2010年第1期SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION○IT论坛○科技信息
CDMA系统中新的变步长功率控制算法
管君周祖荣
(青岛科技大学信息学院山东青岛266061)
【摘要】CDMA系统中的功率控制技术是第三代移动通信的关键技术之一，本文分析了传统变步长功率控制算法的不足，阐述了马尔可夫过程理论和预测论在改进的变步长控制算法的优势，通过马尔可夫过程理论和预测论的优化组合，提出了一种基于功率控制指令斜率预测的新的自适应变步长功率控制算法。计算机仿真验证：新算法具有良好的性能，减少了功率控制的误差，提高了控制精度和收敛速度，扩大了功率控制算法跟踪的动态范围，增加了系统的稳定性。
【关键词】变步长；马尔可夫过程理论；预测论；
自适应功率控制
CDMA系统为一干扰受限系统，即干扰大小影响系统容量，“远近
效应”和“多址干扰”将会导致系统容量的下降，为了提高系统容量，应
尽可能的降低系统的干扰。功率控制技术就是通过控制发射台的发射
功率、减少基站和移动台之间的相互干扰从而提高系统的容量。固定
步长算法是功率控制技术中比较简单的控制方法之一，使用一个比特
来存放功率控制命令，但是，当信道衰落的变化速率大于功控指令的
更新周期时，功率控制跟不上衰落的变化，误差太大，所以变步长的控
制方法成为一种发展趋势。设置tpc的取值，实际值大于标准值，tpc=0，反之，tpc=1，基站连续检测接收的信噪比，使用记忆单元记录下连续三次的功率控制命令tpc，命名为tpc0，tpc1和tpc2，由tpc0和tpc1可以产生tpc的一个变化斜率k01，同理，由tpc1和tpc2产生tpc的另一个变化斜率k12，由k01和k12可以得出tpc的变化趋势，根据这种趋势可以预测出下一个tpc的斜率k23的大小，由k23和tpc2就可以计算出下一个tpc的取值，即tpc3的值，根据马尔可夫过程理论原理，连续三个tpc值可以产生四个不同的Markov状态，即根据tpc1，tpc2和tpc3可以产生四种状态，不同的状态选取不同的步长，步长选择见上文。
1传统的变步长方法3仿真实现
传统的变步长功率控制方法是通过测量SIR实现的，基站在功率
控制周期(Tp)内测量信噪比(SIR)值[1]，与期望值比较，根据比较结果向
移动台传送功率控制指令,根据本次和前两次的功率控制命令，得到
多个状态，分别对每种状态设置不同的步长，通过仿真结果来选择合
适的步长。传统的可变步长的功率控制由于先检测后调整，当信道衰
落的变化速率大于功控指令的更新周期时，基站产生的功控指令不能
实时反应链路对功率的需求[2]，造成功控的误差太大，算法性能不够理
想，需要一种新的变步长算法来优化。
2.1改进的变步长方法马尔可夫（Markov）过程理论
基于马尔可夫（Markov）过程理论的改进的变步长功率控制算法
的基本依据是移动终端接收到的相邻tpc命令的相互关系，使用三个
tpc命令，按照二进制的组合原则，三个tpc可以有8种组合情况，其
中，tpc为111时代表连续三次增加功率，tpc为000则代表连续三次
减少功率，虽然二者对功率的改变结果不同但是改变效果却是相同
的，即连续三次增加或减少功率，所以二者应该归为同一个Markov状
态，固tpc为111和000的步长应该相同，因此，8种组合情况实际上
可以得到4个Markov状态，即状态0、状态1、状态2、状态3，见表1，
有了4个状态就可以使用4种功控步长[4]，即tpci=000/111，步长=
2.5db；tpci=001/110，步长=2.0db；tpci=010/101，步长=1.5db；tpci=011/
100，步长=1.0db.
2.2斜率预测论
以往的功率控制方法大多采取先检测后调节的方式，即先对所要
调节的信号进行检测，然后将检测值与期望值进行比较，根据比较结
果来设置功率控制命令的值，这种变量闭环反馈功率控制方法的应用
是很广泛的，但是，这种方法存在一个普遍的问题，由于信号传播和控
制命令的执行需要一定的时间，当控制的作用到达系统时，系统本身
可能已经发生改变，而一般的功率控制算法认为系统在一个控制周期
内是不变的，显然与实际情况并不相符，带来较大的控制偏差。本文利
用当前时刻和以前若干时刻的功率控制命令对下一时刻的功率控制
命令进行最佳预测[5]，以此为基础来决定下一时刻的功率控制命令，从
而使信干比更接近门限值。本算法是利用当前tpc命令和前两个tpc
命令来产生两个tpc的变化斜率，从而预测下一个斜率的变化大小，
根据斜率的大小来预测下一个tpc的值。
2.3Markov过程理论和斜率预测论结合改进功率控制算法
本文以反向链路功率控制为例来介绍Markov过程理论和斜率预
测论结合改进功率控制算法的功率控制步长是如何确定的。首先移动
台向基站发射功率，基站将接收的功率与标准值比较，依据比较结果仿真基于一个具有20个用户的单小区CDMA蜂窝系统。基站位于小区中央，移动台均匀分布于小区内。主要仿真参数选取如下：用户初始发射功率p=-5dBm，接收机底噪为zao=-100dBm，系统带宽W=1228800Hz，业务速率R=9600bps，基站解调门限SIR=7dB。对传统变步长功率控制和基于功控指令斜率预测的变步长功率控制两种情况下的系统性能进行了仿真。仿真结果显示：采用改进的变步长功率控制技术可以有效的跟踪系统快衰落的变化，从图2和图1的比较中可以看出，在相同的时间段内，改进方法比传统方法具有功率控制周期短和功率控制幅度大的优点，在当信道衰落的变化速率大于功率控制指令的更新周期时，改进的功率控制方法能够及时跟踪信道衰落的变化，基站产生的功率控制指令能够实时反应链路对功率的需求，从而减少了功率控制的误差，降低了传输误比特率，提高了系统性能，提高了控制精度和收敛速度，增加了系统的稳定性。图1传统的变步长功率控制Fig.1Traditionalvariablesteppowercontrol图2改进的变步长功率控制Fig.2Improvedvariablesteppowercontrol（下转第437页）
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SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION2010年第1期
（2）分别pingPC2、PC3、PC4。
图4Switch1的配置命令
图6测试结果
编号（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）
Switch2的配置命令
Switch1的主要配置命令及解析
采用链路聚合（Trunking）技术，应用BosonNetSim软件，设计了模拟拓扑图，给出了主机的端口设置、IP地址分配以及配置命令，开展了
交换机之间点到点链路的仿真实验分析，实现了链路聚合（Trunking）技术在VLAN中的应用。科
【参考文献】
［1］田妍，王中，付立政.宽带接入交换机中Trunking的设计与实现[J].小型微型计算机系统，):.
［2］徐立新，李庆亮，陈富民.基于高性能网络系统架构的设计与实现[J].计算机工程与设计，):.
［3］李晓娟，陈存社.热备份路由及负载均衡在VLAN中的实现[J].计算机工程与设计，):.
［4］路来智，袁萍萍.VLAN的三层交换配置在BosonNetsim的实现[J].科技信息，
Switch&enable
Switch#configureterminalSwitch(config)#hostnameSwitch1Switch1(config)#fastethernet0/1Switch1(config-if)#accessvlan10Switch1(config-if)#exitSwitch1(config)#fastethernet0/12
!进入特权模式!进入全局配置模式
!配置交换机的设备名为Switch1
interface!Switch1的fa0/1端口switchport!创建vlan10，并把端口fa0/1
划归vlan10
!退回到全局配置模式
interface!Switch1的fa0/12端口
［5］CiscoSystems公司CiscoNetworkingAcademyProgram.思科网络技术学院教程（第一、二学期）.第三版[M].清华大学，北京大学，北京邮电大学，等译，北京：人民邮电出版社，2004.
作者简介：谢鹏（1977—），男，工学硕士，研究方向为机械电子工程、计算机应用。
Switch1(config-if)#switchportmode!将fa0/12端口设为TagVlan
（1）ipconfig/ip192.168.1..0!配置PC1的IP地址
(其它PC的IP地址可参照此配置)；
［责任编辑：张慧］
（上接第450页）4
改进的功率控制算法首次将斜率预测论和Markov过程理论运用到功率控制算法中，从仿真图中可以看出这种策略可以使得自适应功率控制更符合实际的情况,扩大了功率控制算法跟踪的动态范围。当然在某些问题上，譬如如何对Markov四个状态进行步长的选择使仿真效果达到最佳，以及如何在系统性能、服务质量与系统负荷间更好的进行折中等等，这些问题都是未来研究的热点。
本文作者创新点：将马尔可夫过程理论和斜率预测论融合优化应用到功控算法中，提出了一种基于功控指令斜率预测的新的自适应变步长功率控制算法。科
【参考文献】
［1］袁杰萍,杨育红.一种新的CDMA系统自适应变步长功率控制算法[J].微计算
机信息,-3):180-182.
［2］莫拉德.CDMA系统中功率控制算法的研究[D].天津:天津大学,2003年.［3］赵琳,刘剑飞.CDMA系统中的功率控制算法[J]．北京邮电大学学报,2007,30
(3):96-99.
［4］曹鹏,王雷.变步长CDMA闭环功率控制方法[J]．华中理工大学学报,):80-82.
［5］孙波,朱世华.基于自适应多步预测的前向链路功率控制算法[J]．西安交通大学学报,):398-401.
作者简介：管君(1982—)，女，汉族，山东烟台人，青岛科技大学信息学院硕士研究生，主要从事移动通信中的自动功率控制算法研究。
［责任编辑：张慧］
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历史上的今天
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blogTitle:'功率控制技术',
blogAbstract:' 在CDMA系统中，一方面，许多移动台共用相同的频段发射和接收信号，近地强信号仰制远地弱信号的可能性很大，称为“远近效应”；另一方面，各用户的扩频码之间存在着非理想的相关特性，通信容量主要受限于同频干扰。在不同影响通信的情况下，尽量减少发射信号的功率，通信系统的总容量才能相应地达到最大，CDMA系统的主要优点才能得以实现。因此，功率控制的第三代移动通信系统中最为重要的关键技术之一。\r
第三代移动通信系统中采用的功率控制技术可分为三种类型；开环功率控制、闭环功率控制和外环功率控制。\r
开环公功率控制的基本原理是根据用户接收功率与发射功率之积为常数的原则，先行测量接收功率的大小，并由此确定发射功率的大小。开环功率控制用于确定用户初始发射功率，或用户接收功率发生突变时的发射功率调节。开环功率控制未考虑到上、下行链路电波功率的不对称性，因而其精确性难以得到保证。\r ',
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{if defined('wl')}
{list wl as x}{/list}GSM中的功率控制31_移动文库
&&GSM中的功率控制
GSM中的功率控制
GSM中的功率控制
功率控制算法
功率控制的主要目的是在保证通话质量的前提下尽量降低发信功率，从而有效地降低网络平均干扰电平。并节省手机电池。（本节所涉及到的参数将在下一节“功率控制参数”中详细描述。
步进功率控制（Step by step power control）
该算法是步进全路径损耗补偿法。即根据接受信号电平和功率控制门限之间的差值，按规定的步长一步一步地提高或降低发射功率，直至接收信号电平达到功率控制门限。
步进功率控制算法的基本原则是：
当接收信号电平高于门限值，并且误码率低于门限值时降低发射功率
当接收信号电平低于门限值，或误码率高于门限值时提高发射功率（如果发射功率还未达到最大值）。
功率控制过程按照参数runPowerControl设置的时间间隔定期执行，算法根据无线接口的测量平均值，分别对移动台和基站作如下计算和判断：
移动台发射功率控制：
（（RXLEV_UL&uRxLevULP）且（RXQUAL_UL&uRxQualULP））
则按照设置的步长降低移动台的发射功率
若（（RXLEV_UL&1RxLevULP）且（RXQUAL_UL&1RxQualULP））
则按照设置的步长提高移动台的发射功率。
基站发射功率控制：
若（（RXLEV_DL&uRxLevDLP）且（RXQUAL_DL&uRxQualDLP））
则按照设置的步长降低基站的发射功率
若（（RXLEV_DL&1RxLevDLP）且（RXQUAL_DL&1RxQualDLP））
则按照设置的步长提高移动台的发射功率。
注意：基站发射功率的提高总是要受基站最大发射功率(bsTxPwrMax)的限制。
RXLEV_UL： 基站接收到的上行信号电平
RXLEV_DL：
移动台接收到的下行信号电平
RXQUAL_UL：
基站接收到的上行信号质量
RXQUAL_DL：
移动台接收到的下行信号质量
URxLevXXP：
上下行信号电平的上门限
lRxLevXXP：
上下行信号电平的下门限
uRxQualXXP：
上下行信号质量的上门限
lRxQualXXP：
上下行信号质量的下门限
其中XX表示UL或DL
直接功率控制(One shot power control)
该算法对部分路径损耗作一步到位的补偿。该算法先计算路径损耗，然后确定最佳发射功率，并直接将基战或移动台的发射功率调整到该最佳值。
移动台在发往基站的测量报告中其当前发射功率。LIM将通过计算得到的新的发射功率值移动台。
对基站，LIM并不知道BTS的最大发射功率。需通过调整功率衰减值（基站当前发射功率和最大发射功率的差值）来控制发射功率。LIM计算出新的最佳功率衰减值并将该值通知基站。
计算公式如下：
MSPWR=PWR_MAX C
K_UL*(RXLEV_UL+(PWR_MAX-MS_PW_CURR)-L_RxLev_UL_P)
BTSATT=K_DL*(RXLEV_DL-ATTCUR)-L_RxLev_DL_P
RXLEV_XX：接收电平（0-63）
移动台信的最佳发射功率值。用dBm表示
L_RxLev_XX_P：功率控制的信号电平门限
MS_PW_CURR：移动台当前发射功率
L_RxQual_XX_P：功率控制的信号质量门限
PWR_MAX：移动台在小区内可能的最大发射功率。即
Min(msTxPwrMaxCell(n),msTxPwrMax)
K_UL、K_DL：因子
BTSATT：基站新的最佳功率衰减值
ATTCUR：基站当前的功率衰减值
因子K_UL和K_DL的取值取决于L_RxQual_XX_P（功率控制的信号质量门限）的取值和网络是否采用跳频。下表为假设L_RxQual_XX_P=7，通过模拟得到K值：
通常门限值L_RxQual_XX_P小于7，当加权平均值RXQUAL_XX超过该门限值时K值等于0。即此时系统为满功率发射。
直接功率控制算法大跨度调整发射功率。但是有的移动台可能会由于接收信号强度的大幅度变化而陷入混乱，而产生不真实的测量报告。例如，移动台接通时距离基站很近，因为信号很强，基站功率会大幅度直接降低到最佳发射功率，而移动台测量反馈的滞后可能使基站功率进一步下降而造成信号恶化，反过来有时基站在提高到最大发射功率，产生震荡效应。鉴于此，引入8dB最大功率变化步长。即在每一次执行算法，发射功率最多可变化8dB。
移动台的功率控制
在RACH(随机接入信道)信道，移动台的功率为
Min(msTxPwrMax,msTxPwrMaxCCH)。前者为移动台最大发射功率，后者为系统定义的移动台在RACH信道上的最大允许功率。在实际网络中，最大允许功率一般按手机功率定义，即2W或33dBm。当移动台从RACH信道转到SDCCH或TCH 信道时保持该发射功率。即在接通过程中，普通手机将以全功率2W发射。
在专用模式下，移动台按照基站发送的功率命令（POWER COMMAND）指定的功率发射。功率命令在第一层的SACCH块的头部发送，移动台在报告结束时（SDCCH为102帧，TCH为104帧）接收到，然后移动台在下一个SACCH报告周期以每13帧2dB的变化速率开始执行该功率命令。（如下图所示）
在越区切换时，目的小区允许移动台发射的最大功率（msTxPwrMaxCell）随越区切换命令由基站发送给移动台。
小区内切换时，移动台保持功率不变。
移动台要保存当前发射功率值，以便在下一个上行SACCH中将该值发送给基站。对于基站，整个过程（从基站发出命令到基站收到确认）持续三个复帧。
基站在第一层的SACCH块的头部门发送功率命令（PC）和定时提前命令（TA） 26帧，SACCH在第12帧发送
移动台开始执行新的功率命令和定时提前命令
移动台接收到有基站发送的SACCH块
移动台构造SACCH以申请新的功率命令和定时提前命令
移动台开始向基站立发送关于前一个复帧的SACCH
基站接收测量报告
一个SACCH报告周期
26*4=104帧（480毫秒）
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Copyright &
All Rights Reserved变步长功率控制算法研究--《西南交通大学》2007年硕士论文
变步长功率控制算法研究
【摘要】：
在CDMA移动通信系统中，信息的传输过程中存在着多址干扰、高斯噪声、多径效应、远近效应以及多普勒频移等诸多不利因素。这些不利因素极大的影响了CDMA移动通信系统的传输可靠性，限制了系统容量。
功率控制技术是移动通信中的关键技术之一，它用于调整移动用户和基站的发射功率、补偿信道衰落、抵消远近效应，使各用户维持在能保持正常通信的最低标准上，尽可能地减少对其他用户的干扰，提高系统容量。可以这样说，功率控制技术是CDMA走向实用化的一项核心技术。功率控制技术在其性能参数不断提升的同时，功率控制算法也有了很大的改进。目前该领域研究的热点是自适应功率控制算法。
功率控制过程的实质是以发送功率的变化弥补信道的随机变化过程，或者说是以功率控制步长的变化过程逼近相同时间间隔的信道变化步长的随机过程。本文在研究基于Markov状态的变步长功率控制算法的基础上，从分析信道的衰落特性出发，根据移动台以不同移动速率移动时，信道衰落不一致的特点，对固定步长功率控制进行仿真，找出了各移动速度下的最佳跟踪步长。并根据TPC命令的变化情况来估计信道衰落的变化大小，从而提出了一种基于移动速度和TPC命令变化情况来选择步长的变步长功率控制算法。最后对该算法进行了接收功率波动情况和功率控制误差PCE的仿真分析，得出该算法与基于Markov状态的变步长功率控制算法相比，其性能有了较好的改善。
【关键词】：
【学位授予单位】：西南交通大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2007【分类号】：TN929.5【目录】：
Abstract5-9
第1章 绪论9-13
1.1 移动通信的发展现状及其趋势9-10
1.2 功率控制技术的应用研究现状10-12
1.3 本文主要研究内容和组织结构12-13
第2章 功率控制技术综述13-24
2.1 移动通信环境中电波传播的衰落特性13-15
2.1.1 自由空间传播损耗14
2.1.2 慢衰落14-15
2.1.3 快衰落15
2.2 功率控制的目的及意义15-16
2.3 功率控制的方法16-18
2.3.1 上行功率控制与下行功率控制16-17
2.3.2 集中式功率控制与分布式功率控制17
2.3.3 开环功率控制与闭环功率控制17-18
2.4 功率控制的准则18-22
2.4.1 功率平衡准则19-20
2.4.2 SIR平衡准则20-21
2.4.3 功率平衡准则和SIR平衡准则的比较21-22
2.5 影响功率控制的主要因素22-23
2.6 本章小结23-24
第3章 WCDMA系统的功率控制24-35
3.1 WCDMA系统功率控制方案的简介24-25
3.2 WCDMA中与功率控制有关的物理信道帧结构25-26
3.2.1 专用上行物理信道的帧结构25-26
3.2.2 专用下行物理信道的帧结构26
3.3 WCDMA上行功率控制26-30
3.3.1 上行功率控制模型26-27
3.3.2 上行 DPCCH/DPDCH功率控制27-30
3.4 WCDMA下行功率控制30-32
3.4.1 下行功率控制模型30
3.4.2 下行 DPCH功率控制30-32
3.5 外环功率控制32-34
3.6 本章小结34-35
第4章 变步长功率控制算法35-46
4.1 变步长功率控制35-36
4.2 基于 Markov状态的变步长功率控制36-38
4.3 一种新的变步长功率控制算法38-45
4.3.1 不同移动速度下的最佳跟踪步长38-42
4.3.2 状态的划分42-43
4.3.3 新的变步长功率控制算法43-44
4.3.4 新算法的性能分析44-45
4.4 本章小结45-46
第5章 功率控制算法的仿真分析46-54
5.1 系统模型及参数设置46-47
5.2 仿真结果及分析47-53
5.2.1 功率波动情况分析48-50
5.2.2 功率控制误差 PCE的仿真分析50-53
5.3 本章小结53-54
结论与展望54-56
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攻读硕士学位期间发表的论文60
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