（通信与信息系统专业论文）协同中继系统harq技术研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 新一代移动通信技术不仅要求支持语音、图像和数据等多种业务，而且要求 优化支持多媒体和高比特率分组数据业务，而移动通信的信道状况十分恶劣，大 尺度衰落、阴影效应和呼吸效应的存在都给数据的可靠传输设置了障碍，在新一 代移动通信系统中我们需要有一种更加安全可靠有效的传输方式，来保证数据传 输安全性的同时提高数据传输速率。l t e a d v a n c e d 系统引入了一种新型技术协 同中继技术，它具有提供空间分集克服多径衰落、延伸覆盖、增加系统容量等特 点。为了满足数据通信中误码率小于1 0 巧的要求，新一代移动通信系统中采用 h a r q 作为链路的差错控制技术以保证服务质量q o s 的要求。 首先介绍了中继协同系统的发展、系统模型以及不同的中继协议，并分析了 l t e a 中的中继技术和目前存在于中继系统中的问题。而后，详细描述了三类差 错控制技术，即前向纠错编码f e c 、自动请求重传技术a r q 和混合自动重传技术 h a r q ，分析了3 gl t e 系统的h a r q 传输方案。 本文第四章基于中断概率，分析了直传链路和选择单个中继以及多个中继时 的系统的中断概率，在此基础上，提出一种新型的u e 控制多中继协同h a r q 策 略，该策略利用u e 门限控制决定选择多中继协同传输策略或者是多中继协同 h a r q 策略。理论推导和仿真结果表明u e 平均s n r 越小，传输中断的概率就越 大，重传概率就越大，从而h a r q 重传带来的性能增益也越大。随着信噪比的增 加，信道条件变好，l i e 端不会发生中断，则直接采用多中继协同传输策略，大大 降低了传输延时。因此，提出的改进策略能在传输有效性和可靠性方面得到折中。 本文第五章在基于接收信噪比的多中继选择基础上，提出一类改进的延时受 限的多中继协同重传策略，即最优单中继协同h a r q 重传策略和最优多中继协同 h a r q 重传策略，并给出具体传输方案以及信号和信道模型。该策略基于接收信 噪比最大化选择最优中继协同传输，对最优单中继，双中继以及三中继的多中继 协同重传策略在重传次数受限情况下的性能进行详细分析。理论推导平均丢包率、 延时和吞吐量与不同链路信噪比问的关系，仿真结果表明考虑相同传输次数下， 随着协同重传中继个数的增加，h a r q 传输方案的各项性能指标将显著提高。 关键词：协同系统，多中继，h a r q ，性能分析 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h en e wg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yn o to n l ys u p p o r t sv o i c e ， i m a g e ，d a t aa n do t h e rb u s i n e s s ，b u ta l s or e q u i r e so p t i m i z a t i o nt os u p p o r tm u l t i m e d i a a n dh i g hb i tr a t ep a c k e td a t ab u s i n e s s h o w e v e rt h em o b i l ec o m m u n i c a t i o nc h a n n e l c o n d i t i o n sa r ev e r yp o o r , l a r g e - s c a l ef a d i n g ，s h a d o we f f e c t sa n dt h ee x i s t e n c eo f r e s p i r a t o r ye f f e c t s w i l ls e ta l lo b s t a c l ef o rd a t ar e l i a b l et r a n s m i s s i o n i nt h en e x t g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，w en e e dt oh a v ea m o r es e c u r ea n dr e l i a b l e t r a n s m i s s i o nm o d e ，t oe n s u r ed a t at r a n s n f i s s i o ns e c u r i t y , r e l i a b i l i t ya n di n c r e a s ed a t a t r a n s f e rr a t e s i no r d e rt os o l v et h e s ep r o b l e m s ，i nl t e - a d v a n c e ds y s t e m ，t h e r ei sa n e wt y p eo fr e l a yt e c h n o l o g y - c o o p e r a t i v er e l a y , i tc a np r o v i d e s p a t i a ld i v e r s i t yt o o v e r c o m em u l t i p a t hf a d i n g ，e x t e n dc o v e r a g ea n di n c r e a s es y s t e mc a p a c i t ya n ds oo n i n o r d e rt om e e tt h ee r r o rr a t eo fd a t ac o m m u n i c a t i o n i sl e s st h a nl0 咱，t h en e x tg e n e r a t i o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mu s e s 地6 岖qe r r o rc o n t r o lt e c h n i q u e st og u a r a n t e e r e q u i r e m e n t so fq u a l i t yo fs e r v i c eq o s f i r s t l y , i n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n to fr e l a yc o l l a b o r a t i v es y s t e m ，s y s t e mm o d e la n d t h ed i f f e r e n tr e l a yp r o t o c o l s ，a n a l y s i sr e l a yt e c h n i q u e si nl t e as y s t e ma n ds o m e p r o b l e m se x i s t e di nr e l a ys y s t e m t h e ng i v ead e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h r e et y p e so fe r r o r c o n t r o lt e c h n i q u e s ，f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o nc o d i n gf e c ，a u t o m a t i cr e t r a n s m i s s i o n r e q u e s ta r qt e c h n i q u e sa n dh y b r i da r qh a r q ，t h e na n a l y s i sh a r qt r a n s m i s s i o n s c h e m ei nt h e3 g l t es y s t e m , a n dt h ec u r r e n tr e s e a r c ha b o u tr e l a yc o o p e r a t i v eh a r q s c h e m e s t h ef o r t hp a r to ft h et h e s i s ，b a s e do no u t a g ep r o b a b i l i t yt oc h o o s eb e s tc o o p e r a t i v e r e l a y s ，a n a l y s i ss y s t e mp e r f o r m a n c eo ff o r w a r dp a s sl i n ka n dc h o o s i n go n er e l a ya n d c h o o s i n gm u l t i p l er e l a y s t h e np r o p o s ean e wt y p eo ft r a n s m i s s i o ns c h e m e ，l i ec o n t r o l m u r i p l er e l a y sc o o p e r a t i v er a r qs t r a t e g y , t h i ss t r a t e g yu s e st h r e s h o l do fu et o d e c i d e dt o s e l e c tam u l t i - - r e l a yc o o p e r a t i v et r a n s m i s s i o ns t r a t e g yo ram u l t i - - r e l a y c o o p e r a t i v er a r qs t r a t e g y t h e o r e t i c a la n a l y s e sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e l o w e ra v e r a g es n ro fu e ，t h eh i g h e rt r a n s m i s s i o no u t a g ep r o b a b i l i t y , t h eh i g h e r p r o b a b i l i t yo fr e t r a n s m i s s i o n ，s ot h em o r ep e r f o r m a n c eg a i n so fh a r qr e t r a n s m i s s i o n 。 a si n c r e a s i n gt h es n r , c h a n n e lc o n d i t i o n sb e c o m eb e t t e r , li ew i l lb eu n i n t e r r u p t e d , ，s o t ou e sm u l t i r e l a yc o o p e r a t i v et r a n s m i s s i o ns t r a t e g yd i r e c t l y , w h i c hg r e a t l yr e d u c e st h e t r a n s m i s s i o nd e l a y t h e r e f o r e ，t h ep r o p o s e ds t r a t e g yc a na c h i e v eac o m p r o m i s eo f t r s a n s m m i s i o nb e t 、7 l r e e ne f f e c t i v e n e s sa n dr e l i a b i l i t y t h ef i f t hp a r to ft h et h e s i sp r o p o s e sa l li m p r o v e dd e l a y - c o n s t r a i n e dm u l t i r e l a y c o o p e r a t i v er e t r a n s m i s s i o ns t r a t e g y , a n dt h eb e s ts i n g l er e l a yc o o p e r a t i v er e t r a n s m i s s i o n h a g qs t r a t e g ya n dt h eo p t i m a lm u l t i - r e l a yc o o p e r a t i v er e t r a n s m i s s i o nh f 6 岖qs t r a t e g y , g i v eas p e c i f i ct r a n s m i s s i o ns c h e m e ，a sw e l la ss i g n a la n dc h a n n e lm o d e l s t h es t r a t e g y b a s e do nm a x i m i z i n gs i g n a lt on o i s er a t i ot oc h o o s eb e s tr e l a y s ，t h e ng i v ed e t a i l i n t r o d u c t i o nf o rt h eo p t i m a ls i n g l er e l a y , d o u b l er e l a y , a sw e l la st h r e er e l a yc o o p e r a t i v e t h e o r e t i c a l l yd e r i v a t es y s t e ma v e r a g ep a c k e tl o s sr a t e ，d e l a ya n dt h r o u g h p u tw i t h d i f f e r e n ts i g n a lt on o i s er a t i o t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c eo f m u l t i r e l a yc o o p e r a t i v er e t r a n s m i s s i o n8 a g qs t r a t e g yh a ss i g n i f i c a n t l yi m p r o v e dt h a n o p t i m a ls i n g l er e l a yc o o p e r a t i v er e t r a n s m i s s i o nr t a g qs t r a t e g y k e y w o r d s ：c o o p e r a t i v es y s t e m ，m u l t i - r e l a y , r t a r q ，p e r f o r m a n c ea n a l y s i s l l i 重庆邮电大学硕士论文插图目录 插图目录 图2 1 单中继中继模型6 图2 2 单中继协同模型7 图2 3 多中继并行协同模型7 图2 4 多中继串行中继模型8 图2 5 多中继串行中继模型8 图3 1 前向纠错系统原理框图1 3 图3 21 2 卷积码编码器框图：1 5 图3 3 并行级联码一t u r b o 码编码器框图1 5 图3 4 自动请求重传系统基本框图一1 6 图3 。5 型h a g q 编码结构示图：1 9 图3 6 部份瓜方法2 1 图3 7 全瓜方法2 1 图4 1 不同传输策略下的中断概率。2 5 图4 2 多中继协同h a g q 系统模型2 6 图4 3u c m c h a r q 策略工作流程。2 7 图4 4 m c 策略和u c m c - t t a r q 策略性能比较砝= 0 d b 3 2 图4 5m c 策略和u c m c h a r q 策略性能比较歹厶= 0 d b 3 2 图4 6m c 策略和u c m c h a r q 策略性能比较夕厶= 1 0 d b 3 3 图4 7m c 策略和u c m c - h a r q 策略性能比较歹厶= l o d b 3 3 图5 1 多中继协同h a r q 系统的网络模型3 6 图5 2 不同中继协同h a r q 系统方案图3 6 图5 3 单中继协同h a r q 传输流程图3 8 图5 4 多中继协同h a r q 传输流程图3 8 图5 5 各中继的平均接收信噪比4 4 图5 6m = 2 时选择不同中继的系统误符号率4 5 图5 7 选择m 个中继系统丢包率分析4 6 图5 8 不同重传次数三啡不同策略中断概率分析4 6 图5 9 相同重传次数l 一不同策略中断概率分析。4 7 图5 1 0 延时比较( e n b 到r n s 信噪比为1 6 d b ) 4 7 图5 1 1 吞吐量比较( e n b 到r n s 信噪比为1 6 d b ) 4 8 图5 1 2 吞吐量比较( e n b 到r n s 信噪比为2 6 d b ) 4 8 v i 重塞坚皇盔堂堡主鲨壅一 堡塑塑蔓卫 - _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - - _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ - _ _ - _ - _ - - _ _ - _ - - _ _ _ _ - l _ _ _ - _ _ _ - - _ _ _ _ - _ 一一 3 g p p l t e i j e a m i m o q o s c o n 口 r i a r q f e c a r q d a f 嫩 c c c r c r s c s w - a r q g b n - a r q s r - a r q r c p t n 配 瓜 s i m o m i s o a c k n a c k 弧 u e e n o d e b ( e n b ) r n e n o d e b ( e n b ) 幽 缩略词 t h e3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t l o n gt e r m e v o l u t i o n l o n gt e r me v o l u t i o n - a d v a n c e d 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 q u a l i t yo fs e r v i c e c o o r d i n a t e dm u l t i p o i n t 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 f o r w a r de r r o rc o d i n g a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t a m p l i f ya n d f o r w a r d d e c o d ea n df o r w a r d a d p t i v er e l a yp r o t o c o l c o d ec o o p e r a t i o n c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k r e c u r s i v es y s t e m a t i cc o n v o l u t i o n a le n e o d e r s t o p a n d - w a i ta r q g o b a e k n a r q s e l e c t i v er e p e a ta r q r a t ec o m p a t i b l ep u n c t u r e dt u r b o m a x m u mr a t i oc o m b i n e i n c r e m e n t a lr e d u n d a n c y s i n g l e i nm u l t i p l eo u t m u l t i p l ei ns i n g l eo u t a c k n o w l e d g e n e g e r t i v ea c k n o w l e d g e s i g n a ln o i s er a t i o u s e re q u i p m e n t e v o l v e d n o d e b r e l a ys t a t i o n e v o l v e dn o d eb 第三代合作伙伴 长期演进 l t e 的后续演进 多输入多输出 服务质量 协作多点传输 混合自动请求重传 前向纠错编码 自动请求重传 放大前传 译码前传 自适应中继协议 编码协作 循环冗余校验 递归系统卷积编码 停止等待a r q 退回n 步a r q 选择重发a r q 码率匹配打孔t u r b o 码 最大比合并 递增冗余 单输入多输出 多输入单输出 确认 否定确认 信噪比 用户 演进型n o d eb 中继站 演进型n o d eb 虚拟天线阵列 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 移动通信经历过以美国贝尔实验室研制的先进移动电话系统( a m p s ) 为代表的 第一代移动通信系统、欧洲的全球移动通信系统( g s m ) 和美国推出的窄带码分多址 ( c d m a ) 的第二代移动通信系统和如今成由3 g p p 制定最具影响力的主流通信技术 w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 。同时，3 g p p 又启动了l t e 、h s p a + 、 l t e a d v a n c e d 等长期演进项目。l t e t l 】俗称3 9 g ，是从3 g 向4 g 演进的主流技术， 支持最大2 0 m h z 的系统带宽、超过2 0 0 m b i t s 的峰值速率和更短的传输时延。2 0 0 8 年3 月，在l t e 标准化终于接近于完成之际，一个l t e 的演进项目l t e a t 2 1 项目又 在3 g p p 拉开了序幕，支持最大1 0 0 m h z 的带宽，获得下行1 g b i t s ，上行5 0 0 m b i t s 的峰值速率。 1 1 。研究背景及意义 随着移动通信的快速发展，b 3 g 和4 g 面临着通信服务q o s 要求的不断提高与 无线通信资源有限的矛盾。因此，如何充分合理地利用有限资源，进一步改进和增 强现有3 g 技术的性能，去满足通信系统不同q o s 如分组速率、频谱效率以及更低 的延迟和更高可靠性的要求，成为当今无线通信研究人员的工作重点。为实现新一 代移动通信系统要求，l t e 演进l t e - a d v a n c e d 就包括以下几类关键技术：载波聚 合技术、中继技术( r e l a y ) 、多点协作传输技术( c o m v ) 和h a r q 技术等。 m i m o 技术1 3 j 能够成倍地提高无线移动通信系统的容量，获得很好的空间分集 增益。但对于高速l t e 或l t e - a d v a n c e d 系统，预计用户数量较3 g 系统高一个数 量级，无线接入网必须对蜂窝结构进行改进或采用新的结构。在这种背景下，传统 集中式m i m o ，不再适合这样个网络结构，尤其是受体积限制的移动终端，很难配 备多个天线来满足这一要求。由此而产生的中继协同( r e l a yc o o p e r a t i o n ) 1 4 技术，多 个中继协同用户和基站通信，使单天线的移动终端也可以实现空间分集，为m i m o 技术走向新一代移动通信提供了一条新的途径。 为了提高小区边缘和阴影衰落较为严重区域用户的性能，3 g p p 会上讨论了针 对l t e a 系统引入中继技术，并分析多中继协同的场景【5 吲。在2 0 0 9 年，3 g p p r a n l 第5 6 次会议上分别对上行链路和下行链路上的多中继协同方案进行了讨论，文献【5 】 讨论了基于分布式空时编码( 或线性离散码) 的中继协同方案，该方案要求基站、 中继和用户严格同步；文献1 6 j 提出一种基于重复编码的相干传输多中继协同方案， 该方案将使频谱利用率降低。r a n l 第5 7 次会议上 7 1 提出了小区间和小区内的多中 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 继协同的几种应用场景，文献【8 】具体分析了二型中继t y p e1 ir e l a y 的功能、特点及 具体传输策略。 ， 基于上述分析，将中继技术引入新一代移动通信系统能有效克服传统m i m o 技 术集中式分布的局限性，增大小区覆盖面积，提高系统吞吐量，获得更高的传输速 率。然而，由于移动通信环境的复杂性，使信道具有衰落、时变、噪声干扰等特性， 信号在通过时会受到各种形式的干扰，产生畸变，导致信号失真，从而产生大量的 传输错误。所以，未来移动通信系统为了提供高数据速率和高度可靠的通信质量， 就必须采用有效的差错控制机制，来控制由于噪声和干扰产生的传输错误，从而提 高系统的数据通过率和链路的可靠性。l t e 和l e t - a 系统都采用混合自动请求重传 h a r q 9 差错控制机制来保证通信服务质量( q o s ) 的要求。 无论是早期移动通信系统，还是新一代移动通信系统，对其实际应用来说，差 错控制技术都将是一个很重要的研究课题。b 3 g 、4 g 中有效的差错控制技术对于传 输有效性和可靠性实现的重要性是不言而喻的。中继协同技术是l t e - a 系统的一个 关键技术，也是一个研究热点。将中继协同传输技术结合h a r q 差错控制技术对解 决无线信道衰落问题具有十分重要的意义。目前，对于中继系统中结合h a r q 技术 的研究还处于提出想法阶段，很多具体的方案还有待进一步研究，这也使得本课题 具有很大的研究空间。 1 2 、国内外研究现状 目前，已经确定的中继协同系统中引入a r q h a r q 传输策略包括以下几类： 基于不同中继方式的协同h a r q 策略：文献l l o j 设计并分析了两种中继方式 a a f 和d a f 协同i 型h a r q 传输策略的性能，给出的误比特率和吞吐量理论推导 和仿真结果，明显优于非协同情况。文献1 1 1 1 1 2 1 基于自适应中继策略a r p 提出一种 新型a r p o h a r q 策略，该策略将重传机制( 重传编码和递增冗余) 、分布式t u r b o 和 自适应中继策略相结合，能有效避免a a f 放大信号同时放大噪声和d a f 译码错误 并错误传输，最后，也给出了结合i 型h a r q 、i i 型h a r q 和型h a r q 后的 性能分析。文献【b 】不仅分析了自适应中继方式下的协同h a r q 策略性能，同时也分 析了信道相关衰落和不相关衰落下不同中继模型下的性能。进一步分析文献【1 4 】结合 中继选择分析了多中继情况下，d a f 模式下h a r q 策略的性能。文献1 1 5 】提出结合 中继选择的a r q 策略。考虑最优中继选择策略：最大最小原则和调和平均值原则 来选择最优中继和次优中继协同源和目的端传输。 基于不同重传方式下的协同h a r q 策略：文献1 1 6 】讨论了两种自动重传协议： 合作简单a r q 协议，目的节点在收到重传的数据包之后丢弃原始数据包；合作混 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 合a r q 协议，目的节点将重传的数据包和原始数据包进行分集合并，最后给出了 不同条件下的丢包率分析。文献【1 7 l ：提出中继控制h a r q 协议，中继接受信噪比高 于预先设定的信噪比门限时，解码并转发这一数据包，并发送确认( a c k ) 给源和目 的端，下一时隙源发送新的数据包：否则发送非确认( n a c k ) 给源和目的端请求源 重传。文献【1 8 i 提出一种新的中继协同r a y l e i g h 衰落j 吣策略：基于目的端中断概 率的目的端控制h a r q 策略。并分析慢衰落和快衰落下，根q 带来的性能增益与 非a r q 中继系统的性能比较。 基于排队论的协同a r q h a r q 策略：文献【1 9 1 分析了泊松到达和时间相关瑞 利衰落环境下，推导出基于源端帧数和节点间的信道状态的二维离散时间马尔科夫 链，分析出平均帧延时和帧服务时间的矩阵生成函数，最后仿真结果将其与非协同 相比较。文献【2 0 】【2 1 】中多跳中继系统基于离散时间马尔科夫链( d t m c ) 技术给出三种 中继策略下吞吐量和延时的比较分析。 基于不同优化条件下的协同a r q h a r q 策略：协调调度波束成形( c s c b ) 特定终端的数据仅由其服务小区传输，由协作小区决定用户的调度波束成形，及协 调控制协作小区产生的干扰。文献田l 在长期平均时延限制吞吐量的基础上改进并提 出有限时延限制吞吐量的协同h a r q 系统吞吐量优化模型，该模型主要针对时延敏 感且中继信道衰落严重的协同h a r q 系统。文献团】采用连续二维优化求出了吞吐量 的最大值，进而提出了实用的二维离散吞吐量优化算法，该算法的优化结果与吞吐 量最大值相差很小，最后提出了计算量更小的一维离散优化算法。 通过上述分析，对于中继协同中引入a r q h a r q 差错控制技术目前已有一定 研究。然而，对于基于中继选择的多中继协同系统中引入h a r q 技术研究并不多， 为使多中继协同h a r q 系统获得更好的性能，需从多方面讨论传输策略可行性。 1 3 ，本文的主要工作及创新点 本论文关于协同中继系统h a r q 技术的研究课题来源于国家科技重大专项 ( 2 0 0 8 z x 0 3 0 0 3 - 0 0 5 ) “i m t a ( 1 v a n t e d 新型无线网络技术研发 。以l t e - a d v a n e e d 系统的多个t y p ei ir e l a y s 协同传输技术为背景，对其传输策略性能进行研究。 为了获得低复杂度、少传输时延和高可靠性，目前研究多为分析单个基站、单 个中继和单个用户的简单中继协同a r q h a r q 传输策略。对于新一代移动通信 b 3 g 、4 g 来说，单中继系统模型已不再存在实际意义，在这种情况下，为了满足高 数据传输速率的要求，需考虑新的多中继协同传输策略。 文献 2 4 1 提出由中继和接收端解码正确与否决定是否h a r q ，发送端到中继平均 信噪比越小性能越差；发送端和中继到接收端的的下行链路平均信噪比越小增益越 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 小，且带来的时延较大。文献【1 8 】基于中断概率提出了中继控制h a r q 协同协议和目 的端控制h a r q 协同协议。在此基础之上，本文考虑实际小区中6 个中继协同通信 传输模型，提出一种多中继协同h a r q 传输策略。 文献【i 5 】仅仅考虑接收端反馈n a c k 时，中继端将重传错误数据包，且重传次数 设置为1 。文献【2 6 1 分析多中继协同重传数据包l 次，并定义l 次为基站到中继传输 次数和中继到用户次数之和。本文基于不同链路不同传输次数，对单中继和多中继 协同重传策略性能进行分析比较。 1 4 论文结构 本文共分六章，各章的内容安排如下： 第一章：概述中继协同传输的研究背景及意义、国内外研究现状和内容安排。 第二章：介绍了中继协同系统的发展和不同的协同系统通信模型，并基于中继 处理信号的不同方式分析中继协议a a f 、d a f 、选择中继及增量中继，最后也分析 了存在于协同通信中的新问题。 第三章：介绍了各类差错控制技术。包括前向纠错编码f e c 、自动请求重传 a r q 以及本文所研究的混合自动请求重传技术h a r q 的基本原理，实现方式，分 类等。最后介绍了协同中继系统中引入h a r q 技术的研究现状。 第四章：首先分析了目前的多中继选择策略，在此基础上引出新型多中继协同 h a r q 传输策略u c m c h a r q ，利用目的端信噪比控制不同传输策略，理论推导仿 真分析比较单中继和多中继协同h a r q 传输时的误码性能。 第五章：考虑重传次数对系统性能影响，同样基于最优中继选择，分析最优但 中继协同h a r q 策略和多中继协同h a r q 策略的丢包率，延时以及吞吐量等各项 性能指标，仿真结果明显可以看出，多中继比单中继系统带来了明显的性能增益。 第六章：总结本文工作并探讨下一步研究方向。 4 重庆邮电大学硕士论文 第二章中继协同系统简介 2 1 引言 第二章中继协同系统简介 尽管移动通信的不断发展，新技术的不断提出，使通信传输速率、频带利用率 和吞吐量都极大的提高，但是同理想的传输速率还有很大的差距，尤其是在数据有 效、可靠的传输方面。由于移动通信的信道状况十分恶劣，大尺度衰落、阴影效应 和呼吸效应的存在都给数据的可靠传输设置了障碍。所以，在新一代无线通信系统 中我们需要有一种更加安全可靠的传输方式，在保证数据安全性的同时提高无线通 信中的数据传输速率。多输入多输出( m m o ) 技术是一种被广泛接受为很有前景的 有效提高频谱效率、用户容量、数据速率和链路可靠性的新技术。而无线终端由于 受到体积、功率、实现等因素的限制，难以实现多天线。为了弥补上述问题的不足， 人们开始研究一种新型传输技术一中继协同( c o o p e r a t i v er e l a y ) ，它具有克服多径衰 落、延伸覆盖、增加系统容量等特点，获取空间分集增益。 2 2 。中继系统发展 中继协同技术因能弥补m i m o 技术应用于无线终端受到体积、功率、实现等因 素的限制，近年来，广泛应用于自组织a d h o e 网络、无线传感网络和移动通信网络 等，成为又一热门研究领域。 对于中继技术，可以追述到上世纪的七十年代早期1 2 7 c o v g i - 和g a m a l 理论分析 了中继信道，并提出了两类信道，即如今广泛应用的广播信道和多址接入信道；其 后，s e n d o n a r i s 、l a n e m a n 等人【2 8 1 2 9 提出的中继协同技术通过小区多用户协同通信， 通过空间分集增益获取更高的系统容量、覆盖面积，以及有效克服多径衰落；近几 年，移动通信( 3 g p p 、3 g p p 2 、b 3 g 、4 g ) 、无线局域n ( w l a n ) 和宽带无线网络( 8 0 2 1 6 j ) 等标准的制订中，都引入了无线中继的技术并充分考虑了中继辅助通信中存在的问 题。其中i e e e 8 0 2 1 6 标准组织研究了在i e e e 8 0 2 1 6 系统中采用中继技术的可行性 和实施方案。通过分析研究，任务组确定了基于中继辅助的蜂窝结构扩展方向，并 最终确立采用基于蜂窝点到多点( p t p ) 基础的树形架构作为其拓扑结构而放弃了以 a dh o e 为原型的m e s h 架构。同样3 g p p 也在其长期演进( l t e ) 阶段的研究中指出： “在未来演进的通信系统中，为了提高覆盖范围和系统容量，引入多跳的概念是一 种行之有效的手段”。与w t m a x 和w i n n e r 计划中使用固定中继站的两跳网络不 5 重庆邮电大学硕士论文 第二章中继协同系统简介 同的是：这里的多跳是指在原有的网络拓扑结构上，使用用户终端作为中继，将信 号传输至更远的节点，从而提高覆盖范围，增大系统容量。 2 3 中继协同系统模型 目前研究的协同中继通信包括两类：用户协同和中继站协同。这里所说的协同 通信单指中继站协同通信。对于协同中继系统，可以基于t d m a 、f d m a 或c d m a 技术使源和中继通过正交信道传输数据。对于t d d 传输策略，时间被分成若干时 隙t s ，且一个节点对应一个确定时隙。针对不同的网络拓扑结构，协同中继模型主 要包括以下几类： 单中继中继模型【3 0 】 单中继两跳中继模型是一种最简单的中继模型。此类模型，主要针对小区基站 覆盖区域之外的用户。源节点即基站c n b 时隙刀发送数据到中继节点r n ，中继节 点将接收并处理后的数据在时隙n + l 转发给目的节点u e 。这个中继过程未曾增加 分集效应。模型如图2 1 所示。 时隙1 1 卢埘 斟 单中继协同模型【3 l 】 图2 i 单中继中继模型 时隙n + l 砸p 、旧 对于单中继协作模型，主要针对小区边缘用户或者基站负载较重的密集型小区 通信，源节点s 可以直接传输数据到目的节点d ，也可以根据接收译码情况，通过 中继链路建立通信。称s 到d 为直达链路，s 到r 到d 为中继链路，在瑞利衰落信 道环境下，此模型能获得2 分集阶数。根据传输时隙的不同，可以分为如下三类： 协议i 、协议和协议。 协议i ；时隙以，s 通过广播信道最大化利用同时向r 和d 发送数据，时隙n + l ， r 将接收处理后的数据转发于d 。同时，时隙n + l 中继协同通信时，s 可以接收来 自其它节点的数据。 协议：第一时隙，仅s 发送数据到r ，第n + l 时隙，r 和s 同时发送数据到 d 。该协议实现s 和r 在d 的同时数据接收，但对s 负载较严重。同时，第厅时隙 d 可以允许接受来自它节点的数据。 协议：时隙，l ，s 通过广播信道同时向r 和d 发送数据，第n + l 时隙，r 和 6 圆 孓 重庆邮电大学硕士论文第二章中继协同系统简介 s 同时发送数据到d 。该协议既可以实现广播信道最大利用也可以实现d 端同时接 收r 和s 传输的数据。 7 飞醉 协议i ：斟- 峋 时隙 ，嘧 协议i i ：匦泸k 固 时隙 7 嘧 协议m ：匦一函国 l l i i i ：圃一 i l 时隙n + l 砸弘 码弼 时隙 n + l 唧：、 匦庐一峋 时隙 n + l 蝌： ：j i i l l 5 l i ! ： i ：z j 固 图2 2 单中继协同模型 多中继并行协同模型 如图2 3 所示，协同中继小区由k 个中继节点构成，对于s 和d 多个中继可实 现透明传输，类似于单中继协同模型，基于不同时隙传输，也可以分三种情况传输。 在瑞利衰落信道环境下，此模型可以获得k + 1 分集阶数。 图2 3 多中继并行协同模型 多中继串行中继模型1 3 2 1 图2 4 所示的多跳模型，类似于微波中继接力，也是单中继双跳中继模型的推 广。在无线通信网络中，源节点与目的节点的链路间安置多个中继节点，信息依次 由一个节点转发给另一个节点，直到目的节点最终接收到信息。同样，在瑞利衰落 信道环境下，此模型不能额外地增加分集效果，最多可获得1 分集阶数。 7 重庆邮电大学硕士论文第二章中继协同系统简介 一唧q 匦皿、 q 翊 图2 4 多中继串行中继模型 多中继串行协同模型 在多中继多跳中继模型图2 5 中，任意节点只接收前一节点发送的信息。为了 充分利用无线信道的广播特性，b o y e r 等人提出了多跳分集( m u l t i h o pd i v e r s i t y ) 的概 念，允许任意节点的广播信号均能被后面的节点监听到。s a d e k 等人在此基础上又 进一步完善了该系统模型【3 3 1 。 2 4 、中继协议分类 图2 5 多中继串行中继模型 归纳目前研究的协同中继协议【3 4 1 3 5 1 有以下几类：固定中继协议、选择中继协议 和增量中继。 2 4 1 、固定中继 对于固定中继协议，基于中继对接收信号的不同方式可以放大前传) 和译 码前传( d a r ) 。叮协议中继根据功率限制，放大接收信号；d a f 协议中继首先对 接收信号解码并重编码后再传给目的端。第n 时隙，源发出广播信息到中继和目的 端，时刻t 接收信号分别表示为坛o ) 和y 肼) ： y 脚o ) = h z r x ( t ) + 靠职o ) 式( 2 1 ) y e t t ( t ) = 岛c ，k 【，x o ) + n e v ( t ) 式( 2 2 ) 其中，置表示中继和目的端接收信号功率，x o ) 为源端t 时刻的发送信号，n e r ( f ) 和，切( f