无线通信网络中的功率控制及相关控制理论问题

1  引言

    无线通信网络在很多领域都得到了广泛的应用[1, 2]。按照控制方式的不同，这类网络大致可以分为两类。一类是集中控制式网络，以蜂窝电话系统为代表。在蜂窝网络中，每个基站和在此基站内的手机通过“手机—基站”的控制模式形成一个简单的单跳无线网络，基站（以及移动中心）对网络运行负有控制职责；另一类则是分布控制式网络，以ad hoc网络为代表。在ad hoc网络中，节点没有主次之分，共同对网络的运行负责，网络的设计符合计算机网络“分层设计、层间独立”的设计原则[3, 4]。 

    无线通信网络中的节点往往能量有限并且共享传播媒体，前者要求在达成通信要求的前提下尽量减少无线节点的能量消耗，后者则需要各个节点使用最合适的发射功率来减轻信号之间的干扰。在计算机网络中，不同的功率分配策略甚至会导致不同的网络拓扑，影响网络的连通。这些都对有效的功率控制策略提出了迫切的要求[3, 4, 5, 6]。
功率控制的目标是减少无线节点的能量消耗，减轻网络

图1  集中式控制：蜂窝网络

    中的信号干扰，更好的利用无线媒体，达成所需的通信要求。功率控制是无线蜂窝网络中的一项关键技术，在CDMA和WCDMA等蜂窝网络中起着不可替代的作用；在ad hoc网络中，其设计跨越网络中物理层、MAC层、网络层、传输层等若干层次，影响到网络连通性、拥塞控制、路由算法等重要问题[7, 8]，是ad hoc网络中的一个核心问题。

    目前，功率控制问题已得到不同学科领域（如通信、网络、计算机等）学者的广泛关注，取得了一系列研究成果。这些研究大多是从网络和通信技术的角度，提出新的功率控制算法和基于功率控制的接入控制与路由算法，对算法进行仿真和性能分析等[8, 9]。本文试图从控制理论的角度，分析功率控制中存在的控制理论问题，提出一些可能有效的解决方法。 

2  问题描述与分析

    无线通信网络中的功率控制问题是在网络节点能量有限、信道存在衰减等若干限制条件下，利用网络中有限的反馈信息，调节各无线节点的发射功率，使网络满足连通性、容量最大化、稳定性等若干控制目标的一类控制问题。
由于实际网络的固有特性，无线通信网络的功率控制问题有不同于传统控制问题的特点。 

图2  分布式控制：ad hoc 网络

2.1  有限的控制信息 

在无线通信网络中，由于下面的原因，使得只有有限的信息能够用于指导无线节点的功率调节：

(1)  有限的带宽

    无线带宽是网络中的稀缺资源。为使有用数据传输最大化，控制信息的通信量要受到严格的限制。如在CDMA系统的反向闭环功率控制中，仅使用一个比特携带反馈的功率控制信息。 

(2)  ad hoc 网络中缺少中心设施以提供反馈控制信息  

    与蜂窝网络中的“手机—基站”模式不同，ad hoc网络中所有节点都处于相同的层次上，没有地位特别重要的节点来控制各节点的功率分配。这使得在ad hoc网络中配置基于反馈的功率控制策略变得尤为困难。 

(3)  反馈控制信息的精确及时与带宽有限的矛盾

    在实际的通信网络中，反馈的控制信息都是经过离散的时间间隔来传送的。时间间隔越短，反馈信息就越及时，调节也越精确，但因此而耗费的通信带宽资源也越多，反过来也是如此。 

2.2  不可信任的控制结构 

(1)  不可信任的无线媒体 

    无线电波的传输要经受衰减，并受到周围环境噪声的干扰，一般而言，不经过确认，人们无法确信任何信号的传输是准确有效的，即便是控制信道上的信号也是如此，这造成了功率控制信息的不可信任。

(2)  功率控制引发单向信道 

    尤其是在ad hoc网络中，由于信道衰减在方向上的不同，更重要的是因为采取的功率控制策略的影响，并非所有的节点都使用相同的信号发射功率，因而无法保证所有的信道都是双向的。而单向信道使得功率控制过程无法形成闭环。 

2.3  执行机构的局限 

    作为功率调节的执行机构，无线节点往往并不能任意调节自己的发射功率。一般而言，节点的发射功率有严格的上限，同时在这个上限以内，功率也往往不能连续调节，而是只有几个离散的功率可用。以CISCO Aironet 350 系列无线网卡为例，它仅有6个可调的功率水平（1, 5, 20, 30, 50和100 mW）[10]。  {{分页}}

2.4  局部性与异步性 

    局部性的含义是指，无线节点在功率调节的过程中，往往并不具有网络中所有节点的功率信息，它们只能使用局部的信息，专注于自己的功率调节， 而无法顾及其它节点的功率调节行为。在CDMA网络中，无线节点只跟当前小区中的基站联系，通过二者之间的信息交互，调节各自的功率水平。在ad hoc 网络中，节点功率的调节也同样只能依赖它与周围的有限节点的局部信息交流。另外，各个节点的功率调节行为相互之间是独立的（或者只有邻近的几个节点有关联），没有一个全局的时钟来同步所有节点的调节行为。因而，从整个网络的角度看，这种调节是异步进行的。 

2.5  复杂性 

(1)  子系统复杂互联 

    就CDMA网络中的功率控制系统而言，每个手机跟基站之间都是一个独立的反馈控制系统，整个网络就是多个独立的反馈控制系统联合形成的一个复杂的大系统，而这种联合是比较松散的：各个小的反馈系统独立运作，它们之间仅通过发射信号功率的干扰而互相影响。这不同于传统意义上反馈系统的串联或并联。 

    ad hoc网络没有蜂窝网络中明确的“手机-基站”模式的反馈系统， 它里面的节点通过控制信息的反馈所形成的子系统以及子系统之间的互联模式要比蜂窝网络中更加复杂和难以处理。 

(2)  ad hoc中的功率控制策略影响网络多个层 

    作为一类特殊的计算机网络，ad hoc 网络的设计同样要遵循计算机网络分层设计、各层功能独立、层间提供接口的设计理念。但由于无线网络中功率控制的特殊性，它的设计会影响到网络的几个层。首先，功率的调节影响 信号是否可以正确传输，从而影响到物理层和MAC层；其次，各个无线节点不同的功率分配，影响到邻近的节点是否可达，这可能会导致不同的网络拓扑，从而影响到网络层的设计；另外，节点采用过大的功率有可能会阻塞信息的传输，而拥塞控制是传输层的任务。 

    这样，ad hoc 网络中的功率控制就跟计算机网络分层设计、层间独立的设计思路产生了矛盾。

2.6  多个控制目标 
 
    功率控制问题存在多个控制目标。可以从网络和控制的角度分为两类。

(1)  网络角度