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摘要：功率及速率的控制是无线通信网络中的关键技术，因为传统功率及速率的控制算法不能有效的保证系统具有最优地输出跟踪性能，为此从最优控制理论的角度来研究无线通信网络的功率和速率控制问题。首先。建立了无线通信网络功率和速率控制系统的状态空间数学模型，并提出一种功率和速率的最优控制算法。基于此，本文主要对无线通信网络功率和速率最优控制及其仿真进行分析，希望可供相关从业者参考借鉴。
关键词：无线通信网络；功率；速率；控制
前言：在现阶段及未来无线通信网络，支持了语音、图像、视频、数据等多种形式的媒体信息，人们期望以最低的发射功率获得最大的传输速率。低功率可以提高系统容量、减小干扰并节省能源、延长电池寿命，但会导致通信质量下降甚至不可靠连接．这就需要有效的功率控制。功率控制的目标是尽可能地使基站接收到的各个移动台的信噪比达到期望值，并使发射功率最小化，从而使系统容量最大化。另一方面，大的传输速率可以快速地传送媒体信息，但会导致网络拥塞，这就需要有效的速率控制，对不同种类的业务分配不同的传输速率 (如话音通信需要较低的传输速率，而视频和数据需要较高的传输速率)，并保证用户之间的传输速率公平均衡。速率控制的目标是充分利用无线网络资源，使传输速率最大化，从而使网络的吞吐量最大化。同时，功率和速率之间并不是独立的，它们相互影响并相互制约。因此，如何对无线通信网络的功率和速率进行有效地联合控制是目前具有挑战性的研究课题之一。
1 无线通信网络功率及其速率的分类
1.1 基于有效功率控制的资源配置。这类方法首先通过功率控制策略将用户的发射功率控制在期望的水平上，然后以网络吞吐量最大化为目标来进行网络资源配置。优化传输速率。其中基于凸优化方法和基于博弈论方法的功率和速率控制是这类方法中两种典型的方法。由于问题的复杂性，基于凸优化方法的大部分成果都局限于解决一个非凸的优化问题，只得到了次优的结果；即使有的成果将非凸的优化问题转化为凸优化问题得到了最优解，但假设条件是用户的信噪比足够高。并且基于凸优化方法和基于博弈论方法的网络资源优化配置都是在假设系统已经具有完备的功率控制的前提下进行的。
1.2 是基于用户功率和速率的快速监测来实时地调节功率和速率。这类方法的缺点是要求调节速度高于链路增益的改变速度，较少使用。
1.3 是基于信噪比分配的功率控制。由于传输速率与信噪比有关，因此根据用户的业务类型和传输速率的要求首先对信噪比进行合理的分配，然后利用功率控制 来调节用户的发射功率，使用户的信噪比达到期望值。这类方法可以对功率和速率进行“无缝”调节。具有较好的控制效果。对于信道参数未知的情况，采用自适应控制策略，通过在线辨识来获得信道参数然后对功率和速率进行有效地控制。提出了一种适应模糊功率和速率控制的方法。提出了无线通信网络的功率和速率鲁棒控制方法，提出了一种功率和速率的预测控制方法。利用输入输出理论，证明了如果最优功率和速率控制存在，则在此功率和速率控制下的闭环系统是渐近稳定的，但并没有给出最优功率和速率控制律的求法。
本章首先从控制理论出发，建立了无线通信网络功率和速率控制系统的状态空间数学模型：然后，基于最优控制理论，提出了一种功率和速率的最优控制算法，并给出最优功率和速率控制律的求法，通过求解矩阵黎卡提代数方程，得到最优功率和速率控制律；最后，对最优控制算法进行了计算机仿真。仿真结果表明，所提出的最优控制算法具有很好的控制性能。
2 系统建模
针对蜂窝移动无线通信网络。每一个蜂窝称为一个小区，每个小区中具有一个基站和n个移动台(或用户)。在基站接收到的第i个移动台的信噪比为.png)
其中，yi(k)是基站接收到的实际信噪比，gu(k)和gij(k)分别是移动台i和移动台J到基站的信道增益，Pi(k)和pj(k)分别是移动台i和移动台J的发射功率，o2i；是高斯随机干扰。.png)
3 功率及速率最优化的控制算法
为了使系统的输出y(k)跟踪期望输出y*(k)，由线性系统理论，设Y*(k)为如下稳定的连续时间线性定常系统的输出.png)
其中，（A，B）为完全能控，（A，C）为完全能观测，C为满秩阵，（F,H）为全面能观测。进而，引入了二次型性能指标.png)
其中，加权阵Q为正半定对称阵，R为正定对称阵。无线通信网络的功率及书率最优的控制问题是，针对功率及速率控制系统数学模型及参考输入模型，设计一个状态反馈最优的控制器u*(k)=Kx(k)，使性能指标取最小，为了求出最优的控制器u*(k)，定义如下增广距阵，.png)
对应地，定义性能指标中的加权矩阵.png)
则给定跟踪问题可转化为如下的等价调节问题.png)
其中由(A，B)能控和参考输人模型为稳定可知(A，b) 为能稳，再由(A，c)；fll(F，H)能观测以及Q≥0可保证Q为正半定。而R=R按假定为正定。进而，求解最优等价调节问题。对此，直接运用最优调 节问题基本结论可知，对无限时不变加调节问题，最优控制u*(K)为.png)
4 仿真结果
为了验证所提出的功率和速率最优控制算法的有效性和最优性。下面应用Matlab对所提算法进行计算机仿真。仿 真参数取为：c1=0．5，u=0．8，Or=0．2，bp=bf=1，F= [0．8 0；0 0．8]，H，Q和R为单位阵，期望信噪比取为10dB，期望速率取为50。可以看出，本文所提出的控制算法具有很好的控制性能和输出跟踪性能。
结束语：
本文首先从控制理论出发，建立了无线通信网络功率和速率控制系统的状态空间数学模型，在此基础上，应用最优控制理论。提出了一种功率和速率的最优控制算法，通过求解矩阵黎卡提方程得到了最优控制律，并对最优控制算法进行了计算机仿真。仿真结果表明，所提出的功率和速率最优控制算法具有很好的控制性能。
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论文作者:林松州
论文发表刊物:《基层建设》2016年15期
论文发表时间:2016/11/8
标签：速率论文; 功率论文; 最优论文; 通信网络论文; 算法论文; 方法论文; 系统论文; 《基层建设》2016年15期论文;