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. 北京工業大學電子信息與控制工程學院 北京 朝陽區 100124；2. 國家廣播電影電視總局 北京 西城區 100866)

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

WiMAX上行功率控制策略包括基于接收信號強度指示(RSSI)的功率平衡準則和信號干擾噪聲比(SINR)的功率平衡準則。在組網場景中，由于存在嚴重同道干擾，降低了基站接收信號質量。故一般采用基于SINR平衡的功率控制準則，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，這不符合網絡中同道干擾統計分布的實際情況。針對無線網絡的同道干擾，文獻[1]給出了一種基于高斯統計的同道干擾模型，但利用該模型分析同道干擾時，會使干擾信號出現不同程度的延遲，降低系統的誤碼率性能。文獻[2-5]建立的同道干擾模型，只適用于統計意義上的各向同性或者完全獨立的極端干擾分布情況。

同時，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，這可以提高功率控制中SINR，降低SINR的中斷概率。但在實際的同道干擾環境下，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境下功率控制的性能，本文首先建立準確的WiMAX網絡同道干擾模型，在該模型下推導出功率控制中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系統功率控制中，終端入網初始化時，通過測距進行閉環功率控制；終端初始化后，基站通過開環功率控制調整終端發射功率。基站側功率控制狀態機如圖1所示。

圖1 功率控制狀態機

圖中，終端離線用狀態“0”表示，若基站側一直未接收到該終端上行數據突發，則默認終端保持離線狀態；當接收到終端數據突發時，則認為終端為在線狀態，用狀態“1”表示。若該終端始終未被基本連接標識符(BCID)調度過，始終保持在線狀態，即閉環功率控制模式；當終端初始入網同步后，即由閉環功率控制轉變為開環功率控制后，先進入開環功率控制準備狀態，用狀態“2”表示。在該狀態時，獲取終端的調制編碼方式(MCS)，以及用于開環功率控制的SINR測量值，準備進行開環功率控制。之后，由狀態“2”變為狀態“3”，即進入開環功率控制狀態，此時會重新確認MCS是否發生變化。若變化，重新返回狀態“2”，獲取新的MCS和SINR；若未發生變化，則進行開環功率控制。

基站根據獲取的終端MCS，得到期望接收SINR值，與基站側測量的SINR進行比較，得到SINR調整值。若調整值超過偏移閾值或者開環功率控制超時，即不滿足開環功率控制條件時，會重新回退到狀態“3”；若未出現超出時間或閾值的情況，則按照SINR功率控制準則進行功率調整，完成上行鏈路開環功率控制。

從上述分析可以看到，功率控制的關鍵在于準確地計算出SINR值，WiMAX系統基站側的SINR計算原理如圖2所示。

圖2 SINR計算原理

首先，基站對天線接收信號進行解幀，得到頻域數據；然后提取時隙(slot)中每個塊(tile)的導頻子載波，則第 個slot的導頻子載波功率可表示為：

式中，xij表示第 個slot中第i個tile內的第 j個導頻子載波；Np為每個tile內導頻子載波數目；Nt表示每個slot內tile數目，根據IEEE 802.16e標準，可知不同的數據突發(burst)在上行幀內占用不同時隙數目，當前幀中第n個burst的功率可表示為：

式中， Ps表示當前burst中第s個slot的導頻子載波功率；N表示當前burst中slot數目。

則第n個burst內的干擾和噪聲為：

由第n個burst的功率 Pn、干擾和噪聲NIn，可計算出第n個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burst的SINRn。

在開環功率控制中，基站根據終端當前的調制編碼方式(MCS)，得到相應的期望接收SINR，把測量的SINRn與期望SINR進行比較，得到SINR的調整值，基站側將該調整值發給終端，終端將自行計算出新的發射功率，從而實現功率控制。

2 SINR的中斷概率

前面給出了基于SINR平衡準則的功率控制實現方法，下面分析該方法的理論性能。在WiMAX組網系統中，為了準確分析上行功率控制的性能，需要通過構建同道干擾模型，推導出基站端天線輸出SINR的中斷概率(outage probability)，進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致信道無法工作的概率，是評價功率控制性能的重要指標。當SINR增大時，中斷概率隨之變小，說明信道質量變好，可以采用較高階調制編碼方式，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中斷概率的理論計算如下：

在單輸入多輸出的WiMAX上行鏈路中，基站側接收信號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。由于設定收、發端之間的信道hn為瑞利分布，干擾源與接收端之間的信道g0￠為復高斯隨機變量，則式(14)簡化為：

從式(15)可以看出中斷概率與設定的閾值qth、干擾源密度nl成正比。

3 SINR限幅合并算法

基于SINR平衡準則的開環功率控制，通過基站側天線端合并模塊計算得到burst的SINR測量值進行功率控制，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

一般的硬限幅技術中，預先設定接收的信號門限Amax，當信號經過預設門限Amax時直接對時域信號進行限幅[12]。在輸入信號的幅度小于門限Amax時，信號直接傳輸；在輸入信號幅度大于門限A時，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，所構建的同道干擾模型存在脈沖噪聲，并且當同一頻點有多個用戶使用時，將造成該頻點功率過大也會產生脈沖噪聲。為此，提出硬限幅合并算法，將根據每根天線的接收信號與預先設定閾值進行比較，忽略超出閾值的天線，即該天線在合并算法中加權為0，硬限幅合并的加權系數可以表示為：

3.2 軟限幅合并

從圖3可以看出，在硬限幅技術中，限幅區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會直接被忽略，而沒有任何過渡。針對硬限幅技術的缺陷，下面提出軟限幅技術。

軟限幅技術的基本思想是：為使信號通過限幅器時有一個過渡，在限幅區域處設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。設計軟限幅合并的加權系數為：

式中，η表示軟限幅合并衰落系數，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，該天線的增益效果直接被忽略，造成資源浪費。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系數，而非忽略不計，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，都可以獲得優于MRC的SINR中斷概率。因此，在基于SINR功率控制準則的開環功率控制中，使用所提的改進合并算法，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，驗證了式(17)所推導出的中斷概率的正確性。

圖6 天線數目對中斷概率影響

圖6給出了一般WiMAX組網場景下，天線數的變化對SINR中斷概率的影響。可以看到，隨著天線數目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，說明信道質量變好，終端可以采用較高階調制方式和編碼率，功率控制性能得到改善。

5 結 束 語

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

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編 輯 張 俊