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。
參考文獻(xiàn)
[1] NARASIMHAN R. Delay-limited throughput cooperative  multiple access channels with hybrid-ARQ, 2008[C].in  Proc IEEE ISIT, July 2008, Toronto, Canada:6-11.
[2] LANEMAN J N, DNC T, WORNELL G W. Cooperative diversity in wireless networks: efficient protocols and outage behavior[J]. IEEE Transactions on Information  Theory, 2004,50(12):3062-3080 .
[3] PANG K, LI Yong Hui,VUCETIC B. An improved hybrid ARQ scheme in cooperative wireless networks. 2008[C]. IEEE Vehicular Technology Conference:1-5.
[4] BAHIOUL R, BOUJEMAA H, SIALA M, Cross layer strategies in wireless networks.2009[C]. in IEEE SCS:1-5.
[5] WANG Ya Feng, ZHANG Lei, YANG Da Cheng. Performance analysis of type III HARQ with turbo codes.2003[C]. Vehicular Technology Conference, The 57th IEEE Semiannual.
[6] HOSHYAR R, TAFAZOLLI R, Performance evaluation of HARQ schemes for cooperative regenerative relaying. 2009[C]. IEEE ICC 2009:1-6.
[7] LI Chang Chun, XU Ling Ling, YUAN Dong Feng. Performance analysis and comparison of HARQ schemes in cross  layer design. 2009[C]. ChinaCOM, Fourth International Conference.
[8] WU Da Lei, SONG Ci. Cross-layer design for combining adaptive modulation and coding with hybrid ARQIWCMC06,  Vancouver,British,Columbia, Canada[C]. 2006,7(3-6):147-152．
[9] CHRISTOS K. Outage analysis of decode-and-forward relaying over nakagami-m fading channels[J]. IEEE Signal  Processing Letter,2008(15).
[10] DOUFEXI A, ARMOUR S, BUTLER M. A comparison of the HIPERLAN/2 and IEEE802.11a Wireless LAN Standards[J]. IEEE Commun., Mag., May2002,40(5):172-180.