第26卷第4期 2009年10月 深圳大 学报理工版 JOURNAL OF SHENZHEN UN1VERSI FY SCIENCE AND ENGINEERING V01.26 No.4 Oct.2009 文章编号:1000-2618(2009)04—0056—04 【光电与信息工程】 基于格形图预测的WC DMA功率控制算法 曾 捷 ,陆 清 ,王 晖 (1.深圳大学信息1二程学院,深圳518060;2.深圳榆验检疫科学研究院,深圳518045) 摘 要:基于格形图预测算法原理,建立使用二进制码元模拟功率控制事件的系统模型,设计了一个 格形状态图,根据其状态相似性定律调节发射功率.该算法可用于宽带码分多址WCDMA(wideband code division multiple access)系统的功率控制仿真中.结果表明,它能有效实现WCDMA系统功率控制过程,相 对传统功率控制算法能提高系统容量,减少系统仿真时间. 关键词:通信技术;功率控制;宽带码分多址;预测算法;系统容量;系统仿真 中图分类号:TN 929.5 文献标识码:A 在宽带码分多址(wideband code division muhi— pie access,WCDMA)系统巾,如何控制用,rLl问:f 1 算法介绍 WCDMA系统是一个严重的自干扰系统,干扰 大小直接影响系统容量.为补偿信道衰落、抵消远 近效应 ,减少对其他用户的干扰,从而增加系统 容量,必须对基站和移动台发射功率进行有效控 制.WCDMA系统中因存在着各种服务质量不同的 业务类型,每种业务所要求的发射功率也不尽相 同,这就使WCDMA系统的功率控制问题变得更复 杂.如果移动台或基台在发射信号之前主动预测接 收信号的水平,就可提早调整自身发射功率水平以 扰,改善功率的利用率,进 提高整个系统的用户 容量和通话质量,更有效地利用无线资源,功率控 制已成为不可或缺的重要手段 .WCDMA系统虽 然能够提供不对称、高速数据传输服务,但当多种 业务同时并存时,高数据速率传输的用户将严重影 响语音用户,从而使系统容量降低.因此,需研究 高效的功率控制算法来适应系统业务量的增长. 但目前的WCDMA系统功率控制方法在收敛速 度和控制效果上尚有不足,原囚足传统的功率控制 存在时延,使功率控制速度跟不上高速用户衰减的 变化时,功率控制效果不佳.现有的WCDMA功率 控制算法主要包括 :Zander提出的DPC算法, Koskie等人提出的基于信f噪比的Nash算法,以 及Goodman提出的NPG算法等.其中,DPC算法 避免发射功率过大或过小,从而大量降低计算复杂 度,节省跟踪信号衰减时间,获得较好的控制效果. 1.1算法描述 假设基于 状念的格形图,每个状态由n b组 成的码串表示.在实际系统中,这些比特可看作是 由基台发送到移动台的功率控制比特.图1给出了 一虽简单且易于实现,但算法收敛慢且得到的功率较 大,功率控制效果不佳;Nash算法收敛速度亦慢; NPG算法有可能只收敛剑局部最优.为此,本文在 个8状态(K=8)格形图.每个状态由3个功率 WCDMA系统中采用基于格彤图的预测型算法 (trellis—based prediction algorithm) 尝试进行功率控 控制比特组成的码串表示.例如,状态4用000表 尔,状态日用001表示.在典型的多径衰减环境 下,衰减由多个脉冲组成,每个脉冲都可由幅度的 一制,以期有效降低用户的发射功率,加快收敛速 度,缩短功率控制时问,提高系统容量. 个快速上升沿和紧跟其后的一个陡峭下降沿组 成.如果时问比例是线性的,码串长度与脉冲持续 收稿日期:2009—05.04;修回日期:2009 09—18 基金项目:国家自然科学基金资助项f1(60773203);深圳市深港创新圈基金资助项日(SG200810220145A,HZ0805003) 作者简介:曾捷(1975一),男(汉族),广东省广州『 人,深圳大 实验师.E-mail:zengife@szu.edu.cn 通讯作者:壬晖(1969一),男(汉族),深圳大学教授、博上. mail:wanghsz@SZU.edu.t-n 第4期 曾捷,等:基于格形图预测的WCDMA功率控制算法 57 时问成正比,则功率控制比特可看成是由一个全 “1”子码串和一个全“0”子码串构成.当信号强 度处于上升期时,功控比特码串主要由比特“0” 组成,要求减少发射功率;当信号强度处于下降期 时,功控比特码串主要由比特“1”组成,要求提 高发射功率.因此当信号发生衰减时,算法将根据 以下交的相似性定律预测功率控制比特. 000 A OO1 B 010 C 0 J I D l00 E 101 F 110 G 11l H —— — 图1 当K=8时的预测路径 Fig.1 Path of prediction at K=8 1.2相似性定律 算法预测一个功率控制比特的过程为一个时间 量子.其中,时间量子是恒定值,由信道的最大多 普勒扩散决定.若当前状态是 ,格形图状态数 K:8,分别计算出沿路径“0”或“1”回到同一 状态所需的最小量子数(the minimum number of quanta),如表1. 表1 当K=8时预测所需的最小量子数 Table 1 Number of quanta required for prediction at K=8 预测码元 Q 预测码元 Q A(000)0 1 A(000)0 4 Bf001) 1 4 曰(001) 1 3 C(010)0 3 C(010)0 2 D(011) 1 4 D(01 1) 1 3 E(100)0 3 E(1O0)0 4 F(101) 1 2 F(101) 1 3 G(110)0 3 G(110)0 4 f 111) 1 4 H(111) I 1 预测过程:①系统训练期,选定训练码进行 训练;②查最小量子表,分别查出算法预测功率 控制比特为“0”或“1”时回到同一状态所需的 最小量子Q。和Q。;③计算出当前状态 和上一次 同一状态出现之间相隔的量子Q ;④如果Q,值比 Q。更接近Q ,则预测下一个功率控制比特是“1”, 否则预测下一个功率控制比特是“0”. 1.3预测模型的误差概率 在多径衰减环境下,若功控比特码串是周期性 的,则每个周期 由一个定长全“1”码串£。和全 “0”码串 组成,且Lp=L +L 若功控比特码串 是非周期性的,则由不定长码串 。和厶 交替组成. 对于功控比特码串的周期性部分,预测发生错误的 比特数取决于格形图的状态数 下面分J乙种情况 对误差概率进行讨论. 情况1:当凡≥L0且n≥L1时,其中,n=K/2. 满足以下任意一个条件时,则不会发生预测错误: ①n=L。=,J。;②一个周期 刚好是格形图其中的 一个状态.例如,如果K=8(n=3),以下码流 “l11000,110,100,O11,001”将不会发生预测 错误.因为110、100、0l1和001分别是格形图的 状态之一,而对于111000,则有/2= = ; 情况2:n< 且n≥L,,L 中会出现两个比特 的预测错误.例如,若K:8,周期性码流 1 1 1000000会有两个比特的预测错误. 情况3:n<L,且n≥L。,,J,,中会有两个比特发 生预测错误.例如,若K:8,周期性码流 1 1 1 1 1000,每个周期会有两个比特的预测错误. 情况4:n<L。且n<L ,每个周期将发生4个 比特的预测错误.例如,若K=8,周期性码流 11111000000,每个周期会有4个比特的预测错误. 总之,对于周期性功控比特码流,可选择合适 的 以达到接近零的预测错误.对于非周期性功控 比特码流,若在两个连续时间段 ,和L +.码串长 度发生改变,预测错误的比特数会增加;若在 … 内没有发生预测错误,而 …+。的码串长度与,J 不 同,则 …+ 内至少会出现两个比特的预测错误. 在任何周期和非周期性的一个L 内发生的最大预测 错误比特数为4个. 2 性能分析 为验证算法有效性,可通过计算中断概率,来 判断基于格形图的预测功率控制算法WCDMA系统 的性能.中断概率是指受同频干扰影响使用户的接 58 深圳大学学报理:L版 第26卷 收信号载f 比低丁预设门限值的概率.在WCDMA 系统中,中断是指在系统用 数量 断增加的情况 下,以降低性能作为代价为用户提供服务. 中断概率为Po=P 【(E^/No)<(E /No) J. 设 为(0,1)分布的整型随机变鼍.当某业务的 (E6/No) <(E6/No)u【1、. 时, =1;否则H=0.冈 此,日取0和1的概率分别为:P (H=1)=P 和 P,(H=0)=1一P .利用随机取样法作m次重复 1 m 试验,计算得P =一1∑ ,. ,n 仿真参数设定为,衰减模型采用Okumura (OM)模型;对于宽带CDMA系统,小区内存在话 音、传真、电子邮件和视频4种业务,其中传真、 电子邮件和视频的平均用户数分别为20、l0和10 户;模拟时间t=10 S,功率控制周期T =0.625 ms,衰减深度. =400 Hz,小 半径R=10 km ; 格形图状态数K=2“ =1 024,每个状态由n=10 个功控比特组成.根据以上条件计算话音用户数变 化时的中断概率,同时考虑到WCDMA系统的多、I 务性,以及不同条件下的各种业务误比特率、容纳 不同业务的用户数及其之间的关系等,在所有用户 都保持呼叫的情况下,给出使用本文算法以及使用 原始数值的传统功率控制算法(DPC算法和Nash 算法),进行功率控制的仿真结果和仿真时间的比 较,结果如图2和图3.由图2可见,预测算法的 中断概率明显小于传统DPC算法和Nash算法的中 断概率.通过比较3条曲线可以看出,本文算法的 中断概率随话音用户增长的趋势比传统算法小.如 果规定系统中断概率不能超过某一数值(0.04) , 使用本文算法的系统相对来说可以容纳更多的用 户,这说明该算法在系统性能上亦优于传统功率控 制算法.图3说明了预测算法压缩时问的百分比, 预测算法相对于DPC算法仿真时间减少为原来的 图2 中断概率与话音用户数的关系 Fig.2 Probability of outage versus voice trafifc 35%,系统仿真时问减少为原米的50%;相对于 Nash算法仿真时间减少为原来的70%,系统仿真 时问减少为原来的85%.从以上结果可见,使用本 文算法不但在保证系统性能上优于传统的功率控制 算法,还可节省大量的系统控制时间. 系统时间比 (本文算法 /DPC算法) 功控算法时间比 亘 (本文算法 蔷 /DPC算法) 系统时间比 (本文算法 /Nash算法) 功控算法时间比 (本文算法 /Nash算法) 图3仿真时间比值与话音用户数的关系 Fig.3 Ratio of simulation time versus voice trafifc 结 语 本文讨论了基于格形图的功率控制预测算法的 原理、模型和算法结构,并对该算法应用于WCD. MA系统功率控制的町行性进行研究,给出在WC— DMA系统中实现该算法的细节.数值仿真结果显 示,与传统功率控制算法相比,该算法依靠精确的 预测模型可有效实现功率控制过程,提高系统的性 能,缩短系统控制时间,在第3代移动通信系统 中,时分双 ’f:宽带码分多址技术(如TD—SCDMA)功 率控制算法理论上完全可采用类似频分双工宽带码 分多址技术(如WCDMA)的相应算法机制,主要差 别在于算法所采用的具体参数设置.因此,本算法对 于不同的宽带码分多址技术都有一定的适应性. 参考文献: [1]许文俊,刘德昌,贺志强,等.一种低计算复杂度 WCDMA功率控制仿真算法[J].北京邮电大学学报, 2007,30(4):93-94. [2]Dillon B,Koskie S.无线通信系统各类功率控制算法仿 真比较[J].连续、离散及脉冲系统动力学B辑:应 川与算法,2003,10(s):281—285.(英义版) [3]Anastasopoulos A,Chugg K M,Colavolpe G,等.有记 忆信道的迭代检测[J].IEEE车载通信技术汇刊, 2007,95(6):1272—1294.(英文版) [4]刘呜,袁超伟.WCDMA的功率控制参数埘系统设计 的影响研究[J].邮电设计技术,2006,26(1):9-10. 第4期 曾捷,等:基于格形图预测的WCDMA功率控制算法 59 [5]Muckenheim J,Bernhard U.一种第3代CDMA网络负载 [7]Haring L,Chalise B K,Czylwik A.通用移动通信系统 控制架构[c]//IEEE全球电信会议论文集.圣安东尼 奥市(美国):IEEE}n版社,2001:3738—3742.(英文版) 频分双工模式下行链路波束形成的动态系统仿真 [C]//无线通信技术国际会议论文集.三藩市:IEEE 出版社,2003:492—496.(英文版) [8]Rintamaki M,Koivo H,Hartimo I.CDMA通信系统闭 环自适应功率控制算法[J].IEEE车载通信技术汇 刊,2004,53(6):1756—1768.(英文版) [6]Khoja J A,AI—Shalash M A,Prabhu V K.CDMA系统 建模的动态系统仿真[c]//无线移动接入围际会议论 文集.沃思堡市(美国):IEEE出版社,2002:50—58.(英 文版) Abstract:1000—2618(2009)04—0059一EA 【Optoelectronics and Communication Engineering】 Trellis--based prediction simulation algorithm Ior Dower contr0l ln ●■ J ● ● WCDMA system ZENG Jie ,LU Qing , and WANG Hui1)College of Information Engineering Shenzhen University ion and 2) Shenzhen InspectQuarantine Research Institute, Shenzhen 5 l 8045 P.R.China Shenzhen 5 1 8060 P.R.China Abstract:The principle of a trellis-based algorithm was described.The algorithm was theoretically analyzed,and a simulation model was built.The power control events were modeled by a sequence of 0 g and 1§by devising a trellis— based prediction method that adjusted the transmitting power strength according to the degree of similarity between the prediction and the actual state of power control events.The proposed algorithm was applied to the power control of the WCDMA system.The system capacity was increased,and the simulation time was reduced by using the pro- posed algorithm in simulations Key words:communication technology;power control;wideband code division multiple access;prediction algo— rithm;system capacity;system simulation References: [1]XU Wen—jun,LIU De—chang,HE Zhi—qiang,et a1.A low computational complexity simulation algorithm for power trol in 3rd generation CDMA networks[C]//Proceedings of the IEEE Global Telecommunications conferenee.San c0ntrol in WCDMA system『J].Journal of Beijing Univer— sity of Posts and Telecommunication,2007,30(4):93— 94.(in Chinese) Dillon B,Koskie S.Comparison in simulation of power con— [2] trol algorithms for wireless systems【J].Dynamics of Con— tinuous Discrete and Impulsive Systems B:Applications and Antonia(USA):IEEE Press,2001:3738—3742. [6]Khoja J A,AI—Shalash M A,Prabhu V K.Dynamic sys— tern simulator ofr the modeling of CDMA systems I C l// Proceedings of International Mobility and Wireless Aeeess Workshop.Fort Worth(USA):IEEE Press,2002:50— 58. Algorithms,2003,10(S):281-285. a1.herative [3] Anastasopoulos A,Chugg K M,Colavolpe G,et[7]Haring L,Chalise B K,Czylwik A.Dynamic system level simulations of downlink beam forming for UMTS FDD detection for channels with nlemory【J I.IEEE Transac— tions on Vehieular Technology,2007,95(6):1272一 l294. r C 1//Proceedings of Comnmnication Theory Technical Committee Meeting.San Francisco:IEEE Press,2003: 492—496. ng,YUAN Chao—wei.Effect of power control pa— [4] LIU Mirameters on WCDMA design[J].Journal of Posts and f 8]Rintamaki M,Koivo H,Hartimo I.Adaptive closed—loop power control algorithms for CDMA cellular communication Telecommunication Design Technology,2006,26(1):9— systems[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2004.53(6):1756—1768. 10.(in Chinese) m J and Bernhard U.A framework for load con— [5] Muckenhei【中文责编:英子;英文责编:雨辰】