WCDMA移动通信中功率控制的研究与仿真文献综述

WCDMA移动通信中功率控制的研究与仿真一 研究功率控制技术的意义 码分多址CDMA与频分多址FDMA相比较，具有容量大、低功率、软切换、抗干扰强等一系列优点。但是，在CDMA系统中由于所有用户使用相同频段的无线信道，用户间仅靠地址扩频码的不同，即靠它们之间的相关特性加以区分。若用户间的互相关特性不为零，则用户间存在干扰，我们称之为多址干扰。同时由于CDMA系统为一干扰受限系统，即干扰大小影响系统容量。因此有效克服和抑制多址干扰就成为CDMA系统中最主要、最关键的问题1。除了多址干扰本身影响直接以外，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是不同的，离基站近的移动台的信号强，离基站远的移动台的信号弱。将会产生以强压弱的现象，而设备的非线性就会更加速这种现象的产生，这就是所谓的“远近效应”。在下行链路中，当移动台位于相邻小区的边界时，收到所属基站的有用信号很低，同时还会收到相邻小区基站的强干扰，这就是所谓“角效应”。除此之外，电波传输中由于物体的阻挡，形成“阴影效应”产生了慢衰弱。这些现象将会导致系统容量的下降和实际通信服务范围的缩小等。解决这些问题的一个有效方法是采用功率控制技术。因此可以认为，功率控制技术是CDMA系统的一项核心技术2。第三代移动通信系统有多种业务，因此对功率控制提出了新的要求。功率是一种系统资源，合理有效的功率控制和分配，将会提高第三代移动通信系统的性能和增加系统的容量。2G和3G功率控制的区别在于:(1) GSM功率控制速率要慢得多，采用频率约为2Hz的慢速功率控制，WCDMA采用频率为1. 5kHz的快速功率控制。(2) GSM对功率控制依赖程度低，而WCDMA若没有功率控制则几乎无法工作。功率控制准则：功率控制准则是指功率控制的基本依据3。从原理上看，功率控制准则可以大致分为:基于功率(信号强度)平衡和基于SIR(误比特率(BER)、载干比(CIR)平衡的策略。 功率平衡准则是指以在接收端接收的有用信号功率的相等为功率控制准则，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，功率平衡的目标是使各个移动台接受到的基站的信号功率相等。基于信噪比SIR平衡准则指在接收端接收的有用信号干扰比的相等为功率控制准则，对于上行链路，SIR平衡的目标是使各个移动台接受到的基站的信号干扰比相等。 功率平衡准则和SIR平衡准则比较：基于功率的方案是测量到达基站的信号强度，将其与期望值比较，然后发出调整相应发射功率的命令。在基于SIR的方案中，SIR为测量值，干扰包括信道噪声和多用户干扰(MAT)。基于功率的功率控制方案较易实现，但准确度不如基于SIR的方案。当载波和干扰功率都为常数时，BER是SIR的函数，二者的QoS相同，但由于SIR是时变的，所以平均SIR与BER不同。因为每个实际系统中都要用到信道编码，而功率控制可基于平均帧错误，在这种情况下，BER就是较好的判决标准。SIR平衡指接收到信号的SIR相等，与基于功率平衡的方案相比，采用SIR平衡的功率控制方案可获得更好的系统性能，但是SIR平衡算法是基于矩阵特征值和特征向量的求解，较为复杂，可以通过适当的快速算法，阳氏系统实现的复杂性。SIR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，WCDMA采用S工R平衡准则，CDMA2000采用功率平衡准则，前者的目标SIR门限和后者的功率门限都根据误帧率FER调整。二 国内外研究动态、研究方法不同的功率控制算法将对系统容量的改善有不同的效果。前几年，学术界在这方面已做了大量的研究工作。 Lee 在调查蜂窝CDMA系统性能时，采用与距离长短幂次方有关的功率控制算法，但在分析反向链路的性能时忽略了邻区用户干扰的影响;Gilhousen考虑移动台的发射功率只由本区基站控制，使基站的接收功率相同，而基站发射功率的控制则由一种功率分配算法来实现，使移动台的接收载扰比(C/I)满足要求;MiIstein分析了平坦瑞利衰落下的性能，在分析下行链路时只考虑基站到小区间交叉界线上的移动台的特殊链路，没有控制发射功率，对上行链路则采用使基站接收各移动台的功率相等的控制算法，并分析不完善功率控制对性能的影响4;早在本世纪80年代初期Nettelon和Alavi 就将C/I平衡的概念推广到扩频CDMA系统中以控制发射功率，用模拟方法比较了区内CA平衡和区间C/I平衡的中心小区中断概率;Stuber等研究了衰落环境中区内C/I平衡功率控制算法的区域平均比特错误率和区域平均中断概率。Hanry把功率控制和蜂窝区域的选择相结合，有拥护优选某一蜂窝使得发射功率最小，从而最大化系统的容量，并证明了如果功率控制矩阵有解，那么一定存在最小的功率解。Hu提出了一种功率控制函数，对多速率、多媒体的DS-CDMA系统进行功率控制，通过把业务指数引导到控制函数中，在允许的误码率范围内，求出系统模糊控制理论在目标值水平上5。Vasilios A.Siris在基站的传输功率，这样会增加该移动台对其他移动台的干扰的基础上，提出了一种基于微观经济学的更有效的下行功率控制方案，它通过调整改变通信质量的外环功率控制算法，这种算法是以移动台各自所接收的Eb/No的大小为依据的。这种算法不需要改变快速闭环功率控制。一种基于模糊逻辑的外环功率控制方法，根据模糊数学理论和模糊控制的思想来实现可变的调整步长，与传统的方法相比，这种方法可以对小同的通信环境做出灵敏的反应，提高控制精度，以求最大限度地减少内环的发射功率，进而减少系统的干扰，增加系统地稳定性和容量。在这种方法中，不仅考虑了BER与日标BER的差值信号，而且考虑了差值信号的变化率6。在 实 用 的CDMA系统中，常常选用分布式功率控制算法。这也是日前研究得最多的一种功率控制方法，系统内各个用户可以根据分布式算法调整各个用户的发射功率来达到SIR的平衡，即系统内各通信链路获得一定的SIR:从服务质量考虑，应该保持系统服务质量稳定，这种方法在保证每个用户服务质量的前提下，可以获得较大的容量增益。从不同角度来考虑由不同的功率控制方法分类:从通信的上、下行链路角度考虑，可以分为前向功率控制和反向功率控制；从实现功率控制方式则可以划分为集中式功率控制和分布式功率控制；从环路的类型来分，可分为开环功率控制和闭环功率控制。（1）前向功率控制与反向功率控制前向功率控制是指下行链路的功率控制，用来使所有移动台接收到的信号功率或SIR相等。前向功率控制可使基站的发射功率最小，不仅能减少其它前向信道干扰，增加前向容量，还可克服“角效应”。反向功率控制是指上行链路的功率控制，使所有基站接收到的移动台的信号功率或SIR相等。反向功率控制使各用户之间的多址干扰最小，并能够克服“远近效应”。由于CDMA为干扰受限系统，减少干扰就意味着增加系统容量。同时反向功率控制可使每个移动台发射功率最合理，以节省功耗，延长移动台的待机时间7。（2）集中式功率控制和分布式功率控制集中式功率控制是指在基站进行功率控制，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。集中式功率控制的优点是统一调整基站、移动台的发射功率达到最优化，防止正反馈导致的系统崩溃。但是集中式功率控制要求在同时刻获得一个归一化的链路增益矩阵，目前这在一个多用户小区内是难以实现的。因此集中式功率控制算法很难实现。分布式功率控制是指在移动台和基站配合下完成的功率控制8。分布式功率控制首先是在窄带蜂窝系统中提出并通过迭代方式近似的实现最佳功率控制，而在迭代过程中只需要各个链路上接收SIR的即可。因此分布式功率控制算法是一种有效算法。对宽带CDMA系统，当不考虑SIR估计误差时，分布算法非常有效，但当存在SIR估计误差时，分布式SIR平衡算法可能不再收敛于一个平衡SIR水准。若估计误差较小时，分布式SIR平衡算法仍然有效。然而随着估计误差增大，系统性能很快地下降。 （3）外环功率控制、内环功率控制外环功率控制是通过动态的调整内环功率控制的SIR目标值，使通信质量始终满足要求，即达到规定的FER, BLEB, BER值。由于无线信道的复杂性，仅根据SIR值进行功率控制并不能真正反映链路质量。内环功率控制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值。以WCDMA为例，其系统中是通过估计接收到的Eb/NO来发出相应的功率调整命令，因为En/I。与SIR具有一定的对应关系。内环功率控制虽然可以解决路径损耗、远近效应的影响，使接收信号保持固定信干比SIR，但是不能保证接收信号的质量。在非高斯信道环境下，SIR与BLER之间一一对应的关系不能得到保证。环境因素对接收信号的质量有很大的影响，当信道环境发生变化时，需要根据其变化调整接收信号的SIR目标值。从工程的角度，保证一定的系统容量是十分重要的。如果设定的SIR目标值太低，将不能保证信号接收质量:反之，太高又会增加对其他信号的千扰，降低系统容量。如何将SIR目标值调整到恰好保证信号质量的位置，就是外环功率控制的目的。外环功率控制流程主要包含三部分9:(1)测量接收信号的质量BLER(2)查询指定业务的BLER门限值(3)门限判决，按照相应策略调整SIR目标值(4)开环功率控制、闭环功率控制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。开环功率控制的基础是建立在上行链路和下行链路具有一致的信道衰弱情况的。然而在实际的频分双工FDD系统中，上、下行链路占有的频段要相距45MHz以上，它远远大于信号的相关带宽。因此信道的快衰弱是完全独立和不相关的。但是对于决定阴影效应的信道慢衰弱而言，这类不对称性的影响要相对小的多。而功率控制正是主要针对慢衰弱的。所以开环功率在实际中仍被采用，但它的功率精度受到信道不对称的影响，而不能起到粗控的作用。对于TD-SCDMA时分双工系统，上、下行链路占有相同的频段的不同时隙，这时上、下行链路是对称的，开环功率可以达到相当控制精度。闭环功率控制指基站(或移动台)根据上行链路(或下行链路)信号质量，产生功率控制命令，再经过下行链路(或上行链路)将功率控制命令传送给移动台(或基站)，移动台(或基站)根据功率控制命令调整发射功率，以达到功率平衡或SIR平衡。闭环功率控制的控制精度高，在实际系统中起到精控的作用，是功率控制的核心。而闭环功率控制又包含两个步骤:外环(仅基站进行)和内环(移动台和基站同时进行)1011。三 可能的研究成果通过功率控制的仿真可以得到有功率控制的情况下比没有功率控制时的误帧率明显较低。有效克服和抑制多址干扰、“远近效应”、 “角效应”、“阴影效应”提升系统容量和扩大实际通信服务范围。由于无线通信网络功率控制问题的特殊性和复杂性，经典控制论中的传递函数法和现代控制论中的状态控制法等控制理论中的许多方法在这里都失效了。 因此，研究中也产生了许多新的研究思路和方法12。 (1)控制Lyapunov函数思想控制Lyapunov函数的基本思想是：如果知道值函数，最好的方法是在当前时刻，选择使值函数最小的控制动作，而不考虑将来的情况（换句话说，忽略系统的动态），这样做就能确切的实现问题的最优控制。而在功率控制问题里，一个很直接的想法是， 可否借用控制Lyapunov函数的概念来考虑功率控制算法这种异步算法的稳定性 ，进而指导算法设计呢？ (2)大系统理论在蜂窝网络中，单个手机与基站之间的功率控制过程实际上就是一个简单的反馈控制系统，而整个小区正是由这许多的子系统通过各自信号强度的影响耦合成的一个大系统。使用大系统理论中已取得的成果，比如广义模型建模、稳定性分析、最优控制和协调控制等来研究功率控制问题，可能会催生有益的结果。 (3)博弈论 从博弈论的观点来看，功率控制的过程就是网络中的节点为了有效的信息传输 而进行博弈的过程。利用博弈论中已有的方法和理论来研究功率控制问题，可能会有助于问题的有效解决。参考文献1 郭梯云.移动通信.西安：西安电子科技大学出版社，2000.52 郭东亮.WCDMA规划设计手册.北京：人民邮电出版社，2005.43 吴强.CDMA功率控制.北京邮电大学博士研究生学位论文，2000.64 张严，蒋朱成.WCDMA闭环功率控制的研究.电路与交换学报，2000.15 (韩) Man Young Rhee 袁超伟 译.CDMA蜂窝移动通信与网络安全.北京:电子工业出版社,2002.56 杨大成. cdma2000 1x移动通信系统.北京：机械工业出版社，2003.17 张平，陶小峰.WCDMA移动通信系统.北京：人民优点出版社，2006.28 Shunsuke SEO, Tomohiro DOH, Fumiyuki ADACH. 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