（电磁场与微波技术专业论文）3g+wcdma网络无线资源管理中功率控制的研究.pdf

北京邮电大学硕士研究生学位论文 3 gw o d m a 网络无线资源管理中功率控制的研究 摘要 该文主要研究了3 gw c d m a 网络无线资源管理中的功率控制技 术 具体研究了其中的下行闭环功率控制技术 在c d m a 系统中 由于存在着 多址干扰 远近效应 阴影 效应 而使得通信质量劣化 最终导致系统容量下降 从而引入功率 控制技术来有效地解决这些问题 通过采用功率控制技术 1 方面削 弱了干扰的影响 另一方面使移动台的发射功率控制在满足信噪比要 求的最低电平 既节约了发射功率 又减小了对其它用户的干扰 从 而提高了系统的容量 近年来 由于在下行链路方向要提供大量的数 据业务 使得下行链路的负荷更大 前向容量将成为系统的瓶颈 因 此作为w c d x a 中关键技术的下行功率控制也就显得更加重要 由于前 向容量的瓶颈问题越来越突出 对下行功率控制的要求也随之提高 所以研究下行功率控制具有很好的现实意义 本文通过基于信噪比 s i r 测量的链路级功率控制算法 使用 m a t l a b 对闭环功率控制进行了设计 建模 编写程序及仿真 并对 仿真结果进行分析 验证丫在系统中具有功率控制时的性能要明显优 于不具有功率控制的性能 其中在计算信噪比时选用了传统的最大似 然估计算法 即由r a k e 接收机合并各径的d p c c h 解扩信号 求得合 并后信号的瞬时功率以及瞬时平均多址干扰 m a i 和背景噪声功率 通过一个滤波器得到合并后的 f a i 和背景噪声功率 再根据定义s i r s n 最终求得每时隙的s i r 在w c d m a 的功率控制各环节中 准 确地测量各信道接收信号的信噪比是非常重要的 本文提出了一种用于w c d m a 的软切换期间的下行功率控制方法 该方法根据在软切换中涉及的下行链路信道的链路质量 动态地分配 激活集中的基站的发射功率 该功率控制方法使得由软切换期间的多 个站点发射引起的额外干扰减小 该方法与传统的平衡功率控制和非 平衡功率控制方法相比较表现出更好的性能 其增加了下行链路的容 量 并使得整个系统对无线环境的波动衰减更加健壮 关键词 w c d m a 下行链路软切换功率控制 北京邮电丈学硕士研究生学位论文 p o w e rc o t r o ls t u d yi nr a d l 0 r e s o u r c em a n a g e m e n tf o r 3 gw c d m an e t w o r k a b s t r a c t i nt h i st h e s i s im a i n l yh a v eai n d e p t hs t u d yo np o w e rc o n t r o li n r a d i or e s o u r c em a n a g e n e n tf o r3 gw c d m an e t w o r k p a r t i c u l a r l y o n d o w nl i n kc l o s e d l o o pp o w e rc o n t r o lt e c h n o l o g y i nc d m as y s t e m m u l t i a d d r e s si n t e r f e r e n c e n e a ra n df a r p r o b l e m a n d s h a d i n ge f f e c t d e t e r i o r a t et h eq u a l i t yo fc o m m u n i c a t i o n w h i c hl e a d i n gt ot h e s y s t e mc a p a c i t yd e c r e a s e p o w e rc o n t r o l i s i n t r o d u c e dt os o l v et h e s ep r o b l e m se f f e c t i v e l y p o w e rc o n t r o lt e c h n o l o g y i si n t r o d u c e dt ow e a kt h ei n f l u e n c eo fi n t e r f e r e n c e a n dt om a k et h e t r a n s m i tp o w e rm a t a i nt h el o w e s tl e v e ls a f i s f i n gs i rr e q u i r e m e n t p o w e r c o n t r o lt h e c h n o l o g yb o t hh e l pt h et r a n s m i ta n dr e d u c et h ei n t e r e f e r e n c et o o t h e ru s e r s t h u ss y s t e mc a p a c i t yc a nb ei m p r o v e d r e c e n t l y l a r g e a m o u n to fd a t as e r v i c e sa r e r e q u i r e di nd o w n l i n k d i r e c t i o n w h i c h m a k e sm o r el o a do fd o w n l i n k d o w n l i n k c a p a c i t y b e c o m e sb o t t l en e c k s o a sk e yt e c h n o l o g yo fw c d m a s y s t e m d o w n l i n kp o w e rc o n t r o li sv e r yi m p o r t a n t b e c a u s eb o t t l en e c kp r o b l e m o fd o w n l i n kc a p a c i t yi sm o r ea n dm o r ep r o m i n e n t t h er e q u i r m e n tt o d o w nl i n kp o w e rc o n t r o li sm o r ea n dm o r es t r i c t t h es t u d yo f d o w n l i n k p o w e rc o n t r o lh a sg o o dp r a c t i c a lp u r p o r t l i n kl e v e lp o w e rc o n t r o la l g o r i t h mb a s e do ns i ri su s e di nt h i s t h e s i s w i t hm a t l a b t h ec l o s e dl o o pp o w e rc o n t r o li sm o d e l e da n d p r o g r a m m e d t h r o u g ha n a l y z i n gr e s u l ta f t e rs i m u l a t i o n i ti sp r o v e dt h a t s y s t e mp e r f o r m a n c eu s i n gp o w e rc o n t r o li ss u p e r i o rt ot h a tw i t h o u tu s i n g p o w e rc o n t r 0 1 t h e s i ri s c o m p u t e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lm a x i m a l l i k e l i h o o de s t i m a t i o n a l g o r i t h m t h a ti s e a c hp a t h o f d e s p r e a d e d 北京邮电 人学颀t 副f 宄生学位论文 d p c c hs i g n a li sc o m b i n e db vr a k er e c e i v e r t h e ni n s t a n t a n e o u sp o w e r m a ia n db a c k g r o u n dn o i s ep o w e ro ft h ec o m b i n e ds i g n a la r eo b t a i n e d c o m b i n e dm a ia n db a c k g r o u n dn o i s ep o w e rc a no b t a i n db yaf i l t e r f o l l o w i n gt h a t s i ro fe a c hs l o ti sf i n a l l yo b t a i n e db yu s i n gd e f i n i t i o no f s i r s n i ne v e r ys t e po fw c d m a p o w e rc o n t r 0 1 i ti sa l w a y sv e r y i m p o r t a n tt op r e c i s e l yc o m p u t es i ro f r e c e i v e ds i g n a lo f e a c hc h a n n e l t h i st h e s i sp r o s e dad o w n l i n kp o w e rc o n t r 0 1m e t h o dd u r i n gs o f t h a n o v e rf o rw c d m a a c c o r d i n gt ot h el i n ka u a l i t i e so ft h ed o w n l i n k c h a n n e l s i n v o l v e di ns o f th a n d o v e r t h et r a n s m i tp o w e r so ft h eb a s e s t a t i o n si nt h ea c t i v es e ta r er e d u c e st h ea d d i t i o n a li n t e r f e r e l l c ec a u s e db y t h em u l t i p o es i t et r a n s m i s s i o nd u r i n gs o f th a n d o v e r c o m p a r e dw i t ht h e u n b a l a n c e da n db a l a n c e dp o w e rc o n t r 0 1s c h e m ea d o p t e db y3 g p r t h e p r o p o s e ds c h e m es h o w sb e t t e rp e r f o r m a n c e i ti n c r e a s e st h ed o w n l i n k c a p a c i t ya n dm a k e st h ew h o l es y s t e mm o r er o b u s tt ot h ef l u c t u a t i o n a t t e n u a t i o no ft h er a d i oe n v i r o n m e n t k e yw o r d s w c d m ad o w n l i n ks o f th a n d o v e r p o w e r c o n t r o l 独创性 或创新性 声明 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外 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邮电大学或其他 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 申请学位论文与资料若有不实之处 本人承担一切相关责任 本人签名 粱聱日期 趔 q 至 f e 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定 即 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学 学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许学位论文被查阅和借 阅 学校可以公布学位论文的全部或部分内容 可以允许采用影印 缩印或其它 复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后遵守此规定 本学位论文不属于保密范围 适用本授权书 本人签名 导师签名 北京邮电大学硕士学位论文 1 1 第三代移动通信 第一章绪论 第三代 3 g 移动通信系统 i t u r 的正式名称为i m t 一2 0 0 0 其前身为 f p l m t s f u t u r ep u b l i cl a n dm 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 即未来公共 陆地移动通信系统 1 9 9 6 年底f p l m t s 更名为i m t 2 0 0 0 i m t 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 n s 的缩写 其用意在于希望2 0 0 0 年左右最高传输速 率可达2 m b i t s 2 0 0 0 k b i t s 工作于2 g h z 2 0 0 0 m h z 频段的第三代移动系统 可以提供商用服务 在技术规范的标准化方面 为了加快第三代移动通信系统的 标准化进程 推动第三代移动通信系统及早投入商用 原本由i t u 完成的标准化 工作由地区性的标准化组织 第三代移动通信伙伴计划 3 g p p 及3 g p p 2 取而 代之 i t u r 建议的绝大部分将直接引用这两大标准化组织的规范 在第三代移 动通信系统的众多技术标准中 随着技术开发 标准制定的深入 w c d m a c d m a 2 0 0 0 t d s c d m a 已经逐渐成为主流 i m t 一2 0 0 0 的目标是为用户提供尽可能广泛的业务 从理论上将为移动终端 提供3 8 4 k b i t s 或者更高的速率 为静止用户提供2 m b i t s 的速率 w c d m a 在5 m h z 带宽的直扩方式的下行链路采用4 0 9 6 m c s 的码片速率 c d m a 2 0 0 0 在5 m h z 带宽 的直扩方式下行链路采用3 6 8 6 4 m c s 的码片速率 多载波方式下行链路采用 1 2 2 8 8 m c s 的码片速率 t d s c d m a 在1 6 m h z 带宽的直扩方式 或多载波 方式 下采用1 2 8 m c s 的码片速率 第三代移动通信系统的主要特征如下 1 全球普及和全球无缝漫游的系统 第二代移动通信系统一般为区域或 国家标准 而第三代移动通信系统将是一个在全球范围内覆盖和使用的系统 它 将使用共同的频段 全球统一标准 2 具有支持多媒体业务 特别是i n t e r n e t 的能力 现有的移动通信系 统主要以提供话音业务为主 随着发展一般也仅能提供1 0 0 2 0 0 k b i t s 的数据业 务 g s m 演进到最高阶段的速率能力为3 8 4 k b i t s 而第三代移动通信的业务能 力将比第二代有明显的改进 它能支持从话音到分组数据到多媒体业务 能根据 具体的业务需要 提供必要的带宽 i t u 提供的第三代移动通信系统无线传输技 术 r t t 必须满足以下3 中环境的最低要求 即 快速移动环境 最高速率达1 4 4 k b it s 室外到室内或步行环境 最高速率达3 8 4 k b i t s 北京邮电大学硕士学位论文 室内环境 最高速率达2 m b i t s 3 便于过渡 演进 由于第三代移动通信系统引入时 第二代网络已 具有相当规模 所以第三代的网络一定要能在第二代网络的基础上逐渐灵活演进 而成 并应与固定网兼容 4 高频率效率 5 高服务质量 6 低成本 7 高保密性 从现有的研究进展来看 第三代移动通信技术以c d m a 技术为主 1 2w c d m a 移动通信系统 d i r e c t s i n g 1 e s e q u e n c e t i m ec o d e c a f f l e t m u l t i f r e q u e n c y c a r d e rt i m e 图1 1i m t 2 0 0 0 的空中接口 在i m t 2 0 0 0 的框架中 基于c d m a 和t d m a 技术 为3 g 系统定义了若干 种空中接口 目前 由i t u 通过的有如图l l 的五种 在这些接口中 w c d m a 作为无线接入技术w c d m a 被采用 w c d m a 主要由欧洲e t s i 和日本a r i b 提出 w c d m a 系统的核心网是基于 g s m m a p 的 同时可通过网络扩展方式提供在基于a n s i 一4 1 的核心网上运行 的能力 图1 2 表示w c d m a 系统 w c d m a 系统支持宽带业务 可有效支持电路交 换业务 如p s t n i s d n 网 分组交换业务 如i p 网 灵活的无线协议可 在一个载波内对同一用户同时支持话音 数据和多媒体业务 通过透明或非 透明传输块来支持实时 非实时业务 2 北京邮电大学硕士学位论文 图1 2w c d m a 系统 w c d m a 采用d s c d m a 多址方式 码片速率是3 8 4 m c p s 载波带宽为5 m h z 系统不采用g p s 精确定时 不同基站可选择同步和不同步两种方式 可以不 受g p s 系统的限制 在反向信道上 采用导频符号相干r a k e 接收的方式 解决了c d m a 中反向信道容量受限的问题 w c d m a 采用精确的功率控制 包括基于s i r 的快速闭环 开环和外环三 种方式 功率控制速率为1 5 0 0 次 秒 控制步长o 2 5 4 d b 可变 可有效满 足抵抗衰落的要求 w c d m a 还可采用一些先进的技术 如自适应天线 a d a p t i v ea n t e n n a s 多用户检测 m u l t i u s e rd e t e c t i o n 分集接收 正交分集 时间分集 分层式小区结构等 来提高整个系统的性能 除上述特点外 w c d m a 还具有如下优势 每个连接可提供多种业务 w c d m a 符合真正的u m t s i m t 一2 0 0 0 要求 分组和电路交换业务可在不同 的带宽内自由地混合 并可同时向同一用户提供 每个w c d m a 终端能够同时 接入多达6 个不同业务 这些业务可以是话音或者传真 电子邮件和视频等 数据业务的组合 无缝的g s m u m t s 接入 双模终端将在g s m 网络和u m t s i m t 一2 0 0 0 网络之间提供无缝的切换和漫 游 在两个接入系统之间将有尽可能大的业务映象 快速业务接入 北京邮电大学硕士学位论文 为了支持多媒体业务的即时接入 一种新的随机接入机制已经开发出 来 它利用快速同步来处理3 8 4 k b p s 分组数据业务 在移动用户和基站之间 建立连接所需的时间只有零点几毫秒 低风险成熟技术 在日本和欧洲已经对w c d m a 评估了多年 爱立信 诺基亚以及日本的 n t t d o c o m o 进行了w c d m a 的测试工作 在欧洲 自1 9 8 9 年起 作为r a c e 项 目的一部分 爱立信就开始了w c d m a 的开发工作 终端的经济性和简单性 w c d m a 手机所要求的信号处理大约是复合t d c d m a 技术的十分之一 更 简单 更经济的终端易于进行大量生产 从而也就带来了更高的规模经济 更多的竞争 网络运营公司和用户也将获得更大的选择余地 从g s m 升级 w c d m a 使用与g s m 相同的网络协议结构 信令 这样将能够使用现有 的g s m 网络作为核心网络基础设施 因此 w c d m a 为g s m 运营公司提供了在 现有投资上建立第三代无线接入的机会 w c d m a 的标准化工作集中在3 g p p 方面 3 g p p 制定的w c d m a 系统规范分成 r 9 9 r 4 r 5 r 6 等不同版本 目前在全球已经安装和开通的w c d m a 网络都是基 于版本r 9 9 其最大特征在于网络结构上继承了g s m g p r s 核心网结构 而与g s m 不同的是在无线接入部分引入了全新的天线接口w c d m a 并采用了分组化传输 更有利于实现高速移动数据业务的传输 在接口方面引入了基于a t m 的i u b i u r 和i u 接口 w c d m a 的关键技术特征如表l 一1 所示 多址方案 d 8 一c d m a 双工方式f d d t d d 码片速率 3 8 4 m c p s 载波带宽 5 删z 帧长 1 0 m s 基站问同步f d d 模式 不需要准确的同步 t d d 模式 需要准确的同步 多速率 可变速率方案可变扩频因子 多码 信道变码方案卷积变码 码率1 2 1 3 t u r b o 编码 分组接入双模 公共和专用信道 表1 1w c d m a 系统的关键技术特征 2 北京邮电大学硕士学位论文 1 3 功率控制技术在c d m a 中的作用 c d m a 技术用于商用无线通信的一个主要原因是它能够提供系统容量 容量 是c d m a 系统的一个重要参数 系统能够同时支持的用户总数定义为容量 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扰受限的 降低 干扰可以直接增加c d m a 系统的通信容量 在c d m a 系统中 由于所有用户均使用相同频段的无线信道和相同的时隙 用户间仅靠地址扩频码的不同 即靠它们之间的互相关特性加以区分 若用户问 的互相关值不为零 则用户间就存在干扰 我们称这类干扰为多址干扰 除了多 址干扰本身直接的影响之外 在上行链路中如果保持小区内所有移动台的发射功 率相同 由于小区内移动台用户的随机移动 使得移动台与基站间的距离不同 离基站近的移动台信号有强的趋势 离基站远的移动台信号有弱的趋势 将会产 生以强压弱的现象 设备的非线性更会加速这一现象 从而使离基站远的移动台 通信质量难以保证 最终导致系统容量下降 通信质量劣化 这就是所谓的 远 近效应 除此以外 电波传播中 由于大型建筑物的阻挡 形成 阴影效应 产生了慢衰落 这些现象将会导致系统实际通信服务范围缩小等 解决这些问题 的一个最有效的方法是采用功率控制技术 通过采用功率控制技术 一方面削弱 干扰的影响 另一方面使移动台的发射功率控制在满足信噪比要求的最低电平 既节约了发射功率 有减小了对其它用户的干扰 提高了系统的容量 1 4 本论文研究的内容及意义 在第三代移动通信系统中 由于c d m a 方案的诸多优点 已经成为接口技术 的主流方案和主要的研究对象 在3 g 系统中 由于传输数据业务量的增大 前 向链路的容量已经成为瓶颈 下行链路功率控制的研究变得越来越重要 本文通过对大量参考文献的学习和研究 在m a t l a b 仿真软件的平台上搭建 下行功率控制的框架 编写相关程序 建模并进行仿真 并对结果进行分析归纳 通过实践验证了相关的理论 并且本文提出了一种在软切换期间的下行链路功率控制方法 通过计算机仿 真分析 验证了该方法的优越性 1 5 论文的组织结构 全文共分四章 第一章对论文背景加以介绍 主要介绍w c d m a 的研究现状和 北京邮电大学硕士学位论文 功率控制技术在w c d m a 系统中的关键技术地位 第二章分析了移动通信信道的特点 介绍了功率控制技术的研究现状 并较 为详细地分析3 g p p 对f d dw c d m a 系统中有关功率控制的规定 第三章基于s i r 的下行链路闭环功率控制算法 对下行链路功率控制进行建 模 编程 仿真 并对结果进行分析 第四章提出了一种在w c d m a 中的软切换期间的功率控制方法 该方法与传统 的平衡功率控制和非平衡功率控制相比 表现出更优越的性能 通过计算机仿真 验证了理论分析结果 最后对全文进行了总结 北京邮电大学硕士学位论文 2 1 介绍 第二章功率控制技术 在c d m a 移动通信系统中 一方面 许多移动台共用一个载波频率发射或接 收信号 近地强信号抑制远地弱信号的可能性很大 这就是所谓的 远近效应 另一方面 信道容量主要受限于同频干扰 在不影响通信质量的前提下 尽量减 少发射信号的功率 才能相应地提高信道容量 功率控制算法的目标是使c d m a 系统的容量达到最优 从而功率控制技术是移动通信系统中的关键技术之一 2 2 无线资源管理 3 g 网络中的无线资源管理 r r m r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t 负责用于 改善对空中接口资源的利用 将无线资源管理划分为功率控制 软切换 准入控 制和负载控制功能 图2 一i 表示无限资源管理功能在w c d m a 网络中的一般位置 图2 1r r m 功能在w c d m a 网络中的典型位置 使用r r m 的目的可以总结如下 保证不同应用的q o s 保持预定覆盖 优化系统容量 在3 g 网络中 由于对不同业务的不可预测的需求和可变要求 使得不可能 预分配资源和过多地度量网络 因此 无线资源管理包括两部分 无线资源配置 和重配置 无线资源配置负责向到达系统的新的请求适当地分配资源 从而使网 北京邮电大学硕士学位论文 络不过载并且保持稳定 但是 由于用户的移动性 在3 g 网络中可能出现拥塞 无线资源重配置用于在负载增大或出现拥塞时在网络内重新分配资源 资源重配 置负责将过载系统快速且可控地恢复到目标负载 其中功率控制功能将在以下章节中进行详细说明 准入控制 在w c d m a 系统中 新的连接建立将导致上下行负载增加 上行链路的负载一 般用系统接收的总干扰水平 即宽带总接收功率来表征 下行链路的负载一般用 下行载波总发射功率来表征 系统接收的总干扰水平和载波发射功率的升高将导 致系统逐步向不稳定状态靠近 当系统进入不稳定状态后 将影响已有用户的通 信质量 小区覆盖以及资源的利用率 严重情况下将导致系统的崩溃 因此准入 控制的目的即是控制新连接的建立和新呼叫的接入 保证系统始终处于稳定状 态 准入控制的对象为所有需要申请无线资源的情况 包括但不限于以下情况 一个移动用户在某小区中发起新的呼叫 一个已经建立呼叫的移动用户需要进行切换 一个已经建立呼叫的移动用户需要增加一个新的业务 一个已经建立呼叫的移动用户需要对已有业务进行信道重配置等 切换 w c d m a 为蜂窝移动通信系统 因此 当用户从一个小区移动到另一个小区时 与其连接的小区发生变化 根据w c d m a 系统中功率最小化原理 用户应时刻保持 与所需发射功率最小的小区处于连接状态 用户从一个小区移动到另一个小区的 过程中 与其连接的小区发生变化的过程就叫做切换 在w c d m a 系统中 切换类 型较丰富 包括软切换 更软切换 频间切换和系统间切换 由于w c d m a 为码分多址系统 频率资源在相邻小区可以重复利用 因此用户 在相邻小区间移动时 在一段时间内 可能保持与多个同频小区通信 这样就可 以通过宏分集合并增益降低所需发射功率 实现功率最小化目标 也就是说 当 用户在小区间移动导致其连接的小区发生变化时 用户在与新小区建立连接之 前 并不断开与原小区的连接 仅当用户与新小区的通信质量有保障时 才断开 与原小区的连接 而在这之前 用户同时与原小区和新小区通信 这种切换过程 就是软切换 或更软切换 频间切换与咀往系统的切换方式相似 即当用户在小区间移动时 如果新小 区和原小区的频率不同 那么用户必须先断开与原小区的联系 然后才能建立与 新小区的联系 频间切换并不排斥用户同时与多个小区同时通信的情形 当原小 区为一个同频的小区组 或新小区为一个同频的小区组时 用户可以同时与其中 北京邮电大学硕士学位论文 的小区组通信 系统间切换是指w c d m a 系统与其它系统之间的切换 这些系统包括2 g 的g s m 系统 c d m a 系统 3 g 的c d m a 2 0 0 0 系统及u m t st d d 之间的切换 负载控制 负载控制负责控制系统的负载 以达到维持系统稳定和优化系统性能的目 的 负载控制包括负载平衡 负载重整和拥塞控制 在系统的运行过程中 随着新呼叫的接入 切换 业务速率的变化及干扰等 因素的影响 各小区的话务量分布在不同时刻会不同 因此相邻小区之间也会存 在话务量不均衡的情况 当相邻小区话务量不均衡时 就可能存在某些小区负载 饱和 已有用户的通信质量受到影响 新用户无法接入 而同时某些小区的负载 又很小 资源被浪费的情况 负载平衡正是为了解决这种问题 负载平衡算法将 在监测相邻小区负载的基础上 通过调整各小区的用户 达到均衡相邻小区负载 的目的 负载重整包括三个阶段 降低b e 业务速率 降低可控速率r t 停止接入新 用户 当小区负载超过门限 降低b e 门限 时 将启动负载重组的第一阶段 此时 系统将已有b e 业务的速率降低 并控制新用户的准入 限制新接入b e 业务的速率 同时 保证r t 业务的接入和接入速率 在负载重组算法的控制下 系统内有限的容量将用于更多用户的接入 当小区负载超过门限 降低r t 门限 时 将启动负载重整第二阶段 此时 系统将进一步限制r t 业务的速率 包括降低可控速率r t 业务的速率 并限制新 接入可控速率r t 业务的速率 当小区负载超过门限 准入门限 时 将启动负载重整第三阶段 此时 系 统将停止接入新用户 由于各种原因 系统可能处于高负载状态 此时 业务速率的些微变化 用 户移动等因素均可能导致小区负载发生很大的波动 系统进入不稳定状态 这种 状态称为拥塞 为了保证系统的稳定性及满足各业务服务质量的要求 必须进行 拥塞控制 使系统尽快恢复到稳定状态 拥塞状态是系统的一种紧急状态 处理该状态的措施依优先级顺序包括如下 两种 1 将b e 业务的速率降为0 即暂时中断b e 业务的传输 2 对其它业务 依业务和用户优先级顺序选择部分用户 中断连接 图2 2 中示出了上述不同门限之间的对应关系 北京邮电大学硕士学位论文 1 0 0 拥塞控制启动门限 负载平衡上门限 准入门限 降低r t 门限 负载平衡下门限 降低b e 门限 图2 2 不同负载控制门限问的相互关系 2 3 移动通信信道的衰落特性 移动通信和其它通信的信道相比要复杂得多 无线电波传播过程中遇到的各 种建筑物 树木 植被以及地形起伏 会引起能量的吸收和穿透以及电波的反射 散射和绕射等 另外 移动台的移动速度也会带来特殊的信道衰落 这些都使无 线信道建模很困难 通常 移动信道衰落可大体分为小尺度衰落和空间大尺度路 径衰落 2 3 1 空间大尺度路径损耗 空间大尺度路径损耗是指发射机和接收机之间的长距离 几百米到几千米 上的场强变化 它随时间的变化不快 因此称之为空间慢衰落 又由于其仅为长 距离和大范围的场强变化 也称为空间大尺度路径损耗 大尺度路径损耗有 自 由空间传播 路径损耗和阴影衰落 1 首先考虑在自由空间中 若接收机和发射机之间是完全无阻挡的视距 路径 距发射机d 处天线的接收功率由f r i i s 公式给出 1 p d 而p t g t g 2 其中 p 接收机接收到的功率 p 接收机的发射功率 g 发射机天线增益 无量纲 g 接收机天线增益 无量纲 1 0 式 2 1 北京邮电大学硕士学位论文 d 发射机与接收机之间的距离 单位是米 三 与传播无关的系统损耗因子 无量纲 a 载波波长 单位是米 由式 2 1 推出自由空间路径损耗为 g 1 1 9 i p l o l g i g i 丽 g 1 2 2 其次分析路径损耗 以上所述是无线电波在自由空问中传播损耗的情 形 实际中影响传播损耗的因素很多 最基本的有反射 绕射和散射 许多学者 对无线电波在地面 墙壁 山体 理想导体 树林 街道路灯等介质的反射 绕 射和散射的传播情况进行了大量研究 大多数传播模型是在理论分析和现场实验 相结合的基础上建立的 基于理论和现场测试的传播模型显示 无论在室内或室 外 平均接收信号功率随距离的对数而衰减 对 1 中的结果进行修正 可以 得到平均的大尺度路径损耗为 g d b 百 d l o n l g d 号 式 2 3 即为对数距离路径损耗模型 这种模型己被广泛使用 其中 n 为路径损耗指数 d 为远场距离 f r a u n h o f e r 距离 d 2 d 2 旯 d 为天线截面的最大线性尺寸 五为载波波长 在w c d m a 系统中 当天线截面的 最大线性尺寸为1 米 载波频率为2 g h z 时 d 为1 3 3 3 米 在下面的表2 1 中是i 1 的部分参考取值 环境路径损耗指数n 自由空间 2 市区蜂窝 2 6 3 5 市区蜂窝阴影 3 5 建筑物内视距传输 1 6 一1 8 被建筑物阻挡 4 6 被工厂阻挡 2 3 袁2 1 不同环境 v e j 路径损耗指数 3 对数正态阴影 进一步分析 式 2 3 给出了在接收距离为d 的条件下的平均接收功率 它没有考虑由于不同位置的周围环境相差很大 在距离发射机距离为d 的不同位 北京邮电大学硕士学位论文 置 接收功率也有很大的差别 测试结果表明 在给定收发距离d 的条件下 路 径损耗乘对数正态随机分布 砸粕坷 1 嘭 以 式 2 4 其中 x 是均值为0 标准方差是盯的高斯分布随机变量 单位是d b 它 代表了随机的阴影效应 称之为对数正态阴影衰落 在不同的环境中 比如室内 室外 山区 城市 郊区 农村等 d r 取不同的值 其变化范围可以从l d b 到 十几d b 式 2 4 式考虑了集中大尺度衰落因素 常用于计算机仿真的信道建模 2 3 2 小尺度 陕衰落 移动通信系统中的接收信号 往往不是单一路径的信号 而是经过许多不同 路径来的众多反射波的合成 由于不同路径的信号 传播距离不同 传播时延也 不同 到达接收机时的相位也不同 从而使接收信号的幅度有时因同相叠加而增 强 有时因反向叠加而减弱 这样 接收信号的幅度就会剧烈变化 即产生了衰 落 这就是所谓的多经衰落 又由于其变化很快 也称为快衰落 由于考虑的仅 是在短距离 可以和载波波长相比 和短时问内 数十毫秒级 的接收场强的变 化 又可称为小尺度快衰落 影响小尺度衰落的因素主要有 多径传播 多经具有随机相位和幅度引起接收信号强度的波动 导致衰落 信号失真 码间干扰和信号模糊 移动台运动速度 基站和移动台之间的相对运动会产生多普勒频移 引起 随机频率调制 周围环境中物体的运动速度 无线信道中的物体处于运动状态 特别是当 其运动速度大于移动台的移动速度时 将对小尺度衰落起决定作用 信道的相干带宽 当信号的带宽比多经信道的相干带宽还要宽时 接收信 号就会产生频率选择性衰落 与小尺度衰落相关的一个重要参数时多普勒频移 用于描述信道小尺度衰落 的时变特性 假设移动台移动方向和某入射波的夹角为0 传输波长为a 移动台移动速 度为v 则多普勒频移为 二c o s o式 2 5 旯 参见图2 3 可以形象地理解各种衰减 北京邮电大学硕士学位论文 2 4 功率控制准则 图2 3 无线信道衰减 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 信噪比平衡准则两大主流 另外也有人提出误码平衡准则 功率平衡准则的基本原理是指在接收端接收到的有用信号功率相等 对于上 行链路 功率平衡的目标是使各个移动台到达基站的信号功率相等 对于下行链 路 则是使多个移动台接收到基站的有用信号功率相等 信号干扰比s i r 平衡准则是指接收到的信号干扰比相等 对于上行链路 s i r 平衡的目标是使基站接收到的各个移动台信号干扰比s i r 相等 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干扰比s i r 相等 其中功率平衡准则的功率控制方法易于实现 但性能不如基于s i r 平衡准则 的功控 s i r 平衡功控准则也有局限性 比如在上行链路中 s i r 功控有可能导 致正反馈 使系统失去稳定性 即某一个移动台到达基站的s i r 较低 需增大其 发射功率以使s i r 达到平衡 但这也相应增加了对其它移动台的干扰 必然导致 其它移动台也增大发射功率 这样形成的正反馈有可能导致系统崩溃 为了克服 s i r 的正反馈引入的系统不稳定性 有人提出了功率平衡与s i r 平衡相结合的功 控准则 在w c d m a 功控系统中 采用s i r 平衡准则与误帧率f e r 相结合的方法 即准 则选用s i r 平衡准则 但是s i r 的目标函数即参考阈值s i r 是由f e r 决定的 2 5 功率控制方法 从不同的角度考虑有不同的功率控制方法 比如 若从通信的上 下行链路 来考虑 一般可分为反向功率控制和前向功率控制 若从实现功控的方式则可划 北京邮电大学硕士学位论文 分为集中式功率控制和分布式功率控制 从功控环路的类型来划分 又可划分为 开环功率控制和闭环功率控制 其中 闭环功率控制又是通过快速的内环功率控 制及慢速的外环功率控制配合完成的 25 1 前向链路和反向链路功率控制 由于前向链路 基站到移动台 和反向链路 移动台到基站 具有相互独立 的统计特性 它们的目的和方法不尽相同 因此 功率控制被独立地用于前向链 路和反向链路 前向功率控制是指下行链路的功率控制 用来控制基站发射功率 使所有移 动台接收到的信号功率或s i r 基本相等 如果基站采用同步c d m a 且选用完全 正交的扩频码 理想情况下 基站发射给每个移动台的扩频信号完全正交 则移 动台间的干扰就不存在 因此在单小区同步码分时 前向功控可以不予考虑 但 是在实际的时变多经衰落信道中 理想同步是达不到的 特别是在多小区情况下 前向功率控制是必要的 前向功率控制可以使基站平均发射功控最小 减小邻小 区干扰 并可以克服 边缘效应 所谓 边缘效应 是指当基站为所有移动台 分配相同的功率时 位于小区边缘处的移动台将受到来自与之相邻的小区的大干 扰 使之无法正常工作 前向链路功率控制通常采用功率分配和调整的形式 基 站根据各用户的需要 分配并调整给各用户的功率 反向功率控制是指上行链路的功率控制 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s i r 基本相等 反向功控的目的 是使各用户之间相互干扰最小 并能达到克服 远近效应 远近效应 是指当 小区内所有移动台以相同的功率发射时 基站接收到的来自与基站距离近的移动 台的信号功率要比接收到来自与基站距离远的移动台的信号功率强 这样 就会 对与基站距离远的移动台造成大的干扰 图2 4 示出了 远近效应 的情况 o 0 诹 甬 图2 4 远近效应 问题 由于c d m a 为干扰受限系统 干扰小 容量就大 反向功控使系统达到最大 容量 另外 反向功控可使每个移动台发射功率最合理 以节省能量 延长移动 1 4 0 北京邮电大学硕士学位论文 台电池使用寿命 25 2 开环功军控制 开环功率控制又分为上行开环功率控制和下行开环功率控制 上行开环功率控制 顾名思义 是对上行发射功率进行控制 这是一种移动 台通过对下行信号进行功率的测量 估算出信号在传播路径上的功率损失 从而 确定上行信道的发射功率的方法 同理 下行开环功率控制是一种网络侧根据移 动台对下行信号接收功率的测量报告 对下行信道的传播衰减进行估计 从而设 置下行信道发射功率的方法 由于网络侧收到移动台测量报告的时间与实际测量 时间之间的延时 信道的传播衰减可能已经发生了较大的变化 因此下行开环功 率控制也不是很精确的 开环功率控制一般仅用于初始发射功率的设定 精确的 功率控制需要通过闭环功率控制来完成 2 5 3 闭环功翠控制 闭环功率控制又是通过快速的内环功率控制和慢速的外环功率控制配合完 成的 快速内环功率控制通过比较测量得到的传输信道质量值与该业务要求的目 标质量值 对内环功率控制所需要的信干比目标值进行调整 闭环功率控制也分 为上行闭环功率控制和下行闭环功率控制 上行闭环功率控制的最终目的是精确 控制移动台发射功率 n o d e b 将根据接收的各移动台的信号信干比 与位于r n c 的外环功率控制产生的目标信干比进行比较 产生功率控制比特 功率控制比特 将通知移动台 当前的发射功率与所需功率相比 是偏大还是偏小 如果偏大 则通知移动台降低发射功率 如果偏小 则通知移动台增加发射功率 上行闭环 功率控制的功率控制比特将在下行信道传输 与上行闭环功率控制不同的是 下 行闭环功率控制在移动台完成 功率控制比特通过上行信道传到n o d e b 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 的设置值 外 环功控的目标在于提供所要求的目标质量 既不太好 也不太差 因为过好的服 务质量会浪费容量 由于上下行链路采用了快速功率控制 所以上下行链路都需 要外环功控 快速功率控制的频率是1 5 k h z 外环功控的频率一般是1 0 一l o o h z 外环功控中 由r n c 对信号进行宏分集接收后 把接收到的信号质量同预先设定 的要求信号质量相比较 如果接收信号好于所要求的信号质量 就降低目标信干 比 反之 就增加目标信干比 调整后的目标信干比被发送到基站 用来检测上 行链路的接收信号 在外环功率控制之下为了保证用户接收信号的质量 对于移 动速度不同的用户 目标信干比会有所不同 高速移动用户的目标信干比要高于 低速用户的目标信干比 对于多业务复用于同一条物理链路的情况 目标信干比 北京邮电大学硕士学位论文 选择各业务所分别对应的目标信干比的最大值 在进行外环功控时 当发射功率 到达极限值 最大极限值或最小极限值 时 如果继续调整目标信干比 对于提 高性能没