【正文】 ................. 20 二、自適應(yīng)變步長功率控制算法 .......................................... 20 第五節(jié) 小結(jié) .............................................................. 21 第四章 功率控制算法結(jié)果分析 ................................................. 23 第一節(jié) 固定步長算法程序流程 .............................................. 23 第二節(jié) 自適應(yīng)變步長算法程序流程 .......................................... 25 第三節(jié) 結(jié)果分析 .......................................................... 27 第四節(jié) 小結(jié) .............................................................. 30 第五章 總結(jié) ................................................................ 31 第一節(jié) 文章總結(jié) ......................................................... 31 第二節(jié) 未來 工作與展望 .................................................... 31 致 謝 ....................................................................... 33 參考文獻(xiàn) ..................................................................... 34 附 錄 ....................................................................... 35 一、英文原文 .............................................................. 35 二、英文翻譯 .............................................................. 41 1 第一章 緒論 第一節(jié) 課題的背景及目的 CDMA 移動通信系統(tǒng)是干擾受限系統(tǒng)，同步干擾決定了系統(tǒng)容量。而功率控制是有效降低同頻干擾的方法，是 CDMA 移動通信系統(tǒng)中重要的手段。 目前最常用的功率控制算法分為兩種：一種 是基于優(yōu)化；另外一種是基于反饋；兩者都以傳統(tǒng)的固定步長功率控制算法為基礎(chǔ)的。所說這種固定步長的“乒乓式”控制方法存在一定的問題，例如：穩(wěn)定性差，過調(diào)量大，上升時(shí)間短等。在 CDMA 系統(tǒng)中，用戶信號在到達(dá)基站時(shí)必須滿足傳輸業(yè)務(wù)的 SIR 要求，同時(shí)盡可能降低移動終端的發(fā)射功率，否則系統(tǒng)容量會降低。由于基站與本小區(qū)各個(gè)用戶之間的距離不同，信號傳輸?shù)穆窂讲煌?，存在?yán)重的遠(yuǎn)近效應(yīng)。而且在 CDMA 上行鏈路中存在路徑損耗的慢速的陰影衰落，快速的多徑衰落等。為了解決這些問題，在傳統(tǒng)固定步長功率控制算法上加以改進(jìn)的自適應(yīng)變步長功 率控制算法無疑起到了決定性的作用。簡而言之，自適應(yīng)變步長方案信噪比穩(wěn)定，能夠根據(jù)信道預(yù)測來改變步長，從而很快補(bǔ)償信道衰落對接收信噪比的影響；因此針對自適應(yīng)變步長功率控制算法的這些優(yōu)點(diǎn)，本文給出一個(gè)自適應(yīng)功率控制模塊，能夠及時(shí)的補(bǔ)償信道快衰落，保持基站接收功率的平穩(wěn)，最后通過結(jié)果分析得出這種算法動態(tài)改變步長可以更加適應(yīng)功率的變化、收斂速度大大加快的結(jié)論。 第二節(jié) 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 CDMA 系統(tǒng)是干擾受限系統(tǒng)，某一用戶的發(fā)射信號和接收信號對小區(qū)內(nèi)的其他用戶而言就是干擾，采用功率控制技術(shù)，減少系統(tǒng)內(nèi)用戶 的相互干擾，使系統(tǒng)容量最大化 [1]。另外，功率是通信系統(tǒng)的有限資源，如何在滿足更多用戶 QoS 條件下，盡可能地降低發(fā)射端的發(fā)射功率就是功率控制的核心問題。 J． M． Aein 在研究衛(wèi)星通信系統(tǒng)共道干擾的管理問題中，提出了信干比均衡的概念 [2]，將功率控制轉(zhuǎn)化為求一個(gè)非負(fù)矩陣的最大特征值及其對應(yīng)特征向量的問題。 2 J． Zander 將信干比均衡方法應(yīng)用于無噪聲窄帶 CDMA 系統(tǒng)，提出了一種可以最小化中斷概率的集中式功率控制算法，所有鏈路達(dá)到最大可達(dá)信干 [3]。 隨后，研究者們提出了一系列功率控制算法：代表性的有 R． Jantti 的 受限二階功率控制算法 [4]、 D． Lelic 的高斯塞德爾迭代算 [5]等等，相比 DCPC 算法，這些算法收斂性都有所提高。 因此算法的實(shí)現(xiàn)都是基于兩個(gè)條件： 鏈路增益是固定不變的； 功率控制指令可以取實(shí)域的任意值。 根據(jù)隨機(jī)逼近理論， S． Ulukus， R． D． Yates 得到基于匹配濾波器輸出的隨機(jī)功率控制算法 [6]； LijunQian 提出制算法 [7]。上述算法實(shí)現(xiàn)過程繁瑣，需要附加較復(fù)雜的預(yù)測、估計(jì)算法，精確的反饋信息需要占用一定的信道容量。 近年，在各個(gè)領(lǐng)域中的相關(guān)分析和設(shè)計(jì)技術(shù)都來進(jìn)行 CDMA 功率控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)[8][9][10]。上述算法是從單個(gè)用戶的角度分析功控環(huán)路，這種方法控制準(zhǔn)確而且有明確的意義 (最優(yōu)化目標(biāo)函數(shù) )，但計(jì)算工作量很大，不適用于動態(tài)環(huán)境。 第三節(jié) 論文的結(jié)構(gòu) 本文的主要工作是在傳統(tǒng)固定步長控制算法基礎(chǔ)上，給出自適應(yīng)變步長功率控制算法，并對比分析結(jié)果。 本文內(nèi)容安排如下： 第一章緒論，簡略介紹了本文的研究方向以及其方法。 第二章，從理論上介紹 CDMA 通信系統(tǒng)的相關(guān)知識，引出了本文主要研究的 CDMA 通信系統(tǒng)的功率控制技術(shù)，介紹了該技術(shù)的主要細(xì)節(jié)。 第三章，介紹了功 率控制的算法。提出了自適應(yīng)變步長功率控制，然后在分析傳統(tǒng)的固定步長功率控制方案的缺陷上提出了自適應(yīng)步長功率控制的算法及其實(shí)現(xiàn)。 第四章，對結(jié)果進(jìn)行分析。通過自適應(yīng)變步長和固定步長功率控制算法的對比，得出這種算法通過動態(tài)改變步長可以更加適應(yīng)功率的變化、收斂速度大大加快的結(jié)論。 第五章總結(jié)。對全文做出總結(jié)和補(bǔ)充，及其對未來的展望。 3 第二章 CDMA 通信系統(tǒng)的功率控制技術(shù) 第一節(jié) CDMA 移動通信系統(tǒng)的特點(diǎn) 隨著社會的進(jìn)步，人們對通信的要求越來越高，這就促進(jìn)了移動通信技術(shù)的飛躍發(fā)展。一般，人 們把以 AMPS 為代表的模擬系統(tǒng)稱為第一代蜂窩系統(tǒng)；把以 GSM 代表的數(shù)字蜂窩稱為第二代系統(tǒng)。復(fù)用技術(shù)的發(fā)展使得 CDMA(CDMACode vision Multiple Access)系統(tǒng)得到了迅速的發(fā)展，并成為第三代蜂窩系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。 一、 CDMA 定義 在 CDMA 中，不同的用戶傳輸信息所用的信號靠各自不同的編碼序列來區(qū)分，分配給每個(gè)用戶的一個(gè)唯一的編碼序列，用于對它的承載信息信號進(jìn)行編碼。這種多址式方式的不同之處如圖 ： 二、 CDMA 技 術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn) （一） 大容量 根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)表明， CDMA 移動通信系統(tǒng)的信道容量是模擬系統(tǒng)的 10～ 20 倍，是 GSM 系統(tǒng)的 4 倍。 （二） 軟容量 f t f t f t CDMA TDMA FDMA 圖 三種多址方式 4 在 GSM 系統(tǒng)中，當(dāng)小區(qū)服務(wù)用戶數(shù)達(dá)到最大承載信道數(shù)，已滿載的系統(tǒng)無法再增加一個(gè)信道，此時(shí)如果有新的呼叫，那么該用戶聽到忙音。而在 CDMA 系統(tǒng)中，用戶數(shù)目與服務(wù)質(zhì)量 (FER 對應(yīng)的 SIR)有關(guān)。系統(tǒng)經(jīng)營者可以在話務(wù)量高峰期將 FER 稍微提高去增加信道數(shù)。與此同時(shí)，相鄰小區(qū)的負(fù)荷較輕時(shí)，本小區(qū)受到干擾減少，容量可以適當(dāng)增加。 體現(xiàn)軟容量的另一種形式是小區(qū)的呼吸功能。小區(qū) 呼吸功能指的是各個(gè)小區(qū)的覆蓋大小是動態(tài)的，負(fù)荷較大的小區(qū)通過減少導(dǎo)頻發(fā)射功率使本小區(qū)邊緣用戶切換到相鄰小區(qū)，減輕負(fù)荷，增加了容量。 （三） 話音質(zhì)量高 由于 CDMA 通信系統(tǒng)使用了先進(jìn)的傳輸技術(shù)，所以才能提供高的話音質(zhì)量。這些傳輸技術(shù)包括：分集技術(shù)和糾錯(cuò)技術(shù)，它們保證了所傳輸信號的低 FER。 （四） 掉話率低 移動電話通話時(shí)造成中斷掉話的主要原因有：頻繁的切換、各種干擾、信號的快衰落、覆蓋信號弱等方面。在同樣覆蓋情況下， CDMA 系統(tǒng)的掉話之所以遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于其他系統(tǒng)，是由于 CDMA 技術(shù)本身允許他采用一些其他技術(shù)體制所無法使用的技術(shù) 手段。 軟切換：軟切換是指當(dāng)移動臺需要切換時(shí)，必須先與新的基站連通再與原基站切斷聯(lián)系。軟切換只能在同一頻率的信道間進(jìn)行，在頻分和時(shí)分系統(tǒng)中為避免同頻和互調(diào)干擾，頻率使用要嚴(yán)格按照頻率的分配原則進(jìn)行，所以模擬系統(tǒng)和 GSM 系統(tǒng)都不具有這種功能。它可以有效地提高切換的可靠性，大大地減少切換造成的掉話。據(jù)統(tǒng)計(jì)，模擬系統(tǒng)和 GSM 系統(tǒng)無線信道上的掉話有 90％發(fā)生在切換中。同時(shí)，軟切換可以提供分集，從而保證了通信質(zhì)量。 高效的功率控制：在 CDMA 系統(tǒng)中，功率控制具有快速、高靈敏度、大范圍的特點(diǎn)。系統(tǒng)中同時(shí)采用了開環(huán)和閉環(huán) 兩種控制形式，這樣就可以避免了由于快衰落引起的掉話。 有效的抗干擾：在抗多徑干擾引起的掉話方面， CDMA 系統(tǒng)中手機(jī)使用 3 端口 (基站使用4 端口 )rake 接收機(jī)，它可將接收到的多徑信號分離再合并，把干擾信號變成有用信號，消除干擾，在減少了通話中斷的同時(shí)提高接收 SIR。 （五） 頻率利用率高 CDMA 系統(tǒng)頻率的復(fù)用率為 1，即所有基站的所有扇區(qū)全部共享相同的 CDMA 頻率，從而極大地提高了頻率的利用率。同時(shí)也大大減輕了系統(tǒng)規(guī)劃所需工作量，也避免了由于頻率復(fù)用帶來的同頻干擾和掉話。 5 （六） 話音激活 典型的全雙工雙向通話中，每次通話的 占空比小于 35％，在 FDMA 和 TDMA 系統(tǒng)里，由于通話停等時(shí)重新分配信道存在一定的時(shí)延，所以難以利用話音激活因素。 CDMA 系統(tǒng)使用了可變速率聲碼器，這樣就會在不講話時(shí)傳輸速率降低，減輕對其他用戶的干擾。 （七） CDMA 系統(tǒng)輻射低 CDMA 系統(tǒng)輻射低是得益于高精度、高速度的功率控制。由于在 CDMA 系統(tǒng)中，所有手機(jī)用戶與基站進(jìn)行通信時(shí)，是同時(shí)使用同一個(gè) 1． 25MHz 帶寬的頻點(diǎn)，為減少手機(jī)間的相互干擾以便能容納更多用戶同時(shí)通話， CDMA 對功率的自動控制要求特別高。它要求到達(dá)基站的各手機(jī)信號強(qiáng)度一致，并且始終保持 在最佳狀態(tài)，在任何完全均衡的情況下，使 FER 保持為 1％ 。 現(xiàn)在 IS95 規(guī)定手機(jī)的最大發(fā)射功率為 200 毫瓦，是 GSM 手機(jī)的十之一，這是由于現(xiàn)在CDMA 使用的無線信道帶寬是 1． 25MHz， 碼相關(guān)解調(diào)可產(chǎn)生很高的處理增益，同時(shí)由于使用了語音激活、 rake 接收機(jī)等技術(shù)手段，使實(shí)際要求終端通話時(shí)發(fā)射功率很低。這使得移動終端自身的耗電也大大降低，電池使用時(shí)間更長。 三、 CDMA 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) CDMA 在蜂窩網(wǎng)移動通信中應(yīng)用，必須針對移動通信特點(diǎn)，解決相關(guān)的技術(shù)問題；移動要求進(jìn)行自動功率控制；解決移動通信信道中衰落問 題，需采用分集接收技術(shù)；為了提高頻帶利用率，采用正交擴(kuò)頻調(diào)制；其它還有低速話音編碼及過區(qū)切換等技術(shù)。 （一） 擴(kuò)頻技術(shù) CDMA 給每一用戶分配一個(gè)唯一的碼序列，即擴(kuò)頻碼，并用它對信號進(jìn)行編碼。然后知道該碼序列用戶的接收機(jī)對收到的信號進(jìn)行解碼，并恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)，這是因?yàn)樵撚脩舸a序列與其它用戶碼序列的相關(guān)性是很小的。由于碼序列的帶寬遠(yuǎn)大于所承載信息的信號的帶寬，編碼過程擴(kuò)展了信號的頻譜，所以也稱為擴(kuò)頻調(diào)制，其所產(chǎn)生的信號也稱為擴(kuò)頻信號。 CDMA通常也用擴(kuò)頻多址 (SSMA)來表征。對所傳信號頻譜的擴(kuò)展給予 CDMA 其多址能力。因此，對擴(kuò)頻信號的產(chǎn)生及其性能的了解就十分重要。 （二） 功率控制 在 CDMA 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 6 關(guān)特性，用戶發(fā)射功率的大小將直接影響系統(tǒng)的總?cè)萘?，因此使得功率控制技術(shù)成為 CDMA系統(tǒng)中的最為重要的核心技術(shù)之一。本文下各章節(jié)就是主要針對 CDMA 系統(tǒng)中的核心技術(shù)之一的功率控制技術(shù)作以詳細(xì)的論述。 （三） 軟切換技術(shù) 移動臺開始與新的基站通信但不立即中斷它和原來基站通信的一種切換方式稱為軟切換。軟切換只能在同一頻率的 CDMA 信道中進(jìn)行，軟切換是 CDMA 蜂窩系統(tǒng)獨(dú)有的功能，可有效地提高切換的可靠性。而且當(dāng)移動臺處于小區(qū)的邊緣上，軟切換能夠提供正向信道和反向信道的分集，從而保證通信的質(zhì)量。 （四） 分集接收 移動通信中衰落問題尤為突出，它是影響通信質(zhì)量的主要因素，衰落深度可達(dá) 30到 40dB。如果想加大發(fā)射功率來克服這種深衰落是不現(xiàn)實(shí)的，這樣會造成對其他用戶的干擾，分集接收是抗衰落的一種有效措施，它廣泛的應(yīng)用于蜂窩網(wǎng)移動通信系統(tǒng)。 所謂分集接收是指接收端對它收到的多個(gè)衰落特性相互獨(dú)立 (攜帶同一個(gè)信息數(shù)據(jù)流 )的信號進(jìn)行特定的處理，以降低信號電平起伏的辦法。