無線資源管理設(shè)計方案終稿ning

1、3G系統(tǒng)中功率控制機(jī)制的 研究與發(fā)展 2 目錄 1 功率控制的基本概念 1 1.1 引言 1 1.2 3G 系統(tǒng)功率控制方案 1 1.3 功率控制研究方法 1 2 3G 系統(tǒng)功率控制發(fā)展現(xiàn)狀 2 2.13G 系統(tǒng)功率控制概述 2 2.23G 系統(tǒng)功率控制分類 2 2.3 3G 系統(tǒng)功率控制研究現(xiàn)狀 3 2.4 3G 系統(tǒng)中影響功率控制的因素 4 3 3G 系統(tǒng)功率控制技術(shù)展望 5 1 功率控制的基本概念 1.1 引言 由于 CDMA 系統(tǒng)是一個干擾受限系統(tǒng)，系統(tǒng)要求所有用戶到達(dá)基站接收機(jī) 信號的平均功率要與信干比相等才能解擴(kuò)， 采用功率控制可以調(diào)整各個用戶發(fā)射 機(jī)的功率，使其到達(dá)基站接收機(jī)的平

2、均功率和信干比相等。在 3G 移動通信系統(tǒng) 中，由于用戶共用相同的頻帶， 且各用戶的擴(kuò)頻碼之間存在著非理想的相關(guān)特性， 使系統(tǒng)的遠(yuǎn)近效應(yīng)尤為突出。 用戶發(fā)射的功率大小將直接影響系統(tǒng)的總?cè)萘浚?采 用功率控制技術(shù)調(diào)整移動臺和基站的發(fā)射功率， 可以有效地減小 “遠(yuǎn)近效應(yīng)” 的 影響，提高系統(tǒng)的容量。所以功率控制技術(shù)己成為 3G 通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)中最為重要 的核心技術(shù)和研究熱點之一 1 。功率控制的目標(biāo)是在為每個用戶提供可以接受的 服務(wù)質(zhì)量的同時盡可能地減少對用戶的干擾。常見的 CDMA 功率控制技術(shù) 2有 開環(huán)功率控制、閉環(huán)功率控制和外環(huán)控制三種類型。 1.2 3G 系統(tǒng)功率控制方案 功率控制的目的在

3、于調(diào)整發(fā)射功率以補(bǔ)償發(fā)送信道的衰落， 以達(dá)到所有基站 及移動臺所接收的有用信號的功率或信干比(SIR)相等。3G系統(tǒng)的功率控制包括 三部分6:開環(huán)功率控制、 閉環(huán)功率控制和外環(huán)功率控制。 三部分協(xié)同完成功率控 制，開環(huán)功率控制負(fù)責(zé)空閑狀態(tài)下的功率控制， 在隨機(jī)接入過程中， 負(fù)責(zé)信道建 立時對發(fā)射功率的初始值進(jìn)行控制。 開環(huán)功率控制性能好壞關(guān)系通信初期系統(tǒng)功 率控制的性能。閉環(huán)功率控制是功率控制的核心，負(fù)責(zé)通信過程中的功率控制， 它的性能好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)功率控制的性能。外環(huán)功率控制是根據(jù)不同業(yè)務(wù)、 環(huán)境調(diào)整閉環(huán)功控的門限值， 外環(huán)功控不屬于物理層的功率控制， 但仍屬于廣義 的功率控制。由于第三

4、代移動通信提供多種通信業(yè)務(wù)(包括分組交換業(yè)務(wù)、電路 交換業(yè)務(wù) )，所以外環(huán)功率控制也是必要的。 3G系統(tǒng)的三大方案中功率控制方案大同小異， 只是WCDMA采用SIR平衡 準(zhǔn)則。在 3G 系統(tǒng)協(xié)議中移動終端和網(wǎng)絡(luò)的無線通道傳輸規(guī)范被稱為無線接口， 接口采用開放系統(tǒng)互連(OSI)參考模型概念來規(guī)定其協(xié)議，分為三層：物理層(L1). 數(shù)據(jù)鏈路層(L2)和應(yīng)用層(L3)。其中的L3層由連接管理(CM)、移動管理(MM) 和無線資源管理(RR)三個子層組成。無線接入中的功率控制由無線資源管理(RR) 發(fā)起，由物理層負(fù)責(zé)完成，采用開環(huán)、閉環(huán)和外環(huán)的功率控制方法。 1.3 功率控制研究方法 目前關(guān)于功率控制

5、方面的研究比較廣泛， 傳統(tǒng)的研究方法大致可以分為兩種 3：一種是基于優(yōu)化，一種是基于反饋，這兩種方法各有利弊 8。 1 基于優(yōu)化的功率控制方法需要知道系統(tǒng)的精確模型， 通過目標(biāo)函數(shù)對系統(tǒng) 性能進(jìn)行描述，在系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)的目標(biāo)下， 完成對各個用戶發(fā)射功率的計算， 然后算出的功率值實時加載給用戶。這種方法控制準(zhǔn)確并且有明確的意義（最優(yōu) 化目標(biāo)函數(shù) ），但是計算量很大，不適合動態(tài)環(huán)境。當(dāng)環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時，原 先求得的最優(yōu)解就不再適用了， 特別是當(dāng)系統(tǒng)中用戶數(shù)量發(fā)生變化時需要重新建 立模型和再次優(yōu)化， 這些任務(wù)的實時完成是很難的， 因而該方法只具有理論上的 研究價值，而不具有實用意義。 2 基于反

6、饋的功率控制方法控制靈活、易于實現(xiàn)，但需要根據(jù)單個用戶服務(wù) 質(zhì)量的變化來確定發(fā)射功率的變化趨勢， 即便對單個用戶而言， 控制都沒有明確 的意義，更談不上整體的最優(yōu)。此外步長的確定在很大程度上依賴于經(jīng)驗知識， 缺乏理論依據(jù)。 不適當(dāng)?shù)牟介L， 會造成很大的過調(diào)量和穩(wěn)定時間， 從而影響了每 個用戶的信干比和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 聯(lián)合功率控制與多用戶檢測技術(shù)的研究， 逐漸成為人們研究的焦點。 在采用 了多用戶檢測器的系統(tǒng)中， 仍然需要功率控制技術(shù)來補(bǔ)償信道的衰落， 保證用戶 滿足服務(wù)質(zhì)量要求同時節(jié)省移動臺的功耗。 研究表明 MMSE（ 最小均方誤差 ）檢測 與功率控制的結(jié)合能使系統(tǒng)獲得更大的容量。 2 3G

7、 系統(tǒng)功率控制發(fā)展現(xiàn)狀 2.1 3G 系統(tǒng)功率控制概述 在 3G 系統(tǒng)中，各個用戶在相同的時隙以相同的頻率進(jìn)行通信，容量受限于 系統(tǒng)內(nèi)移動臺的相互干擾，是一個自干擾系統(tǒng)且“遠(yuǎn)近效應(yīng)”問題尤為突出。如 果每個移動臺的信號到達(dá)基站均達(dá)到所需信干比的最小值， 則系統(tǒng)容量將會達(dá)到 最大值。對 3G 系統(tǒng)實施功率控制可以降低平均發(fā)射功率，而不是峰值功率，目 的是在保證高質(zhì)量通信前提下， 不對同一頻率的其它用戶產(chǎn)生不必要的多址干擾 （MAI ） 。 功率控制技術(shù)是一種優(yōu)化技術(shù)， 優(yōu)化目標(biāo)是在滿足每一個用戶通信質(zhì)量的前 提下，最小化每一個用戶的發(fā)射功率， 從而有效地克服 “遠(yuǎn)近效應(yīng)”和“角效應(yīng)”， 減少多址

8、干擾，增加系統(tǒng)容量。 2.2 3G 系統(tǒng)功率控制分類 如圖 1，對于 3G 系統(tǒng)，如果從通信的上、下行鏈路考慮，功率控制包括前 向鏈路功率控制與反向鏈路功率控制， 而反向鏈路功率控制又包括開環(huán)功率控制 環(huán)功率控制和外環(huán)功率控制 ; 圖1 3G系統(tǒng)功率控制分類圖 從實現(xiàn)功率控制方式則可分為：集中式功率控制和分布式功率控制；從環(huán)路的 類型來分可分為開環(huán)功率控制、閉環(huán)功率和外環(huán)功率控制；根據(jù)確定功率控制命 令的測量指標(biāo)分：基于信號強(qiáng)度、基于后SIR和基于BER功控;根據(jù)功率調(diào)整大小的 度量分為連續(xù)功率控制、離散功率控制；根據(jù)功率更新的策略分：固定步長功控、 可變步長功控等。 2.3 3G系統(tǒng)功率控制

9、研究現(xiàn)狀 相關(guān)文獻(xiàn)對3G系統(tǒng)中的功率控制機(jī)制進(jìn)行了深入的研究。文獻(xiàn)7介紹了功 率控制和各種多用戶檢測技術(shù)的原理，同時討論了利用功率控制原理和多用戶檢 測兩者各自的優(yōu)點來進(jìn)行聯(lián)合功率控制的理論和方法。該文結(jié)合大量的仿真實 驗，提出了一些旨在提高CDMA系統(tǒng)容量、應(yīng)用于快速功率控制的聯(lián)合功率控制 算法，取得了一定的成果，總結(jié)如下：1提出了基于信道衰落預(yù)測的變步長功率 控制算法，可有效的補(bǔ)償信道快衰落。并且在 Matlab平臺上進(jìn)行仿真，比較了基 于信道衰落預(yù)測的變步長功率控制算法、多比特變步長功率控制算法和傳統(tǒng)的功 率控制算法的性能。從仿真結(jié)果可以看出基于信道衰落預(yù)測的變步長功率控制算 法可以容納

10、更多的用戶，并且在多普勒頻移一定的情況下，基于信道衰落預(yù)測的 變步長功率控制算法的誤比特率最小。2將基于信道衰落預(yù)測的變步長功率控制 算法應(yīng)用到聯(lián)合功率控制中，改善了系統(tǒng)的性能，使系統(tǒng)能夠容納更多的用戶并 且減少了迭代次數(shù)。 文獻(xiàn)9主要用線性二次型高斯（LQG）控制和信道的Kalman濾波為基礎(chǔ)，利用 信道的下一個狀態(tài)設(shè)計出功率控制，優(yōu)化了深度衰落對信道的影響。另外在 Matlab仿真平臺實現(xiàn)了功率控制算法的仿真和對比。在功率控制的工程實現(xiàn)部 分，主要對下行功控中可能影響到發(fā)射功率不準(zhǔn)的地方進(jìn)行了優(yōu)化并提出了一種 測量報告預(yù)處理的插值方法，同時給出了功率控制增益穩(wěn)定環(huán)路的實現(xiàn)機(jī)制，保 證了基站

11、中環(huán)路的增益，進(jìn)而使功率得到了更好的控制。 文獻(xiàn)12在傳統(tǒng)的閉環(huán)功率控制的基礎(chǔ)之上探索了自適應(yīng)功率控制的算法。 并給出了一種基于SIR測量的簡單的自適應(yīng)變步長功率控制方案，通過在移動臺 的接收端增加一個調(diào)整步長的模塊， 根據(jù)當(dāng)前及以前的功率控制命令來預(yù)測信道 的衰落變化， 并以此為依據(jù)來調(diào)整功率控制步長， 使得在信號遇到深度衰落時能 夠增大功率控制步長， 發(fā)射功率能夠大步的快速跟蹤信道衰落， 而在信號平穩(wěn)時 減小功率控制步長， 發(fā)射功率可以小步精確跟蹤， 該方案能有效的跟蹤信道的變 化。仿真表明自適應(yīng)變步長功率控制對系統(tǒng)的功率控制的精度有很大的提高， 但 是增加了系統(tǒng)的算法復(fù)雜度。 文獻(xiàn)15首

12、先從數(shù)學(xué)上對系統(tǒng)的傳播模型、 傳播損耗模型、 分布式功率控制、 發(fā)射功率限制、 中斷概率五方面做出了明確的數(shù)學(xué)定義， 尤其對傳播損耗的數(shù)學(xué) 模型做出了詳細(xì)的數(shù)學(xué)推導(dǎo) ;而后深入分析了分布式迭代功率控制方法，對構(gòu)造 分布式迭代功率控制算法的通用框架、 迭代算法的收斂性， 都做出了嚴(yán)格的數(shù)學(xué) 證明，使之形成一個比較完整的理論體系。其次，提出了一種基于 SIR測量的對 傳播信道衰落特性具有預(yù)測估計的算法。 這種算法的核心在于在分布式功率控制 的前提下，移動臺根據(jù)當(dāng)前及以前的功率控制命令來預(yù)測估計信道的衰落變化， 并以此為依據(jù)來選擇適當(dāng)?shù)闹底鳛楣β收{(diào)整的大小， 并在其功率控制命令下延續(xù) 了傳統(tǒng)固定步長

13、算法的優(yōu)點，只占用1bit帶寬。最后，在基于3GPP組織提出的標(biāo) 準(zhǔn)下做出了仿真， 通過對分布式可預(yù)測算法和無預(yù)測分布式算法二者性能曲線的 比較，表明了該方案的有效性： 由于它沒有全局固定步長的限制， 能夠根據(jù)對信 道衰落的預(yù)測來調(diào)整功率步長大小， 所以可以有效快速補(bǔ)償信道的衰落， 使得系 統(tǒng)表現(xiàn)出更好的性能。 2.4 3G 系統(tǒng)中影響功率控制的因素 在 3G 系統(tǒng)中，由于移動臺所處的環(huán)境、移動速度、承載的業(yè)務(wù)有所不同， 如果使實際所需的 SIR 以閉環(huán)功率控制所需的 SIR 目標(biāo)值且取固定數(shù)值的話， 則必須根據(jù)最壞情況來確定設(shè)定值， 這將極大的浪費發(fā)射功率并使整個系統(tǒng)的容 量下降。因此， 閉

14、環(huán)功率控制所需的目標(biāo)值通常由外環(huán)功率控制來動態(tài)調(diào)節(jié)， 以 適應(yīng)所需的SIR。調(diào)節(jié)的主要依據(jù)是要根據(jù)要達(dá)到的 QOS（Quality of Service，服 務(wù)質(zhì)量）和系統(tǒng)的中斷概率。因此與系統(tǒng)性能所處的信道環(huán)境，以及所采用的編 碼交織調(diào)制等諸多因素有關(guān)。 功率控制系統(tǒng)的性能表現(xiàn)為系統(tǒng)總?cè)萘康拇笮∫约?穩(wěn)定性上，影響功率控制的主要因素有 7: 1. 控制速度 功率控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度即采樣頻率 （控制周期的倒數(shù) ）的速度越快，則越能 跟蹤補(bǔ)償更快的衰落。 但是功控周期越短， 在此期間測量到的信干比均值漲落越 大，造成發(fā)射起伏增大從而影響控制穩(wěn)定性。 同時， 可以縮短信號質(zhì)量均值間的 相關(guān)性，因此

15、要求降低控制延時，否則無法對信道用出正確估計。 2. 控制時延 即鏈路延遲以及算法計算延遲。 實際系統(tǒng)中功率控制總會存在延時， 而無線 移動系統(tǒng)的信道， 時變的信道參數(shù)具有復(fù)雜的相關(guān)特性。 因此功率控制實際上是 一種預(yù)測控制。時延越長，信道的相關(guān)性越差，預(yù)測的精確性就越低。因此功率 控制算法必須考慮實際時延的影響，否則控制性能難以保證。 3. 信道估計與預(yù)測 由于功率控制是典型的預(yù)測控制，需要對信道參數(shù)作精確的估計與預(yù)測參 4. 誤幀率與信號信干比關(guān)系 實際系統(tǒng)中，用戶業(yè)務(wù)質(zhì)量是通過誤幀率來反映的，而誤幀率(誤塊率 )受到 信號信干、多徑狀況、移動臺速度、編碼調(diào)制技術(shù)等共同作用。在功率控制中，

16、 分別采用誤幀率和信干比作為外環(huán)和內(nèi)環(huán)功率控制的判決指標(biāo)， 如何確定誤幀率 與信號信干比在各種條件下的變化關(guān)系影響到控算法的穩(wěn)定性和精確性。 在實際的 3G 系統(tǒng)中，為了保證發(fā)射功率調(diào)整動作的實時性并節(jié)省系統(tǒng)開銷， 使用了“乒乓”控制方式， 即發(fā)射端根據(jù)接收端反饋的命令以固定步長增減發(fā)射 功率，并且功率控制命令不經(jīng)過編碼交織直接插入編碼后的數(shù)據(jù)流中傳輸， 由于 信道變化的隨機(jī)性和功率控制誤差的時變性等因素影響， 快速閉環(huán)功率控制的理 論分析過于復(fù)雜，因而常采用基于理論分析然后側(cè)重仿真的方法對 3G 標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境 下影響上行和下行鏈路功率控制效果的因素進(jìn)行定性分析。 在實際應(yīng)用時， 應(yīng)該 同時考慮計

17、算量和性能，所以，文獻(xiàn) 13 中研究了一些在計算量和性能之間折中 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) 、最大干擾逐步移去算法 SMIRA(Stepwise Maximum Interference Removal Algorithm) 和最大發(fā)射接收干擾逐步移去算法SMT RIRA(Stepwise Maximum Tran smitted/Received In terfere nee Removal Algorithm等。這些算法的 性能均接近于最佳功率控制算法，但計算量卻是明顯下降。Q. Wu14又提出了

18、CDMA 蜂窩移動通信系統(tǒng)中的一種最佳的集中式功率控制算法，稱為最優(yōu)逐步 移去算法 SORA(Stepwise Optimal Removal Algorithm)。 3 3G 系統(tǒng)功率控制技術(shù)展望 第三代移動通信的最終目標(biāo)是將世界上所有的蜂窩系統(tǒng)、 無繩系統(tǒng)、 無線本 地環(huán)路、無線局域網(wǎng)終端、 專用移動廣播和尋呼結(jié)合在一起， 形成一個功能強(qiáng)大 的網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)任何人在任何地點、任何時間與任何人都能便利地通信 11。 3G系統(tǒng)可以使用智能天線、聯(lián)合檢測等新技術(shù)，當(dāng)系統(tǒng)使用無智能天線技 術(shù)時，功率控制可根據(jù)SIR測量值和目標(biāo)值周期地進(jìn)行調(diào)整；當(dāng)使用智能天線時， 首先要將主波束對準(zhǔn)要調(diào)整的用戶， 然后

19、再進(jìn)行相關(guān)測量。 聯(lián)合檢測能降低小區(qū) 內(nèi)的多址干擾( MAI )，使上行用戶間功率相差很大時有效地解調(diào)信息，克服遠(yuǎn) 近效應(yīng)，動態(tài)改變鏈路的增益，可以降低對功率控制的要求 9。 針對第四代移動通信系統(tǒng)的新的業(yè)務(wù)要求，要采取新的無線資源管理技術(shù)。 最新研究表明 5，聯(lián)合信道分配、功率控制、天線及基站選擇可以顯著改善系統(tǒng) 的性能。由于自適應(yīng)資源管理需要大量的信令， 會影響系統(tǒng)的性能， 需要結(jié)合動 態(tài)和隨機(jī)分配資源的優(yōu)點，作為 UTRAN TDD (采用時分雙工模式的UMTS地面 無線接入網(wǎng))的接入模式，這種方案已經(jīng)被 ACTS FRAMES采納，該方案引入了 “群”的概念，一個“群”由一個中央單元(

20、CU)和多個遠(yuǎn)端天線單元(RAU)組成。 遠(yuǎn)端天線單元通過電纜或光纖與中央單元相連， 所有的智能化管理和信號處理都 由中央單元完成， 遠(yuǎn)端天線單元可以發(fā)射、 接收信號并進(jìn)行測量。 一個群可以覆 蓋幾條街、一幢樓或一個樓層。將“群”的概念移植到基站，引入“基站群”的 概念，可以降低網(wǎng)絡(luò)成本。 參考文獻(xiàn) 1 吳偉陵，牛凱 .移動通信技術(shù) M. 北京: 電子工業(yè)出版社， 2005. 2 楊會玉 ; 李雅梅，淺議 3G 網(wǎng)絡(luò)中功率控制技術(shù)的控制理論問題，Science 惠曉威 ,3G 系統(tǒng)中的幾種聯(lián)合功率控制 , Science & Technology Information, 2007 年 29

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