（信号与信息处理专业论文）协作arq技术及其在认知无线电网络中应用研究.pdf

南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它 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 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本人学位论文及涉及相关资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 南京邮电大学学位论文使用授权声明 本人授权南京邮电大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档；允许论文被查阅和借阅；可以将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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。本文电子文档的内容 和纸质论文的内容相一致。论文的公布（包括刊登）授权南京邮电大学研究生院（筹）办 理。 涉密学位论文在解密后适用本授权书。 研究生签名：_ 日期：_ 研究生签名：_ 导师签名：_ 日期：_ 学科 、专业：工 学 、信号与信息处理 研 究 方 向：无线通信与信号处理技术 作 者：吴润铎 指导教师：郑宝玉 教授 题 目：协作 arq 技术及其在认知无线电网络中应用研究 英文题目：technology research on cooperative arq and its application in cognitive radio networks 主 题 词：协作 arq 协议，认知无线电，协作，中继，重传次数 keywords: cooperative arq protocol, cognitive radio, cooperative, relay, retransmissions 南 京 邮 电 大 学南 京 邮 电 大 学南 京 邮 电 大 学南 京 邮 电 大 学 硕士学位论文摘要硕士学位论文摘要硕士学位论文摘要硕士学位论文摘要 南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 i 摘摘摘摘 要要要要 协作分集技术可以共享彼此的天线形成虚拟的天线阵列，协作传输各自的数据信息， 成为无线通信领域的研究热点，其中协作中继的使用在未来的无线接入网中具有广阔的前 景，被看作 4g 技术发展的一个重要组成部分。鉴于协作 arq（automatic repeat request） 对译码转发（decode and forward）中继的良好适应性，协作 arq 协议受到了越来越多的 关注。 随着无线通信技术的迅速发展，无线数据业务的支持能力在不断提高，日益增长的无 线接入需求和有限的频谱资源之间形成了矛盾，认知无线电技术被认为是解决这一矛盾的 有效手段，成为研究热点。 关于协作频谱感知，协作功率控制等研究成为热点，而对认知无线电网络中的协作 arq 协议的研究却鲜有关注， 本文便围绕认知无线电网络中的协作 arq 协议的新特点展 开研究。 在论文的第一部分，充分研究了经典协作 arq 协议的基本原理，研究了认知无线电 网络二级用户协作通信场景下，协作 arq 协议的新特性，提出了一种基于条件概率重传 的新协作 arq 协议，该协议适用于认知无线电网络中多用户多中继的场景，利用该协议 可以减少源节点参与重传的次数，从而为源节点向其他用户发送新的数据帧赢得了更多机 会，达到了提高整个系统吞吐量的目的。在利用条件概率公式和 dtmc（discrete time markov chain）对其进行了理论推导的基础上，通过仿真给出了结果，证明了协议的有效 性。 在论文的第二部分，本文提出了一种基于智能学习的协作 arq 协议，该协议适用于 认知无线电网络中单用户多中继的场景，该协议使中继具有了自我学习能力，在重传过程 中可能把非解码中继变成解码中继，从而增加了解码中继的数目，达到了提高分集增益的 目的，相比于传统协作 arq 协议，降低了平均重传次数和丢包率。本文详细描述了协议 的工作流程，给出了数学推导，并通过仿真证明在认知无线电网络二级用户协作通信场景 下，该机制较传统的多中继协作 arq 协议有更好的性能。 关键词：协作 arq协议，认知无线电，协作，中继，重传次数 南京邮电大学硕士研究生学位论文 abstract ii abstract cooperative diversity antenna technology can be shared with each other to form a virtual antenna array, which makes cooperative information transfer become the research focus in wireless communications. the use of cooperative relaying in future wireless access networks has broad prospects and is seen as an important component of 4g technology. as the good adaptability of cooperative arq (automatic repeat request) to the decoding forward (decode and forward) relay, cooperative arq protocol attracts more and more attention. with the rapid development of wireless communication technology, the ability to support wireless data services continues to increase. the growing demand for wireless access and limited spectrum resources become the contradiction, however, cognitive radio technology is considered as the effective solution to this contradiction and becomes a research hotspot. cooperative spectrum sensing, power control and other cooperative research have become a hotspot, while cooperative arq protocol study in the cognitive radio networks has little attention, this paper will focus on the study of new features of cooperative arq protocol in the cognitive radio networks. in the first part of the paper, the basic principle of the classic cooperative arq protocol is researched. then in the scenario of cognitive radio secondary users of cooperative communication networks, the new features of cooperative arq protocol is researched, and a new cooperative arq protocol based on conditional probability retransmission for the cognitive radio networks of multi-user multi-relay scenario is proposed. the use of the protocol can reduce the number of the source node retransmission, which supplies the source node with more opportunities to send new data frame to the other users, to the purpose of improving overall system throughput. in the use of conditional probability formula and dtmc (discrete time markov chain), the basis theoretical analysis is carried out and simulation results are given to prove the validity of the protocol. in the second part of the paper, this paper presents a new cooperative arq protocol based on intelligent study for the cognitive radio networks of single-user multi-relay scenario. the protocol admits the relay self-learning ability. in the retransmission process non-decode relay 南京邮电大学硕士研究生学位论文 abstract iii may become the decode relay, thus increasing the number of decoding relays, to the purpose of improving diversity gain. compared to the traditional cooperative arq protocol, the average number of retransmissions and the packet error rate is reduced. this paper describes the protocol workflow in detail and gives the mathematical derivation, and through simulation that secondary users in cognitive radio networks cooperative communication scenario, the mechanism has better performance more than the traditional relay cooperative arq protocol. keywords: cooperative arq protocol, cognitive radio, cooperative, relay, retransmissions 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 iv 目目目目 录录录录 摘 要. i abstract.ii 目 录. iv 符号说明. vi 缩略语.vii 第一章 绪论.1 1.1 引言.1 1.2 协作 arq技术及其研究现状.1 1.3 研究的意义.3 1.4 研究内容和课题来源.4 1.5 主要贡献.4 1.6 结构安排.4 第二章 经典协作 arq原理.6 2.1 引言.6 2.2 协作 arq协议的基本原理.6 2.3 协作 arq协议分析模型.8 2.3.1互斥服务模型.8 2.3.2独立服务模型.10 2.4 协作 arq协议性能结果.12 2.5 本章小结.13 第三章 一种基于条件概率重传的协作 arq协议.15 3.1 引言.15 3.2 系统模型.16 3.3 性能分析.18 3.4 优化策略.20 3.5仿真和结果分析.21 3.6本章小结.24 第四章 基于智能学习的协作 arq协议.25 4.1 引言.25 4.2传统多中继协作 arq协议.25 4.3基于智能学习的协作 arq协议.27 4.3.1 基于智能学习的协作 arq协议方案.27 4.3.2 基于智能学习的协作 arq协议的数学模型.30 4.3.3 基于智能学习的协作 arq协议的性能分析.34 4.3.4 仿真结果.35 4.6 本章小结.40 第五章 总结与展望.41 参考文献.43 攻读硕士学位期间发表的学术论文.47 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 v 攻读硕士学位期间参与的科研项目.48 致 谢.49 南京邮电大学硕士研究生学位论文 符号说明 vi 符号说明符号说明符号说明符号说明 x ：x的均值 2 x ：x的均方值 g（） ：全局准则函数 南京邮电大学硕士研究生学位论文 缩略语 vii 缩略语缩略语缩略语缩略语 3g 4g ack ack-r af arq ber bpsk c-arq cc cr df dr dtmc fer h-arq ism mimo pep per pu ser su 3rd generation 4th generation acknowledge relay acknowledge amplify and forward automatic repeat request block error rate binary phase shift keying cooperative automatic repeat request coded cooperation cognitive radio decode and forward decoding relay discrete time markov chain frame error ratio hybrid automatic repeat request industrial scientific medical multiple input multiple output pair wise error probability packet error rate primary user symbol error rate second user 第三代移动通信系统 第四代移动通信系统 告知已收到的确认信息 中继确认信息 放大转发 自动重传请求 块误差率 双相移相键控 协作自动重传请求 协作编码 认知无线电 译码转发 解码中继 离散时间马尔科夫链 帧差错比率 混合自动重传请求 工业科学医疗 多输入多输出 成对差错概率 包差错率 主用户 符号差错率 二级用户 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 1 第一章第一章第一章第一章 绪论绪论绪论绪论 1.1 引言引言引言引言 虽然 mimo(multi-input multi-output)技术可以有效抵抗无线信道的多径衰落1-10，但 是由于体积、能耗、硬件等条件的限制，移动终端用户往往无法支持多根天线的配置。协 作分集技术可以共享彼此的天线形成虚拟的天线阵列11-13，协作传输各自的数据信息，成 为无线通信领域的研究热点，其中协作中继的使用在未来的无线接入网中具有广阔的前 景， 被看作4g技术发展的一个重要组成部分14。 鉴于协作 arq （automatic repeat request） 对译码转发 df（decode and forward）中继的良好适应性，协作 arq 协议受到了越来越 多的关注15-23。 随着无线通信技术的迅速发展，无线数据业务的支持能力在不断提高，移动通信的数 据速率从 2.5g 时的几十 kbit/s 增长到 3g 时代的 2mbit/s， 在 4g 无线通信网络中甚至可以 达到 100mbit/s。日益增长的无线接入需求和有限的频谱资源之间形成了矛盾，认知无线电 技术被认为是解决这一矛盾的有效手段24-26，成为研究热点。 1.2 协作协作协作协作 arq 技术及其研究现状技术及其研究现状技术及其研究现状技术及其研究现状 在无线网络通信环境下，由于无线电传播的广播属性，源节点发送的信号可以在被目 的节点接收的同时，被信号接收范围内的邻居节点接收到。在一般通信中，该接收信号通 常被看作干扰噪声而丢弃。但是在协作通信的网络中，该信号可以通过协作分集技术提高 整个系统的性能。 无线通信网络中，接收端的信号质量取决于噪声、衰落和路径损耗等因素，为了保证 信号的可靠传输，通信系统中经常采用前向纠错编码和自动重传请求等差错控制方法。二 者各有特点，前向纠错编码非常适应固定信道的特性；但对时变信道或信道未知的情况， 则适合使用自动重传请求协议，以吞吐率降低的代价换取可靠性的提高。混合自动重传请 求（hybrid automatic repeat request，h-arq）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率，通过出错重传解决无法纠正的错误27-30。传统的 arq 协 议中，当目的节点接收出现错误时，源节点会重传没有被正确接收的数据帧。在无线通信 网络中，将这种邻居节点不参与数据重传的协议称为非协作 arq 协议31。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 2 而协作 arq 协议则规定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，源节点的数据帧没有被成功传输时，中继参与重传过程。这样目的节点接收的数据 帧既有来自于源节点，也有来自于中继节点，通过协作分集进一步改善了传输质量。 协作通信的本质是分布式多节点的资源共享，比较常见的方式有利用分散的终端节点 的单天线形成虚拟多天线的协作分集技术方案，具有提高连续性能和能量效率、改善网络 覆盖、提高频谱效率、增加网络容量等优点32。 协作 arq 协议将协作通信的范围由物理 层的信号处理推广到链路层的数据传输。 协作 arq 协议本质上不是纯链路层传输技术，而是充分考虑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。另外，协作 arq 协议设计中还可以结合空 时处理、协作编码等技术进一步提高性能。图 1-1 为协作通信系统模型图。 图 1-1 协作通信系统模型图 考虑到通信网络中上层协议对网络拓扑结构的了解，以及多用户通信机制的有效控 制， 结合网络场景的分析能更清楚地揭示其工作原理。 近年来该领域的研究已涉及单中继、 多中继与广播等典型的网络通信场景。 国内外比较有代表性的研究成果有：dianati 等提出了基于停等协议的多节点协作 arq 机制33， cerutti 等给出了单中继协作通信场景下协作 arq 协议面向节点的协议设计 研究思想34，翁灵凡等人基于分集-复用-延时折衷准则，讨论了协作广播通信场景下的协 作 arq 协议设计问题35。还有不少国内外研究人员针对协作 arq 协议热点问题在协议 设计、性能评估方法、模型分析等领域开展了相关研究。 还有一些可能的研究方向，例如双向协作通信场景、车载无线通信场景和多跳协作通 信场景。 bin zhao 等于 2005 年研究了多跳通信环境下引入协作 arq 协议同样可以明显提 高系统吞吐率、降低能量消耗并减少故障概率，并且能在传输时延和能量损耗中取得合理 折衷36。tarokh 等于 2007 年研究了双向协作通信场景，证明在双向协作通信中采用网络 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 3 编码技术可以提高系统效率37-38。j. morillo 等于 2008 年研究了车载无线通信环境下的协 作 arq 协议， 证明了使用文献 39 中的协作 arq 机制， 使城市中车辆通过接入点 （access point，ap）时可以有数秒时间进行文件下载，进而可以大大降低丢包率，减少了系统中所 需的 ap 数量 40 。 值得注意的是，虽然协作 arq 协议的研究和认知无线电的研究都是热点，在已有的 文献中，却很少有涉及到在认知无线电网络的通信场景下协作 arq 协议的研究及其表现 分析。 1.3 研究研究研究研究的的的的意义意义意义意义 相比于蜂窝接入网等传统无线通信网络，认知无线电网络最大的特点是二级用户间的 通信利用的是主用户的通信间隙，即在二级用户感知到主用户并未使用分配给其的通信资 源时，利用主用户的频谱资源等进行通信的技术，二级用户在通信过程中一直对主用户的 状态进行监听，一旦发现主用户开始通信，立即无条件停止自身的通信，将占用的资源归 还给主用户，这种特点给认知无线电网络下的二级用户间通信的协作 arq 协议提出了新 的要求。因此在认知无线电网络场景下，对协作 arq 协议进行研究具有现实意义。图 1-2 为认知无线电网络内的二级用户间的协作通信模型图。其中椭圆区域内为认知无线电网络 中的二级用户协作通信。 图 1-2 认知无线电网络内二级用户间协作通信模型图 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 4 1.4 研究内容研究内容研究内容研究内容和和和和课题来源课题来源课题来源课题来源 本文的研究主要集中在认知无线电网络场景下，二级用户间通信所需要的协作 arq 协议的新的特点和性能。主要研究了在认知无线电网络中，二级用户之间的通信，并提出 了一种基于条件概率重传的新协作 arq 协议，适应于多中继多用户的情况，利用条件概 率公式和 dtmc（discrete time markov chain）对其进行了理论推导，仿真证明该协议的 确可以有效降低源端的重传率，为源端给其他用户传输新信息提供了更多机会，从而提高 了整个二级用户系统的吞吐量。同时在中继端引入 ack-r 机制，即中继向源端发送成功 解码源端发送信息的确认信息的机制，仿真证明在这种通信场景下该机制有良好的表现。 为了适应认知无线电网络对协作 arq 协议的新要求，本文提出了一种基于智能学习 的协作 arq 协议，相比于传统的协作 arq 协议，该协议的平均重传次数更少和丢包率 更低，给出了相关的数学推导和仿真结果，证明该协议确实比传统的多中继协作 arq 协 议有更好的表现，更适合认知无线电网络的要求。 本课题的研究来源于下列项目： 1. 国家自然科学基金项目，项目编号为 60972039。 2. 江苏省自然科学基金重点项目资助，项目编号为 bk2010077。 1.5 主要贡献主要贡献主要贡献主要贡献 本文的主要研究成果如下： 1.研究了传统无线通信网络中，经典的三节点协作通信模型基础上，协作 arq 协议 的原理和一般的分析方法。 2.研究了认知无线电网络二级用户协作通信场景下，协作 arq 协议新的特性，并提 出了一种基于条件概率重传的协作 arq 协议， 利用条件概率公式和 dtmc 对其进行了理 论推导，并通过仿真给出了结果。 3.研究了适应认知无线电网络二级用户协作通信场景下协作 arq 协议新特性，并提 出一种致力于降低平均重传次数和降低丢包率的新协议， 基于智能学习的协作 arq 协议， 通过仿真证明在认知无线电网络二级用户协作通信场景下，该机制有良好的表现。 1.6 结构安排结构安排结构安排结构安排 本文的具体结构安排如下： 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 5 第一章，介绍了课题研究的背景知识，课题研究的必要性和重要性，对协作 arq 协 议的研究现状做了简要概述，随后介绍了课题来源，全文的总体研究思路和主要工作。 第二章，全面阐述了传统无线通信网络中，经典三节点协作通信模型基础上，协作 arq 协议的原理和一般的分析方法。 为后续章节的展开做了理论铺垫。 第三章，研究了认知无线电网络二级用户协作通信场景下，协作 arq 协议新的特性， 并提出了一种基于条件概率重传的新协作 arq 协议， 利用条件概率公式和 dtmc 对其进 行了理论推导，并通过仿真给出了结果。 第四章，提出一种致力于降低平均重传次数和降低丢包率的新协议，基于智能学习的 协作 arq 协议，给出了数学推导，并通过仿真证明在认知无线电网络二级用户协作通信 场景下，该机制较传统的多中继协作 arq 协议有更加出色的表现。 第五章，对全文进行总结并指出今后有待进一步研究的方向。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 经典协作 arq 原理 6 第二章第二章第二章第二章 经典经典经典经典协作协作协作协作 arq 原理原理原理原理 2.1 引言引言引言引言 随着无线通信网络技术的飞速发展，协作 arq 协议技术也随之迅速发展。 但是在传 统的无线通信网络中，包括源节点 s、中继节点 r 和目的节点 d 的三节点模型是一种经典 协作通信模型结构，具有很强的代表性，有很高的研究价值。 在这一章中，围绕这一经典单中继协作通信场景，详细地介绍协作 arq 协议工作原 理，并且讨论了基于排队论和马尔科夫链的协作 arq 协议性能分析模型。 2.2 协作协作协作协作 arq 协议的基本原理协议的基本原理协议的基本原理协议的基本原理 下面将介绍经典单中继通信模型场景下，协作 arq 协议的基本流程和工作模型，以 便于阐述协作 arq 协议的基本原理。 协作 arq 协议的工作流程如图（2-1）所示。 图 2-1 经典单中继通信模型下协作 arq 协议工作流程示意图 主要分为以下四种情况处理： 1）如图（2-1（a） ）所示，源节点 s 发送的数据帧被目的节点成功接收并解码。源节 点 s 发送了序号为 i 的数据帧，目的节点 d 成功的接收并解码后，d 会向 s 发送一个序号 为 i+1 的 ack 确认帧， 告诉源节点接收成功， 并请求发送下一个数据帧。 在下一个时隙中， s 将发送序号为 i+1 的数据帧。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 经典协作 arq 原理 7 2) 如图（2-1（b） ）所示，目的节点 d 在中继节点 r 的帮助下成功的接收并解码了数 据帧。源节点 s 向目的节点 d 发送了序号为 i 的数据帧，但是目的节点 d 无法成功解码。 这时候 d 会先向 r 发送一个序号为 i 的应答 ack 信号，请求 r 转发其接收到的序号为 i 的数据帧。由于无线通信的广播特性，中继 r 会受到 s 发送给 d 的数据帧 i，这时候可以 将其转发给 d。d 在正确接收并成功解码后，会向 s 发送一个序号为 i+1 的 ack 帧，在下 个时隙中，s 会发送序号为 i+1 的数据帧。 3) 如图（2-1（c） ）所示，目的节点 d 在中继 r 的帮助下仍然不能正确接收并解码源 节点 s 发送的数据帧 i。在这种情况下，目的节点 d 向源节点 s 发送序号为 i 的 nack 请 求，告诉源节点 s 要重新发送序号为 i 的数据帧给 d。 4) 如图（2-1（d） ）所示，由于某种原因造成的超时处理。当源节点 s 不能收到目的 节点 d 发送来的序号为 i 的 ack 确认帧时，超时机制会被触发以避免死锁现象的发生。 当源节点 s 在中继节点 r 重传时间帧结束后还没有收到来自 d 的 ack 确认帧时，重新发 送序号为 i 的数据帧。 一般中继在接收到发送端发送给目的端的信息后，有三种工作策略：放大中继模式 af （amplify and forward） 、 解码中继模式 df （decode and forward） 、 编码协作模式 cc （coded cooperation） 。这几种工作模式对信号的处理方式不同，复杂度不同，对系统的性能也有不 同的影响 41。 为了分析协作 arq 协议的性能，cerutti 等提出了一个一般性的延时分析模型，如图 （2-2）所示，根据源节点和中继节点能否同时传输或重传数据可采用互斥和独立服务器模 型。 协作 arq 协议的延时分析模型如图（2-2（a） ）所示， 图 2-2 延时分析模型 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 经典协作 arq 原理 8 基本思想是将数据传输等效为源节点和中继节点提供给目的节点的服务，故将源节点 和中继节点看作两个服务器。假定数据帧是服从泊松分布的，服务器提供相应服务，数据 以一定的概率离开服务器，用 ,s r p和 ,r s p表示数据帧在源服务器和中继服务器间互相转移 的概率。对于超时处理的特殊情况，图（2-2（a） ）中包括考虑了超时服务器，当数据帧在 处理超时情况时将自动转入 s 节点服务器重新服务，其中 ,s s p就是超时发生的概率。 相对应的时传统的非协作 arq 协议的延时分析模型， 如图 （2-2 （b） ） 所示。 与图 （2-2 （a） ）不同之处为，图（2-2（b） ）用顶