【正文】 參 考 文 獻(xiàn) [1] 任鋒、曹達(dá)仲， DSCDMA 系統(tǒng)中的功率分配算法的研究”《郵電設(shè)計(jì)技術(shù)》1999 年第 9 期 [2] 任鋒、曹達(dá)仲，“第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中的多載波 CDMA,《 99 天津市面向 21世紀(jì)信息技術(shù)、電子技術(shù)、儀器儀表技術(shù)與產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略研討會(huì)暨學(xué)術(shù)會(huì)議》， 1999 年9 月 [3] 孫立新、刑寧霞著 CDMA(碼分多址 )移動(dòng)通信技術(shù)》 人民郵電出版社， [4] 吳偉陵．移動(dòng)通信中的關(guān)鍵技術(shù) 北京：北京郵電大學(xué)出版社， 2021 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 教研室主任簽字： 年 月 日 備注：此任務(wù)書由指導(dǎo)教師填寫，并于畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )開始前下達(dá)給學(xué)生。但是， CDMA 系統(tǒng)是干擾受限系統(tǒng)，隨著用戶數(shù)的增多，來自其他用戶的干擾會(huì)越來越大，最終導(dǎo)致信號(hào)無法正確檢測(cè)，干擾的大小嚴(yán)重影響系統(tǒng)容量和通信質(zhì)量。與此同時(shí)，采用適宜的發(fā)射功率還有助于提高移動(dòng)終端電池的使用壽命，從而延長其使用時(shí)間。 對(duì)于 CDMA 系統(tǒng)來說，采用有效的功率控制技術(shù)是提高無線通信系統(tǒng)容量的主要方法之一。 最后，通過分析結(jié)果表明：自適應(yīng)變步長功率控制方案與固定步長算法仿真的比較，得出這種算法通過動(dòng)態(tài)改變可以更加適應(yīng)功率 的變化，有效降低中斷概率，收斂速度大大加快的結(jié)論。而功率控制是有效降低同頻干擾的方法，是 CDMA 移動(dòng)通信系統(tǒng)中重要的手段。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。由于基站與本小區(qū)各個(gè)用戶之間的距離不同，信號(hào)傳輸?shù)穆窂讲煌?，存在?yán)重的遠(yuǎn)近效應(yīng)。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。 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(hào)和接收信號(hào)對(duì)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]。 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(duì)應(yīng)特征向量的問題。 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。 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]。 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]。 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(duì)比分析結(jié)果。 第二章，從理論上介紹 CDMA 通信系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)，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)。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)。通過自適應(yīng)變步長和固定步長功率控制算法的對(duì)比，得出這種算法通過動(dòng)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。對(duì)全文做出總結(jié)和補(bǔ)充，及其對(duì)未來的展望。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)。 一、 CDMA 定義 在 CDMA 中，不同的用戶傳輸信息所用的信號(hào)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(duì)它的承載信息信號(hào)進(jìn)行編碼。 （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。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)。 體現(xiàn)軟容量的另一種形式是小區(qū)的呼吸功能。 （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。 （四） 掉話率低 移動(dòng)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(hào)的快衰落、覆蓋信號(hào)弱等方面。 軟切換：軟切換是指當(dāng)移動(dòng)臺(tái)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。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。同時(shí)，軟切換可以提供分集，從而保證了通信質(zhì)量。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。 （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。 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。 （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。它要求到達(dá)基站的各手機(jī)信號(hào)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％ 。這使得移動(dòng)終端自身的耗電也大大降低，電池使用時(shí)間更長。 （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(duì)信號(hào)進(jìn)行編碼。由于碼序列的帶寬遠(yuǎn)大于所承載信息的信號(hào)的帶寬，編碼過程擴(kuò)展了信號(hào)的頻譜，所以也稱為擴(kuò)頻調(diào)制，其所產(chǎn)生的信號(hào)也稱為擴(kuò)頻信號(hào)。對(duì)所傳信號(hào)頻譜的擴(kuò)展給予 CDMA 其多址能力。 （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。 （三） 軟切換技術(shù) 移動(dòng)臺(tái)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。而且當(dāng)移動(dòng)臺(tái)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。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(huì)造成對(duì)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(dòng)通信系統(tǒng)。 （五 ） 自適應(yīng)天線 從本質(zhì)上說，智能天線技術(shù)是雷達(dá)系統(tǒng)自適應(yīng)天線陣在通信系統(tǒng)中的新應(yīng)用。智能天線技術(shù)用于 CDMA 系統(tǒng)是比較合適的，能夠起到在較大程度上抑制多用戶干擾，從而提高系統(tǒng)容量的作用。 （六） PN 碼技術(shù) 在通信理論中，所謂白噪聲是一種隨機(jī)過程，它的瞬間值是服從正態(tài)分布的，其功率譜在極寬范圍內(nèi)是均勻的。 第二節(jié) CDMA 通信系統(tǒng)的功率控制技術(shù)原理分析 一、功率控制的作用 功率控制技術(shù)在蜂窩移動(dòng)通信中得到廣泛的應(yīng)用。通過適當(dāng)?shù)墓β收{(diào)整減小同信道干擾的有害作用，就可以進(jìn)行更高密度的復(fù)用，提高了系統(tǒng)容量。 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(gè)用戶通信質(zhì)量的前提 下，盡可能減少每一個(gè)用戶的發(fā)射功率，從而減小多址干擾，同時(shí)還可以有效地克服遠(yuǎn)近效應(yīng)和角效應(yīng)的影響，最終增加系統(tǒng)容量。 從另一個(gè)角度講，由于 CDMA 系統(tǒng)是一個(gè)功率正反饋系統(tǒng)，從而降低系統(tǒng)內(nèi)的干擾水平，就可最大化系統(tǒng)的容量和最優(yōu)化系統(tǒng)的性能。 二、功率控制的必要性 CDMA 系統(tǒng)是一種干擾受限系統(tǒng)，由于所有的移動(dòng)臺(tái)在相同的頻段傳送信號(hào)，因此系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)在干擾在決定系統(tǒng)容量和話音質(zhì)量方面起到了關(guān)鍵作用。 當(dāng)移動(dòng)臺(tái)到處移動(dòng)時(shí)，由于快衰落，陰影效應(yīng)，慢衰落，外部干擾和其他因素造成了處于不斷變化中。然而由于基站的非相干檢測(cè)，在上行鏈路干擾比下行鏈路的干擾嚴(yán)重得多。 為解決遠(yuǎn)近效應(yīng)，在 CDMA 系統(tǒng)中同樣需要功率控制。接收功率電平的目標(biāo)值必須使鏈路能夠滿足用于定義的性能指標(biāo) （ BER， FER，容量，掉話率和覆蓋）的最小電平值即門限制。 在 CDMA 系統(tǒng)中話音質(zhì)量性能按照 FER 來度量。 FER 與導(dǎo)頻信干比有很大程度的關(guān)聯(lián)，同時(shí)， FER 還取決本地傳播條件，車輛的速度。 三、功率控制的基本依據(jù) 鏈路級(jí)功率控制中有如下三種功率控制測(cè)量依據(jù)：信號(hào)強(qiáng)度，信噪比，誤碼率。 基于信噪比 SIR 平衡準(zhǔn)則是指在接收端接收到的有用信號(hào)比干擾之比相等為功率控制準(zhǔn)則，對(duì)于上行鏈 路 SIR 平衡的目標(biāo)是使各個(gè)移動(dòng)臺(tái)到達(dá)基站的信號(hào)干擾比相等；對(duì)于下行鏈路， SIR 平衡的目標(biāo)是使各個(gè)移動(dòng)臺(tái)接收到的基站的信號(hào)干擾比相等。然而， SIR 算法存在一個(gè)潛在的很嚴(yán)重的正反饋導(dǎo)致危及系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。 基于誤碼率 BER 為參數(shù)的功率控制算法，誤碼率是平均錯(cuò)比特?cái)?shù)與原信息序列的比特?cái)?shù)的比值。這樣一來，使用 BER 比使用 SIR 的性能更好。 第三節(jié) 功率控制技術(shù)的分類 從不同角度來考慮有不同的功率控制方法，比如若從通信的上、下行鏈路角度來考慮， 一般可分為反向功率控制與前向功率控制；若從實(shí)現(xiàn)功控的方式則可劃分為：集中式功率控 制與分布式功率控制：還可以從功控環(huán)路的類型來劃分，又可分為開環(huán)功控與閉環(huán)功控。 （一） 反向功率控制 即 上行鏈路的功率控制。 反向功控使各用戶之間相互干擾最小，并能達(dá)到克服“遠(yuǎn)近效應(yīng)”的目的。反向功率控制原理如圖 ： 基站發(fā)射機(jī) 前向鏈路 移動(dòng)臺(tái)接收機(jī)估算損耗 移動(dòng)臺(tái)發(fā)射機(jī) 反向鏈路 基站接收機(jī) 調(diào)整發(fā)射功率 發(fā)射導(dǎo)頻信號(hào) 圖 反向功控原理圖 接收導(dǎo)頻信號(hào) 反向鏈路功率控制 前向鏈路功率控制 功率控制算法 連續(xù)功率控制 離散功率控制 集中式功率控制 分布式功率控制 基于強(qiáng)度的功率控制 基于信干比的功率控制 基于誤比特率的功率控制 閉環(huán)功率控制 開環(huán)功率控制 開環(huán) 閉環(huán)混合功率控制 固定步長功率控制 自適應(yīng)步長功率控制 圖 功率控制的分類 10 CDMA 系統(tǒng)的通信質(zhì)量和容量主要取決于收到的干擾的大小。 反之，若基站接收到某一移動(dòng)臺(tái)功率太高，雖 然保證了該移動(dòng)臺(tái)與基站間的質(zhì)量，卻對(duì)其它移動(dòng)臺(tái)增加了干擾，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)質(zhì)量惡化和容量的減小，只要當(dāng)每個(gè)移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率控制到基站所需信噪比的最小值時(shí)，通信系統(tǒng)的容量才能達(dá)到最大值。上行鏈路開環(huán)功率控制亦稱為反向鏈路開環(huán)功率控制，稱為反向開環(huán)功率控制。開環(huán)功率控制的響應(yīng)約毫秒級(jí)，控制動(dòng)態(tài)范圍約有幾十分貝。它對(duì)于慢衰落是比較有效的，即對(duì)車載移動(dòng)臺(tái)快速駛?cè)敫叽蠼ㄖ镎诒螀^(qū)所引起的衰落，通過開環(huán)功率控制可以減小慢衰落影響。一般這種功率調(diào)整指令每 1ms 發(fā)送一次。 （二） 前向功率控制 是指下行鏈路的功率控制。若基站采用同步 CDMA，并且選用完全正交擴(kuò)頻碼，理想情況下基站發(fā)射給每個(gè)移動(dòng)臺(tái)擴(kuò)頻信號(hào)如果是完全正交，則移動(dòng)臺(tái)間干擾就不存在。實(shí)際上，信道是時(shí)變多徑衰落存在的，理想同步是很難達(dá)到，尤其是在多小區(qū)條件下，所以此時(shí)前向功 率控制是有必要的。 正向鏈路也稱為下行鏈路，它是調(diào)整基站向移動(dòng)臺(tái)發(fā)射的功率。 下行功率控制方法與上行功率控制相類似，下行功率控制由移動(dòng)臺(tái)檢測(cè)基站發(fā)來的信號(hào)的強(qiáng)度，并不斷的比較信號(hào)電平和干擾電平的比值?；臼盏秸{(diào)整功率的請(qǐng)求后，按 的步長調(diào)整階距改變相應(yīng)的發(fā)射功率。它可采用開環(huán)功率控制方式，就是由基站去檢測(cè)移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)強(qiáng)度，然后估計(jì)反向傳輸?shù)膿p耗并相應(yīng)調(diào)整該移動(dòng)臺(tái)的功率。集中式功控最大的難點(diǎn)是要求系統(tǒng)在每一個(gè)時(shí)刻 (時(shí) 間間隔內(nèi) )獲得一個(gè)歸一化的鏈路增益矩陣，這在一個(gè)用戶較多的小區(qū)中是難以實(shí)現(xiàn)和難以得到的。分布式功控算法首先是在窄帶蜂窩系統(tǒng)中提出并通過迭代方式近似地實(shí)現(xiàn)最佳功控，而在迭代過程中只需各個(gè)鏈路上即刻接收到的 SIR，即使估計(jì)的 SIR 有誤差，分布式 SIR 平衡算法仍然是一種有效算法。 三、 開環(huán)功率控制與閉環(huán)功率控制 （一） 開環(huán)功控 開環(huán)功控 (Open Loop Power Control， OLPC)建立在上行鏈路與下行鏈路具有相同的通信環(huán)境情況之上，假定具有一致的信道衰落。開環(huán)功率控制的主要特點(diǎn)是不需要反饋信息，因此在無線信道突然變化時(shí)，它可以快速響應(yīng) 12 變化，此外，它可以對(duì)功率進(jìn)行較大 范圍的調(diào)整。 WCDMA 協(xié)議中要求開環(huán)功率控制的控制方差在 10dB 內(nèi)就可以接受 。當(dāng)移動(dòng)臺(tái) (或基站 )接收到的信號(hào)很強(qiáng)時(shí)，表明移動(dòng)臺(tái)與基站之間距離很近，或者是有一個(gè)很好的傳播路徑，這時(shí)移動(dòng)臺(tái) (或基站 )可以降低它的發(fā)射功率；相反，就增加發(fā)射功率抵消信道衰落。然而對(duì)于 CDMA／ TDD，即時(shí)分雙向雙工的體制中，上、下行鏈路處于同一頻段不同時(shí)隙，這時(shí)信道上、下行基本上是對(duì)稱的，開環(huán)功控可以達(dá)到相當(dāng)高的精度要求。它由基站通過前向下行鏈路將基站功控命令傳送給各個(gè)移動(dòng)臺(tái)，移動(dòng)臺(tái)根據(jù)此命令在開環(huán)所選擇發(fā)射功率的基礎(chǔ)上，上升或下降一個(gè)固定的量，以保持基站接收到的 SIR 基本相等。然