无线资源管理设计方案终稿ning

1、3G系统中功率控制机制的 研究与发展 2 目录 1 功率控制的基本概念 1 1.1 引言 1 1.2 3G 系统功率控制方案 1 1.3 功率控制研究方法 1 2 3G 系统功率控制发展现状 2 2.13G 系统功率控制概述 2 2.23G 系统功率控制分类 2 2.3 3G 系统功率控制研究现状 3 2.4 3G 系统中影响功率控制的因素 4 3 3G 系统功率控制技术展望 5 1 功率控制的基本概念 1.1 引言 由于 CDMA 系统是一个干扰受限系统，系统要求所有用户到达基站接收机 信号的平均功率要与信干比相等才能解扩， 采用功率控制可以调整各个用户发射 机的功率，使其到达基站接收机的平

2、均功率和信干比相等。在 3G 移动通信系统 中，由于用户共用相同的频带， 且各用户的扩频码之间存在着非理想的相关特性， 使系统的远近效应尤为突出。 用户发射的功率大小将直接影响系统的总容量， 采 用功率控制技术调整移动台和基站的发射功率， 可以有效地减小 “远近效应” 的 影响，提高系统的容量。所以功率控制技术己成为 3G 通信系统标准中最为重要 的核心技术和研究热点之一 1 。功率控制的目标是在为每个用户提供可以接受的 服务质量的同时尽可能地减少对用户的干扰。常见的 CDMA 功率控制技术 2有 开环功率控制、闭环功率控制和外环控制三种类型。 1.2 3G 系统功率控制方案 功率控制的目的在

3、于调整发射功率以补偿发送信道的衰落， 以达到所有基站 及移动台所接收的有用信号的功率或信干比(SIR)相等。3G系统的功率控制包括 三部分6:开环功率控制、 闭环功率控制和外环功率控制。 三部分协同完成功率控 制，开环功率控制负责空闲状态下的功率控制， 在随机接入过程中， 负责信道建 立时对发射功率的初始值进行控制。 开环功率控制性能好坏关系通信初期系统功 率控制的性能。闭环功率控制是功率控制的核心，负责通信过程中的功率控制， 它的性能好坏直接关系到系统功率控制的性能。外环功率控制是根据不同业务、 环境调整闭环功控的门限值， 外环功控不属于物理层的功率控制， 但仍属于广义 的功率控制。由于第三

4、代移动通信提供多种通信业务(包括分组交换业务、电路 交换业务 )，所以外环功率控制也是必要的。 3G系统的三大方案中功率控制方案大同小异， 只是WCDMA采用SIR平衡 准则。在 3G 系统协议中移动终端和网络的无线通道传输规范被称为无线接口， 接口采用开放系统互连(OSI)参考模型概念来规定其协议，分为三层：物理层(L1). 数据链路层(L2)和应用层(L3)。其中的L3层由连接管理(CM)、移动管理(MM) 和无线资源管理(RR)三个子层组成。无线接入中的功率控制由无线资源管理(RR) 发起，由物理层负责完成，采用开环、闭环和外环的功率控制方法。 1.3 功率控制研究方法 目前关于功率控制

5、方面的研究比较广泛， 传统的研究方法大致可以分为两种 3：一种是基于优化，一种是基于反馈，这两种方法各有利弊 8。 1 基于优化的功率控制方法需要知道系统的精确模型， 通过目标函数对系统 性能进行描述，在系统性能达到最优的目标下， 完成对各个用户发射功率的计算， 然后算出的功率值实时加载给用户。这种方法控制准确并且有明确的意义（最优 化目标函数 ），但是计算量很大，不适合动态环境。当环境参数发生变化时，原 先求得的最优解就不再适用了， 特别是当系统中用户数量发生变化时需要重新建 立模型和再次优化， 这些任务的实时完成是很难的， 因而该方法只具有理论上的 研究价值，而不具有实用意义。 2 基于反

6、馈的功率控制方法控制灵活、易于实现，但需要根据单个用户服务 质量的变化来确定发射功率的变化趋势， 即便对单个用户而言， 控制都没有明确 的意义，更谈不上整体的最优。此外步长的确定在很大程度上依赖于经验知识， 缺乏理论依据。 不适当的步长， 会造成很大的过调量和稳定时间， 从而影响了每 个用户的信干比和系统的稳定性。 联合功率控制与多用户检测技术的研究， 逐渐成为人们研究的焦点。 在采用 了多用户检测器的系统中， 仍然需要功率控制技术来补偿信道的衰落， 保证用户 满足服务质量要求同时节省移动台的功耗。 研究表明 MMSE（ 最小均方误差 ）检测 与功率控制的结合能使系统获得更大的容量。 2 3G

7、 系统功率控制发展现状 2.1 3G 系统功率控制概述 在 3G 系统中，各个用户在相同的时隙以相同的频率进行通信，容量受限于 系统内移动台的相互干扰，是一个自干扰系统且“远近效应”问题尤为突出。如 果每个移动台的信号到达基站均达到所需信干比的最小值， 则系统容量将会达到 最大值。对 3G 系统实施功率控制可以降低平均发射功率，而不是峰值功率，目 的是在保证高质量通信前提下， 不对同一频率的其它用户产生不必要的多址干扰 （MAI ） 。 功率控制技术是一种优化技术， 优化目标是在满足每一个用户通信质量的前 提下，最小化每一个用户的发射功率， 从而有效地克服 “远近效应”和“角效应”， 减少多址

8、干扰，增加系统容量。 2.2 3G 系统功率控制分类 如图 1，对于 3G 系统，如果从通信的上、下行链路考虑，功率控制包括前 向链路功率控制与反向链路功率控制， 而反向链路功率控制又包括开环功率控制 环功率控制和外环功率控制 ; 图1 3G系统功率控制分类图 从实现功率控制方式则可分为：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、闭环功率和外环功率控制；根据确定功率控制命 令的测量指标分：基于信号强度、基于后SIR和基于BER功控;根据功率调整大小的 度量分为连续功率控制、离散功率控制；根据功率更新的策略分：固定步长功控、 可变步长功控等。 2.3 3G系统功率控制

9、研究现状 相关文献对3G系统中的功率控制机制进行了深入的研究。文献7介绍了功 率控制和各种多用户检测技术的原理，同时讨论了利用功率控制原理和多用户检 测两者各自的优点来进行联合功率控制的理论和方法。该文结合大量的仿真实 验，提出了一些旨在提高CDMA系统容量、应用于快速功率控制的联合功率控制 算法，取得了一定的成果，总结如下：1提出了基于信道衰落预测的变步长功率 控制算法，可有效的补偿信道快衰落。并且在 Matlab平台上进行仿真，比较了基 于信道衰落预测的变步长功率控制算法、多比特变步长功率控制算法和传统的功 率控制算法的性能。从仿真结果可以看出基于信道衰落预测的变步长功率控制算 法可以容纳

10、更多的用户，并且在多普勒频移一定的情况下，基于信道衰落预测的 变步长功率控制算法的误比特率最小。2将基于信道衰落预测的变步长功率控制 算法应用到联合功率控制中，改善了系统的性能，使系统能够容纳更多的用户并 且减少了迭代次数。 文献9主要用线性二次型高斯（LQG）控制和信道的Kalman滤波为基础，利用 信道的下一个状态设计出功率控制，优化了深度衰落对信道的影响。另外在 Matlab仿真平台实现了功率控制算法的仿真和对比。在功率控制的工程实现部 分，主要对下行功控中可能影响到发射功率不准的地方进行了优化并提出了一种 测量报告预处理的插值方法，同时给出了功率控制增益稳定环路的实现机制，保 证了基站

11、中环路的增益，进而使功率得到了更好的控制。 文献12在传统的闭环功率控制的基础之上探索了自适应功率控制的算法。 并给出了一种基于SIR测量的简单的自适应变步长功率控制方案，通过在移动台 的接收端增加一个调整步长的模块， 根据当前及以前的功率控制命令来预测信道 的衰落变化， 并以此为依据来调整功率控制步长， 使得在信号遇到深度衰落时能 够增大功率控制步长， 发射功率能够大步的快速跟踪信道衰落， 而在信号平稳时 减小功率控制步长， 发射功率可以小步精确跟踪， 该方案能有效的跟踪信道的变 化。仿真表明自适应变步长功率控制对系统的功率控制的精度有很大的提高， 但 是增加了系统的算法复杂度。 文献15首

12、先从数学上对系统的传播模型、 传播损耗模型、 分布式功率控制、 发射功率限制、 中断概率五方面做出了明确的数学定义， 尤其对传播损耗的数学 模型做出了详细的数学推导 ;而后深入分析了分布式迭代功率控制方法，对构造 分布式迭代功率控制算法的通用框架、 迭代算法的收敛性， 都做出了严格的数学 证明，使之形成一个比较完整的理论体系。其次，提出了一种基于 SIR测量的对 传播信道衰落特性具有预测估计的算法。 这种算法的核心在于在分布式功率控制 的前提下，移动台根据当前及以前的功率控制命令来预测估计信道的衰落变化， 并以此为依据来选择适当的值作为功率调整的大小， 并在其功率控制命令下延续 了传统固定步长

13、算法的优点，只占用1bit带宽。最后，在基于3GPP组织提出的标 准下做出了仿真， 通过对分布式可预测算法和无预测分布式算法二者性能曲线的 比较，表明了该方案的有效性： 由于它没有全局固定步长的限制， 能够根据对信 道衰落的预测来调整功率步长大小， 所以可以有效快速补偿信道的衰落， 使得系 统表现出更好的性能。 2.4 3G 系统中影响功率控制的因素 在 3G 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， 如果使实际所需的 SIR 以闭环功率控制所需的 SIR 目标值且取固定数值的话， 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

14、环功率控制所需的目标值通常由外环功率控制来动态调节， 以 适应所需的SIR。调节的主要依据是要根据要达到的 QOS（Quality of Service，服 务质量）和系统的中断概率。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 稳定性上，影响功率控制的主要因素有 7: 1. 控制速度 功率控制系统的调节速度即采样频率 （控制周期的倒数 ）的速度越快，则越能 跟踪补偿更快的衰落。 但是功控周期越短， 在此期间测量到的信干比均值涨落越 大，造成发射起伏增大从而影响控制稳定性。 同时， 可以缩短信号质量均值间的 相关性，因此

15、要求降低控制延时，否则无法对信道用出正确估计。 2. 控制时延 即链路延迟以及算法计算延迟。 实际系统中功率控制总会存在延时， 而无线 移动系统的信道， 时变的信道参数具有复杂的相关特性。 因此功率控制实际上是 一种预测控制。时延越长，信道的相关性越差，预测的精确性就越低。因此功率 控制算法必须考虑实际时延的影响，否则控制性能难以保证。 3. 信道估计与预测 由于功率控制是典型的预测控制，需要对信道参数作精确的估计与预测参 4. 误帧率与信号信干比关系 实际系统中，用户业务质量是通过误帧率来反映的，而误帧率(误块率 )受到 信号信干、多径状况、移动台速度、编码调制技术等共同作用。在功率控制中，

16、 分别采用误帧率和信干比作为外环和内环功率控制的判决指标， 如何确定误帧率 与信号信干比在各种条件下的变化关系影响到控算法的稳定性和精确性。 在实际的 3G 系统中，为了保证发射功率调整动作的实时性并节省系统开销， 使用了“乒乓”控制方式， 即发射端根据接收端反馈的命令以固定步长增减发射 功率，并且功率控制命令不经过编码交织直接插入编码后的数据流中传输， 由于 信道变化的随机性和功率控制误差的时变性等因素影响， 快速闭环功率控制的理 论分析过于复杂，因而常采用基于理论分析然后侧重仿真的方法对 3G 标准环境 下影响上行和下行链路功率控制效果的因素进行定性分析。 在实际应用时， 应该 同时考虑计

17、算量和性能，所以，文献 13 中研究了一些在计算量和性能之间折中 的次最佳的集中式功率控制算法， 主要是：逐步移去算法 SRA(Stepwise Removal Algorithm) 、最大干扰逐步移去算法 SMIRA(Stepwise Maximum Interference Removal Algorithm) 和最大发射接收干扰逐步移去算法SMT RIRA(Stepwise Maximum Tran smitted/Received In terfere nee Removal Algorithm等。这些算法的 性能均接近于最佳功率控制算法，但计算量却是明显下降。Q. Wu14又提出了

18、CDMA 蜂窝移动通信系统中的一种最佳的集中式功率控制算法，称为最优逐步 移去算法 SORA(Stepwise Optimal Removal Algorithm)。 3 3G 系统功率控制技术展望 第三代移动通信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、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 11。 3G系统可以使用智能天线、联合检测等新技术，当系统使用无智能天线技 术时，功率控制可根据SIR测量值和目标值周期地进行调整；当使用智能天线时， 首先要将主波束对准要调整的用户， 然后

19、再进行相关测量。 联合检测能降低小区 内的多址干扰( MAI )，使上行用户间功率相差很大时有效地解调信息，克服远 近效应，动态改变链路的增益，可以降低对功率控制的要求 9。 针对第四代移动通信系统的新的业务要求，要采取新的无线资源管理技术。 最新研究表明 5，联合信道分配、功率控制、天线及基站选择可以显著改善系统 的性能。由于自适应资源管理需要大量的信令， 会影响系统的性能， 需要结合动 态和随机分配资源的优点，作为 UTRAN TDD (采用时分双工模式的UMTS地面 无线接入网)的接入模式，这种方案已经被 ACTS FRAMES采纳，该方案引入了 “群”的概念，一个“群”由一个中央单元(

20、CU)和多个远端天线单元(RAU)组成。 远端天线单元通过电缆或光纤与中央单元相连， 所有的智能化管理和信号处理都 由中央单元完成， 远端天线单元可以发射、 接收信号并进行测量。 一个群可以覆 盖几条街、一幢楼或一个楼层。将“群”的概念移植到基站，引入“基站群”的 概念，可以降低网络成本。 参考文献 1 吴伟陵，牛凯 .移动通信技术 M. 北京: 电子工业出版社， 2005. 2 杨会玉 ; 李雅梅，浅议 3G 网络中功率控制技术的控制理论问题，Science 惠晓威 ,3G 系统中的几种联合功率控制 , Science & Technology Information, 2007 年 29

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