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)的研究開始于20世紀60年代，最初廣泛應(yīng)用于雷達、聲納及軍事通信領(lǐng)域，由于價格等因素一直未能普及到其它通信領(lǐng)域。隨著移動通信技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號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)開始在移動通信中得到應(yīng)用。波束賦形技術(shù)最早被用于3G標準之一的TD-SCDMA系統(tǒng)中。在下一代網(wǎng)絡(luò)中也

2、采用了該項技術(shù)，在目前版本的標準中確定了基于用戶專用參考信號的單波束賦形技術(shù)。在最新的關(guān)于后續(xù)演進技術(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。
　　 在下一代網(wǎng)絡(luò)的眾多特征中，本文重點關(guān)注如下三項技術(shù)的相互融合，分別是基于專用參考信號的波束賦形、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)。通過對仿真網(wǎng)絡(luò)中的信號特征分析發(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，有效信噪比同發(fā)送功率呈現(xiàn)非線性的關(guān)系，此時增加發(fā)送功率將不會正比增加有效信干噪比。這些現(xiàn)象說明蜂窩系統(tǒng)中存在發(fā)送功率過量的情況，即增加額外的發(fā)送功率不能帶來用戶速率的提高，反而對相鄰小區(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)帶來的潛在增益。本文從多個

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)化問題。首先，我們研究了不需要基站間實時通信的干擾協(xié)調(diào)方法，分析了波束賦形同靜態(tài)軟頻率復用相結(jié)合的技術(shù)方案。從信號覆蓋角度討論了靜態(tài)的功率補償以及劃分至中心用戶頻帶的用戶數(shù)量比例問題。然后，運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題，即確定目標SINR最小化發(fā)射總功率問題和聯(lián)合優(yōu)化目標SINR與發(fā)射功率的問題。針對這兩類問題，共討論了三種博

5、弈，分別是保障誤塊率的博弈、線形功率定價博弈、最大化系統(tǒng)總?cè)萘坎┺摹Ｈ缓?，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)中實現(xiàn)的六種分布式功率控制算法。其中，本文重點研究了最大化總?cè)萘坎┺膯栴}，并對傳統(tǒng)系統(tǒng)總?cè)萘啃в米髁烁倪M，提出了一種有效SINR受限的系統(tǒng)總?cè)萘啃в煤瘮?shù)。文中還進一步討論了軟頻率復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題還是一個未解決的開放問題，所以在本文中討論一種接近最優(yōu)且復雜度較低的算法。我們運用遺傳算法，提出了一種雙層資源分配模型，并以此來衡量分布式算法同理論最優(yōu)算法的性能差距。
　　 文章最后一部分對所提出的多種算法使用系統(tǒng)仿真器作了驗證。通過研究波束賦形技術(shù)結(jié)合靜態(tài)軟頻率復用的算法可以發(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得到改善。通過對確定目標SINR最小化發(fā)射總功率問題有關(guān)算法的驗證發(fā)現(xiàn)，該類算法對提高系統(tǒng)速率的作用很小。即便是在獲得比較準確的信干噪比預測信息，仍然沒有明顯的速率改善。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，同時邊緣用戶頻譜效

8、率提高了76.1％。進一步，基于分布式功率控制算法的智能軟頻率復用技術(shù)對基站間通信的速率要求較低，但是達到了比基本分布式功率控制算法更好的系統(tǒng)性能。從理想實現(xiàn)方案和簡化實現(xiàn)方案的對比也可以看出，當基站間通信數(shù)據(jù)量降為原來1/4時，后者仍然能夠極大改善邊緣用戶的速率。對集中式算法的驗證表明通過理想最優(yōu)的調(diào)度和功率控制都能大大提高系統(tǒng)的頻譜效率。然而同時采用這兩種技術(shù)并不是兩部分增益的疊加。這說明采用集中式調(diào)度后，功率控制的優(yōu)化空間就會變小