RAN架构下的功率控制研究

编编 号 号 审定成绩 审定成绩 重庆邮电大学重庆邮电大学 毕业设计 论文 毕业设计 论文 设计 论文 题目 设计 论文 题目 RAN 架构下的功率控制研究架构下的功率控制研究 学学 院院 名名 称称 通信与信息工程通信与信息工程 学学 生生 姓姓 名名 专专 业业 电子信息工程电子信息工程 班班 级级 学学 号号 指指 导导 教教 师师 答辩组答辩组 负责人负责人 填表时间 填表时间 2012 年年 6 月月 重庆邮电大学教务处制重庆邮电大学教务处制 重庆邮电大学毕业设计 论文 重庆邮电大学毕业设计 论文 摘摘 要要 通过分析现代通信中CDMA接入技术 了解到CDMA系统中存在着许多干扰 功控技术意在 控制发射端的发射功率 减少小区间的干扰 补偿无线信道衰落等许多优点 所以得到了研 究无线接入网技术中的功率控制很重要 本文只研究功率算法 因此对功率控制算法的技术 背景进行调查研究 而其中存在一些问题 功率控制算法的复杂程度常常和系统性能的提高 是相互制约的 因此往往得找到两者的平衡点 以求一种最佳的结合方式 针对这个问题 本文提出最优化的基于系统容量最大化的功率控制算法 对各个移动节点的功率进行分配 旨在最大化系统容量 并且以最优化理论作为基础进行数学建模 寻找最优解的问题采取了 最优梯度法理论 根据模型本文进行编程求解最优解 设计程序流程图 其中程序采用了M 文件调用的方式进行编程 极大地降低了程序的复杂性 最后运用MATLAB仿真工具进行了仿 真分析 通过仿真分析 得到假设若干个移动节点 给出初始化移动节点的发射功率 能够 正确得到经过更新的最优化发射功率值 使系统的容量达到了最大化 还从中得之距离基站 近的移动节点发射功率增长缓慢 而距离基站远的移动节点功率增幅较大 这是为了克服 远近效应 的影响 关键词关键词 CDMA 功率控制 Matlab 信道模型 信道容量 重庆邮电大学毕业设计 论文 重庆邮电大学毕业设计 论文 I ABSTRACT Through the analysis of modern communication access technology of CDMA CDMA understand that system exists many interference and power control technology to control the transmitter transmitting power reduce inter cell interference compensation of the wireless channel fading and many other advantages it has been on radio access network technology in the power control is very important this article only research power algorithm so the algorithm of power control technology background investigation While there are some problems power control algorithm often and to enhance system performance is restricted each other therefore often have to find the balance point to a combination of the best mode Aiming at this problem this paper presents optimization based on system capacity maximum power control algorithm for each mobile node the power allocation aimed at maximizing system capacity and to the optimization theory as a basis for mathematical modeling To find the optimal solution of the problem to adopt optimal gradient method theory according to the model of the program for solving the optimal solution the design flow chart of the program the program uses the M file calls out of the way of programming which greatly reduces the complexity of the program finally using MATLAB simulation tool for simulation analysis Through the simulation analysis obtained by assuming a plurality of mobile nodes given the initialization of mobile node transmission power can correctly be updated optimal transmitting power value so that the capacity of the system to achieve the maximization also in the distance from the base station in mobile node transmitting power of slow growth and the distance from the base station to the mobile node power far amplitude is bigger it is to overcome near far effect key words CDMA Power control Matlab model of channel channel capacity 重庆邮电大学毕业设计 论文 重庆邮电大学毕业设计 论文 II 目目 录录 前 言 1 第一章绪论 2 第一节 无线接入网 2 一 无线接入网的背景 1 2 二 无线接入网中关键技术 CDMA 2 2 三 CDMA 中功率控制的必要性 3 2 第二节 本文工作和章节安排 4 一 本文工作 4 二 章节安排 4 第二章 功率控制 5 第一节 功率控制概述 5 一 功率控制的意义 5 二 功率控制的分类 4 6 三 功率控制的实现过程 7 第二节 功率控制准则 8 一 功率平衡准则 8 二 信干比 SIR 平衡准则 8 三 功率平衡和 SIR 平衡混合体制及其他 8 第三节 几种不同的功率控制算法 9 一 概述 9 二 几种常用的功率控制算法 9 三 本章小结 12 第三章 基于系统容量最大化的功率控制 13 第一节 最优化理论背景 7 13 第二节 容量最大化的功率控制算法 14 一 算法实现 14 二 梯度法 最速下降法 9 17 三 流程设计 18 四 函数设计 19 第三节 仿真分析 19 一 仿真工具介绍 19 二 仿真场景简介 20 三 仿真结果 20 结 论 22 致 谢 24 参考文献 25 附 录 27 一 英文原文 27 二 英文翻译 36 1 1 软体简介 37 1 2 硬体介绍 38 重庆邮电大学毕业设计 论文 重庆邮电大学毕业设计 论文 III 1 2 1 DRS 的信号解决方案 成立 WJ 8629A 软件可定义接收机技术 38 1 2 2 MPRG 天线阵列 38 2 1 沃森瓦法 39 2 2 伪多普勒算法 40 2 3 优势与劣势寻找方向系统 43 2 3 1 沃森瓦 43 2 3 1 1 优势 43 2 3 1 2 缺点 43 2 3 2 伪多普勒 43 2 3 2 1 优势 43 2 3 2 2 缺点 44 2 4 动机一个新的单一渠道 DF 方法 44 三 源程序 45 M 文件 45 主程序 47 重庆邮电大学毕业设计 论文 重庆邮电大学毕业设计 论文 0 前前 言言 RAN 的意思就是无线接入网络 是用于第三代 3G 无线通信设备的必需的基于地面的基 础架构 包括到因特网的高速移动接入 无线接入网络 RAN 必须能够为每个 3G 用户提供广 泛的任务 包括接入 漫游 透明连接到公共电话交换网和因特网 数据服务质量管理和网 络连接 功率控制是 CDMA 系统的一项关键技术 CDMA 系统是干扰受限的系统 移动台的发 射功率对小区内通话的其他用户而言就是干扰 所以要限制移动台的发射功率 使系统的总 功率电平保持最小 功率控制能保证每个用户所发射功率到达基站础保持最小 既能符合最 低的通信要求 同时又避免对其他用户信号产生不必要的干扰 功率控制的作用是减少系统 内的相互干扰 使系统容量最大化 CDMA 技术构建的蜂窝移动通信系统 终端用户都采用相同的频谱进行上下行链路的数据传 输 每一个频谱信道都不是完全正交而是近似正交的 因而用户与用户之间存在干扰 每一 个用户都是本小区内及相邻小区内同时进行通信的用户的干扰源 以宽带 CDMA 即 WCDMA 技 术标准为例 基站覆盖的小区存在 远近效应 这与通信用户进行通信时的信道功率有关 远近效应 的具体描述是离基站远的用户到达基站的信号较弱 离基站近的用户到达基站 的信号强 假定终端用户以相同的上行功率进行通信 则由于信号在信道中传输距离的远近 差异 基站处收到的信号强度的差别可以达到 30 70db 信号弱的用户的信号完全有可能被 信号强的用户信号淹没 从而造成较远距离的用户完不成通信过程 严重时有可造成整个系 统的崩溃 因此 有必要采取措施对用户终端的信号功率进行控制 重庆邮电大学毕业设计 论文 重庆邮电大学毕业设计 论文 1 第一章第一章绪论绪论 第一节第一节 无线接入网无线接入网 一 无线接入网的背景一 无线接入网的背景 1 在通信网中 宏观的可划分为接入网和核心网两大类 核心网和接入网在物理上 技术 上和经济上都处于完全不同的网络应用环境 在过去的几十年间 无论是交换设备还是传输 设备都经历了几代的更换 核心网正在越来越快的更换和应用最先进技术 不久将成为全数 字化 智能化 软件主宰和控制的高度集成的大系统 然而 传统的接入网技术已经 老 牛拉破车 似的稳定使用了一个世纪 至今仍然由双绞铜缆和落后的模拟系统所主宰 90 以上 两者在技术上形成巨大的反差 说明接入网已经成为制约全网进一步发展的瓶颈 接入网的革命势在必行 进入90年代以来 新的政策法规 新的业务需求 以及一系列新技 术的产生 提供了解决接入网问题的最好机遇 长期遭受冷落的接入网领域开始变得十分活 跃 各种新老技术层出不穷 预计光纤技术和无线接入技术在接入网中会有飞速的增长 可 以确信 接入网 特别是宽带无线接入网将成为21世纪电信网研究 开发和建设的热点 某 种意义上可以说 21世纪进入了接入时代 本文将重点介绍无线接入技术 CDMA 中的功率控 制技术 无线接入网的概念是无线接入系统采用无线传输技术 通过空间电磁波来传输信息 无线传 输所占用的信道即称为无线信道 常用无线技术有 卫星 微波 红外 蓝牙 WLAN WMAN 3G 等等 二 无线接入网中关键技术二 无线接入网中关键技术 CDMA 2 CDMA Code Division Multiple Access 又称码分多址 是在无线通讯上使用的技术 CDMA允许所有使用者同时使用全部频带 1 2288Mhz 且把其他使用者发出讯号视为杂讯 完全不必考虑到讯号碰撞 collision 问题 因为利用展频的通讯技术 所以可以减少 手机之间的干扰 并且可以增加用户的容量 而且手机的功率还可以做的比较低 不但 可以使使用时间更长 更重要的是可以降低电磁波辐射对人的伤害 重庆邮电大学毕业设计 论文 重庆邮电大学毕业设计 论文 2 三 三 CDMA 中功率控制的必要性中功率控制的必要性 3 随着现代通信技术的快速发展 频谱资源有限的问题已经称为移动通信系统容量的瓶颈 码分多址 CDMA 接入技术相对于频分多址 FDMA 和时分多址 TDMA 接入技术的一个最大特点 就是多个用户可以共用同一个信道 这就极大的解决了频谱资源日益紧张的问题 决定了 CDMA系统容量大的特征 然而 同时CDMA系统又是一种干扰受限系统 由于所有的移动台 在相同的频段传送信号 因此系统内产生的内部干扰在决定系统容量和话音质量方面起到了 关键作用 必须对来自每个移动台的发射功率进行控制 从而限制干扰 然而同时功率电平 值必须足够使话音质量达到比较满意的程度 CDMA系统中存在的干扰主要有 1 在无线移动环境中存在阴影 多径衰落和远距离损耗等影响 而移动台在小区内的位 置是随机的 且经常变动 所以路径损耗的变化非常大 同时分配给不同用户的扩频码由 于多径传播 到达接收端并非完全正交 会造成严重的多址干扰 2 在多小区蜂窝系统中 由于频率复用 在下行链路中 位于小区边缘处的移动台 MS 将受到相邻小区的较大的干扰 通信质量会迅速下降 甚至中断通信 这种现象通常被称为 边缘效应 3 在上行链路中 如果小区中所有用户均以相同的功率发射 由于无线信道的衰落及移 动台与基站 BS 间距离不同 BS接收到的较近的MS的信号功率要比接收到的较远MS的信号功 率强 这样就会对远离基站的MS造成很大的影响 使其性能下降 甚至不能正常工作 这种 现象被称为 远近效应 当移动台到处移动时 由于快衰落和慢衰落 阴影效应 外部干扰和其他因素造成了 RF环境处于不断变化之中 功率控制的目标就是在所有条件下保持链路质量 同时限制前向 和反向链路的发射功率 由于基站的非相干检测 在反向链路的干扰比前向链路的干扰严重 的多 因此 对CDMA系统来说反向链路功率控制是必不可少的 并且根据CD姒2000标准强制 实行 4 在CDMA系统中解决远近效应问题同样需要功率控制 为了将远近效应问题减到最低程 度 CDMA系统的目标是确保所有的移动台在基站达到相同接收功率电平 接收功率电平的目 标值必须使链路能够满足用户定义的性能目标 BER FER 容量 掉话率和覆盖 的最小电平 值 为了实施这样的策略 越是靠近基站的移动台发射的功率越是要比远离基站的移动台发 射的功率小 话音质量与前向和反向链路的帧误差率 FER 有关 CDMA系统采用功率控制技 术 控制发射端的发射功率 减少小区间的干扰 补偿无线信道衰落 使得CDMA移动通信系 重庆邮电大学毕业设计 论文 重庆邮电大学毕业设计 论文 3 统具有下列优点 1 降低干扰 最大化系统容量 2 自适应信道的变化 与有线信道不同 无线信道是时变的 这主要是因为用户的移动而 造成的 功率控制技术可动态调整发射功率 以弥补无线传播信道的改变 3 减少接收机的动态范围要求 由于功率控制技术可以自适应无线传播信道的时变特性 因此可以减少接收机端的信号电平变化 从而降低了接收机端对动态范围的要求 4 在达到服务质量要求时 最小化移动台的发射功率 延长移动台电池的寿命 第二节第二节 本文工作和章节安排本文工作和章节安排 一 本文工作一 本文工作 本文首先系统介绍了无线接入网的发展和现状 以及无线接入网技术的背景 意义 本 文以接入网中CDMA功率控制为理论基础 运用最优化梯度法知识 对无线接入网中的功率控 制进行研究并得出基于发射功率受限情况下最优化系统容量功率分配算法 进行分析和讨论 从而确定用户的最优功率的通信系统的信道模型 最后对其进行仿真分析 二 章节安排二 章节安排 本文共分四章 各章的内容安排如下 第1章 主要介绍了无线接入网的发展 无线接入网中的关键技术CDMA 以及CDMA中关 键技术 功控技术 第2章 主要介绍了功率控制的概念 分类 以及其中的关键功控技术并引出本文的重 点功率控制算法 第3章 给出功率控制的算法 基于最优梯度法理论 进行数学建模并仿真 得出仿真 结果 重庆邮电大学毕业设计 论文 重庆邮电大学毕业设计 论文 4 第二章第二章 功率控制功率控制 功率控制技术是蜂窝无线通信系统的关键技术之一 采用有效的发送功率控制可以明显 地提高系统容量和改善无线链路的通信质量 蜂窝通信系统是一个干扰受限系统 其通信质 量和容量主要受限于接收到的干扰电平大小 若基站接收到来自移动台的信号太弱 则会因 通信链路的信号质量下降而导致误码率过高 反之 若基站接收到某一移动台信号功率太高 虽然保证了该移动台与基站间的通信链路质量 却增加了对其它移动台的干扰 从而导致整 个系统通信质量的恶化和容量的下降 在无线通信系统中 称这种现象为 远近效应 只 有控制每个移动台的发射功率达到基站要求信系统中 称这种现象为 远近效应 只有控 制每个移动台的发射功率达到基站要求信干比时 整个通信系统的用户容量才达到最大值 第一节第一节 功率控制概述功率控制概述 一 一 功率控制的功率控制的意义意义 CDMA 技术采用相互正交的伪随机码区分用户 码分多址技术是在同意频段建立多个码 分信道 虽然伪随机码具有良好的自相关和互相关特性 但是由于使用相同的频率和时隙 无法避免其他信道对特定信道的干扰 这种干扰称为多址干扰 也指系统内移动用户的相互 干扰 通话的用户越多 相互间的干扰越大 解调器输入端的信噪比越低 CDMA 系统是干 扰受限系统 如果多址干扰大到一定程度 系统就不能正常工作 这将限制同时通话的用户 数量 即系统容量 为了实现 CDMA 最大信道容量 需要降低其他信道的干扰和增强每个信 道的抗干扰能力 功率控制的目的就是确保发射机输出合适的发射功率 使得到达接收端的 信号强度大致相同 尽量降低对其他信道的干扰 进而提高系统容量 常用的减少干扰技术 还有分集技术 分集技术的目的是通过增强信道自身的抗干扰能力来保证系统容量 考虑到 多址干扰 CDMA 系统需要采用功率控制技术 CDMA 系统还存在着所谓的 远近效应 边缘效应 的影响 同时由于移动信道是一 个衰落信道 要求功率控制可以随着信号的起伏快速改变发射功率 使接收电平由起伏变得 平坦 远近效应是指在上行链路中 如果小区内所有终端的发射功率相等 而各终端与基站的 距离是不同的 由于传播路径不同 路径损耗会大幅度的变化 导致基站接收距离较近终端 的信号强 由于 CDMA 是同频接收系统 造成较远距离终端的弱信号淹没在较近终端的强信 号中 从而使得部分终端无法正常工作 由于移动终端在小区内的位置是随机的 经常变动 为了解决远近效应 保证相同的接收功率 必须实时改变发射功率 远近效应仅存在于上行 链路 而在下行链路中不存在 重庆邮电大学毕业设计 论文 重庆邮电大学毕业设计 论文 5 边缘问题是指 CDMA 蜂窝移动通信系统中 移动终端进入小区边缘地区时 接收到其他 小区的干扰大大增强 尤其是移动终端在此地区慢移动时 由于深度瑞利衰落的影响 差错 编码和交织编码等抗衰落措施不能有效的消除其他需他小区信号对它的干扰 为了解决边缘 问题 要求当前小区基站增加对小区边缘地区的发射功率 在弥补在小区边缘地区移动太慢 移动时的性能损失 如何有效的进行功率控制 在保证用户要求的服务质量 QOS 的前提下 通过控制发射端 的发射功率 减少系统干扰 有效地解决远近效应和边缘问题 增加系统容量 可见功率控 制是 CDMA 系统的生命线 二 功率控制的分类二 功率控制的分类 4 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开环功率控制和闭环 功率控制 闭环功率控制再细分为外环功率控制和内环功率控制 前向功率控制指基站周期 性地调低其发射到用户终端的功率值 用户终端测量误帧率 当误帧率超过预定义值时 用 户终端要求基站对它的发射功率增加 1 每隔一定时间进行一次调整 用户终端的报告分 为定期报告和门限报告 反向功率控制在没有基站参与的时候为开环功率控制 用户终端根 据它接收到的基站发射功率 用其内置的 DSP 数据信号处理器计算 Eb Io 进而估算出下行 链路的损耗以调整自己的发射功率 开环功率控制的主要特点是不需要反馈信息 因此在无 线信道突然变化时 它可以快速响应变化 此外 它可以对功率进行较大范围的调整 开环 功率控制不够精确 这是因为开环功控的衰落估计准确度是建立在上行链路和下行链路具有 一致的衰落情况下的 但是由于频率双工 FDD 模式中 上下行链路的频段相差 190MHz 远 远大于信号的相关带宽 所以上行和下行链路的信道衰落情况是完全不相关的 这导致开环 功率控制的准确度不会很高 只能起到粗略控制的作用 WCDMA 协议中要求开环功率控制的 控制方差在 10dB 内就可以接受 反向功率控制在有基站参与的时候为闭环功率控制 其过 程是基站对接收到的用户终端反向开环功率估算值作出调整 以便使用户终端保持最理想的 发射功率 功率控制的实现是在业务信道帧中插入功率控制比特 插入速率可达 1 6Kb s 这样可有效跟踪快衰落的影响 其中 0 比特指示用户终端增加发射功率 1 比特指 示用户终端减少发射功率 闭环功率控制的调整永远落后于测量时的状态值 如果在这段时 问内通信环境发生大的变化 有可能导致闭环的崩溃 所以功率控制的反馈延时不能太长 一般的意见是由通信本端的某一时隙产生的功率控制命令应该在两个时隙内回馈 闭环功率 控制由内环功率控制和外环功率控制两部分组成 在信噪比测量中 很难精确测量信噪比的 绝对值 且信噪比与误码率 误块率 的关系随环境的变化而变化 是非线性的 比如 在一 种多径传播环境时 要求百分之一的误块率 BLER 信噪比 SIR 是 5dB 在另一种多径 环境下 同样要求百分之一的误块率 可能需要 5 5dB 信噪比 而最终接入网提供给 NAS 的服务中 QoS 表征量为 BLER 而非 SIR 业务质量主要通过误块率来确定的 二者是直接的 关系 而业务质量与信噪比之间则是间接的关系 所以在采用内环功控的同时还需要外环功 重庆邮电大学毕业设计 论文 重庆邮电大学毕业设计 论文 6 控 在外环闭环功率控制中 基站每隔 20ms 为接收器的每一个帧规定一个目标 Eb Io 从 用户终端到基站 当出现帧误差时 该 Eb Io 值自动按 0 2 0 3 为单位逐步减少 或增 加 3 5db 在这里只有基站参与 外环功率控制的周期一般为 TTI 10ms 20ms 40ms 80 ms 的量级 即 10 100Hz 外环功率控制通过闭环控制 可以间接影响系统容量和通信质 量 所以不可小视 在内环闭环功率控制中 基站每隔 1 25ms 比较一次反向信道的 Eb Io 和目标 Eb Io 然后指示移动台降低或增加发射功率 这样就可达到目标 Eb Io 内环功 率控制是快速闭环功率控制 在基站与移动台之间的物理层进行 三 功率控制的实现过程三 功率控制的实现过程 无线通信系统的功率控制基本流程结构 接收端测量接收信号的信号干扰噪声比 SINR 并与目标 SINR 比较产生功率控制指令 TPC 然后通过信令反馈信道将功率控制指令反馈到 发送端 发送端根据接收的 TPC 指令调整发送端的信号发送功率 功率控制的实现方式可以分为两大类 内环功控和外环功控 当手机处于软切换状态时 快速功控会导致下行功率飘移 为了解决下行功率漂移问题 Serving RNC 需要对 NodeB 进 行功率均衡 内环功控内环功控 内环功控的主要作用是通过控制物理信道的发射功率 使接收 SIR 收敛于目 标 SIR WCDMA 系统是通过估计接收到的 Eb No 来发出相应的功率调整命令的 Eb No 与 SIR 具有一定的对应关系 例如对于 12 2kbit s 的语音业务 Eb No 的典型值为 5 0dB 在码片 速率 3 84Mchip s 的情况下 处理增益为 10log10 3 84M 12 2k 25dB 所以 SIR 5dB 25dB 20dB 即 载干比 C I 20dB 内环功控分为开环和闭环两种方式 开环功控目的提供初始发射功率的粗略估计 它根 据测量结果对路径损耗和干扰水平进行估计 从而计算初始发射功率 开环功控开环功控 初始功率 P PRACH P CPICHDL TX power CPICH RSCP UL interference Constant Value P CPICH DL TX power CPICH RSCP 为下行路径损耗 计算 P PRACH 上行路径损耗 并是根据下行信号所得到的路径损耗来估计上行损耗 由于上 下行频段间隔较大 上下行的快衰落情况是完全不相关的 因此 这个估计值是很不准确的 下面给出具体的说明 刚进入接入信道时 闭环校正尚未激活 平均输出功率 dbm 平均输 入功率 dbm Pcon NOM PWR db INIT PWR db 其中 平均功率是相对于宽带 CDMA 5MHz 的标称信道带宽而言 INIT PWR 是对第一个接入信道序列所需作的调整 NOM PWR 是为了补 偿由于前向 CDMA 信道和反向 CDMA 信道之间不相关造成的路径损耗 其后的试探序列不断增 加发射功率 步长为 PWR STEP 直到收到一个效应或序列结束 输出的功率电平为 平均 输出功率 dbm 平均输入功率 dbm Pcon NOM PWR db INIT PWR PWR STEP 之和 db 在反 向业务信道开始发送之后一旦收到一个功率控制比特 移动台的平均输出功率变为 平均输 出功率 dbm 平均输入功率 dbm Pcon NOM PWR db INIT PWR PWR STEP 之和 db 所有闭 环功率校正之和 db 其中 Pcon 为一个常数修正值 这由多种系统参数决定 NOM PWR 重庆邮电大学毕业设计 论文 重庆邮电大学毕业设计 论文 7 与 INIT PWR 以及 PWR STEP 也有一定的数值限定范围 第二节第二节 功率控制准则功率控制准则 功率控制准则是指功率控制的基本依据 从原理上看 功率控制准则可致分为 功率平 衡准则 信干比平衡准则两大类 还有一种功率平衡和 SIR 平衡混合体制及 一 功率平衡准则一 功率平衡准则 功率平衡准则是指经过功率控制后在接收端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 目标则是各个移动台 接收到基站的有用信号功率相等 二 信干比 二 信干比 SIR 平衡准则 平衡准则 SIR 平衡是指接收到的信号干扰比相等 对于上行链路 SIR 平衡的目标是使基站接收 到的各个移动台信号干扰比 SIR 相等 对于下行链路 SIR 平衡的目标是使各个移动台接收 到的基站的信号干扰比 SIR 相等 基于功率平衡准则的功率控制方法易于实现 但是性能不如基于 SIR 平衡的功控准则 而 SIR 平衡准则在上行链路中有可能导致正反馈 从而使系统失去稳定性 三 功率平衡和三 功率平衡和 SIRSIR 平衡混合体制及其他平衡混合体制及其他 为了克服 sIR 的正反馈引入的系统不稳定性 有人提出了功率平衡与 SIR 平衡相结合的 功率控制准则 对于数字数据通信系统最佳标准 一般采用误码率 B 职 所以也有提出所谓 BER 平衡准 则 然而误码率与接收信号的信号功率或信干比之间并不存在一一对应关系 它与信道性质 有关 所以很难建立具体分析模型 在实际功控系统中 比如 IS 一 95 和 WcD 姒是采用 SIR 平衡准则与误帧率 FER 相结合的 重庆邮电大学毕业设计 论文 重庆邮电大学毕业设计 论文 8 方法 即准则选用 sIR 平衡准则 但是 SIR 的目标函数即参考阀值 sIR 则是由 FER 决定的 第三节第三节 几种不同的功率控制算法几种不同的功率控制算法 一 概述一 概述 功率控制效果的好坏取决于功率控制技术所采用的算法 对于不同的功率控制方式 其 算法的复杂程度常常和系统性能的提高是相互制约的 即对系统性能提高越大 该功控算法 的复杂度就越高 成本代价就越高 因此往往得找到两者的平衡点 以求一种最佳的结合方 式 开环功率控制完全是借助于对接收到的信号能量的评估和比较的基础之上的 它的算法 相对来说比较简单 它对移动台发射功率的调整使用的是 一步到位 的方法 信道衰落多 少 就补偿多少 这在快速变化的信道里面将会带来误调 反而会带来系统性能的严重恶化 一般来说 这种功控的不准确性要通过更加准确的闭环功率控制来补偿 闭环功率控制是基于检测接收机端的接收信噪比来发射功率调整的 不同的功控速度 变长和信噪比门限都会影响功控的效果 其中 信嗓比门限的确定对功控的影响尤其重要 这就要求 调制该门限的外环功控要能及时反映信道特性的变化 即可以认为该门限是特定 用户所处信道环境衰落速度和衰落特性的函数 许多研究表明 小区内所有用户的功控信噪 比门限的均值直接决定了系统容量 图 2 1 功率控制算法分类 重庆邮电大学毕业设计 论文 重庆邮电大学毕业设计 论文 9 二 几种常用的功率控制算法二 几种常用的功率控制算法 到目前为止 功率控制算法有以下几种 1 基于距离测量的算法 2 基于接收信号强度测量的算法 3 基于通信链路传输质量的算法 4 基于随机推论的可用测量信息算法 由于基于 SIR 测量的功率控制算法可以达到比较好的系统性能而被广泛采用 它又可以分为 集中或分布的 同步或异步的 迭代或非迭代的以及发射功率受限或非受限的几类 下面简 要介绍一下常见的两种功控方案 5 1 1 基于 基于 SIRSIR 平衡的功率控制算法平衡的功率控制算法 基于 SIR 平衡的功率控制算法有集中式和分布式两种 假设每个小区有个用户 系统中用户总数为 Q 小区 k 中 g 用户是期望用户 其他为干扰用户 若忽略接收端噪声 第 k 个小区中 BS 接收端用户 g 的 SIR 可以定义为 式 3 1 其中 是用户 g 的发射功率 是从用户 j 到用户 g 所在小区基站之间的链路增益与用户 g 与其所在小区基站之间链路增益 作归一化的增益 假设无线通信连路的传输质量只与接收端测量的到的 SIR 有关 对单一业务的蜂窝系统 而言 所有的通信连路要求的 SIR 门限值都相同 记为 为了保证各通信链路要求的传输 质量 要求下式成立 式 3 2 为了求解各发射机的发射功率 将 3 1 式写成如下形式 式 3 3 写成矩阵形式 P 式 3 4 重庆邮电大学毕业设计 论文 重庆邮电大学毕业设计 论文 10 式中 P P是发射功率的列矢量 功率控制算法就是利用一些测量信息来决定满足式 3 6 的发射功率矢量 P 如果在求 解 P 时需要知道所有的链路增益此 PCA 称为集中式功率控制算法 假设通信系统所需的门限 SIR 为 又称为系统保护比 对于 SIR 平衡的蜂窝系统来说 当系统的 SIR 低于时 可 以通过尽保护比 对于 SIR 平衡的蜂窝系统来说 当系统的 SIR 低于时 可以通过尽量 减少关掉发射机的数量 来得到使系统 SIR 达到的无线链路增益矩阵 Z 的最大子矩阵 在 这个 SIR 平衡系统中 通过进一步求解子矩阵的特征值得到相应的最佳发射功率矢量 P 集 中式功控获得的性能是最好的 是最佳功率控制 但是计算量却非常大 在实际应用时 应该同时考虑计算量和性能 因此研究了一些折中的次最佳的集中式算 法 主要有 逐步移去算法 最大干扰逐步移去算法 最大发射 接收干扰逐步移去算法等 这些算法性能接近于最佳功率控制算法 但计算量明显减小 当蜂窝系统比较大时 要实时测量所有的链路增益是不实际的 因此 从 90 年代开始 有关方面的研究开始强调 SIR 平衡的分布式方法 即在求解 P 时不需要知道所有的链路增益 每个小区根据本小区测量得到的 SIR 值来决定下一次的发射功率 算法可用式 3 5 计算 式 3 5 此算法的发射功率 P为任意值的矢量 为归一化的权重因子 它的获得需要知道 所有链路的功率 通过下一次迭代计算来决定下一步的发射功率且每次计算是独立的 在归 一化过程 需要正确选择归一化因子 否则算法不收敛 为了保证归一化因子的正确选取 不可避免地要进行全局的通信 因此 这种分布式实际上不是完全分布的 后来提出的一种不需要归一化过程的完全分布式算法 FDPCA 发射功率被限制在 式中 是一系统设计参数 在范围内 FDPCA 中只有一个参数 只要确定了这个参数 就不在需要交换信息 具体算法在这里不再详述了 2 2 联合功率控制 联合功率控制 以上所讨论的算法都是假设移动台与基站之间的信道是固定的 实际上 某个通信链路 所需的 SIR 可能会在几个信道中以不同的发射功率达到 即固定连接也许不能最小化发射功 率 因此 就有人研究了另一类功率控制方法一联合功率控制方法 其中一种方法即是把调整发射功率与基站的分配问题综合考虑 让达到所需的 SIR 时上 行链路各用户的发射功率之和最小化 最小化是在功率矢量和基站分配之间进行的 此联合 控制算法试图使可以容纳所有用户所需的信道数最少 与动态信道分配方法相比 容量有显 著提高 但该算法是集中式的 复杂度高 在第三代移动通信系统中 使用了多用户检测技 术 即假定用户的发射功率一定 优化接收机的结构 而功率控制是假定接收机结构一定的 重庆邮电大学毕业设计 论文 重庆邮电大学毕业设计 论文 11 情况下 当用户服务质量得到满足时 控制用户的发射功率最小化 于是提出了将功率控制 和最小均方误差多用户检测结合起来形成一种迭代 分布式的功率控制算法 它不断重复地 修改发射功率和接收滤波器的系数 以便得到最小发射功率和使迭代功率控制算法收敛 此 外 还可以把功率控制 纠错码技术和天线波束成型技术等结合起来考虑 也可以有效地提 高系统容量 三 本章小结三 本章小结 长久以来 功率控制技术的研究与应用得到广泛的重视 从集中式功率控制到分布式功 率控制 从等功率控制到基于业务量的功率控制 穿插运用其中的算法又分为统 门限和自 适应门限算法 单比特定步长功率控制和多比特变长功率控制等算法 目的都在于实现通信 质量的最佳化和系统容量的最大化 7 本章主要介绍了功率控制的基本含义 历史 分类和关键的算法 功率控制的目的主要 在于 1 克服阴影衰落和快衰落 阴影衰落是由于建筑物的阻挡而产生的衰落 衰落的变化比较 慢 而快衰落是由于无线传播环境的恶劣 MS 和 BS 之间的发射信号可能要经过多次的反射 散射和折射才能到达接受端而造成 对于阴影衰落 可以提高发射功率来克服 而快速功控 的速度是 1500 次 秒 功控的速度可能高于快衰落 从而克服了快衰落 给系统带来增益 并保证了 MS 在移动状态下的接受质量 同时也能减小对相邻小区的干扰 2 降低网络干扰 提高系统的质量和容量 功率控制的结果使 MS 和 BS 之间的信号以最低 功率发射 这样系统内的干扰就会最小 从而提高了系统的容量和质量 3 由于手机以最小的发射功率和 BS 保持联系 这样手机电池的使用时间将会大大延长 为了更好的展现功率控制的意义 下章将重点介绍一个功率控制算法 它是基于测量基站与 移动用户的距离测量的 OSC 算法 重庆邮电大学毕业设计 论文 重庆邮电大学毕业设计 论文 12 第三章第三章 基于系统容量最大化的功率控制基于系统容量最大化的功率控制 本章将最优化理论应用到具体的通信场景中 将通信系统中的容量作为优化目标 对各 个移动节点的功率进行分配 旨在最大化系统容量 提高网络的扩展性 第一节第一节 最优化理论背景最优化理论背景 7 最优化是所有可以选择的方案中选择最为合理的方案来达到最优化某个目标的一门学科 达到最优化目标的方案叫最优方案 或者叫最优解 寻找达到最优化方案的方法叫最优化方 法 寻找某些变量的值使得在满足某些限制条件的情况下 使得某个目标函数达到最大或者 最小值的问题叫最优化问题 本章的最优化问题就是在满足总功率一定的情况下 如何寻找 各个移动终端 MS 的功率值 使得目标函数系统容量取得最大值 任何最优化问题都可以用公式 4 1 来表示 3 1 min f x st xD 其中为定义在集合 D 上的函数 f x 具体的数学模型可以表示为 3 2 min 0 0 f x st gxhx ij 其中称为目标函数 和称为可行域 f x i g x j h x 任何一个最优化的数学模型都会有两种最优解 局部最优解和全局最优解 局部最优解 是在某一个很小的领域内产生极值 而全局最优解是在可行域内的最大值 最优化问题一般 寻找的都是全局最优解 重庆邮电大学毕业设计 论文 重庆邮电大学毕业设计 论文 13 第二节第二节 容量最大化的功率控制算法容量最大化的功率控制算法 一 算法实现 一 算法实现 1 1 目标函数 目标函数 假设在一个空旷的场地 分布有 N 个移动台 MS mobile station 和 M 个基站 BS base station 第 i 个 MS 的位置坐标为 其中 第 j 个 BS 的位置坐标为 ii x y 0iN jj xy 其中 则它们之间的距离可以表示为 1NjM 3 3 22 ijijij dxxyy 它们两者之间的信道增益为 4 0 097 ijij hd 3 4 在移动通信蜂窝系统中 第 i 个 MS 的信道容量为 信道带宽为 假定为一常数 对 i CBB 于带宽有限 平均功率有限的高斯白噪声连续信道 可以证明 其信道容量为 2 log 1 ii CBSIR 3 5 其中 为第 个 MS 的信干比 信干比的表达式为 i SIRi 2 11 1 iij iNM kkillj kl kilj p h SIR Gp hp h 3 6 最优化系统容量的目标函数为 3 7 max max 0 i i C stpp 将公式 3 5 代入公式 3 7 得 2 max log 1 max 0 i i BSIR stpp 3 8 重庆邮电大学毕业设计 论文 重庆邮电大学毕业设计 论文 14 由于 B 是常量 故可以转化为 2 max log 1 max 0 i i SIR s tpp 3 9 将公式 3 3 3 4 3 6 式代入 3 9 式得 1 2 22 2 1 21 2 22222 1 11 max maxlog 1 1 0 097 0 1 N iijij NM i kkjkjlljlj kl k il j i pxxyy GpxxyyGpxxyyG stpp 3 10 公式 3 10 即为以容量为目标的最优化系统容量的算法模型 Optimality theory of System Capacity OSC 算法 则接下来的目标就是寻找一组最优的发射功率 使得 3 10 式成立 并讨论其收敛性和唯一性 本文采用最优梯度法的方法 12 N p pp 找到最优的发射功率 下面会介绍梯度法 2 可行性分析 可行性分析 凸集和凸函数是线性规划都会涉及的基本概念 关于凸集和凸函数的某些定理在最优化 问题的理论证明及算法研究中都具有非常重要的作用 40 定理一 定理一 设为维欧式空间中的一个集合 若对中的任意两点 连接它们之间的Sn n ES 线段仍然属于 换言之 对于任意的两点和及任意的实数 有S 1 x 2 x 0 1 3 11 12 1 xxS 则称为凸集 S 定理二 设定理二 设为中的一个非空凸集 是定义在上的实函数 如果对于任意的两点S n EfS 和及任意的实数 有 1 x 2 x 0 1 3 12 1 1221122 f k xk xk f xk f x 则称为上的凸函数 fS 假设有 100 个 MS 和 50 个 eNB MS 的位置服从均匀分布 每个 eNB 的发射功率和位置都 确定 ProofProof 存在一组唯一的发射功率矢量使得系统总容量最大 12 N p pp 证明 如果一个函数是凸函数 那么它一定收敛 因此如果 8 式是凸函数 则定理得证 重庆邮电大学毕业设计 论文 重庆邮电大学毕业设计 论文 15 公式 4 10 可以等价转换为 2 2 11 max log 1 1 0 iij NM kkillj kl k ilj i p h Gp hp h stpp 3 13 如果一项和式的每一项都为凸函数 那么和式也是凸函数 40 因此可以转化为求公式 4 14 为凸函数 3 14 1 1 2 2 21 max log 1 1 0 j NM kkjllj kl lj i p h Gp hp h stpp 假设用户总的发射功率固定为常数 那么可以做如下处理 3 15 1 1 2 N kkjj k p hQp h 由于基站的位置和发射功率一定 那么可以设为一常数 综合公式 4 15 式 2 1 M llj l lj p h 公式 4 14 可以转化为 3 16 1 1 12 1 1 max log 1 0 j j i p h G C p Mp h stpp 其中 3 17 2 1 M llj l lj MQp h 令 则公式 4 16 可以转化为如下抽象数学模型xp 3 18 1 1 2 1 max log 1 0 j j i x h f x Mxh stpp 令 得出 1 122 k xk xx 3 19 1 112 12 1 12222 1 112 121 112 12 log 1 log jj jjjj k h xk h x M f k xk x Mk h xk h xMk h xk h x 而 重庆邮电大学毕业设计 论文 重庆邮电大学毕业设计 论文 16 3 20 1112 11221222 1112 log 1 log 1 jj jj h xh x k f xk f xkk Mh xMh x 等式右边项合并得 3 21 12 2 1112 log kk jj M Mh xMh x 整理得到 3 22 12 1 1 122 11122 kk jjjj Mk x hk x hMh xMh x 即 其中 3 23 1 1221122 f k xk xk f xk f x 12 0kk 则可证明为凸函数 二 梯度法 最速下降法 二 梯度法 最速下降法 9 梯度最速下降法又称梯度法 它是许多非线性规划算法的基础 迭代公式 如何选择下降最快的方向 如图 3 1 梯度法梯度法 最速下降法 1 搜索方向 也称为最速下降方向 图 3 1 图 3 1 函数下降的方向 重庆邮电大学毕业设计 论文 重庆邮电大学毕业设计 论文 17 2 搜索步长 取最优步长 即满足 梯度算法步骤 梯度算法步骤 1 给定初始点 允许误差 令 k 1 2 计算搜索方向 3 若 则停止计算 使得 4 令 本文就是运用梯度法更新功率值 三 流程设计三 流程设计 每个 MS 的功率初始化 参数设置 给定 BS 与 MS 的坐 标 计算每个 BS 与 MS 的信道