1、BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center第十二章链路自适应技术2BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center 12.1 引言 12.1.1 自适应传输的必要性 传播环境和信道特性两个主要特点：慢时变性与传播环境的差异性。1.慢时变性 移动信道的慢时变特性可分为两个层次，一个是慢阴影衰落，另一个是慢平坦衰落。(1)慢阴影衰落 关于慢衰落可以有不同的定义和理解，传统的理解比如以一天为基准，或以一月/一年为基准，但是此处的慢是指电波在传播过程中受
2、到大型建筑物和相应障碍物阻挡造成的“阴影”效应而引起的衰落现象，称为慢阴影衰落。慢阴影衰落的统计特性服从对数正态分布模型。3BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center(2)慢平坦衰落 这类信道形成机理与慢衰落信道不一样，它主要是指，由于传播中的多径，亦即由于收、发天线的角度扩散，引入多径传输形成的空间选择性衰落，然而在时、频域上是平坦的，特别是在时域上是慢变化的。若多径传播模型中无直达路径，则在接收端收到的信号衰落幅度的服从Rayleigh分布；若多径传播模型中，存在一个主要直达路径，则信号衰落幅度遵从Rician分
3、布。4BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center 2.传播环境的差异性 上行(反向)链路的“远近”效应，在上行链路中，由于小区内用户的随机移动，使各用户的移动台与基站间的距离不相同，若小区内各用户发射功率相同，则到达基站后信号强度不一样，离基站近的用户比离基站远的用户信号强，这样在基站接收端将会产生以强压弱的现象，同时由于通信系统中的非线性将进一步加强这一过程，这就是所谓的“远近”效应。下行(前向)链路的“角”效应，在下行链路中，当用户移动台位于小区边缘交界处，它接收到所属基站的信号比较弱，但同时还会受到邻近小区基站
4、信号的较强干扰，特别是在六角形拐角边缘地区尤为严重，故称它为“角”效应。5BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center 12.1.2 克服慢时变与传输信道差异性的主要措施 最有效的措施是采用自适应传输技术，但是它必须具备两个附加条件：一是准确的信道估计，以掌握信道状态信息；二是具有反馈信道及时传送信道状态信息。根据不同类型的业务需求，自适应技术可以分为两大类型。适应于电路交换型业务，特别是话音业务的功率自适应的功率控制技术。适应于分组交换型业务，特别是数据业务的速率自适应技术。6BUPT Information The
5、ory&Technology Education&Research Center自适应传输的物理模型自适应编码、调制自适应功率控制分配、调度算法反馈信道解调、解码信道估计输入发射机时变信道()gt()nt接收机输出7BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center12.2 功率控制原理 12.2.1 引入功率控制的必要性引入功率控制的目的主要有：1、克服“阴影”效应带来的慢衰落；2、克服由于多径传播、空间选择性衰落而引入的慢平坦衰落，它也可以称为窄带多径干扰；3、克服上行链路中“远近”效应；4、克服下行链路中“角”效应；1
6、2.2.2 功率控制准则 所谓功率控制是指在移动通信系统中根据信道变化情况以及接收到的信号电平通过反馈信道，按照一定准则控制，调节发射信号电平。功率控制准则从原理上看，可以大致分为：功率平衡准则、信噪比平衡准则、混合平衡准则以及误码率平衡准则。8BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center1、功率平衡准则功率平衡是指在接收端，对各用户收到的信号功率应相等。2、信号干扰比SIR平衡准则 SIR平衡是指接收到的信号干扰比SIR应相等。3、功率平衡和SIR平衡混合体制为了克服SIR的正反馈而带来的系统不稳定性，将功率平衡与S
7、IR平衡相结合的混合体制准则。4、误码率BER平衡准则以误码率BER平衡作为功控准则，但是具体实现存在下列困难：BER与SIR或信号功率之间不存在简单的线性对应关系，且与信道性质有关，所以很难建立具体分析模型；存在一定时延，与求BER平均值的时间段是相互矛盾的。9BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center 12.2.3 功率控制的分类与方法在移动通信中的功率控制一般可以按照上、下行链路来分类，若从功控的方法看，可以分为开环、闭环和外环控制。1.上行(反向)功控在移动通信中，上行(反向)功控是指控制用户(移动台)的发射
8、频率，使得基站接收到的小区内所有用户(移动台)发射至基站的信号功率或信号干扰比SIR基本相等，它可克服“阴影”效应。2.下行(前向)功控下行链路中的功控实质上是根据接收不同用户(移动台)导频信号的强弱，对基站发射机功率的再分配，即为自适应(慢变化)功率分配。下行(前向)功控是根据信道，慢变化自适应的分配各业务信道的功率份额，使小区中所有用户(移动台)收到的导频信号功率或信号干扰比SIR基本相等。10BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center3.开环功率控制用户移动台(或基站)根据下行(或上行)链路接收到的信号强度或者
9、SIR，对信道的衰落情况进行实时估计。开环功率控制的主要优点是简单易行，对付由于“阴影”效应引起的慢衰落很有效；主要缺点是对于由于空间选择性衰落即多径传播引起的慢平坦衰落一般性能很差。4.闭环功率控制利用上行基站收通过一个反馈闭合环路送至移动台控制移动台上行发送(反馈回路传输时延很小可忽略)，实现精确的功率控制。闭环功控主要优点是精确度高，主要缺点是闭环功控比开环功控要复杂得多，且开销大，若用于小区间硬切换时，易于产生“乒乓”式控制。11BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center12.3功率控制在移动通信系统中的应用
10、 12.3.1 IS-95系统中的功率控制I S-9 5 中采用的功率控制方案，按方向可分为上行(反向)和下行(前向)功控，若按在功控过程中基站和移动台是否同时参与，又可分为开环(不同时参与)与闭环(同时参与)两类。在IS-95中下行(前向)链路优于上行(反向)链路，这是由于下行采用同步码分体制，而上行采用的是异步码分体制。在IS-95中下行(前向)链路的功率控制是非重点，它可以采用较简单的慢速闭环功率控制方案。下行功控实质上是对下行功率的最优分配。12BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center在IS-95中由于上行
11、(反向)采用的是异步码分体制，其性能比同步码分的差，所以在功控要求方面要高一点；上行(反向)功率控制方案由初控、精控与外环控制三个基本部分组成。(1)初控：由移动台完成开环入网功率控制以实现初控功能；(2)精控：由移动台与基站之间相互配合共同完成闭环功率修正的精控功能，采用精控是由于IS-95是CDMA/FDD体制，其上、下行频段相差45MHz，远远大于800MHz频段上的相干带宽200kHz，因此上，下行链路衰落是不相关的，仅仅采用单向开环是实现不了精确功率控制功能的；(3)外环控制：利用外环传送在一定误帧率质量指标下，闭环精控中的门限阈值。13BUPT Information Theory
12、&Technology Education&Research Center 1.开环功率控制算法 确切地说开环功控主要是完成入网信道的功率初控，每次用户移动台入网尝试都要通过多次入网探测，每次根据额定开环功率 步长增加发射功率，一直到用户移动台接收到基站发送认可消息探测序列才结束发送。开环功控有两个主要功能：其一是调整移动台初始接入时发射功率，其二是补偿和弥补由于路径慢时变损耗包含“阴影”与“远近”效应引入的衰耗。开环入网功控主要由移动台完成，为了能补偿上行传播中的“阴影”效应和“远近”效应，开环需要有较大的动态范围：大约。0.5dB 32dB 14BUPT Information Theor
13、y&Technology Education&Research Center2.闭环功率控制算法与调节步骤 闭环功控是对开环功控提供一个快速精确校正以实现系统功率自适应。闭环功控核心思路为收端提取信道估计信息并进行判断给出功控指令，通过反馈信道传送功控指令至发端，发端执行并调整发送功率。对于闭环功控IS-95中仅定义了以下两点：第一点定义了控制比特的含义：“0”表示增加功率，“1”表示减少功率；第二点控制比特速率为，其中,闭环功率控制范围小于开环动态范围为：。1/1.25 800/bit ms bit s=1.25 20()/16()ms ms=话音帧长 功控组数24dB 15BUPT Inf
14、ormation Theory&Technology Education&Research CenterQualcomm功控方案原理接收机 相关器哈达玛变换用户数据译码速率判决外环功控处理门限比较增减指令产生发射机PN码产生器信道估计1,(/)btpEN00,(/)bpEN16BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center上行(反向)功率控制比特传输的原理示意图01 反向业务信道1.25ms每个话音帧20ms=96Walsh调制符号=166功控组23456789 10 11 12 13 14 15基站（1）测量信号强度（
15、2）将测量值变成功控比特（3）发送功控比特正、反向链路延时前向业务信道0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 152.5ms0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 23 21 22 20012345 21 20 22 23用于定位的长码比特每个功控组含24个比特符号功控比特占用两个调制比特16种可能开始的功控位置 不用于功控的比特1个功控组（1.25ms）=24个比特符号*16=帧长 调制符号速率 20ms 19.2 kbit24bit/16=每个功控组17BUPT Information Theory&
16、Technology Education&Research Center 12.3.2 CDMA2000中的功率控制 CDMA2000 1x中，上、下行RC1与RC2由于与IS-95相互兼容，所以功控方案基本上一致。与IS-95不同的是，CDMA2000中的800bps的快速功率控制不仅可以用于上行(反向)链路，也可以用下行(前向)链路中，这样上、下行两个方向上的功率控制速率都可以达到快速的800bps。当上行(反向)链路采用门控发射技术时，上、下行功控速率均可减少到400bps和200bps，而且上行(反向)功率控制子信道还可以分成两条独立的控制流，其速率可以分别为400bps或者一条600
17、bps另一条200bps，这样在不同切换配置中，下行(前向)信道可以有各自独立的功控。18BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center 在CDMA2000中与IS-95兼容的无线配置为RC1、RC2，这种配置的基站是通过检测用户移动台发送的连续6个Walsh函数来估计平均功率，或者信噪比 值。若是RC3、RC4，这时基站则根据反向导频信道RPICH来估计 或者信噪比 值。CDMA2000信道结构比IS-95复杂得多，在CDMA2000中的功率具体执行可分为两大类型：公用信道上的功率控制和专用信道上的功率控制。前者又可分
18、为：下行(前向)公用信道上的功率控制和上行(反向)公用信道上的功率控制。后者也可以分为：下行(前向)专用信道上的功率控制和上行(反向)专用信道上的功率控制。在CDMA2000中，上行(反向)链路的功控是由下行(前向)链路中基本信道或专用信道所包含的下行(前向)功率子信道执行的。下行(前向)链路的功控则是由上行(反向)导频信道所包含的上行(反向)功率控制子信道执行的。1P/btEN1P/btEN19BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center上行(反向)导频信道(R-PICH)功控子信道结构iii012345678910
19、11 12 13 14 151帧（20ms）PCG序号:R-PICH:导 频 信 号功率控制比特1152码片1536码片（chip）（一个功控组1.25ms）384码片20BUPT Information Theory&Technology Education&Research CenterF/R-P C S U C H之间定时关系01234 5 13 14 1520ms=16PCG1.25ms接收F-PCSUCH门控速率:1 800b/s01234 5 13 14 15R-PICH发送1.25ms 接收20ms=16PCG01234 5 13 14 15 67891 01 11 201234
20、 5 13 14 15 67891 01 11 2R-PICH发送01234 5 13 14 15 67891 01 11 2接收1.25ms20ms=16PCG01234 5 13 14 15 67891 01 11 2R-PICH发送F-PCSUCH200b/s门控速率:14F-PCSUCH400b/s门控速率:1221BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center 12.3.3 WCDMA中的功率控制W C D M A 与IS-95以及CDMA2000系列在功率控制方面主要不同有：WCDMA功控方式包含两种类型：非
21、压缩模式与压缩模式，其中压缩模式前面未讨论过，WCDMA中功控速率由CDMA2000的800bps提高至1500bps，其抗平坦衰落能力显著提高。WCDMA中，高层网络更多的参与了功控过程。1.WCDMA的上行功率控制在WCDMA上行链路中仅有物理随机接入信道(PRACH)以及上行公共分组信道(CPCH)采用开环功率控制，其余信道采用闭环功率控制。上行闭环功控同时控制一个专用物理控制信道(DPCCH)和与其相关的若干个专用物理数据信道(DPDCHs)。22BUPT Information Theory&Technology Education&Research CenterW C D M A
22、上行功控原理移动台发射机调控发射功率移动台接收机基站(j)接收机基站(j)发射机信道估计门限判决功控指令产生TPCiSIR测量iSIR外环阀值0()jSIR上行信号下行信号(含TPC)23BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center 在WCDMA中DPCCH/DPDCHs具体实现的功控方式含有两种类型：非压缩模式功率控制和压缩模式功率控制。(1)DPCCH/DPDCHs非压缩模式下的功控 闭环控制过程原理图如图WCDMA上行功控原理所示 小区每隔一段时隙的周期0.667ms，可以根据以下原则产生一组传输功率控制指令TP
23、C，并通过下行链路传送至移动台。当SIRiSIR0(j)时，TPC=0；移动台收到TPC指令后，调节其上行专用物理信道DPCH(含DPCCH和DPDCHs)的功率变化步长，如果TPC=1则增大，反之TPC=0则减少，而步长 大小是由高层网络决定。()TPCdB()TPCdB 24BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center 用户移动台在一个时隙0.667ms中会接收到一个或多个TPC指令，当用户不处于软切换处，移动台在一个时隙中只会接收一个TPC指令，当用户处于软切换区且在更软切换或接收机分集情况下，移动台在一个时隙0
24、.667ms中会接收到多个相同的TPC指令(来自同一小区指令)。当用户处于软切换区的不同小区交界区域，移动台在一个时隙0.667ms中会接收到来自不同小区并不相同的TPC指令，如果在一个时隙0.667ms中收到多个TPC指令，用户移动台可以将多个TPC指令合并成一个TPCCMD指令。具体合并得到TPCCMD算法包含两种类型，采用那种类型是由用户的特征参数决定的，并且由网络设置。25BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center(2)DPCCH/DPDCHs压缩模式下的功控 在WCDMA中为了在功控和切换时获得更准确的信道
25、状态信息，特别是对不同的频点需要进行实时的信道测量。实现实时信道测量主要有两种手段：一种是采用双接收机方案，即信息通信与信道测量各采用一套接收机，它太复杂且不经济；另一种方案就是采用时隙化的压缩模式，即在传送信息的某一段时隙将信息位时间上压缩，功率上扩展，以空出一时段供作对其它频点进行测量用。26BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center 上行链路中帧结构的压缩传输a)压缩模式传输1帧(10ms)该传输区间可以对其他频点测量数 据 数 据导频 TFCI FBI TPC 导频 TFCI FBI TPCiiiiii传输区
26、间b)帧结构的压缩传输时隙号 时隙号1lastN 1firstN 27BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center 在压缩模式中为了保证压缩后的质量(EBR、FBR等)，需要增大压缩时隙的功率，且功率增大数量与传输时间压缩减少量相对应。何时需要进行数据帧的压缩取决于网络。在压缩模式传输中可能有几个时隙内停止发送TPC指令，所以在压缩模式下功率控制的目标是在经过一段发射间隔之后，尽可能恢复信噪比SIR，使其接近目标信噪比SIR。在下行压缩模式中，由于压缩期间不发送TPC指令，发射间隔中就不存在功控，所以上行DPCCH/D
27、PDCHs的发射功率在发射间隔中保持不变。当上、下行压缩模式同时发生时，上行DPCCH/DPDCHs发射在发射间隔中产生中断。28BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center 在每个发射间隔之后，压缩模式下的功率控制算法有两种可能，采用哪种由高层信令通知。第一种算法，步长不变，且在压缩模式中仍然采用通常的发射功率控制。第二种算法在每个发射间隔后的一个或多个时隙(称为恢复周期)中仍采用通常功控算法，但采用恢复功率控制步长 而不是，取为3dB与2 之间的较小值，一旦恢复周期后，就执行以 为步长的通常功率控制算法。RP TP
28、C TPCRP TPC TPCTPC29BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center2.W C D M A 中的下行功率控制 下行主/辅公共物理信道P/S CCPCH不进行功率控制。它们功率慢变化是由网络设定的。因此下行功控与上行一样主要是针对DPCCH/DPDCHs。它们功控原理与上行一样采用三环：开环、闭环、外环控制。30BUPT Information Theory&Technology Education&Research CenterWCDMA下行功控原理图基 站发射机调控发射功率基站接收机移动台接收机移动台
29、发射机信道估计门限判决功控指令产生TPCiSIR测量iSIR外环阀值0SIR上行信号下行信号(含TPC)值建立上、下行同步状态31BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center 下行功控一般采用快速闭环功控与慢速功控交替进行，决定两者之间的主要参量是功控搜控速率 与慢功控周期即上行链路发射挂起时间，它们都是通过网络高层信令来设置的。站址选择分集发射功率控制SSDT，它是在软切换模式下一种可以选择的宏分集方法。用户从激活集合中选择一个区作为“基本小区”，其它小区均为“非基本小区”，SSDT首要目标是在下行链路中从最好的小区
30、中发射信号以减少软切换时多路发射引入的干扰，其次是在没有网络干预情况下实现快速站址选择，以保证软切换的优点。R搜控RINTT32BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center12.4 无线资源的最优分配 现代移动通信系统的无线资源分类1、能量资源；2、时间资源；3、频率资源；4、空间资源；33BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center 12.4.1 注水定理 对于迭加性、高斯白噪声限频信道，令高斯噪声的功率谱为，则噪声总功率为，其中 是信道带宽
31、。又令输入信号功率谱为，信号总功率受限，即为。那么即信号功率谱与噪声功率谱之和为常数条件时，才能达到总信道容量最大要求。()Nf20()FNfd f=F()Gf0()FGfd f S 1()()()Gf Nf K+=常数34BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center(1)若，即，则有(2)若，即，则必须将这部分频段剔除。()0 Gf 2()SNfF+20020()()log 1 log 1()()log()FFFSNfGfFCd f dfNf NfSdfFN f+=+=+=()0 Gf 2()SNfF+121log(
32、)()FSCd fmFNf+=2111()()SFf N fmF+=35BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center 12.4.2 多载波信道下的最优功率分配 假设系统有 个子载波，每个子信道都是加性高斯信道，第 个信道的信号功率为，噪声功率为，对应的子信道容量为：。则总信道容量为：满足总信号功率受限条件：，采用拉格朗日乘子法可以使信道总容量达到最大，得到：Kkks2k21log 12kkksC=+2111log 12KKkkkkksCC=+1Kkks S=212ks=36BUPT Information Theory&Technology Education&Research Center 12.4.2 多天线信道下的最优功率分配 令功率约束条件为：引入函数：对函数取偏微分可得：；1TniiPP=221/l o g 1TniiiPCW=+2211log 1TTnniiiiiPP=+2201iiiiPP=+2iiP=
