W iMAX上行功率控制中分集合并研究

黎海濤，呂海坤，袁海英，周艷慧

(1. 北京工業(yè)大學(xué)電子信息與控制工程學(xué)院 北京 朝陽區(qū) 100124；2. 國家廣播電影電視總局 北京 西城區(qū) 100866)

WiMAX上行鏈路采用功率控制動態(tài)調(diào)整各子載波的發(fā)射功率，從而在保證一定通信質(zhì)量的前提下降低發(fā)射功率。WiMAX上行功率控制包括閉環(huán)功率控制和開環(huán)功率控制。閉環(huán)功率控制指基站根據(jù)終端上行信號的測量值，通過空口消息發(fā)送給終端進(jìn)行功率調(diào)整；開環(huán)功率控制是在基站不參與對終端發(fā)射功率控制情況下，終端根據(jù)估算的信道損耗逐步調(diào)整發(fā)射功率。

WiMAX上行功率控制策略包括基于接收信號強(qiáng)度指示(RSSI)的功率平衡準(zhǔn)則和信號干擾噪聲比(SINR)的功率平衡準(zhǔn)則。在組網(wǎng)場景中，由于存在嚴(yán)重同道干擾，降低了基站接收信號質(zhì)量。故一般采用基于SINR平衡的功率控制準(zhǔn)則，使得基站與各終端間上行鏈路的接收SINR值相同。

在多小區(qū)WiMAX功率控制的研究中，大多采用理想同道干擾模型，這不符合網(wǎng)絡(luò)中同道干擾統(tǒng)計(jì)分布的實(shí)際情況。針對無線網(wǎng)絡(luò)的同道干擾，文獻(xiàn)[1]給出了一種基于高斯統(tǒng)計(jì)的同道干擾模型，但利用該模型分析同道干擾時(shí)，會使干擾信號出現(xiàn)不同程度的延遲，降低系統(tǒng)的誤碼率性能。文獻(xiàn)[2-5]建立的同道干擾模型，只適用于統(tǒng)計(jì)意義上的各向同性或者完全獨(dú)立的極端干擾分布情況。

同時(shí)，為了抑制干擾、降低信道衰落影響，WiMAX基站端采用了天線接收分集技術(shù)，這可以提高功率控制中SINR，降低SINR的中斷概率。但在實(shí)際的同道干擾環(huán)境下，一般的天線分集合并算法，如等增益合并(EGC)、選擇合并(SC)、最大比合并(MRC)等，其合并增益并不明顯[6-9]。因此，為了改善同道干擾環(huán)境下功率控制的性能，本文首先建立準(zhǔn)確的WiMAX網(wǎng)絡(luò)同道干擾模型，在該模型下推導(dǎo)出功率控制中SNIR的中斷概率；然后，提出新的硬/軟限幅分集合并算法來降低SINR中斷概率，提高W iMAX功率控制性能。

1 SINR功率控制

在WiMAX系統(tǒng)功率控制中，終端入網(wǎng)初始化時(shí)，通過測距進(jìn)行閉環(huán)功率控制；終端初始化后，基站通過開環(huán)功率控制調(diào)整終端發(fā)射功率。基站側(cè)功率控制狀態(tài)機(jī)如圖1所示。

圖1 功率控制狀態(tài)機(jī)

圖中，終端離線用狀態(tài)“0”表示，若基站側(cè)一直未接收到該終端上行數(shù)據(jù)突發(fā)，則默認(rèn)終端保持離線狀態(tài)；當(dāng)接收到終端數(shù)據(jù)突發(fā)時(shí)，則認(rèn)為終端為在線狀態(tài)，用狀態(tài)“1”表示。若該終端始終未被基本連接標(biāo)識符(BCID)調(diào)度過，始終保持在線狀態(tài)，即閉環(huán)功率控制模式；當(dāng)終端初始入網(wǎng)同步后，即由閉環(huán)功率控制轉(zhuǎn)變?yōu)殚_環(huán)功率控制后，先進(jìn)入開環(huán)功率控制準(zhǔn)備狀態(tài)，用狀態(tài)“2”表示。在該狀態(tài)時(shí)，獲取終端的調(diào)制編碼方式(MCS)，以及用于開環(huán)功率控制的SINR測量值，準(zhǔn)備進(jìn)行開環(huán)功率控制。之后，由狀態(tài)“2”變?yōu)闋顟B(tài)“3”，即進(jìn)入開環(huán)功率控制狀態(tài)，此時(shí)會重新確認(rèn)MCS是否發(fā)生變化。若變化，重新返回狀態(tài)“2”，獲取新的MCS和SINR；若未發(fā)生變化，則進(jìn)行開環(huán)功率控制。

基站根據(jù)獲取的終端MCS，得到期望接收SINR值，與基站側(cè)測量的SINR進(jìn)行比較，得到SINR調(diào)整值。若調(diào)整值超過偏移閾值或者開環(huán)功率控制超時(shí)，即不滿足開環(huán)功率控制條件時(shí)，會重新回退到狀態(tài)“3”；若未出現(xiàn)超出時(shí)間或閾值的情況，則按照SINR功率控制準(zhǔn)則進(jìn)行功率調(diào)整，完成上行鏈路開環(huán)功率控制。

從上述分析可以看到，功率控制的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確地計(jì)算出SINR值，WiMAX系統(tǒng)基站側(cè)的SINR計(jì)算原理如圖2所示。

圖2 SINR計(jì)算原理

首先，基站對天線接收信號進(jìn)行解幀，得到頻域數(shù)據(jù)；然后提取時(shí)隙(slot)中每個(gè)塊(tile)的導(dǎo)頻子載波，則第 個(gè)slot的導(dǎo)頻子載波功率可表示為：

式中，xij表示第 個(gè)slot中第i個(gè)tile內(nèi)的第 j個(gè)導(dǎo)頻子載波；Np為每個(gè)tile內(nèi)導(dǎo)頻子載波數(shù)目；Nt表示每個(gè)slot內(nèi)tile數(shù)目，根據(jù)IEEE 802.16e標(biāo)準(zhǔn)，可知不同的數(shù)據(jù)突發(fā)(burst)在上行幀內(nèi)占用不同時(shí)隙數(shù)目，當(dāng)前幀中第n個(gè)burst的功率可表示為：

式中， Ps表示當(dāng)前burst中第s個(gè)slot的導(dǎo)頻子載波功率；N表示當(dāng)前burst中slot數(shù)目。

則第n個(gè)burst內(nèi)的干擾和噪聲為：

由第n個(gè)burst的功率 Pn、干擾和噪聲NIn，可計(jì)算出第n個(gè)burst的第l條支路信號干擾噪聲比為：

最后將各支路的SINR合并，輸出第n個(gè)burst的SINRn。

在開環(huán)功率控制中，基站根據(jù)終端當(dāng)前的調(diào)制編碼方式(MCS)，得到相應(yīng)的期望接收SINR，把測量的SINRn與期望SINR進(jìn)行比較，得到SINR的調(diào)整值，基站側(cè)將該調(diào)整值發(fā)給終端，終端將自行計(jì)算出新的發(fā)射功率，從而實(shí)現(xiàn)功率控制。

2 SINR的中斷概率

前面給出了基于SINR平衡準(zhǔn)則的功率控制實(shí)現(xiàn)方法，下面分析該方法的理論性能。在WiMAX組網(wǎng)系統(tǒng)中，為了準(zhǔn)確分析上行功率控制的性能，需要通過構(gòu)建同道干擾模型，推導(dǎo)出基站端天線輸出SINR的中斷概率(outage probability)，進(jìn)而研究功率控制的性能。

SINR的中斷概率是由于接收信道干擾噪比的降低而導(dǎo)致信道無法工作的概率，是評價(jià)功率控制性能的重要指標(biāo)。當(dāng)SINR增大時(shí)，中斷概率隨之變小，說明信道質(zhì)量變好，可以采用較高階調(diào)制編碼方式，功率控制性能得到改善。SINR的中斷概率定義為：

式中，θth是SINR門限值；SINR中斷概率的理論計(jì)算如下：

在單輸入多輸出的WiMAX上行鏈路中，基站側(cè)接收信號y可表示為：

式中，y為1′N維向量，yn表示第n根天線的接收信號； 表示發(fā)送信號；h表示瑞利衰落信道； 表示同道干擾，zn表示第n根天線的干擾；n表示加性熱噪聲。

式中，a=4/g。由于設(shè)定收、發(fā)端之間的信道hn為瑞利分布，干擾源與接收端之間的信道g0￠為復(fù)高斯隨機(jī)變量，則式(14)簡化為：

從式(15)可以看出中斷概率與設(shè)定的閾值qth、干擾源密度nl成正比。

3 SINR限幅合并算法

基于SINR平衡準(zhǔn)則的開環(huán)功率控制，通過基站側(cè)天線端合并模塊計(jì)算得到burst的SINR測量值進(jìn)行功率控制，可見，合并算法對功率控制性能有重要影響。

3.1 硬限幅合并

一般的硬限幅技術(shù)中，預(yù)先設(shè)定接收的信號門限Amax，當(dāng)信號經(jīng)過預(yù)設(shè)門限Amax時(shí)直接對時(shí)域信號進(jìn)行限幅[12]。在輸入信號的幅度小于門限Amax時(shí)，信號直接傳輸；在輸入信號幅度大于門限A時(shí)，信號幅度被限制為門限Amax，其原理圖如圖3所示。

圖3 硬限幅原理圖

考慮到在合并算法中，所構(gòu)建的同道干擾模型存在脈沖噪聲，并且當(dāng)同一頻點(diǎn)有多個(gè)用戶使用時(shí)，將造成該頻點(diǎn)功率過大也會產(chǎn)生脈沖噪聲。為此，提出硬限幅合并算法，將根據(jù)每根天線的接收信號與預(yù)先設(shè)定閾值進(jìn)行比較，忽略超出閾值的天線，即該天線在合并算法中加權(quán)為0，硬限幅合并的加權(quán)系數(shù)可以表示為：

3.2 軟限幅合并

從圖3可以看出，在硬限幅技術(shù)中，限幅區(qū)域處是一條水平的直線，其斜率為0，代表信號超過限幅器時(shí)會直接被忽略，而沒有任何過渡。針對硬限幅技術(shù)的缺陷，下面提出軟限幅技術(shù)。

軟限幅技術(shù)的基本思想是：為使信號通過限幅器時(shí)有一個(gè)過渡，在限幅區(qū)域處設(shè)置一條斜率非零的直線。與硬限幅相比，軟限幅逐步衰減超過閾值的部分，其原理圖如圖4所示。設(shè)計(jì)軟限幅合并的加權(quán)系數(shù)為：

式中，η表示軟限幅合并衰落系數(shù)，決定衰減速度。

圖4 軟限幅原理圖

在硬限幅合并算法中，若某根天線的接收電平與其他各天線接收中值的差超過閾值時(shí)，該天線的增益效果直接被忽略，造成資源浪費(fèi)。而軟限幅合并算法，對于受脈沖噪聲影響的接收天線，通過衰減該天線在合并算法中的加權(quán)系數(shù)，而非忽略不計(jì)，以此來充分利用每支路信號，得到更好的分集合并效果。

4 仿真結(jié)果

圖5 空間干擾分布對中斷概率的影響

從圖5中可以看到，隨著空間干擾分布的變化，提出的硬/軟限幅合并算法，都可以獲得優(yōu)于MRC的SINR中斷概率。因此，在基于SINR功率控制準(zhǔn)則的開環(huán)功率控制中，使用所提的改進(jìn)合并算法，可以提高SINR，降低SINR的中斷概率，功率控制性能將得到改善。而且，推導(dǎo)的理論MRC中斷概率(MRC-理論)與仿真的MRC中斷概率(MRC-仿真)較為一致，驗(yàn)證了式(17)所推導(dǎo)出的中斷概率的正確性。

圖6 天線數(shù)目對中斷概率影響

圖6給出了一般WiMAX組網(wǎng)場景下，天線數(shù)的變化對SINR中斷概率的影響?？梢钥吹?，隨著天線數(shù)目N的增加，本文所提出的硬/軟限幅合并算法可以提高SINR，降低SINR的中斷概率，說明信道質(zhì)量變好，終端可以采用較高階調(diào)制方式和編碼率，功率控制性能得到改善。

5 結(jié) 束 語

本文首先分析WiMAX系統(tǒng)中SINR功率控制平衡準(zhǔn)則，考慮到基站端天線合并算法對SINR平衡準(zhǔn)則的開環(huán)功率控制的重要性，通過建立適用于WiMAX系統(tǒng)上行鏈路的同道干擾模型，推導(dǎo)出基站端天線MRC合并的SINR的中斷概率。由于所構(gòu)建的同道干擾模型服從鐘形脈沖分布，存在脈沖噪聲。又基于信號預(yù)畸變思想，提出硬/軟限幅合并算法抑制脈沖噪聲。仿真結(jié)果表明，采用所提合并算法能夠提高SINR，有效降低SINR的中斷概率，改善功率控制系統(tǒng)性能，提高系統(tǒng)容量和鏈路質(zhì)量。

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編 輯 張 俊