（通信与信息系统专业论文）中继通信模型下协作arq协议性能分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 协作一词源于拉丁语的“协同”和“工作 ，因此它蕴含着“协同”的概 念。协同是一个共同致力于实现共同目标的实体或个人团体的策略。协作通信 本质是分布式多节点的资源共享，常见方式为利用分散的多终端节点的单天线 形成虚拟多天线的协作分集技术方案。它具有提高连接性能和能量效率、提高 网络覆盖率、提高频谱效率、增加网络容量等优点。协作a r q 协议将协作通 信范围由物理层的信号处理推广到链路层的数据传输。由于中继节点的参与， 该协议可充分利用多用户协作的空间分集和出错重传所带来的时间分集和编 码增益。论文在讨论协作a r q 的不同通信场景和工作场合的基础上，给出了 具体的分析方法、评价指标和关键技术，进而提出了可能的优化和改进方案。 论文首先介绍了国内外的研究现状以及最新进展。在此基础上，归纳出针 对典型小规模网络通信的g m n 模型，并在单中继协作、多中继协作和协作广 播通信场景下分析了协作a r q 协议的设计思路和改进方法。然后，论文介绍了 协作a r q 协议的原理和分析方法，对c a r q 和h a r q 协议进行了性能分析。在 此基础上，论文探讨了单中继协作a r q 协议的制约因素，并对编码前后的协作 a r q 协议进行了性能对比和分析。对多中继通信场景下的帧合并技术进行研 究，并进行数值计算和性能分析。再后，论文分析了时分多用户c a r q 协议的 协作增益重传概率距离制约关系，讨论了中继位置对协作a r q 性能的影响， 分析结果表明，就重传速率增益、吞吐率增益和延时增益而言，位于信源和中 继中间位置的中继往往能获得较好的性能，但在信源信宿条件较差时，则应 尽量选择靠近源节点的中继。最后，在“a r q 差错控制”思想的指导下，论文 研究了在缓冲区受限、给定目标误帧率的约束条件下发送端有效利用信道状态 信息的情况，分析比较了a m c a r q 的联合设计、基于信噪比模式选择策略和 缓冲区辅助模式选择策略三种传输设计机制。 论文的相关分析对协作a r q 协议的性能分析和优化设计有一定参考价值。 关键词：协作通信；自动请求重传；排队论；帧合并；自适应调制编码。 a b s t r a c t t h ew o r d c o o p e r a t e d e r i v e sf r o mt h el a t i nw o r d sc o _ a n do p e r a t e ( t ow o r k ) ， t h u si tc o n n o t e st h ei d e ao f w o r k i n gt o g e t h e r ”c o o p e r a t i o ni st h es t r a t e g yo fa g r o u p o fe n t i t i e sw o r k i n gt o g e t h e r t oa c h i e v eac o m m o no ri n d i v i d u a l g o a l c o o p e r a t i v en a t u r eo fd i s t r i b u t e dm u l t i n o d ec o m m u n i c a t i o n r e s o u r c es h a r i n g c o m m o nw a yf o rt h eu s eo fd i s t r i b u t e dm u l t i - t e r m i n a ln o d e s i nas i n g l ea n t e n n at o f o r mav i r t u a lm u l t i a n t e n n ad i v e r s i t yi nc o o p e r a t i o nt e c h n o l o g ys o l u t i o n s i th a s i n c r e a s e dc o n n e c t i v i t y a n d e n e r g ye f f i c i e n c y , i m p r o v e d n e t w o r kc o v e r a g e ， i n c r e a s e ds p e c t r a le f f i c i e n c y a n di n c r e a s e dn e t w o r kc a p a c i t y a n ds o o n c o o p e r a t i v ea r qp r o t o c o l sw i l le x t e n dc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n sr a n g ef r o m t h es i g n a lp r o c e s s i n go fp h y s i c a ll a y e rt ot h ed a t at r a n s m i s s i o no fd a t al i n kl a y e r a st h er e l a yn o d e ，si n v o l v e m e n t ，t h ea g r e e m e n t c a nt a k ef u l la d v a n t a g eo f m u l t i u s e rc o o p e r a t i v es p a t i a ld i v e r s i t ya n dt h et i m ed i v e r s i t ya n dc o d i n gg a i n f o mr e t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s m t h ep e r f o r m a n c eo fc o o p e r a t i v ea r q p r o t o c o l s w i t h i nd i f 亿r e n tc o m m u n i c a t i o ns e t t i n g sa n dw o r k p l a c e sa r ed i s c u s s e di n t h i s t h e s i s b a s e do nt h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i sm e t h o d s ，r e s t r i c t i v ef a c t o r sa n dk e y t e c h n i q u e sa r ea d d r e s s e di nd e t a i l ，w h i c hm a yp r o v i d es o m e h i n t so nt h ep o s s i b l e o p t i m i z e da n di m p r o v e ds t r a t e g i e s f i r s t l v t h es t u d i e so ft h es t a t u sq u oa th o m ea n da b r o a d ，a sw e l la st h el a t e s t d e v e l o p m e n t s a r er e v i e w e d o nt h i sb a s i s ，t h et y p i c a ls m a l l - s c a l e d n e t w o r k c o m m u n i c a t i o n sf o rt h eg m nm o d e la r es u m m e du p a tl a s t ，t h ed e s i g ni d e a sa n d i m p r o v e dm e t h o d sa r eg i v e ni nc o o p e r a t i o ns c e n a r i o so fs i n g l e r e l a yc o o p e r a t i v e a r qp r o t o c o l s ，m u l t i r e l a yc o o p e r a t i v ea r qp r o t o c o l sa n d c o o p e r a t i v eb r o a d c a s t a r qp r o t o c o l s t h e n ，t h et h e s i si n t r o d u c e st h ep r i n c i p l e sa n da n a l y s i sm e t h o d s o f c a r qp r o t o c o l st oa n a l y z e t h ep e r f o r m a n c eo fc a r qa n dh a r qp r o t o c o l s o n t h i sb a s i s t h ep a p e r d i s c u s s e ss e v e r a lr e s t r i c t i v e f a c t o r so f s i n g l e r e l a y c o o p e r a t i v ea r qp r o t o c o l s i ta n a l y z e sa n dc o m p a r e st h ep e r f o r m a n c eo fc - a r q p r o t o c o l sw i t h o u t o rw i t he r r o rc o n t r o lc o d i n g t h et e c h n o l o g y o ff r a m e c o m b i n i n gi s i n t r o d u c e di nm u l t i - r e l a yc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ns c e n a r i o i t s n u m e r i c a lc a l c u l a t i o na n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i sa r eg i v e ni nt h i st h e s i s t h e r e a f t e r ， t h et h e s i sa n a l y z e st h ec o o p e r a t i o ng a i n o ft i m e - d i v i s i o nm u l t i 。u s e rc - a r q p r o t o c o l s t h ec o n s t r a i n tr e l a t i o n s h i po fr e t r a n s m i s s i o np r o b a b i l i t y ，c o o p e r a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i i 页 g a i na n dd i s t a n c ei sd i s c u s s e d i ti ss h o w n t h a tt h el o c a t i o no ft h er e l a yn o d ew i l l a f f e c tt h ea c h i e v e d p e r f o r m a n c e s i g n i f i c a n t l y g e n e r a l l y ， r e a s o n a b l e r e t r a n s m i s s i o nr a t eg a i n ，t h et h r o u g h p u tg a i nt o g e t h e rw i t ht h ed e l a yg a i nc o u l db e r e a l i z e dw h e nt h er e l a yn o d e si sl o c a t e da tt h ei n t e r m e d i a t ep o s i t i o nb e t w e e n s o u r c en o d ea n dt h ed e s t i n a t i o nn o d e ；h o w e v e r ，t h er e l a yw h i c hi sm o r ec l o s et o s o u r c en o d ew i l lb ep r e f e r a b l ew h e nt h ec h a n n e lq u a l i t yo ft h es o u r c e d e s t i n a t i o n l i n ki sn o tg o o de n o u g h f i n a l l y , u n d e rt h eg u i d a n c eo ft h o u g h ti n “a r qe r r o r c o n t r o l ”，t h et h e s i si n v e s t i g a t et h ed e s i g no fc o o p e r a t i v ea r qd e s i g n w i t ht h e b u f f e ra n dt h et a r g e tf r a m ee r r o rr a t ec o n s t r a i n t sw i t ht h ea i mo ft h ee f f e c t i v eu s e o ft h et r a n s m i t t e rc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n t h ej o i n ta m ca n da r qd e s i g n ，t h e s i g n a ln o i s er a t i o a s s i s i t e dd e s i g na sw e l la st h eb u f f e r a s s i s t e dd e s i g n a r e d i s c u s s e da n dc o m p a r e da sw e l l t h ea n a l y s i si nt h i st h e s i si sag o o dr e f e r e n c ef o rt h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i s a n do p t i m i z e dd e s i g no fc o o p e r a t i v ea r qp r o t o c o l s k e yw o r d s ：c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n ，a u t o r e p e a t r e q u e s t ，q u e u e i n gt h e o r y ， f r a m ec o m b i n i n g ，a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权两南交通人学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密z 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：徐亚：，中 指导老师签名：锄芴1 同期： 加j o 6 i 同期：2 _ o1 0 i 7 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 归纳出针对典型小规模网络通信的g m n 模型，并在单中继协作、多 中继协作和协作广播通信场景下分析了协作a r q 协议的设计思路和改 进方法。在理论推导的基础上，采用近似计算方法分析了延时、源节 点的平均等待队长、系统平均等待队长和饱和吞吐率几项指标。 2 对协作a r q 协议进行了性能分析，研究了影响协作a r q 性能的制约 因素。针对单中继协作a r q 协议，对时隙间隔、出错重传协议选择以 及不同信道条件等制约因素进行了相关研究。针对多中继协作a r q 协 议进行分析，对帧合并技术这一有效提升协作a r q 协议性能的增强技 术进行研究。 3 分析了时分多用户协作a r q 协议的协作增益重传概率距离制约关系， 讨论了中继位置对协作a r q 性能的影响，分析结果表明，就重传速率 增益、吞吐率增益和延时增益而言，位于信源和中继中间位置的中继 往往能获得较好的性能，但在信源信宿条件较差时，则应尽量选择靠 近源节点的中继。 4 在缓冲区受限、给定目标误帧率的约束条件下，对发送端有效利用信道 状态信息的设计展开讨论，研究了联合a m c a r q 、基于信噪比模式选 择策略和缓冲区辅助模式选择策略三种传输机制设计。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本 人承担。 学位论文作者签名：z 奈亚冲 同期： 劫d 6 7 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 协作a r q 协议研究概述 以蜂窝网、无线局域网、a d h o e 网以及无线传感器网络为代表的无线通 信网络近年来得到迅速发展，拥有广阔市场应用。无线网络通信环境下，无线 传播具有广播属性，目的节点外源节点发射的信号也可同时被信号接收范围以 内的邻居节点“窃听”。但对邻居节点而言，该接收信号常被认为是干扰随之 丢弃。而在协作通信中，该信号也可以有效利用从而提升系统性能。 由于接收端的信号质量取决于路径损耗、衰落、噪声等因素，为有效保障 信号的可靠传输，通信系统中常采用前向纠错编码与自动请求重传等差错控制 方法。前向纠错编码能较好地适应固定信道的特性；而对信道时变或信道未知 的情况，则使用自动请求重传协议以吞吐率为代价换取可靠性的提高。混合自 动请求重传( 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 ) 使用前向差错纠正技 术纠正最常出现的一些错误图样来减少重传的频度，通过出错重传解决无法纠 j 下的错误。该技术可提供更优的性能，尤其在时变衰落信道环境。传统a r q 协 议目的节点接收出错时，源节点重传那些不能正确传送的数据帧。无线通信网 络中，将邻居节点不参与数据重传的协议称为非协作a r q 协议。协作a r q ( c a r q ，c o o p e r a t i v ea r q ) 协议则允许中继节点协助源节点通过出错重传实 现数据帧的正确传送，源节点的数据帧不能成功传输时，中继参与重传。目的 节点接收的数据帧既有来自源节点也有来自中继节点，可通过协作分集进一步 改善传输质量。 协作通信本质是分布式多节点的资源共享，常见方式为利用分散的多终端 节点的单天线形成虚拟多天线的协作分集技术方案。它具有提高连接性能和能 量效率、改善网络覆盖、提高频谱效率、增加网络容量等优点。协作a r q 协议 将协作通信范围由物理层的信号处理推广到链路层的数据传输。由于中继节点 的参与，该协议可充分利用多用户协作的空间分集和出错重传所带来的时间分 集和编码增益。图1 1 所示模型可产生空间分集且由中继节点参与数据重传可 更好满足源节点数据出错重传的要求。此外出错重传协议设计中还可通过协作 空时处理、协作编码等技术进一步改进性能。 至里圣塑奎茎堡圭垒塞兰兰篁丝塞里：至 幽1 1 仙忭通信模型示意幽 12 分析方法与研究现状 | 办作a r q 协议性能训价指标体系包括可靠性平u 竹效性两方面。分集增益 常用于评估脚议的可靠性能，而其有效性指标晒盖帧时延、半均等待队长及饱 和吞吐率等。此外，分集一复用一延h i 者的相瓦制约与最佳折衷关系也是综台 计估协作a r q 协议性能的重要指标。 非协作a r q 协议小考虑l 州络模型干u 网络环境对数据传输的影响，而悱作 a r q 协议从鞋，k 之h 起便与网络结下不解之缘。本质j ：它已小再足纯链路层 传输技术而是通信封l 网巾r 层协议对州络拓扑结构只有伞面的了解以及多用 ，、通信机制的有效控制基于跨层设训面向竹点的增强型数据传输方案。因此结 合网络场景的分析能史清楚地| 兑叫和描1 i 其工作原理。近年柬匿领域的研究已 涉及单中继、多- i 一继与r 橘等典掣的网络通信场景。归纳起来，典掣小规模网 络通信大都纳入图i2 所求的g m n 网络模型体系中，其中g 代表源订血 个数，m 代表中继节点个数，n 代表日的_ 丁点个数。此外协议分析研究形成了 摧r 系统状态转移天系的有效建模与分析方法。 】划1 ，2g m ，n 协1 1 - 通信楼型，意图 h 内外较为盟钽的研究l 作t j ：c e r u t t i 等给出了- nq 一继m 作逋倍场景f 的 协作a r q , ) j - 议【| l 同甘rl 的伽议设计研究思路【_ 5 1 ，d i a n a t i 等提出了琏j 停等协 议的多节点坍作a r o 机制，翁炙凡等人楚于分集复心一延时折衷准则， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 般性地讨论了协作广播通信场景下的协作a r q 协议设计问题【7 1 。除此之外近年 来国内外研究者也针对c a r q 协议热点问题在协议设计、性能评估方法和分析 模型、分析方法上开展了相关研究工作。 2 0 0 6 年，g a m m a l 等将z h e n gl i z h o n g 和d a v i dt s e 的分析方法【4 】推广到采用 a r q 重传机制的m i m o 系统，并建立了用分集复用延时( d m d ，d i v e r s i t y m u l t i p l e x i n g d e l a y ) 折衷关系来定量刻画和评估c a r q 系统性能的体系架构【5 】 【6 】。分集复用折衷准则的出现带来了具体的评价指标，而将其引入到c a r q 协议会给出分析问题、解决问题的新参数和新指标，从而设计出逼近d m d 准 则的c a r q 协议。2 0 0 7 年，浙江大学余官定等研究了一种基于协作分集技术的 c a r q 协议，并分析在独立慢衰落信道下该协议的链路层丢包率性能。研究成 果表明，当中继节点到目的节点的信道质量高于一个较低的门限值时，c a r q 协议能获得比h a r q 协议更好的性能1 8 】。 其他可能的研究方向集中在双向协作通信场景、多跳协作通信场景以及车 载通信场景。2 0 0 7 年，t a r o k h 等研究了双向协作通信场景，在双向协作通信中 可采用网络编码以有效提高系统效率【9 儿1 0 1 。2 0 0 5 年，b i nz h a o 等研究了多跳通 信环境，结果表明在多跳协作通信环境下引入c a r q 协议同样可显著改善系统 吞吐率、能量消耗和故障概率，并能在能耗和传输延时中取得合理折衷】。2 0 0 8 年，j m o r i l l o 等研究了容许时延的车载通信环境下的c a r q 协议，结果表明引 入文献 1 3 】中的协作a r q 机制，城市中车辆通过接入点( a p ，a c c e s sp o i n t ) 可 以有数秒时间下载文件，从而极大地降低丢包率，减少系统所需的a p 数量【l 2 1 。 将纷杂的研究现状概括起来，我们会发现实际上协作通信的相关研究都是 围绕网络场景下如何充分利用网络资源这一根本目标展开的，借助于现有网络 协议的支持和控制来具体实现的，如图1 3 所示。协作a r q 协议位于无线链 路控制( r l c ，r a d i ol i n kc o n t r o n l ) 子层，后续的相关设计不仅涉及协作网络 通信条件下r l c 层的控制机制的有效设计，还可以通过物理层的信号设计进 一步提升和改进协作a r q 协议性能，进而更加有效地实现网络资源充分和有 效利用，提升系统性能。此外，协作a r q 协议也为协作网络通信条件下的上 层协议设计与优化提供了更好的支撑。本文第2 章在中继通信模型下对协作 a r q 协议进行介绍，并面向节点在物理层采用基于“排队服务模型【1 4 】+ 嵌入式 马尔科夫链”的方法对协作a r q 协议进行延时分析；第3 章在非编码和编码 条件下，通过对物理层的相关制约因素的分析对协作a r q 协议进行性能分析， 并涉及r l c 层的控制机制的相关设计；针对前述讨论和设计，第4 章展开增 强技术研究，并在考虑协作a r q 协议对上层协议的支撑基础上进而开展约束 条件下的优化设计。 至里塞塞奎耋堡圭至塞兰耋堡堡圣篓! 至 m “m “j 二二= = = = 二二= 二二二二= ? 二_ 与蠢零帮 啊 譬茹一 。堂 陶1 3 协作通信资涨映射示意幽 3 论文研究工作思路、主要研究内容和主要结论 水文以协作a r q 技术为巾心，重点研究小l ，日通信场景f 的_ 办作a r qm 泌 肚能，并往相关协议性能分析的基础e 1 i n 优化和故进协作a r q 协议的思 路和方法。 l 、在协作a r q 协议性能分析方面，完成了基f - “排队服务模型【”j + 嵌入 式5 尔科走链”的协作a r q 系统赶时分析，相关结果表目月，采刖“排队服务横 诅+ f 雠入式乌尔乖 夫链”的分析模型和分析方法r 以定最分析并种约束条件下 沁作a r q 协议的系统延时、饱和吞吐率、源节点和中继节- 5 平均斡待队长等性 能指标。 2 、分析了不同参数以及f 5 道条件对协作a r q _ ) j - 议忖能影响，j j ：对编码条 件f 的协作a r q 协i 义进 r 研究。纠埘多t ，继通f j 模型】，借罄分集合并思想 充成了对改进的协t 乍a r q f 办议的数值计并和仿真。扪荚分析表i 删利用帧合并 技术改进m 作a r q 协议陆能柯定的潜力，值得深入研究 3 、从分析时分多用，“c a r q 协议h 1 入手，论文研究丁协作增益 重传概 率一距离二省的制约荚系，从协作增益川的隐岔天系出发，找到胁作性能最优 时的重传概率。 4 ，坼作a r q 协议矗物珲联，着重j j 对信号进行处理：扩腱到数据链路层， 着重于时数据进行处理；进入l 叫络层以后止线链蹿控；刮协议为l 叫络层提供服 j 7 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 务；而中继的引入，不单是链路层对上层协议的支持，而且是充分考虑网络拓 扑结构的跨层设计。本文从“传输控制”的角度，结合自适应调制编码( 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 ) 技术，讨论了基于信噪比和缓冲区辅助的传输 机制设计【1 9 】。通过对后两种策略和三种a r q 模式的分析推导，本文比较了其 性能、效率和复杂度。研究表明缓冲区辅助模式选择策略能有效提升全部重传 ( a r ，a l lr e t r a n s m i s s i o n ) 缓冲区管理机制的性能，但对选择重传( s r ，s e l e c t i v e r e t r a n s m i s s i o n ) 策略的影响不大。 1 4 论文组织安排 全文共分四章，后续章节安排如下： 第2 章在经典的三节点中继通信模型分析的基础之上，采用近似计算方法 验证了前人的工作。在一般性地介绍了协作a r q 协议原理及一般分析方法的 基础上，讨论研究中尚未解决的问题，进而引出论文的研究内容。 第3 章对影响协作a r q 性能的制约因素进行研究，首先对单中继协作a r q 协议进行分析，对时隙间隔、出错重传协议选择以及不同信道条件对协作a r q 协议的影响进行了性能分析。对编码条件下的协作a r q 协议进行研究，并在多 中继协作a r q 协议中讨论了帧合并这一增强技术。 第4 章在分析时分多用户协作a r q 协议的基础上，提出优化方法和设计思 路。最后对发送端有效利用信道状态信息的通信模型系统进行研究，在缓冲区 受限、给定目标误帧率的约束条件下，研究了a m c 和a r q 的联合设计，讨论 了基于信噪比和缓冲区辅助的传输设计机制。 论文最后是工作总结与未来工作展望。本章将总结论文前期所做的工作， 分析论文存在的问题以及论文的局限性，并探讨论文的未来工作内容及方向。 至童圣塑奎兰至圭墼塞兰兰篁堡圣量! 至 第2 章协作a r q 协议原理与分析方法 本章首先隔绕单巾继坼作通信场景介绍协作a r q | 办议的i 作原理，然后讨 论基于排队论和马尔可a 链的悱作a r q 协议性能分析方法。在此甚础上，讨论 曰村中继通信模型r 协作a r q 协议研究中尚未完令解决的问题，继而引i l j 论史 的研究内容。 21 协作a r q 协议的基本原理 以f 将介绍_ 节血l 】继通信模型下m 作a r q 协议的基本流程和i 作模型， 以阐述协作a r q 协议的基，怔原理。对j 一个包括渊节点s 、中继竹点r 和1 3 标 节点d 的巾叶l 继协作通信模型，协作a r q 协议j 作流程如刚2 - 1 所示。 l 区卫三二习 “上匿耍盈 ， j t “- n。1“ 一l 丑。“l 工。田一n bd 在r 聃目t 髓m * 。- - - - - - - - - _ - - - - - - - - - 一 。臣圈一，团w w + ； “ 一j j l 一“ t h * g 幽2 - 1 中继姐信模型r 协作a r q 协议i 作流群小意蚓 目的节点d 成功地接收源节点s 发送的数据帧如但1 ) a 所；f 号为s n - i 的数据帧由s 发送出去井被dj r 确接收，d 向s 发送应蒋a c k 请求发送下个数 据帧f r n = i + ”。庄f 一个时隙中，5 将发送序号s n = i + 】的数掰桢， d 舟r 的帮助fj f 确接收到数据帧。如图( 2 一1 ) b 所示源节点s 发送序甘s n = i 为数据帧，仳1 1 h 、竹点d 无法 - 确译码，然而d 可在r 的帮助r l f 确译码。占先 d 向r 发小个f 衄咎情号a c k 信号( r n = i ) 请求r 转笈l l l 其接收到f f 弓为s n = i 的 数据帧d 在r 确接收后通过a c k r 7 令发出挖制i 耐) r n - i + 1 给s ，扣一f个时川 帧罩，s 将发送序号s n = i 一1 的数据帧。 d 砖：r 的帮助f 仍然耳；能一确接收数据帧。如删f 2 一j ) c 所示，源节点s 发送 # 呼s n = i 为数掘帧，f r ih 枷：节点d 无法矿确详码，在r 的帮助r d 仍无法l r 确译 码，这时d 时源 s 发送虚答a c k 请求r n - i ，请求s 重新发送序号为s n - i 的数 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 据帧。 超时处理。如图( 2 1 ) d 所示，山于某种原凼，s 不能从d 处接收到应答a c k 信号，在这种隋况f ，源节点s 使用超刊机制以避免死锁。如幽2 1 所示，s 发 送序号s n - i 的数据帧，它不能设d j 下确洋码。d 阳r 发出个发送请求提不协助 重传序号r n - i 的数据巾贞。然而，山于r 不能f 确译出s 发出的数据帧，即r 无法 进行协作而将d 发m 的请求丢弃。s 节点将在r 节点重传时间帧结束后没有接收 到来闩d 节点的应蒋时，蘑新发送序号s ni 的数抓帧。 为分析协作a r q 协议性能i s a b e l l ac e r u t t i 等人一般性地提出了如图2 2 所 u ；的延时分析模型以分析l 办作a r q 协议性能，根据源与巾继节点能_ 占= 旧时传输 或重传数据可采用相互排斥和独立服务器模型。协作a r 0 协议的延时分析模 型如图2 - 2 ( a ) 所示，其摹本方法是将数莸传输等效为源和中继提供给h 的的服 务，即源和中继町以等价为两个服务嚣。假定数据帧到达服从泊松分布，服务 器提供相应服务，数据以某。概率离开服务器，只。和b ：表示数据帧在源服务 器和l l 继服务器n q 互相转移的概率。针对超时处珲阿2 - 2 ( a ) 中包括考啦了超 时服务器，即数据帧在处理超时的情况f 将白动车；入s 竹点服务器重新服务， 其巾只。对应j + 超时发乍的概率。 2 j 之棚对f 统的非吣作a r q 协议的延h 分析模型如图2 2 ( b ) 所示。与糊 2 - 2 ( a ) 不同之处住于，图2 2 ( b ) 将顶部眠务器和底耜服务器对应源竹止仞始发 送和出错重传，由于h a r q 踟议没有中继服务器，故只。表示源服务器的转移 概事，一。表示离开服务器的概率。分析延什j 模掣可段班协作a r o 拂议通过增 加c - 继r 肯点服务器处州，使得数抛分组i f 确离开的概率提高。对应到文献 中，算c 得帧时越锋指枷、性能都得以提升。从物理层角度看，中继博血位j 源节点和u 的市点r 1 问化置，与两者备自的信道条什鄙优十源节点直接到r 的 节点，即只。 只。因此引入中继苛点进行雨传性能更优。 h2 - 2 延时分析樾 怕ma r q t “汝 一m 堑里圣塑奎茎堡圭竺圣兰兰堡堡塞圣! 至 22 协作a r q 协议分析模型 根据协作a r q 曲- 议中源竹，1 i 和l + j 继节点在协作a r ol l 的 r 为机制大致可 以分为阿类：源节点和中继节点分时处理忙输数据或重传数据任务，源节点和 。继节点同刮传输数据或喧传数捌，对应的u r 以采f f j 柑吒排斥的服务器模型和 独立服务器模型分析叭作a r q 协议性能。 22l 互斥服务模型 图2 3 所示的服务模型可“刻i 咖和描述源节点和中继节点小能同时传输数 据或藁传数抓的，作a r q 胁议服务器扣儿有 个服务器在i ：作也就是当前 数据帧离开系统以后f 一数据帧d 允许进入。 j 阳2 - 3 互斥惟务艇型 水失般肚，假设数据帧的到达概率服从泊松分布。a 、b 衷，j 、错误事件概 苹，印与顶爿；服务器工作以后，帧或咀 进入膝部雅务器：理丁底靠服务器。 l a 的概# 离开服务模型，或以a 晌概率 顶部服务器和底部服务器交粹f 怍，假 定a 、b 是时不变的。巧7 , j 时隙k 度为白变量rk 【o ，* ) 。令数摒帧( i - r 述服务模型中的服务时川为并，其一阶砸贾和一阶矩1 分别描述了眼务时l j 的 估汁位以及波动情况( nx 二一f 1 。) x 的 阶和目 t t t i 可按以1 - 7 法计算 1 ： x = ( 2 k + 1 ) ( 1 一a ) c a 口) + 7 ，( 2 k ) a ( 1 口) ( 口j + 1 “o f 2 - 【1 ：7 t 旦 。l ab x ：巧尹( 2 “1 ) ( 】枷jb ) t + r ：产( 2 k ) a ( 1 日) ( 口r 一，l + ；j + 爿口( 3 + 爿) “” ( 2 _ 2 ) ，可j 而i - 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 数据帧的等待时间形是指从数据帧进入服务器直到服务终止所需时间，根据 p k 定理【4 9 1 有： 形= 丽7 x 2 + 芏2 ( 2 3 ) 2 ( 1 一p ) 、7 其中a 为单位时间内数据帧的平均到率，p 为业务强度，且有： p = a x( 2 - 4 ) 数据帧的逗留时间丁是数据帧在服务器中的等待时间与服务时间之和，由式 ( 2 - 1 ) 和( 2 3 ) 可知： t = 形4 - x ( 2 - 5 ) 队长是指在系统中的数据帧数。由l i t t l e 定理【49 1 ，队列和系统中的平均队长 为： n = a t ( 2 - 6 ) 顶部服务器和底部服务器队长为： i s = p ( 2 - 7 ) 2 s = 么p ( 2 8 ) 等待队长是指系统中排队等待的数据帧数。队列和顶部服务器中的平均等待队 长为： 口i ，= 一2 s = 兄t 一彳p ( 2 - 9 ) 系统的等待队长为： ：一军 ( 2 - l o ) 队列和顶部服务器的系统队长为： n s l ：n q l s 一年( 2 - 1 1 ) 以上用等待时i 日j 与逗留时间、队长与等待队长、离去过程几项指标对互斥服务 模型进行了描述。类似地，可以用这些指标分析独立服务器模型下的协作a r q 协议性能。 2 2 2 独立服务模型 独立服务模型可以刻画源节点和中继节点能同时传输数据或重传数据的 协作a r q 协议。在此模型中，两个服务器可同时工作。p 为两个服务器同时出 错的概率，定义p 为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 p = a b ( 2 1 2 ) 嵌入式马尔可夫链模型可以用图2 4 中的系统状态转移关系来表示。状态 墨f 0 表示队列和顶部服务器的帧长，= 0 ，1 ) 表示底部服务器的帧长。 吼= p 以r ( 允r ) k ! 表示一个时隙内有k 个数据帧到达的概率。顶部服务器的利用率 为： p = 等 ( 2 - 1 3 ) 若p 1 ，满足稳态条件时马尔可夫链可表示一个各态历经的随机过程。 图2 4 独立服务模型的嵌入式马尔可夫链 定义r c i ，= p r s 。) ，v f + 2 表示s i 状态的稳态概率，由图2 4 可知： x o i = a o 铂o( 2 - 1 4 ) r c o ，o = a o r c o o + a o ( 1 一p ) 巧o ( 2 1 5 ) o + ，l 表示顶部服务器未用的概率，p 表示顶部服务器的利用率，则 o + x o i = 1 一p( 2 1 6 ) 由( 2 1 4 ) 一( 2 1 6 ) 式可知： = 半铲 = 掣 亿 = 紫署 图2 5 给出了独立服务模型数据帧传输示意图，其中a 图表示多次传输同 一个帧x ，而b 图表示系统中传输两个以上( 大于两个的情况用省略号表示) 的帧，序列持续传输下去直到两者其中之一成功传输。后者在不改变帧时延情 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 况下可以交换、y 。 i uii _ j i i 川爿峄呷啤甲暖 目#gj l 4i4 图2 - 5 独立服务模型数据帧传辅吓意幽 预计服务时i e i jz 为当前时隙转入卜一时隙服务器处理时川的期望，可以用 式( 2 一l8 ) 计算得到： 一旷。2 南( 2 - 1 8 预计等待时i e t j 是指从数据帧进入服务器的时刻起直到开始接收服务这段时 剐，可以用式( 2 1 9 川掉得到： = 扣鲁p “，玉1p 托。筹 弘 2 + 1 一 。 “”i 一尸 、 其中e 2 是用束同步的、r 个时隙，, o p t s ( 1 一尸) 为、r 均坦日时| 1 j j ，m 。i ( 1 尸) 为服务等待时问，f 。d 。尸7 ，尸) 为顶部服务器的夺闲时间，将式( 2 - 1 7 ) 代八式 ( 2 1 9 ) ，结合l i t t l e 定理虬s = 1 4 9 ，则式( 2 19 ) u 1 重写为： ：三一+ 生! d 玉+ ! 玉! l 型( 2 - 2 0 ) 2 ( 1 一p ) 1p 1 一p ( ia o p ) ( 1p ) 系统延时r 是数据帧在服务器巾的预计等待时间j 预计服务时f 叫z 和。将式 ( 2 18 ) 和( 2 - 2 0 ) 相加得到： ，= 南p + 告1p 墨1p + 鲁1 + 亲等t t z - z ” 2 ( 1) 一一 尸p ( 】一p ) ( 1 一尸) 。 其l 】前三项表不单( 顶l ； ；) 服务器排队系统的时i ，最后项是加入底部服务器 的时i u j 。最后队列和顶部服务器中的f 均等待队长为： n l s = n n ：。= 2 t 一即 ( 2 2 2 1 底部服务器的队k 为： n ，j = p p ( 22 3 ) 223 协作a r q 性能分析结果 仵介纠r 互斥服务模型和独立服务模型的十h 天腻理后，经过公推导， 鲑终得到停等s w 协议、选择重传s r 协议两类 h 错正传坍议的i 类和i i 类曲 作a r q 协议和i t ：协作濉介a r q 协议的系统延时、r 均等待队长、系统、f 均等 待队长和饱和吞吐率的h 能女 ：表2 - 1 和22 所；，其1 1 i 为服务叫i i j ，片。表小 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 ( “) 链路数据帧传输的错误概率，乞d 表示目的节点不能从s 与节点j 增加冗 余后合并的数据帧正确译码的概率，以上概率均假定是线性时不变的。