（通信与信息系统专业论文）基于多天线技术的无线网络跨层自适应传输方案研究.pdf

山东大学博士学位论文 中文摘要 未来无线通信网络不仅要具有更大的系统容量，还要支持高速率的无线通信 传输业务，同时满足不同业务的服务质量( q o s ，q u a l i t yo fs e r v i c e ) 要求。然而， 随着人们对业务多样性需求的不断增长，无线频谱资源日益匮乏，已经成为遏制 无线通信网络发展的瓶颈。因此，如何提高频谱利用率成为了当前无线通信研究 的热点问题。基于多天线技术的跨层自适应机制可以有效地解决这个问题。一方 面，跨层自适应机制允许网络各层共享与其它层相关的信息，对无线网络进行整 体设计，使得在无线信道具有明显的资源受限和时变衰落的特性下，提高频谱利 用率，保证用户的服务质量( q o s ) 。另一方面，多天线技术可以在不增加系统带宽 和天线发射功率的情况下，使频谱利用率成倍增加并能够保证可靠的传输。 本论文围绕频谱利用率的提高、无线链路传输性能的改进，分别针对物理层 m i m o 自适应方案和单用户m i m o 、多用户m i m o 跨层自适应方案展开了深入地研究。 本论文的研究成果可为下一代无线通信系统的标准化提供参考依据。具体来说， 论文的主要创新之处在于： 1 针对物理层自适应m i m o 系统，提出了两种改善系统性能的自适应方案。第一， 在深入研究空时编码正交矩阵设计的基础上，提出了基于格拉斯曼流形构造的 高率正交空时码的自适应方案，该方案对收发天线的数日没有限制，而且译码 简单。第二，在d s t t d ( d o u b l es p a c e t i m et r a n s m i td i v e r s i t y ) 系统中，利 用信道反转思想提出了一种次优的非对称调制自适应功率分配算法，该算法对 系统的性能改善明显。 2 针对单用户m i m o 系统的相关信道环境，在数据链路层丢包率和时延两个q o s 约束下，利用跨层信息分析了a m c _ o s t b c _ t - a r q 系统中天线衰落相关性对频谱 利用率的影响，给出了相关n a k a g a m i m 信道下a m c _ o s t b c _ t a r q 系统的频谱 利用率、误包率、中断概率的闭合表达式；研究表明，相比n a k a g a m i 一2 分布， 相关性对r a y l e i g h 分布下的跨层系统频谱利用率影响更严重。 3 针对单用户m i m o 系统中多天线带来的射频成本的限制，提出了一种基于发送 天线选择结合正交空时码( t a s o s t b c ) 的单用户跨层自适应方案，推导出了任 意发射天线数目的t a s 0 s t b c 接收信噪比的概率分布函数和跨层系统频谱利用 山东大学博士学位论文 率的闭合表达式。 4 针对多用户m i m o 系统中空间分集与多用户分集的矛盾，提出了综合考虑物理 层信道状态变化，联合自适应调制、t a s o s t b c 技术及多用户分集技术，对用 户进行跨层自适应调度。以目标b e r ( b i te r r o rr a t e ) 为q o s 约束，分别推导 出最大化s n r 调度和归一化最大s n r 调度算法在用户信道衰落不同分布时的多 用户跨层系统频谱利用率的表达式，并与o s t b c 传输技术比较得出：基于 t a s o s t b c 技术的多用户跨层自适应调度方案可以很好的弥补o s t b c 引起的多 用户分集性能下降，提升系统的频谱利用率。 关键词：跨层自适应机制，服务质量( o o s ) ，天线选择，相关性信道，自适应 调制编码，混合自动重传请求，调度策略 2 山东大学博士学位论文 a b s t r a c t f u t u r ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na i m sn o to n l yt op r o v i d el a r g e rs y s t e mc a p a c i t y a n ds u p p o r th i g h e rd a t ar a t e sc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e s ，b u ta l s os a t i s f yt h eq u a l i t yo f s e r v i c e ( q o s ) r e q u i r e m e n t so fd i f f e r e n ts e r v i c e s h o w e v e r ，w i t ht h ec o n t i n u o u sg r o w t h o fd i v e r s ew i r e l e s ss e r v i c ed e m a n d s ，r a d i or e s o u r c e ss u c ha sf r e q u e n c ys p e c t r u mw o u l d b ef a rf r o ma d e q u a t ea n dh a sb e c o m eab o t t l e n e c ki nr e s t r a i n i n gt h ed e v e l o p m e n to f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s t h u sh o wt oi m p r o v et h es p e c t r a le f f i c i e n c yh a s b e c o m eah o tr e s e a r c ht o p i co ft h ec u r r e n tw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k a n a t t r a c t i v et e c h n i q u ek n o w na s a d a p t i v ec r o s s - l a y e rm e c h a n i s mb a s e do nm u l t i p l e a n t e n n a sh a sb e e ni d e n t i f i e da so n eo ft h em o s tp r o m i s i n gt e c h n i q u e st os o l v et h i s p r o b l e m o no n eh a n d ，a d a p t i v ec r o s s - l a y e rm e c h a n i s ma l l o w si n f o r m a t i o ns h a r i n ga n d i n f o r m a t i o ne x c h a n g ea m o n gd i f f e r e n tl a y e r sa n do p t i m i z e st h e mu n d e rl i m i t e dr a d i o r e s o u r c e sa n dh a r s hw i r e l e s sc h a n n e lc o n d i t i o n si no r d e rt oa c h i e v eb o t hh i g h e rs y s t e m s p e c t r a le f f i c i e n c ya n db e t t e rq o s o nt h eo t h e rh a n d ，m u l t i p l ea n t e n n a st e c h n o l o g yc a n d o u b l es p e c t r a le f f i c i e n c ya n dg u a r a n t e et h et r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t yw i t h o u ti n c r e a s i n g s y s t e mb a n d w i d t ha n da n t e n n at r a n s m i tp o w e r i n t h i sd i s s e r t a t i o n ，a d a p t i v em i m os c h e m e sa t p h y s i c a ll a y e ra n da d a p t i v e c r o s s - - l a y e rs c h e m e sb a s e do ns i n g l e - u s e rm i m os y s t e ma n dm u l t i - u s e rm i m os y s t e m a r ei n t e n s i v e l ys t u d i e d ，r e s p e c t i v e l y , i no r d e rt oi m p r o v et h es p e c t r a le f f i c i e n c ya n dt h e t r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c eo fw i r e l e s sl i n k t h er e s e a r c hr e s u l t sc o u l dp o t e n t i a l l yw o r k a st h es t a n d a r d i z a t i o nr e f e r e n c ef o r t h en e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k s t h em a i nn o v e l t yc o n t r i b u t i o n so fm yw o r ka r ea sf o ll o w s ： 1 w ep r o p o s e dt w on o v e la d a p t i v es c h e m e sf o rt h ep h y s i c a ll a y e ra d a p t i v em i m o s y s t e mt om a k et h es y s t e mp e r f o r m a n c eb e t t e r f i r s t l y , b a s e do nt h ee x t e n s i v e i n v e s t i g a t i o n o fo r t h o g o n a lm a t r i xd e s i g no fs p a c e - t i m ec o d i n g ，a n a d a p t i v e h i g h - r a t eo r t h o g o n a ls p a c e t i m ec o d i n gs c h e m ef r o mt h eg r a s s m a n nm a n i f o l dw a s p r o p o s e d t h i ss c h e m eh a sn ol i m i t a t i o no nt h en u m b e ro ft r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e r a n t e n n a s ，a n dh a sas i m p l ed e c o d i n ga l g o r i t h m s e c o n d l y , d r i v e nb yt h ei d e ao f 3 山东大学博士学位论文 c h a n n e li n v e r s i o n ，w ep r o p o s e das u b - o p t i m a la d a p t i v ep o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h m c o m b i n e dw i t ha s y m m e t r i ca d a p t i v em o d u l a t i o ni nd o u b l es p a c e t i m et r a n s m i t d i v e r s i t y ( d s t t d ) s y s t e m i tc a ne n h a n c et h es y s t e mp e r f o r m a n c es i g n i f i c a n t l y 2 c o n s i d e r i n gt h ec o r r e l a t e dc h a n n e lc o n d i t i o n so fs i n g l e u s e rm i m os y s t e m ，u n d e r t h ec o n s t r a i n to f q o so f p a c k e tl o s sp r o b a b i l i t ya n dt i m ed e l a ya td a t al i n kl a y e r , w e a n a l y z e dt h ee f f e c tt h a ta n t e n n af a d i n gc o r r e l a t i o nh a so nt h es p e c t r a le f f i c i e n c yi n a m c _ o s t b c _ t - a r qs y s t e m ，c o m b i n i n go fa d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g ( a m c ) a n dt r u n c a t e da u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ( t - a r q ) i nt h ep r e s e n c eo f o r t h o g o n a ls p a c e t i m eb l o c kc o d i n g ( o s t b c ) t r a n s m i td i v e r s i t yb yu s i n gt h e c r o s s - l a y e ri n f o r m a t i o na n a l y s i s w ed e d u c e dt h ec l o s e d - f o r me x p r e s s i o n sf o rt h e s p e c t r a le f f i c i e n c y ，p a c k e t e r r o rr a t e ，a n d o u t a g ep r o b a b i l i t y o ft h i s a m c o s t b c _ t a r qs y s t e mu n d e rc o r r e l a t e dn a k a g a m i - mc h a n n e l s r e s u l t s s h o w e dt h a tc o r r e l a t i o nr e d u c e ds p e c t r a le f f i c i e n c yo ft h ec r o s s l a y e rs y s t e mu n d e r r a y l e i g hc h a n n e lm o r et h a nt h a tu n d e rn a k a g a m i 一2c h a n n e l 3 c o n s i d e r i n gt h ep r o b l e mt h a t t h em u l t i p l et r a n s m i ta n t e n n ad e p l o y m e n tw i t h m u l t i p l er f - c h a i n sm a y r e s u l ti ni n c r e a s i n gc o m p l e x i t y ，s i z e ，a n dc o s t ，w ep r o p o s e d t h a tt r a n s m i ta n t e n n as e l e c t i o n o r t h o g o n a ls p a c e - t i m eb l o c kc o d i n g ( t a s o s t b c ) s c h e m ew a se x t e n d e dt ob ei na d a p t i v es i n g l e u s e rc r o s s - l a y e rs c h e m et h a tc o m b i n e s a m cw i t h h y b r i da r qt e c h n i q u e s w ed e r i v e dt h ea n a l y t i c a l c l o s e d f o r m e x p r e s s i o nf o rp r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n ( p d f ) o ft h er e c e i v e rs i g n a l t o n o i s e r a t i o n ( s n r ) a n dt h eo v e r a l la v e r a g es p e c t r a le f f i c i e n c yu n d e ra d a p t i v ec r o s s - l a y e r t a s o s t b ct r a n s m i s s i o ns c h e m ew i t ht h e a r b i t r a r y n u m b e ro ft r a n s m i t t e r a n t e n n a s 4 i no r d e rt or e s o l v et h ep r o b l e mb e t w e e nt h es p a t i a ld i v e r s i t ya n dt h em u l t i u s e r 4 d i v e r s i t y i nm u l t i u s e rm i m os y s t e m ，w ep r o p o s e da n a d a p t i v e m u l t i - u s e r c r o s s - l a y e rs c h e d u l i n gs t r a t e g yt h a ti n c o r p o r a t e dt h ea m ，t a s o s t b ct e c h n o l o g i e s o fp h y s i c a ll a y e ri n t ot h em u l t i u s e rs e l e c t i o nd i v e r s i t y b a s e do nt h ec o n s t r a i n to f q o so ft a r g e tb i t se r r o rr a t e ，w ed e r i v e dt h ec l o s e d f o r ma n a l y t i c a le x p r e s s i o n sf o r t h eo v e r a l ls p e c t r a le f f i c i e n c yb a s e do nm a x i m u ms n rs c h e d u l i n ga n dm a x i m u m 山东大学博士学位论文 n o r m a l i z e ds n rs c h e d u l i n gw h e nu s e r sh a v en o n - i d e n t i c a lc h a n n e lc o n d i t i o n s r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea d a p t i v em u l t i u s e rc r o s s - l a y e rs c h e d u l i n gs t r a t e g yb a s e do n t a s o s t b cc a nd r a m a t i c a l l ye n h a n c et h es p e c t r a le f f i c i e n c yo ft h es y s t e ma n d o f f s e tt h em u l t i u s e rd i v e r s i t yp e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o nc a u s e db yo s t b c k e yw o r d s ：a d a p t i v ec r o s s - l a y e rm e c h a n i s m ，q u a l i t yo fs e r v i c e ，a n t e n n a s e l e c t i o n ，c o r r e l a t e dc h a n n e l ，a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g ，h y b r i da u t o m a t i c r e p e a tr e q u e s t ，s c h e d u l i n gs t r a t e g y 5 a m a m c a r q a w g n b c b e r b l a s t b p s k b s c c c d f c q i c s i d b l s t d s t t d f d d h a r q h s d p a i r i i d m a c m i m o m s o s i o s t b c p d f p e r 6 山东大学博士学位论文 a d a p t i v em o d u l a r i o n 符号说明 a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc 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 d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e b r o a d c a s tc h a n n e1 b i te r r o rr a t e b e l1 一l a b sl a y e r e ds p a c e t i m e b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g b a s es t a s i o n c h a s ec o m b i n a t i o n c u m u l a t i v ed e n s i t yf u n c t i o n c h a n n e lq u a lit yi n f o r m a ti o n c h a n n e ls t a t ei n f o r m a ti o n d i a g o n a lb e l1 一l a b sl a y e r e ds p a c e t i m e d o u b l es p a c e t i m et r a n s m i td i v e r s i t y f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x i n g 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 h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s i n c r e m e n t a lr e d u n d a n c y i n d e p e n d e n ta n di d e n t i c a l l yd i s t r i b u t e m e d i u ma c c e s sc o n t r o l 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 m o b i1 es t a t i o n o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c ti o n o r t h o g o n a ls p a c e 。t i m eb l o c kc o d i n g p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n p a c k e te r r o rr a t e 自适应调制 自适应调制编码 自动重传请求 加性高斯白噪声 广播信道 误比特率 分层空时码 二进制相移键控 基站 c h a s e 合并 累计分布函数 信道质量信息 信道状态信息 对角分层空时码 双空时发送分集 频分双工 混合自动重传请求 高速下行分组接入 递增冗余 独立同分布 媒体访问控制 多数入多输出 移动终端 开放式系统互联 正交空时分组码 概率密度函数 误包率 p f p h y q o s q p s k q a m r f s n r s t s t b c s t t c t 。a r q t c p t d d t a s 山东大学博士学位论文 p r o p o r ti o n a lf a i r n e s s p h y s i c a ll a y e r q u a l i t yo fs e r v i c e q u a d r a t u r ep h a s es hif tk e yin g q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n r a diof r e q u e n c y s i g n a l 。t o n o i s er a t i o s e l e c t i v et r a n s m i s s i o n s p a c e 。t i m eb l o c kc o d i n g s p a c e t i m et r e l l i sc o d i n g t r u n c a t e da u t o m a ticr e p e a tr e q u e s t t r a n s m is s i o nc o n t r o lp r o t o c o l t i m ed i v i s i o nd u p l e x i n g t r a n s m ita n t e n n as e l e c ti o n v b l a s tv e r t i c a lb e ll l a b sl a y e r e ds p a c e t i m e 比例公平 物理层 服务质量 正交相移键控 正交幅度调制 射频 信噪比 选择发送 空时分组码 空时网格码 截短自动重传请求 传输控制协议 时分双工 发送天线选择 垂直分层空时码 7 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。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科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：生玺塑 e t期：型 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：盏重丛 导师签名 山东大学博士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 随着无线通信技术的飞速发展和i p 网络无线接入的个性化服务，无线通信网 络正朝着移动化、全i p 化和宽带化的方向发展，与有线网络相比，未米无线网络 具有以下特点： 1 无线链路可变性 无线链路质量是随着时间和空间的变化而变化。与有线传输不同，无线信号 传输介质是不可靠的，信道参数随时间动态变化。由于无线信道的多径衰落、多 普勒效应会引起无线通信的冲突、干扰和信号衰减等现象，因而无线网络的服务 质量会有很大的波动。尤其在信道经历深衰落时，即使分配大的带宽和能量给一 定的无线连接， 但丢失率和延迟需求也还是不能令人满意。此外，除了时间依赖 性外，无线链路的质量还取决于使用者的位置，这也有可能导致网络结构变化比 较大。 2 无线传输速率高速化 高速率宽带接入服务是无线通信网络的基本需求。无线通信网络不仅要求具 有大的系统容量，还要支持包括图像、视频、数据、多媒体等各种高速率传输业 务。3 g 网络虽然能提供更大容量，更好质量的通信服务，并支持多媒体功能，但 还存在着如高速数据传输性能不够理想等缺陷。i m t - a d v a n c e d 系统明确指出：在 高速移动场景下，未来无线通信网络能够支持l o o m b i t s 的峰值速率；在低速移动 场景下，未来无线通信网络能够支持1 g b i t s 的峰值速率 1 。在2 0 0 6 年发布的3 g p p t r2 5 9 1 3 2 规范中明确指出：在2 0 m h z 系统带宽的条件下，l t e 系统下行峰值速 率可达l o o m b i t s ( 频谱利用率5 b i t s h z ) ，上行峰值速率可达5 0 m b i t s ( 频谱利用 率2 5 b i t s h z ) 。为了进一步满足i m t - a d v a n c e d 系统的要求，2 0 0 8 年发布的3 g p p t r3 6 9 1 3 3 j 规范声明：l t ea d v a n c e d 系统的研究目标是支持下行1 g b i t s ，上行 5 0 0 m b i t s 的峰值速率。 3 承载业务的多样化 8 山东大学博士学位论文 随着i n t e r n e t 上实时多媒体业务( 例如：视频、音频等) 的不断丰富，下一代 无线网络所承载的通信是实时通信和数据通信( 例如：网络浏览、消息和文件传输) 的结合，这些应用将呈现出传输业务的多样化，囚而对无线网络的性能和服务质 量( q o s ) 的要求也越来越高。 那么如何在带宽、频谱等无线资源日见缺少的情况下，充分利用无线信道的 时变特性来满足用户对高速数据传输、多种业务并存的需求呢? 针对这一目标，人们在网络协议设计、无线链路传输技术方面做了大量的研究 并提出了许多有效的方案。其中在网络的协议体系方面，提出了基于q o s 的跨层自 适应设计方法 4 ，它挑战了传统设计哲学分层的开放系统互连o s i 模型。 我们知道，开放互连标准的分层模型包括物理层、链路层、网络层、传输层 和应用层等。分层结构事实上属于非最优性和非灵活性，它已在有线固定通信网 络协议设计中取得了很好的成效。但是这种模型的各层都独立工作，不允许在各 层之间分享信息，这样就无法灵活地适应无线网络环境的动态变化，致使协议栈 无法充分利用有限的频谱资源。而跨层设计机制可以通过各层之间交换状态信息 来协调层间的工作，从而能够根据无线链路的快速变化做出调整，使网络性能最 优，同时满足各种业务的需求。 另一方面，高速率、高质量的通信服务还要依赖于高效的物理层传输技术。 庆幸的是，多入多出( m i m o ) 无线通信技术提供了解决该问题的新途径，它在无线 链路两端均采用多天线，分别i _ j 时接收与发送，能够充分利用空间资源，在无需 增加频谱资源和发送功率的情况下，成倍地提升通信容量与可靠性。在蜂窝移动 通信领域，除3 g p p 已经在标准中加入了m i m o 技术相关的内容外，b 3 g 和4 g 的系统中 也将应用m i m o 技术。在无线宽带接入领域，8 0 2 1 6 e 、8 0 2 1i n 、8 0 2 2 0 等也采用 了m i m o 技术。 然而，在跨层自适应的设计框架下，与常规单天线收发通信系统相比，m i m o 通信系统中多天线的应用面临许多亟待解决的问题。本论文的核心宗旨就是研究 基于多天线技术的无线网络跨层自适应问题，进一步提高无线网络的频谱利用率。 下面将简要介绍一下与本论文相关的一些技术背景和研究现状。 9 山东大学博士学位论文 1 2 无线网络跨层自适应机制概述 1 2 1 跨层自适应原理 所谓跨层，是指原来不相邻的各层之间也可以通信，或者让相邻的层之问通过 以前没有的接口进行通信。跨层设计的整个思想就是联合在不同区域的可用资源 来构建网络，通过层与层之间的信息交互和共享，提高网络的使用效率和o o s 保证 能力。 在进行无线网络的跨层设计时，需要考虑哪些层需要对信道变化作出反应； 每一层的o o s 的特性是什么，层间该怎样进行优化；在层间需要交换哪些信息； 每个独立的层适应性协议该怎样用这些信息。具体来说分三步走。第一步，首先 网络的每一层会把对其他层产生影响的信息直接或间接地传递给相应的层，以五 层协议模型( 应用层、传输层、网络层、链路层及物理层) 为例，每一层具体的跨 层交互信息如下：( 1 ) 物理层本身可以根据信道状态信息自适应调节数据率、发送 功率和编码来满足误码率b e r 和频谱利用率的要求。而且，这个信道状态信息可 以被链路层利用来调整链路层的控制机制，能使系统在吞吐量及功率节省方面获 得较高的增益。还有，信道状态信息能够被网络层进行路由选择，改变其传输路 径以及被应用层用来改变其信源编码方式生成业务。( 2 ) 链路层的功能是对数据帧 进行封装确保其开销最小，并通过自动请求重传机制实现数据的可靠传输。能够 被其他层采用的链路层信息主要包括差错控制机制、重传数据帧的数量和长度、 切换发起及完成的时间。( 3 ) 网络层的功能主要足完成路由及寻址，确定传输数据 分组的物理网络接口。在无线通信系统中网络层能够被利用的信息包括移动的切 换信息及网络层目前正在使用的物理网络接口。( 4 ) 传输层主要负责在网络上进行 端到端的连接控制。在进行跨层信息交互时，传输控制协议( t c p ) 层的信息主要包 括往返时间、重传超时时间、最大传输单位、接收窗口、拥塞窗口、数据丢失数 量及实际吞吐量。( 5 ) 应用层是用户运行其应用业务的接口。现有应用都是面向有 线网络发展起来的，这些应用在无线网络无法高效工作，开发基于底层信息的应 用将有助于提高其在无线网络上的性能。应用层可交互的信息就是其o o s 需求， 如时延范围、时延抖动、吞吐量和分组丢失率。第二步，网络的每一层要分析其 1 0 山东大学博士学位论文 他层传递过来的影响本层性能的信息，并对本层通信作出相应的调整，通常要结 合各个层次的自适应功能，使网络足够灵活，能够随时进行自适应调节来满足特 定应用的要求。第三步，要结合应用性能要求对各层进行综合考虑，对相关的性 能参数进行折衷。 无线网络跨层设计的核心是自适应技术。跨层自适应设计允许网络功能同时 在功能和自适应之间通过信息交换，满足网络负载，信道环境和q o s 可变的要求。 现有的无线网络跨层自适应设计主要集中在：物理层和m a c 层相结合的速率自适应 方案：物理层、媒体访问控制( m a c ) 层、路由层相集合的路由自适应方案以及物理 层、m a c 层和t c p 层相结合来保证端到端的服务质量。 本论文主要集中在物理层、数据链路层的跨层自适应设计研究上，因此下面 重点介绍一下这几层中涉及到与自适应相关的技术：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 ) ，混合自动重传请求技术( h a r q ，h y b r i d a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ) 和调度策略。 1 2 2 自适应调制编码技术 无线信道是最为复杂的传输信道，具有时变特性和衰落特性。时变特性是由 终端、反射体、散射体之间的相对运动或者仅仅是由于传输媒介的细微变化引起 的。要想取得更大的无线信道容量，必须考虑信道的时变特性，使发送速率与随 机信道特性相适应，这就是a m c 所要做的工作。a m c 技术可以根据当前信道容量需 求确定合适的编码调制方式等，最大限度地以较高速率发送信息。a m c 的主要优势 在于提高蜂窝d , 区的吞吐量和功率利用率、降低干扰变化。特别是在3 g p p 标准中， 从r 5 之后的版本均支持a m c ，而且l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ，长期演进) 、 w i m a x ( w o r l di 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) 、 w i f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ，又称8 0 2 1 l b 标准) 均在其标准巾定义了a m c 功能。表1 - 1 对这三种无线通信制式的a m c 技术进行比较。 山东大学博士学位论文 表1 - 1l t e 、w i m a x 、w i f i a m c 技术要素比较 a m c 方案 l t ew i m a x w i f i ( 8 0 2 1 l g ) 咬尾卷积编码，卷积编码、b t c 、 信道编码 卷积编码 t u r b oc t c 、l d p c 码率( 卷积、t u r b o )传输信道1 31 2 ，2 3 ，3 4 ，5 61 2 、2 3 、3 4 b p s k 、q p s k 、b p s k 、q p s k 、b p s k 、q p s k 、 调制 16 q a m 、6 4 q a m1 6 q 蝴、6 4 q a m 1 6 q a m 、6 4 q a m 调制编码组合方案不同信道 = 3 种1 7 种8 种 c q i 传输信道参数测量 测量门限自定义 ( 信道质量信息) 总体来看，w i m a x 的a m c 类型最多，选择比较灵活，能够更好地适应环境变化， 但参数配置比较复杂，增加了系统复杂度；l t e 的a m c 类型比较少，比较固定，降 低了系统复杂度，有利于系统兼容性和标准化；w i f i 的信道编码只采用了传统的 卷积编码，性能虽然有所欠缺，但是比较简单，易于实现。 1 2 3 混合自动重传请求技术 前向纠错编码( f e c ，f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ) 和a r q 机制( a u t o m a t i cr e p e a t r e q u e s t ) 都可以控制传输错误。f e c 机制通过向接收端传输冗余比特，使传输中出 现的错误能够得到纠正。a r q 机制则通过重传损坏的数据帧实现数据的可靠传输。 早期的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 ) 技术是a r q 与f e c 的简单合并，即： f e c 宝h 错后，若依然检测到错误，就抛弃接收分组，并请求重传。由于在3 g 系统中 的成功应用，h a r q 技术在l t e 系统中也得到了同样的重视。当发展至u h s d p a ( h i g h s p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s ) 和l t e 系统时，h a r q 技术不再是f e c 与a r q 的简单 合并。h a r q 不仅能够获得f e c 所带来的编码增益，还可以获得软合并带来的分集增 益。在h s d p a 和l t e 系统中，接收失败的分组不会被立刻丢弃掉，而是最大比合并 接收失败分组和重传分组，充分利用了各次重传信号的软信息。 c h a s e 合并( c c ，c h a s ec o m b i n a t i o n ) 和递增冗余( i r ，i n c r e m e n t a lr e d u n d a n c y ) 是h a r q 技术的两种不同方案。在c h a s e 合并算法中，各次重传分组完全相同，接收 1 2 山东大学博士学位论文 机最大比合并各次重传信号，从而获得分集增益，改善链路质量。在i r 算法巾， 各次重传信号重传不同的冗余校验位，将各次重传信号合并后，接收机就可以得 到一个冗余更多、码率更低的码字，从而提高码字被正确译码的概率，改善链路 质量。为了避免首次传输时，系统位由于深度衰落而发生严重错误，i r 算法可在 重传时重传系统位，并在接收机对系统位进行最大比合并。 将h a r q 也列为自适应技术的范畴是因为它可以保证a m c 的实现。由于a m c 对于 信道估计差错和反馈时延很敏感，当引入h a r q 的重传机制后，会降低这种敏感程 度，从而提高系统的鲁棒性。 1 2 4 调度策略 调度是一个与时问次序相关的概念。最经典的调度算法希望解决的是在多个 用户争用资源时，如何确定一种服务次序。为解决无线信道动态变化造成的资源 浪费问题，人们提出了依赖于地理位置的调度算法 5 ，7 、依赖于信道状态的调 度算法 6 和机会