《電子技術(shù)應(yīng)用》
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HARQ和AMC跨層聯(lián)合的協(xié)作系統(tǒng)丟包率分析
來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用2011年第1期
曾懿文, 戴翠琴, 王光宇, 陳前斌
重慶郵電大學(xué) 移動(dòng)通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶400065
摘要: 為了對(duì)抗實(shí)際無(wú)線信道中多徑衰落和更好適應(yīng)時(shí)變的信道狀況,在協(xié)作通信系統(tǒng)中將鏈路層HARQ和物理層AMC進(jìn)行跨層聯(lián)合。分析了I-HARQ、II-HARQ、III-HARQ三種混合自動(dòng)重傳方案,根據(jù)協(xié)作系統(tǒng)模型得到系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖,將協(xié)作系統(tǒng)丟包率(PER)轉(zhuǎn)化為鏈路丟包率,得到了Nakagami-m信道條件下中繼接收錯(cuò)誤率,依據(jù)Nakagami-m信道條件下的跨層設(shè)計(jì)方案,得到鏈路平均丟包率表達(dá)式。仿真結(jié)果表明,對(duì)于HARQ和AMC跨層聯(lián)合系統(tǒng),協(xié)作中繼能明顯改善其丟包率。
中圖分類(lèi)號(hào): TN929.5
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào): 0258-7998(2011)01-0105-05
PER analysis of the cooperative system based on cross-layer
Zeng Yiwen, Dai Cuiqin,Wang Guangyu,Chen Qianbin
Key Laboratory of Mobile Communication, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China
Abstract: In order to overcome the multipath fading and adapt to the time-varying channel, we study a cooperative system with cross-layers from HARQ and AMC. Firstly, we study three retransmission schemes, e.g. I-HARQ, II-HARQ, III-HARQ. Secondly, according to the cooperative system model, we get the transition state diagram of the cooperative system. Then, we transform the PER of the cooperative system into PER of the single path, and derive the receive error rate in Nakagami-m channel. At last, a cross-layer scheme is given. At the same time, we get the average PER of the single path. Simulation results show that , the cooperative relay could clear enhance the packet error rate(PER) of the system that combines HARQ in date link layer and AMC in the physical layer.
Key words : HARQ; AMC; cooperative relay; cross-layer design; nakagami-mchannel


    隨著B(niǎo)3G的發(fā)展,協(xié)作中繼技術(shù)近年來(lái)引起廣泛關(guān)注,它通過(guò)小區(qū)內(nèi)用戶之間[1]或者用戶與固定中繼之間的協(xié)同傳輸和天線共享,形成虛擬的MIMO陣列,具有提供空間分集、克服多徑衰落、延伸覆蓋、增加系統(tǒng)容量等特點(diǎn),由此成為第四代通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。參考文獻(xiàn)[2]站在信息論的角度,以中斷概率和終端容量的形式,分析了中繼系統(tǒng)性能;參考文獻(xiàn)[3]介紹自適應(yīng)中繼,根據(jù)中繼解碼結(jié)果正確與否來(lái)決定使用AF或DF中繼方式。
    目前對(duì)于鏈路層和物理層的跨層方案已經(jīng)有大量研究,跨層設(shè)計(jì)[4]的本質(zhì)思想打破了傳統(tǒng)的通信框架,以滿足通信系統(tǒng)的QoS服務(wù)要求為目的,將通信系統(tǒng)資源的狀態(tài)參數(shù)在協(xié)議層中傳遞,從而達(dá)到各個(gè)協(xié)議層的聯(lián)合設(shè)計(jì)。例如3G技術(shù)中,WCDMA的物理層中的高速下行分組接入(HSDP)業(yè)務(wù)就是一種跨層聯(lián)合優(yōu)化技術(shù)。數(shù)據(jù)鏈路層的HARQ是FEC和ARQ結(jié)合的產(chǎn)物,同時(shí)具有檢錯(cuò)和糾錯(cuò)功能,參考文獻(xiàn)[6]對(duì)TYPE-I HARQ、TYPE-II HARQ、TYPE-III HARQ三種不同類(lèi)型協(xié)議進(jìn)行了系統(tǒng)的分析比較。參考文獻(xiàn)[3]在HARQ前提下討論自適應(yīng)中繼系統(tǒng),參考文獻(xiàn)[5]利用狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖討論協(xié)作中繼中HARQ性能,避免耗費(fèi)時(shí)間的蒙特卡洛仿真。物理層的自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)(AMC)根據(jù)信道質(zhì)量情況,選擇最合適的調(diào)制方式,產(chǎn)生不同的傳輸速率。當(dāng)信道條件好時(shí)采用高階調(diào)制,得到高的峰值速率;而當(dāng)用戶信道條件差時(shí),網(wǎng)絡(luò)則選取低階調(diào)制方式來(lái)保證通信質(zhì)量。物理層AMC提供了粗糙的數(shù)據(jù)速率選擇,數(shù)據(jù)鏈路層HARQ根據(jù)信道條件對(duì)數(shù)據(jù)速率進(jìn)行精細(xì)調(diào)整,涉及這兩層的跨層聯(lián)合已有討論,參考文獻(xiàn)[7-8]對(duì)此有深入研究,但當(dāng)前大多數(shù)文獻(xiàn)只考慮直連通信系統(tǒng)的跨層設(shè)計(jì),而忽略了使用固定協(xié)作中繼的協(xié)作系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)模型
    設(shè)置最基本的三節(jié)點(diǎn)模型:源節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn),分別由S、R、D來(lái)表示,S到D、S到R、R到D的信道分別為直連鏈路、用戶鏈路和中繼鏈路。
    為方便系統(tǒng)建模,根據(jù)實(shí)際情況近似,對(duì)協(xié)作中繼系統(tǒng)做以下合理假設(shè):
    (1)為了避免在信道條件差的情況下,系統(tǒng)出現(xiàn)無(wú)效的多次重傳,設(shè)置系統(tǒng)容忍極限Tmax=4,即最大傳輸次數(shù)為4次,最大重傳次數(shù)為3次。
    (2)所有節(jié)點(diǎn)都工作在時(shí)分雙工模式下,發(fā)送功率都相同,目的端接收來(lái)自中繼和源的信號(hào)時(shí)不會(huì)發(fā)生碰撞。
    (3)目的端接收信號(hào)后都以廣播形式反饋ACK/NACK信號(hào),忽略反饋時(shí)隙,并認(rèn)為反饋無(wú)差錯(cuò)傳輸。
    
分別為伽馬函數(shù)和不完全伽馬函數(shù)。
    使用HARQ方案的協(xié)作中繼系統(tǒng)的工作時(shí)隙,如圖1所示。


    (1)源端行為
    ①源在每個(gè)時(shí)隙以廣播的形式發(fā)送數(shù)據(jù)包到中繼端和目的端,同時(shí)將數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。
    ②在反饋時(shí)隙,接收來(lái)自目的端的反饋信號(hào),接收 ACK,發(fā)送新包;接收NACK則重發(fā)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)包,如果此時(shí)達(dá)到最大傳輸次數(shù),則發(fā)送新包。
    (2)中繼端行為
    ①源第一次發(fā)送時(shí),處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài),接收來(lái)自源的信號(hào)。
    ②接收來(lái)自源的信號(hào)不成功,則保持監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)。
    ③成功接收來(lái)自源的數(shù)據(jù)包,在下一個(gè)時(shí)隙進(jìn)入?yún)f(xié)作傳輸狀態(tài),一旦進(jìn)入?yún)f(xié)作狀態(tài),中繼將在每次源重傳同時(shí)協(xié)作傳輸,直到目的端成功接收,或者達(dá)到最大傳輸次數(shù)Tmax。
    (3)目的端行為
    接收來(lái)自源或者中繼的數(shù)據(jù)后,以廣播形式發(fā)送 ACK/NACK信號(hào),通知信源發(fā)送新包或者重發(fā),一旦達(dá)到最大傳輸次數(shù),且目的端解碼仍不成功,則丟棄此數(shù)據(jù)包,發(fā)送NACK信號(hào),通知源(中繼接收失敗)或者源和中繼協(xié)作(中繼接收成功)發(fā)送新數(shù)據(jù)包。
1.1 三種HARQ協(xié)議
    本文分別使用I-HARQ、II-HARQ、III-HARQ三種重傳方案,它們?cè)诟鱾€(gè)模式下的傳輸參數(shù)在表1和表2中都已給出。
    (1)I型HARQ
    結(jié)合了前向糾錯(cuò)(FEC)和自動(dòng)重傳請(qǐng)求(ARQ),同時(shí)使用糾錯(cuò)檢錯(cuò)碼,其原理為:首先使用信道解碼來(lái)糾正錯(cuò)誤,如果信息包含的錯(cuò)誤圖樣在糾錯(cuò)碼范圍之內(nèi),信息能正確譯碼,信息將傳遞給上層;如果在糾錯(cuò)碼范圍之外,則信息包譯碼失敗,目的端丟棄該數(shù)據(jù),并通知源端發(fā)送同樣的數(shù)據(jù)包,目的端接收到數(shù)據(jù)包之后,再進(jìn)行糾錯(cuò)檢錯(cuò),直到成功接收,或者達(dá)到最大傳輸次數(shù)。I型HARQ的信道編碼參數(shù)是預(yù)先設(shè)定的,各次傳輸?shù)木幋a方式是完全相同的,因此當(dāng)信道條件好時(shí),很少或者不需要糾錯(cuò)碼,此時(shí)的糾錯(cuò)位就成了信道資源的浪費(fèi),當(dāng)信道條件差時(shí),糾錯(cuò)不成功幾率大大增大,重傳次數(shù)增加,系統(tǒng)性能降低。
    (2)II型HARQ
    II型HARQ有增量冗余HARQ(Incremental Redundancy HARQ)和追趕合并HARQ(Chase Combine HARQ)兩種類(lèi)型。
    IR-HARQ基本原理是:在信息數(shù)據(jù)包的第一次傳輸中加入少量信道編碼比特,如果信道譯碼不能糾錯(cuò),則目的端保存這個(gè)信息數(shù)據(jù)包,同時(shí)向源發(fā)送重傳請(qǐng)求,而此時(shí),重傳的信息數(shù)據(jù)包與第一次傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)包不同,重傳信息數(shù)據(jù)包是根據(jù)原始的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行信道編碼而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)比特,這些數(shù)據(jù)比特按照一定的規(guī)則在每次重傳中傳輸其中一部分。當(dāng)目的端接收到這些數(shù)據(jù)包時(shí),與保存在存儲(chǔ)器中的所有數(shù)據(jù)包聯(lián)合譯碼,共同糾正信息包中存在的錯(cuò)誤。
    CC-HARQ與IR-HARQ相同之處在于,重傳數(shù)據(jù)包在目的端不單獨(dú)譯碼,直接合并譯碼;不同之處在于,每次重傳數(shù)據(jù)包與第一次的數(shù)據(jù)包是相同的。
    (3)III型HARQ
    彌補(bǔ)了II型HARQ不能自譯碼的缺點(diǎn),與之相同的是都使用聯(lián)合譯碼的方式,不同之處在于III型HARQ的重傳包使用了與第一次傳輸互補(bǔ)刪除的數(shù)據(jù)包。

    丟包率定義為:達(dá)到最大傳輸次數(shù),且目的端接收仍不成功的概率,因此系統(tǒng)PER為各個(gè)丟包狀態(tài)PER之和:


3 跨層聯(lián)合方案
    跨層設(shè)計(jì)機(jī)制通過(guò)各層的參數(shù)的傳遞,使協(xié)議棧能夠根據(jù)無(wú)線環(huán)境的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的自適應(yīng)優(yōu)化配置,數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的跨層聯(lián)合是在滿足數(shù)據(jù)鏈路層的QoS的前提下,動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)編碼調(diào)制方式和重傳機(jī)制,使之在多變的信道條件下滿足數(shù)據(jù)鏈路層要求。下面將詳細(xì)介紹物理層的AMC和數(shù)據(jù)鏈路層的HARQ的聯(lián)合方案。
    (1)I型HARQ、II型HARQ、III型HARQ的PER表達(dá)
    由于信道編碼使用擬合卷積編碼,所以根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]得到PER的近似表達(dá)式為:


4 仿真結(jié)果
    本文設(shè)置最大傳輸次數(shù)Tmax=4,即最大重傳次數(shù)為3次,使用碼率為1/2的卷積碼作為糾錯(cuò)碼,信息包中信息位為1 064 bit,使用的編碼調(diào)制方案出自802.11a以及HIPERLAN/2[10]。
    圖3、圖4、圖5中虛線部分為4種調(diào)制模式在物理層的平均PER曲線,細(xì)實(shí)線為非協(xié)作系統(tǒng)總PER曲線,粗實(shí)線為協(xié)作系統(tǒng)總PER曲線。比較相同HARQ方案下的各模式PER,模式1的丟包率最低,模式4的丟包率最高;比較相同HARQ方案下協(xié)作與非協(xié)作系統(tǒng)丟包率發(fā)現(xiàn):無(wú)論哪種HARQ方案,協(xié)作系統(tǒng)較非協(xié)作系統(tǒng)都有比較低的丟包率,協(xié)作對(duì)于I型HARQ系統(tǒng)和II型HARQ系統(tǒng)性能改善情況相當(dāng),但改善程度不如III型HARQ系統(tǒng);比較相同模式下的不同HARQ方案發(fā)現(xiàn): III型HARQ系統(tǒng)普遍具有較低丟包率。

    圖6各線分別為在相同HARQ條件下,各個(gè)模式平均丟包率,實(shí)線為協(xié)作系統(tǒng)PER,虛線為非協(xié)同系統(tǒng)PER,比較相同模式丟包率曲線發(fā)現(xiàn),協(xié)同系統(tǒng)能改善各個(gè)模式傳輸性能,且對(duì)模式1的改善最為明顯,模式4的改善情況不佳,幾乎處于重合,這是因?yàn)椋J?條件下的中繼解碼成功率相對(duì)較低,因此沒(méi)有享受到協(xié)作帶來(lái)的系統(tǒng)增益。

    本文提出了跨層設(shè)計(jì)和協(xié)作中繼相結(jié)合的方案,在DF協(xié)作中繼系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層HARQ和物理層AMC的跨層聯(lián)合,并得到協(xié)作系統(tǒng)丟包率。為了更好地說(shuō)明問(wèn)題,分別使用I型HARQ、II型HARQ、III型HARQ進(jìn)行跨層設(shè)計(jì),比較各個(gè)類(lèi)型下的協(xié)作系統(tǒng)PER。仿真結(jié)果表明:對(duì)于HARQ和AMC跨層聯(lián)合系統(tǒng),協(xié)作中繼能明顯改善其丟包率。本文所有工作只基于DF中繼,對(duì)于AF中繼的場(chǎng)景,還有待進(jìn)一步研究。
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