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反向闭环功率控制仿真研究

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    反向闭环功率控制仿真研究

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    V oI.25  N o 1  Radio Comm unications Technology  维普资讯 http://www.cqvip.com 1999  CDMA 反 向 闭环 功 率 控 制 仿 真 研 究  1 概述  在 CDMA 通 信 系统 中,反 向功 率 控 制 的 目 的是  使每个 移动 台 的发 射 功率 接 近 所 需信 噪 比的最 小  值 ,各移动 台到达基 站的信号有大致相 同的强 度,以  克 服 “远近 效 应 ”。  目前 .反 向功率 控制采 用 了开 环与闭环功 率控  制 相 结 台 的 措 施 。 开 环 功 率 控 制 是 指 移 动 台通 过 测  量从基站发 来的信 号功率 ,估计 出前 向链路 中的路  径 损耗 .以此 来 确 定 移 动 台 自身 发 射 信 号 的 平 均 功  率 。依照 Is一95标准 ,CDMA 蜂窝 系 统的前 、反 向  链 路 间存 在 着 45MHz的频 道 间 隔 ,其 衰 落 过 程 是 相  互 独 立 的 ,两 者 的 慢 衰 落 特 性 大 致相 同 ,快 衰 落 特 性  却差 别 很 大 。 这就 要 求 采 用 闭环 功 率控 制对 其 做 进  一 步 的调 整 。 闭 环 功 率 控 制 的 效 果 将 直 接 影 响 系统   的用 户容量和通信 质量。  本 文 着 重 对 DM 和 PcM 两 种 反 向 闭 环 功 率 控  制方 法 进 行 分 析 研 究 ,对 其 中 存 在 的 环 路 时 延 问 题   提 出 了初 步 的 改 进 方 案 ,并 进 行 了 计 算 机仿 真分 析 。  2 反向闭环功率控制的方法  反 向闭 环 功 率 控 制是 由 基 站 协 助 移 动 台完 成 。  … … … … . £  赋  … … … … … …  基站周期性地 检测反 向业务信道 的信噪 比。 当信噪  比高于门限值 时,从 前 向业务信 道指示 移动 台 降低  发射功率 ,当信噪 比低 于门限值 时指示 移动 台增 加  发 射 功 率 。移 动 台 从前 向业 务信 道 中提 取 基 站 的功  率 控 制 命 令 ,相 应 地 调 节 发 射 功 率 。 图 1为 典 型 的  反 向闭 环 功 率 控 制 的 方框 图 。  · 移 动 台 发 射 信 号 功 率 M (t)受 信 道 增 益  O(t),噪声 n(t),干 扰 I(t)影 响 ,到达 基 站 。  · 基 站 在 每 11P时 间段 内 测 试 接 收 到 的平 均 功  率 百或平均 信噪 比百承 ,其值为  --去』Mct ㈤dt  ㈣  』M(t)·G(t)dt  —SIR = ≠————一   (2)  I(I(t)+ n(t))dt  CDMA反 向 闭 环 功 率 控 制 又 分 为 基 于 平 均 功 率  (strength—based)和 基 于 平 均 信 噪 比 (SIR—based)  两 种 。  · 基 站 将 每 T 段 内 测 出 的 结 果 与 期 望 值 D 比  较 ,将产生 的误差 err进行 判决,产生功 率控 制命 令  (cmd),由 前 向 业 务 信 道 进 出 。  · 移动台从前 向业务信道提取 出功率控制命令  后 ,按命 令 调 节 发 射 功 率 (emd*△p)。  几种有代表性 的方法 :  ① DM 方 法 :这 是 最 简单 的方 法 ,基 站 发 出 的功  率 控 制 命 令 :  … … … … C 舅  … … … … … …j  囤 1 应 向 闭 环 功 率 控 制 方 框 固  1998年 9 月 8 日 收 稿   — — 46 ——  cmd= {一I。  这 种 方 法 的 缺 点 是 每 次 改 变 的步 长 固 定 (  △P),因  此 不 能 及 时 跟 踪 快 衰 落 的 急速 变 化 部 分 。  ②PCM 方 法 … :这 种 方 法 是 在 DM 方 法 基 础  上 ,为 弥 补 DM 方 法 缺 点而 提 出的 :  维普资讯 http://www.cqvip.com 第 2s卷 第 1期  无 线 电 通 信 技 术  1999  if key∈ (n—O 5,∞ )  it"keyC- (n一1.5,I1~0 5]  ~ 1  trod=  0  1  i{keyC-(O 5.1.5]  if k  (一0.5,0.5】  if key∈ (一 1.5.一0 5]  if key∈ (一n+0.5.一n+1.5】  if key∈ (一o0,一n+0.5]  其 中 ,key ̄ err,△P,△P是功 率 调 节 的 最 小 步 长 。  PCM 方法能弥 补 DM 方法不足 ,因为它有 更大  的动态调节 范 围,能及时跟上快衰落 。但是 ,随着环  路时延  增 大 ,PCM 方 法 的 中断 率 上 升 很 快 ,在  =2TP时 ,达 到 甚 至 比 DM 方 法 的 中 断 率 更 大 。  这 是 因 为 功 率 控 制 命 令 是 有 延 时 的 ,  增 大 后 ,  PCM 方法的大动态调整范 围会带 来更 大的错误。  下 面举 例 说 明 :取 △P=ldB.err=3dB。从 图 2,  在 理 想 情 况 (Td=TP)下 ,PCM 方 法 一 次调 整就 可使   erT=0,而 DM 方 法 则 需 三 次 ,故 PCM 方 法 能 快 速   跟 踪信 道 增 益 变 化 。 图 3为 Ta=3T 时 ,PCM 与  DM 方 法 的 比较 。 在 移 动 台 收 到 基 站 第 一 个 命 令 并   按 命 令 调 整 发 射 功 率 前 ,基 站 又 发 了 两 次 相 同 的 调  整命令 ,显然 后两命 令是多余 的,造成移动 台发射功  率 的重 复 过 量 调 整 。 由 于 PCM 方 法 的 一 次 调 整 量  较 大 ,造 成 的错 误 也 就 更 大 。  (a)PCM 方 挂  (b)DM 方 挂  图 2 理 想 情 况 下 调 整 特 性  ●邮 )  (自)PCM方 {盅  国 3  1 =3Tp时 调 整 特 性  ③ 自适 应 模 糊 比倒 积 分 方 法 口】:把 模 糊 控 制 理  论 应 用于 功 率 控 制 ,使 基 站 能 预 测快 衰 落 的波 形 ,从  而使移动 台自动调 节功率 调整步长。这 种方法是 目  前较 为理 想 的方法 ,缺点则是控制 较复 杂。  ④PCM 方 法 的改 进 方 案 】:从 上 面 PCM 方 法  的分 析 ,为了消除环路延时造成 的不 良影 响,应保证  T :T 。故 此 我 们 提 出 了 基 站 可 采 用 丢 掉 部 分 检   测结 果的方法 。如 上例 ,则基站每发 一个 命令,砌将  随 后两 个 命 令 强 制 为 零 发 出 ,消 除 重 复 过 量 调 整 。  这种方法 实 际上 就是 使 TP增 加 了两倍 ,以 TP。表  示 ,使 系 统 的 T  Tp  3 反 向闭 环功 率控 制 的仿 真 模 型  · 信道仿真 模型 :反 向链路 的信道 增益 G(t)可  表示 为 :O(t)=L(t)·S(t)。  .(3)  式 中 L(r)为信道 的长 期衰 落,也 称为 慢衰 落,由移  动 台所 处 的位 置 和 环 境 决 定 :  L(t)=k·r~ ·10rd 。  (4)  式 中 k是 一个 常 数 ,r是 移 动 台 与 基 站 的距 离 ,a称  为路径损耗指 数。  是一个 正 态分布 的随机 变量 ,  - N(0,  )。  S(t)为信道 的短 期衰 落,也称为快 衰落 ,由多径  传 输 引起 。s(t)服 从 Nakagami一1"i2分 布 。 N ̄kaga。  m卜 m分布 是用 来描 述 无线信道 的 函数口】,它的概  率 密 度方 程 为 :  1  g(p) 志 (m) pm~exp(一m’p),g>0 (5)  Nakagami~m 分 布 即 是 F(m,m)的分 布 。  Nakagami一1的衰 落 即 是 瑞 利衰 落 。 当 两 路 具  有相同平均功率 的独立 的 Nakagami一1衰 落(瑞利  衰落 )的信 号 合 成,则 合 成 信号 服 从 Nakagami一2  分 布 … 。 一 般 基 站 使 用 多 支 分 集 天 线 ,使接 牧 信 号   的 短 衰 落 服 从 Nakagami一1"i2(m≥2)分 布 。  另 外 ,当 移 动 台 以 一定 速 度 移 动 时 .信 号 受 多 普  勒 效 应 的影 响 。 把 最 大 多 普 勒 频 率 由抽 样 率 1/1-P  来归一化 ,甩 f 1’P来表示 :  f ̄,Tp=÷TP=  T  (6)  式 中,v是 移 动 台 的 速 度 ,  是 信 号 中 tL,波 长 ,  是  信号 的中 心 频 率 ,c为光 速 。  · 小 区仿真 :一般是 建立一个包括 中心 小区(叉  称本 地 小 区 )以 及 环 绕 该 小 区 的两 层 (有 18个 小 区 )  蜂窝系统模型 .更 外层的干扰忽略不计。  · 仿真分析 及性能判断标准:一般将系统 中断率  (outage pr obability)作 为 衡 量 系 统 性 能 的 标 准 。记 通  信链路 i的中断率为:  );Pr{§匾 <smo}。  (7)  式中,吾蕊 为第 i路的 SIR的平均值,sI  是为达到  一 定 的误 比 特 率 丽 要 求 的 最 小 SIR 值 。 系 统 的 中  断率 P0,定 义为 中一tL- ̄j,区内的所有链 路的 中断率 的  平 均值 :  蕊   s·  ㈤   — — 47 ——  维普资讯 http://www.cqvip.com V o1.25  NO.1  Radio Com m unications Technology  1999  式 中,LK是 中心 小区 内所 有链路 的集 合,『LK『是 该  集 合 的大 小 。  · 仿 真 步 骤 如 下 所 示 (见 图 4):  增大,将影响通信质量。从表 1与 图 5可见.  的影  响是相 当 大 的 。  ·K 与 n的影 响 :K 表征 环 路 时 延的 大 小 。随 着  K 增大 ,系统性 能 下降 。 当 I(t过 大 ,功 率控 制无 意义。  由仿 真 数据 可 见.在 K =1时,PCM 方法 明显  优 于 DM 方法 ,且 n越 大 ,性 能 越 好 。 但 在 K 增 大  后 ,PCM 方 法 性 能 下 降 明显 .n越 大 ,性 能 越 差 。  可见,功率 控制过程 ,减少 环路时延是 十分重要的。  囊 1 紊统中断率 iK =1.蹦 力法' 衰 2 蔫撬中一}率 lm=4.  =lu)  厦 4 反 向闭环 功 率控.1进程 仿真 流 程 囤  薹亘   4 仿 真结 果 分 析  我 们对 DM、PCM 及 其 改 进 方 案巷作罨仿 真 。 采 用  了基 于平均功率 的 系统 中断 率 作为 判断准 则 ,讨 论  一  19个 小 区 的 蜂 窝 系 统 ,基 站 采 用 双 支 分 集 天 线 ;长  期衰 落 L(t)的参数选 :K=1,a=4,  =仉8; 仉移  动台速  率 v为 6~60kin/h;Fo;900Ml-Iz;  =2ms;sIRo=  一 l4dB;移 动 台 发 射 功 率 范 围 5OdB,背 景 噪 声 比 最  小发射功率低 50dB,由于距 离 引起 的m 路径 传输 损耗  范 围设 为 4OdB数 量级 ;每个 循环 周 期 内的 观 察 周  ~  期 为 600个 ,循 环 周 期 为 2000。 主 要 讨 论 以 下 参 数  在功 率 控 制 过 程 中的影 响 :①m:Nakagami—m 参  数 ;@Na:每 小 区 中均 匀 分 布 的 移嘴动嘴台哺效嗍;  ③ K。=  Td/TF;④ n:PCM 级 数 。  K 仉 c;仉 仉  ·m 的影响 :接收的快 衰落信号哪按啷N l昌a抛k agami—  m 分 布 。 在 没 有 使 用 多 径 RAKE 接 收 机 或 空 间 分  集技 术时 ,m=l,即接 收信号 是瑞 利 衰落 的。在 使  用 了 RAKE接 收 机 或 分 集 天 线 后 ,m≥ 2。  从表 1及图 5可见,  在 him2时的值 比在 1"11=  1时明显下 降,并 且随着 m增 大,P口的值 不断减 少。  同时.当 m达到 一定值后 ,P0的改善 不明显 了,如 m  =4与 m=8时 ,差 别 不大 。从 仿 真 数据 ,可 以看 到分  集技术对 O3MA系统具 有十分 重 要的 意义,能 有效  减少 信道 衰落影响。但分 集过多是没有太大意义的。  ·N 的 影 响 :No是 小 区 内 平 均 移 动 台 数 。CD.  MA 系统 的 干 扰 主 要 是 同频 干 扰 ,用 户 密度 大 ,干 扰  图 5 K =1.DM方 法 拳蟪中首  田 6 mm4./q.=10时亲炷 中|}丰  ‘ 改 进 方 案 的 结 果 分  衰 3 系统 中断率  析 :针 对 PCM 方 法 的 缺  ( :4.K.:3,N-:10)  陷t我们提出了改进方案, — —  磊  仿真结果表 明改进方 案达  i  ji一  到 了预 期 效 果 ,比 原 PCM  n=5 0.2O6  0.037  方法性能优越 。  :!  : 坚  :  5 结论  功率控制是 CDMA系统十分 重要的 一项 技术 ,  本文对 目前 几 种反 向 闭环功 率 控 制方 法作 理论 分  析,针对 环路时 延提 出了初步改进方 案 ,进行 了计算  机 仿 真 ,并 对 结 果进 行 分 析 。  参 考文 献  l  cam s— Ju  .Jeh一  Lee.and Fang一 0   Ren.De-  sign of power control nzehanisr ̄ with PCM  n K嗣  forthe  of a 136 一 a )M A cellular r  幽   蛐 .啦   Tram .v出.Teehno1..1996.8;45(3):522~529  2  Christopher C.Tan and Norman C.B鼬 uI|创 .Infi nite ser ies   ̄ tatlolm  the bivariate Saytdsh and Nak ̄ ami—m  distrilmtlon ̄ IEEE Traus.Columun.,l997.10;45(10):  l1 9~ l161  3  Po—RongCheng andBor—Ch in W ang.Adaptivefur.zy pro-  po rtional integral power om trd for a cellular∞ M A s ̄ tem  with time delay.IEEE J.Select.Areas G  rII∞ .,1996.12;  l4(9):l818~ l829  4 王恒辉 ,杨 东# ,叶 捂 .∞ MA 亲兢 功 率控 制 中的 时 延 问  题及 改进 方 击 广 州 :华南 理工 大 学 学报 ,l998。lO  — — 48 —— 

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