（通信与信息系统专业论文）中继通信模型下基于码合并的协作arq技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 为了对抗无线信道的衰落特性，各种分集技术在近年来受到广泛关注。协 作分集技术通过中继节点协助源节点发送数据，提高数据传输的可靠性。在此 基础上，接收端进行码合并，迸一步为系统带来了额外的时间分集增益。因此 研究中继模型下的带码合并协作a r q 协议具有重要的理论价值和研究意义。 论文首先对放大转发( a f a m p l i f ya n df o r w a r d ) 中继、译码转发( d f ， d e c o d ea n df o r w a r d ) 中继通信模型进行分析，并对协作a r q 技术以及码合并 技术基本原理进行讨论得到了适用于不同协作a r q 协议的码合并技术。接着 论文在两种中继模型下对带码合并的i 类协作a r q 以及d f 中继下带码合并的 i i i 类协作a r q 协议进行了性能分析。研究结果表明，码合并的引入可以增加 系统的分集阶数，增加的系数与合并的编码分组数相关。随后文章讨论了中继 位置对协作a r q 系统性能的影响，在d f 中继下低信噪比时宜选择位于中间 位置的中继节点，高信噪比时，宣选择离目的节点更近的中继节点；对于a f 中继下的带码合并的协作a r q 系统来说，离源节点更近的中继节点往往可以 获得更好的性能。最后我们分析了多中继下带码合并的协作a r q 系统性能， 在d f 中继下多一个中继参与传输的系统性能约等价于在单中继时系统多传输 一次的性能。而在a f 中继下，低信噪比时，中继数目的增多反而引起系统性 能的下降；高信噪比时，中继数目的增多可以给系统带来性能的提升。因此， 我们可以根据具体的信道条件来选择参与传输的中继数目。 关键词：协作分集；码合并；中继通信；自动请求重传。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t i no r d e ft oc o u n t e r a c tt h ef a d i n go fw i r e l e s sc h 砚n e l ， av 撕e t yo fd i v e r s i t y t e c h n i q u e sh a v er e c e i v e dg r e a ta t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r s c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y i m p r o v e st h er e l ia _ b i l i t yo fd a t at r a n s m i s s i o nb yt h ew a yo fr e l a yn o d e sa s s i s t i n g d a t at r a n m i s s i o no fs o u r c en o d e o na b o v eb a s i s ，t h es y s t e mg e t se x t r ae x t r at i m e d i v e r s i t yg a i nw i t hc o d ec o m b i n i n ga tt h ed e s t i n a t i o n t h e r e f o r e ，i th a sg r e a t t h e o r e t i c 柚dr e s e a r c hv a l u et or e s e a r c ho nc o o p e r a t i v ea r qw i t hc o d ec o m b i n i n g i nr e l a yc o m m u n i c a t i o nm o d e f i r s t l y ；t h ea m p l l i f i e d a n d f o r w a r da n dd e c o d e a n d f o r w a r dr e l a ym o d e li s 札a l y z e d w i t ht h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l ed i s c u s s i o no fc o o p e r a t i v ea r qa n dc o d e c o m b i n i n g ，w eo b t a i nt h ec o d ec o m b i n i n gt e c h n i q u e sf o rd i f 诧r e n ta r q p r o t o c 0 1 s t h e n ，t h ep e r f - 0 m a n c eo ft y p eic o o p e r a t i v ca r qw i t hc o d ec o m b i n i n gi nd fa n d a f r e l a yc o m m u n i c a t i o n sa n dt y p ei i ic o o p e r a t i v e a r qi n d fr e l a y c o m m u n i c a t i o n sa r ea n a l y z e d t h er e s u l t so ft h es t u d ys h o wt h a tt h ei n t r o d u c t i o d ： o fc o d ec o m b i n i n gb r i n g sa ni n c r e a s ei nd i v e r s i t yo r d e ra n di n c r e a s e dc o e f h c i e n t i sr e l e v a n tt oc o d ec l u s t e rn u m b e r w i t hs t u d yo f r e l a yl o c a t i o n si n n u e n c et oa r q s y s t e mp e r f o m a n c e ， w eo b t a i nb e l o wp r i n c i p l e s ，t h em i d d l er e l a ys h o u l db e c h o o s e ni nd fr e l a yc o m m u n i c a i t i o n sw i t hl o ws n ra n dt h er e l a yc l o s e rt o d e s t i n a t i o nn o d es h o u l db ec h o o s e n ；c o o p e r a t i v ea r qs y s t e mw i t ha f r e l a yc a n o b t a i nb e t t e rp e r f b r m 觚c eb yc h o o s i n gr e l a yc l o s e rt os o u r c en o d e a t1 a s t ，t h e p e r f o m a n c eo fc o o p e r a t i v ea r qs y s t e mw i t hc o d ec o m b i n i n gi nm u l t i r e l a y c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ni sa n a l y z e d i nd fr e l a y c o m m u n i c a t i o n s ，s y s t e m p e r f o m a n c ew i t ho n em o r er e l a yi se q u i v a l e n tt os y s t e mp e r f o m a n c ew i t ho n c m o r er e t r a n s m i s s i o ni n s i n 9 1 e - r e l a y w h i l ei na fr e l a yc o m m u n i c a i t i o n st h e s y s t e mp e r f o m a n c ew i l lb ed e c r e a s e da tl o ws n ra n di m p r o v e da th i g hs n rw i t h r e l a yn u m b e ri n c r e a s i n g t h e r e f o r e ，w ec 勰 s e l e c tt r a n s m i s s i o nr e l a yn u m b e r a c c o r d i n gt ot h es p e c i f i cc h a n n e lc o n d i t i o n s k e yw o r d s ：c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ， c o d ec o m b i n i n g ， r e l a yc o m m u n i c a t i o n ， a u t o r 印e a t r e q u e s t ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页、 量量曼量皇皇置置量量舅量罾曼量鲁皇量皇蔓曼曼皇蔓量蔓皇皇曼量舅曼皇曼詈量曼曼璺曼曼曼! 葛量置曼皇鼍曼皇曼皇皇量鲁皇曼鼍寡鼍曼皇皇曼鼍曼曼曼蔓皇皇葛 第1 章绪论 一1 1 协作a r q 协议研究概述 在下一代无线通信网络中，人们对通信质量有更高的需求。然而在无线通 信传输过程中，由于无线衰落信道的衰落特性，往往难以保证信号可靠的传输。 近几年提出的多输入多输出( m i m o ，m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 技术虽 然可以极大地改善无线信道的通信质量【1 】【2 】【3 儿4 1 ，然而，对于很多价格低廉，体 积小巧的设备( 例如无线传感器节点) ，装备多个天线是很困难的。若将处于 一个区域内彼此邻近的多个节点联合起来，形成一个虚拟的m i m o 阵列，就 能够获得类似于传统m i m o 系统的传输效果，这便是s e n d o n a r i s 等人所提出 的协作分集技术的基本思想【5 】【6 1 。在协作通信中，每个用户不仅发送数据，同 时也接收来自其它用户的数据，协助其将数据发送至目的端。 对于无线网络通信环境，无线传播的一个显著特点便是它的广播特性【7 1 。 也就是说源节点在发送数据的时候，不仅目的节点可以接收到数据，其它在信 号接收范围内的邻节点也可以接收到数据。在传统的a r q 协议中，邻节点在 接收到不是自己的数据时往往是直接丢弃，而在协作通信环境下邻节点将这些 数据保留，直到监听到目的节点已成功接收数据为止，否则将协助源节点进行 重传，这便是协作a r q ( c o o p e r a t i v ea r q ) 。邻节点参与传输不仅提高了源节 点到目的节点的信道容量，也提高了源节点和目的节点之间的通信质量【8 】。因 此协作a r q 具有非常广阔的应用前景，可应用于蜂窝移动通信系统、无线a d h o c 网络、无线m e s h 网络、无线局域网以及无线传感器等多种场合。 近年来，围绕协作a r q 的协议设计与性能分析成为了协作通信技术中的 一大研究热点。c e n l t t i 等人通过延时分析模型【9 1 ，分析和比较了协作a r q 与 非协作a r q 系统性能，其研究结果表明，任意情况下协作a r q 性能均优于非 协作的的a r q 系统性能。z h a o 和v a l e n t i 对三种c a r q 协议进行了理论分析 【1 0 】。d i a n a t i 采用两状态的马尔科夫链建立信道衰落模型，并通过仿真分析了 停等协作a r q 在a d h o c 网络中的吞吐率以及延时等性能【1 1 】【1 2 】。李屹针对 d i a n a t i 所提出的协议进行了改进，避免了应答混乱，协作扩散等一系列问题 【13 1 。而在协作通信环境下，翁灵凡等讨论了协作a r q 协议设计问题【1 4 1 。余 官定等讨论了中继节点到目的节点之间信道状况对协作a r q 协议性能的影 响：当该信道的质量达到一定值时，协作a r q 相比于h a r q ( h a r q ，h y b r i d 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ) 能获得更好的性能【”j 。p o r 锄a t et a r a s a k f e 讨论了 在对称信道下，采用穿孔卷积编码r c p c ( r a t ec o m p a t i b l ep u n c t u r e d c o n v o l u t i o n a l ) 协作a r q 相比于未协作的a r q 系统性能有了明显的提升，而 且即便在低信噪比的情况下，也可以获得很好的吞吐率【l 6 1 。 1 2 码合并技术研究概述 出错重传是a r q 系统的一个基本特征，而往往接收端在译码失败后，直 接将出错的数据丢弃，但是该数据中仍然包含了有用信息。因此为了充分利用 该有用信息，我们在接收端采用码合并技术。通过码合并技术可以有效改进数 据传输的可靠性、减少出错重传次数、提升系统传输效率【1 7 】【1 8 】【1 9 1 。这也是协 作a r q 协议需要研究的一个关键问题。码合并技术最早由c h a s e 等人在1 9 8 4 年提出，其通过对多次数据的合并得到一个速率较低的码字，从而得到可靠的 传输【l7 1 。之后，陈庆春等人详细的分析了在高斯以及平坦瑞利衰落信道下带码 合并的h a r q ( 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 ) 的性能2 0 】【2 1 】【2 2 1 ，其 主要结果有：得出了在异步c d m a 系统中合并后的推广信干比改进系数为合 并的码字数目；在衰落环境下码合并对系统性能带来的改进大约等于合并的码 字数目；给出了采用r c p c 码字进行合并后系统的分析方法。张庆庆等人研究 了带码合并的i i 类h a r q 系统性能，在该文中，提出了一种选择合并的方式， 即为在接收端任意的对源端第一次发送的数据与重传数据的任意一组或者几 组数据相合并【2 3 1 。虽然对带码合并的h a r q 协议有了较多的分析，然而目前 针对于协作a r q 协议的研究还较少。j u l i 矗n 提出了一种基于最大比帧合并的 协作a r q 【2 4 1 ，通过在接收端采用最大比帧合并，系统的效率可以提升8 倍左 右，特别在信道条件为l o s 情景下，带帧合并的协作a r q 达到最大效率相比 于传统a r q 。徐文波等人分析了在n a k a g 锄i 衰落信道条件下，采用译码转发 策略的协作a r q 协议中目的节点进行等增益码合并的协作a r q 性能，并指出 了在传输次数为4 的时候系统达到最大吞吐率【驺j 。而i n h y ep a r k 利用r c p c 码 进一步分析了在无线通信环境中采用码合并可以极大地提高系统性能，并且指 出了源节点到中继节点之间的链路质量对系统性能起着极大的影响作用【2 6 1 。此 外，在协作通信中也有一些关于码合并的研究，主要有s e n d o n a r i s 在d f 中继 下采用r - m r c ( m a x i m a l r a t i oc o m b i n e r ) 次优算法，其核心思想是如果发现 某一个支路的信道较差，在合并的时候将该支路乘以一个小于1 的加权系数r ， 这样就减小了在中继发生错误下对接收端的判决影响【6 】。然而，该文并没有对 如何获取最优的r 值进行分析。t w a n g 假设接收端能够获得s r 信道的瞬时 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 s n r ，提出了一种新的c m r c 的改进检测算法，其本质是对r m r c 算法中的 最优合并权值r 进行了研究，得出最优r 值【2 7 1 。 1 3 论文研究思路、主要研究内容和主要结论 从前面的分析来看，目前针对带码合并的协作a r q 系统的研究还比较少， 故本文在放大转发以及译码转发中继通信模型基础的基础上，着重研究了在接 收端采用码合并后的协作a r q 系统的性能： 1 论文首先介绍了中继通信模型，对比分析了放大转发中继以及译码转发中 继通信模型各自的优缺点；紧接着分析了协作a r q 技术以及码合并技术的 基本原理，通过分析我们得到了适用于不同协作a r q 的码合并技术。 2 论文在译码转发中继以及放大转发中继下对带码合并的i 类协作a r q 协议 进行了性能分析，并在译码转发中继下对带码合并的i i i 类协作a r q 系统 进行了性能分析。研究结果表明，由于码合并的引入，协作a r q 系统性能 可以得到大幅的提升，中继数目的增加也能大幅度提升协作a r q 性能。 3 论文分析了中继位于不同位置下对带码合并的协作a r q 系统性能的影响。 研究结果表明，对于采用译码转发策略带码合并的协作a r q 系统来说，在 低信噪比条件下宜选择位于中间位置的中继节点，而在高信噪比时，宜选 择离目的节点更近的中继节点。对于放大转发中继下的带码合并的协作 a r q 系统来说，宣选择离源节点更近的中继节点。 4 论文分析了协作a r q 最大传输次数设置对协作a r q 性能的影响。研究结 果表明：合理地设置最大传输次数能更好地实现协作a r q 协议可靠性能和 吞吐率性能的合理折中。 1 4 论文组织安排 全文共分四章，内容如下： 第2 章，我们首先分析了本文采用的中继通信模型，对不同的中继转发策 略进行了分析。接着对协作a r q 技术原理进行了分析，依据其重传内容、重 传方式可以对协作a r q 进行不同的分类并对其分别进行了分析。最后，在此 基础上，根据不同码合并技术的基本原理，给出了适合不同中继模型以及不同 协作a r q 协议的码合并技术。 第3 章，以第2 章提出的译码转发中继通信模型为基础，以分集合并为中心， 讨论了带码合并的i 类协作a r q 系统的性能。我们首先推导了在a w g n 信道下 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 合并后的信噪比。然后在平坦瑞利衰落信道下，对带码合并的系统性能进行了 分析。接着在放大转发中继下，在无直传链路的情况下对带码合并的系统性能 进行了分析。最后在两种中继通信模型下分别探讨了中继位置对系统性能的影 响以及在多个中继下，中继数目的选择。 第4 章，在译码转发中继通信模型下，对所有的接收端均采用复合码合并。 在此基础上，我们给出了带码合并的i i i 类协作a r q 系统性能的分析方法。最后 讨论了中继位置对系统性能的影响以及多中继情况下中继数目的选择。 第5 章，我们对本文进行了总结，并给出了研究中所存在的不足以及未来 可研究的方向等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章中继通信模型与协作a r q 协议原理 本章首先分析了协作a r q 协议的主要应用模型一一中继通信模型，包括放 大转发中继以及译码转发中继下的通信模型基本原理。然后分别讨论了不同协 作a r q 协议的基本原理以及不同的码合并技术原理。在此基础上，给出了适合 予不同中继模型以及不同协作a r q 协议的码合并技术。 2 1 中继通信模型 最早的协作通信即来源于中继信道的概念2 8 1 。早在7 0 年代，m c o v e r 就使 用信息论的方法研究了s ( 源) r ( 中继) d ( 目的) 在高斯信道下的中继信 道容量【2 9 1 。而中继技术已成为下一代无线通信的关键技术之一【3 0 】【3 1 儿3 2 1 。最简 单的中继模型为只有一个中继节点，我们称之为s r d 模型。本节就针对s r d 模型中，分别讨论了放大转发中继、译码转发中继等通信模型3 3 1 。 2 1 1 放大转发中继通信模型 如图2 1 所示，设源节点到中继节点、中继节点到目的节点以及源节点到 目的节点之间的信道为正交信道。源节点s 在第一时隙广播信号，设源采用 b p s k 调制，发送信号的平均功率为e ，第f 次发送的数据为位码字符号 毛= ，# 一1 ，+ 1 ) ，= l ，。则对应中继节点的接收信号为： 一= 0 弦j # + 彰 ( 2 - 1 ) 其中g o j 为源节点到中继节点之间的信道衰落系数，衫为均值为o ，方差为的 高斯白噪声。 目的节点接收到的信号为： 一= a h i y + 峨 = 彳噍( ：i 磊，彩+ 衫) + 衫 ( 2 2 ) = a 、| 巨h 。g 。+ a h 州+ 毽 鸟为中继节点到目的节点之间的信道衰落系数，彳为中继放大系数。从上式可 以看出中继接收到的信号包含了噪声，在对信号进行放大的同时也对噪声进行 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 图2 - l 放大转发中继通信模型 了放大。式中放大系数彳又分为固定增益中继式( 2 3 ) 以及变化增益中继式 ( 2 4 ) 【3 4 】【35 】 4 = 4 = ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 其中乓为中继节点发送功率，q o 为源到中继链路衰落的平均功率。式( 2 4 ) 中的放大系数4 需要知道瞬时衰落值岛，而式( 2 3 ) 中鸣仅需要知道信道的 平均衰落功率值q o 。由于固定增益中继分析起来较为简单，故本文采用固定 增益中继。 2 1 2 译码转发中继 译码转发中继可以避免中继节点对收到的噪声也进行放大。中继节点对接 收到的信号首先进行译码，然后将译码后的数据再编码发送出去。如图2 2 所 示，若中继节点可以正确译码，那么中继节点发送的码字将与源节点发送的码 字相同。 然而当源到中继之间处于深衰落时，有可能中继对接收到的码字不能正确 译码，此时会导致转发给目的节点的信号也是错误的，带来错误的传播【3 们。但 是此时若让中继译码后先做一个判断，译码正确则转发送信号，错误则不转发， 此时就可以很好地避免错误传播。 早先的研究认为，a f 模式不需要对信号进行解码，似乎比较容易实现； 然而如果考虑到现在很多的设备都是半双工的，设备不能同时接收和发送，这 样，a f 模式需要对模拟信号进行存储，即使在技术上可以实现，也意味着需 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 译码转发 图2 2 译码转发中继通信模型 要额外的硬件来支持；而d f 模式正好与现有的无线数字通信设备兼容。然而， d f 也有其缺点，首先对数据解码意味着需要额外的延时；其次，中继节点要 完成译码以及编码，在中继节点处需要一个完整的码字表。根据以上分析，我 们在表2 1 中可以对比得到放大转发中继和译码转发中继的优缺点【3 7 】： 表2 1 不同中继对比 中继复杂度 中继处延时中继处噪声中继节点开销 放大转发中继 低低引入加性噪声无 ( a f ) 译码转发中继 高高基本可以消除完整的码字表 ( d f ) 2 2 协作a r q 协议基本原理 由于中继节点的引入，在数据重传时，源节点和中继节点均可以进行重传。 故对于协作a r q 来说，目的节点只要在源或者中继有一个发送成功时即成功完 成数据传输，也就是说目的节点译码是否成功取决于源到目的之间的信道或者 中继到目的之间的信道。而相对于h a r q 来说，由于只有源节点进行重传，因 此目的节点接收是否成功，完全取决于源节点到目的节点之间的信道。若当源 节点到目的节点的信道一直处于深衰落，而旁边的中继到目的之间信道较好则 此时采用h a r q 协议的效率将远远低于协作a r q 协议。 考虑t d m a 系统，时间被分为一个个的时隙。在每个时隙中，节点可以发 送一个数据帧或者接收确认帧( 在本文中我们假设确认帧总可以正确接收) 。 则在中继节点协作源节点通信时存在如下图中的几个情况： 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 s 1 0 t1 s 1 0 t2 sd 只 s d r i i i i 一 一! 两j ! * i j 。 i 阳- i 。 i 河! 一 ：一j 一 ! 一i 一 一f - f 一：厂_ f 1 一 一! 一j 一； 一：l ；i ； ：1 ；j - 也目的节点成功地接收到源节点发送的数据帧 b d 在r 的帮助下正确接收到数据帧 s 1 0 tl s l o t2 s d r s d r ：一j 一了 一 ! 一j j 一 f f 一： f 一f 一一 一：一j 一1 一：一j 一；7 一j 一一 c d 在r 的帮助下仍然不能正确接收数据帧 ：一l 一； 一 ! 一j j 一 ：一j 一；一 一：* i 1：i _ ；一 d 超时处理、 图2 - 3 协作a r q 工作流程图 a ：源节点s 发送数据被目的节点d 成功接收。源节点s 在第一时隙传输第f 帧，d 接收到以后译码成功回传确认消息a c k ( a c k n o w l e d g e m e n t ) 要求发送 下一帧。在下一时隙中，源节点s 发送第f + 1 帧数据。 b ：在中继节点r 重传数据后目的节点d 接收成功。目的节点d 在第一时隙 接收到源节点s 传输的第f 帧后，未能正确译码，因此反馈否定应答消息n a c k ( n e g a t i v e a c k n o w l e d g e m e n t ) 要求重传第f 帧。此时中继r 代替源节点重传第f 帧，目的节点d 接收成功并且反馈确认应答消息a c k 要求重传第f + 1 帧。 c ；中继节点r 重传数据后，目的节点d 也不能正确译码。在第一时隙目的 节点d 接收到来自源节点s 传输的数据，译码失败，发送消息n a c k 请求重传。 中继节点r 收到该重传请求后，发送第f 帧。目的节点d 接收后仍然不能正确译 码，因此再次发送消息n a c k 请求重传第f 帧。 d ：超时。由于源节点与中继节点未能接收到目的节点的反馈确认帧，此 时为了避免死锁的情况，作为超时处理，源节点重复发送本帧。 可见，协作a r q 的基本原理即是在传统的a r q 协议上增加了中继节点在出 错时的对目的节点进行重传响应。为了防止出现在传输过程中，由于目的节点 对其中一帧一直未能正确译码，而导致源节点或者中继节点直重传本帧的情 况，可以设定一个最大的重传次数f 。即当目的节点可以正确译码或者重传次 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 数达到最大传输次数f 时，即停止发送本帧。 协作a r q 根据重传方式可分为三种重传协议：选择重传( s e l e c t i v ea n d r e p e a t ) a r q 、退回n 帧( g ob a c k - ns t e p s ) a r q 、停等( s t o p 缸dw a i t ) a r q 【3 8 】。 选择重传：即发送端连续发送数据帧，并根据接收端反馈回来的a c k 小a c k 消息，重传对应反馈应答消息为n a c k 的数据帧。退回n 帧a r q 在发送一定数 量数据帧以后，若在第f 帧接收到了n a c k ，则重传第f 帧以及其后的n 个数据 帧，这样可能导致接收端接收成功的数据帧被重复发送。停等a r q ：即为发送 端发送一数据帧以后，则停下来直到接收到目的节点的反馈，若反馈为a c k 则 发送下一数据帧；否则发送端将继续发送本数据帧。三种协议中，虽然选择重 传a r q 协议效率较高，但是其在接收端需要较大的存储空间以完成乱序接收数 据重排：而退回n 帧a r q 效率最低，往往还可能导致已经被正确接收的数据帧 被重复发送后而译码错误；停等a r q 协议实现最为简单，且缓存器需求少。所 以本文默认采用停等a r q 协议。 h a r q 协议根据重传的内容，分为i 类、i i 类以及i i i 类h a r q0 3 引。相对应的 可将协作a r q 分为3 种，如图2 4 所示： r 厂 i 1 o r i g i n a l r e d u n d a n c y |i 曼a r ? = 二二二二二= ：二二二二= lt 珂叫il 0 r i g i n a l i r e d u n d a n c y j r 图2 - 4 不同协作a r q 重传内容示意图 在i 类协作a r q 中，发送端每一次发送的编码分组完全一样，故其码率固 定不变。而在i i 类以及i i i 类协作a r q 中，采用递增冗余重传策略，我们可以根 据信道条件来选择不同的码率进行传输，但也因此会造成重传更为复杂。i i 类 相对于i i i 类协作a r q 不同的是，i i 类协作a r q 每次只重传相对于上一次额外增 加的比特，故其必须结合第一次发送的码字才能完成解码。而i i i 类协作a r q 在传输时，会对本次编码后的冗余部分全部进行传输，故其可以自己完成解码， 厂，、，【 q mr 抢 崩窭：幽耐 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 即满足自解码特性。 2 3 码合并技术基本原理 作为a r q 系统的一个基本特征，发送端通过出错重传来应对数据传输过 程中的错误，为了充分利用这些出错重传信息，可以采用码合并技术以进一步 改进a r q 系统性能。而码合并本质上来说就是一种获取时间分集的有效技术 【2 0 1 。特别是在协作a r q 中，由于中继节点可以参与到出错重传中，所以协作 a r q 中的码合并技术的应用不仅可以带来时间分集增益，还可以带来额外的空 间分集增益。根据合并的方式，我们可以分为分集合并以及冗余合并。两者的 区别在于：分集合并是一种在符号或者比特上进行的合并，而冗余合并是一种 基于在码字层次上的合并【2 0 1 。 分集合并即是对接收到的多份数据所对应的符号进行一定的处理。在文献 【”】中给出了平均分集合并的分析方法：令 = ( 霹n ，x ：；) 表示第f 次发送端 传输的数据， y ( = ( y ：n ，硝，蛾) 表示第f 次接受端接收到的数据， 弓n = ( - 但) ，砭，带) 表示合并，”，矿，矿d 后的数据。一个长度为尼的信息数 据在发送前，首先对其进行检错编码，再进行纠错编码转换成长度为的信道 分组编码。第一次传输为x ( 1 ) ，接收到的为y ( 1 ) ，对其进行判断是否正确，若正 确则要求发送新数据；错误则源发送x ( 2 ) ，接收端首先对】，( 2 进行判断，若正 确则发送新数据；错误则合并生成弓( 2 ) 并对进行判断，正确则发送新数据；错 误则要求重传。依次类推，直到传输成功或者重传次数达到最大重传次数。假 设在接收到正确译码时，接收端接收到了工个源发送的数据，则此时： 1 三 一纠= 二 y ( 2 5 ) 。 上葛- 、。 其中y 【f = + 刀? ，x ，= 1 ，刀，是方差为砰的高斯噪声。若我们设对应每个疗? 的方差都为万2 ，则刁q 的方差就为万2 五，= l 。由于该合并是将每个比特逐 位相加再除以相对应累加的个数，故称之为平均分集合并。然而在该文中，每 一次接收到的数据帧均先进行译码判断再进行合并，这样实现起来较为复杂， 而且这种对译码后的数据进行合并，对系统性能的改善并不可观。文献【4 0 】【4 1 ”2 】 提出对接收到的码字直接进行合并，然后再译码，这样做不仅让接收端实现简 单，而且对系统的性能改善更好。因此本文的分集合并均采用后一种方式。 冗余合并即为在码字上进行级联或者交织【2 0 1 。我们知道，当数据传输速率 低于信道容量时，则可以进行可靠传输，而通过合并我们可以得到一个更低码 率的码字，从而达到可靠传输【1 7 】。我们采用i i 类协作a r q 为例，如下图2 5 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 所示，j 表示发送端需要发送的数据，长度为j i ，若我们采用r c p c ( r a t e c o m p a t i b l cp u n c t u r e dc o n v o l u t i o n a l ) 码进行编码得到签。第次我们以较高 码率尺传送给目的端，设接收到的码字为e 。若此时接收端不能正确译码， 则第二次传输相对于第一次传输的额外比特，此时接收端对两次的码字进行合 并后译码。若成功则发送下一组分组编码，否则依次类推直到目的端可以正确 译码。图2 5 即为接收端在接收到次数据后，通过合并可以正确译码。 基= x l c 一 - ，r w l ，r 土c。e h a p p i n 6 上c h a n n e l t 免a n s h i s s i 。n s f i r s tr e c e 工v e dp a c k e tw i t hw e i g h tw 1 l t hr e c e 工v e dp a c k e tw i t hw e i g h tw l c o d ec o h b i n e r 0 p e r a t l 0 n s0 nt h eh i n 工h u h n u h b e r0 fr e p e a t s r e q u i r e dt 00 b t a i n ar e l i a b l e e s t i m a t e0 fi 图2 5 冗余合并示意图 三一 e s t i m a t e0 f t h ei n f o r m a t i 洲 p a c k e t 根据前面对两种码合并技术基本原理的阐述可知，i 类协作a r q 每次重 传的编码分组一样，故其可以在接收端对每一符号进行相对应的合并，即可以 采用分集合并技术。而i i 类以及i i i 类协作a r q 由于采用递增冗余重传，故 可以对其在接收端进行码字层次上的合并，即可以采用冗余合并【l9 1 。但是由于 i i i 类协作a r q 满足自解码属性，因此亦可对其进行分集合并。对于放大转发 ，中继来说，中继只是简单的放大处理，中继并不能进行冗余重传，故在放大转 发中继通信模型下，仅适用于分集合并。而译码转发中继由于在中继会首先进 行译码判断，故其在中继处即可以重传与源数据相同的分组编码，亦可重传冗 余部分。因此在译码转发中继下，分集合并以及冗余合并均可使用。我们归纳 - h h 主 l r；p一 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 曼曼量量罾曼皇量曼皇曼量量曼量皇曼曼舅置量量鼍曼曼曼曼曼皇曼量曼曼量皇笪曼曼曼皇量量曼量舅皇皇量皇皇量皇量曼蔓曼曼曼曼量皇曼鼍曼鼍量曼置曼舅舅皇曼曼量曼皇曼曼曼量曼 如表2 2 以及表2 3 所示： 表2 2 不同协作a r q 合并方式选择 是否可以采户j 该合并方式 协作a r q 分集合并冗余合并 i 类协作a r q 是否 i i 类协作a r q 否是 i i i 类协作a r q 是是 表2 3 不同中继模式下合并方式选择 是否可以采用该合并方式 中继模式 分集合并冗余合并 放大转发中继 是否 译码转发中继 是是 其中“是”表示较适合的方式。 2 4 本章小结 本章首先介绍了本文使用的中继通信模型，分别讨论了在放大转发中继以 及译码转发中继通信模型中，中继所做的处理以及其优缺点；紧接着对协作 a r q 协议基本类型做了分析：在此基础上，根据不同的码合并基本原理，我 们讨论了在不同中继下以及不同协作a r q 所适用的码合并技术。 后续研究将在不同的中继通信模型下、不同的信道条件下具体讨论带码合 并的协作a r q 系统的性能。并在此基础上研究在多中继时，中继个数对系统 性能的影响，以及中继位置对系统性能的影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 第3 章带码合并的i 类协作a r q 性能分析 本章着重分析了在接收端采用码合并对协作a r q 协议性能所带来的改 进。首先分别讨论了在译码转发中继以及放大转发中继下采用码合并对协作 a r q 系统性能的影响，其次讨论了中继位置对带码合并协作a r q 系统性能的 影响；最后给出来在多中继下带码合并协作a r q 系统的性能。 3 1 译码转发中继下带码合并的i 类协作a r q 性能分析 在本节中，我们将详尽地分析在t d m a 系统中，基于码合并的i 类协作 a r q 系统性能。在i 类协作a r q 系统中，每次重传的编码分组与第一次所发 送的编码分组一样。在d f 中继下，中继对接收到的信号首先判断是否接收正 确，当正确接收时中继节点代替源节点进行重传，我们可以认为中继此时转发 的消息与源节点发送的编码分组一样，否则由源节点进行重传。事实上，在已 有的对i 类h a r q 研究中表明，在接收端采用码合并，可以增强编码分组的期 望信号，抑制环境噪声，从而有效地改进系统性能2 0 】【4 1 】【4 2 1 。在对i 类协作a r q 系统采用码合并后，可以提高系统吞吐率，并提高系统效能【2 0 1 。本节将在此基 础上，分析a w g n 以及r a y l e i 曲信道下的i 类协作a r q 系统性能分析，分析 中继位置对系统性能的影响，揭示了多中继条件下的系统性能。 3 1 1 槲g n 信道下带码合并的i 类协作a r q 协议性能分析 d f 中继下，中继节点与目的节点对接收到的信号首先进行码合并，再进 行译码。在对译码转发中继下的码合并i 类协作a r q 系统进行分析之前，有 必要对接收端接收到信号进行合并后的信噪比做一个分析，从而揭示码合并对 系统性能的影响。 a w g n 信道下信噪比分析 假设在每次传输过程中的信道条件保持不变，且每次传输之间的信道条件 相互独立。假设一帧数据长度为，每符号的传输功率为巨，若发送端发送 的数据为毛，则中继节点接收的第j f 个b i t 数据为： = 肛一+ 衫 ( 3 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 考虑同相位的码字合并，则当中继节点接收了f 次分组编码后，第歹个b i t 合并 为： = 壹或= 瓦圭# + 壹衫 ( 3 - 2 ) f = 1f = lf = l 彰服从均值为0 ，方差为n 2 的高斯白噪声。则上式中信噪比为： ，2 f，f 忸= l 兰= f = 2( 3 3 ) t n on o 则由上式可知，在中继节点处，合并后的数据的信号功率得到了加强( 与f z 成 正比) ：而噪声功率也得到了加强( 与f 成正比) 。但是信号功率明显比噪声功 率得到了更多的增加。而合并后的信噪比所增加的系数正好是单独一组数据信 噪比的f 倍，也就是说，合并多少组分组编码，就可以使得信噪比提高多少倍。 因此，在中继节点处加入码合并后的译码成功概率得到了提高。在d f 中继下 的协作a r q 系统中，我们假设一旦中继节点译码成功，则均由中继节点进行 重传，否则由源节点进行重传。当中继节点到目的节点的信道条件优于源到目 的节点的信道条件时，此时中继节点处采用码合并技术能增强中继节点的协助 作用，从而提高整个系统的吞吐率。 中继节点译码成功后，我们可以认为中继节点发送的编码分组与源节点发 送的编码分组一样。由上面的分析同理可知，若目的节点在收到厂组编码数据 后，则信噪比也增强了合并的支路数厂倍。 误帧率分析 ” 本文采用卷积编码，其f e p 公式为4 3 】： o 1 一( 1 一口( 办) 最( 办) ) 矗 ( 3 - 4 ) 口( 办) 为t e r b i 算法选择h a m m i n g 重量为办( 自由距离) 时的错误路径数目， 口为一个码字路径分支数。其中昱( d ，) 为卷积码成对错误概率： 昱( 办) = q ( 圻巧) ，q ( x ) = 去f p 。佗出 ( 3 5 ) y 为信道平均信噪比。从式( 3 - 4 ) 可以看出，通过对系统的成对错误概率分析 即可以得到一个具体的码字的误帧率。若我们采用对称信道，则在接收端合并 厂组分组编码后的误帧率为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 n 尸( 硝) m p 尸( d 5 ，) 其中尸( 硝) 表示接收端在合并z 次编码分组后译码失败。 吞吐率分析 。 系统吞吐率可以表示为： ，7 = r ( 1 一k ) 乃 ( 3 - 6 ) ( 3 - 7 ) 其中r 为码率，乃为一数据帧的平均传输次数： f z = 埠 一 n ( 3 8 ) = l 一昂( 1 ) + 厂昂( 厂一1 ) ( 1 一易( 厂) ) 】+ ，尼( ，一1 ) ，= 2 为验证带码合并的i 类协作a r q 系统在a w g n 信道下的性能，我们采用 1 2 率( 7 ，5 ) 卷积编码。原始数据长度为1 2 8 b i t ，并采用16 位的循环冗余校 验c r c 编码。我们首先仿真得出了系统在不同重传次数下的吞吐率。 e s n 0 睁4 d b ) 图3 1 带码合并与没有码合并的协作a r q 吞吐率对比 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 如图3 1 所示，在低信噪比时，带码合并的协作a r q 系统相较于没有合 并的系统在同等吞吐率时，信噪比差异大概为6 5 d b 左右。随着信噪比的增加， 其差异会越来越小。而在带码合并的系统中，当信噪比低于2 d b 时，传输次数 为4 或者5 最好；当信噪比增加时，传输次数在2 或者3 时最好。而在没有码 合并的系统中，由于我们所仿真的信道条件较差，多传输一次所带来的误帧率 的改善并不是特别明显，因此传输次数越小时，系统的吞吐率越大。因此在 实际应用中，我们可以根据信道状况来选择传输次数。 图3 2 带码合并的与没有码合并的协作a r q 可靠性能 在图3 2 中，我们通过仿真得到了在重传