（电路与系统专业论文）3gpp+lte链路自适应技术及其在协作通信中的应用.pdf

复旦大学硕士学位论文 摘要 移动通信从走进人们的生活开始，就日益深刻地影响着人们的生活方式。当 今移动通信领域正在经历迅猛发展，新一代移动通信系统正在从协议走向应用。 无线新业务的不断发展导致移动通信走向宽带化、多样化，而且蜂窝通信、移动 广播电视、无线宽带网络正在加速相互渗透，网络不断趋于融合。在如此发展形 势下，对新一代移动通信技术的开发和研究具有极大的意义。 长期演进( l t e ) 项目是3 g p p 组织提出并大力投入的3 g 演进项目，旨在 搭建下一代移动通信系统平台，作为研发4 g 通信系统的基础。如今，作为4 g 候选方案的先进l t e ( l t e a d v a n c e ) 项目也受到了研究人员的关注，并在不断 提出新的方案，来实现更为高效的未来移动通信系统。其中，协作通信，也称为 中继技术，作为l t e a d v a n c e 中采用的新技术，将为通信系统提供更多的分集 增益。 为了对l t e 系统进行深入地研究，我们首先根据3 g p p 给出的l t e 相关协 议以及3 g p p 成员的提案，开发了l t e 物理层基带仿真系统，并对其作了性能仿 真，进而与其他公司给出的l t e 性能测试结果进行比较以验证其正确性。在此 基础上，本文重点研究了l t e 中的链路自适应方案，对自适应调制编码( a m c ) 技术以及混合a r q 算法进行了系统仿真。这两种自适应链路方案通过不同方式 进行自适应控制，仿真显示a m c 方案和混合a r q 方案进一步提高了系统吞吐 率性能。并且本文对其中的混合a r q 的各种算法进行了仿真，根据传统混合a r q 在不同信道条件下不同的性能增益以及传统接收端合并带来的错误累积问题，提 出了一种新型的自适应混合a r q 算法，核心思想是通过发送端自适应地选择混 合a r q 方案，同时在接收端进行选择性合并的方式，提高了现有混合a r q 算 法的吞吐率性能。 本文进一步对l t e a d v a n c e 中将采用的协作通信系统进行了研究，介绍了 现有的多种协作混合a r q 算法，并且设计了新型的基于速率兼容卷积( r a t e c o m p a t i b l ep u n c t u r e dc o n v o l u t i o n a l ，r c p c ) 码字的协作混合a r q 算法应用于协 作通信系统，进一步提高了数据速率和通信可靠性，改善系统吞吐率。数值仿真 结果显示，将新型的协作混合a r q 算法应用于协作通信系统将会有效地改善系 统性能。 关键词：l t e ；先进l t e ：链l 各自适应技术；混合a r q ：协作通信；中继 技术 中图分类号：t n 9 2 9 5 a b s t r a c t f i i i im i h m i i l u l i h i y 2 2 2 6 6 7 1 m o b i l ec o m m u n i c a t i o nh a sg r a d u a l l yi n f l u e n c e dp e o p l e sl i v e si nad e e pw a y , s i n c ei tf i r s t s t e p p e d i n t o p e o p l e sd a i l yl i f e a tp r e s e n t ，t h ef i e i do fm o b i l e c o m m u n i c a t i o ni se x p e r i e n c i n ga ni n t e n s i v eg r o w t h ，a n dt h en e w g e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi se v o l v i n gf r o mp r o p o s a l sa n ds p e c i f i c a t i o n si n t oa p p l i c a t i o n s a n de n t i t i e s t h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fn o v e lw i r e l e s ss e r v i c e si n d u c e sm o b i l e c o m m u n i c a t i o nt oh a v ep r o p e r t i e so fb r o a d b a n da n dd i v e r s i t y a tt h em e a nt i m e ， c e l l u l a rc o m m u n i c a t i o n ，m o b i l er a d i a t e dt e l e v i s i o na n dw i r e l e s sb r o a d b a n dn e t w o r k a r ea c c e l e r a t i n gt o p e n e t r a t ea n dm i xw i t he a c ho t h e r , a n dt h e s en e t w o r k sw i l l g r a d u a l l ym e r g et ob eo n eu n i t e dn e t w o r ks y s t e m i ns u c hat h r i v i n gs i t u a t i o n ，t h e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h en e w g e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a v er e a l i s t i c m e a n i n g s t h el o n gt e a me v o l u t i o n ( l t e ) p r o j e c tw a sp r o p o s e d b y3 埘g e n e r a t i o n p a r t n e r s h i pp r o j e c t ( 3 g p p ) , a n d3 g p ph a sd e v o t e da ne n o r m o u se f f o r tt ot h i s3 g e v o l u t i o np r o j e c t t h em i s s i o ni st oc o n s t r u c tt h ef r a m e w o r ko fn e x t g 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 m ，w h i c hw i l lb et h ef o u n d a t i o no f d e v e l o p i n g4 gs y s t e m c u r r e n t l y , l t e - a d v a n c ep r o j e c tw h i c hi st h ec a n d i d a t eo f4 gs c h e m eh a sa r o u s e d m o r ea n dm o r ec o n c e r nb yt h er e s e a r c h e r s n e wt e c h n o l o g i e sa r eb e i n ga p p l i e di n t o t h es y s t e mt o a c c o m p l i s ham o r ee f f i c i e n tf u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m a m o n gt h e m ，c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n ，a l s ok n o w na sr e l a yt e c h n o i o g y , w h i c hi s o n eo ft h en e wt e c h n ol o g i e su s e di nl t e - a d v a n c e ，c a np r o v i d et h es y s t e mwi t hm o r e di v e r s i t yg a i n s i no r d e rt oh a v ead e e pi n s i g h ti n t ol t e s y s t e m w ed e v e l o p e dal t ep h y s i c a l l a y e r b a s e b a n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m a c c o r d i n gt o t h el t es p e c i f i c a t i o n sa n d m a s s i v ep r o p o s a l sf r o m3 g p pm e m b e r s a l s ow ec o n d u c t e dat h o r o u g hs i m u l a t i o nt o e v a l u a t i o nt h es y s t e m sp e r f o r m a n c e ，a n dc o m p a r e di tw i t ht h et e s tr e s u l t so fo t h e r c o m p a n i e st ov e r i f yt h ew h o l es y s t e m t h i sa r t i c l em a i n l yi n v e s t i g a t e dt h el i n k a d a p t a t i o ns c h e m e so fl t es y s t e mb a s e do nt h i ss i m u l a t i o np l a t f o r m ，a n ds i m u l a t e d 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 m c ) a n dh y b r i da r qs c h e m e si nt h ep l a t f o r m t h e s et w ol i n ka d a p t a t i o ns c h e m e sa d a p t i v e l yc o n t r o ls y s t e mp a r a m e t e r si nd i f f e r e n t w a y , a n ds i m u l a t i o nr e s u i t ss h o w e dt h a ta m ca n dh y b r i da r qs c h e m e sf u r t h e r i m p r o v es y s t e mt h r o u g h p u t i na d d i t i o n ，t h i sa r t i c l es i m u l a t e dv a r i o u sk i n d so fh y b r i d 2 墨星奎兰堡主兰堡垒茎 a r qs c h e m e sa n dp r o p o s e dan o v e la d a p t i v eh y b r i da r q s c h e m ea c c o r d i n gt ot h e p h e n o m e n o no fd i 船r e n tg a i n so ft r a d i t i o n a lh y b r i da r qs c h e m e s i nd i f f e 。e n t c h a n n e ic o n d t i o n s ，a sw e l la st h ee r r o ra c c u m u l a t i o na f t e rc o m b i n i n gi nt h e r e c e l v e r i t sk e yi d e ai st oa d a p t i v e l yc h o o s eh y b r i da r qs c h e m e si n t h et r a n s m i t t e ra n d s e l e c ti v e l vc o m b i n ep a c k a g e si nt h er e c e i v e rt oi m p r o v et h et h r o u g h p u tp e r 内m a n c e o fc u r r e n t l ye x i s t i n gh y b r i da r q s c h e m e s m e a n w h i l e ，t h i sa r t i c l es t u d i e dt h ec o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m w h l c n w a sa d o p t e di nl t e a d v a n c ep r o j e c t ，i n t r o d u c e de x i s t i n gc o o p e r a t i v eh y b r i da r q s c h e m e sa n dd e s i g n e dam o d i f i e dc o o p e r a t i v eh y b r i da r q s c h e m eb a s e do n 。a t e c o m p a t i b l ep u n c t u r e dc o n v o l u t i o n a l ( r c p c ) c o d e s t oa p p l yi n t ot h ec o o p e r a t l v e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ， s oa st of u r t h e ri m p r o v et h ed a t er a t e ， c o m m u n i c a t l o n r e l i a b il i t ya n ds y s t e mt h r o u g h p u tr a t e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a t t h e n o v e lh v b r i da r qs c h e m ee m p l o y e di n t h ec o o p e r a t i v es y s t e m c a l le f f e c t l v e l y a m e l i o r a t et h es y s t e mp e r f o r m a n c e k e yw r o r 凼：l t e ；l t e a d v a n c e ；l i n k a d a p t a t i 。nt e c h n i q u e ；h y b r i da r q ； c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n ；r e l a yt e c h n o l o g y 3 复旦大学硕士学位论文 1 1 3 ( 3 p p l t e 项目简介 1 1 1 l t e 项目背景 第1 章绪论 2 0 0 9 年底全球移动用户达到约4 6 亿，国际电信联盟( i t u ) 预测2 0 1 0 年这 一一数字将达到5 0 亿i lj ，移动用户的急剧增长刺激着移动通信行业随着移动通 信与宽带无线接入技术的融合，对于新代通信系统的研究和应用在拿 ：界掀起 了一场飓风。如今，宽带无线接入技术体现出了“宽带接入移动化”的趋势，表 现为：由固定接入向支持中低速移动演变：由大带宽向可变带宽演变：由孤立热 点覆盖向支持切换的多小区组网演变：由数据业务向同时支持语音业务演变：由 支持以笔记本电脑为代表的便携终端，向同时支持以手机为代表的移动终端演 变。另一方面，移动通信展现出“移动通信宽带化”的趋势，表现为：由注重高 速移动向优化低速移动演变；由5 m h z 以下的带宽向2 0 m h z 带宽演变：由电路 交换和分组交换并重向全分组域演变；由蜂窝网络向兼顾热点覆盖演变；终端形 态由以移动终端为主向便携、移动终端并重演变。 正是基于通信行业对于“移动通信宽带化”的认识和应对“宽带接入移动化” 挑战的需要，同时为了应对高速通信协议w i m a x 标准的市场竞争，3 g p p 开始 了长期演进讨划( l t e ) 的进程。下图描述了无线通信协议的演变过程。 1 9 8 01 9 9 02 0 0 02 0 1 0 图1 1 无线通信协议演变过程【2 】 复旦大学硕士学位论文 在3 g p p 系统需求提案【2 】中，定义了对l t e 系统的需求指标，简要概括如下： 1 峰值数据率大大提高，在2 0 m h z 系统带宽下，下行瞬问峰值速率 1 0 0 m b i t s ，上行瞬间峰值速率5 0 m b i t s 。 2 降低无线网络时延，子帧长度为0 5 m s 和o 。6 7 5 m s 。控制面延迟要求从驻 留状态转换到激活状态的时延小于10 0 m s ，用户面延迟在零负载、小i p 分组条 件下单向时延小于5 m s 。 3 用户吞吐量下行每兆赫兹平均用户吞吐量为h s d p a 的3 - - 4 倍，频谱效 率达到5 b i t s h z ；上行每兆赫兹平均用户吞吐量为h s u p a 的2 3 倍，频谱效率 达到2 5 b i t s h z 。 4 以分组域业务为主要目标，系统在整体架构上将基于分组交换。 5 移动性指标要求在0 1 5 k m h 低速移动优化，1 5 - 1 2 0 k n g h 高速移动下 实现高性能，在1 2 0 3 5 0 k m h 下能够保持蜂窝网络的移动性。 6 覆盖度指标要求吞吐率、频谱效率和移动性指标在半径5 k m 以下的小区 中应全面满足，在半径3 0 k m 的小区中性能可有小幅下降，不应排除半径达到 1 0 0 k m 的小区。 7 提供增强m b m s ，为了降低终端复杂度，m b m s 应和单播操作采用相同 的调制、编码和多址方法，可向用户同时提供m b m s 业务和专用语音业务。 8 具有频谱灵活性，支持从1 2 5 2 0 m h z 不同大小的频谱尺寸，支持成对 和非成对的频谱分布。 9 与已有3 g p p 无线接入技术可以共存和交互操作，并且可以与非3 g p p 规 范协议协同运行。 1 0 q o s 保证，通过系统设计和严格的q o s 机制，保证实时业务如v o l p 的服 务质量。 在l t e 中，还规范了一些其它要求，如与配置相关的要求、e u t r a n 架构 和移植要求、无线资源管理要求、复杂性要求、成本相关要求和业务相关要求。 与其它无线接入方式相比，高频谱效率、分组传送、广域覆盖和支持用户高速移 动是e u t r a n 系统的主要特点。 1 1 2l t e 网络结构 l t e 网络结构相比于3 g 网络系统做出了很大的改变。如下图所示： 复旦大学硕士学位论文 r 删：无线资源管理 r r c ：无线资源控制 p i t y ：物理层 p d c p ：包数据汇聚协议 ( a ) 网络内部结构 网络结构1 r b ：资源块 i i c ：媒体访问控制 删：移动性管理 s e ：系统结构演变 控 制 面 网络结构2 ( b ) 网络系统结构 图1 2l t e 网络结构框图l j l t e 简化了3 g 系统的网络结构，采用演进n o d e b ( e n o d e b ) 构成的单层结 构，这种结构有利于简化网络和减少时延。l 丁e 比3 g 系统减少了r n c 节点， 使l t e 的体系结构趋近于i p 宽带网的结构。l t e 的架构又称为e - u t r a n 结构， 接入网主要由演进n o d e b ( e n o d e b ) 和接入网关( a g w ) 两部分组成。e n o d e b 不仅具有原来n o d e b 的功能，而且还具有3 g 协议中r n c 的大部分功能，包括 物理层、m a c 层、r r c 、调度、接入控制、承载控制、接入移动性管理和i n t e r c e l l r r m 等。e n o d e b 之问通过网格方式直接连接。 1 1 3l t e a d v a n c e 简介 l t e a d v a n c e d 即为l t e 的演进版本，它作为4 g1 办议的候选方案也被广泛 研究。它的主要特点是： 1 在1 0 0 m h z 的带宽下，下行峰值速率达到1 g b p s ，上行峰值速率达到 树圊习习里 复旦大学硕士学位论文 5 0 0 m b p s ； 2 频谱效率下行达到3 0 b p s h z ，上行达到l5 b p s h z ； 3 针对室内环境进行优化； 4 有效支持多频段和大带宽的应用： 在2 0 1 0 年世界移动通信大会上，业界预计2 0 1 0 年将会成为l t e 的商用元 年【4 j 。爱立信进行的u f e a d v a n c e 4 g 系统现网测试，下行速率达到了每秒 1 g b i f f s ，该系统配置4 2 0 m h z 载波，总共为8 0 m h z ，同时采用4 4 m i m o 。 而华为公司在今年3 月份的c t l a 无线展会上【5 】，将基于l t e a d v a n c e d 技术的 移动宽带速度提升到了1 2 g b p s ，华为使用了8 0 m h z 的多载波带宽，并采用了 载波聚合，4 4 m 1 m o ，多点并行传输( c o m p ) 等技术。 1 2 链路自适应技术介绍 受到外界各种干扰以及多径衰落的影响之下，无论是在时间上还是在频带 上，无线信道环境都是在不断发生变化的，尤其是在发送端与接收端之间有相对 位置移动，或者两者之间有多径干扰的情形下更为严重。信号可能会在极短的时 间与频域间隔之内经历很大的波动。这就使获得高数据速率的同时保持一定的误 码率限制的系统实现难度极大。然而这种信道增益的变化，可以被用来提高数据 速率。链路自适应技术就是这样的一种技术，通过将系统中的参数根据信道状态 进行改变以增加码字被成功接收的概率，提高系统的吞吐率。主要是通过自适应 地改变信息码率，调制方式，功率分配和资源分配来利用信道状态变化，实现高 系统性能。 一般来说，所有的通信系统都会要求误码率不超过某一个极限，这个极限可 以是平均误码率极限或者是瞬时误码率极限。瞬时极限将比平均极限有更高的约 束度。 信道的状态可以通过接收端进行估计，并且将信道状态信息( c s i ) 通过控 制信道反馈回发送端来自适应地调整传输参数。当系统的s n r 较低时，为了保 持误码率，我们应该提高发送能量，减少调制阶数，因为使用高的调制阶数时在 低信噪比条件下将会导致比较差的误码率性能。当系统s n r 增加时，需要转换 到另外一种调制阶数，增加码率，适当地减少发送能量，来节约资源的同时达到 优异的性能。从上述的流程中，发送端实时地改变发送参数来提高性能是可以实 现的。 如何定义链路自适应参数的转换门限点是个有趣的研究领域。在文献【6 中提出了一种o f d m 系统中自适应参数转移点的定义算法，这种算法的自适应 参数是通过考虑o f d m 子载波的衰落统计特性进行信道预测得到，而并非通过 4 复旦大学硕士学位论文 瞬时信道值。这种自适应方式可以对每一个子载波以不同的方式进行，或者对子 载波按照分组来不同地使用自适应参数。用分组进行自适应的好处是减少了反馈 信令的额外开销。 下图为典型的链路自适应系统框图，体现了两种链路自适应技术：混合a r q 技术和自适应调制编码技术。 发送数据j _ c r c 编码_ 信道编码-一发送端缓存二一自适应调制 一 一 1 一一 r 一， 魁台 k q 重传控制 心c 参数控制 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。 l 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ i i 反馈信道 l 广1 _ - 一信道预测 i 一 4 信道估计 接坚数罗广画f 蕊i l li 一卜- 蕊孪彝吼寸1 磊磊f 一 c r c 校验 l _ | 倍解码卜r - “”0 斧 _ 【 自适应解调 图1 3 链路自适应系统框图 1 2 1自适应调制编码( a m c ) 技术 自适应调制编码技术是根据无线信道的特点，在保持一定误码率的前提下， 通过反馈回来的信道状态信息，包括信噪比，信道延迟等自适应地改变编码方式， 发送码率，调制方式等各种参数，来实现高的系统吞吐率的一种技术。研究中显 示在各种衰落信道中，采用自适应调制编码技术的系统都能获得更加优异的系统 吞吐率性能。 在实际的通信系统中，通常将编码码率和调制方式组合成编码调制组合方案 ( m c s ) 。发送端通过反馈信道的不同信息来决定采用何种m c s 方案进行发送。 当信道状态较好时，采用比较高阶的m c s 方案；而当信道状态比较差时，采用 比较低阶的m c s 方案。下图为a m c 通信系统框图，体现了a m c 技术的两个 方面：自适应调制和自适应功率调整。 复旦大学硕士学位论文 图1 4 自适应调制编码通信系统框图 1 2 2 混合a r q 技术【7 】f 8 】 比特 混合a r q 是一种链路自适应技术，通过前向纠错码( f e c ) 与自动重传请 求( a r q ) 的结合，实现精确的差错控制机制。f e c 系统的时延小，但是存在 的编码冗余降低了系统吞吐率；而a r q 系统在误码率小的时候可以得到理想的 吞吐率，但是产生的时延较大，不适宜提供实时服务。将f e c 和a r q 结合起来 的混合a r q 技术，当f e c 的纠错能力可以纠正这些错误时，则不需要使用a r q ； 只有当f e c 无法正常纠错时，才通过a r q 反馈信道请求重发错误码组。这样不 仅提供了比单独的f e c 系统更高的可靠性，而且提供了比单独的a r q 系统更高 的系统吞吐量。 混合a r q 的重传方式包括停等方式( s w ) ，返回n 帧方式( g b n ) ，选择 重传方式( s r ) 。停等方式指发送端发出一个数据包后，在收到a c k 或者n a c k 应答之后再发送新的数据包，期间信道处于空闲状态，对于回环时间比较长的场 合，停等方式的效率很低。返回n 帧方式指发送端发送数据包后，将继续发送 后续的数据包，设在回环时间内可发送n 个数据包，接收端根据检错结果对每 个数据包依次发出a c k 或者n a c k 应答。当发送端收到某个数据包的n a c k 应答后，将会重发本数据包和在回环时间内发出的n 个数据包。这种方式在回 环时间较小或者信道错误概率较小时，可以得到比停等方式更高的效率，但是同 时需要更大的缓冲区，缓冲区的大小由回环时间决定。选择性重传方式与返回n 帧方式相似，发送端不停地发数据包，接收端根据检错结果向发送端发送a c k 或者n a c k 应答，当发送端收到n a c k 应答后将只重发相应的数据包，而不是 整个回环时间内的n 个数据包。 混合a r q 分为三类基本类型：混合a r q l 型指接收端进行f e c 译码和c r c 校验后，放弃错误数据包。并且重传的数据包与己传的数据包相同，没有组合译 6 复旦大学硕士学位论文 码；混合a r q i i 型指增量冗余方案，重传数据携带着新的冗余信息来帮助解码， 并且接收错误的数据包不会被丢弃，而是与重传冗余信息合并之后再进行解码； 混合a r q i i i 型是指可自解码的增量冗余方案，即重传的数据包也是可以独立进 行解码的。当重传的数据包与己传数据包相同且在接收端进行最大比合并时，这 种类型称为c h a s e 合并( c h a s ec o m b i n i n g ，c c ) 方式混合a r q ，而混合a r q i i 型又称为增量冗余( i n c r e m e n t a lr e d u n d e n c y ，i r ) 方式混合a r q ，以上的c c 方式混合a r q 和i r 方式混合a r q 由于系统简单，性能优越，是目前实际系统 中应用比较多的方式。在l t e 协议中，同时支持两种混合a r o 协议的共存，可 以根据系统的需要进行不同的设置。 1 2 3 国内外对于混合a r q 技术的研究 混合a r q 由于其在系统中带来的优异的性能增益，它作为新一代通信系统 的关键技术受到了研究人员的广泛关注。国内外研究机构对其进行了大量的研究 工作，包括各种类型的混合a r q 算法的研究：文献【9 】以信息论的角度分析随机 高斯编码的混合a r q 算法的性能，文献【1 0 】提出了速率兼容卷积编码的混合 a r q 算法并对其性能进行了分析，文献1 1l 】进一步提出了速率兼容t u r b o 编码的 混合a r q 算法，文献 1 2 】对l d p c 编码的混合a r q 算法进行了设计和研究。还 有对混合a r q 性能的研究：文献u 3 对块衰落信道中的混合u 算法吞吐率进 行了分析；文献【1 4 】对采用t c m 编码的混合a r q 进行了性能分析：文献【1 5 】， 【1 6 】对混合a r q 各种传统算法的性能做了理论建模和分析。此外，还有文献 1 7 】 对混合a r q 的多用户调度机制的研究，文献 1 8 】提出了无线链路中自适应混合 a r q 策略。 1 3 协作通信技术介绍 协作通信是指由单天线终端共同协作来实现数据通信，可以为系统带来协作 分集和空间分集。协作通信系统中，每一对节点通信的过程都由其协作伙伴，或 称为中继节点进行协助。中继节点在传输自己的信息的同时，也协助其他的节点 进行通信。通过这样的方式，节点一方面通过自己的信道进行信息传输，另一方 面由协助其通信的中继节点通过另外一条独立的空间信道进行同一信息的传输， 于是从数据接收终端节点来看，发送端通过不同的发送天线传输同一信息，获得 了空间分集增益，将能够更加有效地恢复出传送的源数据。由于这种协作通信方 式是由多个节点共享它t l 、 各自的天线，构成了虚拟天线阵列，从而又可称为虚拟 多输入多输出天线阵列( 虚拟m i m o ) 技术。这种技术通过多个节点协作的方式 解决了由单个节点安装多个天线导致的系统复杂性以及系统尺寸的问题，因此 7 复旦大学硕士学位论文 m i m o 技术所提供的优异的系统性能将可以通过单天线设备协作通信的方式进 行实现，增加了m i m o 技术的应用场景。而且协作通信可以采用m 1 m o 技术中 的空时信号处理，分布式天线的方式进一步地提高系统的吞吐率和频谱效率。 再从基站，用户终端的视角来看，协作通信在其中同样可以带来很重要的性 能提升。比如一般通过网络规划来为基站选择合适的地点以使信号在一定的功率 限制之下可以有效的覆盖指定的区域。但是在设置基站覆盖范围时，需要考虑建 筑物以及高山之类的遮挡物，可能会使信号无法达到某一阴影区域，也称为阴影 衰落。找们都白这样的经验，当找们进入某一个丛林中，或者攀臀某一座高 有可能我们的手机将失去信号，我们将无法传输讯息或者拨打电话，这不管从安 全方面还是便利方面对我们来说都是亟需解决的问题。因此可以通过中继节点来 协作转发信息来避免这种阴影衰落现象。具体实现时，可以通过将中继节点放在 合适的位置以避开不理想的传播路径来减少衰减，同时在转发数据的同时可以提 高发送功率，增大传输的可靠性，以使用户可以以较高的品质接收信号。这里我 们通过协作通信达到了两个目的，即扩大覆盖范围和提高了传输的可靠性。更进 一步还可以通过设计多跳中继网络通过多层次的转发将信号送往更远的位置或 者不易达到的位置。 典型的协作通信系统如下图所示： 图1 5 协作通信系统框图 ( 左图为多终端节点协作系统，右图为多中继站点协作系统) 以上两种协作通信系统都是基于终端与基站之间的通信。左图的多终端节点 协作系统通过不同终端之间的协作来提升终端与基站之间的数据传输效率；右图 的多r ：| 继站点协作系统由中继站点对终端或者基站的信息进行转发来提升传输 可靠率。多终端节点协作系统由于协作终端不断的变化、位移，导致此协作系统 吱现比较复杂而彩r 1 绺站点协作系统巾i 1 刍术站一i 的个数羊| j 位置吲定因j 比是 一种比较实用的协作系统。 蜀 复旦大学硕士学位论文 1 3 1 协作通信中的关键技术 协作通信协议可以分为三类，固定中继，选择中继和增量中继。 固定中继指中继节点必须参与协作。中继节点对从信源接收到的信号有两种 处理方式。一种为放大转发( a m p l i f ya n df o r w a r d ，a f ) 方式，在这种方式中， 中继将接收到的信号进行线性放大之后直接转发给数据终端，发送信号的功率由 中继节点的发送功率来决定上限。通常需要由数据终端反馈的信道状态信息来决 定信号放大比率参数。另一种方式为解码转发( d e c o d ea n df o r w a r d ，d f ) 方式， 在这种方式中，中继将接收到的信号译码以后再通过与数据源同样的编码方式编 码，然后将重编码的码字再转发给数据终端。当然如果中继节点译码出错将会导 致错误累积。解码转发的方式多了一个编解码的过程，将耗费更大的资源，但是 如果最后编码出来的数据与数据源发送的编码数据相同的时候，将提供很大的空 间分集增益，如果译码出错的时候，可以采用通过放大转发的方式进行协作通信。 采取何种方式进行转发，将影响整个协作通信系统的性能。 选择中继是指根据数据源与中继之间的信道状态来决定是否由中继来转发 数据源的信息，即如果两者之间的信道状态优于某个门限时，中继节点将通过 a f 或者d f 的方式来获得协作分集增益，否则就由数据源直接向数据终端发送 数据。 增量中继是指利用数据终端对于接收成功与否的反馈信息，也就是 a c l 洲a c k 信号来决定是否使用中继节点来协助通信。中继节点同样可以通过 a f 或者d f 方式进行数据转发。在采用d f 方式进行二次编码时，可以使用与数 据源采取的不同的编码方式，这样将可能对接收端提供编码增益，进一步提高系 统吞吐率。这也就是混合a r q 协议在协作通信中的一种应用。 i 3 2 围内外对协作通信的研究 协作通信同样作为一个研究热点，有很多的研究工作已经在这方面展开，下 面就是国内外对协作通信做的一些研究：文献【1 9 提出了无线通信中的各种协作 分集协议，并且对它们的性能特征建立了模型，从信息论角度提出了通过协作可 以改善系统性能；文献 2 0 】分析了使用分立的空时编码协议在协作通信系统中提 供合作分集增益：文献 2 1 】提出了a d h o c 网络中的协作通信协议；文献 2 2 】从跨 层优化的方面讨论协作通信协议，即通过跨层优化将协作扩展到多个网络层次； 文献f 2 3 1 描述了基于m i m o 通信的协作通信算法。对于协作通信，还有各种方面 的研究，包括如何选择协作节点，如何调配协作通信的任务等等。可以说，对协 作通信的研究还将不断继续的展开。 9 复旦大学硕士学位论文 1 4 文章安排 l t e 系统中采取了自适应调制编码，混合a r q 技术等链路自适应技术，用 来改善系统性能。本文主要对l t e 采用的链路自适应混合a r q 进行了研究和探 讨，并且对于混合a r q 在协作通信系统的应用做了一些仿真和拓展。本文章节 的安排如下： 1 第一章中介绍了l t e 项目的背景，链路自适应技术，以及协作通信的关 键技术。并且对国内外对混合a r q 技术以及协作通信技术的研究做了综述。 2 第二章中详细介绍了l t e 中的链路自适应技术包括自适应调制编码技术 和混合a r q 技术，对整个l t e 系统进行了性能仿真验证，并且对l t e 的链路自 适应技术做出了仿真。 3 第三章中研究了各种混合a r q 技术，并且提出了新型的自适应混合a r q 算法，并且比较了它们的性能。 4 。第四章中研究了协作通信中的混合a r q 算法，提出了新型的应用于协作 通信中的混合a r q 算法，并对其算法性能做了分析研究。 5 第五章中对全文做出了总结，提出了还有待进一步深入研究的问题，并 且做出了对未来研究工作的展望。 l o 复旦大学硕士学位论文 第2 章l t e 中的链路自适应技术 2 1l t e 链路仿真系统 本章介绍l t e 物理层基带仿真平台的搭建【2 4 】【2 5 1 ，并且研究了l t e 中使用的 链路自适应技术。该仿真平台考虑了m i m o 技术，仿真平台从数据源至接收终 端包含了整个物理层链路的各个信号处理模块，下行发送系统包括c r c 编解码 模块，t u r b o 编码模块，混合a r q 发送模块，扰码模块，调制模块，分层映射 模块，预编码模块，资源映射模块，o f d m 信号产生器，基带成型s r r c 滤波器； 下行接收系统包括：基带成型s r r c 滤波器，同步模块，信道估计模块，信道均 衡模块，解调模块，解扰码模块，混合a r q 接收模块，t u r b o 解码模块，c r c 解码模块。下行系统发送端和接收端框图如下图所示： 悃匪 7 目畦i 图2 1l t e 下行系统发送端框图 固曰 一豳一一 ! 圈一圈固悃岖至丑凰 l 圈d 丑固4 夔卦压銎习凰 图2 2l t e 下行系统接收端框图 f ：行发送系统包括c r c 编码模块，t u r b o 编码模块，混合a r q 发送端模块， 信道交织模块，加扰模块，调制模块，转换预编码模块，资源映射模块，s c f d m a 信号发生模块，基带成型s r r c 滤波器。上行接收系统包括基带成型s r r c 滤波器， 固固霉嚣 复旦大学硕士学位论文 同步模块，信道估计模块，信道均衡模块，解码模块，解扰模块，信道解交织模 块，混合a r q 模块，t u r b o 解码模块，c r c 解码模块。 图2 3l t e 上行系统发送端框图 蛩卧区习d 蛩目圈 图2 _ 4l t e 上行系统接收端框图 2 2l t e 中的链路自适应相关技术 2 2 1 l t e 中的信道编码技术 l t e 采用t u r b o 编码作为母码，并且在此基础上做了改进，比如优化了内交 织器，对较大的编码块进行分段译码等。l t e 中的t u r b o 编码器框图如下图所示： 【 一娟嗣，田，田了 fr 划1 当= 1 t u 喘垫m a - 2 n c l n s “t u e n te n c o d e r 乏 o 却。2 mm 吐l h 面一 7 图2 5l t et u r b o 编码器框图( 虚线适用于尾比特处理流程) 叫 、jilllilililij， 复旦大学硕士学位论文 l t et u r b o 编码采用八状态，并行级联结构，使用一个内交织器，码率为l 3 。 转移函数为： 瞅功= l ，嵩等1 ( 2 - ，) 对于编码块尾比特的处理采用归零结尾方式，即当所有信息码都编码完毕 后，将寄存器状态反馈到分量编码器输入端，来进行栅格终止，并且将多余的尾 比特添加到信息编码的后面。 t u r b o 编码的内交织器的设计对于编码系统来说是极为关键的。内交织器决 定了t u r b o 编码的重量分布，而良好的重量分布决定了t u r b o 码字的译码性能。 l t e 协议通过多种交织器的比较和综合分析，决定采用二次置换多项式 ( q u a d r a t i cp e r m u t a t i o np o l y n o m i a l ，q p p ) 内交织器，这种交织器支持存储器的 无冲突访问和并行译码，并且减少了处理延迟，因此可以有效的支持高于 1 0 0 m b p s 的高数据速率的编译码的需要。它的表达式如下式所示： n ( i ) = f + 厶f zj m o d k ( 2 2 ) 其中6 和取决于码块的大小，并且由一个列表通过查询方式得到。从上 式也可以看出q p p 内交织器数学表达简单，需要很少的存储空间和计算资源， 因此取得优异的性能是可以预见的。 当需要编码的传输块长度较大时，为了控制编译码的复杂度，同时减少处理 延迟，协议中将大传输块分立成若干个长度较小的码块，对每个码块单独进行编 译码。规定将最大的编码块大小限制为6 1 4 4 b i t ，如果超过这个长度，则要进行 码块分割。 2 2 2 l t e 中的混合a r q 技术 l t e 中的混合a r q 算法包括速率匹配算法和重传合并机制。t u r b o 编码之 后即进入速率匹配算法环节。l t e 中的速率匹配是采用循环缓存的算法，目的是 为了实现各种需要的码率，包括子块交织，比特收集和比特选择与修剪三个步骤， 如下图所示： 胖 野 b i t c o l l e c t i o n 降 复旦大学硕士学位论文 图2 6l t e 混合a r q 速率匹配框图 三个步骤依次为： 1 子块交织器中，将t u