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蜂窝移动通信分布式功率控制及其性能分析

作　者: 张艳荣
导　师: 范平志
学　校: 西南交通大学
专　业: 交通信息工程及控制
关键词: 蜂窝移动通信 CDMA 分布式功率控制联合功率和速率控制串行干扰消除
分类号: TN929.5
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

在蜂窝移动通信系统中，功率控制是最重要的系统要素之一。对FDMA／TDMA系统，它的主要作用是减少共信道干扰，提供“更紧密”的频率资源复用，从而提高系统容量。在CDMA系统中，为了有效地解决“远—近”效应和小区边缘问题，功率控制对CDMA系统显得尤为重要。没有功率控制，CDMA系统的容量甚至会低于FDMA系统。另外，从经济的角度考虑，功率控制还能最大限度地降低移动台发射功率，从而延长移动台电池使用寿命。本论文针对蜂窝移动通信系统的分布式功率控制以及在采用功率控制后系统的性能进行了深入地研究。分布式功率控制算法在实际系统中应用时，存在着诸如时延和信号测量困难等我们所不希望的问题。因此提高分布式功率控制算法的迭代速度一直是研究人员关注的焦点。首先，本论文提出了一种适合于FDMA或TDMA蜂窝移动通信系统的基于信干比(SIR)平衡的新型分布式功率控制算法。研究结果表明，无论是一维蜂窝系统还是二维蜂窝系统，它都大大地减少了迭代步数，从而使迭代速度明显提高。3G和未来的4G移动通信系统将提供诸如高速数据、视频、高质量图像传输等宽带数据业务。这些服务大多数是下行传输，从而使下行链路的功率控制与上行链路的功率控制变得同样重要。本文针对OVSF-CDMA和MC-CDMA蜂窝通信系统的下行链路，提出了一种基于贪心算法的速率分配方案，并从理论上证明了该方案能够以最小的基站总发射功率提供最大的系统吞吐率。在此基础上，提出了一种适合于蜂窝通信的分布式联合功率和速率控制方案。研究结果表明，实际系统中轻负荷和重负荷时系统的稳态发射功率受正交化因子影响很小，但在中负荷情况下，系统的稳态发射功率随正交化因子增大而显著上升。研究还表明，轻负荷时每个用户都可以最高数据速率传输数据，而在中负荷和重负荷情况下，用户的平均数据传输速率会随着正交化因子的增大而很快下降。在CDMA系统中，为了能够得到更好的网络容量，联合功率和速率控制受到了广泛的关注。但目前发表的文献中，很难兼顾语音和数据用户各自的特点。所以本文针对综合语音和数据业务的CDMA蜂窝系统的上行链路，提出了四种基于业务优先级的联合功率和数据速率控制算法并仿真了它们的性能。这四种算法为：PBCPRC(基于优先级的联合功率和速率控制)方案，PBSPC方案(基于优先级的选择性功率控制)，SIRPBCPRC方案(基于SIR和业务优先级的联合功率和速率控制方案)和改进的SIRPBCPRC方案。它们的共同特点是：在进行资源分配时考虑了语音业务的实时性，给予语音用户更高的优先级。仿真表明，与不区分优先级的相应方案相比，本文提出的这四种方案都大大降低了语音业务的中断概率(甚至到0)，而代价是数据用户传输速率的降低。同时，本文还对这四种算法进行了综合评价：从各种性能综合考虑，当系统重负荷时，改进的SIRPBCPRC方案应该是这四种方案中最佳的选择。功率控制对CDMA系统的容量有很大影响。本文研究了在瑞利衰落和非理想功控条件下采用最大比合并的RAKE接收机的OVSF—CDMA多业务系统的容量，针对国外某刊物论文存在的问题给出了正确的数值结果。并对最佳接收功率比的取值为定值的数值结果给予了理论说明。从理论上研究了多速率单小区CDMA系统的上行链路在AWGN环境下采用线性串行干扰消除SIC接收机的性能。对传统单用户接收机双速率系统，线性SIC双速率系统以及理想SIC双速率系统的容量极限给出了闭合表达式。

全文目录

摘要  7-9
Abstract  9-11
目录  11-14
图表索引  14-17
符号和缩略词表  17-18
第一章绪论  18-32
  1.1 蜂窝移动通信系统与功率控制的必要性  18-20
  1.2 蜂窝移动通信功率控制基本原理  20-21
  1.3 移动通信功率控制研究国内外现状  21-28
    1.3.1 功率控制算法类型  21-25
    1.3.2 联合功率控制算法  25-28
  1.4 本文研究工作思路、主要贡献与论文内容组织  28-32
第二章 FDMA/TDMA蜂窝系统的分布式功率控制  32-41
  2.1 问题的提出  32
  2.2 分布式功率控制系统模型  32-33
  2.3 分布式功率控制算法  33-36
    2.3.1 分布式功率控制算法步骤  33
    2.3.2 功率迭代函数  33-35
    2.3.3 用户移去原则  35-36
  2.4 仿真结果  36-39
    2.4.1 仿真环境  36-37
    2.4.2 仿真结果  37-39
  2.5 本章小结  39-41
第三章基于贪心算法的多小区CDMA系统下行链路联合功率和速率控制  41-55
  3.1 问题描述  41-44
    3.1.1 OVSF-CDMA系统速率分配问题  41-44
    3.1.2 MC-CDMA系统速率分配问题  44
  3.2 多小区GRS算法  44-46
    3.2.1 OVSF-CDMA系统的多小区GRS算法  45-46
    3.2.2 MC-CDMA系统的多小区GRS算法  46
  3.3 多小区GRS算法的最佳性  46-49
    3.3.1 MC-CDMA系统中多小区GRS算法的最佳性  46-47
    3.3.2 OVSF-CDMA系统中多小区GRS算法的最佳性  47-49
  3.4 迭代功率和速率控制方案  49-50
  3.5 仿真结果  50-54
  3.6 本章小结  54-55
第四章基于优先级的语音/数据业务联合功率和速率控制  55-78
  4.1 问题的提出  55
  4.2 系统模型  55-58
  4.3 基于优先级的半集中式联合功率和速率控制PBCPRC  58-62
    4.3.1 PBCPRC控制算法  58-59
    4.3.2 PBCPRC算法仿真结果  59-62
  4.4 完全分布式联合功率和速率控制PBSPC算法  62-66
    4.4.1 PBSPC算法描述  62-64
    4.4.2 PBSPC仿真结果  64-66
  4.5 PBCPRC算法和PBSPC算法的比较  66-69
  4.6 基于SIR和业务优先级的分布式联合功率和速率控制SIRPBCPRC算法及改进的SIRPBCPRC算法  69-76
    4.6.1 SIRBPCPRC算法描述  69-72
    4.6.2 改进的SIRPBCPRC算法  72
    4.6.3 SIRPBCPRC和改进的SIRPBCPRC算法仿真结果  72-76
  4.7 本章小结  76-78
第五章在瑞利衰落和非理想功控条件下宽带多业务CDMA系统的容量分析  78-94
  5.1 问题的提出  78
  5.2 系统模型  78-82
    5.2.1 小区模型  78-79
    5.2.2 信道传播模型  79-80
    5.2.3 接收机模型  80-81
    5.2.4 其他相关概念  81-82
  5.3 区内干扰和背景噪声之和  82-83
  5.4 区间干扰  83-87
  5.5 数值结果  87-90
  5.6 最佳接收功率比(S_2/S_1)_(opt)=6.5的推导  90-93
  5.7 本章小结  93-94
第六章采用串行干扰消除技术的多速率单小区CDMA系统性能分析  94-105
  6.1 问题的提出  94-95
  6.2 接收机模型  95-96
  6.3 线性SIC接收机性能分析  96-99
  6.4 单用户检测方案性能分析  99-100
  6.5 理想SIC系统性能分析  100-101
  6.6 数值结果  101-104
  6.7 本章小结  104-105
第七章结论与展望  105-109
  7.1 本文工作总结  105-107
  7.2 今后工作展望  107-109
致谢  109-110
参考文献  110-120
攻读博士学位期间发表、录用和完成的论文  120-121
攻读博士学位期间主研的科研项目  121

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