浅议3G 网络中功率控制技术的控制理论问题

　　0.引言

　　第三代蜂窝移动通信系统(3G)采用的多址方式主要是码分多址(CDMA)的接入方式。 CDMA 为一干扰受限系统，干扰的大小将直接影响到系统容量的大小。 因此有效的克服和抑制干扰就成为 CDMA 系统中最主要、最关键的问题之一。除了多址干扰本身直接的影响外，由于“远近效应”和“边缘效应”等现象都会导致系统容量下降和实际通信服务范围的缩小等。解决这些问题的一个最有效的方法是采用功率控制(Power Control)技术。 功率控制的目标是减小无线节点的能量消耗，减轻网络中的信号干扰，更好的利用无线媒体，达成所需要的通信要求。 因此可以认为功率控制是改善与提高 3G 蜂窝移动通信系统可靠性的核心技术之一。 功率控制技术在 CDMA 和WCDMA 网络中有着不可替代的作用。

　　目前，功率控制问题已得到各个学科领域学者的广泛关注，作为学术热点已作了大量的工作，取得了一系列研究成果，提出了各种新的功率控制算法。 从集中式功率控制到分布式功率控制，从等功率控制到基于业务质量的功率控制，穿插运用其中的算法还有分为统一门限和自适应门限算法，单比特定步长功率控制到多比特变步长功率控制等算法， 目的都在于实现通信质量的最优化和系统容量的最大化。本文将从控制理论的角度，讨论功率控制过程中存在的相关控制理论问题。

　　1.功率控制过程中遇到的问题

　　3G 移动通信网络中的功率控制是在各网络节点能量有限， 传输信道存在衰减，信道带宽资源有限等条件限制下，利用通信网络中的有限反馈信息，调节各个网络节点的发射功率，从而使网络抗干扰的能力最强，容量最大，系统最稳定。 因此，由于移动通信网络具有不同于其他网络的特性，其功率的控制问题具有与传统的控制问题同的特点。

　　1.1 带宽的有限性 移动通信是利用无线电波作为传输媒质的 ，而可利用频率是有限的，因此无线带宽是移动通信网络中宝贵且稀少的资源。合理而有效的利用频率资源，使有用信息最大化传输，则控制信息的传输量应受到严格的限制。 因此在 3G 网络中，功率控制信息所占用的比特量一般较小。在实际的通信网络中，控制信息是离散传输的，间隔时间越短，反馈的控制信息就越及时，控制也就越准确，但是因此消耗的信道带宽资源也就越大。 反过来，要占用较少的频率资源，控制的信息将不及时，准确。

　　1.2 控制信息的不可信任性 移动通信中，无线电波在传输的过程中，要受到衰减，并受到各种复杂的干扰的影响，信号到达接收端时衰耗很大，甚至将无法确认信号的可靠性。 对于功率控制信号也存在同样的问题，由于在传输过程中受到的衰减和干扰的影响，接收端收到的控制信息，将存在不可信任性。

　　1.3 控制信息的局限性 网络中的各个节点在功率控制的调节过程中，往往并不具有网络中所有节点的控制信息。 如在 3G 网络中，移动台一般只是与当前小区中的基站联系， 通过二者之间信息的交换，调整各自的发射功率。可见，各个节点的功率调节是相对独立的，不是全局的行为，因此也不会达到整体的最优。

　　1.4 功率控制的复杂性 对于一个庞大的移动通信网络来说 ，每个移动台或基站的功率控制都是各自独立的反馈系统，则整个网络的控制是由这些小的反馈系统联合而成的。而这些小系统之间并不是简单的传统反馈系统的串联与并联形式， 为了保证整个网络可通性，他们之间的联系是复杂的。

　　1.5 控制具有多个目标 功率控制问题存在着多个控制目标 ，如网络容量，功率控制算法的收敛性和适应性，网络的连通性等。一般而言， 不存在一种功率控制的策略和算法使得所有的目标都达到最优，事实上，有些目标之间本身就是矛盾的，则各种功率控制方法都将无法达到所有控制目标的最优。

　　2.相关的控制理论的讨论

　　从上面的分析可以看出，对于 3G 系统的功率控制技术仍存在着一定的控制论问题需要讨论。在关于功率控制算法的研究中，传统的功率控制方法一般可以分为两种：一种是基于优化，另一种是基于反馈。 这两种方法各有利弊。基于优化的功率控制需要知道系统的精确模型，通过目标函数对系统性能进行描述，在使系统性能达到最优的目标下，完成对各个用户发射功率的计算，然后将算出的功率值实时加载给用户。 这种方法控制准确且有明确意义的最优化目标函数，但是计算量很大，不适合动态环境，当环境参数发生变化时，原先求得的最优解将不再适用，特别是当系统维数，用户数发生变化时，需要重新建立系统模型和再次优化，这些任务的实时完成是很难实现的。因而该方法只具有理论上的研究价值，而不具有实用意义。基于反馈的功率控制，控制灵活，易于实现，但这种方法是根据单个用户服务质量的变化来确定发射功率的变化趋势，谈不上系统整体的最优。此外，步长的确定在很大程度上依赖于经验知识，缺乏理论依据。不适当的步长，会造成很大的过调量或较长的稳定时间，从而影响了每个用户的信干比和系统的稳定性。 从两者的利弊分析，反馈的功率控制算法具有更实际的应用价值。 而在实际的 3G 移动通信网络中，应用的各种功率控制算法也大多是反馈的功率控制算法。对于 3G 移动通信网络的功率控制问题在本质上具有控制理论的反馈系统的基本特点，因此将传统和现代的控制理论的思想和工具应用到功率控制的问题上，将会对研究新的反馈的功率控制算法有重要的意义。

　　功率控制的目的是减小节点的能耗，减轻网络中的干扰，更好的利用无线资源，实现网络容量的最大化和性能的最优。 而对应的功率控制算法，根据这一目的，存在着多个控制目标，这其中的有些目标本身是相互矛盾的，因此不会有哪种功率控制算法使得所有的控制目标都达到最优。 那么，应用控制的理论，将这些控制目标合理的折衷，寻找不同的控制策略使控制达到相对最好的效果，也是要进一步讨论的问题。

　　移动通信的网络是庞大而且复杂的，各移动节点处于不断移动的状态，节点的分布和状态都是不断变化的。在这种情况下，通过功率控制技术控制的各节点的发射功率，应能保证网络的连通性。 对于整个3G 移动通信网络这个大的系统， 应协调的考虑各功率控制的小的反馈系统间的关系，则可以利用控制理论中的相关控制思想，如最优控制，协调控制等，将其应用到功率控制中，使得对 3G 移动通信网络这一大网络的控制更加有效。

　　3.结论

　　功率控制在 3G 移动通信系统中具有中的意义，其技术的发展也将影响 3G 网络的发展。 因此，寻找合理而有效的功率控制方法仍在进行当中。 把先进的控制理论应用到功率控制技术中来，研究新的功率控制策略和算法;借助于控制理论中一些的想法和结论，改善现有的功率控制方法，将会使移动通信中的功率控制技术朝着自己的目标进一步的发展。

　　【参考文献】

　　[1]李建东，郭梯云，邬国扬，移动通信[M]，西安电子科技大学出版社，2006 年 1 月.

　　[2]吴伟陵，移动通信中的关键技术[M]，北京 ：北京邮电大学出版社 ，2000.2000年11 月.

　　[3]鲜继清，等，现代通信系统[M]，西安电子科技大学出版社，2003.

　　[4]彭木根，王文博，3G 无线资源管理与网络规划优化[M]，北京：人民邮电出版社，2006.

　　作者简介：杨会玉(1975—)，女，1998年毕业辽宁工程技术大学，研究方向移动通信。