下一代網(wǎng)絡(luò)中的功率控制和功率分配算法研究.pdf

1、波束賦形技術(shù)的研究開(kāi)始于20世紀(jì)60年代，最初廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、聲納及軍事通信領(lǐng)域，由于價(jià)格等因素一直未能普及到其它通信領(lǐng)域。隨著移動(dòng)通信技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理芯片處理能力的不斷提高，使得利用數(shù)字處理技術(shù)在基帶形成天線波束成為可能。以此代替模擬電路形成天線波束方法，提高了天線系統(tǒng)的可靠性與靈活程度，因此智能天線技術(shù)開(kāi)始在移動(dòng)通信中得到應(yīng)用。波束賦形技術(shù)最早被用于3G標(biāo)準(zhǔn)之一的TD-SCDMA系統(tǒng)中。在下一代網(wǎng)絡(luò)中也

2、采用了該項(xiàng)技術(shù)，在目前版本的標(biāo)準(zhǔn)中確定了基于用戶專用參考信號(hào)的單波束賦形技術(shù)。在最新的關(guān)于后續(xù)演進(jìn)技術(shù)的討論中，多波束賦形得到了極大關(guān)注，該技術(shù)在提高頻譜效率方面顯示出了非常大的優(yōu)勢(shì)。
　　 在下一代網(wǎng)絡(luò)的眾多特征中，本文重點(diǎn)關(guān)注如下三項(xiàng)技術(shù)的相互融合，分別是基于專用參考信號(hào)的波束賦形、下行功率控制技術(shù)、以及鄰小區(qū)同頻干擾的控制與協(xié)調(diào)。通過(guò)對(duì)仿真網(wǎng)絡(luò)中的信號(hào)特征分析發(fā)現(xiàn)，在基本的滿功率發(fā)射的網(wǎng)絡(luò)中，由于波束成型技術(shù)的引入，信號(hào)與

3、干擾之比得到大幅度的提高。特別是在距離基站較近的位置，接收信干噪比遠(yuǎn)高于最高階調(diào)制編碼方式正確接收所需的量。再考慮信干噪比很高時(shí)，有效信噪比同發(fā)送功率呈現(xiàn)非線性的關(guān)系，此時(shí)增加發(fā)送功率將不會(huì)正比增加有效信干噪比。這些現(xiàn)象說(shuō)明蜂窩系統(tǒng)中存在發(fā)送功率過(guò)量的情況，即增加額外的發(fā)送功率不能帶來(lái)用戶速率的提高，反而對(duì)相鄰小區(qū)造成了干擾。這一觀察結(jié)果啟發(fā)我們思考如何在網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)用功率控制和功率分配的手段充分挖掘由波束賦形技術(shù)帶來(lái)的潛在增益。本文從多個(gè)

4、層面研究了同下行波束賦形技術(shù)相結(jié)合的功率優(yōu)化問(wèn)題。首先，我們研究了不需要基站間實(shí)時(shí)通信的干擾協(xié)調(diào)方法，分析了波束賦形同靜態(tài)軟頻率復(fù)用相結(jié)合的技術(shù)方案。從信號(hào)覆蓋角度討論了靜態(tài)的功率補(bǔ)償以及劃分至中心用戶頻帶的用戶數(shù)量比例問(wèn)題。然后，運(yùn)用博弈論的納什均衡原理，我們研究了多基站博弈的分布式功率控制技術(shù)。本文討論了兩類功率控制基本問(wèn)題，即確定目標(biāo)SINR最小化發(fā)射總功率問(wèn)題和聯(lián)合優(yōu)化目標(biāo)SINR與發(fā)射功率的問(wèn)題。針對(duì)這兩類問(wèn)題，共討論了三種博

5、弈，分別是保障誤塊率的博弈、線形功率定價(jià)博弈、最大化系統(tǒng)總?cè)萘坎┺?。然后，分別以基站間不通信、一次通信、兩次通信以及三次通信為假設(shè)模型，給出了三種博弈在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的六種分布式功率控制算法。其中，本文重點(diǎn)研究了最大化總?cè)萘坎┺膯?wèn)題，并對(duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)總?cè)萘啃в米髁烁倪M(jìn)，提出了一種有效SINR受限的系統(tǒng)總?cè)萘啃в煤瘮?shù)。文中還進(jìn)一步討論了軟頻率復(fù)用同分布式功率控制算法相融合的新技術(shù)，提出了一種基于分布式功率控制的智能軟頻率復(fù)用技術(shù)。最后，本文討論了

6、在理想條件下，具備集中式控制中心的算法。由于理論上對(duì)聯(lián)合考慮多載波系統(tǒng)的用戶調(diào)度、波束賦形和功率分配的問(wèn)題還是一個(gè)未解決的開(kāi)放問(wèn)題，所以在本文中討論一種接近最優(yōu)且復(fù)雜度較低的算法。我們運(yùn)用遺傳算法，提出了一種雙層資源分配模型，并以此來(lái)衡量分布式算法同理論最優(yōu)算法的性能差距。
　　 文章最后一部分對(duì)所提出的多種算法使用系統(tǒng)仿真器作了驗(yàn)證。通過(guò)研究波束賦形技術(shù)結(jié)合靜態(tài)軟頻率復(fù)用的算法可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)整體性能很難有明顯提高，不論是調(diào)整功

7、率補(bǔ)償因子，還是調(diào)整中心頻帶的用戶數(shù)量，都難以在扇區(qū)平均頻譜效率和邊緣用戶頻譜效率兩方面同時(shí)得到改善。通過(guò)對(duì)確定目標(biāo)SINR最小化發(fā)射總功率問(wèn)題有關(guān)算法的驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，該類算法對(duì)提高系統(tǒng)速率的作用很小。即便是在獲得比較準(zhǔn)確的信干噪比預(yù)測(cè)信息，仍然沒(méi)有明顯的速率改善。與之相比，使用本文提出的有效信干噪比受限最大化總?cè)萘糠植际焦β士刂扑惴軌颢@得明顯的整體速率提升。相比于基本方案，在扇區(qū)平均頻譜效率方面最高有15.2％的提升，同時(shí)邊緣用戶頻譜效

8、率提高了76.1％。進(jìn)一步，基于分布式功率控制算法的智能軟頻率復(fù)用技術(shù)對(duì)基站間通信的速率要求較低，但是達(dá)到了比基本分布式功率控制算法更好的系統(tǒng)性能。從理想實(shí)現(xiàn)方案和簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)方案的對(duì)比也可以看出，當(dāng)基站間通信數(shù)據(jù)量降為原來(lái)1/4時(shí)，后者仍然能夠極大改善邊緣用戶的速率。對(duì)集中式算法的驗(yàn)證表明通過(guò)理想最優(yōu)的調(diào)度和功率控制都能大大提高系統(tǒng)的頻譜效率。然而同時(shí)采用這兩種技術(shù)并不是兩部分增益的疊加。這說(shuō)明采用集中式調(diào)度后，功率控制的優(yōu)化空間就會(huì)變小