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摘要在c d m a 系统中，用户之问由于扩频码之间的相关性互相干扰，这就会出现发射功率大的用户压制发射功率小的用户的情况，这就是所谓的远近效应，这种情况必须被克服。功率控制和多用户检测是c d m a 移动通信系统中克服远近效应、多址干扰的关键技术。功率控制作为一种可以平衡接收功率，减小对其他用户干扰的技术得到广泛的应用。而当功率控制已经采用时，利用多用户检测可以对于扰进行进一步的压缩，同样的如果已经采用了理想的线性多用户检测器，利用功率控制可以更好的解决远近效应的问题。本文提出了一种新的基于代价函数的联合功率控制算法，试验表明，采用本文提出的功率控制算法，在系统内用户总发射功率一定的情况下，可使用户获得更高的信干比，同时，系统容量也可以进一步提高。关键词：远近效应功率控制多用户检测代价函数a b s t r a c ti nc d m as y s t e m s ，u s e r sc r e a t ei n t e r f e r e n c et oe a c ho t h e rt ot h ee x t e n to ft h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h e i rc o d e sa n dt h er a t i oo fm e i rr e c e i v e dp o w e r s c o n s e q u e n t l y ,n e a r - f a re f f e c t si nw h i c hs t r o n gu s e r sw i t hh i d e rr e c e i v e dp o w e r sc a no v e r w h e l mt h ec o m m u n i c a t i o nq u a l i t yo ft h ew e a ku s e r sw i t hl o w e rr e c e i v e dp o w e r sm u s tb em i t i g a t e d p 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 r et w ok e yt e c h n i q u et oc o p ew i t ht h em u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c ea n dn e a r - f a re f f e c ti nc d m am o b i l ec e l l u l a rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，p o w e rc o n t r o li sar e s o u r c ea l l o c a t i o nt e c h n i q u et h a tb a l a n c e st h er e c e i v e dp o w e r so ft h eu s e r ss ot h a tn oo n eu s e rc r e a t e se x c e s s i v ei n t e r f e r e n c e e v e nw h e np e r f e c tp o w e rc o n t r o li sa p p l i e d ，t h ei n t e r f e r e n c ec a nb ef u r t h e rs u p p r e s s e db ym u l t i u s e rd e t e c t i o n s i m i l a r l y , e v e nw h e no p t i m a ll i n e a rm u l t i u s e rr e c e i v e r sa r cu s e dt om a x i m i z et h es i g n a lt oi n t e r f e r e n c er a t i o ，p o w e rc o n t r 0 1c a r lb eu s e dt of u r t h e rd i m i n i s ht h en e a r - f a re j c t i nt h i sp a p e r , w es u r v e yt h er e s e a r c ho nc o m b i n e dp 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 ni nc d m as y s t e m f i r s ta l l ，s o m eb a s i cc o n c e p tr e v i e w e d t h e nt h ei d e a lc o m b i n e dp 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 ni si n 订o d u c e da n dt a k ean e wj o i n tp o w e rc o n t r o la l g o r i t h mm e t h o db a s e do nc o s tf u n c t i o n t e s t ss h o wt h a to nc o n d i t i o nt h a tt h et o t a lt r a n s m i t t e dp o w e ri nt h ec d m as y s t e mi sg i v e n ，u s e rc a no b t a i nah i 曲s ra n dt h ec a p a c i t yo f t h es y s t e mc a l lb ea l s oi m p r o v e dw i t ht h ep r o p o s e da l g o r i t h m k e yw o r d ：n e a r - f a re f f e c tp o w e rc o n t r o lm u l t i u s e rd e t e c t i o nc o s tf u n c t i o n西北工业大学硕士学位论文c d m a 通信系统中的联台功率控制c d m a 通信系统中的联合功率控制第一章绪论1 1 第三代移动通信发展自从8 0 年代初，第一代模拟制式的蜂窝移动通信系统投入运营以来，全球的移动通信产业进入了一个崭新的时代，市场规模有了巨大的增长。到了9 0 年代，以g s m 和c d m a 为代表的第二代蜂窝移动通信系统很快以其技术上的优势成为市场上的主导产品，它提供了比第一代更高的频谱效率，更好的数据业务以及更先进的漫游，但随着网络的发展，以及人们对通信更高的要求，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而生。第三代移动通信系统的最终目标是将世界上所有的蜂窝系统、无绳系统、无线本地环路( r l l ) 、无线局域网终端、专用移动广播和寻呼结合在一起，形成一个功能强大的网络，实现任何人在任何地点、任何时间与任何人都能便利地通信。第三代移动和个人通信系统在2 0世纪末已经形成了统标准。与现有的第一代和第二代移动通信系统相比，其主要特点可以概括为：提供宽范围的业务、多速率和高速率数据业务服务( 位速率高达2 m b i t s ) ：提供高质量业务服务，即长话质量的语声、位错误概率( b e r )西北工业大学硕士学位论文c d m a 通信系统中的联含功率摊制小于1 0 “的数据业务；简单的1 1 、区结构和易于管理的信道在混合小区情况下运行( 宏蜂窝、微蜂窝和微微蜂窝) ；在不同的环境下运行( 室内室外、商用民用和蜂窝无绳)需要灵活的频率和无线资源的管理、系统配置和服务措旌较大的用户群；低功率消耗第三代移动通信系统i m t 一2 0 0 0 是国际电信联盟( i t u ) 在1 9 8 5年提出的，当时称为陆地移动通信系统，即：f p l m t s 。9 6 年正式更名为i m t 一2 0 0 0 。i m t 一2 0 0 0 移动通信系统包括连接至地面和卫星网络的各种移动终端及其对应的网络基础设施。其主要特性有全球设计的高度共同性；业务上同固定网络业务的兼容性：高质量；具有全球漫游功能的袖珍终端；移动终端可接入固定或卫星网络以及无线接口种类应尽可能少且具有高度共同性等。但在标准方面各国和地区都提出了各自的方案，我国也提出了具有自主知识产权的t d s c d m a 标准。三种主要的i m 7 2 0 0 0 无线传输方案a w c d a m在欧洲，爱立信公司作为主要厂家最先对w c d a m 技术进行了研究，它的主要特点有：可适应多种速率的传输，灵活地提供多种业务；b t s 之间无需同步；优化地分组数据传输方式；亘! ! 三些查堂堡占兰篁堡茎! 里坚垒望笪墨竺主盟壁鱼堕奎丝塑支持不同频率之间的切换上、下行快速功率控制；反向采用导频辅助的相干检测充分考虑了信号设计对e m c 的影响。b c d m a 2 0 0 0 技术它是北美的l u c e n t ，m o t o r a 0 1 a ，n o r t e l ，q u a lc o m m 公司以及韩国s a m s u n g 等公司提出的基于i s 一95 的候选系统，能与其充分地向后兼容，但也做了一些实质性的改进，主要有反向信道采用连续导频方式；反向信道相干接收；前向发送分集；全速率采用c r c 方式充分考虑了信号设计对e m c 的影响。c t d s c ：d m a采用时分双工( t d d ) 的方式，因而前向和逆向链路可以使用相同的无线频率的同步时间间隔，前向和逆向链路在物理信道的不同时隙相互发送。它具有如下特点t d d 能使用各种频率资源，不需要成对的频率t d d 适用于不对称的上下行数据产生速率，特别适用于i p 型的数据业务：t d d 上下行工作在同一频段，对称的电波传输特性使之便于使用诸如智能天线等新技术，达到提高性能、降低成本的目的；西北工业大学硕士学位论文c d m a 通信系统中的联合功率控制t d d 系统设备成本较低，可能比f d d 系统低2 0 5 0 ：1 2 第三代移动通信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 系统具有频谱效率高、软容量、保密性好、易于无缝切换和宏分集等优点。但在复杂的移动通信环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，c d m a 技术需要克服三个因素的影响：多址干扰、抗衰落、克服远近效应以保证业务质量，c d m a 系统采用的关键技术有编码技术、智能天线、多用户检测、多载波调制、r a k e 接收、功率控制等技术1 功率控制技术f d m a 系统和t d m a 系统分别根据用户占有的不同频率和时隙区别信号。在c d m a 系统则通过地址码解扩，使信号功率大大高于干扰信号由于用户共用相同的频段，且各用户的扩频码之间存在着非理想的相关特性，使得移动通信系统中国有的“远近效应”尤为突出。用户发射功率的大小将直接影响系统的总容量，采用功率控制技术来调整移动台和基站的发射功率，可以克服“远近效应”，使系统容量提高。因此，功率控制技术成为c d m a 系统中的最为重要的核心技术之一。2 多用户检测在传统的c d m a 接收机中，各个用户的接收机是相互独立工作的。在多径衰落的环境下，由于各个用户之间的不完全正交性，因而造成了各个用户之间的互干扰，并限制了系统容量的提高。解决此问题的一个有效方法是多用户检测技术，通过测量各个用户扩频码之间的非正交性，用算法来消除用户之间的互干扰，保证在衰落环境下实现大西北工业大学硕士学位论文c d m a 通信系统中的联台功率控制容量。从理论上讲，使用多用户检测技术能极大程度上改善系统容量。但一个比较困难的问题是对于基站接收机的等效干扰用户，等于通话中的用户乘以可观察的多径数。这意味着在实际系统中等效干扰用户将达到数百个，这样即使采用与干扰数成线性关系的多用户检测算法仍使得其硬件实现过于复杂。如何把多用户检测算法的复杂程度降低到可以承受的程度是多用户检测技术能否实用的关键。3 信道编码与信道交织技术第三代移动通信的另一核心技术是信道编码。在第三代移动通信的主要提案中( 包括w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 等) ，除采用与i s 一9 5 c d m a 系统相似的卷积编码和交织技术之外，还建议采用t u r b o 编码技术和r s卷积级连码技术。总的编码要求是选择效率高、编码增益高、时延性能好、译码算法较简单、存储量较小、溢出概率小，对同步不要求过高，适于衰落信道传送、易于实现。4 分集接收技术在复杂的电波环境下进行的，克服电波传输所造成的多径衰落的一个有效方法是r a k e 多径分集接收技术。在c d m a 移动通信系统中，由于信号带宽较宽，因而在时间上可以分辨出比较细微的多径信号。对分辨出的多径信号进行加权调整，使合成之后的信号得以加强，从而可在较大程度上降低多径衰落信道所造成的负面影响。r a k e 分集接收技术的另一极为重要的体现是宏分集及越区软切换西北工业大学硕士学位论文c d m a 通信系统中的联合功率控制技术。当移动台处于越区切换状态时，参与切换状态的基站向该移动台发送相同的信息。移动台把来自不同基站的多径信号进行分集合并，从而改善移动台处于切换状态时的信号质量。5 智能天线技术从本质上讲，智能天线技术是自适应天线技术在通信系统中的应用。由于体积及复杂性的限制，目前仅适用于基站系统中的应用。智能天线包括两个重要部分，一是对来自移动台多径电波到达角( d o a )估计，并进行空间滤波，抑制其它移动台的干扰。二是对基站发送信号进行波束形成，使基站发送信息能够沿着移动台电波到达方向发送回移动台，从而降低发射功率，减少对其他移动台的干扰，提高系统容量，智能天线适用于t d d 的c d m a 系统，其困难之处在于存在多径干扰效应，每个天线均需要r a k e 接收机，从而使基站处理单元复杂度明显提高。1 3 本文的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，在对第三代移动通信系统的功率控制技术和多用户检测技术做总体分析的基础上讨论了利用多用户检测技术的联合功率控制，并提出一种建立在代价函数的基础上的联合功率控制算法。本文的结构如下：第一章，绪论，概述第三代移动通信的发展及相关的关键技术。第二章，功率控制技术概述，讨论了功率控制的重要性以及功率控制的基本方法以及影响功率控制的因素等。西北工业大学硕士学位论文c d m a 通信系统中的联合功率控制第三章，多用户检测技术概述，讨论了多用户检测的原理、发展和分类。着重介绍了线形多用户检测。第四章，联合功率控制，介绍了联合功率控制的基本原理，并介绍了简单的算法。第五章，基于代价函数的联合功率控制，介绍了代价函数的概念，提出了一种基于代价函数的联合功率控制的算法，并与通常的方法进行了比较。第六章，结论，给出了全文的结论。西北工业大学硕士学位论文c d m a 通信系统中的联合功率控制第二章第三代移动通信功率控制技术码分多址c d m a 与频分多址f d m a 及时分t d m a 相比较，具有容量大、低功率、软切换、抗干扰等一系列优点。但c d m a 系统是一个干扰受限系统。由于远近效应，它的系统容量主要受限于系统内各移动台间的干扰，因而，若每个移动台的信号到达基站时都能达到保证通信质量所需的最小信噪比，c d m a 系统的容量将达到最大。功率控制就是为了克服远近效应，实现最优通信质量而采取的一项技术。它是在对接收机端的接收信号能量或解调信噪比指标进行评估的基础上，适时补偿无线信道中引入的衰落，从而维持了高质量的通信，又不对同一无线资源中的其他用户产生干扰，保证了系统容量。因此，在c d m a 系统中，功率控制被公认为是所有关键技术的核心。在本章中将介绍主要的功率控制准则和方法。2 1 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，另外也有入提出误码率平衡准则。2 1 1 功率平衡准则1 基本原理功率平衡是指在接收端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，则是使各个移动台到达基站的信号功率相等。翌! ! 三些查兰婴主兰焦堡苎! 里坚垒塑笪墨竺生堕壁垒竖丝! l2 上行链路的基本公式( 1 ) 设各个基站接收到的移动台有用信号功率为p ，则第i 个基站接收到的第1 个移动台的信号功率为s ，= p 。( 2 ) 干扰信号为( 来自其它移动台)“= # 1 薯p 01 每iip“= 一p，2k=0 1t其中：n 为基站数，属于第i 个基站的移动台数目l ；服务区内移动台有m 个，均匀分布在服务区内；各个移动台身份是按最小衰落准则：a 。表示属于第i 个基站的第k 个移动台至第j 个移动台的信号衰落因子，其中i ，j = 0 ，1 ，2 ，n一1 。( 3 ) 这时基站接收信号的信号干扰比为：s ，r ；旦止：i 。争y l 。! 型一1；0 莩：等i 。1，2i=l，1t ，3 下行链路设各个移动台接收至的基站有用信号功率为p ，则第1 个移动台接收到的第i 个基站的信号功率为如= p干扰信号( 来自其他基站) 为，一# 0 1 妻k11p 每k p，= p 一p，= ，7两北 = 业人学硕士学位论文c d m a 通信系统中的联合功率控制移动接收的信号干扰比为sjrs 。j一，2 1 2 信号干扰比s i r 平衡准则1 基本原理e ”一1 墨幽一1莩：1 箸一f=0l=r 1fk |s i r 平衡是指接收到的信号干扰比相等。对于上行链路，s i r 平衡的目标是使到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。在单小区蜂窝系统中上行链路，当各个移动台到达基站的信号功率相等时，所对应的信号干扰比s i r 也相等。因此在单小区系统中，上行链路功率平衡准则与s i r 平衡准则是等效的。但在单小区蜂窝系统中下行链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义。2 上行链路( 1 ) 首先使各个蜂窝小区内的移动台到达各自所属的基站的信号功率相等，并设各个基站接收到移动台的有用信号功率为p 。，则第i 个基站接收到第1 个移动台的信号功率为s ，。= p 。( 2 ) 这时来自其他移动台的干扰信号为“2 0 萎! ip ，等k p，。，= p ，一p，=aj7o西北工业大学硕士学位论文c d m a 通信系统中的联合功率控制( 3 ) 基站接收的信号干扰比为str ：i ：! = _ 上一- 7 笺妻7 ，p ，等j = oi=1n ， ，或l+s ，rsirp=ap其中p = ( p 。p p 。一。) 7：l k ：aik iajk i彳= 。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。4 下行链路( 1 )设基站i 对第1 个移动台发射的信号功率为p 。基站i 发射的总功率为q t ，则第1 个移动台接收到的第i 个基站的信号功率为s ，= 只如。( 2 )来自其他基站的干扰信号为i 。l = oja l j p ：iaj |( 3 )移动台接收到的信号干扰比为si r ：旦止i 。或写成岂尝坠o ：爿osir一一=堕韭王些盔兰堡主兰垡笙苎! 盟堂堕墨望! 堕壁宣堡曼丝盟其中q = ( q 。q q 川) 7q ；壹pa = 。口“= ，= l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，再通过耻莘1s l i r 笺q ，等a_ l 一+龟) yil ；求得基站对每个移动台的发射功率。2 2功率控制方法常见的c d m a 功率控制技术从不同的角度来考虑有不同的功率控制方法，比如若从通信的上、下行链路角度来考虑，般可分为反向功率控制与前向功率控制；若从实现功控的方式则可划分为：集中式功率控制与分布式功率控制；还可以从功控环路的类型来划分，又可分为开环功控与闭环功控。2 2 1 反向功率控制与前向功率控制1 反向功率控制反向功率控制主要解决远近效应问题，以保证所有信号到达基站时都有相同的平均功率。为此，系统采用了开环功率控制和闭环功率控制相结合的措施。如图( 1 ) 所示，开环功率控制如图中虚线所示。基站发射导频信号。移动台可以提取它们，计算出来自基站发射的信号功率，同时也计算出它接收的所有基站功率之和，从而估算出前向生两北t 业大学硕上学位论文c d m a 通信系统中的联合功率控制链路的路径损耗，移动台根据这个值调整它的发射功率，力图使到达基站的信号满足功率控制的要求。丌环功率控制的响应时间为几个毫秒，动态范围为一3 2 d b + 3 2 d b 。出于上下行链路之间存在4 5 m h z 的间隔，大大超出了链路的相干带宽，因而它们的衰落过程是相互独立的，发射导频信号接收导颠信号图l反向链路功率控制示意图不可能有一样的衰落特征。这就要求进一步采用如图( 1 ) 中实线闭环功率控制来调整。基站提取和测量来自移动台的信干比，与存储在系统中的目标信于比相比较，然后发出指令使移动台提高提高或降低发射功率。反向开环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。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j 下向链路的调节。两北t 业大学硕士学位论文c d m a 通信系统中的联合功率控制在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，这意味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组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来完成的对反向开环功率控制的补充手段。开环功率控制与闭环功率控制共同调整用户的发射信号功率。功率控制系统有许多可调节的参数，以适应不同的情况。开环控制参数主要用于根据不同的小区规模和有效辐射功率进行调节，闭环控制的主要参数包括功率控制步长和动态范围。每个小区的参数不一定相同。参数值由基站传送给每个移动台。2 前向功率控制前向功率控制在实现和性能上与反向链路有很大的区别。这些区别主要包括下面三个因素：( 1 ) 前向为一点对多点而反向为多点对一点( 2 ) 使用共同的导频信道，同步和相关检测容易实现；( 3 ) 来自一些基站的干扰( 特点是比较集中) 比来自移动台的干扰( 特点是比较分散) 影响大。同时由于来自同一小区的用户干扰不依赖于用户到基站的距离，正向链路要求的动态范围较小。一个移动台的用户接收机最两北工业大学硕上学位论文c d m a 通信系统中的联合功率控制糟糕的接收环境通常发生在它处于正六边形的一个角上，即移动台与三个基站等距离时。此种情况下必须给用户提供较大的前向链路功率，因为用户受到来自其它基站的大量干扰。对于c d m a 系统，每个基站对小区内所有用户发射信号，因此每个用户的接收信号包括所需的信号和其它k 一1 个用户的多址干扰( k为小区用户数) 。对于单一小区( 不考虑相临小区的干扰) 的情况，如果基站对每个用户的发射功率相同，则无论用户在什么位置，其接收信号的s i r 都是1 ( k 一1 ) 。显然单小区的c d m a 系统不需要正向功率控制。但对于c d m a 系统，用户不仅受到来自本小区基站的干扰，而且受到周围小区基站的干扰，特别是小区边缘的用户受到很强的干扰。解决这一问题的有效方法是正向功率控制。在正向功率控制中，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。其目的是对路径衰落小的移动台分配较小的正向链路功率，而对那些远离基站的和误码率较高的移动台分配较大的正向链路功率。正向功率控制有两种方法。( 1 )远近控制如果能知道用户在小区内的位置，基站可以根据基站和用户间的距离确定发射信号的功率，即：p 。“式中e 是基站与第i 个用户之间的距离，n 是一个常数，取n = 2 达到正向链路的最大容量。这样基站就能分别用较强和较弱的功率对位于小区边缘和基站附近的用户发射信号，以最小的总发射功率满足各西北工业大学硕士学位论文c d m a 通信系统中的联合功率控制用户对信号性能的要求。用远近控制方法实现的正向功率控制适用于非阴影衰落环境，因为此时功率衰减仅由距离决定。对于存在的阴影衰落环境，接收信号功率不仅是用户和基站之间距离的函数，而且取决于阴影衰落的特性，因此远近控制方法不适用于阴影衰落环境。( 2 )c i 控制载波干扰比( c i ) 控制是使每个用户的接收信号达到满足性能要求所需的最小值。为了实现c i 控制，每个用户必须向基站发送c i 信息，基站来决定是增大还是减小对该用户发射的信号功率。远近控制方法在非阴影衰落环境下对容量的提高小于c i 控制在阴影环境下对容量的提高。远近控制方法在阴影衰落环境下的性能会进一步的下降。c i 控制的c d m a 系统有较大的容量，其原因在于c i 控制方法能使基站发射的信号总功率更接近所需要的最小值，即每个用户的接收信号更接近于满足性能要求的最小功率。前向信道的初始功率分配可以通过下面的方法实现：通过捕获功率最大的导频信号并测量它的功率，而且还需要测量移动台全向天线接收到的基站的总功率。这些测量值在移动台开始发射信号时发送给选定的基站( 通常是最大功率的基站) 。系统控制器可以通过基站的模块查询在移动台进行测量的功率电平，每一移动台将它的功率电平测量值传给系统控制器，相应的系统控制器在进行系统优化后为不同的基站模块调整发射功率。2 2 2集中式功率控制与分布式功率控制1 集中式功率控制两北_ _ 业大学硕士学位论文c d m a 通信系统中的联合功率控制( 1 )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。( 2 )集中式功率控制最大的难点是要求系统在每一时刻( 时间间隔内) 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。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。其中反向的研究的较多，其典型的形式为：f 生 ：、io1 。j口“= 1 , 2 ，3 ，i 其中( e , i o ) f 是用户i 第j 个信道的信干比，勺是用户i 第j 个信道到达基站的功率，吃是用户i 第j 个信道的平均信干比要求，r o用户i 第j 个信道的发送速率，矿是扩频带宽，”，是区域外噪声和外小区用户对用户i 干扰之和。上式可表示为方程组形式如下1f 毛- - s 2 - o - s m 啊l一墨+ i 旷1 ”h z1 一是一+ 其中r j = 喜等是用户i 的规一化需求，t 为用户i 的总功率。舟两北t 业大学硕士学位论文c d m a 通信系统中的联合功率控制2 分布式功率控制( 1 )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。( 2 )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。( 3 )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。尽管集中式功率控制精度高，但是算法复杂，实现困难；而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较为实用。2 2 3 开环功率控制与闭环功率控制1 开环功率控制( 1 ) 移动台的开环功率控制：移动台的开环功率控制应是快速响应的功率控制，其响应时间仅为几毫秒，而开环功率控制的动态范围为8 5 d b 。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的。反向链路中的不同信道，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西北工业大学硕士学位论义c d m a 通信系统中的联合功率控制给移动台的。( 2 ) 基站的开环功率控制基站的丌环功率控制( 前向链路功率控制) 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过程。其目的是使所有移动台在保证通信质量的条件下，基站的发射功率为最小。因为前向链路功率控制将影响众多的移动通信，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 。调节速率也较低，为每次1 5 、2 0 m s 。2 闭环功率控制在开环功率中，移动台发射功率的调节基于前向信道的信号强度。信号强时，减小发射功率；信号弱时，增大发射功率。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噪比，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开环估算相结合，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。内环功率控西北工业人学硕士学位论文c d m a 通信系统中的联合功率控制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：而外环功控指基站时时测量反向链路的帧质量，并根据此修正内环功控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。闭环功率控制采用双层闭环控制的原因是：c d m a 系统中，前向传输质量要求一般有两个衡量指标，一个是误帧率要求，另一个是信干比，其中前者直接反映业务质量，但是实时测量以帧为单位，因此速度较慢：后者可以迅速反映业务质量变化，测量速度快，然而不能精确反映业务通信质量。因此c d m a 系统中的功率控制方案综合考虑了上面两个指标，采用内环以信干比为指标调节前向功率，外环以误帧率为指标调节内环信干比门限的闭环控制方案。2 。3 功率控制的算法在c d m a 系统，实际的信道由扩频码来实现而各个小区的各个用户都复用着相同的频段。所以，与窄带蜂窝系统不同，在c d m a 系统中，同信道( 相同码字) 干扰都记入总干扰中。下面将认为信号的传输质量只依赖于信干比s i r 。对于任何一对基站和移动台所接受的总干扰就是其他q 一1 个激活用户的总功率之和。最佳功率控制理论的基本思想是：在使中断概率晟小意义上的上行链路最佳功率控制方法一一中断尽可能少的移动台，找到最大的子矩阵w + ，使此时系统最低所需s i r 门限y ? 是可达的。这一过程可以通过如下的最佳功率算法来实现：西北工业大学硕士学位论文c d m a 通信系统中的联台功率控制( 1 ) 确定矩阵w 的y + 。如果，+ y 孑，则使用相应的本征矢量p +并停止执行( 2 )( 2 )去掉i 个移动台的可能的组合，并且计算每一个子系统的本征值，i 从1 增加到q 一2 。如果在某一个i 值，有7 + y i ! ；，则使用相应的本征矢量并且停止，否则去掉q 一1 个移动台并停止。使用最佳功率控制算法寻求一个拥有i 个移动台的删除集合( 1i q 一2 ) ，必须计算矩阵渺q 。q 及其简化形式的本征值n 次和本征矢量1 次，其中；i - , i91 j = i0 ( 多)注意：一个扩频蜂窝系统的同频移动台数q 比窄带蜂窝系统中要大的多。尽管研究最佳功率控制算法只是用来获取c d m a 蜂窝系统的性能上界，并非要用于实际系统，但是仿真的计算复杂度还是让人无法容忍的。所以必须对单步算法进行研究。单步算法对分布式算法中所采用的删除算法也有着重要的指导作用。窄带蜂窝系统提出的单步删除算法( s r a ) 和单步最大干扰删除算法( s m i r a ) ，可以被直接的引入到c d m a 蜂窝系统中。下面介绍一种单步最佳删除算法( s o r a ) ：( 1 ) 确定矩阵w 的r + 。如果y + yy ，则使用相应的本征矢量p 并停止，否则q = q 并执行( 2 )( 2 ) 中断移动台k ，使得相应剩余系统的y + 最大并形成( q 一1 )( q 一1 ) 矩阵w 。如果这时符合关系式y + ， ，那么使用相应的本征向量p + 并停止，否则q = 0 1 并重复( 2 )西北工业大学硕士学位论文c d m a 通信系统中的联台功率控制2 4 影响功率控制的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、承载的业务有所不同，使实际所需的s i r 不同若闭环功率控制所需的s i r 目标值s i r 。取固定数值则必须根据最坏情况来确定设定值，这将极大的浪费发射功率并使整个系统的容量下降。因此，闭环功率控制所需的目标值s i r 。通常由外环功率控制来动态调节，以适应所需的s i r 。调节的主要依据是要达到的q o s 和系统的终端概率。因此与系统性能所处的信道环境，以及所采用的编码交织调制等诸多因素有关。功率控制系统的性能表现为系统总容量的大小以及是否稳定上，它受到以下因素的影响：功率控制系统的调节速度，即采样频率；功率控制系统的调整步长；链路延迟以及算法计算延迟：功率控制比特的错误用户的分布状态；传播信号的统计特性；功率分配方案的优劣；开环功率控制中的功率测量技术；发射功率的动态范围；越区切换的方式与频度：小区半径的大小：传输衰落的估值大小；两北工业大学硕士学位论文c d m a 通信系统中的联合功率控制2 5总结在蜂窝移动通信系统中。频带和发射功率都是有限的系统资源，如何经济的利用这些资源以实现上述目标是所有相关技术的撮终目标。由于c d m a 系统具有典型的软容量特征，是一个容量受干扰限制的系统，因此有效降低干扰成为提高容量的关键。功率控制是一种优化技术，优化目标是在满足通信质量要求( 误码率，误帧率) 的条件下尽量减小发射功率。具体对前向链路来说，就是减小基站发射功率对反向链路来说是指调整移动台发射功率，使到达基站端的接收功率达到指定水平( 基于信号功率准则) 或者使得接收端测得的信干比达到指定水平( 基于信干比准则) 。由于c d m a 系统是个正反馈系统，任何一个信道的发射功率都会造成其它信道的干扰。并且从整网来看，功率处于某个稳定点时，任何提升都会造成其它用户的攀比提升，造成整个网内干扰的大幅上升，功率控制通过信道发射功率，使全网的发射功率处于一个有解的最小点或准最小点，从而降低系统内的干扰水平，达到提高系统容量的目的。c d m a 系统是一个有着巨大潜在优势的通信系统，但也是个干扰受限系统，其优越性有赖于各种关键技术的应用，特别是功率控制技术的研究与应用得到了广泛的重视，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质量的功率控制，穿插运用其中的算法还分为统一门限算法和自适应门限算法，单比特定步长功率控制和多比特步长功率控制等算法，所有这些都是为了追求通信质量最佳化，系统容量最大化的目标，可以说功率控制是使得c d m a 系统实用化的最关键的技术。西北t 业大学硕士学位论文c d m a 通信系统中的联合功率控制第三章多用户检测技术多用户检测是宽带c d m a 通信系统中抗干扰的关键技术。在实际的c d m a 通信系统中，各个信号之间存在一定的相关性，这就是多址干扰( m a i ) 存在的根源。由单个用户产生的干扰虽然很小，可是随着用户数的增加或信号功率的增加，m a i 就成为宽带c d m a 通信系统的一个主要的干扰源。传统的检测技术完全按照经典直接序列扩频理论对每个用户的信号分别进行码匹配处理，因而抗m a i 的能力较差；多用户检测技术在传统检测技术的基础上，充分利用造成m a i 的所有用户信号信息对单个用户的信号进行检测，从而具有优良的抗干扰性能，解决了远近效应的问题，降低了对功率控制的要求，可以更有效的利用上行频谱资源，显著提高系统容量。3 i多用户检测技术的发展历程早在i 97 9 年s c h n e id e r 提出了多用户检测的思想。1 9 8 6 年美国学者v e t d u 发表了著名的论文，首先提出了利用已知扩频码的结构信息与统计信息来克服多个用户之间干扰的多用户检测理论与方案，标志着多用户检测技术研究浪潮的掀起，但由于最佳多用户检测器的复杂性随着用户数指数式上升，在当时看来十分不切实际。此后，研究人员提出了一系列的次最佳多用户检测器，这些检测器可以在性能与复杂性间作一良好的折中。作为第三代移动通信的关键技术之一，多用户检测走过了一段辉煌的历程。西北工业大学硕十学位论文c d m a 通信系统中的聪台功率控制3 2 多用户检测对系统的改进l 容量增加通常，一个蜂窝系统内存在相邻的其它蜂窝信号的干扰，因此假如多用户检测能够将本小区的干扰去除，则尽管相邻蜂窝的干扰依然存在，容量也会大大提高。如果在设计多用户检测技术方案的同时将其它蜂窝信号的干扰考虑进来，容量的提高是非常显著的。2 频谱利用率的提高毫无疑问，多用户检测技术带来的性能上的改进将允许系统在低处理增益情况下有效动作。这将减轻频谱利用率的压力，从而使更高的数据速率传输成为可能。3 功率控制压力的缓解既然由m a i 带来的远近效应可以有效克服，那么功率控制的严格要求可以稍稍放宽。功率控制的精度可以有所减小，额外的容量可以获得。这最终会减小移动终端的复杂性。4 功率利用率提高显然，干扰的减小意味着小型终端可以以更小的功率发射。这将为移动台的宝贵电源建立更充实的缓冲地带。同时，功率节省也将扩大通信覆盖的范围。当然，功率的节省及容量的增加都要看多用户检测的效率如何。因为消除的干扰主要是针对区内和区外，不同的多用户检测策略会有不同的结果，如果能将所有的干扰都消除的话，效率将会非常大。西北工业大学硕士学位论文c d m a 通信系统中的联台功率控制5多用户检测算法分类图1 多用户检测算法分类简单的分类可以分为两大类：最优的和次优的。但是最佳多用户检测器目前尚无实现的可能。因此当今普遍的分类是以次最佳检测器为基础，依据不同的实现算法和结构进行分类。由于下文的需要，我们将主要介绍一下自适应多用户检测。3 3自适应多用户检测在实际的通信系统中，多用户检测器应该是实时处理的，我们可以写出第k 个用户的线性检测器输出的一般形式，即有魄= s g n ( c ? r 1( 3 3 1 )若将c t 视为滤波器系数向量，则一般的c o m a 接收机令c 。等于扩频码解相关检测器选择c 。对消多址干扰，而i m s e 检测器则选择c 。使总的均方误差为最小。西北工业大学硕十学位论文c d m a 通信系统中的联合功率控制既然c 。是滤波器的向量系数，那么它就应改可以利用自适应滤波器算法进行更新，得到自适应检测器。m m s e 检测器有一个重要的特点，即每个用户的均方误差可以单独最小化。根据m m s e 准则，第k 个用户的线性m m s e 检测器的滤波器c “的选择应该使均方误差，( q ) = e 肛一刊2 ( 3 3 2 )最小化。由滤波器理论可知，满足j ( c 。) 最小化的最佳滤波器c 。为w i e n e r 滤波器，它满足关系式c = r 一1 口( 3 3 3 )式中r 是观测向量r = i - ( 1 ) ，r ( 2 ) ，r ( n ) 1 的协方差矩阵，n 是r 与b 。的互相关，则可以得到r = 4 驴+ 仃2 l口= a s 式中s 。= s 。( 1 ) ，s 。( n ) ， 1 ，且q 三a x s k s 鼍于是，式( 3 3 3 ) 可以具体写为咯= ( q + 仃2 l ) _ 1 4 j 女则可求得( 3 3 4 )( 3 3 5 )( 3 3 6 )( 3 3 7 )( 3 3 8 )( 3 3 9 )这就是第k 个用户的线性m m s e 检测器的最佳滤波器系数向量。这式两 述o 上，bp 即队ee0兰兰r口hk4。j j式将西北工业大学硕士学位论文c d m a 通信系统中的联合功率控制一滤波器需要知道( 1 ) 期望用户的特征波形；( 2 ) 干扰用户的特征波形；( 3 ) 期望用户的定时信息( 比特的出现时间和载波相位)( 4 ) 干扰用户的定时信息( 比特的出现时间和载波相位)( 5 ) 干扰用户相对于期望用户信号幅值的接收信号幅值并且只能适用于平稳环境，然而移动通信中经常遇到的是非平稳环境，例如正在使用同信道的用户往往是动态变化的，不时有用户退出或有新用户进入使用序列。因此希望c 。能够自适应更新，以跟踪环境的变化。由于cx 具有w ie n e r 滤波器的标注形势，所以很自然的可以使用最陡下降法自适应实现，即滤波器的系数向量更新公式为：& ( 行+ 1 ) = q ( h ) 一胛附n 硼( 3 3 1 0 )式中n 为时间快拍，并且v 帕，2 口：掣是均方误差对滤波器系数向量的梯度。由误差信号公式( n ) = 破( n ) 一( n ) ，( n )其中d t 为期望输出，易求得梯度为v 1 e a n ) 2 0 = f ，( n ) ( n ) 若具体使用f i r 型的l m s 滤波器结构，则梯度可以直接取上式的近似表示，即西北工业人学碗十学位论文c d m a 通信系统中的联台功率控制v f ( 甩) 2 f 一，( n ) ( ”)于是，滤波器系数向量更新的l m s 算法为c k ( n + i ) = q ( n ) + 1 2 r ( n ) ( n )标量u 为迭代步长，决定算