《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 移動通信重點實驗室,重慶400065
摘要: 為了對抗實際無線信道中多徑衰落和更好適應(yīng)時變的信道狀況,,在協(xié)作通信系統(tǒng)中將鏈路層HARQ和物理層AMC進行跨層聯(lián)合,。分析了I-HARQ,、II-HARQ、III-HARQ三種混合自動重傳方案,,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誤率,,依據(jù)Nakagami-m信道條件下的跨層設(shè)計方案,得到鏈路平均丟包率表達式,。仿真結(jié)果表明,對于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。
中圖分類號: TN929.5
文獻標識碼:A
文章編號: 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B3G的發(fā)展,,協(xié)作中繼技術(shù)近年來引起廣泛關(guān)注,,它通過小區(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,,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[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[3]介紹自適應(yīng)中繼,,根據(jù)中繼解碼結(jié)果正確與否來決定使用AF或DF中繼方式,。
    目前對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[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,從而達到各個協(xié)議層的聯(lián)合設(shè)計,。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,,同時具有檢錯和糾錯功能,參考文獻[6]對TYPE-I HARQ,、TYPE-II HARQ、TYPE-III HARQ三種不同類型協(xié)議進行了系統(tǒng)的分析比較,。參考文獻[3]在HARQ前提下討論自適應(yīng)中繼系統(tǒng),,參考文獻[5]利用狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖討論協(xié)作中繼中HARQ性能,,避免耗費時間的蒙特卡洛仿真。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。當信道條件好時采用高階調(diào)制,,得到高的峰值速率,;而當用戶信道條件差時,網(wǎng)絡(luò)則選取低階調(diào)制方式來保證通信質(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)信道條件對數(shù)據(jù)速率進行精細調(diào)整,涉及這兩層的跨層聯(lián)合已有討論,,參考文獻[7-8]對此有深入研究,,但當前大多數(shù)文獻只考慮直連通信系統(tǒng)的跨層設(shè)計,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)點模型:源節(jié)點,、中繼節(jié)點、目的節(jié)點,,分別由S,、R、D來表示,,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)實際情況近似,,對協(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)點都工作在時分雙工模式下,發(fā)送功率都相同,目的端接收來自中繼和源的信號時不會發(fā)生碰撞。
    (3)目的端接收信號后都以廣播形式反饋ACK/NACK信號,,忽略反饋時隙,,并認為反饋無差錯傳輸。
    
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)的工作時隙,,如圖1所示。


    (1)源端行為
    ①源在每個時隙以廣播的形式發(fā)送數(shù)據(jù)包到中繼端和目的端,,同時將數(shù)據(jù)包存儲在存儲器中,。
    ②在反饋時隙,,接收來自目的端的反饋信號,接收 ACK,,發(fā)送新包,;接收NACK則重發(fā)存儲器中的數(shù)據(jù)包,如果此時達到最大傳輸次數(shù),,則發(fā)送新包,。
    (2)中繼端行為
    ①源第一次發(fā)送時,處于監(jiān)聽狀態(tài),,接收來自源的信號。
    ②接收來自源的信號不成功,,則保持監(jiān)聽狀態(tài),。
    ③成功接收來自源的數(shù)據(jù)包,在下一個時隙進入?yún)f(xié)作傳輸狀態(tài),,一旦進入?yún)f(xié)作狀態(tài),,中繼將在每次源重傳同時協(xié)作傳輸,直到目的端成功接收,,或者達到最大傳輸次數(shù)Tmax,。
    (3)目的端行為
    接收來自源或者中繼的數(shù)據(jù)后,以廣播形式發(fā)送 ACK/NACK信號,,通知信源發(fā)送新包或者重發(fā),,一旦達到最大傳輸次數(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,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,,它們在各個模式下的傳輸參數(shù)在表1和表2中都已給出,。
    (1)I型HARQ
    結(jié)合了前向糾錯(FEC)和自動重傳請求(ARQ),同時使用糾錯檢錯碼,,其原理為:首先使用信道解碼來糾正錯誤,,如果信息包含的錯誤圖樣在糾錯碼范圍之內(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,再進行糾錯檢錯,,直到成功接收,,或者達到最大傳輸次數(shù)。I型HARQ的信道編碼參數(shù)是預先設(shè)定的,,各次傳輸?shù)木幋a方式是完全相同的,,因此當信道條件好時,很少或者不需要糾錯碼,,此時的糾錯位就成了信道資源的浪費,,當信道條件差時,糾錯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,則目的端保存這個信息數(shù)據(jù)包,,同時向源發(fā)送重傳請求,,而此時,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。當目的端接收到這些數(shù)據(jù)包時,,與保存在存儲器中的所有數(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
    彌補了II型HARQ不能自譯碼的缺點,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刪除的數(shù)據(jù)包,。

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


3 跨層聯(lián)合方案
    跨層設(shè)計機制通過各層的參數(shù)的傳遞,,使協(xié)議棧能夠根據(jù)無線環(huán)境的變化實現(xiàn)對資源的自適應(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,動態(tài)調(diào)節(jié)編碼調(diào)制方式和重傳機制,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
    由于信道編碼使用擬合卷積編碼,,所以根據(jù)參考文獻[3]得到PER的近似表達式為:


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,,細實線為非協(xié)作系統(tǒng)總PER曲線,粗實線為協(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)作對于I型HARQ系統(tǒng)和II型HARQ系統(tǒng)性能改善情況相當,,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,,各個模式平均丟包率,實線為協(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)能改善各個模式傳輸性能,,且對模式1的改善最為明顯,,模式4的改善情況不佳,幾乎處于重合,,這是因為,,模式4條件下的中繼解碼成功率相對較低,因此沒有享受到協(xié)作帶來的系統(tǒng)增益,。

    本文提出了跨層設(shè)計和協(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,。為了更好地說明問題,分別使用I型HARQ,、II型HARQ、III型HARQ進行跨層設(shè)計,比較各個類型下的協(xié)作系統(tǒng)PER。仿真結(jié)果表明:對于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,對于AF中繼的場景,,還有待進一步研究,。
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