刻的功率 从而使信干比更接近门限值 并 讨论了利用功率控制和多用户检测两者各自的优点而进行联合功率控制的理 论和方法 提出了基于多用户检测技术的联合功率控制算法 关键词 码分多址 功率控制 多用户检测 信道预测 哈尔滨f 狂大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h et h i r dg e n e r a t i o nm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m u t i l i z e sw i d e b a n d c d m aa si t sm u l t i p l ea c c e s s i ta i m sa tt h a tw h o e v e rc a nc o m m u n i c a t ei n w h a t e v e rw a yw h e n e v e ri ti sa n dw h e r e v e rh ei s b e i n gw i r e l e s sc h a n n e l t h e c h a n n e lo fc d m as y s t e mi sv e r yt e r r i b l em e d i a lo ft h en a t u r e i nt h ec o u r s eo f t r a n s f e r r i n gi n f o r m a t i o n t h e r ea r es e v e r a ld i s a d v a n t a g e sa st i m e s e l e c t i v ef a d i n g f r e q u e n c y s e l e c t i v ef a d i n g n e a r f a re f f e c t m u l t i p l e a c c e s si n t e r f e r e n c e w h i t e o a u s s i a nn o i s ea n ds oo n w h i c ha f f e c tt h er e l i a b i l i 移o f c d m as y s t e ma n dl o w e r t h ec a p a c i t yo f c d m a s y s t e m b e c a u s et h ec d m as y s t e mi sai n t e r f e r e n c e l i m i t e d s y s t e m a l lt h e t e c h n o l o g i e st h a tc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fr e s i s t i n gi n t e r f e r e n c e t h a t st o s a yr e l i a b i l i t yc a l la m p l i f yt h ei t sc a p a c i t y t h ek e yt e c h n o l o g i e su t i l i z e db y c d m as y s t e ma r ea l la i m i n ga t i m p r o v i n gt h er e l i a b i l i t y i nt h i sa r t i c l e a p r e d i c t i v ec o n t r o la l g o r i t h mf o ru p l i n kt r a n s m i s s i o ni n c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s ss y s t e m si sp r e s e n t e d u s i n gt h eo p t i m a ll i n e a rp r e d i c t i o n t h ei n t e r f e r e n c e t ot h ed e s i r e du s e rf o rt h ef u t u r ei n s t a n ti se s t i m a t e df r o mc u r r e n ta n dp a s t i n t e r f e r e n c e t h er e s u l ti st h e nu s e dt od e r i v et h eo h m u mp o w e rl e v e l so ft h e m o b i l et r a n s m i t t e r si nt h es y s t e m f i n a l l yt h ea r t i c l ed i s c u s s e st h et h e o r ya n d m e t h o do fan o v e lc o m b i n e dc d m ap o w e rc o n t r o lt e c h n o l o g yt h a tu s i n gt h e a d v a n t a g e so 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 na n dp r o p o s e sac o m b i n e d p o w e r c o n t r o la l g o r i t h mw h i c hb a s e do nm u l t i u s e rd e t e c t i o n k e yw o r d s c d m a 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 c h a n n e lp r e d i c t i o n 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 由作者本人独立完成的 有关观点 方法 数据和文 献等的引用已在文中指出 并与参考文献相对应 除文中 已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集 体已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 识到本声明的法律结果由本人承担 作者 签字 毖塞 日期 斛f 月归日 哈尔滨下稳火学硕士学位论文 i l l 第 耄绪论 1 1 移动通信的发展现状及其趋势 移动遴倍的发震绘髑户带来了穰犬躲便利 可以菠 毽赛遴信照的发爨 从来没有像目前移动通信技术的发展那样受人瞩目 那样高速发展 竞争激 烈 自从贝尔实验室将蜂窝移动通傣的概念带给愈世界之后 现代的移动遇 信系统袋疑主要经历静三个阶段 8 0 年代初 第一代模拟制式的蜂窝移动通信系统投入运罄 移动通信产 业进入了一个崭毅的时代 市场靓攘有了巨大的增长 9 0 年代 以g s m 和 c d m a 为代表静第二代蜂窝移动透信系统很俊隧其技术上静优势成为市璐 上的主导产品 它提供了比第一代照高的频谱效率 更好的数据业务以及慰 先进的漫游 但是她务种类主要限予活音和低速率数据 不能满足未来用户 对多媒体娥务和l p 照务秘需求 随麓时代的发震 入们对逶僚挺出了更裔既 要求 第二代蜂窝移动通信系统以渐渐的不能满足要求 第三代移动通信系 统则应运掰生 第三代移动透信系统的最终霹标楚将世赛上所有的蜂窝系统 无绳系统 无线本地环路 r l l 光线局域网终端 专用移动广播和寻呼结合在一起 形 成 个功能强大酶网绣 实现任何入在任何地点 任何时间与任何入都能便 利地通倍 第三代移动军辩个入通信系统在2 0 世纪来己经形成了统一标准 与 现有的第一代和第二代移动通信系统相比 其具有的主要特点可以概括为 坨嘲 撬供全球无缝覆盖和漫游 擒供宽范围的业务 多速率和高速率数据业务服务 位速率高遮 2 m b i t s 哈尔滨f 程大学硕士学位论文 邋应多种业务环境 蜂窝 光绳 卫星移渤 p s t n 数掘网 i p 等 绦涯毫懿鼹务骥量 按需分配喾宽 颓谱利用率高 容量大 可在混合小区情况下运行 宏蜂窝 微蜂窝和微微蜂窝 爨癸灵活豹频搴鞠无线资澡豹管理 系统裁鬟霸鼹务毯楚 网络结构能适用无线 有线多种业务要求 支持系统平滑升级和现有系统的演进 频谱利用率和倍道效率高 第三代移动逶售 3 g 系统选题 未来珐遗移动逶痿系统 f p l m t s 后来由国际电联 i t u 命名为i m t 2 0 0 0 第三代移动通信i m t 2 0 0 0 技 术标准 怒 种真 f 的 宽频多媒体全球数字移动电话技术 与改进的g s m 网终系绞装容 到目前为止 i t u 融就i m t 2 0 0 0 标准的遴选工作达成的初步的一致 i t u 继续延续了在多址接入方面以粥分多址 c d m a 为主 辅以时分多址 t d m a 或镬二者翊缝合魏蒙貉 缀攥l u 豹辣准 毽雾鑫大惫售公司联 盟均己掇出了自己的第三代移动通信系统方案 由于第三代穆渤通信标准必 然影响备嗣在第二代移动通信方面的利益 因此i t u 不可能在短时期内统一 蔫三鼗移动逶售系统椽攫 蔌技零热凌来著 虽然这些方案不蕤糖圈 但愚 全世界在第三代移动通信系统中采用宽带码分多址 c d m a 技术已经达成共 识 其中以w c d m a c d m a 2 0 0 0 t d s c d m a 三种方案最具有竞争力 麸鼓术上魄较 w c d m a c d m a 2 0 0 0 移t d s c d m a 三耱方案鑫毒予 秋 同步方面 c d m a 2 0 0 0 需要g p s 精确定时 小区需保持同步 因此系 统对定嚣瓣耍采较褰 嚣w c d m a 秘t d s c d m a 到不嚣要小嚣秘弼步 切换方面 w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 相似 扇区间和小区间采用软切换 载频间采用硬切换 t d s c d m a 系统采用了接力切换技术 提黼了切换效率 晗尔演1 1 穰人擘硕士学德论文 c d m a 利用方面 w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 系统在小区复用系数 利用 多径e 2 力 可变扩频增兹 软切换及软容量等方聪较鳋 两t d s c d m a 较 差 功率控制方面 c d m a 2 0 0 0 采用 丌环 闭环功率控制方式 w c d m a 采弱 秀环 叁适应翅环功率控制方式 提高了功率逮瘦 可抵消一般的恢 衰落 丽t d s c d m a 出于采用了联台检测技术 抗快衰落的熊力较强 与原系统兼容方嘲 因为c d m a 2 0 0 0 系统的网络结构和软件均是从 l s 一9 5 发殿起来豹 可乎涝地向后兼褰l s 9 5 t d s c d m a 系缝爨有与g s m 相同的帧长和时隙长度 便于与g s m 系统实现兼容 而w c d m a 系统与第 二代移动通信系统不兼容 需要独立的基站和移幼台子系统 需要较大的初 翘投资 应用方面 t d s c d m a 采用的怒时分双工t d d 技术 使用特有的频段 而w c d m a 和c d m a 2 0 0 采用的熙频分双工f d d 技术 t d d 模式由于不需 要残对鹣频率瑟班t d s c d m a 能搜耀吝秘频率资源 特剐逶麓子土 下行 不对称速率的数据业务 同时 考虑到t d d 系统用户终端的移动速率一般小 于1 2 0 k m h 通信距离一般不超过1 0 k m 因此 t d d 适用于人1 3 密集的城 泰窝趣嚣 瑟f d d 受瀵会于大基制鹣移羲嚣求 人类辩2 l 世纪移渤通信的理想 就是实现任僻人 w h o e v e r 在任何时间 w h e n e v e r 任何地点 w h e r e v e r 能够向任何其他人 w h o m e v e r 传送任何信息 w h a t e v e r 在这个系统孛 每令人帮有鑫己豹洪剐号码 跨越多个网络建立 自己所需业务的通信连接 把 服务到终端 推向 服务到个人 1 2 第三代移动通德的关键技术 与传统的f d m a t d m a 系统相比 宽带c d m a 系统具肖频谱效率商 软容量 僳密牲好 易于无缝切换葶妇宏分集等优点 但在复杂的移动通信环 哈尔滨i 科人学硕十学位论文 境和有限的频率资源下 要达到高容量 高质量 高速率的通信 技术需要 克服三个因素的影响 多址干扰 信号衰落 远近效应 c d m a 数字蜂窝移 动通信系统的优越性是以采用了一些关键技术为基础的 因此 系统的关键 技术若不能很好解决 则c d m a 的优点仅仅是一座空中楼阁 高容量 高质 量的c d m a 系统也不可能实现 功率控制 在c d m a 系统中 功率控制被认为是所有关键技术的核心 如果小区中 的所有用户均以相同功率发射 则靠近基站的移动台到达基站的信号强 远 离基站的移动台到达基站的信号弱 导致强信号掩盖弱信号 这就是移动通 信中的 远近效应 问题 c d m a 功率控制的目的就是克服远近效应 使系 统既能维持高质量通信 又尽可能减小对同一信道的其它用户产生不应有的 干扰 功率控制分为前向功率控制和反向功率控制 反向功率控制又分为仅由 移动台参与的开环功率控制和移动台 基站同时参与的闭环功率控制 反向开环功率控制是移动台根据在小区中所接收功率的变化 迅速调节 移动台发射功率 它的目的是使所有移动台发出的信号在到达基站时都有相 同的标称功率 开环功率控制只是移动台对发送电平的粗略估计 它的动念 范围可达一3 2 3 2 d b 能够补偿平均路径衰落的变化和阴影 拐弯等效应 反向闭环功率控制的设计目标是使基站对移动台的开环功率估计迅速做 出纠正 以使移动台保持最理想的发射功率 移动台将根据在前向业务信道 上收到的有效功率控制比特来调整其平均输出功率 功率控制比特是以 8 0 0 b i t s 发送的 0 比特指示移动台增加平均输出功率 l 比特指示移 动台减少平均输出功率 每次的调整幅度为l d b 前向功率控制就是基站根据移动台提供的测量结果 调整对每个移动台 的发射功率 以使移动台不管在任何情况下都可以接收到满意的服务质量 4 哈尔滨 r 程大学硕十学位论文 为此 移动台每隔一段时间都要向基站报告一段时间以来的f e r 误帧率 地址码的选择 地址码的选择直接影响到c d m a 系统的容量 抗干扰能力 接入和切换 速度等性能 所选择的地址码应能提供足够数量的相关函数特性尖锐的码序 列 保证信号经过地址码解扩后具有较高的信干比 同时编码方案要简单 同步建立速度耍快 伪随机序列具有上述的优点 因此成为地址码的首选对 象 在所有的伪随机序列中 m 序列是最重要 最基本的一种伪随机序列 在定时严格的系统中 一般采用m 序列作为地址码 利用它的不同相位来区 分不同用户 另外还有一种伪随机序列一g 0 1 d 码 是由m 序列引出的 m 序 列性能优良 有近似于最佳的自相关特性 但是同样长度的m 序列个数有限 且序列之间的互相关性也不好 为此r g o l d 提出了一种基于m 序列的码序 列 称为g o l d 序列 这种序列具有优良的自相关和互相关特性 构造简单 产生序列数多 软切换 切换是指将一个正在进行的呼叫从一个小区转移到另一个小区的过程 切换是用于无线传播 业务分配 激活操作维护 设备故障等原因而产生 c d m a 系统中的切换有两类 硬切换和软切换 硬切换 h a r dh a n d o f f 硬切换是指在切换的过程中 业务信道有瞬时的中断的切换过程 硬切 换包括以下两种情况 1 同一m s c 中的不同频道之间 2 不同m s c 之间 软切换 s o f th a n d o f f 软切换是指在切换过程中 在中断与旧的小区的联系之前 先用相同频 哈尔滨工程大学硕十学位论文 率建立与新的小区的联系 手机在两个或多个基站的覆盖边缘区域进行切换 时 手机同时接收多个基站 大多数情况下是两个 的信号 几个基站也同 时接收该手机的信号 直到满足一定的条件后手机才切断同原来基站的联系 如果两个基站之间采用的是不同频率 则这时发生的切换是硬切换 软切换 包括以下四种情况 1 同一基站的两个扇区之间 这种切换也称为更软切换 s o f t e r h a n d o i f 2 不同基站的两个小区之间 3 不同基站的小区和扇区之间的三方切换 4 不同基站控制器之间 软切换的实现 能够实现软切换的原因在于 1 c d m a 系统可以实现相邻小区的同频 复用 2 手机和基站对于每个信道都采用多个r a k e 接收机 可以同时接 收多路信号 在软切换过程中各个基站的信号对于手机来讲相当于是多径信 号 手机接收到这些信号相当于是一种空间分集 分集技术 分集技术是指系统同时接收衰落互不相关的两个或更多个输入信号后 系统分别解调这些信号然后将他i i 十1 n 这样系统可以接收到更多有用信号 克服衰落 移动通信信道是一种多径衰落信道 发射的信号要经过直射 反射 散 射等多条传播途径才能达到接收端 而且随着移动台的移动 各条传播路径 上的信号幅度 时延及相位随时随地发生变化 所以接收到的信号的电平是 起伏 不稳定的 这些多径信号相互叠加就会形成衰落 叠加后的信号幅度 变化符合瑞利分布 又称瑞利衰落 瑞利衰落随时间急剧变化时 称为 快衰 落 快衰落严重衰落深度达到2 0 3 0 d b 瑞利衰落的中值场强只产生比较平 6 哈尔滨i 拌人学硕十学位论文 缓的变化 称为 慢衰落 且服从对数正态分布 分集技术是克服叠加衰落 的一个有效方法 由于具有频率 时间 空间的选择性 因此分集技术包括 频率分集 时间分集 空间分集 减弱慢衰落采用空间分集 即用几个独立天线或在不同场地分别发射和 接收信号 以保证各信号之间的衰落独立 根据衰落的频率选择性 当两个 频率间隔大于信道带宽相关带宽时 接收到的此两种频率的衰落信号不相关 市区的相关带宽一般为5 0 k h z 左右 郊区的相关带宽一般为2 5 0 k h z 左右 而c d m a 的一个信道带宽为1 2 3 m h z 无论在市区还是郊区都远远大于相关 带宽的要求 所以c d m a 的宽带传输本身就是频率分集 时间分集是利用基 站和移动台的r a k e 接收机来完成的 对于一个信道带宽为1 2 3 m h z 的 c d m a 系统 当来自两个不同路径信号的时延为l u s 时 也即这两条路径相 差大约3 0 0 m 时 r a k e 接收机就可以将它们分别提取出来而不混淆 分集技术是克服多径衰落的一个有效方法 采用这种方法 接收机可对 多个携有相同信息且衰落特性相互独立的接收信号在合并处理之后进行判 决 多用户检测 r a k e 接收机也称为多径接收机 即是指移动台中有多个r a k e 接收机 由于无线信号传播中存在多径效应 因此基站发出的信号会经过不同的路径 到达移动台处 经不同路径到达移动台处的信号的时间是不同的 如果两个 信号到达移动台处的时间差超过一个信号码元的宽度 r a k e 接收机就可将 其分别成功解调 移动台将各个r a k e 接收机收到的信号进行矢量相加 即 对不同时间到达移动台的信号进行不同的时间延迟到达同相 每个接收机可 单独接收一路多径信号 这样移动台就可以处理几个多径分量 达到抗多径 衰落的目的 提高移动台的接收性能 基站对每个移动台信号的接收也是采 用同样的道理 即也采用多个r a k e 接收机 另外 在移动台进行软切换的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 时候 也正是由于使用不同的r a k e 接收机接收不同基站的信号才得以实现 基于r a k e 接收机原理的c d m a 接收机将其它用户的信号视为干扰信 号 但是优化后接收机可以将检测所有信号或从指定的信号中减去其它信号 的干扰 当新的用户或干扰源进入网络时 其它用户的服务质量会下降 网络抗 干扰能力越强 可服务的用户就越多 干扰一个基站或移动台的多路接入干 扰是小区内和小区间干扰的总和 多用户检测 m u d 也称为联合检测和干扰消除 它提供了降低多路接 入干扰的影响 因而增加系统容量 同时m u d 显著降低了c d m a 系统的远 近效应 m u d 可以缓解系统对功率控制的需求 1 3 功率控制技术的研究状况 传统的功率控制方法一般可以分为两种 一种是基于优化 一种是基于 反馈 这两种方法各有利弊 基于优化的功率控制 需要知道系统的精确模型 通过目标函数对系统性能进行描述 在使系 统性能达到最优的目标下 完成对各个用户发射功率的计算 然后将算出的 功率值实时加载给用户 这种方法控制准确且有明确的意义 最优化目标函 数 但是计算量很大 不适合动态环境 当环境参数发生变化时 原先求得 的最优解就不再适用 特别是当系统维数 用户数 发生变化时 需要重新建 立系统模型和再次优化 这些任务的实时完成是很难实现的 因而该方法只 具有理论上的研究价值 而不具有实用意义 夺基于反馈的功率控制 控制灵活 易于实现 但这种方法是根据单个用户服务质量的变化来确 哈尔滨1 1 程大学硕七学位论文 定发射功率的变化趋势 即使对单个用户而言 控制都没有明确的意义 更 谈不上系统整体的最优 此外 步长的确定在很大程度上依赖于经验知识 缺乏理论依据 不适当的步长 会造成很大的过调量或较长的稳定时间 从 而影响了每个用户的信干比和系统的稳定性 关于多用户检测在白高斯噪声信道及衰落信道中的研究已相当广泛 近 年来支持多速率传输的多用户检测器的研究也引起了人们的浓厚兴趣 但是 这方面的研究工作大多数只集中于研究多用户检测器克服 远近效应 的性 能 并且通常都假设系统中没有或者可以没有功率控制 另一方面 目前大 量有关c d m a 系统中功率控制的研究 都假设系统是基于单用户检测器的 联合功率控制与多用户检测技术可以大幅度的提高系统的容量 逐渐成为人 们研究的热点 1 4 本文的研究内容和意义 本文研究的主要内容是第三代移动通信中的关键技术之一 功率控制技 术 在对第三代移动通讯系统的功率控制技术做总体分析的基础上 对功率 控制算法与联合功率控制i 功率分配 作着重的分析和研究 功率控制的目的 是克服 阴影效应 减少多址干扰 使系统既能维持高质量通信 又不对其 他用户产生大的干扰 功率控制的精度和速度是系统容量能否达到设计值的 关键 本文在分析影响功率控制精度的因素的基础上 针对宽带码分多址系统 的反向传输链路 提出了一种基于干扰预测的功率控制方法 该算法可以提 高控制精度和收敛速度 增加系统的稳定性 减小条件中断概率 增加系统 的容量 它比现有的闭环功率控制算法和其改进算法有较大的提高 本文的组织结构如下 第1 章 绪论 概述第三代移动通信的发展及相关的关键技术 介绍了 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 本论文所研究的内容 研究状况 以及论文的结构安排 第2 章 功率控制技术概述 主要讨论功率控制目的和重要性 以及功 率控制技术的标准 方法和影响功率控制的因素等 还概要的讨论了第三代 移动通信中功率控制技术的概况 第3 章 一种新颖的基于干扰预测的闭环功率控制算法 给出了系统的 数学模型以及仿真模型 通过仿真数值分析和仿真波形分析结果表明了此方 案的有效性 第4 章 联合功率控制 介绍了联合功率控制的基本原理 将多用户检 测技术引入到功率控制当中以改善功率控制的效果 并介绍了基于多用户检 测的联合功率控制算法 结论 给出了全文的简要总结 并展望了今后的研究前景 哈尔滨 穰大学硕十学位论文 第2 章第三代移动通信系统中的功率控制技术 无线蜂窝网络为每个用户提供的服务需要满足一定的服务质量 q o s 然 而q o s 主要由每个用户接收到信号的信干e l s i r 决定 因此 无线蜂窝网络 对无线资源的分配 特别是对每个用户链路的功率分配就更加重要 对于 c d m a 蜂窝系统 同一小区内所有用户使用相同的频段和时隙 用户之间仅 靠扩频码的 准 正交特性相互隔离 然而由于无线信道的多径 延时等原因 使得各个用户信号间的互相关特性不理想 其它用户的信号对当前用户信号 产生干扰 这类干扰被称为多址干扰 m a i 这样 当小区中用户个数增加 或者其它用户功率提升时都会增加对当前用户的干扰 导致当前用户的接收 信号s i r 下降 当这类干扰大到一定程度时 当前用户就不能正常通信了 因此c d m a 系统是一个严重的干扰受限系统 干扰的大小直接影响到系统容 量 解决这个问题主要有两个办法 多用户检测技术和功率控制技术 多用 户检测技术充分考虑用户间存在的m a i 通过在接收端重构这些干扰 然后 消除它的影响 提高性能 但由于其算法过于复杂 目前还没有进行商业应 用 功率控制技术十分简单实用 被认为是c d m a 系统的关键技术之一 功 率控制技术调整每个用户的发射功率 补偿信道衰落 抵消远近效应 使各 个用户维持在能保持 f 常通信的最低标准上 这样就能最大地减少对其他用 户的干扰 从而提高系统容量 同时延长手机的待机时间 功率控制技术的控制准则大致可分为两大类 功率平衡准则和s i r 平衡 准则 它们分别控制各个用户信号在接收端的有用功率相等或s i r 相等 从 不同的角度 可以有不同的功率控制技术分类 按功率控制效果可分为内环 功率控制和外环功率控制 内环功率控制主要用来对抗信道衰落和损耗 使 得接收端信号s i r 或功率达到特定的目标值 外环功率控制根据特定环境下 哈尔滨l 挥大学硕十学位论文 的服务质量要求 产生内环功攀控制的s i r 戏功率门限馑 按链路可分为反 向功率控制和羲淘功率控翻 蟊予c d m a 系统容量主癸爱反囱疆爨容爨限 制 阑此反向功攀控制尤为重嚣 按功率控制的环路类型可分为丌环和闭环 功率控制 开环功率控制是基予上下幸亍信道对称假设的 它能够抵消鼹经损 耗和麓影衰落 闭环功率控割不焉箨此镁设 它同时还畿抵消抉衰落 按功 率控制实现的方式可分为集中式功率控制和分布式功率控制 集中式功率控 制考察小区内所肖用户的信息 链路增益等 对每个用户避行统一的调熬 算法鬣杂度高 蕊戮实现 毽黪法的狡敛特褴好 分审式控制只根据擎个用 户信息产生控制指令 易于实现 但分布式髀法需要满足一定的条件爿 能收 敛 2 1 功率控制的目的及意义 在c d m a 系绫孛 对发射的功搴霾赣篷痿号功率的噙癍靖瓣有一迩豹要 求 因为c d m a 怒干扰受限鹃系统 所以爨限制移动台发射机的输出功率 使系统的总功率电平保持最小 另外 移动螽的输出信号功率在功率控制时 闻凌楚突发戆 是了缲证霹靠健簸 要求羧擞售号功率的露闻瞧应特健跫1 陕 速上纤 保持平稳及快速下降 圈2 1 给出c d m a 系统中的功率控制示意图o 1 2 哈尔滨工程人学硕士学位论文 图2 1c d m a 系统中的功率控制 功率控制的目的有两个 夺克服下行链路的远近效应 夺在保证接收机的解调性能情况下 尽量降低发射功率 减少对其他用户 的干扰 增加系统容量 到目前为止 功率控制的研究主要集中在两个方面 一个方面是平衡所 有通信链路的信号干扰l t s i r 调整发射机的功率 使系统达到最大的s i r 当系统中用户数变化时 使所有通信链路的s i r 都下降或提高 另一个方面 是研究调整发射功率 在各通信链路达到要求的s i r 时 使发射机的功率最 j 2 2 功率控制的准则 功率控制准则是指功率控制的基本依据 从原理上看 功率控制准则可 以大致分为功率平衡准则和信干比平衡准则 另外也有人提出b e r f e r 平衡 准则 即误码率平衡准则 2 2 2 1 功率平衡准则 a 基本原理 哈尔滨j 程大学硕十学位论文 令功率平衡是指m s 或者b s 收到的有用信号功率相等 夺对于上行链路 目标是使各个m s 到达b s 的s i r 相等 夺对于下行链路 目标是各个m s 接收到b s 的s i r 相等 b 上行链路基本公式 1 设各个基站接收的移动台有用信号功率为p 则第i 个基站接收的第f 个移动台的有用信号功率为岛 p 基站干扰信号为来之其他移动台的同频信号 由于相关性不为零 造 成干扰 来自其他移动台的干扰信号为 l 铲争p 垒一尸 2 1 t 孚一尸 2 一 0k n 嘶 其中 为基站数 属于第i 个基站的移动台数目厶 服务区内有移动台 m 个 均匀分布在服务区内 各移动台按最小衰弱准则 a 表示属于第i 个基站的第k 个移动台到第 个移动台的衰弱因子 此时接收机接收信号干扰比为 一鲁2 痴 浯2 c 下行链路基本公式 设各个移动台接收到的基站有用信号功率为p 则第 个移动台接收到 的第i 个基站的信号功率为岛 妒 来自其他基站的干扰信号为 l 箩争p 生一p 2 3 孚一 2 3 i ok l n l k f 此时基站接收信号干扰比为 2 4 蠹如 f 厶 酉 脚 受l 脶 哈尔滨l 程夫学硕十学位论文 2 2 2 信干比s i r 平衡准则 夺信干比s i r 平衡是指接收到的信号信干比相等 夺对于上行链路 s i r 平衡的目标是使到基站接收到的各个移动台信号信干 夺对于下行链路 s i r 平衡的目标是使各个移动台接收到的基站信号的信号 夺单小区蜂窝系统中的上行链路 当各个移动台到达基站的信号功率相等 时 所对应的信号信干比s i r 也相等 因此在单小区系统中 上行链路 路以及多小区蜂窝系统中 功率平衡准则与s i r 平衡准则具有不同的含 b 上行链路基本公式 1 设各个基站接收到的有用信号功率为p 第i 个基站接收的第 个移动台有 用信号功率为曲 p l 这时来自于其他移动台的干扰信号为 厶 乞n i蔷l弓石a ljkij o 啊 2 5 乞乞弓丁一只 2 5 i ln 淅 此时基站接收信号干扰比为 一鲁2 酉石1 2 6 i l 莓七pa鼬p i s i r p a p 2 7 哈尔滨i 程人学硕十学位论文 p 名鼻 p 一 7 争垒a 2 8 t q a a 通过求解矩阵a 的特征值和特征矢量可求得相应s i r 和基站接收功率 c 下行链路基本公式 设基站f 对第f 个移动台发射的信号功率为p f 基站i 发射的总功率为 q f 则第f 个移动台接收到的第i 个基站的信号功率为岛 p u 4 末自其他基 站的干扰信号为 一1 q a m 一己爿 2 9 此时移动台接收信号干扰比为 s i r 显 墨盘 2 1 0 l t t n i g 爿4 一p 一 或者 其中 等q a q 2 1 1 q q o q q n 一 7 f l la 由 嘞 己f 1n 础 a m 9 j 岛 f i 2 1 2 通过求解矩阵a 的特征值和特征矢量就可以求得相应s i r 与基站接收功 率 再通过 哈尔滨一埘鼙大学硕士学位论文 耻器茗q 鲁 2 13 1 s i ra 怠 7 可以求得基站对每个移动台的发射功率 2 2 3 功率平衡准则和信干比s i r 平衡准则的比较 功率平衡准则和s i r 平衡准则分别控制各个用户信号在接收端的有用功 率相等或s i r 相等 对于单小区蜂窝系统的上行链路 当各个移动台到达基 站的信号功率相等时信号信干比也相等 功率平衡准则和信干比s i r 平衡准 则是等效的 但在下行链路和多小区蜂窝系统中 功率平衡准则和信干比s i r 平衡准则具有不同的含义 功率平衡准则和信干比s i r 平衡准相比较 功率 平衡准则的控制方法比较容易实现 但其性能不如基于信干比s i r 平衡准则 信干比s i r 平衡准则也有局限性 比如在上行链路中 可能导致正反馈 而 使系统失去稳定性 在实际系统中 w c d m a 采用s i r 平衡准则 c d m a 2 0 0 0 采用功率平衡准则 前者的目标s i r 门限和后者的功率门限都根据误帧率 f e r 调整嗍 2 3 功率控制的基本方法 无线移动信道路径损耗动态范围大 由多径传输所引发的瑞利衰落也可 导致较大的动态变化 必须采取措施 对以上的损耗加以发射功率上的调整 采用合理的功率控制技术来控制各个用户的发射功率 也就意味着减少对其 它用户的干扰 提高系统的容量 从不同的角度来考虑 功率控制技术有不 同的功率控制方法 若从功率控制环路的类型来划分 又可分为开环功率控 制与闭环功率控制 若从通信的上 下行链路角度来考虑 一般可分为反向 功率控制与前向功率控制 若从实现功率控制的方式则可划分为 集中式功 率控制与分布式功率控制 哈尔滨 程人学硕十学位论文 2 3 1 开环功率控制与闭环功率控制 开环功率控制 开环功率控制的基础是建立在上行链路与下行链路具有一致的信道衰弱 情况上的 开环功率控制是指移动台 或基站 根据下行链路 或上行链路 信号 质量 对信道衰弱进行估计 在此基础上进行补偿 系统内的每一个移动台 根据所接收的上行链路信号强度来判断路径衰耗 并调节移动台的发射功率 接收的信号越强 移动台的发射功率应越小 需要指出的是当上行链路和下 行链路的载波频率之差大于无线信道相关带宽时 前向信道和反向信道不相 关 使得这种直接依据前向信道信号电平来调节移动台发射功率不能进行完 善的调节 对此 需要应用后面介绍的闭环功率控制 a 移动台的开环功率控制 移动台的开环控制是指移动台根据接收的基站信号强度来调节移动台发 射功率大小的过程 其目的是使所有移动台到达基站的信号功率相等 以免 因 远近效应 影响系统对码分信号的接收 移动台的开环功率控制是一种 快速响应的功率控制 其响应时间仅为几微秒 开环功率控制的动态范围较 大 移动台发射功率的开环调节 是基于对开环输出功率的估计 下行链路中的不同信道 其开环输出功率的估计的计算方法是不同的 其中标称发射功率和初始发射功率是由基站通过系统参数消息送给移动台 b 基站的开环功率控制 基站的开环功率控制 上行链路功率控制 是指基站根据接收的每个移 动台传送的信号质量来调节基站业务信道发射功率的过程 其e t 的是使所有 移动台在保证通信质量的条件下 基站的发射功率最小 因为上行链路功率控制将影响众多的移动用户的通信 所以每次的功率 调节量很小 仅为0 5 d b 调节的动态范围也有限 为标称功率的 6 d b 调 节的速率也较低 为每1 5 2 0 m s 一次 哈尔滨1 程人学硕十学位论文 闭环功率控制 在开环功率控制中 移动台发射功率的调节基于前向信道 下行信道 的信号强度 信号强时 发射功率调小 信号弱时 发射功率增大 但是 当前向和反向信道的衰落特性不相关时 基于前向信道的信号测量是不能反 映反向信道传播特性的 因此 开环功率控制仅是一种对移动台平均发射功 率的调节 为了能估算出瑞利衰落信道下的对移动台发射功率的调节量 则 需要采用闭环功率控制 闭环功率控制是指移动台根据基站台发送的功率控制指令 功率控制比 特携带的信息 来调节移动台的发射功率的过程 基站测量所接收到的每一个 移动台的信干比 并与一个门限相比较 决定发给移动台的功率控制指令的 是增大还是减小它的发射功率 移动台接收到的功率控制指令与移动台的丌 环估算相结合 来确定移动台闭环控制应发射的功率值 闭环功率控制可以包括内环功率控制和外环功率控制 内环功率控制是 指基站将接收到的反向链路信号水平与设定的门限相比较 确定反向链路发 射功率的控制量 并通过前向专用功率信道发送给移动台 而外环功率控制 指基站时时测量反向链路的帧质量 并根据此修正内环功率控制中的信号水 平门限值 从而克服由于多径效应和移动台速度等引起的控制偏差 2 3 2 反向功率控制与前向功率控制 反向功率控制 反向功率控制也称为上行功率控制 主要是移动台的行为 用来控制移 动台的发射功率 使基站接收到的所有移动台发射到基站的信号功率或者 s i r 基本相等 反向功率控制可以使各用户间的相互干扰降到最小 克服传 输中的远近效应 同时使系统可以达到更大容量 在c d m a 系统中 反向功率控制方式主要有 丌环功率控制 闭环功率 控制以及外环功率控制 上行随机接入信道 p r a c h 采用丌环功率控制 9 哈尔滨i 程人学硕十学位论文 具体发射功率由接收到的信号功率值与路径损耗值以及阴影损耗等确定 接 收到的信号功率越高 移动台发出的功率越低 上行专用信道 d p c h 贝i 是 同时采用开环与闭环功率控制 其中闭环功率控制包括内环功率控制与外环 功率控制 信道的初始发射功率是由开环功率估计决定的 上行闭环功率控 制主要是基站通过调整移动台的发射功率以保持接收到的上行信干比尽量靠 近s i r 目标值s i r r g e t 每个小区的s i r r g c i 都是由高层通过外环功率控制调 整的 反向开坏功率控制是移动台根据接收到的导频信号的功率变化 估计出 由基站到移动台的传输损耗 迅速调节移动台的发射功率 开环功率控制的 目的是试图使所有移动台发出的信号到达移动台时有相同的功率 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 于是 为了补偿这种信道衰落 移动台将增大发射功率 反之 移动台将减小发射 功率 由于开环功率控制是为了补偿平均路径衰落的变化和阴影 拐弯等效 应 所以它必须具有很大的动态范围 但它只是对移动台发射电平的粗略估 计 移动台通过测量接受功率来估计发送功率 而不需要进行任何 f 向链路 的调节 在c d m a 蜂窝通信系统中 双向无线信道的前向链路和反向链路使用不 同的频段 频段间隔使用户的发射机和接收机能同时工作 而且避免了两者 之间的干扰 频率间隔对功率控制有很大的影响 一般频带间隔远远超过信 道的相关带宽 使得发射和接收信道成为两个独立的衰落信道 这意昧着用 户不能把测得的接收信号的路径损耗当作是发射信号的路径损耗 所以反向 闭环功率控制应根据基站的接收信干比迅速调整移动台的发射功率 以保证 基站接收到的信号足够强 同时对其它信道干扰最小 反向闭环功率控制是由基站协助移动台 对移动台作出的开环功率估测 2 0 哈尔滨 1 群人学硕 学位论文 迅速地作出纠 f 从而使移动台始终保持最理想的发射功率 反向闭环功率 控制是反向功率控制的核心 在c d m a 的频分双工 f d d f r e q u e n c yd i v i s i o n d u p l e x 方式下 由于双工间隔频宽远超过信道相干带宽 前向与反向链路间 不存在相关性 因而不能再用前向链路的衰落特性来估计反向链路的衰落特 性 反向闭环功率控制正是对反向丌环功率控制的不准确性进行弥补的一种 有效手段 反向外环功率控制是为了适应无线信道的衰耗变化 动态调整反向闭环 功率控制中的信干比或功率门限 例如在话音业务中 影d l j l l 务质量的是系 统误帧率f e r 则在基站端 接收到的反向信道的误帧率 f e r 的统计值将 作为调整门限信干比的指标 这就使得功率控制直接与通信质量相联系 而 不仅仅体现在改善信干比上 前向功率控制 前向功率控制又称为下行功率控制 是用来控制基站的发射功率 使所 有移动台接收到的信号功率或者s i r 基本相等 前向功率控制可以有效降低 基站的平均发射功率 减小邻小区干扰 克服传输中的 角效应 前向功率控制主要是指对下行专用信道的功率控制 包括专用物理数据 信道 d p d c h 与专用物理控制信道 d p c c h 而下行公共信道由于变化较慢 其功率控制主要靠外环功率控制来完成 专用物理数据信道与专用物理控制信道同时采用开环功率控制与闭环功 率控制 d p d c h 与d p c c h 功率调整幅度相同 其间的相对功率偏差由高 层信令决定 d p d c h 与d p c c h 功率控制包括非压缩模式下的功率控制与压 缩模式下的功率控制 闭环功率控制包括内环功率控制与外环功率控制 其 中内环功率控制又称为快速功率控制 外环功率控制又称为慢速功率控制 与反向功率控制方式相比较 前向内环功率控制的处理方式较多 包括通常 的功率控制 有限功率增长 功率均衡 压缩模式下的功率控制等 另外 哈尔滨工程大学硕士学位论文 前向功率控制还包括站点选择分集发射 各种功率控制方式分别适用于不同 的场合和环境 其中快速功率控制主要用在低速移动环境与深衰落环境中 而慢速功率控制主要用在快速移动的传输环境中 2 3 3 集中式功率控制与分布式功率控制 集中式功率控制 集中式功率控制模型分为前向式功率控制模型和反向式功率控制模型 集中式功率控制是指在基站进行功控 它根据接收端接收到的信号功率和链 路增益来调整发射端的发射功率 以使接收端接收到的s i r 相等 集中式功 率控制最大的难点是要求系统在每一时刻 时问间隔内 获得一个规一化的链 路增益矩阵 这在一个用户较多的小区是难以实现和难以得到的 因此集中 式功率控制算法很难实现 分布式功率控制 分布式功率控制是在移动台进行功率控制 以使得在接收端接收到得 s i r 相等 分布式功率控制算法首先是在窄带蜂窝系统提出并通过迭代方式 近似地实现最佳功率控制 而在迭代过程中只需各个链路上接收到s i r 即可 即使存在对s i r 估计有误差时 分布式s i r 平衡算法依然是很有效 对于宽 带c d m a 系统 当不考虑s i r 估计误差时分布式算法非常有效 但当s i r 估计存在误差时 分布式s i r 平衡算法可能不再收敛于一个平衡s i r 水准 若估计误差较小 分布式算法仍然有效 然而随着误差的增大 性能将很快 下降 分布式功率的控制方法简单实用 而且控制速度快 因此一般分布式 功率控制的实用较强 2 4 功率控制的影响因素 在第三代移动通信系统中 由于移动台所处的环境 移动速度 承载的 业