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一种基于自适应调制编码的无线系统跨层设计及分析方法 摘要 无线通信环境具有快速变化的特性，而基于分层结构的设计模型 只允许相邻的层之间以固定的方式传输信息。这样的系统无法灵活地 适应无线移动环境的变化，从而使得整个系统只能考虑在通信条件最 为恶劣的情况下工作，导致了系统无法对有限的资源进行有效的利 用。为了解决这个问题，人们提出了跨层设计的思想，即某一层可以 跨层使用其它层的信息，使系统设计更加灵活，从而使系统能够满足 各种业务的需求。 论文中考察了一个基于自适应调制编码的跨层设计系统。系统在 物理层采用自适应调制编码进行传输，系统同时涉及物理层，链路层 以及传输层等问题，所以必须处理不同层之间的配合。这里的做法是， 将物理层的参数通过变换处理，获取有用信息并将信息提交上层使 用，从而向上层屏蔽了物理层的传输细节。 在系统上层，论文考察了a r q ，有限长队列以及t c p 与自适应 调制编码相互作用的情况。并在此基础上考察了一种跨层设计方案， 该设计实现简单，部署容易，并能很好的提高系统性能。 关键词：白适应调制编码，跨层设计，a r q ，有限长队列 ac r o s s l a y e rd e s i g na n da n a l y t i cm e t h o d b a s e do na d a p t i v em o d u l 觚i o na n dc o d i n g a b s t r a c t t h ew i r e l e s se n v i r o n m e n ti s u n p r e d i c t a b l e ，w h i l et h et r a d i t i o n a l l a y e r sm o d e lo n l ya l l o w sa d j a c e n tl a y e r st oc o m m u n i c a t ei naf i x e dw a y o b v i o u s l yt h i sm e t h o d o l o g yc a n ta d a p tt ot h ee n v i r o n m e n ti nt i m e ，s o t h es y s t e mi su s u a l l yd e s i g n e dt ow o r ki nt h em o s tt e r r i b l ee n v i r o n m e n t ， w h i c hw o u l dw a s t em u c hs p e c t r a lr e s o u r c e s oac o n f l i c tb e t w e e nt h e l a y e r sm o d e ld e s i g na n dt h eu n p r e d i c t a b l ew i r e l e s se n v i r o n m e n te m e r g e s o nt h i sb a c k g r o u n d ，t h ec o n c e p to fc r o s s l a y e rd e s i g nw a sd e v e l o p e d ， w h i c hm e a n sas p e c i f i cl a y e rc o u l du s et h ei n f o r m a t i o nf r o mo t h e rl a y e r s t h i ss o l u t i o nm a k e st h ed e s i g nm o r ef l e x i b l ea n dw a sp r o v e du s e f u l t h i s p a p e rp r e s e n t s a c r o s s l a y e rs y s t e m b a s e do na d a p t i v e m o d u l a t i o na n dc o d i n g o np h y s i c a ll a y e r , t h es y s t e ma d o p t sa d a p t i v e m o d u l a t i o na n dc o d i n gt ot r a n s f e rd a t a b e c a u s ei ti n v o l v e sp h y s i c a ll a y e r d a t a l i n kl a y e ra n dt r a n s f e rl a y e r , t h ec o o p e r a t i o nb e t w e e nl a y e r si s n e c e s s a r y t h es y s t e mp r o c e s s e st h ep a r a m e t e r sf r o mp h y s i c a ll a y e ra n d h a n d st h er e s u l t st oh i g h e rl a y e r , s ot h a th i d et h ed e t a i l so f p h y s i c a ll a y e r t h es i m u l a t i o nw a sr e a l i z e di nt w o s t e p s o nh i g hl a y e r s ，t h ep a p e rs t u d i e da r q ，f i n i t eq u e u ea n dt c p , w h i c h i n t e r a c tw i t ha d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g a n dac r o s s l a y e rd e s i g n w a sp r o p o s e d t h i sd e s i g ni se a s yt oi m p l e m e n ta n di sv e r yh e l p f u li n p r o m o t i n gt h es y s t e mp e r f o r m a n c e a t1 a s t ，t h ep a p e r a n a l y z e dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t s k e y w o r d s ：c r o s sl a y e r , a r q ，f s m c ，f i n i t eq u e u e 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处 本人签名：王窿巫 本人承担一切相关责任。 日期：盈啦墨：垦 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：兰垦三垒曰期： 巫：墨：鉴 导师签名： 经叁缁日期：三壹：弓：丝 北京l l | j j 电大学颂_ 二硼 究生论文 第1 章引言 现代无线移动通信已从模拟通信发展到了数字移动通信阶段，并且正朝着个 人通信这一更高级阶段发展。未来移动通信的目标是，能在任何时间、任何地点、 向任何人提供快速可靠的通信服务。 随着各式各样的无线业务和数据业务的不断出现，无线资源如频谱变得越来 越紧缺，如何更高效地利用有限的通信资源成为无线通信新技术发展的焦点所 在。近年来，链路自适应技术由于能有效地提高频谱效率，被视为未来无线移动 通信系统的关键技术之一。 第四代无线通信系统必须能够实现与互联网的信息交互，这就需要利用通信 协议来实现系统与其他通信系统间的互连互通。但是，现有的通信协议是基于 o s i 标准的，其协议栈是按照严格的分层方式工作，很难适应快速变化的无线通 信环境，这就使得现有的通信协议无法在4 g 系统内有效地工作。为了使无线通 信系统能够和互联网高效良好的交互，在现有的分层模型内，人们提出了跨层设 计或跨层优化的思想。 论文考察了一个采用跨层设计的仿真系统，在这个仿真系统中，物理层采用 自适应调制编码进行传输，通过结合链路层，传输层等上层参数来优化设计，从 而提高系统性能。本章介绍了论文研究的背景，以及论文的组织结构。 i i 研究背景 在多媒体有线无线通信网络中，对高速数据传输和服务质量的要求正在快速 提高。这类网络传输的“瓶颈”就是无线链路，这不仅因为无线通信的资源是非 常稀缺和珍贵的，还因为系统的整体性能会随着无线传送引入的多径衰落，多普 勒效应和时间弥散效应而显著恶化。在无线信道下，为了在一定的错误性能指标 下提高系统的频谱利用率，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 d c o d i n g ) 被广泛采用，以应付时变的信道环境。由于自适应调制编码传输效率高， 有效性好，它已经被多个标准采用为物理层标准，包括3 g p p , 3 g p p 2 ， h i p e r l a n 2 ，i e e e 8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 6 。 在物理层使用自适应调制编码进行传输，这里所谓的编码，主要目的是用来 纠错，这种方式又称为前向纠错( f e c ) 。有研究表明，仅使用前向纠错的代价是 很大的，特别是在信道状态变化频繁的无线信道条件下，前向纠错很难保证传输 的可靠性，同时，由于当信道条件恶化时，必须采用强纠错编码或者小尺寸的星 北京邮i 乜大学硕士研究生论文 座映射，传输的可靠性也受到很大影响。为了避免前向纠错存在的不足，另一种 纠错措施a r q 被广泛使用。 纯a r q 包括停等式a r q ( s t o p a n d w 缸t ) ，退n 步a r q ( g 0 一b a c k - n ) 和选择重 传a r q ，有研究表明，将a r q 与前向纠错技术相结合，将有效的降低重传次数。 以前的研究中，都是根据分层的思想，将a r q 与a m c 分开考虑。但是a m c 通过采用适当的调制编码技术来降低通信的差错概率，同时a r q 通过重传来降 低差错概率，就保证系统的通信可靠性来晚，这两者的联系非常紧密，且相互依 赖，所以我们考虑将a r q 与a m c 相结合，进行联合设计。 一个基站一般都需要为多个无线终端服务，基站使用缓存保存信息，形成发 送队列，系统根据某种调度策略，将队列中的包取出，经a m c 将信息发送出去。 在过去的研究中，根据分层的思想，都将a m c 与队列的状态分开考虑，即a m c 总是假设队列中有足够多的数据等待传输，但这一假设并不总是满足的。同时在 实际中，缓存的容量是有限的，即队列是有限长的，当队列已满，如果此时有包 到达时，系统将采用某种策略丢弃此包，这类的丢包将不可恢复。队列是否溢出 与自适应调制编码的传输的有效性有直接的关系，因此将自适应调制编码的设计 与链路层队列分开考虑并不合适，有必要将链路层的队列与物理层的自适应调制 编码联合考虑。 论文中还对t c p 与自适应调制编码的联合作用进行了分析。 1 2 论文的组织结构 论文介绍了一个应用跨层设计思想的系统的设计和分析方法，并搭建了仿真 系统，整个仿真系统由几个模块构成。 ( 1 ) 自适应调制编码仿真模块。这个模块中包括自适应调制编码中传输可靠性 的确定，调制编码的设计，信道的仿真等。 ( 2 ) a r q 模块 ( 3 ) 有限长队列模块 f 4 ) t c p 模块 论文考察了上层模块与自适应调制编码模块的相互作用，以及采用跨层优化 设计对系统性能的影响。 论文的第二章介绍了无线通信的发展现状，以及自适应技术的应用。第三章 介绍了跨层设计产生的背景，采用跨层设计带来的好处，以及采用跨层设计应该 注意的问题。第四章详细介绍了搭建仿真系统的方法和步骤，并给出了理论分析 方法。第五章给出了仿真结果以及分析。第六章作最后总结和未来工作展望。 北京邮电大学硕- j ：r 0 1 ：究生论文 第2 章自适应技术 2 1 无线移动通信发展现状 移动通信可以说从无线电发明之目就产生了。人类采用无线方式进行通信的 历史可以追溯到十九世纪末。1 8 6 4 年，英国物理学家麦克斯维( j c m a x w e l l ) 创造性地总结了人们已有的电磁学知识，预言了电磁波的存在。1 8 8 7 年，德国 物理学家赫兹( hr h e r t z ) 用实验产生出电磁波，证明了麦克斯维的预言。1 8 9 7 年，意大利科学家马可尼( gm a r c o n i ) 首次使用无线电波进军亍信息传输并获锝 成功。1 9 0 1 年，马可尼实现了从英国到纽芬兰的跨大西洋无线电信号接收，这 是一次超过2 7 0 0 公里的远距离通信，充分显示了无线通信的巨大发展潜力。在 随后的一个多世纪的时间里，伴随着计算机技术和大规模集成电路技术的发展， 无线通信的理论和技术不断取得进步，今天的移动通信技术已成为人们日常生活 中不可缺少的重要通信方式。 早期的无线通信主要用于船舶、航空、列车、公共安全等专用领域，用户数 量很少。二十世纪六十年代贝尔实验室提出了蜂窝的概念，使无线通信摆脱了传 统的大区制结构，为无线通信的大规模商用奠定了基础。七十年代具有高可靠性 的固态微型射频硬件的发展使移动通信逐渐成熟起来。从二十世纪七十年代末到 现在的二十多年时间里，无线通信系统从以模拟技术、频分多址为特征的第一代 发展到以数字技术、时分多址为特征的第二代，直至目前正在逐渐开始商用的以 宽带码分多址为核心的第三代。 最近十年是移动通信迅猛发展的十年，据统计，1 9 9 0 年全球移动电话的用户 仅为一千万，而2 0 0 3 年底移动电话用户的数量已达到1 3 亿。在中国，截止2 0 0 4 年5 月底移动电话用户总数达到3 0 5 亿，同时在最高峰时每月新增的移动电话 用户数超过一千万，中国已经成为全球最大的移动通信市场 1 l 。不论是中国还是 全球，移动电话的用户数都已经超过了固定电话的用户数。移动通信的成功在于， 固定电话只能实现某一固定位置与另一固定位置之间的通信，而移动通信可以真 正实现人与人之间的通信，因此受到了用户的欢迎，同时也促使其获得了很大的 发展。 除了蜂窝移动通信系统，还有其他一些无线通信技术也在不断涌现，包括以 d e c t 、p h s 为代表的；以i e e e8 0 2 1 1 和h i p e r l a n 2 为代表的无线局域网、以 i e e e8 0 2 1 6 为代表的无线城域网( 本地无线宽带接入) 、以蓝牙( b l u e t o o t h ) 为 代表的无线个人域网以及以数字音频广播( d a b ) 、数字视频广播( d v b ) 为代 表的新一代数字广播技术等。图l 一1 给出了不同无线系统在覆盖范围和数据速率 北京郎电大学硕士研究生论文 上的差别。 匠 姆 涮 魁 赳 耔 澄 数据速率( m b i t s ) 图2 - 1 不同无线系统在覆盖范围和数据速率的差别 另一方面，在有线网络中，i n t e m e t 的发展更加迅猛，其业务量已经超过了 传统的话音业务的业务量。与此相对应的，人们也希望在移动通信中能够同样使 用i n t e r n e t 业务。在这方面最为成功当属e t 本n t td o c o m o 于1 9 9 9 年推出的 i - m o d e 业务。这项业务可以为用户提供电子邮件、w e b 浏览以及包括股票、天 气等信息查询、银行业务、游戏、娱乐等的在线业务。 移动互联网的发展，使得移动电话已经不仅仅是一个语音交谈的工具，也成 为了人们进行各种个人和商业目的电子通讯的通信工具。同时，通信的对象也进 一步得到了扩大，从人与人之间扩大到了人与机器之间【2 】口 随着用户对各种实时多媒体业务需求的增加和互联网技术的迅猛发展，无线 通信的这种发展趋势将继续。预计到2 0 0 6 2 0 0 7 年间，全球蜂窝电话的用户数量 将超过2 0 亿，其他无线技术如无线局域网、无线城域网、无线个人域网等也将 有更大的市场需求。 面对宽带业务需求的不断增长，无线传输作为个人通信的重要手段，其矛盾 显得十分突出。尽管第三代移动通信系统( 3 g ) 能提供m b p s 量级的传输速率， 但与宽带业务的发展需求相比还相差甚远，远远不能满足未来个人通信的要求。 根据移动通信1 0 年一代的发展规律，预计在2 0 1 2 年左右将会推出4 g ( 也称为 b e y o n d3 g 或b e y o n di m t - 2 0 0 0 ) 无线通信系统。 北京邮电大学硕士研究生论文 一般来说，技术的发展总是要超前于实际的商业应用，例如g s m 系统在9 0 年代中期得到大规模的商用，但是它的研究在8 0 年代就开始了。同样3 g 的研 究工作也是从9 0 年代初期就展开了。因此，目前正是开始4 g 研究的时候。 国际电信联盟i t u 于2 0 0 0 年1 0 月发起成立了b e y o n di m t - 2 0 0 0 工作组，旨 在统一全球移动通信标准。2 0 0 1 年1 0 月的i t u rw p 8 f 会议上，初步明确了 b e y o n di m t - 2 0 0 0 研究的基本框架：b e y o n di m t - 2 0 0 0 是指广泛应用于各种电信 环境的无线系统的总和，包括蜂窝、固定无线接入、游牧( n o m a d i c ) 接入系统 等，它涵盖了已有的i m t - 2 0 0 0 、无线接入、数字广播等系统，并将新增两个部 分，即支持约1 0 0 m b p s 的蜂窝系统和支持高达1 g b p s 以上速率的游牧本地无线 接入系统等】。根据i t u 给出的时间表，2 0 0 2 年6 月完成总体目标和远景，2 0 0 7 年进行频谱规划，2 0 1 0 年左右完成全球统一的标准化工作，2 0 1 2 年左右开始投 一入商用。 一 目前4 g 已经成为国际性的研究热点口】。从世界范围内来看，欧洲和日本在 4 g 研究中处于领先地位。 由于g s m 标准的巨大成功，欧洲的设备生产商、运营商和研究机构在无线 和移动通信研究和开发上起了领导的作用，他们也对4 g 系统研究最为积极。2 0 0 1 年8 月，以欧美5 大通信设各制造商( 阿尔卡特、爱立信、诺基亚、西门子和摩 托罗拉) 为中心成立了世界无线通信技术研究论坛( w w r f ) ，作为一个非盈利 性组织，积极推进全球范围内研究、开发4 g 相关的技术以及4 g 标准的制订。 同时，欧盟信息技术协会( i s y ) 第5 框架和第6 框架研究计划下的多个研究项 目，如w i n n e r 、a m b l e n e t 、m i n d 、m a t r i c e 等也都开展了大量的研究工 作。此外，欧洲各国也有一些相关的研究项目，如法国的r n r t ( r s e a u n a t i o n a l d el ar e c h e r c h ee nt 6 l g c o m m u n i c a t i o n s ) 、德国的b m b f ( b a s i ct e c h n o l o g i e sf o r c o m m u n i c a t i o n s n e t w o r k s ) 瑞典的p c c ( p e r s o n a lc o m p u t i n ga n dc o m m u n i c a t i o n p r o g r a m ) 和芬兰的n e t s ( n e t w o r k so f t h ef u t u r e ) 等。 日本作为第一个投入3 g 商用的国家，在4 g 系统研究上也投入很多的人力 物力。尤其是n t td o c o m o 公司在4 g 研究工作非常引人瞩目，他们提出了以 可变扩频因子正交频率码分复用( v s f o f c d m ) 为主要技术的4 g 系统实现方 案，继2 0 0 2 年1 0 月首次推出下行链路速率为1 0 0 m b i t s ，上行链路速率为2 0 m b i t s 的实验系统后，在2 0 0 4 年5 月2 6 日- - 2 7 日第4 代移动通信系统( 4 g ) 国际会 议“i c b 3 g2 0 0 4 ( i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c e o n b e y o n d 3 gm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s 一2 0 0 4 ) ”上，n t t d o c o m o 公布了正在日本神奈川i 县横须贺市实 施的4 g 实地试验的详细数据。在离4 g 无线基站8 0 0 m l k m 的地方以3 0 k m 的 时速行驶的车辆中，实现了下行速度最大约3 0 0 m b i t s ，平均约1 3 5 m b i t s 的数据 北京邮电大学硕士研究生论文 传输速度。 在中国，2 0 0 1 年启动的“十五”8 6 3 重大研究计划项目中专门设立了面向4 g 的f u t u r e ( f u t u r et e c h n o l o g yf o ru n i v e r s a lr a d i oe n v i r o n m e n t ) 计划，该计划 的研究目标是在新技术产生的初期，对国际主流核，i i , 技术的发展以及知识产权的 形成有所贡献，实现移动通信技术跨越式发展；开展高技术研究和试验，侧重于 可实现性的关键技术开发与演示，并于2 0 0 5 年底进行关键技术的演示。同时中 国科学院和上海市政府在上海联合成立了移动通信技术研究中心，专门进行4 g 的研究工作。 无线互联网和无线多媒体是未来移动通信系统的主要目标，这对4 g 提出了 更高的要求，包括具有更高的信息传输速率，为用户提供更大的便利性。虽然 4 g 的研究还在进行中，但是目前普遍认为，4 g 无线通信网络的特征包括：涵盖 各种无线系统，包括蜂窝网、无线局域网、卫星等，各种空中接口可以与因特网 直接相连，组成一个统一的全球性的网络；以i p 为核心网采用分组交换方式， 向用户提供的峰值速率超过1 0 0m b i t s ，并能支持用户在各种无线通信网络中无 缝漫游；支持不同类型业务和多种q o s 要求，灵活的用户管理、移动性管理， 更高的安全性；智能、开放的网络业务平台，便于新业务的开发和应用：终端智 能化，可重载等 6 】。 从传统蜂窝通信网的角度来看，第1 代至第4 代蜂窝通信网的演进可以由表 1 - 1 给出【”。 表2 - 1 蜂窝通信网的演进 1 g2 g3 g4 g 无线 模拟 数字数字数字 t d m a基于o f d m 和 接入技术f d m a 宽带d s c d m a 窄带d s c d m ac d m a 电路交换和分 核心网 电路交换 电路交换 完全基于i p 组交换 语音语音语音、，o i p 主要业务 文本、图片、低宽带移动互联 文本 码率视频等 网 但是未来的4 g 通信系统将突破传统的蜂窝网的概念，它不仅包含蜂窝网， 还将涵盖无线城域网、无线局域网、无线个人域网、卫星、广播等多种无线技术， 并根据各种接入技术的特点，构建分层的无缝隙全覆盖整合系统，形成“通用无 北京邮电大学硕士研究生论文 线电环境”，并实现各系统之间的互通。图1 - 2 给出了可能的4 g 无线网络。 图2 - 24 g 网络示意图 为了支持更高的信息传输速率和更高的用户移动速度，在下一代的无线通信 中必须采用频谱效率更高，抗多径干扰能力更强的新型传输技术。其中的关键技 术包括： ( 1 ) o f d m 多载波技术【8 】 c d m a 由于具有扩频增益、软容量、频率复用简单等优点，成为3 g 的核心 技术。但是对于4 g 的高速数据速率，如果采用单载波传输，码间干扰将十分严 重，需要复杂的均衡器。而o f d m 由于具有频谱利用率高( 子载波正交) 、抗频 率选择性衰落能力强( 一般只需要在每个子载波上使用单抽头均衡器) 、实现简 单( 可以使用f f t ) 、对抗窄带干扰( 窄带干扰只影响部分子载波) 、易于实现子 载波间的自适应比特、功率分配、支持多种多址方式( o f d m a 、o f d m 。t d m a 、 o f d m c d m a 、o f d m - f h 等) 等优点，已经被视为是4 g 系统空中接口最有可 能采用的技术。虽然，o f d m 已经在很多宽带数据传输系统中采用，包括x d s l 、 d a b d v b 、无线局域网i e e e8 0 2 1 l a g 和h i p e r l a n 2 、无线城域网i e e e8 0 2 1 6 a 北京邮电大学硕士研究生论文 等，但是将它用于移动通信的复杂环境，还有一些问题需要解决，包括同步、频 偏、峰均比等。 ( 2 ) m i m o 多天线技术卜”1 m i m o 技术是指在发送端和接收端都采用多根天线的技术。从信息论角度已 经证明，在多天线系统中，信道容量可以随信噪比线性增长，而不是单天线系统 中的对数增长，因此可以大幅度的提高无线系统的频谱效率。实际中，多天线技 术可以有多种用途，主要包括：a ) 空间复用，多个数据流并行传输，使用相同 的带宽，可以提高数据传输速率，如v _ b l a s t 系统；b ) 分集，空间维是分集 技术中很重要的一维，尤其是空时码技术；c ) 天线增益，利用波束成形提高接 收端的信噪比；d ) 干扰消除，利用目标信号和干扰信号的不同空间特征来降低、 消除干扰。 ( 3 ) 新型信道编译码。1 ” 数据业务对可靠性提出了更高的要求，t u r b o 码和l d p c 码在理论上接近仙 农极限，具有很好的性能，是4 g 系统中最有希望采用的两种编码。 ( 4 ) 链路自适应技术i j 叫 无线通信有别于有线通信很重要的一点，就是无线信道的动态性。这主要是 指信道传播的开放性和信道参量变化的时变性，引起信道的频率选择性衰落和时 变衰落。用户的移动也会引起接收环境的复杂性( 室内、市区、郊区与农村) 和 接收地点的随机可变。此外，随着移动业务的丰富，用户多种应用，多媒体流量 的变化，不同用户的优先级等等，都具有变化性。上述三维动态特性是无线通信 的主要特色，这导致了系统设计的困难，如果采用固定技术，为了保证可用性就 只能按照信道性能较差情况和最低要求设计。这样在信道较好的情况下对资源是 一种很大的浪费，尤其是在无线通信中，频谱、功率等资源都是相当宝贵的。 因此采用自适应的方法，根据信道、用户和业务的改变，在满足一定条件下， 改变系统中的某些参数，如发射功率、调制方式、符号速率、编码码率、扩频系 数、交织参数、天线加权系数等，达到系统的最优化，是无线通信系统中提高频 谱利用率的重要手段。特别是在未来的4 g 系统，各种类型的无线业务( 语音、 数据和多媒体) 的广泛应用，需要无线容量和速率的进一步提高，链路自适应必 然是核心技术之一。 2 , 2 自适应技术的发展 自适应技术在6 0 年代末就已经被提出，但是在当时没有引起人们很大的 注意，主要的原因可能是硬件的限制，缺乏好的信道估计技术，研究的重点还是 北京邮电大学硕士研究生论文 点对点没有反馈的无线链路。直到2 0 世纪9 0 年代，随着技术的发展，这些限制 已经逐渐变得不重要，而同时对于频嗜效率的要求也越来越高，因此自适应技术 重新成为研究的热点，并且取得了很多成果，在很多实际系统中得到应用。表 1 - 2 列出了目前移动通信中使用的主要自适应技术及其应用。 表2 - 2 自适应技术分类及其应用情况 类别技术名称实际应用系统 自适自适应天线阵t d s c d m a 应接收技 术 自适应均衡 g s m 、i s 1 3 6 i s 9 5 、w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 功率控制 等 g p r s 、e d g e 、h s d p a 、 自适 自适应调制 c d m a 2 0 0 0l xe vd 0 d v 、 应发送技 术 8 0 2 1 l a 、h i p e r l a n 2 等 自适应编码同上( 两者_ 般结合使用) 可变扩频增益w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 自适应发射天线分集w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 自适 应无线资 动态信道分配 p h s 、d e c t 源管理技 术 无线自适应技术是一个比较宽泛的概念，可以认为涵盖所有具有自适应特性 的无线技术。上表中的分类是根据其所在层面和主要功能给出的。其中自适应发 送技术也就是一般所称的链路自适应( l i n ka d a p t a t i o n ) 技术。链路自适应技术 主要可以分为功率控制和自适应调制两大类。 由于功率控制在c d m a 系统中起着举足轻重的作用7 1 ，因此已经有了很多 深入的研究。此外，一般功率控制需要从系统角度考虑，而不只是单个链路。因 此目前一般都将功率控制从链路自适应中独立出来，而把链路自适应等同于自适 应调制技术。本论文也将采用这种观点，即在没有特别说明的情况下，将链路自 适应和自适应调制同时替换使用。 一般情况下，只讨论自适应调制技术，而不涉及功率控制。 北京邮电大学硕士研究生论文 2 3 链路自适应技术在现有无线通信系统中的应用 首先来简单了解链路自适应技术在现有无线通信系统中的应用。 ( 1 ) g p r s 与e d g e g s m 在全球范围内取得了极大的成功，但是其数据速率只有9 6 k b s ，远远 不能满足人们对无线数据业务的需求。因此，作为g s m 向3 g 的过渡，g p r s 和e d g e 分别被称为2 5 g 和2 7 5 g 技术，它们的核心是提高数据传输速率，其 中链路自适应正是关键技术之一。g p r s 仍然采用g s m 的g m s k 调制方式，而 采用4 种编码方式( 码率分别为1 2 ，2 3 ，3 4 和1 ) 来适应不同的信道环境。 为了进一步提高速率，e d g e 中引入了新的调制方式8 p s k 。这样2 种调制方式 ( 8 p s k 和g m s k ) 与g p r s 中的4 种编码方式，可以构成8 种自适应调制模式， 其峰值速率在终端移动速度为1 0 0 k m h 是可以达到3 8 4 k b s ，而终端移动速度为 2 5 0 k m h 是可以达到1 0 0 k b s ，大大提高了原有系统的频谱利用率。 ( 2 ) w c d m ah s d p a 与c d m a 2 0 0 0i xe v d o d v 作为w c d m a 的增强模式，h s d p a 2 0 】的目的也是提高下行数据传输速率。 它定义了专门用于数据传输的d s c h ，其中采用的关键技术包括自适应调制编 码、混合a r q 、m i m o 、数据调度和快速小区搜索。其中的自适应调制编码部 分，定义了多种调制和编码方式的组合( m c s ) ，来提供不同的传输速率，最高 可达1 0 m b s 。其传输模式如表1 3 所示。 表2 - 3h s d p a 的传输模式 传输模式 调制方式 编码速率每扩频码传输速率 l q p s k l ，4 1 2 0 k b p s 2 q p s k 1 ，2 2 4 0 k b p s 3 q p s k 3 ，4 3 6 0 k b p s 4 ，1 6 q a m l ，2 4 8 0 k b p s 5 1 6 q a m 3 4 7 2 0 k b p s 类似地，3 g p p 2 也在c d m a 2 0 0 0 的基础上提出了一种下行数据传输的增 强技术，通过链路自适应，最高可以在1 2 5 m h z 带宽内提供5 m b s 的速率。 ( 3 ) i e e e8 0 2 11 a 与h i p e r l a n 2 i e e e8 0 2 1 1 a 和h i p e r l a n 2 分别是i e e e 和e t s i 提出的无线局域网标准， 两者的物理层非常接近，只是在数据链路层和高层有所差别。i e e e 8 0 2 1 1 a 的物 北京邮电大学硕士研究生论文 理层是o f d m 和链路自适应技术的结合，定义了8 种传输模式，如表1 4 所示。 需要注意的是，这里的链路自适应只是在时间域进行，o f d m 所有子载波上的 调制方式和编码方式是同时变化的。 h i p e r l a n 2 定义了7 种传输模式，基本上和i e e e8 0 2 1 l a 的类似。 表2 - 4i e e e8 0 2 1 l a 的传输模式 传输模式调制方式编码速率 物理层传输速率 1b p s k1 2 6 m b p s 2b p s k3 ，4 9 m b p s 3 q p s k 1 ，2 1 2 m b p s 4 q p s k 3 ，4 1 8 m b p s 5 1 6 q a m 1 ，2 2 4 m b p s 6 ，1 6 q a m3 4 3 6 m b p s 76 4 q a m2 3 4 8 m b p s 8 6 4 q a m 3 4 5 4 m b p s 【4 ) i e e e8 0 2 1 6 a i e e e8 0 2 1 6 a 是i e e e 定义的无线城域网标准，也称为固定无线接入，可以 作为“最后一公里”技术。其定义了三种方式，即单载波、o f d m a 和o f d m 。 其中也采用q p s k 、1 6 q a m 和6 4 q a m ( 可选) 三种调制方式，而编码方式则采 用级联r s 一卷积码或t u r b o 码( 可选) ，并有多种码率，构成多种传输模式。 从上面的介绍可以看出，这些新出现的无线通信系统普遍都采用了自适应编 码调制技术来提高数据传输速率。因此，链路自适应技术作为一种非常有效的提 高频谱利用率的措施也将成为b e y o n d3 g 的关键技术之一。此外，也应该看到， 目前各系统中采用的自适应调制技术还比较简单，只是调制方式和编码方式的组 合，同时自适应仅在时间域上进行。进一步的研究，将把自适应调制从时间域向 频率域和空间域扩展，同时进一步与其他技术结合，联合设计优化，从而更好地 提高系统性能。 2 4 链路自适应技术的发展和研究现状 下面简单介绍关于自适应调制技术的发展及研究现状。 北京邮电大学硕士研究生论文 “一个有效对抗这些有害( 衰落) 效应的方法，是根据接收端获得的接近瞬 时信道质量信息，自适应地调整调制和信道编码的方式以及其他系统参数，这些 信道质量信息利用一个反馈信道反馈回发送端”，这是h a y e s 在1 9 6 8 年就提出的 自适应准则，也是自适应技术的开端。 h a y e s 提出使用传输功率的自适应，而c a v e r s 提出根据接收信道质量采用变 化的符号长度。变功率技术的缺点是它会提高平均发送功率要求和对其他用户的 共信道干扰( c c i ) ，同时要求使用线性程度高的a 类或a b 类功率放大器，其 功率效率比较低。而变符号速率则会引起带宽的变化，同时硬件实现也比较复杂。 相比于上面两种方法，自适应调制是利用衰落的更简单有效的方法。s t e e l e 和w e b b 提出了基于星形q a m 的自适应调制技术。随着导频辅助调制p s a m 技 术的出现，o t s u k i 等提出使用矩形q a m 星座作为可选的调制方式。 斯坦福大学的g o l d s m i t h 教授及其领导的研究小组，对自适应调制有深入的 研究。根据对瑞利衰落信道的信道容量分析，g o l d s m i t h 证明了联合功率速率自 适应方式从接近信道容量来说很有吸引力，并且得到了变功率a q a m 的吞吐量 性能的表达式。但是，他们也发现对于大多数类型的衰落信道来说，变功率辅助 自适应相比于恒定功率变速率方式所获得的额外流量是少量的。他们还分析了 n a k a g a m i 衰落信道中，平均功率受限条件下，三种功率和速率调制方案的性能， 自适应调制与接收分集相结合时所得到的仙农信道容量，分集技术可以进一步提 高信道容量。此外，对自适应调制系统中自由度的分析得到，利用自适应调制系 统中一个或两个自由度，就可以十分接近利用所有自由度可能达到的最大频谱效 率。 英国南安普顿大学的h a n z o 教授也在自适应调制技术的研究中取得了很大 的成就。t o r r a n c e 和h a n z o 提出了基于切换电平的自适应调制，用于获得较高的 每符号比特数，而保持目标平均误码率b e r 不变。他们的方法是基于一个对于 在窄带瑞利信道中传输的特定的联合b p s b e r 代价函数。并采用p o w e l l 方法求 出模式切换门限集合。c h o i 和h a n z o 进一步提出，在高信道s n r 的条件下，降 低模式切换门限，鼓励使用高阶调制方式，就可以获得更高的b p s 。他们使用了 拉各朗日乘子法，得到全局最优的切换门限。t a n g 进一步提出，用智能学习的 方法来适当修正自适应调制中的切换门限。 c h u a 和g o l d s m i t h 研究了在窄带环境中信道编码结合自适应调制的性能，其 中使用了没有信道交织的网格码，使用发送端和接收端之间的反馈控制调制模 式。仿真和理论结果表明，在瑞利衰落信道中使用自适应方案，b e r 为1 0 4 的 条件下，4 状态网格码可以得到3 d b 的编码增益，8 状态为4 d b ，而1 2 8 状态时 与仙农界相差5 d b 。这利- 方案与非自适应的网格编码相比可以获得很高的频谱效 北京邮电大学硕士研究生论文 率。h o l e 等进一步研究了平坦衰落信道中自适应多维编码调制。近来，也有研 究将自适应调制与t u r b o 码及l d p c 码相结合。 一般的自适应调制只是在时间域上进行，即由于信道时变，调制方式随时间 进行相应的变化。但是随着多载波o f d m 和多天线技术的使用，未来4 g 系统 有多个信号域，即o f d m 系统中的频率域和多天线系统中的空间域。因此o f d m 系统和多天线系统中的自适应调制也是近来研究的热点。 k e l l e r 和h a n z 提出了自适应多载波调制，同时提出了以子带为单位进行自 适应调制的概念。另外有很多学者提出了将自适应调制用于o f d m 系统采用的 自适应算法。g r t i n h e i d 和r o h l i n g 则研究了o f d m 系统中的自适应调制与多址 方式，并进行了性能比较。 自适应调制应用于多天线系统可以有多种方式，例如空时码与自适应调制相 结合，其他发射分集方式与自适应调制的结合，以及利用部分c s i 的自适应调制 m i m o 系统等。 由于m i m o o f d m 系统可以将无线资源在时间、频率和空间这三个维上进 行划分，将自适应调制应用于m i m o o f d m 系统可以对资源的利用更加细化、 灵活和有效，但是这也使得分配算法和所需要的信令更加复杂，因此人们提出了 一些简化的算法。 北京邮电大学硕士研究生论文 3 1o s i 层次模型 第3 章跨层设计 分层的概念是为计算机网络提出来的，现在世界上互联的计算机网络被称为 因特网。计算机网络是一个集硬件、软件于一体的结构复杂、功能强大的系统， 为设计网络和实现网络的各项功能，通常采用结构化的分层设计方法。所谓结构 化的分层设计是指将一个复杂的系统设计问题划分为几个层次，将复杂的问题转 换成一系列功能分明、易于操作和相对独立的子问题。各层分别执行所承组的任 务，层与层之间通过接口进行有机的连接，低层为其上一层提供相关的功能服务。 通过各个层次之间的组合提供完整的网络通信服务。 早期的计算机通信系统，不同生产厂家有自己的体系结构，网络只是封闭 的计算机网络，只有同一厂家的系列计算机及设备才可以相互通信，而一般情况 下网络中的计算机可能是不同类型的，还有可能使用不同的操作系统，也就是说， 它们可能是不同厂家的产品，具有不同的体系结构。随着网络应用不断普及和发 展的要求，不同结构的计算机和不同网络之间如何进行通信成为必须解决的问 题。为了促进异种机网络互联的研究和发展，1 9 7 8 年由国际标准化组织 ( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do r g ；_ n i z a t i o n ) 为网络通信定义了一个参考模型，称为开放系 统互连参考模型( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t e dr e f e r e n c em o d e l ，o s i r m ) 。 1 s o o s i 参考模型并不是一个具体的计算机设备或网络，而是一个逻辑结构， 任何两个遵守参考模型和有关标准的系统都可以互联，这样的系统称为开放系 统。o s i 模型采用的是层次结构，将网络通信功能分为7 个层次，并定义了各层 的功能、层与层之间的关系、相同层次的两端如何通信等。o s i 参考模型从低到 高共分为7 层，它们依次是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表 示层和应用层。除物理层外，其它对等层之间没有直接通信，只是逻辑