（信息与通信工程专业论文）ieee+80216m系统中的harq技术研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 无线通信技术是近年来发展最迅速的技术之一。w i m a x ( w o r l d w i d e i n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ，全球微波接入互操作性) 所制定的i e e e 8 0 2 1 6 系列无线接入标准在其中扮演着不可取代的角色，并致力于无线通信中低 时延、高质量、强移动性的话音、影像、数据等业务。多年来8 0 2 1 6 标准不断 地得到完善与推广，其中，i e e e8 0 2 1 6 m 是f 在拟定中的支持高速移动的宽带 无线接入协议。此标准支持o 到3 0 0 k m h 的移动速度，向下兼容i e e e8 0 2 16 e 协议，其传输速率达到了新的高峰。 h a r q ( 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 ，混合自动重传要求) 技术是无线 通信中的重要技术，对数据包传输的可靠性以及系统吞吐量、频谱效率的提高都 起着不可或缺的作用。因此，h a r q 技术被列入了i e e e8 0 2 1 6 系列标准的关键 技术。特别是i e e e8 0 2 1 6 e 对此技术提出了非常明确的要求。i e e e8 0 2 1 6 m 中 沿用了i e e e8 0 2 1 6 e 的要求，并加入了新的元素。 本文在对i e e e8 0 2 1 6 e 协议兼容的基础上，搭建起h a r q 系统结构，并在 此之上提出使系统吞吐量、频谱效率、发送延迟进一步提高的改进方案。分别从 发送方式、参数控制、队列控制、调度方式等方面入手，提出了三种重要的发送 方法，并对其进行了评估，证明了其性能的可靠性。 本文首先从i e e e8 0 2 1 6 e 与i e e e8 0 2 1 6 m 入手，论述了两者的关联以及区 别，分析了h a r q 的系统原理，阐述了目前国内外在h a r q 方面的研究现状， 并且从i e e e8 0 2 1 6 e 与i e e e8 0 2 1 6 m 中针对h a r q 的规定出发，分析了h a r q 系统的结构，以及结构中所运用的算法。 然后本文对h a r q 系统进行了理论分析，研究了混合自动重传发送模式中 子包最大重传次数、单次传输功率、子包长度、调制比特数、编码速率等参数与 系统频谱效率之间的关系。基于i e e e8 0 2 1 6 e 协议，本文提出了h a r q 系统接 收端带信道参数的反馈模式，以提高无线传输频谱效率，同时给出了该模式区别 于固定参数传输模式功率分配和误包率的约束条件。本文在a w g n 信道下建立 了系统模型，分析了各参数对于总体频谱效率的影响以及各参数相应的优化方 法，并提出了可实现的优化参数联合控制算法。同时分析了不同信道条件下的参 数联合控制算法的调整，并给出了实际仿真模型，验证了算法的正确性。 其后本文利用前面所获得的理论基础，从排队论理论角度研究了h a r q 系 统中的队列问题，针对有包错误率限制的系统，提出了一种包错误率受限下的最 大化频谱效率的多参数联合控制方式，并得出实现此系统所需的队列缓存区的最 小值以及包到达率的最大值。 最后本文根据前面的结论，研究了在实际应用系统中，h a r q 传输模式对发 浙江人学硕士学位论文 送端队列造成的影响。为进一步提高频谱增益、大幅度减小包发送延迟，本文提 出了一种新的发送端队列调度方式。以往的研究中尚未涉及此方法。对此调度方 式的系统仿真以及算法复杂度估计充分证明了此方式的有效性和实用性。 关键词：w i m a x ，o f d m ，i e e e8 0 2 1 6 e ，i e e e8 0 2 1 6 m ，混合自动重传技术， 多参数联合控制，队列研究，调度 浙江人学硕1 ：学位论文 a b s t r a c t w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi so n eo ft h ef a s t e s tg r o w i n gt e c h n o l o g i e si n r e c e n ty e a r s t h es e r i e so fw i r e l e s sa c c e s sp r o t o c o l so fi e e e8 0 2 16w h i c hm a d eb y w i m a x ( w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ) p l a ya ni m p o r t a n tr o l e i ni t t h e s ep r o t o c o l sa r ea p p l i e dt oa c h i e v el o w - d e l a y , h i g h - q u a l i t y , h i g h - m o b i l i t y s e r v i c e ss u c ha ss o u n d ，v i d e o ，d a t as e r v i c e s ，e t c i e e e8 0 2 16p r o t o c o l sh a v eb e e n c o m m i t t e da n dp u tt op u b l i s hf o ry e a r s a m o n gt h e m ，i e e e8 0 2 16 mi saw i r e l e s s w i d e b a n da c c e s sp r o t o c o lw h i c hi sb e i n gs t u d y i n go u t i ts u p p o r th i g hs p e e du pt o 3 0 0 k m h ，a n di sc o m p a t i b l ew i t hi e e e8 0 2 16 ep r o t o c 0 1 i ti sap r o t o c o lt h a tm a k e s w i r e l e s st r a n s m i s s i o ns p e e dh i g hu pt oa n o t h e rl e v e l h a r q ( 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 ) t e c h n o l o g yi s a ni m p o r t a n t t e c h n o l o g yi nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i ti si n d i s p e n s a b l ef o ri m p r o v i n go fd a t a c o r r e c t n e s s ，t h r o u g h p u t ，s p e c t r a le f f i c i e n c y , a n dq u a l i t yo fs e r v i c e h a r qt e c h n o l o g y i so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e si ni e e e8 0 2 16p r o t o c o l s i ti ss p e c i f i e di nd e t a i l si n i e e e8 0 2 16 e i e e e8 0 2 16 mf o l l o wt h ei n s t r u c t i o n si ni e e e8 0 2 16 e ，a n da d du p n e we l e m e n t si ni t b a s i n go nt h ec o m p a t i b i l i t yt oi e e e8 0 2 16 e ，t h i st h e s i s c o n s t r u c t sah a r q s y s t e m a ni m p r o v e m e n tm e t h o do fs y s t e mt h r o u g h p u t ，s p e c t r a le f f i c i e n c y a n d t r a n s m i s s i o nd e l a yi sp u tf o r w a r d s t a r t i n gw i t hc h a n g i n gt h em e t h o do ft r a n s m i s s i o n ， p a r a m e t e r sc o n t r o l ，q u e u ec o n t r o l ，a n dr e a l l o c a t i o n ，t h r e ei m p o r t a n tm e t h o di sg i v e n e v a l u a t i o nm e t h o d sa r et a k e n ，a n dt h em e t h o d sa r ep r o v e dt ob er i g h ta n du s e f u l s t a r t i n g 、析t hi e e e8 0 2 16 ea n di e e e8 0 2 16 m t h i st h e s i sd i s c u s sa b o u tt h e d i f f e r e n c e sa n da s s o c i a t i o n sb e t w e e nt h e m t h et h e o r e mo fh a r q s y s t e mi sa n a l y z e d a n dt h er e s e a r c hd e p t ha n dd i r e c t i o ni se x p o u n d e d b a s e do nt h er e g u l a t i o n st l l a ta r e d e s c r i b e di ni e e e8 0 2 16 ea n di e e e8 0 2 16 m ，t h es t r u c t u r e so fh a r qs y s t e ma n d t h e i rc o r r e s p o n d i n ga l g o r i t h m sa r ea n a l y z e d t h e n ，t h eh a r qs y s t e mi sa n a l y z e di nt h e o r y t h er e l a t i o na m o n gm a x i m u m r e t r a n s m i s s i o nt i m e s ，p o w e ri ne v e r yt r a n s m i s s i o n ，s u b p a c k e tl e n g t h ，m o d u l a t i o nb i t s ， c o d i n gr a t ei nh y b r i da u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ( h a r q ) t r a n s m i s s i o nm o d ea n dt h e s y s t e mt h r o u g h p u ti ss t u d i e d a i m e da te n h a n c i n gt h et h r o u g h p u to fw i r e l e s s t r a n s m i s s i o ns y s t e m ，af e e d - b a c km o d e 诹廿lc h a n n e lp a r a m e t e r si sp r o p o s e db a s e do n i e e e8 0 2 16 ep r o t o c o l ，a n dt h ec o n s t r a i n to fp o w e ra l l o c a t i o na n dp a c k e te r r o rr a t ei n t h ep r o p o s e dm o d ei sg i v e n ，w h i c hi sd i f f e r e n tf r o mt h a to ft r a n s m i s s i o nm o d ew i t h f i x e dp a r a m e t e r s am o d e lu n d e rg a u s s i a nc h a n n e li se s t a b l i s h e df o rt h ea n a l y s i so f i i i 浙江大学硕j ：学位论文 一 t h ei n f l u e n c eo nt h et h r o u g h p u tc a u s e db yd i f f e r e n tp a r a m e t e r sa n dt h ec o r r e s p o n d i n g o p t i m i z a t i o nd e p e n d e n to nc e r t a i np a r a m e t e r t h e n ，as u b - o p t i m a li t e r a t i v ea l g o r i t h m i sp r o p o s e d t h e r e a f t e r ，u s i n gt h et h e o r yt h a tg e t sb e f o r e ，t h eq u e u e i n gp r o b l e mi nh a r q s y s t e mi s s t u d i e di nt h ed i r e c t i o no fq u e u e i n gt h e o r e m i nt h el i m i t a t i o no fs y s t e m p a c k e te r r o rr a t e ，am u l t i p a r a m e t e rj o i n t c o n t r o lw h i c hg e t sm a x i m a ls p e c t r a l e f f i c i e n c vi sp r o p o s e d t og e tt h i ss y s t e mw o r k ，t h em i n i m a lq u e u e i n gb u f f e ra n d m a x i m a lp a c k e ta r r i v a lr a t ei sg i v e n l a s t c o m b i n i n ga l l t h ec o n c l u s i o n st o g e t h e r , t h ee f f e c t m a d eb yh a r q t 砌s m i s s i o nm o d et ot h et r a n s m i s s i o nq u e u ei s s t u d i e d t oi m p r o v es p e c t r a l e f f i c i e n c ym o r ea n dd e c r e a s ep a c k e tt r a n s m i s s i o nd e l a y , a n e wt r a n s m i s s i o nq u e u e m g r e a l l o c a t i o nm e t h o di sp r o p o s e d t h i sm e t h o dh a sn e v e r b e e ns t u d i e db e f o r e a f t e ra s v s t e ms i m u l a t i o nt ot h er e a l l o c a t i o nm e t h o da n da l g o r i t h mc o m p l e x i t ye s t i m a t i o n ，i t c a nb ep r o v e dt h a tt h i sr e a l l o t i o nm e t h o di se f f e c t i v ea n dp r a c t i c a l k e y w o r d s ：w i m a x ，o f d m ，i e e e8 0 2 1 6 e ，i e e e 8 0 2 1 6 m ，h y b r i da r q m u l t i - p a r a m e t e rj o i n tc o n t r o l ，q u e u e i n gr e s e a r c h ，r e a i l o c a t i o n i v 浙江大学硕上学位论文 图目录 图2 1h a r q 系统结构9 图2 2 姒c 子包帧结构1 0 图2 - 3 ( 1 7 1 ，1 3 3 ) 叮的( 2 ，1 ，7 ) 卷积码编码器1 2 图2 4 不同m 值时不同的信噪比密度函数15 图2 - 5 实际仿真信道信噪比与计算信噪比对比1 6 图3 一lh a r q 系统结构图1 9 图3 2 传统传输吞吐量与自适应传输2 6 图3 3 不同调制比特数传输吞吐量与自适应传输频谱效率对比2 6 图3 - 4 不同编码速率传输吞吐量与自适应传输频谱效率对比2 7 图3 - 5 不同子包长度传输吞吐量与自适应传输频谱效率对比2 7 图3 - 6 不同迭代次数的自适应传输频谱效率对比2 7 图3 - 7h a r q 多参数联合控制系统结构2 8 图3 - 8 传统传输频谱效率与自适应传输频谱效率理论、仿真对比2 9 图3 - 9 不同调制比特数传输效率与自适应传输效率对比2 9 图3 - 1 0 不同编码速率传输效率与自适应传输效率对比3 0 图3 - 1 l 不同子包长度传输效率与自适应传输效率对比3 0 图3 - 1 2r a y l e i g h 信道下自适应参数控制与固定参数控制3 1 图3 - 1 3r a y l e l 6 h 信道下自适应参数控制与不同调制比特数频谱效率3 1 图3 - 1 4r a y l e i g h 信道下自适应参数控制与不同子包长度频谱效率3 2 图3 - 1 5r a y l e i g h 信道下自适应参数控制与不作功率分配，不同最大重传次数频谱效率3 2 图3 - 1 6r a y l e i g h 信道下自适应h a r o 参数控制与不同调制比特数下误子包率3 3 图3 - 1 7r a l e i g h 信道下不同迭代次数自适应h a r q 参数分配下的频谱效率3 3 图4 1h a r q 包发送队列模型3 9 图4 2 不同到达方式、不同到达率下h a r q + a r c ( 非最优参数) 的频谱效率4 0 图4 3s n r 一定，泊松分布不同到达率时h a r ( h - a m c 的频谱效率4 1 图4 - 4s n r 一定，泊松分布不同到达率时h a r q + a m c 的丢包率4 1 图4 5s n r 一定，泊松分布不同队列缓存时h a r q + a m c 的丢包率4 2 图4 - 6 同到达率，不同发送模式的频谱效率4 3 图4 7 同到达率，不同发送模式的系统包总错误率4 3 图5 - 1h a r q 调度模型4 5 图5 - 2 一般下凸与上凸函数5 3 图5 - 3 既有下凸又有上凸的函数5 4 图5 _ 4 联合参数控制下的频谱效率图5 4 图5 5 频谱效率图中的上凸与下凸区域5 5 v i i i 浙江大学硕 ：学位论文 图5 - 6h a r q 系统调度模型5 7 图5 - 7 采用调度算法与不采用调度算法的频谱效率对比5 7 图5 - 8 采用调度算法与不采用调度算法的系统误包率对比5 8 图5 - 9 采用调度算法与不采用调度算法的频谱效率对比5 8 图5 - 1 0 采用调度算法与不采用调度算法的系统误包率对比5 9 图5 - 1 1 采用调度算法与不采用调度算法的包平均延迟对比5 9 i x 浙江大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1i e e e8 0 2 1 6 m 与i e e e8 0 2 1 6 e 随着无线通信技术的迅速发展和个人对数据通信需求的快速增长，高数据速 率、高可靠性的无线数据传输必将成为未来通信行业的主流。要提高用户体验， 包括有两方面的提高：一，用户界面的改进，视频、音频、图像处理速度的加快， 清晰度、压缩比例的提高；二，传输速率的提高，传输覆盖范围的拓展，移动速 度的上升。这其中包括即时通信技术，如话音、视像等，以及非即时通信技术， 如文件、邮件等。 对前者，相应的技术为计算机软件技术、图形图象处理技术、视频压缩技术； 对后者，则相应的为各种无线通信技术，如信道估计、m i m o 、中继、多跳无线 网络等。对于技术的采用，不同国家、地区、公司之间，需要一套统一的标准来 规范。 传统宽带固定接入用户已经不满足于仅仅在家庭和办公室等固定环境内使用 宽带业务，而希望使用宽带接入移动服务，包括高速移动服务；同时，传统的移 动用户也不满足于简单的语音和低速数据业务，希望能使用更高数据速率的业 务。用户需求的变化使宽带移动化和移动宽带化逐渐呈现出互为补充、互相促进 的发展趋势。在移动宽带化方面，3 g p p 3 g p p 2 已经制定了l x e v - d o 、 h s d p a h s u p a 等技术标准，实现移动环境下的宽带数据传输 3 3 , 3 4 】。在宽带移动 化方面，i e e e8 0 2 工作组先后制定了w l a n 和w i m a x 等技术规范，其中基于 i e e e8 0 2 1 6 e 标准的移动w i m a x 技术，由于兼具了移动化、宽带化和i p 化的 特点，成为最具发展潜力的无线接入技术之一。 由于i e e e8 0 2 1 6 e 标准并不支持高速移动服务，在i e e e8 0 2 1 6 e 基础上，i e e e 已经成立了8 0 2 1 6 m 工作组，计划2 0 0 8 年第二季度完成标准的制订。根据英特 尔的公开资料，8 0 2 1 6 m 目前提出的要求范例如下【3 6 , 3 7 】：支持在时速3 5 0 k m h 以 上的移动物体上使用。其他方面，带宽分为5 、1 0 、2 0 、4 0 m h z ，计划最多可支 持4 x 4 的m i m o 。在使用2 0 m h z 带宽的同时，利用t d d 进行通信时，分区数 据传输速度要求下行速度4 0 m b p s ，上行1 2 m b p s 以上。此外还要求链路层的访 问时间及切换延迟分别为1 0 m s 以下、2 0 m s 以下。另外，8 0 2 1 6 m 还要与现行的 8 0 2 1 6 e 兼容。 i e e e8 0 2 1 6 m 系统为基于高速移动下的宽带接入无线网络，其对于无线接入 的各方面性能指标要求也达到了一个新的高度。在8 0 2 1 6 m 系统中，希望达到的 目标为【3 6 】：1 ) 支持广播媒体业务；2 ) 提高数据速率；3 ) 提高频谱使用率与频 谱复用率；4 ) 灵活度与适应性；5 ) 与o f d m at d d 帧兼容。与此相对应的业 浙江大学硕j 二学位论文 务包括：个人业务中的移动网络、移动娱乐、移动游戏；商业业务中的移动办公 室、连锁管理。 i e e e8 0 2 1 6 m 中的系统要求为：1 ) 速率：对固定用户达到1 g b s ，对高速移 动用户峰值达到1 0 0 m b s ，且速率随频率使用度线性增加；2 ) 覆盖性：指定范 围内9 9 的覆盖率，对乡村地区主要使用多跳网络等扩展范围的技术手段，对城 市地区主要达到更高频谱利用率应用m i m o 、波束形成、干扰消除逃避等 技术；3 ) 灵活性：系统兼容不同的系统容量、不同的系统平台，降低r f 复杂 度，引入反馈；4 ) 布点考虑：对不同地区使用不同的布点规则与不同的布点距 离，并且使用不同的发射接收方法；5 ) 资源分配：针对上述问题，一种解决方 法是中继，另外，对于c e l l 边缘用户，考虑使用合作策略。 由于需要达到极高的数据传输率，高速移动下的高延时、多径、高误码率环 境与高的数据传输率就形成了一个最大的矛盾点。要同时满足这两点，必须要有 一个强有力的数据传输纠错、重传机制是。而重传机制本身又破坏了传输的连贯 性并降低了传输速率。因此如何最大幅度地提高在重传机制下的系统总吞吐量， 不仅具有潜在的理论价值，而且具有重要的现实意义。 1 2h a r q 技术概述 1 2 1 i t a r q 技术原理 如1 1 节所述，为了进一步满足用户需求，在高速移动环境中实现高速率、 低误包率的无线通信，关键要在链路层和物理层中使用差错控制技术以提高数据 传输速率、增大吞吐量、减少包错误率。目前，集前向纠错编码( f e c ) 和自动 重传请求( a r q ) 为一体的混合自动重传请求( h a r q ) 技术是最有效的差错控 制技术。 前向纠错编码( f e c ) 1 2 1 ：在发送前，对数据进行编码，添加一定量的冗余 信息；发送完成后，接收端对接收到的数据包进行解码，把信道中部分的错误纠 正。前向纠错编码包括线性分组码、循环码、卷积码、t u r b o 码等，使用时要根 据不同的信道选择适合的编码方式。 自动重传请求( a r q ) 1 3 9 1 ：在发送端添加发送缓存模块，把需要发送的包 存于缓存区；接收端对接收到的包进行检验，若正确，向发送端反馈a c k 包， 发送端接收到a c k 包后，丢弃缓存，继续进行后面的发送；若有错，向发送端 反馈n a c k 包，发送端接收到后，从缓存区中取出错误包，重新进行发送，直 至收到a c k 反馈包或者发送次数超过最大重传次数。 f e c 与a r q 的实质为分别从频率分集与时间分集两个角度的冗余来实现错 2 浙江人学硕士学位论文 误的纠正。h a r q 技术把两者结合在一起，得到新的纠错能力。它不仅减小了 f e c 中不必要的丌销，而且相对a r q 又能够获得更高的吞吐量，被广泛应用于 非实时数据业务中。 混合自动重传技术( h a r q ) 【3 ，3 0 3 9 , 4 0 l ：对数据包进行前向纠错编码和缓存后 发送；接收端对数据包解码、缓存、校验。若校验结果正确，往发送端反馈a c k 包；若解码后仍不能纠正包里所有错误，即包解码校验结果仍为错误，则将包在 缓存于接收端，并向发送端反馈n a c k 包。发送端若收到n a c k 包且重传次数 在最大重传次数范围内，则从缓存中重传该包。接收端接收到重传包，将其与缓 存中原有包进行合并，再对结果进行校验。 h a r q 并非f e c 与a r q 的简单叠加。h a r q 中的包合并技术使接收信噪比 不仅仅由一次发送所决定，而变成累次接收信噪比之和，这就使包的单次接收正 确率随前面经历过的重传次数的上升而单调上升。此外，作为物理层的重要技术， h a r q 还可以与各种其他技术结合，包括a m c 、功率分配、自适应子载波分配、 m i m o 4 1 】等。 自适应调制编码技术( a m c ，a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g ) 9 , 1 0 , 1 3 , 1 4 】：由 于无线信道的时变性，不同数据包所经历的信道是不一样的。a m c 技术的基本 原理是在信道预知的情况下，给信噪比高的信道分配高的调制比特数与高的编码 速率，提高频谱效率与吞吐量，在额定时间内，传输更多的数据；给信噪比低的 信道分配低的调制比特数与低的编码速率，提高数据包发送成功率。 功率分配【1 5 1 ：信噪比是决定一个数据是否能发送成功的关键。信道增益随时 间的不同而不同，提高信噪比的重要方法是提高发送功率。根据o f d m 原理， 在频域得到安插好数据以后，通过i f f t 转为时域，把功率分配值与时域波形相 乘，即发送更高幅度的波形。接收端直接把接收到的数据流转化回频域，继续进 行后续步骤。通过功率分配，发送方能够在信道增益低的时候，给予功率的补偿， 提高信噪比，从而提高包发送成功率。 正交频分复用( o f d m ，o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 3 2 , 3 3 , 3 4 , 3 5 】： o f d m 是未来无线通信中关键技术。其原理是通过串并变换将高速码流分在不 同的正交子载波上并行传输。接收端通过相乘积分把接收到的信息从各子载波上 分离出来。这种传输方式能够有效地对付频率选择性衰落以及符号间干扰，最大 限度地利用频谱。在4 g 时代中，o f d m 将起到更为重要的作用。 1 2 2 n a r q 国内外研究现状 长期以来，国内外对h a r q 的研究工作主要集中在三个方面，即重传协议、 重传编码策略和码合并技术【1 , 4 , 5 , 8 】。 浙江大学硕十学位论文 重传协议包括停等( s w ) 、退n 步( g b n ) 和选择重传( s r ) 三种。 停等( s w ，s t o pa n dw a i t ) 重传，为发送端发送一个数据包后，转到监听状 态，不再发包，直到收到接收端的反馈包或者超时，再进行重传；退n 步( g b n ， g ob a c kn s t e p s ) 重传，为发送端不停歇地发送数据包，接收端对收到的数据包 反馈a c k 或n a c k 包，若发送端收到某一个包的n a c k 反馈，则从该包开始 的包全部进行重发；选择( s r ，s e l e c t i v er e p e a t ) 重传，发送端与接收端分别使 用发送窗口与接收窗口进行发送与接收，并对数据包进行标识，接收窗口为发送 窗口的两倍以上；在发送窗口范围内，发送端不停歇地发送数据包，接收端每接 收发送窗口数目的数据包就给出一个反馈，若为a c k ，则发送窗口后移，继续 发送后面的数据包；若为n a c k ，则只重发发送窗口中标记的失败了的数据包即 可。 选择重传a r q 协议效率最高，但在具体实施时，s r a r q 协议存在存储需求 大、实现复杂等问题。s w - a r q 协议具有实现简单，所需缓存器少的优点。为 了在高速数据传输中利用s w - a r q 协议的优势，同时克服其效率较低的缺陷， m o t o r o l a 公司首先提出了双信道s w - a r q 协议来提高信道的利用率【2 9 。3 g p p 将采用n 信道s w - a r q 重传机制的h a r q 命名为快速h a r q ( f h a r q ，f a s t h a r q ) ，其缺省模式为双信道停等重传机制。双通道或n 通道s w - a r q 协议 的实质是通过两个或n 个a r q 通道复用停等a r q 协议改善s w - a r q 协议的信 道利用率。同时，多通道a r q 协议仍然保持了实现简单、所需缓存器少等优点。 w i m a x 中也将采用这种n 通道的s w - a r q 协议。 重传编码策略方面的研究主要集中在递增冗余发送机制上。文献【l 】提出了通 过穿孔调整编码码率的速率匹配穿孔卷积编码方案( r c p c ) ，并推广到t u r b o 码 中。随着编码策略的发展，h a r q 技术已经从最初的i 类h a r q 发展至i i i 类 h a r q 1 9 1 。i 类h a r q 接收端的错误数据将被丢弃，故每次重传被正确解码的概 率相同且比较低。i i 类h a r q 属于递增冗余a r q 方案，每次重传的数据块不是 首次所传数据的复制，而是增加的冗余信息，在接收端进行合并，降低了编码速 率从而提高了编码增益。i i i 类h a r q 也属于增量冗余方案，但与i i 类h a r q 不 同的是重传码字具有自解码能力。这类h a r q 可进一步分为c h a s e 合并和具有 多个冗余版本的i r 合并【4 5 】。 c h a s e 合并【5 】按照一定权重系数对接收错误包进行相加，所取得的效果相当 于把两次接收信噪比进行相加；i r 合并【1 6 】针对不同编码打孔方式进行，对不同 打孔方式构成的码进行冗余合并，从而使合并后的码率上升，信噪比增加。取 合并具有比较好的性能，但同时需要相对多的资源【1 7 j 。 码字合并技术是h a r q 中的一种时间分集技术。h a r q 出错重传的码字格 式将决定接收端所能采用的码合并方式。一般来说，分集合并与冗余合并是两类 4 浙江大学硕上学位论文 最基本的码合并技术。分集合并是一种在比特符号层次上的合并方法，而冗余 合并方案则是一种在码字层次上的合并方案。在前一种合并方案中，多个有扰接 收码字将逐位进行合并，合并后码字码率与合并前码字码率相同；后一种合并方 案中，几个出错接收码字将通过级联或交织等方式生成一个新的合并编码分组， 且合并后码字码率比合并前码字码率低。 传统重传模式下，h a r q 发送参数不随信道情况的变动而变动。其缺点为： 低信噪比时误包率非常高，传输效率低下；而随着信噪比的增加，高信噪比时误 包率又非常低，以至于接近于无错，浪费了很多为减低差错率而协调的参数资源， 传输效率不能实现突破。 在后来的研究中，一些文献提出了基于h a r q 下的编码调制速率控制( a m c ， a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g ) 1 3 , 1 4 】与功率控制【15 1 。文献【1 3 l 通过仿真提出a m c 的最优m c s 门限值，指出反馈信道的误码率也需要考虑在内；文献【1 4 j 提出动态 控制子包数目与a m c h a r q 相结合的控制方式，并通过仿真给出这种控制方式 的最优门限值，文献【1 5 】研究一种与h a r q 相结合的功率软控制方法，利用每次 重传进行步进功率调度，逼近最优。此外，文献【9 】提出基于h a r q 的自适应交 织与星座重组，在信道慢衰落条件下更好地分配数据错误，方便解码纠错。 1 3资源分配概述 无线资源分配是m a c 层的重要模块之一。无线资源分配包括两类型：载波 分配【3 l 】、数据包调度【5 0 j 。 载波分配：通过信道估计可以计算出在频域内各个载波在一段时间内不同信 道上的信道增益。因此，对于多个用户，通过载波分配，给予不同的子载波，从 而能够获得更高的信道容量。在文献【3 l 】中详细论述了在不同的业务需求下的子 载波分配策略，综合兼顾到公平性和效率。 数据包调度：信道除了频域上的选择性衰落之外，同时具有时域上的选择性 衰落。不同的包在不同的时隙上会经历不同的信道增益。因此，对于发送接收 端队列的调度算法，同样能取得提高信道容量、降低数据包延迟的效果。 1 4本文研究工作与论文结构安排 i e e e8 0 2 1 6 e 协议规定了很多物理层技术，例如h a r q 、a m c 、a a s 、s t c 等。这些技术有效地提高了系统的容量。根据协议规定，物理层获取信道参数、 向m a c 层提供需要进一步处理的数据；同时，执行m a c 层的发送命令，将数 据处理后，向接收端发送数据包( 或重传的数据包) 。由于h a r q 地位的特殊性， 浙江大学硕士学位论文 物理层所获取的参数可以同时参与改进高层的数据统筹( 包括m a c 层甚至更高 层) ，这将把系统吞吐量进一步提高到另一个高峰。 论文工作以i e e e8 0 2 1 6 m 系统为改进目标，提出改进的跨层h a r q 机制设 计，其中包括h a r q 的传输机制优化，编码速率、调制比特数、子包长度、最 大重传次数、每次发送功率的联合优化控制，h a r q 的包队列优化约束，h a r q 与包调度的联合设计。由于i e e e8 0 2 1 6 m 协议还处于草案阶段，很多的技术尚 未成型，而8 0 2 1 6 m 系统需要对8 0 2 1 6 e 系统相兼容，因此，论文工作将以8 0 2 1 6 e 系统为基础，从理论上提出由8 0 2 1 6 e 到8 0 2 1 6 m 的改进，并采用实际仿真对理 论验证。 1 4 1 课题创新点 在目前的研究中，都是针对h a r q 具体机制基于仿真结果提出的改进，而并 未针对h a r q 的各种影响因素来最大化传输速率的情况。另外，现有研究中涉 及的最优化的可控参数均为有限的一两个，而实际发送中的可控参数有很多，它 们对于系统吞吐量有着不同的影响，并且它们之间也相互影响，系统的最优化不 一定是个别参数的最优化。论文工作将着力研究在调制比特数、编码速率、功率、 子包长度、最大重传次数可控情况下的系统吞吐量优化问题，在可实现的范围内， 给出一种多因素联合调节方法。 另一方面，目前的研究中，对于跨层设计的涉及很少，很多的设计只涉及到 跨层设计的一两个参数，而真正的把m a c 层与物理层结合起来进行优化设计的 几乎没有。论文的第二个研究入手点是利用排队论的方法，研究重传与合并在队 列中所带来的影响，并且给出在此影响下要达到一定的系统目标的参数计算。 最后，本文提出把h a r q 与队列调度相结合的参数控制方法与队列调度方法， 实现真正的跨层设计。 1 4 2 关键技术指标 在h a r q 系统设计中，系统频谱效率是最重要的技术指标。此外，系统误包 率( 丢包率) 、系统延时也是重要的技术指标。系统误包率与业务类型有非常密 切的关系，实时处理业务( 无线语音、视频、在线游戏等) 对系统延时( 重传次 数、每次传输的子包长度) 要求很高，而对系统误包率有一定的容忍限度；非实 时处理业务( 文件、邮件传输) 对系统误包率要求很高，而对系统延时有一定的 容忍限度。 系统发送参数有很多，包括有：用户数、每个用户分配的资源、发送子包长 6 浙江大学硕士学位论文 度、调制方式、编码速率、最大重传次数、每次发送的功率等。这些参数从不同 的方面影响着系统吞吐量。本文的目标是在这些可控参数中寻求联合的优化方 式，以实现一定业务要求下的系统吞吐量或频谱效率的最大化。 1 4 3 研究思路与结构安排 本文的研究思路与结构安排如下： 全文共分六章。第一章为绪论，介绍了i e e e8 0 2 1 6 e 与i e e e8 0 2 1 6 m 的协 议体系，对后文中会用到的关键技术的实现进行了介绍，并且介绍本文研究的必 要性、切入点以及创新性。 第二章，基于对i e e e8 0 2 1 6 e 协议兼容的情况下，搭建起h a r q 系统，根 据i e e e8 0 2 1 6 e 的m a c 层及物理层对各模块的规定，分析其中各模块以及模块 所运用的算法。详细介绍不同调制比特数、编码速率对于系统的不同作用。这章 是全文的系统平台基础，后面的算法是基于这章之上搭建起来的。 第三章，对第二章进行理论归纳，得出在h a r q 系统下的频谱效率表达式。 对各参数进行理论分析，从理论上论述各参数对于系统总吞吐量及频谱效率的影 响。给出h a r q 系统之下，功率、误包率约束条件与普通系统下约束条件的不 同。同时给出一种结合功率分配在内的次优化多参数联合控制，以及不作功率分 配的最优化联合控制方法。在理论仿真与实际仿真的结合对比下，验证这些联合 优化方式的正确性。 第四章，基于第三章的多参数联合控制方法，研究h a r q 系统在多个包情况 下的排队情况。从排队论的角度入手，得到一定信道状况、一定到达率与到达方 式下，h a r q 系统的发送端丢包率与信道误包率公式。根据第三章的结论，得到 一种系统包总错误率( 发送端丢包率与信道误包率之和) 受限下最大化频谱效率 的方法，