（通信与信息系统专业论文）tdscdma系统上行链路闭环功率控制技术研究.pdf

华东师范大学硕士学位论文摘要 论文摘要 我国自主研发的第三代移动通信系统t d s c d m a 是一个干扰受限系统，移 动台和基站间的干扰是限制系统容量的主要因素。功率控制通过控制每个用户的 发射功率，有效地抑制系统干扰，增加系统的容量。鉴于上行链路闭环功率控制 是功率控制技术的难点和重点，本文着重研究t d s c d m a 系统的上行链路闭环 功率控制。本文的主要研究内容如下： 一从数学角度分析t d s c d m a 上行闭环功率控制模型。对影响 t d s c d m a 系统闭环功率控制性能的因素：步长、时延、传输误差等，进 行理论分析及仿真实验。 二 针对功率控制存在的问题及t d s c d 姒系统的特性，提出一种基于功 率控制命令预测步长的方法，并与混合步长功率控制( f s p c ) 和分布式限制 功率控制( d c p c ) 算法结合，组成一个新的具有预测估计的功率控制算法 一自适应步长功率控制( a s p c ) 算法。该算法基于本次及前几次的功率控 制命令产生调整步长，能够较好地跟踪无线信道的变化，且不会增加额外的 功率控制信令开销。论文就不同的情况，对a s p c 算法提出了改进。改进后 的算法为不对称a s p c ( a s p c a ) 算法、逐步增加调整步长a s p c ( a s p c g ) 算法和可变步长a s p c ( a s p c v g ) 算法。给出所有算法的数学模型，并对 算法的性能进行仿真验证。 三建立t d s c d m a 系统仿真平台，描述平台中的各个模型与总体实现流 程，并给出仿真中功率控制算法的实现。 关键词：功率控制，t d s c d m a ，自适应步长，信干比，仿真 华东师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t r d - s c d m as y s t 咖i si n t i ：f f e i i e n c el i 而t i e d w l l i c hi st l l et h i r dg e n e r a t i o nm o b i l e c 0 i n 硼m i c a t i o ns y s t e mr e a r c h e db yc h i n a i m e m i r e n c eb e t w e e nu ea i l dbsi st l l e m a i l lf 融0 rf o r l i l i 】i i t i n gc 印a c i 劬p o 、e rc 0 n 臼- 0 lc 雅r e i d u c es y 妣mn e r f 酹e n c ea n d i n c r e 勰es y s t e mc a p a c 时b yc o n t r o l l i n gt 阻n s m i s s i o np o w 贸o fa l lu s e r s d u et ou p l 幻k i sm o r ei 】叫p o r t a n ：t ，i l lt 1 ：l i st h e s i su p l i n kc l o $ e l o 叩p o w 盯c o n t r o li i lt d - s c d m a s y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e d r e s e a r c hc 0 m e n t si i l 也i st l l e s i sa r e 嬲f o l l o 、) l ，s ： 1 g i v i i 培t l l ec l e a rm a t l l e m a t i c a lm o d e lo fc l o s e l o o pp o w e rc o n l r 0 1 a n a l y z i i 唱t l l e i n 丑u e n i 丘0 ms t 印、d e l a ya n d 协m s f 打e r r o rt 0p o w e rc o n 仃o lp e d 0 i m 髓c eb y 恤o r y a n ds i i n u l a t i o n s 2 a na d 印t i v es t 印c l o s e l o o pp o w e rc o i 灯o l ( a s p c ) a l g o r i t l l mi sp r o p o s e d 1 h e a d a p t i v es t e p ( a s ) i sc o n s t m c 僦舶m 恤r e c e i v e dl l i s t o r i c a lt p c s t l l ea s p c a l g o r i t l l i ni sc o m b i l l a ：t i o no ft l l ef s p ca l g o r i 也m s ，t 1 1 ea sm e t l l o da n d 仕i ed c p c 2 l 1 9 0 r i m m t l l i sa 1 9 0 r i t l l i li s9 0 0 da t 舰c k i n gc l l a i l n e l sc h 饥g e ，谢m o u ti n c r e a s i i l g c 0 曲旧ls i 印a l i n g s e v e r a lm o d i f i c a t i o n so f 廿1 ea s p ca l g o r i t l l m 、) r e r ep r o p o s e d ，a i l d s h o w nt ob ea b l et 0e 玎b a l l c em eh i 曲一m o b i l e s p e e dp e r f 0 肌a 1 1 c eo ft h eb a s i ca s p c 3 f 0 ri n s p e c 妇gp o w e rc o n 缸0 la l g o r i t h m ，e s t a b l i s h i n gat d - s c d m as y s t e 】 1 l s 证m l a t i o np l a t f o 姗1 1 l er e a l i z a t i o no fk e ym o d u l e sa n dt h ef l o wo fs i m u l a t i o na r e d e s c b e di nd i 吐萄1 k e yw o r d ：p o w e rc o n 们l ，t d s c d m a ，a d a p t i v es t e p ，s i rs i m u l 眦 i l 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果据我所 知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留，使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定 学位论文作者签名：尚鹚旗 导师签名： 日期： 华东师范大学硕士学位论文第一章绪论 1 1t d s c d m a 第一章绪论 t d s c d m a ( 髓n ed m s i o n s h l c h r o n o u sc o d ed i v i s i o n t ia 舭e s s ，时分同 步码分多址) 系统【1 ，2 】是我国信息产业部电信科学技术研究院在国家信息产业部 的支持下，根据多年的研究而提出的一种t d d ( t i m ed i v i s i o nd u p l e x ，时分双 工) c d m a 的3 g ( 3 r dg e n e r a t i o n ，第三代移动通信) 系统标准。它具备了1 d d c d m a 的一切特征。t d dc d m a 上行和下行链路在同一频点、不同的时隙进行 双工通信。) dc d m a 的这个特点使得上、下行链路的信道特性基本一致，从 而保证了智能天线等先进技术的采用。它的时隙按上、下行链路所需要的数据量 动态分配，即适合于对称业务，也适合于日益增长的非对称的实时、非实时数据 业务。这种方式分配时隙可以最大限度的利用目前极度紧张的频谱资源。 t d s c d m a 除了具备t d d 的所有特点外，还采用了智能天线、联合检测以 及同步c d m a 等先进技术。 智能天线技术 智能天线通过各阵元信号的幅度和相位加权来改变阵列的方向图形状，能够 把主波束对准入射信号并自适应实时地跟踪信号，同时对干扰方向调零，从而抑 制干扰信号，提高信号的信噪比，改善整个通信系统的性能。t d s c d m a 系统 的上、下行信道使用同一载频，上、下行射频信道完全对称，从而有利于智能天 线的使用( 目前仅用于基站) 。t d s c d m a 系统的智能天线由8 个天线单元的同 心阵列组成，直径为2 5 c m 。其原理是使一组天线和对应的收发信机按照一定的 方式排列和激励，利用波的干涉原理可以产生强方向性的辐射方向图，使用数字 信号处理方法使主瓣自适应地指向移动台方向，就可达到提高信号的信噪比，降 低发射功率等目的。 联合检测技术 联合检测理论的基本思想是利用m 鲥( m u l t i p l ea c c e s si n t e l 彘r e n c e ，多址干 扰) 中包含的用户间的互相关信息来估计干扰，以降低或消除干扰的影响。联合 检测算法能充分利用扩频码的结构信息与统计信息联合检测多个用户的信号。联 合检测技术是抑制多址干扰技术中最有潜力的一种方法，并已经成为第三代移动 通信标准中倡导的关键技术之一。t d s c d m a 首次在c d m a 通信系统中采用联 合检测技术，并实现了智能天线和联合检测技术的有机结合。由于各种技术因素 和成本的制约，联合检测技术只能在基站中实现，随着科学技术的不断进步和发 华东师范大学硕士学位论文 第章绪论 展，基站和终端都将可能采用联合检测算法以消除多址干扰和符号间干扰。 1 。2 论文研究背景与意义 程s e p m a 系统的多址方式摄灵活，可以看佟是f d m a 、秘m a 和c d m a 的有机结合。由于c d m a 具有抗干扰能力强，保密性能好，低功率谱密度，容 易实现大容量多址通信，可以精确定时与测距等优点，使之成为第三代移动透信 系统的主要多址技术。虽然理论与实践都证明c d m a 有着比f d m a 和t d m a 更好的性能，更能适应更高速、更高质量的通信，但它也有一些与生俱来的缺点： 远近效应和多址干扰。 移动通信的电波传播环境中存在着大量的发射波，折射波和散射波，移动台 在迅速运动中，这些多径信号褶互抵消或叠翻造成瑞铡衰落，接收场强的振幅和 相位迅速变化，变化速率与运动速度和工作频率有关。豳于传输信号的强度随传 输距离变大丽成指数衰减，因此在相圈发射功率情况下，基站收到来自距它较近 的移动台的信号比来自小区边缘处移动台的信号要强。这样，远处用户的弱信号 会被近处用户的强信号淹没，导致无法恢复远处用户的信号，最终会使系统容量 下降，通信质量恶劣，这种现象称为“远近效应 。c d m a 系统中，同一小区所 有用户使用同一频率和同一时隙，采用扩频码的正交特性区分用户，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，被称为“多址干扰。为了减少干扰，提高系 统容量，可以采用性能更好的扩频码来提高系统的羼步性；还霹以在保持通信质 量的前提下，控制发射功率，以减小干扰。 功率控制是解决上述问题的关键技术。由于用户的服务质量由接收的信干比 决定，对于给定的多址干扰，用户总能通过增加自己的发射功率来达到所需的信 干比。但这同时对其他用户造成更高的干扰，从而使其他用户为保持原有的信干 比瓶增加自西的功率。这就可能导致功率的循环增加，童至一些用户或所有用户 达到他们的饱和功率值，却仍不能满足各自的服务质量要求。功率控制技术的目 标即是在满足每个用户通信质量的前提下，最小化其发射功率，从而减小干扰， 增加系统容量，另外还能延长手机的待机时间。 功率控铡有多种分类方法，常见妻冬是以环路分类，可分为开环功率控制、外 环功率控制和闭环功率控制。文献【3 】介绍了歼环功率控制，从文章中可知开环 功率控制在c d m a 移动通信系统中主要用于移动台的随机接入过程，用来粗略 补偿路径损耗和阴影、拐角等效应带来的功率变化，设定移动螽及基站的初始发 射功率。外环功率控制的功能是修正e l j 快衰落和多普勒效应造成的影响，对闭环 功率控制进行调整，通过动态地调整溺环功率控制的信干比曩标值，使透信质量 2 华东师范大学硕士学位论文 第一章绪论 始终满足要求，即达到规定的误块率或误帧率值。闭环功率控制是对通信过程中 的上、下行链路进彳亍快速功率调整，以使链路的质量收敛于信干比目标值，又称 为快速内环功率控制。 闭环功率控制是功率控制的核心。对于闭环链路，国内外功率控制的研究热 点和难点主要集中在如 毒调整移动台的发射功率，使通信链路在达到要求的信干 比时最小化发射机功率，其中基于信干比测量的功率控制算法由于可以达到比较 好的系统性能而被广泛采用。文献【4 】研究了集中式功率控制方案，但是由于集 中式需要知道系统所有链路的信道增益，需要大量的控制命令，在实际网络中并 不实用。因此大部分研究开始偏向于分布式功率控制方案【5 8 】。这是目前研究最 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自己的发射功 率来达到信千比的平衡。为更进一步的优化功率控制算法，有别与以往仪采用当 前功率作为归一迭代变量更薪移动台传输功率的一阶功率控制算法，文献汐，l o 】 提出了二阶功率控制算法，该算法采用当前功率和前次迭代的功率参与运算，从 而达到对移动台功率的更新。文献【ll 】二阶功率控制的仿真分析结果表明其优予 一阶功率控制的收敛速度。随后亦有不少针对囱适应步长功率控制的研究，以便 快速处理系统中诸如瑞剩或莱斯等快衰落【1 2 1 4 】。 综上所述，功率控制技术是c d m a 走向实用化的一项核心技术，也是提高 整个系统的功率利用率和系统容量的重要手段之一。因此，本文主要针对功率控 制的基本理论和算法展开研究。对于下d s c d m a 系统，由于其自身的特点，对 功率控制有特殊的要求。t d s c d m a 采用了智能天线技术和多用户联合检测技 术，雩| 入这些技术后，系统对功率控制的要求降低了，但对于上行内环功率控制， 由于帧结构的设计导致控制速度较慢( 2 0 0 h z ) ，常规的理想固定步长功率控制算 法已不再合适。因此，本文在前人研究的基础上，对分布式功率控制算法进行具 体分析并给出改进算法，所提出的算法旨在提高功率控制的有效性与收敛性。 1 。3 论文结构安排 本文共分为六章，全文章节安排如下： 第一章：首先对t d s c d m a 系统进行了概述，然后阐述了论文研究的背景 与意义，最焉给出了全文结构安排。 第二章：介绍了移动通信系统中的功率控制技术，功率控制的概念、方法和 功率控制所要解决的润题，常见的分布式s i r 平衡功率控制算法，并从链路方向、 信道、功率控制环路详细说明了t d 。s c d m a 系统中的功率控制技术。 第三章：t d s c d m a 系统仿真平台。详细说明了动态仿真平台中的小区环 境模型、用户移动模型、业务模型、传播模型和干扰模型及系统的整体框架与实 华寐师范大学硕上学位论文第一章绪论 现。最后给出了功率控制算法仿真的流程。 第四章；深入研究了t d s c d m a 系统上行链路的闭环功率控制技术。给出 了上行链路阈环功率控毒l 的模型及实际情况下的具体实现步骤，并以两个用户的 特殊例子形象说明了功率控制过程。分析了传统固定步长闭环功率控制算法的限 制，主要从功控时延、调整步长和反馈信息传输误差三方蘧深入探讨对功率控制 性能的影响。针对研究结果，并结合了传统的分布式限制功率控制、混合步长功 率控制算法，提出了一种基于功率控制命令的自适应调整步长算法。并就不同的 情况，对a s p c 算法提出了改进。因为s i r 低于目标值的情况比高于目标值时要 严重得多，提出不对称a s p c 算法即a s p c a 算法；针对连续接收到相同的功控 命令的情况，提出逐步增加调整步长算法，静a s p c ，g 算法；若最近的两个功率 控制命令相同，则增加调整步长，反之则减小步长，提出了可变步长的a 8 p c v g 算法。给爨了新有算法的数学模型。 第五章：给出了仿真结果，包括功率失调量分析、中断概率分析和算法收敛 性分析。其中算法收敛性从两个用户情况和八十个用户两种情况进行分板。仿真 结果表明a s p c 和其改进算法均有较好的性熊。 第六章：给出了全文总结和未来展望。 4 华东师范大学硕士学位论文 第麓章移动通信中的功举控制技术 第二章移动通信中的功率控制技术 2 。嘎功率控制概述 c d m a 机制的弓l 入给信号的接收和解调带来了一个很严重的问题：多址干 扰。对于c d m a 系统，同一小区所有用户使用同一频率和同时隙，采用扩频 码的正交特性区分用户，然而由于无线信道的多径、延时等原因使得各个用户信 号闻的互相关特性不理想，其它用户的信号对警前用户信号产生干扰，即多址干 扰。信号与干扰共存，要想正确地解出有用信号，就要尽可能地减小干扰信号的 功率。基站需要同时勰出所有激活用户的信号，每个激活信号相对与其他用户都 是干扰信号，每个用户都希望其他信号强度尽可能小，而自己的信号强度尽量大， 因此这种相互压制要求的一个最终的动态平衡点就是“要求每个用户信号到达基 站的功率是基本相同的 。因此c d m a 系统中功率控制的基本目的就是要克服 “远近效应，使各用户信号到达功率基本平衡，以减少干扰 1 5 ，1 6 ，1 7 】。 。对系统中的接收信号来说，其功率除了受发射功率影响外，还受传播环境半 的“路径损耗 、“阴影衰落和“多径衰落 这三个因素影响。因此，功率控制 需消除这三个因素斡影响。 2 1 1 无线电波传播环境 信号强度， 嗽 距离 图2 - l 无线传播损耗 f i g2 1 t h ep r o p a g a t i o nl o s si n 糟d i o c h a n l l e l 2 薹1 。l 自由空阖的路径损耗 自由空间，是指充满均匀、线性、各同向性的理想介质的无限大空间，在这 个空间中，电磁波熊量没有分质损耗，也不需要考虑边赛条件，是一种理想情况 【1 8 】。根据f r i i 自由空间等式，若发射点处以球面波辐射，则接收处的功率为： 5 华东师范大学硕士学位论文 第二章移动通信中的功率控制技术 州) = 篙等 ( 2 1 ) 式中，即是发射点的发射功率j 冉鲫是接收功率，是发射机和接收机距离的 函数；国、融是发射天线和接收天线增益；名是波长；d 是发射天线和接收天线 闻的距离。 图( 2 1 ) 中的曲线a 表示自由空间的传播损耗l ，又称自然衰落，定义为： 三：罢 ( 2 - 2 ) p r 、 当研= g ，一l 时，自由空间的路径损耗为： 三：掣) 2 ( 2 3 ) 以 若以分贝表示，则有： 【三】= 1 0 埝( 掣) 2 篇2 0 l g 掣；3 2 4 5 + 2 0 1 9 d 十2 0 1 矿 ( 2 4 ) 2 薹。1 2 慢衰落 由于移动台的不断运动，电波传播路径地形地貌是不断变化的，因而接收信 号的场强中值也是不断变化的，这魏变化所造成的衰落称为慢衰落，亦称阴影衰 落，如图( 2 1 ) 中的曲线b 。慢衰落表征了接收信号在一定时间内的均值随传 播距离和环境的变化而呈现的缓慢变化。一般认为在近似相等距离处的场强中值 的累积分布近似服从对数正态分布，其概率密度函数为； 尹= 去e x p 一管) ( 2 5 式中，聊和仃为x 的均值和标准偏差，以d b 为单位。 慢衰落有几个特点：随地形变化丽变化，有一定的随机性；变化缓慢，通常 在几米到几十米范围内变化；变化范围大，通常在市区和郊区之间的差异可达 3 0 4 0 d b 。 2 。1 1 3 快衰落 移动台附近的散射体( 地形，地物和移动体等) 引起的多径传播信号在接收 点榴叠加，造成接收信号快速起伏的现象羹唾快衰落，也称为多径衰落【l 瓣，如图 ( 2 1 ) 中的曲线c 。快衰落由多径效应和多普勒频移产生。其分布特性一般服 从以下两种分布：瑞利分布和莱额分布。 瑞利( r a y l e i 醢) 分布 在移动通信信道中，由于基站和移动台之间的反射体、散射体和折射体的数 量是相当多的，所以信道的冲激响应表示如下： 6 华东师范大学硕士学位论文第二章移动通信中的功率控制技术 工 厅( r ) = 4 万 一弦庸 ( 2 6 ) ，一l 当无线传播环境中的径数较多时，可假设没有直射信道，因此信道的冲激响 应办御可以看成一个复高斯过程，其包络值符合瑞利分布，经过该信道的衰落称 为瑞利衰落，其概论密度函数为： r ，r 2 p ( ，) ： 寺e x p ( 一寺) ， u ， ( 2 7 ) 【o ， 0 ( 2 8 ) 【o ， o ，f = 钒i ， ( 2 9 ) 乃u j 所有的交量单位均为d b ，辫绺和终彩分别为专时刻用户l 的发射功率和s 双测量 值。对于一个可行系统，通过选取不同的参数夕值，d b 算法最终会收敛于最优 功率矢量夕幸。但是由于p 渺和羚 是时间f 的参数，该值的获取需要一定时间； 观察式( 2 9 ) ，以信干比的倒数为基准进行迭代，变换速度慢。故，d b 算法收 敛速度非常慢。而且参数修的不正确选择可能会导致功率的持续增加( 或减少) ， 要正确的确定多的值需要一个正规的步骤。 文献 2 l 】中根据收敛速度对d b 算法进行了改进，提出了d b 算法的一个修 正版本，称为d p c ( d i s 鼓b 鼬醴p 蹶燃e o 躏埝l ，分布式功率控制) 算法。因为 后面会介绍另一个d p c 算法，因此把【2 1 】巾的算法改名为m - d b ( m o d i f i e d d i 斌b u 钯d8 啦鼹c 堍，改进腿算法) ，下面将描述该算法。 ( 2 ) 改进的分布式平衡算法： 霉l j f 董) 茹夕兰黑， o ，f 釜识薹， ( 2 1 0 ) i u ) 文献【2 l 】中介绍了不考虑噪声的情况下，m d b 算法到最优功率矢量和s i r 的收 敛。收敛速度优于d b 算法，文献【2 2 】中有相关分析。然而，和d b 算法一样， 参数b 仍然会对算法性能有较大的影响，且其选择过程受到限制。 文献【2 3 】提出了一种可以避免确定参数岁值步骤的新算法，成为完全分布式 功率控制( f u l l yd i 矧b u t e dp o w c rc o n 仃0 l ，f d p c ) 算法，介绍如下。 ( 3 完全分布式功率控制算法： l o 华东师范大学硕士学位论文第二章移动通信中的功率控制技术 只 + 1 ) 然只。) 警，f = o 1 ， ( 2 1 1 ) 很明显，户f 彬的系数是取张渺与声中的小值，当声大予7 ，俐时，功率值保持不变 ( 没有功率控制) 。当夕值小于弛时，f d p c 算法转化为m d b 算法。不考虑 噪声的情况下，如采 ) ) g 0 霉 霉 立脚上椭 扩 矿 霉 z一脚曩 华东师范大学硕士学位论文第二章移动通信中的功率控制技术 匮乏的今日，人们开始关注于资源的有效利用。 文献【2 8 ，2 9 】中描述了一种只需一个功率控制比特位的分布式算法，称为f s p c ( 赛钕e ds t e pp 0 w 嚣c 伽由的l ，混合步长功率控制) 算法。 ( 7 ) 混合步长功率控制算法： 霉0 + 重) 徽霉) + 魏初( ) 一乃s 势 ( 2 。1 6 ) 其中万为混合步长， 咧班 ! _ 。簇： 晓t 7 ， 2 3t d s c d m a 功率控制机制 在t d 。s c d m 系统中，在上下行链路都采用了闭环、外环和开环功率控制， 功率控制模式是离散的，每时隙可以对功率大小进行次调整，闭环和开环基予 s 瞅，外环基于b l e r ，闭环功率控制采用固定步长。 ) s c d m a 系统功率控制的主要特性可归纳为表2 1 所示。 表2 - lt d s c d m a 功率控制特性 上行链路下行链路 可变 可变 ， 功率控错速率闭环：o 2 次恕 闭环：0 2 0 0 次s 开环：约延迟2 0 0 3 5 7 5 i l s 步长1 ，2 ，3 ( d b )l ，2 ，3 ( d b ) 备注所有数值不包括处理和测量时间 t s c d m a 系统中需要进行功率控制的物理信道有：u p p c h ( u 1 ) l i 放p i l o t p h y s i c a lc h a l l n c l ，上行导频物理信道) 、p c c p c h ( p r i m a 巧c o m m o nc o n 拍l 脚s i c a 薹c 酝n n e l ，主公共控制物理信道) 、p 姒c h ( 孙y s i c 越滋幻ma e e e s s c h 肌n e l ，物理随机接入信道) 、p u s c h ( p h y s i c a lu p l i n ks h a r e dc t l a i u l e l ，物理上 行共享信道) 、p d s c 嚣( p 坶s i e 啦d o 谢i 呔骚瓣dc h 戤辩l ，物理下行共享信道) 和d p c h ( d e d i c a t e dp h y s i c a jc l l a r n l e l ，专用物理信道) 。上述信道所要进行的功 率控制类型如图2 2 所示。其中融e ( 黜遗i on e 取d f kc o 锄l l 蹦) 为无线网络控 制器，b s ( b 雒es t a t i o n ) 为基站，u e ( u s e re q u i p m e n t ) 为移动台。 1 d s c d m a 系统中，移动台侧和网络侧都要进行各种物理层测量，其中 1 2 华东师范大学硕士学位论文第五章移动通信中的功率控制技术 图2 心1 1 s c d m a 功率控制类型 f i g2 2 1 d s c d m ap o 聃，e rc o n 仃o lt y p e s 用予功率控制算法的测量参数有： r s c p ( r e c e i v e ds i 朗a lc o d ep o w e r ，收到信号码功率) ：指移动台或基站接 收到的有焉信号的瞬时功率值，它反映了路径损耗和衰落对信号的影晌。 i s c p ( i n t e r f e r e n s i 萨越c o d ep o 、j ，e r ，干扰信号码功率) ：等于给定时隙内 接收到的所以训练序列码功率减去有用信号码功率，衡量了时隙内其他用户 对本用户的干扰。 s i r ：功率控制的重要参数。定义为s i rq 己s c p i n t e 哦r e n s f ，其中 翻绍哟滞嚣铭是附加在信号上面弱不能被接收器消除的干扰，不同予嚣c 尹， 它等于腮凹加上其他不能被滤除的噪声功率，胆是扩频因子。 b l 鼹：是对单位时闻内给定传输信道上收到数据块的一个统计参数，基于 传输信道数据块的c i 池校验。在弧) s c d m a 系统中用这个参数来衡量语音 质量，该参数是外环功率控制中调整目标s l r 值的参考标准。 2 3 1 开环功率控制 u e 在接入网络髓，或者网络在建立无线链路时，根据计算下行链路的路径 损耗来估计上行或下行链路的初始发射功率，这一过程称为开环功率控制。由于 t d s c d m a 采用时分双工模式，上下和下行链路使用相同的频段，因此上、下 行链路的平均路径损耗存在较大的相关性，开环功率控制精度高于频分双工的 w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 系统【1 9 】。 开环功率控制可分为上行链路舞环功率控制和下行链路开环功率控制。 ( 1 ) 上行链路开环功率控制 上行链路开环功率控制是基于p c p c h 信道的测量信号强度，发射功率按 华东师范大学硕士学位论文第纛章移动邋信中的功率控制技术 如下公式计算( 单位d b ) ： p 愿一重= a 幻一蝴+ ( 1 一厶+ 压鳞+ 跚捌鲫+ 娃 ( 2 】8 ) 其中厶鲫珊为下行p c c p c h 信道的路径损耗：厶为厶。煳的长期平均 值；魅蛄是基站端接收到的信号能量；煦z 觎是目标信于比值，其值大小由外 环功率控制决定；而甜是一常数，由高层设定用于校正功率大小；a 是加权因子 ( o a 1 ) ，主要用来描述当前时隙和p c c p c h 信道所处时隙的延迟，其值为： a ：l 一旦( 2 。1 9 ) 6 其中d 表示时隙的延迟，由于没有考虑d w p t s 、g p 和u 妒t s 等时隙的影 响，所以最大时隙差别为6 。 厶一倒硼和厶的计算可通过发射功率和接收功率的差值来计算： 三= a 毋r p r 钟 ( 2 2 0 ) 其中p 地黪，= p 基站p 篓蛄戳，p 飑c = p 涩聊廿潍雕 ，且 歹基站= j 羞姑糟毹基螭，其中p 基站表示基站端测量得到的发射功率，尹蝴雠表示移 动螽测量得到的接收功率，舯基蜥x 和p 暾分别表示实际系统中的发射和接收 功率测量误差；j 姜站煳西和鲥蘩始分别表示基站端测量得到的接收功率和测量误差 值。 但在实际仍。s c d m a 系统中，豳予加权缀子蚕是一个经验值，和安际的传 播环境密切相关，鉴于开环功率控制算法的不准确可由闭环功率控制进行补偿， 所以实际哟s c d m a 系统的上行链路开环功率控制的处理过程与对应的传输信 道密切相关。 u p p c h 在随概接入过程中，u e 通过下式确定u p p c h 的发射功率【3 0 】： p 叻戌w 茹如一c ( 艄饼+ p r 礤静陀m 蛔+ 一1 ) 奎p m ，坩祝唧 ( 2 2 1 ) 其中，p 斜珊是u p p c h 发射功率；厶一c 为下行p c c p c h 的路径损耗的 测量值，根据下式计算( 单位d b ) ： l p c c p c h = p p e c p c 馈一懿c p p c c 陀娃娩麓 n 一删删是p c c p c h 发射功率，参考值在b c h 上进行广播，麟c 脚倒俐 为p e c p c h 在u e 端的接收码功率，由u e 测量得到； p r 藏驷眦微，为基站期望的u p p c h 接收功率，主要根据u p p c h 上的干扰测量 信息和接收端希望的s l r 值确定，其值在b c 弑上进行广播： 袱枇端嚣一跚一f 嘴甜如b 一砌8 朋讲一d 括g ( 2 2 3 ) ；为随机接入的上行同步尝试次数，f j l 膨m 糕，膨m a x 为上行阋步最大 1 4 华东师范大学硕士学位论文 第黧章移动通信中的功举控制技术 尝试次数；p w ，珊瑚为u e 上行同步尝试失败后下一次尝试接入时功率的增加 值，协议中定义跏m 唧= l d b 。 p r a c 壬薹 上行同步建立后，u e 根据以下的公式确定p r a c h 的发射功率： 尹p 副蹬一三尹一a 揪+ p 晨翮a i 蹈+ ( i 辑沪掰一1 ) 事p 拶门叼翻妙 ( 2 。2 4 其中，p 删蹬为基站期望的p r a c h 的接收功率，主要根据p r a c h 上的干 扰测量信息和希望的s 双值确定，其值由基站在r i a c h 上回应u e 成功上行丽 步的信令中给出；咖为u e 上行同步的最厢成功的总尝试次数，即f 的最终 僮。 d p c h 心寸c 根据下式确定上行d p c h 的初始发射功率，并通知明互。一旦u e 收到 相应信道的下行t p c ( h a i l s 戚s s i o np o w e rc o 域昀l ，功窭控制命令) ，立即进入闭 环功率控制状态： 尹d 麟= 知一+ p 是麓删锄( 2 2 5 ) 其中，p r 晒阴撇，为基站期望的d p c h 接收功率，主要根据d p c h 上的干扰 信患帮接收端期望的s i r 值确定，懿下式： 腿跏撇：。凹叫阮舰尉尺2 ：( 2 2 6 ) 该值通过i e ( 信息单元) 信令“u p l i l l kd p c hp o w e rc o n 臼o li 晌发送给u e 。 算法中的取值将遵循使得用户初始发射功率尽可能小的原则，从而不对系统稳定 性产生较大的影响，之后通过闭环功率控制使系统趋予稳定。 ( 2 ) 下行链路开环功率控制 下行只有公共信遂进行开环功率控创，其计算公式如下所示： 嚷= 幸晦堍吨嚷一删) 眩2 7 ) ，其中，埠鲫蜘为p c c p c h 信道的发射功率，口为下行正交因子，壤删为 下行总发射功率。 t d s c d m a 系统上行链路开环功率控制过程如图2 3 所示。 2 。3 2 闭环功率控制 快速闭环功率控制( 内环功率控制) 用来调整专用信道的发射功率，其机制 是无线链路的发射端根据接收端物理层的反馈信息进行功率控制，使得u e ( b s ) 根据b s ( 弧) 的接收s i r 值调整发射功率，来补偿无线信道的衰落。两。s c d m a 系统中的上、下行专用信道上使用闭环功率控制，每个子帧( 5 m s ) 进行一次， 功率控割频率为2 0 镰琵，功率控制步长可选为l 、2 船、3 d 转，动态调整范围 1 5 华东师范大学硕士学位论文第二章移动通信中的功率控制技术 为8 0 d b 。 开机读取p c c p 蹦广播信息岛碧黻 n o d e b 钡9 量麟c 砟e 傩根据开环算法确定功率 发送脚p c h 在随香酌四箍藏围内f r a c 珏上发送 别偿酗 毛毽摄撼翘磁骰缓酗霸羿塔功率控制簿法 在间隔一帻后的p r a c h 上发送上层信令 在s c c p c h 上发送f a c 珏信息及 捌c 踟 开环确定功率，在下帧上行d p c h 上发 送数蠡蠢p c 镭e h 溯重报告 根据u e 钡8 量报告开环确定功率。下行时 隙e l 上发送羧据并进入阔环 2 3 ) l s c 跗队系统上行链路开环功率控制过程 f i g2 - 3 o p e nl o o pp o w e r c o n t 1p r o c 姻si n1 d s c d m a u p l i n k ( 1 ) 上行链路蠲环功率控制 上行闭环功率控制用来调整上行专用信道d p c h 和上行共享信道p u s c h 的 发射功率。以上行d p c h 为例，基站从r n c 的上行外环功率控制得到相应功率 控制信道的目标s 瞅值，在每一子帧内将其和d p c h 的训练序列码信号的接收 s 破值相比。若接收的s 双值大于目标s 瓜值，基站就在下行d p c h 上发送“下 降的t p c ；若接收的s 双值小于目标s i r 值，则发送“上升的t p c 。u e 端 收到基站的t p c 命令后，根据所选取的功率控制步长，调整下一个子帧相应信 遒的发射功率。 功率控制步长的选取和u e 的速度相关。当u e 速度较低时，多普勒频移较 小，快衰落变纯较小，这时选取较小的功率控制步长就能跟上信道的变化；当 u e 速度较大时，需要选取较大的功率控制步长来补偿信道；而当u e 速度超过 一定值时，功率控制的速率已经跟不上信道的变化；较大的功率控制步长反而会 使功率控制性能变差，此时，减小功率控制步长反而会提高功率控制性能。 t d s c d m a 系统上行链路闭环功率控制过程如图2 4 所示。 1 6 华东师范大学硕士学位论文第二鬻移动通信中的功率控制技术 圈2 4t d - s c d m a 系统上行链路闭环功率控制 f i g2 4 c l o s e dl o o pp o w e rc o n t r o lp 目d c e s si n i d - s c d m al l p l i n k ( 2 ) 下行链路闭环功率控制 下行闭环功率控制用来调整下行专用信道( d p c h ) 和下行共享信道( p u s c h ) ： 翡发射功率。以下行d p c 至差为例，u e 从烈c 获 ! 孥下行外环功率控制需要的8 班双 ( f e r ) 和其他一些控制参数，通过下行外环功率控制得到相应功率控制信道的 虽标s 至r 值，在每一子帧内将其和下行，c h 的训练序列信号的接收s 薹r 值相 比较。如果接收到的s i r 值大于目标s 限值，u e 就在上行d p c h 上发送“下降 的豫c ；如果接收到的s i r 值小于目标s i r 值，则t p c 命令设置为“上升 ，在 基站端，当收到u e 的t p c 命令后，根据上升或下降的命令和选取的功率控制 步长，调整下一子帧相应信道的发射功率。 一个d p c h 或p d s c 珏的发射功率不能超过上层确定的动态范围。这里的发 射功率定义为物理信道扩频前一个时隙内复q p s 列8 p s k 符号的平均功率。b s 在个酎隙内的总下行发射功率不能超过觏定的最大值，当总发射功率超过最大 值时，所有下行d p c h 和p d s c h 的发射功率将减小相同的值，使得总发射功率 等子最大值。 h ) s c d m a 系统下行链路闭环功率控制如图2 5 所示。 2 3 3 外环功率控制 外环功率控制的作用是为快速闭环功率控制设定s 酞门限值，使得通信链路 的质量能够满足业务的服务质量需要。如果设置的外环功率控制使得传输的信号 质量过好会浪费系统容量并减少覆盖范围，如采信号质量过差会降低用户的 华东5 l i l j 范大学硕士学位论文第二章移动邋信中的功麟控制技术 满意率造成系统服务质量下降。 图2 5t i x s c d m a 系统下行链路闭环功率控制 f 谵2 - 5 c l o 贼l pp o 粥f 烟瞄p 持e 豁s 遮仍一s c 娃翻嘲i 巍 ( 1 ) 上行外环功率控制、 一 上下链路外环功率控制位予系统的r n c 处，在对子层执行，融c 为每条 执行上行内环功率控制的链路设置目标s 承值，并将这个目标值通知b s 。b s 收 到r n c 的通知后，便更新相应链路的s m 目标值，作为内环功率控制的依据。 上行外环功率控制算法依据b l 爵己和b e r 两个测量两个测量参数设计，下面 是基于b l e r 的上行外环功率控制算法： 薹f 当前传输块正确 s t 叩_ d o w n 2 b l e r 嘴e t 臻s t e p i z e ； s l r ：鹏珏+ 董产s 烬鍪曜啾n ) 一s 稔疋叠。姗； e l s t e pl 犷s 嗡屯i z e b l e r 掌s 嗡u i z e ； s i r ：t 2 昭e n + 1 ) ；s 佩蛳g e t ( n ) + s t 印u p ； e n d 其中s 胀：t a 蚴) 是第魏次调整的s 双目标值，b l e r ：鞠喇是满足一定q o s ( q u a l 毋o fs e r v i c e ，服务质量) 要求的b l e r 目标值，s t e l ) _ - s i z e 是一个参数， 典型值取o 。3 埔。5 d b 。 无线通信系统中b l e r 是s 承的单调递减函数，当呼叫时间足够长时，上面 的外环功率控制算法使b l e r 最终收敛于b l e r 墨标值。步长参数决定了算法 1 8 华东师范大学硕士学位论文 第二章移动通信中的功攀控制技术 收敛到目标值的速度和开销。步长越长，收敛速度越快，开销也越大。 ( 2 ) 下行外环功率控制 下行外环功率控制在躔端的斑池子层执行，其原理和上弦外环类似，只是 功能实现单元不同，与上行功率控制不同的地方在于，网络端即使不能控制u e 端的外环算法，仍能很有效地控制下行连接。酋先下行链路的鬟标质量参考值是 由r n c 给出的。在通信中可以改变；其次，即使b s 收到u e 的功率控制命令， 也不一定必须按照内环算法执行，因为网络能够协调不同下行连接的通信质量从 而实现不同业务的优先级，这在下行负载较重的情况下可以有效地减小网络恶化 的可能性。 1 9 华东师范大学硕士学位论文 第三章t d - s c d m a 系统仿真平台 第三章t d s c d m 系统仿真平台 3 。1 概述 无线通信系统是一个十分复杂的工程系统，其系统设计研究也是一项非常复 杂的技术。鉴于实际网络的复杂性及运营成本，计算机仿真技术受到了人们的关 注。仿真不仅可以对研究算法进行验证，还是网络规划和优化的重要手段，这使 得通信系统的仿真吴有更重要和更实用静价值。因此，在现代通信技术中，任俘 一项新技术的采用都先经过一定性能仿真验证和设计，并以仿真结果作为最终实 现的参考。 移动通信系统的仿真包括链路级仿真和系统级仿真两类。链路级仿真主要是 对物理层的无线传输技术( 如编码、交织、调制和扩频等) 进行仿真。系统级仿 真主要是对无线接入系统进行仿真。系统级仿真可以对整个无线接入系统( 如 1 d s c d m a 系统) 进行仿真，得到其在不同无线环境、系统负载以及外界干扰 下的系统性能( 如容量等) ；也可以对无线接入系统的某项技术( 如功率控制、 软切换技术等) 单独进行仿真，得到该技术在不同情况下的性能(