隨著B3G的發(fā)展，協作中繼技術近年來引起廣泛關注，它通過小區(qū)內用戶之間[1]或者用戶與固定中繼之間的協同傳輸和天線共享，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)的關鍵技術之一。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]介紹自適應中繼，根據中繼解碼結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有大量研究，跨層設計[4]的本質思想打破了傳統(tǒng)的通信框架，以滿足通信系統(tǒng)的QoS服務要求為目的，將通信系統(tǒng)資源的狀態(tài)參數在協議層中傳遞，從而達到各個協議層的聯合設計。例如3G技術中，WCDMA的物理層中的高速下行分組接入(HSDP)業(yè)務就是一種跨層聯合優(yōu)化技術。數據鏈路層的HARQ是FEC和ARQ結合的產物，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前提下討論自適應中繼系統(tǒng)，參考文獻[5]利用狀態(tài)轉移圖討論協作中繼中HARQ性能，避免耗費時間的蒙特卡洛仿真。物理層的自適應調制編碼技術(AMC)根據信道質量情況，選擇最合適的調制方式，產生不同的傳輸速率。當信道條件好時采用高階調制，得到高的峰值速率；而當用戶信道條件差時，網絡則選取低階調制方式來保證通信質量。物理層AMC提供了粗糙的數據速率選擇，數據鏈路層HARQ根據信道條件對數據速率進行精細調整，涉及這兩層的跨層聯合已有討論，參考文獻[7-8]對此有深入研究，但當前大多數文獻只考慮直連通信系統(tǒng)的跨層設計，而忽略了使用固定協作中繼的協作系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)模型
    設置最基本的三節(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，根據實際情況近似，對協作中繼系統(tǒng)做以下合理假設：
    (1)為了避免在信道條件差的情況下,系統(tǒng)出現無效的多次重傳，設置系統(tǒng)容忍極限Tmax=4，即最大傳輸次數為4次，最大重傳次數為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。
    
分別為伽馬函數和不完全伽馬函數。
    使用HARQ方案的協作中繼系統(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)送數據包到中繼端和目的端，同時將數據包存儲在存儲器中。
    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)存儲器中的數據包，如果此時達到最大傳輸次數，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據包，在下一個時隙進入協作傳輸狀態(tài)，一旦進入協作狀態(tài)，中繼將在每次源重傳同時協作傳輸，直到目的端成功接收，或者達到最大傳輸次數Tmax。
    (3)目的端行為
    接收來自源或者中繼的數據后，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，且目的端解碼仍不成功，則丟棄此數據包，發(fā)送NACK信號，通知源(中繼接收失敗)或者源和中繼協作（中繼接收成功）發(fā)送新數據包。
1.1 三種HARQ協議
    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在表1和表2中都已給出。
    (1)I型HARQ
    結合了前向糾錯(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，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，目的端丟棄該數據，并通知源端發(fā)送同樣的數據包，目的端接收到數據包之后，再進行糾錯檢錯，直到成功接收，或者達到最大傳輸次數。I型HARQ的信道編碼參數是預先設定的，各次傳輸的編碼方式是完全相同的，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：在信息數據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據包，同時向源發(fā)送重傳請求，而此時，重傳的信息數據包與第一次傳輸的信息數據包不同，重傳信息數據包是根據原始的信息數據進行信道編碼而產生的數據比特，這些數據比特按照一定的規(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據包時，與保存在存儲器中的所有數據包聯合譯碼，共同糾正信息包中存在的錯誤。
    CC-HARQ與IR-HARQ相同之處在于，重傳數據包在目的端不單獨譯碼，直接合并譯碼；不同之處在于，每次重傳數據包與第一次的數據包是相同的。
    (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據包。

    丟包率定義為：達到最大傳輸次數，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 跨層聯合方案
    跨層設計機制通過各層的參數的傳遞，使協議棧能夠根據無線環(huán)境的變化實現對資源的自適應優(yōu)化配置，數據鏈路層和物理層的跨層聯合是在滿足數據鏈路層的QoS的前提下,動態(tài)調節(jié)編碼調制方式和重傳機制，使之在多變的信道條件下滿足數據鏈路層要求。下面將詳細介紹物理層的AMC和數據鏈路層的HARQ的聯合方案。
    (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，所以根據參考文獻[3]得到PER的近似表達式為：

4 仿真結果
    本文設置最大傳輸次數Tmax=4,即最大重傳次數為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種調制模式在物理層的平均PER曲線，細實線為非協作系統(tǒng)總PER曲線，粗實線為協作系統(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方案下協作與非協作系統(tǒng)丟包率發(fā)現：無論哪種HARQ方案，協作系統(tǒng)較非協作系統(tǒng)都有比較低的丟包率，協作對于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： 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，實線為協作系統(tǒng)PER，虛線為非協同系統(tǒng)PER，比較相同模式丟包率曲線發(fā)現，協同系統(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，因此沒有享受到協作帶來的系統(tǒng)增益。

    本文提出了跨層設計和協作中繼相結合的方案，在DF協作中繼系統(tǒng)中實現數據鏈路層HARQ和物理層AMC的跨層聯合，并得到協作系統(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進行跨層設計,比較各個類型下的協作系統(tǒng)PER。仿真結果表明：對于HARQ和AMC跨層聯合系統(tǒng)，協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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