CN101286772A - 一种基于IEEE802.16e的HARQ与功率控制相结合的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于IEEE802.16e的HARQ与功率控制相结合的方法，该方法通过引入参数“重传用户比例”，实现了多载波系统中功率和延时的折中，在功率控制过程中充分利用HARQ机制的重传合并增益，有效降低总发射功率的同时满足一定的信干噪比及延时要求，并针对协议中的两类子信道划分机制分别给出了简单易行的结合策略。对于非实时系统，若给定每个用户的目标误帧率以及总发射功率约束，该策略通过选择适当的重传用户比例，以一定延时为代价可达到系统要求的误帧率和功率约束。或者当给定每个用户的目标误帧率和能容忍的最大系统时延时，该策略可以选择对应的重传用户比例，实现最小的总发射功率。

Description

一种基于IEEE802.16e的HARQ与功率控制相结合的方法

技术领域

本发明涉及数字宽带移动无线通信领域，特别是涉及一种基于IEEE802.16e的HARQ与功率控制相结合的方法。

背景技术

功率控制是一种无线资源管理技术，它从业务角度出发，在满足业务质量要求的前提下，使总发射功率最小。功率控制对于WIMAX系统效率来说非常重要，功率水平必须得到有效管理以保证稳定的通信并减少潜在的干扰，尤其在非视距(NLOS，Non Line OfSight)传输中，功率控制是实现链路优化的重要功能。NLOS意味着天线可以位于客户的机顶盒中或机顶盒上，而不必再安装和定位室外天线，其无线信道环境也因此相比视距(LOS，Line Of Sight)传输复杂的多，除了直射分量，还有各种反射、散射以及衍射传播分量。选择合适的功率控制算法可以提高系统整体性能并最大限度地降低功耗。WIMAX系统中，通常将功率控制与自适应子载波分配及自适应调制编码(AMC)相结合，进一步降低总发射功率。由于同一用户在所有子载波上都深衰落的概率非常小，自适应子载波分配利用多用户分集，根据用户在各子信道上的不同增益动态分配子载波，达到降低发射功率的目的。而AMC是根据信道变化动态调整收发端的调制编码方式，当信道条件较差时，选用低阶的调制编码方式，从而降低发射功率。

IEEE802.16e协议的物理层规定了上行链路的功率控制机制，具体的功率控制算法则取决于不同的设备制造商。一般地，由基站(BS)发送功率控制信息到每个用户，用户根据功率控制信息自动调整发射功率，使BS收到的信号电平维持在一个预定的水平，因此用户通常在满足BS需要值的情况下选择最小功率进行发送，大大减小功率消耗。当UIUC(uplink interval uasge code)的值为0、12或14时，用户可以自适应调整各自的发射功率，无需BS发送控制信息。用户需向BS报告最大可达功率和标准发射功率参数，利用这些参数，BS可实现最优的调制编码方式选择和子信道分配算法。该协议支持闭环功控和开环功控两种环路形式。闭环功控指移动台和BS间需要交互信息，移动台根据的BS功率控制指令增加或减少功率，在协议中用于周期性测距及带宽请求测距过程，当移动台发送出周期性测距或带宽请求测距消息而没有接收到RNG-RSP(测距响应，RangingResponse)反馈时，将调整下一帧消息的发射功率为P^TX_MAX。开环功控则是指移动台和BS间不需要交互信息而直接根据接收信号的好坏增加或减少功率，在支持ARQ的系统中，开环功控根据应答信号调整功率，当接收NAK时，以步长UP_STEP上调功率，接收到ACK时，则以步长DOWN_STEP下调功率。

事实上，HARQ也是降低发射功率的有效手段，HARQ是自动重传请求和前向纠错编码的互补结合技术，它从能量角度出发，将总的需求功率分布在多个重传子包上，减少了每次传输的发射功率，但必须以增加分组延时为代价。

传统HARQ结合功率控制模式是递减模式，即每次重传满足一部分信干噪比要求，并保证最后达到总功率需求。由于降低了每次传输的发射功率，从而减少了对其他用户的干扰，有利于提高系统容量。然而这只适用于CDMA系统，并且局限于单个用户的情况，多用户时，递减模式将对所有用户运用HARQ机制，而没有进一步研究功率和延时的平衡问题。此外，大量文献研究系统中的功率分配问题，都是以最大化系统容量为目标，且均未考虑HARQ的作用，目前尚没有文献在系统中将和功率控制进行联合考虑，而是作为两种相互独立的技术，功率控制的过程中没有利用HARQ带来的重传及码字合并增益，必然造成功率的浪费。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于IEEE802.16e的HARQ与功率控制相结合的方法，其特征在于，系统中有K个用户，K为自然数，设置重传用户比例M，其中M＝0，1，2，3…，K，表示选择系统中M个用户结合HARQ机制进行传输，根据重传用户比例M与系统平均总发射功率之间的关系以及重传用户比例M与系统总延时之间的关系，建立功率与延时的对应关系，当给定业务需求时，即可根据需求目标在功率与延时之间进行平衡，实现功率与延时的折中。

优选地，所选择的M个用户是K个用户中发射功率最大的前M个用户。

优选地，对于选择的M个用户，采用功率递减模式实现HARQ与功率控制的结合，所述功率递减模式即每次重传满足一部分信干噪比要求，并保证最后达到总发射功率需求。

优选地，所述功率递减模式中，让首次传输的发射功率较大，重传时则使用较小的发射功率。

优选地，设第k个用户的目标信干噪比为γ_K，则该用户首次传输的发射功率需实现γ_K/2的信干噪比，之后每次重传使用的发射功率均实现γ_K/6的信干噪比，这样传输4次后即可达到总的目标信干噪比γ_K。

本发明提供的基于IEEE802.16e的HARQ与功率控制相结合的方法具体包括以下步骤：

步骤1、计算K个用户的初始发射功率；

步骤2、给每个用户分配子信道，然后求出每个用户的最优发射功率；

步骤3、对子信道分配后的最优发射功率按降序排列；

步骤4、选择排序后最优发射功率最大的前M个用户，该M个用户结合HARQ机制进行传输；

步骤5、对M＝0，1，2，3…，K分别进行上述四个步骤的仿真，获得重传用户比例M与系统平均总发射功率之间的关系曲线以及重传用户比例M与系统总延时之间的关系曲线，从而建立功率与延时的对应关系。

其中所述步骤1包括：给定K个用户的目标信干噪比矢量 $\stackrel{\→}{\mathrm{\γ}}={\left\{\left({\mathrm{\γ}}_k\right)\right\}}_{K\×1},$ 对于non-bandAMC，信道增益矢量 $\stackrel{\→}{H}={\left\{\left(h_k\right)\right\}}_{K\×1},$ 初始发射功率矢量 ${{\stackrel{\→}{P}}^0=\left\{\left(P_k\right)\right\}}_{K\×1},$ 其中h_k表示第k个用户在各个子信道上的信道增益，P_k表示第k个用户在任意子信道上的发射功率；对于band AMC，信道增益矩阵为 $\stackrel{\→}{H}={\left\{\left(h_{\mathrm{kn}}\right)\right\}}_{K\×N},$ 初始发射功率矢量 ${{\stackrel{\→}{P}}^0=\left\{\left(P_{\mathrm{kn}}\right)\right\}}_{K\×N},$ 其中h_kn表示第k个用户在第n个子信道上的信道增益，P_kn表示第k个用户在第n个子信道上的发射功率。

其中所述步骤2包括：对于non-band AMC，采用固定子信道分配，最优的发射功率矢量与初始发射功率矢量相同；对于band AMC，进行自适应子信道分配，并运用匈牙利算法求出最优发射功率矢量。

其中所述运用匈牙利算法求出的最优发射功率矢量 ${\stackrel{\→}{P}}_0^{*}={\left\{\left(P_{{\mathrm{kn}}_k^{*}}\right)\right\}}_{K\×1},$ 其中n_k ^*表示分配给用户k的最佳子信道。

其中所述步骤4包括：选择排序后最优发射功率最大的前M个用户结合HARQ运用递减模式调整发射功率，其余用户保持发射功率不变。

本发明基于IEEE802.16e协议的物理层，将HARQ和功率控制相结合，通过引入参数“重传用户比例”，提出一种多载波系统中功率和延时的折中方案，在功率控制过程中充分利用HARQ机制的重传合并增益，有效降低总发射功率的同时满足一定的信干噪比及延时要求，并针对协议中的两类子信道划分机制分别给出了简单易行的结合策略。对于非实时系统，若给定每个用户的目标误帧率(PER)以及总发射功率约束，该策略通过选择适当的重传用户比例，以一定延时为代价可达到系统要求的误帧率和功率约束。或者当给定每个用户的目标PER和能容忍的最大系统时延时，该策略可以选择对应的重传用户比例，实现最小的总发射功率。

附图说明

图1是HAQR与功率控制相结合的系统结构。

图2是信道模型的二分图。

具体实施方式

WIMAX系统中的功率控制必须结合子信道分配，用户与子信道间满足一一映射，然后重点突出本文发明的平衡功率与延时的HARQ与功率控制的结合策略。假定系统中有K个用户和N个子信道，根据用户与子信道一一映射的限制，令K＝N。发射功率矩阵 $\stackrel{\→}{P}={\left\{P_{\mathrm{kn}}\right|k=\mathrm{1,2},...,K;n=\mathrm{1,2},...,N\}}_{K\×N},$ 其中P_kn表示第k个用户在第n个子信道上的发射功率。信道增益矩阵 $\stackrel{\→}{H}={\left\{\left(h_{\mathrm{kn}}\right)\right\}}_{K\×N},$ h_kn表示第k个用户在子信道n上的信道增益。这样一个N用户N子信道的系统可用二分图表示，如图2所示，左边的N个顶点对应用户集合，右边N个顶点对应子信道集合，所有用户在所有子信道上的信道增益则对应二分图的边。下面分别介绍non-band AMC和band AMC两种子信道划分机制中的子信道分配算法。

1)non-band AMC

Non-band AMC采用分集模式对子载波进行分布式排列形成子信道，IEEE802.16e协议对子载波进行了交织，使得同一用户看来，各子信道上的信道增益几乎相同。因此，给定信干噪比要求时，用户在任意子信道上传输数据所需的发射功率都一样，意味着随意分配子信道或者预先分配给每个用户固定的子信道都不会影响总发射功率。本文采用固定的子信道分配算法，将第n个子信道分配给第k个用户，其中，并认为对同一用户所有子信道具有相等的信道增益。因此，发射功率矩阵

和信道增益矩阵

方可简化成K维矢量，即 $\stackrel{\→}{P}={\left\{\left(P_k\right)\right\}}_{K\×1}$ 和 $\stackrel{\→}{H}={\left\{\left(h_k\right)\right\}}_{K\×1}.$

2)band AMC

Band AMC将相邻的子载波划分成一个子信道，不同用户在同一子信道上具有不同的信道增益，为了使总发射功率最小，必须进行自适应的子信道分配，以便获得多用户分集增益。显然，在用户与子信道一一对应的约束下，这是一个典型的指派问题，即N个用户可以使用N个子信道，每个用户使用不同子信道所需的发射功率不同，应如何指派N个用户到个N子信道上，使总发射功率最小。定义 $\stackrel{\→}{A}=\left\{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{kn}}\right\}$ 为子信道分配表，元素α_kn＝1表示子信道n分配给用户k，α_kn＝0则表示子信道n不分配给用户k。此时自适应子信道分配算法的数学模型如下：

$\min \underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{kn}}{P}_{\mathrm{kn}},k=\mathrm{1,2},...,K;n=\mathrm{1,2},...,N$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{kn}}=0\mathrm{or}1,k,n=\mathrm{1,2},...,N\\ \underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{kn}}=1,\∀n=\mathrm{1,2},...,N\\ \underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{kn}}=1,\∀k=\mathrm{1,2},...,N\end{array}\right.$ 式1

式1可通过匈牙利算法求解，，其基本思想是寻找子信道分配表中的独立1元素组，使功率矩阵的每一行及每一列有且仅有一个值不为零，且这些值的总和最小。用n_k ^*表示分配给用户k的最佳子信道，则有 $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{kn}}=1,n=n_k^{*}\\ {\mathrm{\α}}_{\mathrm{kn}}=0,n\≠n_k^{*}\end{array}\right..$ 子信道分配后，K×N维的功率矩阵转变成K维的最优发射功率矢量 ${\stackrel{\→}{P}}_0^{*}={\left\{\left(P_{{\mathrm{kn}}_k^{*}}\right)\right\}}_{K\×1},$ 相应的信道增益矢量为 $\stackrel{\→}{H}={\left\{\left(h_{{\mathrm{kn}}_k^{*}}\right)\right\}}_{K\×1}.$

3)典型的功率控制策略可用下式表示：

$P=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\γ}\×N_0/h^2,P\≤P_{\max }\\ P_{\max },\mathrm{otherwise}\end{array}\right.$ 式2

式中P为发射功率，P_max为系统支持的最大发射功率，γ为要求的信干噪比，h为信道增益，N₀为高斯自噪声的双边功率。可见在理想的信道估计及无差错的反馈信道前提下，传统的功率控制由目标信干噪比γ和信道增益h所决定。而HARQ与功率控制相结合的基本思路就是根据业务需求，将总的目标信干噪比分布在多个HARQ重传子包上，以减少每次传输的发射功率。

为了获得功率与延时的折中方案，本发明引入重传用户比例M(M＝0，1，2，…，K)。其中M＝0表示non-HARQ的情况，即系统中无HARQ或HARQ与功率控制独立实现；M＝k(k＝0，1，2，3…，K)，表示选择系统中M个用户结合HARQ机制进行传输，当M＝K时，等价于对所有用户应用HARQ。通过分别研究重传用户比例与系统平均总发射功率及系统总延时之间的关系，建立功率与延时的对应关系，当给定业务需求时，即可根据需求目标在功率与延时间进行平衡，实现功率与延时的折中。

对于选用的M个重传用户，采用功率递减模式实现HARQ与功率控制的结合。理论上，可以将目标信干噪比无限拆分，以获得任意小的发射功率，然而此时系统延时也将趋于无穷，并且随着重传次数的增加，HARQ的码字合并增益也逐渐趋于饱和，而信令开销却线性增加，并不利于系统性能的改善。另一方面，机制很可能提前终止重传过程，因为子包在超过最大重传次数之前可能译码成功。为了尽可能的利用HARQ获得性能增益，可以让首次传输的发射功率较大，重传时则使用较小的发射功率，以增大提前终止重传过程的概率，减小发射功率的同时使得传输延时也较小。

假定协议的最大重传次数为3，即最多传输4次，第k个用户的目标信干噪比为γ_K。结合HARQ的功率递减模式中，用户k第一次传输使用的发射功率只需实现γ_K/2的信干噪比，之后每次重传使用的发射功率均实现γ_K/6的信干噪比，则传输4次后即可达到总的目标信干噪比γ_K。M个HARQ用户的选取必须最大程度减小系统总发射功率，由于采用了功率递减模式，可选择发射功率最大的前M个用户结合HARQ，每次传输将节约最多的功率。

基于上述分析，系统中结合的功率控制方案可通过以下步骤实现：

步骤一：初始功率控制。给定K个用户的目标信干噪比矢量 $\stackrel{\→}{\mathrm{\γ}}={\left\{\left({\mathrm{\γ}}_k\right)\right\}}_{K\×1},$ 对non-bandAMC，信道增益矢量 $\stackrel{\→}{H}={\left\{\left(h_k\right)\right\}}_{K\×1},$ 由式2得初始发射功率矢量 ${{\stackrel{\→}{P}}^0=\left\{\left(P_k\right)\right\}}_{K\×1},$ 对于bandAMC，信道增益矩阵为 $\stackrel{\→}{H}={\left\{\left(h_{\mathrm{kn}}\right)\right\}}_{K\×N},$ 由式2得初始发射功率矢量 ${{\stackrel{\→}{P}}^0=\left\{\left(P_{\mathrm{kn}}\right)\right\}}_{K\×N};$

步骤二：子信道分配。对non-bandAMC，采用固定子信道分配，最优的发射功率矢量

可与初始发射功率矢量相同。对band AMC，进行自适应子信道分配，可建模成指派问题式一，运用匈牙利算法求出最优发射功率矢量 ${\stackrel{\→}{P}}_0^{*}={\left\{\left(P_{{\mathrm{kn}}_k^{*}}\right)\right\}}_{K\×1};$

步骤三：排序。对子信道分配后的最优功率矢量按降序排列；

步骤四：结合HARQ的功率控制。选择排序后功率最大的M个用户结合HARQ运用递减模式调整发射功率，其余用户保持发射功率不变。若用户k为首次传输，只需要实现γ_K/2信干噪比，调整发射功率使 $P_K=\frac{P_{{{\mathrm{kn}}^{*}}_k}}{2},$ 若用户k为重传，则只需要实现γ_K/6信干噪比，相应的调整发射功率为 $P_K=\frac{P_{{{\mathrm{kn}}^{*}}_k}}{6}.$

步骤五：功率与延时的折中。对所有M的K+1个值进行前述四个步骤的仿真，获得系统平均总发射功率与M的关系曲线以及系统总延时与M的关系曲线，从而建立功率与延时的对应关系，根据业务的要求选择合适的值，即可实现功率与延时的折中。

以上所属仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均包含于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于IEEE802.16e的HARQ与功率控制相结合的方法，其特征在于，系统中有K个用户，K为自然数，设置重传用户比例M，其中M＝0，1，2，3…，K，表示选择系统中M个用户结合HARQ机制进行传输，根据重传用户比例M与系统平均总发射功率之间的关系以及重传用户比例M与系统总延时之间的关系，建立功率与延时的对应关系，当给定业务需求时，即可根据需求目标在功率与延时之间进行平衡，实现功率与延时的折中。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所选择的M个用户是K个用户中发射功率最大的前M个用户。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，对于选择的M个用户，采用功率递减模式实现HARQ与功率控制的结合，所述功率递减模式即每次重传满足一部分信干噪比要求，并保证最后达到总发射功率需求。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述功率递减模式中，让首次传输的发射功率较大，重传时则使用较小的发射功率。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，设第k个用户的目标信干噪比为γ_K，则该用户首次传输的发射功率需实现γ_K/2的信干噪比，之后每次重传使用的发射功率均实现γ_K/6的信干噪比，这样传输4次后即可达到总的目标信干噪比γ_K。

6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、计算K个用户的初始发射功率；

步骤2、给每个用户分配子信道，然后求出每个用户的最优发射功率；

步骤3、对子信道分配后的最优发射功率按降序排列；

步骤4、选择排序后最优发射功率最大的前M个用户，该M个用户结合HARQ机制进行传输；

步骤5、对M＝0，1，2，3…，K分别进行上述四个步骤的仿真，获得重传用户比例M与系统平均总发射功率之间的关系曲线以及重传用户比例M与系统总延时之间的关系曲线，从而建立功率与延时的对应关系。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于所述步骤1包括：给定K个用户的目标信干噪比矢量 $\stackrel{\→}{\mathrm{\γ}}={\left\{\left({\mathrm{\γ}}_k\right)\right\}}_{K\×1},$ 对于non-band AMC，信道增益矢量 $\stackrel{\→}{H}={\left\{\left(h_k\right)\right\}}_{K\×1},$ 初始发射功率矢量 ${{\stackrel{\→}{P}}^0=\left\{\left(P_k\right)\right\}}_{K\×1},$ 其中h_k表示第k个用户在各个子信道上的信道增益，P_k表示第k个用户在任意子信道上的发射功率；对于band AMC，信道增益矩阵为 $\stackrel{\→}{H}={\left\{\left(h_{\mathrm{kn}}\right)\right\}}_{K\×N},$ 初始发射功率矢量 ${\stackrel{\→}{P}}^0={\left\{\left(P_{\mathrm{kn}}\right)\right\}}_{K\×N},$ 其中h_kn表示第k个用户在第n个子信道上的信道增益，P_kn表示第k个用户在第n个子信道上的发射功率。

8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于所述步骤2包括：对于non-band AMC，采用固定子信道分配，最优的发射功率矢量与初始发射功率矢量相同；对于band AMC，进行自适应子信道分配，并运用匈牙利算法求出最优发射功率矢量。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：所述运用匈牙利算法求出的最优发射功率矢量 ${\stackrel{\→}{P}}_0^{*}={\left\{\left(P_{{\mathrm{kn}}_k^{*}}\right)\right\}}_{K\×1},$ 其中n_k ^*表示分配给用户k的最佳子信道。

10.如权利要求6-9中任一项所述的方法，其特征在于所述步骤4包括：选择排序后最优发射功率最大的前M个用户结合HARQ运用递减模式调整发射功率，其余用户保持发射功率不变。

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