無線通信網(wǎng)絡(luò)中的功率控制及相關(guān)控制理論問題

1  引言

    無線通信網(wǎng)絡(luò)在很多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用[1, 2]。按照控制方式的不同，這類網(wǎng)絡(luò)大致可以分為兩類。一類是集中控制式網(wǎng)絡(luò)，以蜂窩電話系統(tǒng)為代表。在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，每個基站和在此基站內(nèi)的手機通過“手機—基站”的控制模式形成一個簡單的單跳無線網(wǎng)絡(luò)，基站（以及移動中心）對網(wǎng)絡(luò)運行負有控制職責(zé)；另一類則是分布控制式網(wǎng)絡(luò)，以ad hoc網(wǎng)絡(luò)為代表。在ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點沒有主次之分，共同對網(wǎng)絡(luò)的運行負責(zé)，網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計符合計算機網(wǎng)絡(luò)“分層設(shè)計、層間獨立”的設(shè)計原則[3, 4]。 

    無線通信網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點往往能量有限并且共享傳播媒體，前者要求在達成通信要求的前提下盡量減少無線節(jié)點的能量消耗，后者則需要各個節(jié)點使用最合適的發(fā)射功率來減輕信號之間的干擾。在計算機網(wǎng)絡(luò)中，不同的功率分配策略甚至?xí)?dǎo)致不同的網(wǎng)絡(luò)拓撲，影響網(wǎng)絡(luò)的連通。這些都對有效的功率控制策略提出了迫切的要求[3, 4, 5, 6]。
功率控制的目標是減少無線節(jié)點的能量消耗，減輕網(wǎng)絡(luò)

圖1  集中式控制：蜂窩網(wǎng)絡(luò)

    中的信號干擾，更好的利用無線媒體，達成所需的通信要求。功率控制是無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的一項關(guān)鍵技術(shù)，在CDMA和WCDMA等蜂窩網(wǎng)絡(luò)中起著不可替代的作用；在ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，其設(shè)計跨越網(wǎng)絡(luò)中物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層等若干層次，影響到網(wǎng)絡(luò)連通性、擁塞控制、路由算法等重要問題[7, 8]，是ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的一個核心問題。

    目前，功率控制問題已得到不同學(xué)科領(lǐng)域（如通信、網(wǎng)絡(luò)、計算機等）學(xué)者的廣泛關(guān)注，取得了一系列研究成果。這些研究大多是從網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的角度，提出新的功率控制算法和基于功率控制的接入控制與路由算法，對算法進行仿真和性能分析等[8, 9]。本文試圖從控制理論的角度，分析功率控制中存在的控制理論問題，提出一些可能有效的解決方法。 

2  問題描述與分析

    無線通信網(wǎng)絡(luò)中的功率控制問題是在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能量有限、信道存在衰減等若干限制條件下，利用網(wǎng)絡(luò)中有限的反饋信息，調(diào)節(jié)各無線節(jié)點的發(fā)射功率，使網(wǎng)絡(luò)滿足連通性、容量最大化、穩(wěn)定性等若干控制目標的一類控制問題。
由于實際網(wǎng)絡(luò)的固有特性，無線通信網(wǎng)絡(luò)的功率控制問題有不同于傳統(tǒng)控制問題的特點。 

圖2  分布式控制：ad hoc 網(wǎng)絡(luò)

2.1  有限的控制信息 

在無線通信網(wǎng)絡(luò)中，由于下面的原因，使得只有有限的信息能夠用于指導(dǎo)無線節(jié)點的功率調(diào)節(jié)：

(1)  有限的帶寬

    無線帶寬是網(wǎng)絡(luò)中的稀缺資源。為使有用數(shù)據(jù)傳輸最大化，控制信息的通信量要受到嚴格的限制。如在CDMA系統(tǒng)的反向閉環(huán)功率控制中，僅使用一個比特攜帶反饋的功率控制信息。 

(2)  ad hoc 網(wǎng)絡(luò)中缺少中心設(shè)施以提供反饋控制信息  

    與蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的“手機—基站”模式不同，ad hoc網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點都處于相同的層次上，沒有地位特別重要的節(jié)點來控制各節(jié)點的功率分配。這使得在ad hoc網(wǎng)絡(luò)中配置基于反饋的功率控制策略變得尤為困難。 

(3)  反饋控制信息的精確及時與帶寬有限的矛盾

    在實際的通信網(wǎng)絡(luò)中，反饋的控制信息都是經(jīng)過離散的時間間隔來傳送的。時間間隔越短，反饋信息就越及時，調(diào)節(jié)也越精確，但因此而耗費的通信帶寬資源也越多，反過來也是如此。 

2.2  不可信任的控制結(jié)構(gòu) 

(1)  不可信任的無線媒體 

    無線電波的傳輸要經(jīng)受衰減，并受到周圍環(huán)境噪聲的干擾，一般而言，不經(jīng)過確認，人們無法確信任何信號的傳輸是準確有效的，即便是控制信道上的信號也是如此，這造成了功率控制信息的不可信任。

(2)  功率控制引發(fā)單向信道 

    尤其是在ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，由于信道衰減在方向上的不同，更重要的是因為采取的功率控制策略的影響，并非所有的節(jié)點都使用相同的信號發(fā)射功率，因而無法保證所有的信道都是雙向的。而單向信道使得功率控制過程無法形成閉環(huán)。 

2.3  執(zhí)行機構(gòu)的局限 

    作為功率調(diào)節(jié)的執(zhí)行機構(gòu)，無線節(jié)點往往并不能任意調(diào)節(jié)自己的發(fā)射功率。一般而言，節(jié)點的發(fā)射功率有嚴格的上限，同時在這個上限以內(nèi)，功率也往往不能連續(xù)調(diào)節(jié)，而是只有幾個離散的功率可用。以CISCO Aironet 350 系列無線網(wǎng)卡為例，它僅有6個可調(diào)的功率水平（1, 5, 20, 30, 50和100 mW）[10]。  {{分頁}}

2.4  局部性與異步性 

    局部性的含義是指，無線節(jié)點在功率調(diào)節(jié)的過程中，往往并不具有網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的功率信息，它們只能使用局部的信息，專注于自己的功率調(diào)節(jié)， 而無法顧及其它節(jié)點的功率調(diào)節(jié)行為。在CDMA網(wǎng)絡(luò)中，無線節(jié)點只跟當前小區(qū)中的基站聯(lián)系，通過二者之間的信息交互，調(diào)節(jié)各自的功率水平。在ad hoc 網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點功率的調(diào)節(jié)也同樣只能依賴它與周圍的有限節(jié)點的局部信息交流。另外，各個節(jié)點的功率調(diào)節(jié)行為相互之間是獨立的（或者只有鄰近的幾個節(jié)點有關(guān)聯(lián)），沒有一個全局的時鐘來同步所有節(jié)點的調(diào)節(jié)行為。因而，從整個網(wǎng)絡(luò)的角度看，這種調(diào)節(jié)是異步進行的。 

2.5  復(fù)雜性 

(1)  子系統(tǒng)復(fù)雜互聯(lián) 

    就CDMA網(wǎng)絡(luò)中的功率控制系統(tǒng)而言，每個手機跟基站之間都是一個獨立的反饋控制系統(tǒng)，整個網(wǎng)絡(luò)就是多個獨立的反饋控制系統(tǒng)聯(lián)合形成的一個復(fù)雜的大系統(tǒng)，而這種聯(lián)合是比較松散的：各個小的反饋系統(tǒng)獨立運作，它們之間僅通過發(fā)射信號功率的干擾而互相影響。這不同于傳統(tǒng)意義上反饋系統(tǒng)的串聯(lián)或并聯(lián)。 

    ad hoc網(wǎng)絡(luò)沒有蜂窩網(wǎng)絡(luò)中明確的“手機-基站”模式的反饋系統(tǒng)， 它里面的節(jié)點通過控制信息的反饋所形成的子系統(tǒng)以及子系統(tǒng)之間的互聯(lián)模式要比蜂窩網(wǎng)絡(luò)中更加復(fù)雜和難以處理。 

(2)  ad hoc中的功率控制策略影響網(wǎng)絡(luò)多個層 

    作為一類特殊的計算機網(wǎng)絡(luò)，ad hoc 網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計同樣要遵循計算機網(wǎng)絡(luò)分層設(shè)計、各層功能獨立、層間提供接口的設(shè)計理念。但由于無線網(wǎng)絡(luò)中功率控制的特殊性，它的設(shè)計會影響到網(wǎng)絡(luò)的幾個層。首先，功率的調(diào)節(jié)影響 信號是否可以正確傳輸，從而影響到物理層和MAC層；其次，各個無線節(jié)點不同的功率分配，影響到鄰近的節(jié)點是否可達，這可能會導(dǎo)致不同的網(wǎng)絡(luò)拓撲，從而影響到網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計；另外，節(jié)點采用過大的功率有可能會阻塞信息的傳輸，而擁塞控制是傳輸層的任務(wù)。 

    這樣，ad hoc 網(wǎng)絡(luò)中的功率控制就跟計算機網(wǎng)絡(luò)分層設(shè)計、層間獨立的設(shè)計思路產(chǎn)生了矛盾。

2.6  多個控制目標 
 
    功率控制問題存在多個控制目標。可以從網(wǎng)絡(luò)和控制的角度分為兩類。

(1)  網(wǎng)絡(luò)角度