空空通信條件下的功率控制算法研究

【摘要】為了減小空空通信時的相互干擾，提高通信隱身性，以及便于對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行優(yōu)化控制，必須對通信鏈路實施功率控制。本文結(jié)合空空通信的功率控制特性，分析了多種常用的功率控制技術(shù)的適用性，并設(shè)計了幾種適合于空空通信條件下的功率控制算法，并通過仿真驗證了設(shè)計的算法的有效性，比較了各種算法之間的性能。

【關(guān)鍵詞】空空通信功率控制開環(huán)控制閉環(huán)控制Research on Power Control in the Context of Air-Air Communication

Qu Tiangang

（Southwest China Institute of Electronic Technology， Chengdu 610036， China）

Abstract： In order to mitigate interferences， decrease the probability of detection， and optimize the network topology， it is a must to control the power of the communication link in the context of air-air communication. Based on characteristics of the power control in air-air communication， this paper analyzed the applicability of some common power controlling techniques， designed several power controlling algorithms that were fit for the context of air-air communication， validated the efficacy of the proposed algorithms， and compared the performance of them.

Key words： Air-Air Communication， Power Control， Open-loop Control， Closed-loop Control

一、引言

空空條件下的通信鏈路通常需要具備作用距離遠(yuǎn)，速率高，以及隱蔽性好[1-3]等特點。為了減小空空通信的相互干擾，提升網(wǎng)絡(luò)容量；更進(jìn)一步提高通信的隱身性；以及更好地優(yōu)化控制通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，就必須對通信鏈路實施功率控制。因此，本文對空空通信條件下的功率控制技術(shù)展開研究，并設(shè)計了幾種適用于該環(huán)境的功率控制算法。

二、常用功率控制算法介紹

本小節(jié)以CDMA蜂窩移動通信系統(tǒng)為例對常用的功率控制算法進(jìn)行介紹。

CDMA系統(tǒng)是一種干擾受限系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)在干擾在決定系統(tǒng)容量和話音質(zhì)量方面起到了關(guān)鍵作用。在反向鏈路中，由于移動臺與基站間距離的不同會產(chǎn)生“遠(yuǎn)近效應(yīng)”[4，5]；在前向鏈路上，由于用戶的隨機(jī)移動會面臨“角效應(yīng)”和“陰影效應(yīng)”[6，7]。這些現(xiàn)象將會導(dǎo)致系統(tǒng)容量下降和實際通信范圍縮小等。

功率控制是解決上述問題的關(guān)鍵技術(shù)，其目標(biāo)是在上述所有條件下保持鏈路質(zhì)量的同時，限制前向和反向鏈路的發(fā)射功率。

2.1功率控制準(zhǔn)則

功率控制準(zhǔn)則是指功率控制的基本依據(jù)。從原理上看，功率控制準(zhǔn)則大致可以分為功率平衡準(zhǔn)則和信號干擾比（Signal Interference Ratio，簡稱SIR）平衡準(zhǔn)則[8]：

1、功率平衡準(zhǔn)則基本原理：（1）功率平衡是指在接收端收到的有用信號功率相等。（2）對于反向鏈路，功率平衡的目標(biāo)是使各個移動臺到達(dá)基站的信號功率相等。

2、SIR平衡準(zhǔn)則基本原理：（1）SIR平衡是指接收到的信號干擾比相等。（2）對于反向鏈路，使基站接收到的各個移動臺信號的SIR相等。

在單小區(qū)蜂窩系統(tǒng)中的反向鏈路，當(dāng)各個移動臺到達(dá)基站的信號功率相等時，所對應(yīng)的SIR也相等。因此在單小區(qū)系統(tǒng)中，反向鏈路功率平衡準(zhǔn)則與SIR平衡準(zhǔn)則是等效的。但是單小區(qū)蜂窩系統(tǒng)的前向鏈路以及多小區(qū)蜂窩系統(tǒng)中，功率平衡準(zhǔn)則與SIR平衡準(zhǔn)則具有不同的含義。

和SIR平衡相比，功率平衡功率控制方法易于實現(xiàn)，但性能不如SIR平衡。SIR平衡準(zhǔn)則也有局限性，比如在反向鏈路中，SIR功控有可能導(dǎo)致正反饋，而使系統(tǒng)失去穩(wěn)定性。

2.2功率控制的分類

2.2.1前向和反向功率控制

按照通信的上下行鏈路方向，功率控制可以分為前向功率控制和反向功率控制。

前向功率控制用來控制基站的發(fā)射功率，使所有移動臺能夠有足夠的功率正確接收信號，在滿足要求的情況下，基站的發(fā)射功率應(yīng)盡可能地小，以減少對相鄰小區(qū)間的干擾，克服角效應(yīng)[9]。

反向功率控制用來控制每一個移動臺的發(fā)射功率，使所有移動臺在基站端接收的信號功率或信噪比基本相等，達(dá)到克服遠(yuǎn)近效應(yīng)的目的[10]。

2.2.2開環(huán)和閉環(huán)功率控制

按照形成環(huán)路的方式，功率控制可以分為開環(huán)功率控制和閉環(huán)功率控制[1]。

開環(huán)功率控制是指移動臺或基站根據(jù)下行或上行鏈路信號質(zhì)量，對信道衰弱進(jìn)行估計，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行補(bǔ)償。

閉環(huán)功率控制指基站或移動臺根據(jù)上行或下行鏈路信號質(zhì)量，產(chǎn)生功率控制指令，再經(jīng)過下行或上行鏈路將功率控制信令傳送給移動臺或基站，移動臺或基站根據(jù)功率控制命令調(diào)整發(fā)射功率，以達(dá)到功率平衡或SIR平衡。閉環(huán)功率控制的主要優(yōu)點是控制精度高，也是實際系統(tǒng)中常采用的精確控制手段。其缺點是從控制命令的發(fā)出到改變功率存在時延，當(dāng)時延上升時，功率控制性能將嚴(yán)重下降。同時還存在穩(wěn)態(tài)誤差大和占用系統(tǒng)資源等缺點。閉環(huán)功率控制又可以進(jìn)一步分為內(nèi)環(huán)功率控制技術(shù)和外環(huán)功率控制技術(shù)。

2.2.3內(nèi)環(huán)和外環(huán)功率控制

按照功率控制的目的，功率控制可以分為內(nèi)環(huán)功率控制和外環(huán)功率控制。內(nèi)環(huán)功率控制用來補(bǔ)償由于多徑效應(yīng)引起的衰落，使接收到的值達(dá)到由外環(huán)功率控制提供的目標(biāo)值。內(nèi)環(huán)功率控制速度較快，又稱快速功率控制

外環(huán)功率控制的目的是保證通信質(zhì)量在一定的標(biāo)準(zhǔn)上，而此標(biāo)準(zhǔn)的提出是為了給內(nèi)環(huán)功率控制提供足夠高的信噪比要求。外環(huán)功率控制的速度比較緩慢，因此外環(huán)功率控制又稱為慢速功率控制，一般是每10～100ms調(diào)整一次[12]。

2.2.4集中式和分布式功率控制

按照實現(xiàn)功率控制的方式，功率控制可以分為集中式功率控制和分布式功率控制。前向功率控制一般都是集中式功率控制，反向功率控制是分布式功率控制。

集中式功率控制根據(jù)接收到的信號功率和鏈路預(yù)算來調(diào)整發(fā)射端的功率，以使接收端SIR的基本相等。其最大的難點是要求系統(tǒng)在每一時刻獲得一個歸一化的鏈路增益矩陣，這在用戶較多的小區(qū)內(nèi)是較難實現(xiàn)的[13]。

分布式功率控制首先是在窄帶蜂窩系統(tǒng)中提出來的，它通過迭代的方式近似地實現(xiàn)最佳功率控制，而在迭代的過程中只需各個鏈路的SIR即可。即使對的估計有誤差，分布式平衡算法仍是一種有效的算法。對于系統(tǒng)，當(dāng)不考慮估計誤差時，分布式算法非常有效，但是當(dāng)估計存在誤差時，分布式平衡算法有可能不再收斂于一個平衡SIR。隨誤差的增加，系統(tǒng)的性能很快下降[14]。

三、空空通信條件下的功率控制特性

在設(shè)計功率控制算法的時候，必須結(jié)合空空通信的以下特點：

（1）屬于對稱鏈路。發(fā)送和接收處于同一頻率，發(fā)送和接收的電磁波路徑幾乎完全一致，因此適合開環(huán)功率控制。

（2）無線信道以慢衰落為主。空空通信鏈路主要用于視距內(nèi)通信，無遮擋，信道條件較好，主要衰落為自由空間路徑損耗，因此適合慢速功率控制。

（3）具有高動態(tài)性?？湛胀ㄐ殴?jié)點移動速度通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于手機(jī)通信系統(tǒng)中移動速度，因此，對功率控制的響應(yīng)速度提出了要求。

（4）具有通信雙方的位置等先驗信息。根據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)協(xié)議，通信雙方周期地互相交換位置等信息，則可根據(jù)這些信息獲得距離等信息，從而可以進(jìn)行鏈路預(yù)算，為功率控制提供輔助手段。

（5）通信雙方能夠周期性交互信息。根據(jù)組網(wǎng)協(xié)議設(shè)計，通信雙方可周期性地交換位置等信息，可用于閉環(huán)功率控制，傳輸功率控制指示命令。

（6）不存在多址干擾，因此對于空空通信來說，功率平衡準(zhǔn)則和SIR平衡準(zhǔn)則沒有區(qū)別。

四、空空通信功率控制算法設(shè)計

4.1設(shè)計原則

基于設(shè)計好的組網(wǎng)協(xié)議，且不考慮傳輸速率的變化。在保證通信的基礎(chǔ)上，盡量降低發(fā)射功率，提高隱身性能。

4.2算法一

僅用距離信息進(jìn)行功率控制。

通信雙方在信息交互期均以固定功率P0（通常是最大功率）進(jìn)行發(fā)送，即只在通信期間進(jìn)行功率控制。通過在信息交互期的位置信息交換，通信雙方均獲得了對方的位置信息。

當(dāng)節(jié)點A在向節(jié)點B發(fā)送數(shù)據(jù)時，先解算AB之間的距離，然后進(jìn)行鏈路預(yù)算，從而推算出所需的發(fā)射功率。指的注意的是，在預(yù)算時，應(yīng)考慮兩者的姿態(tài)，將掃描帶來的增益損失補(bǔ)償進(jìn)去。

該方式的特點：（a）不需要信號強(qiáng)度測量，實現(xiàn)簡單。（b）控制精度低。（c）不能適應(yīng)無線信道的動態(tài)變化，如突發(fā)的降雨損耗等。

4.3算法二

采用簡單的開環(huán)功率控制。

通信雙方在信息交互期均以固定功率P0（通常是最大功率）進(jìn)行發(fā)送。假定在兩個相鄰的信息交互期中，第一個時期是節(jié)點A發(fā)送，節(jié)點B接收；下一個時期是節(jié)點B發(fā)送，節(jié)點A接收，即節(jié)點A和節(jié)點B在這兩個時間段中完成一次握手。則功率控制過程如下所示：（1）在第一個信息交互期，節(jié)點A以固定功率P0向節(jié)點B發(fā)送，節(jié)點B接收后，測量接收的信號強(qiáng)度，并以此估算出節(jié)點A至節(jié)點B之間鏈路的損耗，并以此推導(dǎo)出A→B所需的最小發(fā)射功率Pbmi（n考慮一定余量）；（2）同樣，在第二個信息交互期，節(jié)點B以固定功率P0向節(jié)點A發(fā)送，節(jié)點A接收并測量，計算出B→A所需的最小發(fā)射功率Pamin；（3）在隨后的通信期中，當(dāng)節(jié)點A向節(jié)點B發(fā)送數(shù)據(jù)時，均以功率Pamin進(jìn)行發(fā)送；當(dāng)節(jié)點B向節(jié)點A發(fā)送數(shù)據(jù)時，均以功率Pbmin進(jìn)行發(fā)送；（4）各節(jié)點均在信息交互期進(jìn)行最小功率的估計，并以此作為隨后通信期中的發(fā)射功率。

該方式的特點：（1）簡單易操作。（2）不需要額外的功率控制管理命令，因此不會占用系統(tǒng)的通信資源。（3）該方式過分依賴信號強(qiáng)度的測量精度，功控精度較低。（4）該方式下的功控頻率為50ms（信息交互期的周期）一次，功控周期內(nèi)一次調(diào)整到位。

4.4算法三

采用簡單的閉環(huán)控制，只有內(nèi)環(huán)控制，沒有外環(huán)控制。在報頭中增加“功率調(diào)節(jié)指示”數(shù)據(jù)項：0—無報告，1—增加，2—減少。

（1）當(dāng)節(jié)點A首次向節(jié)點B發(fā)送數(shù)據(jù)時，以固定功率P0（通常是最大功率）進(jìn)行發(fā)送，此時，“功率調(diào)節(jié)指示”填為“無報告”；

（2）當(dāng)節(jié)點B接收到節(jié)點A的信號時，進(jìn)行信號強(qiáng)度檢測，若發(fā)現(xiàn)信號強(qiáng)度高于某個門限值，則在節(jié)點B向節(jié)點A發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，將“功率調(diào)節(jié)指示”填為“減少”；若發(fā)現(xiàn)信號強(qiáng)度低于某個門限值，則在則在節(jié)點B向節(jié)點A發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，將“功率調(diào)節(jié)指示”填為“增加”；

（3）當(dāng)節(jié)點A接收到節(jié)點B的數(shù)據(jù)后，解析“功率調(diào)節(jié)指示”，相應(yīng)地增加或減少發(fā)射功率一個等級；

（4）重復(fù)進(jìn)行b、c步驟；（5）當(dāng)節(jié)點B首次向節(jié)點A發(fā)送數(shù)據(jù)時，過程類似；（6）值得注意的是，在這里鏈路A→B與B→A是各自獨立進(jìn)行功率控制的。

特點：（1）采用逐步調(diào)節(jié)的方法，控制精度比開環(huán)控制高。（2）一對通信期功率調(diào)整一次，收斂速度較慢。（3）沒有考慮上層業(yè)務(wù)需求的多樣性。（4）與開環(huán)功控相比，占用了通信資源，每個時隙占用2比特。

五、仿真分析

5.1仿真模型

5.1.1通信模型

通信模型如圖1所示，節(jié)點A和B每隔50ms向?qū)Ψ桨l(fā)送一條包含自身信息的消息，且一條消息傳播需要10ms時延。

5.1.2環(huán)境模型

鏈路損耗模型和此前計算鏈路電平時基本保持一致，各種固定損耗共計7dB，其余損耗約為6dB，環(huán)境條件為：（1）降雨概率：1%；（2）降雨持續(xù)時間：6～12S內(nèi)隨機(jī)均勻分布；（3）噪聲：正態(tài)分布，均值：0，方差：1/4，且取絕對值；（4）測量誤差：正態(tài)分布，均值：0，方差：1/4。

5.1.3仿真參數(shù)

仿真時間為60s。

5.2仿真結(jié)果和分析

仿真結(jié)果如上表所示：

由上表可以看出，算法二收斂時間穩(wěn)定，通信終端概率小，并且具有最小的功率控制精度方差，是一種較穩(wěn)定的功率控制算法。

六、結(jié)論

本文針對空空通信條件下的功率控制技術(shù)展開了深入研究，分析了常用功率控制技術(shù)在該環(huán)境下的可用性，并設(shè)計了三種適用于該環(huán)境的功率控制算法。仿真實驗說明，三種算法均能達(dá)到功率控制效果。其中，算法二性能最好，可以作為一種較為穩(wěn)定的功率控制算法。

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