（信号与信息处理专业论文）中继系统中harqarq策略研究及性能分析.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 m i m o 是8 0 2 1 1 n 中的核心技术，它使得8 0 2 1 l n 的性能比8 0 2 1 l b a g 有了很 大的提高。由于m i m o 在功率和带宽受限的无线信道中有独特的优势，越来越受 到现代无线通信系统的重视，特别是l t e a 。“但是，移动终端受到体积、功耗等 因素的制约，在其上安装多个天线是非常困难的事情，这样，m i m o 技术的实用 遇到极大的障碍；然而，协作中继技术跨越了这个障碍，它基于中继传输原理， 不但能像中继技术一样，扩大覆盖范围、消除盲区等，它还能让移动终端之间共 享彼此资源，通过相互协作的方式来达到虚拟m i m o 的效果【l 】。用户对未来通 信系统的可靠性和通信业务的多样性需求日益增长，而无线通信系统宝贵的频带 资源则日趋匮乏，如何在有限的带宽上实现可靠高速传输是大家最关心的问题， 链路自适应技术将有效性和可靠性指标良好的结合，在保证通信质量的前提下， 还能实现较好的频谱效率，如a r q ，h a r q ，a m c 等。鉴于此，如何将协作中继 与自适应技术更好的结合是本文研究的重点。 本文的工作和贡献在于： 1 协作a r q 传输策略各有优劣，为了能充分利用各个协议的优势，最优化系 统丢包率，本文提出a r p a r q 协议。首先分析了协作中继系统中a r q 的 几种传输策略；然后根据以上传输策略在系统丢包率曲线图中的表现，设 置信噪比阀值，让系统在不同的链路环境中选择最优协议；最后给出各个 协议的丢包率分析和仿真结果。 2 目前协作h a r q 技术研究重点在于对系统错误的补偿和避让，本文从改善 物理层传输的角度，研究了在协作h a r q 系统中引入链路自适应技术 ( 砧c ) 。首先通过状态转移图分析协作通信系统的丢包状态；然后讨论 h a r q 和a m c 跨层联合方案，将a m c 引入协作h a r q 系统；对引入跨 层方案的协作系统进行性能仿真，得到系统丢包率曲线以及频谱效率曲线， 并做必要分析。 3 为了适应多变的信道环境，将h a r q 与a m c 联合讨论，而在信噪比稳定 时，调制方式固定将成为系统性能提升的瓶颈。本文首先提出协议改进方 案：当信噪比稳定在某一个区域时发生重传，容许使用低阶的调制方式； 继而推导出改进协议与原协议丢包率，最后给出性能仿真和分析。 关键词：协作中继，h a r q ( a r q ) ，a m c ，链路自适应 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t m u l t i m p u tm u l t i - o u t p u t ( m i m o ) i sa c o r et e c h n o l o g yo f8 0 2 1l np r o t o c o l ，b e c a u s e o f t h i s ，t h ep e r f o r m a n c eo f 8 0 2 1 l np r o t o c o li sb e r e rt h a n8 0 2 1 l b a g s b u t ，m o b i l e t e r m i n a li sr e s t r i c t e db yt h ef a c t o r so fv o l u m e ，p o w e rc o n s u m p t i o na n ds oo n i n s t a l l a t i o nm u l t i a n t e n n ai sad i f f i c u l tt h i n g s o ，t h em i m ot e c h n o l o g yi sd i f f i c u l tt ob e p u ti n t ot h ep r a c t i c a lu s a g e ；b u t ，t h ec o o p e r a t i v er e l a yt e c h n o l o g yc o u l do v e r c o m et h i s o b s t a c l e ，b e c a u s e ，i tc a nn o to n l ye x p a n dt h ec o v e r a g ea r e a , b u ta l s or e m o v eab l i n da r e a a n dr e a c ht h ee f f e c to fd i s t r i b u t e dm i m ob yt h em e a n so fc o o p e r a t i n g m e a n w h i l e ，t h e r e q u i r e m e n tf o rr e l i a b i l i t ya n dd i v e r s i t yi nt h ef u t u r ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m si sg r o w i n g ， a n dt h eb a n dr e s o u r c eo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sb e c o m em o r ep r e c i o u s i ti s a ni m p o r t a n tq u e s t i o nh o wt or e a l i z et h er e l i a b l eh i g h - s p e e dt r a n s m i s s i o n t h el i n k a d a p t i v et e c h n o l o g y c a nc o m b i n ev a l i d i t ya n dr e l i a b i l i t yw e l l i tc a ng u a r a n t e et h eg o o d c o m m u n i c a t i o nq u a l i t ya n da c h i e v eg o o ds p e c t r u me f f i c i e n c ya sw e l l ，s u c ha sa r q ， h a r q ，a m c t h e r e f o r e ，a ne x c e l l e n ts t r a t e g i e st oj o i n tc o o p e r a t i v er e l a ya n da d a p t i v e t e c h n o l o g i e si sa ni m p o r t a n tr e s e a r c hp o i n to f t h i sp a p e r t h ew o r ka n dc o n t r i b u t i o no ft h i sp a p e ra r e ： 1 i no r d e rt om a k ef u l lu s eo ft h ea d v a n t a g eo fe a c ha g r e e m e n t ，t h i sp a p e r p r e s e n t e da na r p a r qa g r e e m e n t w ea n a l y z e dp e r o fs e v e r a la r q t r a n s m i s s i o ns t r a t e g i e s ，b a s e do nt h ep r o p o s e da g r e m e n t s ，i n t r o d u c e dan e w t r a n s m i s s i o ns t r a t e g y i e a d a p t i v et r a n s m i s s i o ns t r a t e g ya r p a r q a r p - a r q c a ns e l e c tt h eo p t i m a la g r e e m e n tt oa d a p tl i n ke n v i r o n m e n t a tl a s t ，t h ea n a l y s i s a n ds i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ep a c k e tl o s sr a t ef o re a c hp r o t o c o la r eg i v e n 2 c u r r e n t l y , t h ec o o p e r a t i v eh a r q f o c u s e so nt h ec o m p e n s a t i o na n da v o i d i n go f t h es y s t e me r r o r i nt h i sp a p e r , w ei n t r o d u c e dt h ea d a p t i v et e c h n o l o g y ( a m c ) i n t oc o o p e r a t i v eh a r qs y s t e mf r o mt h ea n g l eo fi m p r o v i n gt h ep h y s i c a l t r a n s m i s s i o n t h ep a c k e tl o s sr a t ei sd i s c u s s e df i r s t l yb a s e do nt h es t a t e m a c h i n e s t h e nw ed i s c u s st h es c h e m eo fc o m b i n i n gb e t w e e nh a r qa n da m c ， t oi n t r o d u c e dt h ea m ci n t oc o o p e r t a t i v eh a r qs y s t e m 。w ep r o v i d e dad e t a i l e d p e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n sf o rt h ei n t r o d u c e ds y s t e m 3 i no r d e rt oa d a p tt h ec h a n n e le n v i r o n m e n t ，w ej o i n t e dh a r qa n da m c b u ti n c a s eo ft h a tt h es i g n a l - t o - n o i s er a t i oi ss t a b l e ，t h ef i x e dm o d u l a t i o nm o d e i i 重庆邮电大学硕主笙奎 垒! 墅堕苎竺 _ _ _ _ _ _ _ _ - - - - _ - _ _ _ - _ _ - - - l - _ _ _ _ _ - - _ - _ - _ _ _ _ - - - _ _ - _ _ - _ _ - - - 一一 b e c o m e sab o t t l e n e c ko fi m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c e w ep r o p o s e d as o l u t i o nt o i m p r o v e t h eh a r qa n da m cc r o s s l a y e rd e s i g na c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so f t h e s n rs t a b l ec o n d i t o n f i n a l l y , s y s t e mp e r f o r m a n c es i m u l a t i o ni sg i v e n k e y w o r d ：c o o p e r a t i v er e l a y , h a r q ( a r q ) ，a m c ，l i n ka d a p t i v e i i i 重庆邮电大学硕士论文 插图目录 插图目录 图3 1 协同中继模型2 8 图3 2t - a r q 无反馈时隙时序2 8 图3 3i - a r q 无反馈时隙时序2 9 图3 4i i a r q 无反馈时隙时序。3 0 图3 5i i i a r q 无反馈时隙时序3 1 图3 6a r p a r q 协议流程31 图3 7 用户链路信噪比为1 0 d b 的协议的性能比较3 5 图3 8 用户链路信噪比为2 5 d b 的协议性能比较3 5 图3 9 不同阀值a r p a r q 性能分析3 6 图4 3 传输上限为4 次的协作状态转移图4 1 图4 4i i 型h a r q 信息包4 5 图4 5i i i 型h a r q 信息包4 5 图4 6i 型h a r q 系统4 9 图4 7i i 型h a r q 系统4 9 图4 8i i i 型h a r q 系统5 0 图4 9 协作与非协作下各模式p e r 5 0 图4 1 0 协作中继系统频谱效率5 1 图5 1 补充协议原理图5 3 图5 2 补充协议与原协议系统丢包率比较5 5 v i l 重庆邮电大学硕士论文 缩略词 3 g p p l t e i j e a m i m o q o s c o m p h a r q f e c a r q 陋 d f 鼬 c c c r c r s c s w - a r q g b n - a r q s r - a r q m r c i r m i s o a c k n a c k s n r u e e n o d e b ( 扑沼) r n p e r a m c 缩略词 t h e3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t l o n gt e r me v o l u t i o n l o n gt e r me v o l u t i o n a d v a n c e d m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t q u a l i t yo fs e r v i c e c o o r d i n a t e dm u l t i p o i n t h y b r i da u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t f o r w a r de r r o rc o d i n g a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t a m p l i f ya n df o r w a r d d e c o d ea n df o r w a r d a d p t i v er e l a y p r o t o c o l c o d ec o o p e r a t i o n c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k r e c u r s i v es y s t e m a t i cc o n v o l u t i o n a le n c o d e r s t o p - a n d w a i ta r q g ob a c k n a r q s e l e c t i v er e p e a ta r q m a x m u mr a t i oc o m b i n e i n c r e m e n t a lr e d u n d a n c y m u l t i p l ei ns i n g l eo u t a c k n o w l e d g e n e g e r t i v ea c k n o w l e d g e s i g n a ln o i s er a t i o u s e r e q u i p m e r i t e v o l v e dn o d eb r e l a ys t a t i o n p a c k e te r r o rr a t e a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g i x 第三代合作伙伴 长期演进 l t e 的后续演进 多输入多输出 服务质量 协作多点传输 混合自动请求重传 前向纠错编码 自动请求重传 放大前传 译码前传 自适应中继协议 编码协作 循环冗余校验 递归系统卷积编码 停止等待a r q 退回n 步a r q 选择重发a r q 最大比合并 递增冗余 多输入单输出 确认 否定确认 信噪比 用户 演进型n o d eb 中继站 丢包率 自适应调制编码 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 移动通信系统的发展经历过了几个不可忽略的阶段，美国贝尔实验室提出的 先进移动电话系统( a m p s ) 为第一代移动通信系统，欧洲的全球移动通信系统 ( g s m ) 和美国推出的窄带码分参；t l i ：( c d m a ) 都属于第二代移动通信系统，如今 3 g p p 制定了最具影响力的第三代主流通信技术w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和 t d s c d m a 。与此同时，3 g p p 启动了l t e t 、h s p a + 、l t e a d v a n c e d 等长期演 进项目。l t e 俗称3 9 g ，是从3 g 向4 g 演进的最有影响力的技术，支持最大2 0 m h z 的系统带宽、超过2 0 0 m b i t s 的峰值速率和更短的传输时延。2 0 0 8 年3 月，l t e 标准化接近于完成的时候，一个l t e 的演进项目l t e a t 3 】又在3 g p p 拉开了序幕， 支持最大1 0 0 m h z 的带宽，获得下行1 g b i t s ，上行5 0 0 m b i t s 的峰值速率。 1 1 研究背景及意义 随着移动通信的飞速发展，无线通信资源日趋匮乏，恰恰相反，我们对通信 服务q o s 要求越来越高。因此，充分合理地利用有限资源，改进和增强现有3 g 技术的性能，满足通信系统不同q o s 需求，比如高的分组速率、频谱效率以及 更低的延迟和更高可靠性的，成为如今无线通信研究人员的研究热点。从l t e 到l t e a d v a n c e d 的演进便能够看出，其过程包含了以下几种关键技术：载波聚 合技术、中继技术( r e l a y ) 、多点协作传输技术( c o m p ) 和h a r q 技术等。 多输入多输出( m i m o ) 技术【4 】是如今的先进技术中比较有代表性的技术，它 能够获得优良的空间分集增益，从而成倍地提高移动通信系统的系统容量。但是 传统集中式m i m o 技术并不适合固有蜂窝网络结构，原因其一，移动终端受到 体积过小的限制，很难安装多个天线，其二，高速l t e 或l t e a d v a n c e d 系统， 的预计用户数量较3 g 通信系统高一个数量级。我们必须在吸收m i m o 优势的同 时避开发展的壁垒，鉴于此，协作中继( c o o p e r a t i v er e l a y ) s j 技术应运而生，多个 中继协同用户和基站通信，使单天线的移动终端也可以实现空间分集，为m i m o 技术向新一代移动通信系统迈进提供了一条崭新的途径。 协作中继技术在如今的通信提案和论文中的讨论如火如荼。3 g p p 会上讨论 了在l t e a 系统中引入中继技术，同时分析多中继协作的场景【8 】，目的是为了 提高小区边缘用户、阴影衰落比较严重区域用户的性能。2 0 0 9 年，3 g p pr a n l 第5 6 次会议上分别针对上行链路、下行链路的多中继协作方案进行了研讨，提 案【6 】研究了基于分布式空时编码( 或线性离散码) 的中继协作方案，提出基站、 中继必须和用户严格同步；文献 7 】提出基于重复编码的相干传输多中继协作协 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 议，目的是提高频谱效率。r a n l 第5 7 次会议上【8 1 提出了小区内部和小区之间 的多中继协作的几种应用环境。文献【9 l 详细分析了二型中继t y p ei ir e l a y 的功能、 特点和传输策略。 中继技术的确能帮助新一代移动通信系统解决很多问题，比如克服传统 m i m o 技术集中式分布的局限性，增大小区覆盖面积，提高通信系统吞吐量，获 得更高的传输速率。然而，移动通信环境是复杂的，其信道具有衰落、时变、噪 声干扰等特征，信号传输时会因为受到各式各样的干扰而产生畸变，导致信号的 失真，从而引发大量的传输错误。所以，未来移动通信系统为了向用户提供高数 据速率和满意的通信质量，除了协作思想之外，必须采用更为有效的差错控制机 制和链路自适应技术，通过控制由噪声和干扰产生的传输错误，来提高系统的有 效性和链路的可靠性。t d d h s d p a 中的速率自适应机制正是通过a m c 与h a r q 的相结合完成的【1 0 】。l t e 和l e t - a 系统也都是采用混合自动请求重传( h a r q ) 1 1 】 差错控制机制来保证通信服务质量( q o s ) 的要求。 对于早期移动通信系统和新一代移动通信系统来说，差错控制技术都是一个 永久的研究课题。b 3 g 、4 g 中有效的差错控制技术对于传输的有效性和可靠性 实现的重要性是无可争辩的。协作中继技术是l t e a 系统的一个关键技术，也 是当前一个研究热点，而在中继协作传输系统中研究h a r q 差错控制技术和自 适应技术，对解决无线信道衰落问题具有十分重要的意义。目前，对于中继系统 中结合差错控制和链路自适应的研究还处于提出想法阶段，很多具体的方案还有 待进一步研究，这也使得本课题具有很大的研究空间。 1 2 国内外研究现状及不足 目前，已经确定的协作中继系统中的a r q h a r q 的策略和自适应技术包括 以下几类： 1 2 1 h a r q 中链路自适应技术 文献【1 2 】提出将数据链路层的h a r q 和物理层的a m c 进行跨层联合讨论， 目的是为了满足规定的延迟以及数据链路层的丢包率约束条件的前提下，使得链 路丢包率最优化。 1 2 2 协作中继中的h a r q a r q 系统的链路自适应 协作h a r q a r q 系统功率的自适应 文献【1 2 】设计并分析了两种中继方式a f 和d f ，并讨论对节点的功率分配原 则，它根据r 的位置不同而变化。 协作h a r q a r q 系统策略的自适应 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 文献【1 4 】【1 5 】提出了中继方式自适应策略，它基于自适应中继策略a r p 提出一 种新型a r p 也恹q 策略，该策略将重传机制( 重传编码和递增冗余) 、分布式t u r b o 和自适应中继策略相结合，中继解码错误时使用a f 方式，而解码正确才使用 d f 方式，这样不仅能有效避免a f 放大信号同时放大噪声，而且能防止d a f 译 码错误并错误传输；文献【l 】分析中继端固定使用a f 或d f 方式的不足，进而以 接收端误比特率最小为原则，在o f d m 子信道上采取中继自适应技术。 文献【1 6 】提出中继控制的h a r q 自适应策略；根据中继接收信噪比情况来决 定重传方式；文献【1 7 】提出新的中继协同r a y l e i g h 衰落a r q 策略：关于目的端中 断概率的目的端控制h a r q 策略，分析了慢衰落以及快衰落下a _ r t q 带来的性能 增益，并将其与非a r q 中继系统进行比较。 协作a r q 中中继选择自适应 文献【1 8 】提出结合中继选择的a r q 策略，考虑最优中继选择策略：依据最大 最小原则和调和平均值原则来选择最优中继和次优中继协同源和目的端传输，这 种系统根据链路情况选择合适中继协作的方式也是自适应体现。 1 2 3 协作中继中h a r q a r q 性能分析 文酬1 2 】设计并分析了两种中继方式a f 和d f ，并分析i 型h a r q 传输策略 的性能，给出的误比特率和吞吐量理论推导和最后的仿真结果，协作场景明显优 于非协作场景，同时给出了中继点位置与系统性能的关系；进一步分析文献1 1 9 】 结合中继选择分析了多中继情况下，d a f 模式下h a r q 策略的性能；文献【2 0 j 讨 论了两种自动重传协议：合作简单a r q 协议，目的节点在收到重传的数据包之 后丢弃原始数据包；合作混合a r q 协议，目的节点将重传的数据包和原始数据 包进行分集合并，最后给出了不同条件下的丢包率分析；文献【2 1 】结合增量中继、 选择中继模式，系统的讨论了几种中继中的a r q 协议。 1 2 4 基于排队论的协作a r q 脚q 策略 文献【2 2 1 分析了泊松到达和时间相关瑞利衰落环境，并基于源端帧数和节点间 的信道状态，推导出二维离散时间马尔科夫链，分析了平均帧延时以及帧服务时 间的矩阵生成函数，最后将其与非协同相比较；文献【2 3 】【2 4 】分析了基于离散时间 马尔科夫链( d t m c ) 的多跳中继系统，给出三种中继策略下吞吐量和延时的分析 比较。 1 2 5 基于不同优化条件的协同6 d h a r q 策略 协调调度波束赋形( c s c b ) ：特定终端的数据仅由其服务小区传输，由协 3 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 作小区决定用户的调度波束赋形，同时协调控制协作小区产生的干扰；文献【2 5 】 基于长期平均时延限制吞吐量，改进并提出有限时延限制吞吐量的协同h a r q 系统吞吐量优化模型，该模型主要针对时延敏感而且中继信道衰落比较严重的协 同h a r q 系统；文献1 2 6 】采用连续二维优化，求出吞吐量的最大值，进一步提出 了实用的二维离散吞吐量优化算法，该算法产生优化结果与吞吐量最大值相差很 小，提出了计算量更小的一维离散优化算法。 1 2 6 存在不足 。 由前小节可知，所有研究的最终目的在于使系统能更好的适应链路变化，获 得更优的丢包率，研究方向主要集中在两个：第一，改进传输策略，比如根据解 码结果来选择中继方式、中继和源协作重传获得分集增益、中继根据链路情况来 决定是否重传等；第二，优秀技术的强强联合，h a r q 与a m c 的联合设计、中 继在o f d m 子信道上的应用等。研究的出发点各有不同，但是大部分研究都有 一个共同的特点，就是为了适应无线通信环境的多变性，在所提出的方法中都体 现了链路自适应的方法，这充分说明链路自适应技术是提高系统传输效率的不可 忽略的技术，而自适应技术将成为本文研究的一个出发点。 通过整理发现，协作通信系统有一些值得我们考虑的地方。 考虑一：在协作中继系统中考虑h a r q a r q 技术已经非常之多，协作中继 能使得系统获得分集增益，而重传技术以牺牲延迟为代价，提高目的端解码率， 在此基础上的联合和自适应方法都只是在错误发生之后的补偿和对错误的避让， 没有从根本上解决问题，即从链路传输效率的角度来改善传输质量。 考虑二：协作中继中的a r q 策略已有讨论，根据链路的信噪比来决定是否 重传，这是协议内部的自适应策略，提升系统性能有一定的帮助，但是，一个协 议的适应范围和提升程度是有限的，让系统在不同的信噪比条件下选择不同协 议，可以使系统在信噪比变化下吸收不同协议的优势。这是一个值得深入研究的 问题。 考虑三：h a r q 和a m c 跨层联合讨论方案已有详细讨论，将链路信噪比分 为若干区间，在不同的区间应用不同的调制方式，这样在s n r 变化的时候，系 统能及时的改变调制方式，选择最合适的调制方式，提高系统性能。但是如果当 信噪比变化稳定在某一个区间的时候，调制方式则会被绑定，这时如果频繁发生 重传，则说明此时系统需要更可靠的编码来协助，这个时候固定的调制方式就会 限制系统性能。 鉴于此，本文的研究思路如下。 4 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 3 本文贡献及研究思路 本论文关于协作中继系统中h a r q 技术的研究课题来源于： “国家科技重大专项课题子课题：i m t - a d v a n c e d 新型无线网络技术研发( 项 目编号：2 0 0 8 z x 0 3 0 0 3 0 0 5 ) ”； “国家自然科学基金：协同中继系统跨层资源分配与优化调度的理论及方法 ( 项目编号：6 0 9 7 2 0 7 0 ) ”； “重庆市自然科学基金重点项目：协同无线通信理论与资源分配关键技术研 究( 项目编号：c s t c 2 0 0 9 b a 2 0 9 0 ) ”。 本文对m 恹q 与a m c 跨层方法提出改进，考虑信道稳定在某一状态的情况， 如果发生重传，系统自动的变换调制阶数更低的调制方式；在协作h a r q 系统 中引入a m c 调制，将h a r q 和a m c 联合考虑，从改善物理层传输的角度对系 统丢包率进行改善；研究协作中继中的a r q 协议，提出改进型和自适应型的a r q 协议。 h a r q 与a m c 跨层方法的改进 a 在s n r 稳定的情况下，分析系统可能处于四种状态。 b 分析这四种状态的可能性和平均丢包率。 c 得到此方案总丢包率，与原协议比较，发现在s n r 稳定情况下，大大 改善系统丢包率。 协作系统a r q 自适应协议 a 分析传统a r q ，i - a r q ，i i a r q 的传输机制，以及在协作系统丢包率。 通过在瑞丽衰落信道下，分析a r q 丢包率曲线，根据不同重传机制得 到系统丢包率。 b 提出改进型a r q 协议。当r 解码错误时，让s 和r 同时重传，可以 借用r 的错误信息中有用信息，提高解码成功率；反之则只由中继传 输。同样的根据丢包率曲线和系统重传机制得到系统丢包率，仿真结 果可知，此协议在部分情况下优于其它协议。 c 比较以上四种协议在图中的丢包率曲线，发现各有所长，设定合适的 s n r 门限，可以自适应的变换三种不同的a r q 协议，使得系统丢包 率最优化。 协作中继中的跨层联合 a 设定协作中继模型，以及地讯q 工作时隙，为使得讨论具有普遍性， 使用n a k a g a m i m 来描述信道。 b 用状态转移图来分析协作h a r q 系统的四次传输状态，分析出与系统 丢包率有关的丢包状态，得到系统总丢包表达式。 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 c 分析中继端在n a k a g a m i 信道下的中断概率表达式，继而得到中继协作 传输n 次的概率。 d 分析物理层a m c 与链路层h a r q 的联合方案。根据h a r q 在物理层 的拟合丢包率曲线公式，变换得到a m c 变换的信噪比区间，如信噪 比符合此区间，则使用相应的调制方式。 e 推出使用每种调制模式的概率，和每种模式的平均丢包率可以得到单 链路传输次数t 此的平均丢包率。 f 通过平均传输次数，得到三种重传协议的协作系统平均频谱效率。 基于以上的分析路线，本文进行详细的数学推导，继而使用m a t l a b 得到 仿真结果，曲线表明，i i i a r q 在部分情下优于其它协议，而a r p a r q 协议 则能在大的信噪比范围内使系统具有较好的信噪比。对于h a r q 和a m c 跨 层联合的系统，协作中继能明显改善其丢包率，且i i i h a r q 具有最优的频谱 效率。改进后的h a r q 与a m c 的联合策略大大提升系统性能。 1 4 论文结构 本文分六章，各章的内容安排如下： 第一章：简述课题的研究背景及意义、国内外研究现状和研究思路。 第二章：首先介绍了中继技术的发展和不同的协作中继系统协议模型，分析 中继方式叮、d a f 、选择中继及增量中继，以及存在于协作通信中的新问题； 然后阐述了链路自适应技术的发展分类，同时，介绍了几种自适应技术，混合自 动请求重传技术( h a r q ) ，自适应调制编码技术( a m c ) ，继而介绍了h a r q 与a m c 的联合设计原理。 第三章：讨论协作通信系统中的基本a r q 策略，提出一种新的传输方式， 并在此基础之上提出一种自适应传输策略，由仿真结果可以看出自适应a r q 机 制可以吸收不同a r q 策略的优势。 第四章：在协作通信系统中考虑差错控制技术h a r q 和自适应技术a m c 的结合，利用系统状态转移图分析系统总丢包率，并在n a k a g a m i m 衰落下讨论 中继中断概率，仿真结果表明将协作中继、重传技术和自适应技术结合可以大大 提高系统性能。 第五章：对h a r q 与a m c 跨层协议的改进，考虑链路信噪比稳定情况下的 协议改进。仿真结果表明在信噪比稳定情况下，改进协议能大大提高系统性能。 第六章：总结本文工作并探讨下一步研究方向。 6 重庆邮电大学硕士论文第二章协作中继技术及链路自适应 第二章协作中继技术及链路自适应 2 1 引言 移动通信飞速发展，技术不断的推陈出新，通信传输速率、频带利用率和吞 吐量都得到极大改善，但移动通信的信道状况十分恶劣，大尺度衰落、阴影效应 和呼吸效应都给数据的可靠传输设置了壁垒，在对通信要求越来越高的未来，我 们要达到理想的传输速率，还有很长的路要走，特别是在数据有效、可靠的传输 方面。本章将重点介绍中继技术和链路自适应技术，包括h a r q 和a m c 等。 2 2 中继技术 多输入多输出( m i m o ) 技术是一种被广泛接受为很有发展潜力的技术，它是 一种能提高频谱效率、用户容量、数据速率和链路可靠性的崭新技术，而无线终 端受限于体积、功率、实现等因素，难以实现多天线。为了弥补上述不足，发挥 优势，人们开始探索一种新型传输技术一协作中继( c o o p e r a t i v er e l a y ) ，它具有 克服多径衰落、延伸覆盖、增加系统容量，获取空间分集增益等特点。协作中继 技术因为能突破m i m o 技术应用于无线终端受到体积、功率、实现等因素的限 制，近年来，广泛应用于自组织( a d h o c ) 网络、无线传感网络和移动通信网络等， 成为研究领域的明星。本节会详细讨论中继技术。 2 2 1中继技术发展 讨论中继技术，可以追溯到上世纪的七十年代早期【2 7 1 ，c o v e r 和g a m a l 从理 论上分析了中继信道，并提出了两类信道，即如今广泛应用的广播信道和多址接 入信道；其后，s e n d o n a r i s 、l a n e m a n 等人【2 8 】【2 9 提出中协作中继技术，通过小区 多用户之间协作通信，以获得空间分集增益，提高系统容量、增大覆盖面积，以 及克服多径衰落；最近，各种通信系统标准的制定过程中都将无限中继作为重要 的讨论对象，移动通信系统( b 3 g 、4 g ) 、宽带无线网络( 8 0 2 1 6 j ) 以及无线局域 网( w l a n ) 等，它们在对于协作中继的研究中遇到了不少问题，并进行了详细的 讨论。3 g p p 和i e e e 8 0 2 1 6 标准组织都是比较有代表性的组织，前者在其长期 演进( l t e ) 过程中提到：多跳中继是未来通信系统提高覆盖和性能的必经之路。 而后者摒弃了以a dh o e 为原型的m e s h 结构，转而采取用中继作为辅助通信结 构的蜂窝系统。这里提到的多跳中继是使用用户的移动设备作为中继工具，协助 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章协作中继技术及链路自适应 传输信号，延伸覆盖，而w i m a x 和w i n n e r 计划中使用的中继是指固定中继， 它们是有区别的。 2 2 2 协作中继系统模型 当前研究的协作中继系统分为用户协作以及中继站协作两种。后面章节提到 的协作通信特指中继站协作通信。协作中继系统可以以t d m a 、f d m a 或c d m a 技术为载体，使源端和中继端通过正交信道传输数据。在t d d 传输协议把时间 被分成若干个时隙( s l o t ) ，且一个节点在相对应一个确定时隙工作。从不同的 网络拓扑结构来讲，协作中继模型主要包含以下几类： 单中继模型【3 0 】 单中继两跳中继模型是基本的中继模型。此类中继主要针对小区基站覆盖区 域以外的用户。源节点s 即基站e n b 在s l o t n 发送数据到中继节点r n ，中继 节点接收数据，并将处理后的数据在s l o t n + 1 转发给目的节点d ，即用户u e 。 这个中继过程简单使用r e l a y ，并无分集效应。模型如图2 1 所示。 s l o t1 3 户k 醛 匝p峋 图2 1 单中继中继模型 单中继协作模型 对于单中继协作模型【3 1 1 ，主要适用于小区边缘用户和基站负载偏重的密集型 小区，源节点s 可以直接传送数据到目的节点d ，亦可以根据中继译码情况，使 用中继链路建立通信。称s 到d 为直连链路，s 通过r 转d 为中继链路。瑞利 衰落信道环境中，此协作模型能获得2 阶数的分集。而此种模型根据传输s l o t 的不同，可以分为以下几类：协议i 、协议i i 以及协议i i i 。 协议i ：在s l o tr l ，s 通过广播方式向r 和d 广播信号；s l o tn + l ，r 将 捕获并处理过的信号转发到d ；此种协议等价于虚拟s i m o 系统。 协议i i ：在s l o ta ，仅s 发送信号至r ；第s l o tn + l ，r 和s 同时传送数 据到d 。该协议中，但s 的负载相对严重。此协议等价于虚拟的m i s o 系统。 协议i i i ：在s l o tn ，s 广播信号，r 和d 接收广播信号；第n + 1 时隙，r 和s 同时传送数据到d 。此协议不仅能实现广播信道最大利用，而且可以实现d 端同时接收r 和s 传输的数据。此协议等价于虚拟m i m o 系统。 峋 叶娶 t 沁固 y 重庆邮电大学硕士论文第二章协作中继技术及链路自适应 s l o tn 7 n 醛 协议i ：酣- 峋 s l c r rn 声飞醉。 协议i i 匝， s l o tn s l o tn + l s l ( ) tn + l 磷 匝 j 0 峋 图2 2 单中继协同协议 多中继并行协作模型 在瑞利衰落信道环境中，此模型的分集增益阶数为k + 1 。对于s 和d 来说， 多个中继仍可实现透明传输。如图2 3 所示，多协作中继模型的k 个中继节点构 成一个小区，k 个中继之间共同优化系统性能，为中继提供更高的分集效果，和 选择，但其干扰严重也是显而易见的。从传输的不同时隙来说，也可分三种协议， 情况与单中继协作模型类似。 图2 3 多中继并行协同模型 多中继串行中继模型【3 2 】 在瑞利衰落环境下，此模型不能得到优异的分集效果。图2 4 展示的多跳模 型，与微波中继接力相似，也是单中继双跳中继模型的衍生。在无线移动通信网 中，在源节点与目的节点的直连链路中间配置多个中继节点，信息依次从一个节 点到邻近节点，依次转发，直到信息到达目的地。 9 最 翟 重庆邮电大学硕士论文第二章协作中继技术及链路自适应 一唧螂、 j i喳 图2 4 多中继串行中继模型 多中继串行协作模型 b o y e r 等人提出并讨论了多跳分集( m u l t i h o pd i v e r s i t y ) ：允许任意节点的广播 信号，被后面的节点监听，之后，s a d e k 等人完善了该协议模型【3 3 1 。多跳中继模 型结构如图2 5 所示，它能够有效利用无线信道的广播特性。 图2 5 多中继串行中继模型 2 2 3 中继方式分类 目前讨论的协作中继系统中的中继方式【3 4 】【3 5 1 有以下几类：固定中继、选择 中继和增量中继。 固定中继 固定中继方式可以分为：放大前传( a f ) 和译码前传( d f ) ，它们对接收信号 的不同处理方式上有所区别。a f 中继根据功率限制放大接收到的信号；d f 中继 首先将接收信号解码，然后重编码，再传给目的端。在1 1 时隙，源广播信号至中 继和目的端，时刻t ，r 和u e 接收信号分别表示为y 职( f ) 和和虼u 【) ： y 歙( f ) = h e r x ( t ) + n e r ( t ) 式( 2 1 ) y 【，( f ) = h e v x ( t ) + ，l 即( f ) 式( 2 。2 ) 其中，圪，i r ，u ) 表示中继或者目的端接收信号功率，x ( f ) 为源端t 时刻的发 送得信号，t l f r ( f ) 和l i e u ( f ) 为加性高斯噪声。k ，c ，分别表示源端到中继端和 源端到目的端的信道衰落系数。 中继接收y e r ( t j 后，在接下来的1 1 + l 时隙，中继将接收到的信