（交通信息工程及控制专业论文）链路性能感知与信道状态信息反馈技术研究.pdf

中文摘要 无线通信技术的飞速发展，极大地改变了人类的生活方式，为各个行业带来 了翻天覆地的变化。由于轨道交通系统对通信技术的依赖，无线通信技术对于轨 道交通行业尤其重要。为了进一步提高无线通信系统性能、提高无线频谱资源利 用率，促进轨道交通事业的发展，跨层设计逐渐成为下一代无线通信系统研究的 热点。本文重点研究了无线通信系统跨层设计的关键技术和基础理论，主要研究 内容与创新如下： 在已有研究成果的基础上对无线通信系统跨层设计进行总体的研究和分析， 指出无线通信跨层设计中的关键技术是：链路性能感矢h ( l i n kp e r f o r m a n c ec o g n i t i o n ， l p c ) 和信道状态信息( c h a n n e ls t a t u si n f o r m a t i o n ，c s l ) 反馈技术。 下一代无线通信系统广泛采用多天线正交频分复用( m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，m i m o o f d m ) 无线传输技术，本文首 先对多天线传输环境下的信道模型进行了比较详尽的理论分析与仿真验证；然后 通过理论分析得到m i m o o f d m 无线传输和检测算法的数学模型，为后续的理论 分析与仿真建模提供基础。 针对链路性能感知技术缺乏有效理论模型的问题，本文在信息论、概率论以 及信号检测原理的基础上，推导得出一个比较完整和有效的理论模型来描述链路 性能感知技术。并且应用本文提出的理论模型，分析、比较了现有的各种链路性 能感知算法的性能以及适用范围。针对现有链路性能感知算法存在的问题，根据 本文提出的理论模型，可以推出改进的编码块接收信息率( e n h a n c e dr e c e i v e db l o c k i n f o r m a t i o nr a t e ，e r b r r ) 链路性能感知算法。链路级仿真( l i n kl e v e ls i m u l a t i o n ， l l s ) 结果表明，该算法不仅改善了链路性能感知的准确性，而且具有更广的适用 范围；仿真结果同时证明了本文提出的理论模型是有效的，能够准确地在理论上 描述和解释链路性能感知技术。 详细地分析和研究了信道状态信息反馈技术，提出应将闭环无线系统的系统 容量作为衡量反馈方案性能的指标。并且从理论和实际应用的角度，根据系统容 量的准则，分析、比较了几种目前常用反馈方案的性能以及适用范围。然后利用 该准则，推导得出了能够使得闭环无线通信系统获得最优化系统容量性能的分层 反馈方案。基于波形预编码技术的闭环m i m o 传输系统的仿真结果表明：与目前 常用的反馈方案相比，本文提出的分层反馈方案能够将系统的传输差错性能改善 1 - - - 2 d b 。 最后，应用本文得到的结论，分析了跨层设计在实际系统中的应用，并在 w i m a xi i 系统中实现了部分跨层设计算法。仿真结果表明：本文提出的理论模型 和算法能够有效地指导跨层设计在实际无线通信系统中的应用，预测系统性能； 本文提出的e r b i r 链路性能感知算法，可以将链路自适应技术的系统吞吐量提高 大约1 0 ；。将链路性能感知的理论模型应用于无线通信系统的系统仿真( s y s t e m l e v e ls i m u l a t i o n ，s l s ) 中，能够在保证s l s 能够准确的反应系统实时状态的前提 下，极大地简化系统仿真的计算复杂度；同时，仿真结果表明这样的简化能够获 得合理的系统仿真结果。 关键词：下一代无线通信系统；跨层设计；链路性能感知；信道状态信息反馈； w i m a xi i ；多天线正交频分复用；链路自适应；波形预编码技术； 分类号：t n 9 2 a b s t ra c t a bs t r a c t p e o p l e s l i f eh a sb e e n c h a n g e dg r e a t l yb yr a p i dd e v e l o p m e n t o fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sb r i n gr e v o l u t i o ni n t ol o t so fi n d u s t r i e s b e c a u s er a i l w a yh a ss u b s t a i n t i a lr e l a t i o n s h i pw i t hc o m m u n i c a t i o n ，w i r e l e s ss y s t e m s w i t hh i g h e rp e r f o r m a n c eb e c o m ee s p e c i a l l yi m p o r t a n t a sap r o m i s i n gm e t h o dt o e n h a n c ew i r e l e s ss y s t e mp e r f o r m a n c ea n dm a k i n gf u l lu s eo fl i m i t e dw i r e l e s sr e s o u r c e ， c r o s sl a y e rd e s i g ni sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ef o c u s e d t h ep a p e rl a y si t sp o i n to nc r o s s l a y e rd e s i g ni nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，i n c l u d i n gk e yt e c h n i q u e sa n db a s i ct h e o r i e s p r i m a r yc o n t e n t sa n di n n o v a t i o n sa r el i s t e da sb e l l o w s ： b a s e do nc u r r e n tc o n c l u s i o n s ，w h o l ea n a l y s i so nc r o s sl a y e rd e s i g nf o rw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n si nt h ep a p e ri n d i c a t e st h a tt h ek e yp o i n t sa r el i l l l 【p e r f o r m a n c e c o g n i t i o n ( l p c ) a n dc h a n n e ls t a t u si n f o r m a t i o n ( c s i ) f e e d b a c k t h e nt h e o r e t i c a la n a l i s i so nm i m o o f d m ，w h i c hi sw i d e l yu s e di nn e x tg e n e r a t i o n w i r e l e s ss y s t e m s ，a r ep r e s e n t e d w i r e l e s sc h a n n e lm o d e li sa n a l y z e da n ds i m u l a t e d a g e n e r a lm a t h e m a t i cm o d e lo fw i r e l e s st r a n s m i s s i o n sa n dd e t e c t i o ni sg e n e r a t e d ，i nt h e i n t e r e s to ff u r t h e ra n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n s t ot h ep o i n tt h a tl p cl a c k so ft h e o r e t i c a ls u p p o r t s ，w i t ht h eh e l po fi n f o r m a t i o n t h e o r y , s t a t i s t i c a lt h e o r ya n ds i g n a ld e t e c t i o np r i n c i p l e ，ar e l a t i v ec o m p l e t ea n d e f f e c t i v et h e o r e t i c a lm o d e li sp r o p o s e di nt h i sp a p e rt od e s c r i b el p c f r o mt h ev i e wo f a p p l i c a t i o n ，t h e s et h e o r i e sa n dt h ep r o p o s e dm o d e la r eu s e dt oe x p l a i na n da n a l y z ea l l c u r r e n t a l g o r i t h m so fl p c ，i n c l u d i n gt h e i rp e r f o r m a n c ea n da p p l i e dc o n d i t i o n s m o r e o v e rt h e s ed e d u c t i o n sc a l ll c a dt oan o v e le n h a n c e dr e c e i v e db l o c ki n f o r m a t i o n r a t e ( e r b i r ) a l g o r i t h m ，w h i c hi so fm o r ea c c u r a c ya n du n i v e r s a l i t yf o rl p c l i n k l e v e ls i m u l a t i o n ( l l s ) v a l i d a t e st h ep r o p o s e dt h e o r e t i c a lm o d e la n de r b i r a l g o r i t h m c s if e e d b a c ki sa l s ot h e o r e t i c a l l yd e t a i l e d ar u l eb a s e do ns y s t e mc a p a c i t yi s p r o p o s e d t om e a s u r et h ep e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n tf e e d b a c ks c h e m e s u s i n gt h i s m e a s u r e m e n t ，s o m ec o m m o nf e e d b a c ks c h e m e sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d ，a n dt h e n a i lo p t i m a ll a y e r e df e e d b a c ks c h e m ei s d e d u c e d ，t oo b t a i nb e s tp e r f o r m a n c ef o r c l o s e - l o o ps y s t e m s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a t ，c o m p a r i n gt oc u r r e n tf e e d b a c k s c h e m e s ，l a y e r e df e e d b a c ks c h e m ew i l li n t r o d u c e1 2 d bg a i ni nt r a n s m i s s i o ne r r o r p e r f o r m a n c eo fp r e c o d i n gm i m os y s t e m f i n a l l y , r e a la p p l i c a t i o n so fc r o s sl a y e rd e s i g n a r ep a r t l yr e a l i z e di nw i m a xi i v s y s t e m ，a n dt h e ya r ea n a l y z e dw i t ht h ec o n c l u s i o n sp r e s e n t e di nt h ep r e v i o u ss e c t i o n s si m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，t h et h e o r i e sp r o p o s e di n t h i sp a p e r , i n d i c a t ec l e a r o r i e n t a t i o n so nt h eu s a g eo fc r o s sl a y e rd e s i g ni nr e a lw i r e l e s ss y s t e m s ，a c c u r a t e l y p r e d i c t i n gs y s t e mp e r f o r m a n c e f o l l o w i n gt h et h e o r i e si nt h i sp a p e r , e r b i rl i n k e v a l u a t i o nw i l lb r i n ga b o u t10 s y s t e mc a p a c i t yg a i n si nl i n ka d a p t a t i o n ；r e s u l t sf r o m s y s t e ml e v e ls i m u l a t i o n ( s l s ) s h o wt h a tt h e o r i e so nl i n ke v a l u a t i o nc a l l r e d u c e s c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yo fs l sal o t ，a n dt h es l sr e s u l t sa r er e a s o n a b l e k e y w o r d s ：n e x tg e n e r a t i o no fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ；c r o s sl a y e rd e s i g n ； l i n kp e r f o r m a n c ec o g n i t i o n ；c s if e e d b a c k ；w i m a xi i ；m i m o o f d m ；l i n k a d a p t a t i o n ；p r e c o d i n gm i m o ； c l a s s n 0 ：t n 9 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，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交通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已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：张金 签字日期：现妒7 年月s - e 1 1 2 5 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：乡钦雪宝 导师签名： 签字日期：加。7 年6 月7 r 日 签字日期：e一亨刖 碍 f红年 、11 致谢 首先要向我的导师谈振辉教授致以最诚挚的感激之情。五年来，谈老师严谨 的学术态度、科学的学术方法和创新的学术精神，给了我克服困难的钥匙，使得 我从一个学生逐渐成长为具有专业知识和研究技能的科研工作者。本文的很多理 论和算法都倾注了谈老师的心血，与谈老师的讨论，开拓了我的思路，加深了我 对科研工作的理解。谈老师正直的为人、严谨的治学态度、广博的知识以及忘我 的工作热情，深深地影响了我，将会使我终身受益。 感谢北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室的所有老师；特别是 金晓军高工对我学习和生活上的帮助和支持，使我能够顺利地完成研究工作，在 此向她致以真诚的感激。 特别感谢英特尔中国研究中心的郑洪明博士、郑珊珊、张森杰、北京科技大 学的陈月云老师、北京交通大学的唐睿和张令文博士，他们给了我极大的帮助， 正是他们的大力支持使我顺利地完成了科研工作，特此向他们表达我的感谢。 还要深深地感谢我的家人，是他们一直在背后支持我、理解我、鼓励我，感 谢他们为我所作的一切。 最后向所有直接或间接帮助我的老师、同学、同事、工作人员以及本文的评 阅老师致以诚挚的谢意! 1 绪论 自无线通信产生以来，无线频谱资源的稀缺性始终是限制无线通信系统性能 的首要因素。跨层设计作为一种全新的设计理念，其灵活的系统设计能够极大地 提高无线通信系统的无线频谱资源利用率，改善系统性能，因而受到越来越多的 关注。 本文的研究工作受到国家自然科学基金项目( 6 0 7 7 2 0 3 5 ) ：异构网络融合关键 技术研究、8 6 3 计划资助项目( 2 0 0 7 a a 0 1 2 2 7 7 ) ：感知无线通信系统基于统计参量 的电磁兼容技术研究、高等学校博士学科点专项科研基金资助项目 ( 2 0 0 7 0 0 0 4 0 1 0 ) ：异构通信网络融合的跨层设计研究、轨道交通控制与安全国家 重点实验室( 北京交通大学) 自主课题( r c s 2 0 0 8 z t 0 0 5 ) ：高速铁路无线通信系 统中基于跨层设计的自适应抗干扰技术研究以及英特尔中国研究中心：i e e e 8 0 2 1 6 m 标准研究项目的支持，主要研究了无线通信系统跨层设计中的关键技术和 基础理论问题。 1 1 交通系统与无线通信 交通对于人类社会的重要意义是毋庸置疑的。对于我国的国情，轨道交通作 为基本的交通方式，始终扮演着至关重要的角色，重要性甚至远远超过了其他所 有的交通方式 1 】。一直以来通信都是交通系统中极其重要的组成部分，其应用涵 盖了几乎所有的交通方式。其中，通信对轨道交通的意义尤其重要【2 】。 轨道交通系统自1 8 2 5 年诞生至今，为人类社会的进步、人类文明和科学技术 的高速发展建立了不可磨灭的历史功绩。轨道交通作为服务于社会的一种公共运 输形式，其始终不变的目的是安全、迅速、可靠、准确和经济地运送旅客和货物。 历史和现实告诉我们，任何时期的交通系统都是依靠当时的先进技术及相应的技 术系统支撑实现的，而轨道交通本身也为新技术的发展做出过重要的贡献。 1 9 世纪中叶出现轨道交通系统之后，立即就有人研究如何控制列车安全运行 问题。最早年代，采用人骑马作为列车运行先导，以后又设置导运人员挥旗来指 示列车可否安全前行。2 0 世纪7 0 年代以来，面对社会和经济发展对轨道交通运输 不断增长的“高速度、高密度”的需求，轨道交通系统经历了从人工到机械化的、 电子化的、信息化，进而向智能化方向发展的历程。在此过程中，列车运行控制 系统逐渐显现出其重要地位。 列车运行控制系统是轨道交通系统中最重要的一环，也是通信技术在轨道交 通中最为重要的应用。1 9 世纪7 0 年代世界上开始使用“基于轨道电路的列车运行 控甫1 ( t r a c kc i r c u i tb a s e dt r a i nc o n t r o l ，t c b t c ) ”控制列车运行。虽然t c b t c 有着 诸多优点，但是随着轨道交通的快速发展，也暴露出很多潜在的问题 3 】。 1 8 9 7 年马可尼在英格兰首次成功地实现了运输货轮之间的无线电通信，无线 通信在一百多年的历程中，经历了巨大的发展。尤其是近一、二十年，人类对无 线通信倾注了更大的热情，无线通信技术的发展也更加迅速。随着无线通信技术 的发展，基于无线通信的列车控制系统成为轨道交通运输管理系统信息基础设施 的重要组成部分。 无线通信和列车控制两大学科高度融合发展，从根本上将基于轨道电路的单 向信息传输提升为基于无线通信系统的双向、连续、大容量的信息传输。它以数 据通信为纽带，以网络发展为基础，以安全、高效益、高服务质量为根本目标。 2 0 0 3 年，北京交通大学电子信息工程学院现代通信研究所建成了g s m r 模拟实验 室，并在此基础上进行了相关的实验。2 0 0 5 年，北京交通大学在青藏线工程中成 功进行了无线机车信号系统的安装与测试工作。目前，我国己经成功借鉴欧洲铁 路控制系统( e u r o p e a nt r a i nc o n t r o ls y s t e m ，e t c s ) 的成功经验，研究制定了适合我 国国情的中国列车控制系统技术规范【4 】。 “京津城际铁路 开启了我国轨道交通系统高速铁路建设的序幕。在铁道部 的规划中，要建设8 条时速2 0 0 公里 2 5 0 公里和3 0 0 公里3 5 0 公里的高等级客运 专线，这被称为“四纵四横”客运专线。高速铁路极大地改善了人们出行条件， 同时也给列车运行管理带来了严峻的挑战。保障高速铁路系统安全运行的关键是 把外界所有不安全因素都纳入监控测试体系，并且通过高度可靠而且反应迅捷的 传输系统及时将监控信息反馈给列车控制中心，对整个系统进行实时精确的控制。 这要求为轨道交通服务的无线通信系统具有更高的传输性能以及传输可靠性。考 虑到g s m - r 在世界范围内铁路系统中已经取得的成绩，可以预见，具有更高性能 的下一代无线通信系统必定会给轨道交通系统带来更大的发展。 研究表明：下一代无线通信系统将极大地提升无线通信系统的性能。下一代 无线通信系统应具备以下特征 5 】： ( 1 )高性能的物理层，可以提供高达1 g b i t s s 的数据传输速率，甚至更高； ( 2 ) 更广泛的接入模式； ( 3 ) 高度的智能化。 与此同时，作为提高无线通信系统频谱资源利用率、改进系统性能的有效手 段的无线通信系统跨层设计技术受到越来越多的关注。借助于这项技术，将进一 步提高轨道交通中无线通信系统的性能，进而极大地推进轨道交通事业的发展。 1 2 无线通信跨层设计的起源 传统的无线通信系统是根据开放系统互连参考模型( o p e ns y s t e m i n t e r c o n n e c t i o nr e f e r e n c em o d e l ，o s i r m ) 以及传输控制网际协议( t r a n s m i s s i o n c o n t r o lp r o t o c o l i n t e m e tp r o t o c o l ，t c p i p ) 的分层体系结构进行设计的，每一层的 模块分别主管相应的系统功能，同时各层模块之间保持独立【6 】。o s i r m 模型将通 信系统划分为七层：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和 物理层；t c p i p 模型将通信系统划分为五层：应用层，传输层，网络层，链路层， 物理层。 考虑无线通信的特点，无线通信系统以t c p i p 模型为基础，将o s i r m 模型 中的应用层、表示层和会话层合并为新的应用层，从而简化了系统的设计。其中 数据链路层又被细分为逻辑链路控制子层( l o g i cl i n kc o n t r o l ，l l c ) 幂i ：i 媒体接入控 制子层( m e d i a a c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 7 。这样的分层模型已经为无线通信提供了可 行的实施方案，例如全球移动通信系统( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ；* 、 g s m ) 和第三代移动通信系统( 3 r dg e n e r a t i o n ，3 g ) 系统。o s i r m 与t c p i p 模型的 区别与联系如下图1 1 所示： 应用层 表示层 莎 应用层 传输层 网络层 数据链路层 会话层 1 物理层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 图1 - 1 ：o s i r m 与t c p i p 模型的区别与联系 g s m 与3 g 系统的成功，表明了传统分层设计的有效性。但是，近年来无线 通信技术飞速发展，并广泛地应用于社会生活各方面，随着无线通信与因特网融 合的实现，人们对无线系统在容量、速率、接入以及服务质量( q o s ) 等方面的要求 不断提高，传统的无线通信系统逐渐显露出诸多不足之处，其中最受关注的是其 无线频谱资源利用率较低的问题。 传统的分层无线系统中，每层模块独立地进行设计和操作，各层之间的接口 是静态的，且与系统的状态和应用需求无关。这种设计方法虽然能够简化系统的 设计，具有较好的通用性。然而，s a n j a ys h a k k o t t a i 等学者的研究指出，这种严格 的分层设计使得无线通信系统只能工作在一个相对静态的环境下，无法充分利用 有限的无线频谱资源实现最优的系统性能；并且提出了无线通信跨层设计理念的 雏形，以进一步提高无线系统的资源利用率 7 】。 随着无线通信跨层设计研究的深入，越来越多的研究表明传统的分层设计无 法很好地适应无线通信的特点 8 1 2 。例如：传统的分层设计方法中，传输层不了 解物理层的当前状态，都假设信道稳定可靠。无论是由于信道的传输差错或是拥 塞造成的报文丢失，传输层控制协议均认为是由于网络拥塞造成的，通过降低传 输速率来调节，而不是进行流量控制，导致了系统容量的下降。此外，由于无线 通信环境具有快速变化的特性，而基于分层结构的通信协议栈只能在相邻的层之 间以固定的方式进行通信。这样，传统的分层设计就无法灵活地适应无线传输环 境的变化，导致了系统无法有效地利用有限的无线频谱资源。 跨层设计作为一种全新的系统设计理念，针对传统分层设计的不足，综合无 线通信系统各层的信息，以自适应的方式、从整体性能最优化的角度对无线通信 系统进行设计和动态地调整，极大地提高了无线频谱资源利用率。跨层设计应具 有以下特征7 1 ： ( 1 )自适应：指的是实现各层功能模块能够对无线通信系统的实时状态进行观测， 并动态地做出适应性的调整。既包括下层对上层变化的自适应，也包括上层 对下层变化的自适应，还包括层间信息的预测以及交互； ( 2 ) 整体性能优化：指的是在设计无线通信系统时，必须考虑各层功能模块之间 的合作与相互影响，避免单纯地追求某一层功能的最优化而导致系统整体性 能下降的情况。 1 3 本文的主要工作及内容安排 本文重点研究了无线通信系统跨层设计的关键技术和基础理论。 第2 章对无线通信系统跨层设计的基本原理进行了比较深入地讨论。跨层设 计虽然能够通过灵活地设计，极大地提高无线频谱资源的利用率，但是跨层设计 打破了分层结构中功能模块的独立性，使得系统中所有模块必须统一设计，给系 统的维护与标准化带来很大的难度。为了充分利用跨层设计的优势、降低系统设 计和维护的复杂度，本文将跨层模块引入传统的分层设计体系中，给出了一个无 线通信系统跨层设计的可行方案，既能够利用跨层设计灵活地调整无线通信系统， 4 提高频谱资源利用率；同时还保留了各层功能模块的相对独立性，降低了系统设 计和维护的成本。然后，对已有的无线通信跨层设计具体的原理机制进行了比较 全面的总结，在分析的基础上得出：无线通信跨层设计的关键在于对实时无线链 路性能的准确感知( l i n kp e r f o r m a n c ec o g n i t i o n ，l p c ) 以及实时信道状态信息 ( c h a n n e ls t a t u si n f o r m a t i o n ，c s i ) 的反馈。 第3 章研究了多天线正交频分复用( m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u to r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，m i m o o f d m ) 无线传输系统的信道模型、无线信 号传输和检测算法，给出了m i m o o f d m 无线传输系统的数学模型，为后续的理 论分析和仿真奠定了基础。 第4 章深入研究了链路性能感知技术。首先建立了给定无线信道状态下无线 资源块传输的差错概率模型，给出了链路性能感知的数学模型和理论描述；然后 根据该理论分析解释了现有的链路性能感知算法的适用范围以及性能：并根据该 理论模型推导得出了改进的编码块接收信息率( e n h a n c e dr e c e i v e db l o c k i n f o r m a t i o nr a t e ，e r b i r ) 链路性能感知算法。仿真结果表明，本章给出的理论模型 能够完善地阐述各种链路性能感知算法的性能；e r b i r 算法大大提高链路性能感 知的准确性，并且具有更广的应用范围。 第5 章研究了信道状态信息反馈技术。首先建立了闭环反馈系统的系统容量 模型，给出了衡量反馈方案性能的标准：根据这个标准，从理论上分析比较了几 种常用的反馈方案的性能：针对已有反馈方案存在的问题，结合本章提出的理论 模型，推导得出了优化的分层反馈方案。 地预测各种反馈方案的性能及适用范围； 的闭环反馈系统容量性能。 仿真结果表明，系统容量标准能够准确 本章提出的分层反馈方案能够获得最优 第6 章讨论了跨层设计理论和算法在w i m a xi i 系统中的实际应用，并在 w i m a x i i 系统中实现了部分的跨层设计功能。仿真结果表明，本文提出的链路性 能感知和反馈的理论模型能够比较准确地预测仿真结论，有效地指导跨层设计在 实际系统中的应用；使用本文提出的e r b i r 链路性能感知算法能够将链路自适应 的系统容量提高大约1 0 ；使用本文提出分层反馈方案能够将波形预编码m i m o 系统的无线传输差错性能改善1 2 d b 。 第7 章总结了全文的内容，指出进一步研究的方向。 5 2 无线通信跨层设计 2 1 无线通信跨层设计简介 传统的无线通信系统是根据严格分层模块化设计思想得到的，不能最大限度 地发挥无线通信系统的性能，无线频谱资源利用率较低。其根本原因在于，分层 设计是基于有线通信系统发展起来的，相对于有线通信系统中时不变的传输环境， 无线通信系统的传输环境是时时刻刻都在变化的。由于传统分层设计中各层模块 之间的独立性，功能模块只能在相邻的两层之间以固定的方式进行通信，信息交 互的时延很大，造成无线通信系统无法及时地适应时变的无线传输环境。因此传 统的分层设计得到的系统通常只能考虑在最差通信条件下工作的状态，无法充分 利用有限的无线传输资源，损失了无线通信系统的无线频谱资源利用率和性能。 p e 刚吞吐 路由切换信 链路状态，主要是数 输差错概率 应用层 之乡彳p 传输层 之乡彳p 网络层 之乡彳亍 数据链路层 之乡彳p 物理层 p e 尉吞吐量 路由，切换信息 链路状态，主要是数据传 输差错概率 信道信息 图2 1 ：传统分层无线通信系统的层间交互模型 传统的分层设计得到的无线通信系统结构如图2 1 所示。假如无线信道在某一 时刻进入深衰落状态，传统的分层系统必须遵循严格的层间信息交互规则，将这 一变化逐层向应用层传递。然后应用层做出相应的调整后也必须将调整信息逐层 向各个层传递。这样，应用层的调整到达其他各层时，无线信道的状态已经发生 比较大的改变，使得无线通信系统仍然无法匹配的实时的无线信道状态，造成系 统无线频谱资源利用率和性能的下降。 6 跨层设计使得系统内的每一层都能够与其他层进行信息交互。参与信息交互 的层包括：应用层，传输层，网络层，链路层，物理层。对于上面描述的情况， 当无线信道发生变化时，物理层能够在第一时i 自j 将变化信息传给其他各层，从而 使得整个无线通信系统都做出及时地调整。这样，通过跨层信息交互就能使系统 各层的模块在第一时间适应无线传输环境的变化，提高系统的性能。 跨层设计虽然能够极大地改善无线通信系统的性能，仍然存在不可忽视的问 题。由于跨层设计打破了系统各个模块之间的独立性，必须对无线通信系统进行 统一的设计。当任何一层发生改变或需要维护时，必须更新整个系统。这对于无 线通信系统的实际应用是不能接受的。 针对这个问题，目前的研究倾向于在现有的无线通信系统中引入跨层模块， 由跨层模块收集各层的信息，进行整体优化和统一部署后再分别重新设置系统中 每一层相应的参数，从而达到系统的整体优化 1 3 1 5 】。图2 2 给出了一个可行的跨 层设计框架。 图2 2 ：无线通信系统的跨层模型 从图2 2 中可以看到，通过引入跨层模块，并在跨层模块与应用层、传输层、 网络层、数据链路层和物理层之间分别增加相应的跨层模块接口，传统的分层结 构被完整的保留下来。这样设计的优点在于：既能够利用跨层设计的优势灵活地 调整无线通信系统，实现系统整体性能的优化；同时还保留了各层功能模块之间 的相对独立性，从而避免了由于某一层的改变而必须将整个系统重新设计部署的 问题，使得系统的设计和维护变得相对简化。 2 2 无线通信跨层设计机制 在跨层设计中，层间信息交互的机制主要包括以下两类 1 6 ： ( 1 )由上层到下层的机制：这类机制将信息由上层传递到下层。例如：应用层将 其相关信息( 传输时延或分组丢失率需求) 传递到链路层，使得链路层能够 调整其纠错机制；或者，应用层的优先级信息被传到t c p 层，从而使其接收 窗口能够得到调整以获得相应的优先级； ( 2 )由下层到上层的机制：这类机制将信息由下层传递到上层。例如：t c p 层的 分组丢失率被传递到应用层，使得应用层能够调整其发送速率；或者，物理 层将信道衰落信息传递到链路层，从而使链路层能够根据信道条件调整数据 的发送方式。 总结近年来跨层设计实施方法的研究成果可以得到跨层设计的具体工作原理 如下表2 1 所示 7 2 0 】： 表2 - 1 ：跨层设计的工作原理 淤 应用层传输层网络层链路层物理层 起始层 应用层 q o s l 需求q o s 需求q o s 需求q o s 需求 传输层1 p e r 21 p e r 需求1 p e r 需求1 p e r 需求 2 吞吐量2 吞吐量2 吞吐量2 吞吐量 需求需求需求 网络层1 路由信息1 路由信息 路由和网络路由和网络 2 网络层切2 网络层切切换的需求切换的需求 换信息换信息( 包括跳( 包括跳 数、掉话率数、掉话率 和时延等)和时延等) 链路层链路状态链路状态链路状态1 无线传输 格式 2 m a c 控制 信息( 包括 功率控制、 接入控制 等) 物理层i 物理链路i 物理链路i 物理链路l 物理链路l i 状态l 状态i 状态i 状态 注释： ( 1 )q o s ：q u a l i t yo fs e r v i c e ，业务质量，包括传输时延和传输差错概率等： ( 2 ) p e r ：p a c k e te r r o rr a t e ，分组错误概率，包括两种情形：分组在传输的过程 中出错；分组由于阻塞而被丢失。 表2 1 中列出了无线通信系统中各层所关心的状态参数，跨层模块从各层功能 模块中对这些参数进行实时的观测，并根据这些参数的变化对各层的设置进行及 时的调整适应，通过跨层接口将调整信息及时传递到各层的功能模块，从而使得 无线通信系统能够适应时变的无线传输环境，最大限度的利用无线频谱资源，提 高无线通信系统性能。 2 3 无线通信跨层设计的关键 相对于有线通信，无线通信系统的频谱资源有限，传输环境变化很快，传输 差错概率较高。无线通信主要具有以下的特点 1 6 】： ( 1 )由于无线信道的大尺度衰落及小尺度衰落，信道状态随时间快速地动态变化。 因此，在同样的数据速率要求下，处于不同位置或不同移动速度的用户要求 不同的接入时间。系统需要通过实时了解无线信道的信息来提高性能； ( 2 )无线信道是共享的媒介，有效的无线资源分配机制不仅取决于用户的接入控 制协议，而且取决于物理层采用的编码与调制机制以及实时的无线信道状态： ( 3 )无线通信系统的各种控制过程都是涉及多个层次的问题，要对各层综合考虑； ( 4 )分组错误主要由于分组在传输的过程中出错引起；而不是像有线通信系统中， 主要由于分组被阻塞而造成的分组丢失。 因此，在无线通信系统中，应用层、传输层、网络层、链路层和物理层相互 制约，影响了各自功能模块对无线资源的利用。从前面的表2 1 中可以看到，实现 跨层设计需要的最关键的信息是物理链路的状态信息，而物理链路状态是由信道 响应和信噪七l , ( s i g n a lt on o i s er a t i o ，s n r ) 定义的。 对于有线通信，信道响应和s n r 是保持不变的，因此可以通过实际测试确定 发射功率，使得传输错误概率保持在较低的水平。此时，物理层的状态参数可以 通过实际测试确定，从而进一步确定其他各层的参数设置。最终得到与传统分层 设计相同的结论。 然而，无线通信系统的无线信道状态实时变化，最终导致其他各层的最优设 置时刻改变。这也正是传统的分层结构不能适用于一般无线通信系统，并引入跨 9 层设计的根本原因。 从表2 1 可以得到各层关心的参数主要有：q o s 、p e r 、吞吐量、路由、切换、 无线传输格式、m a c 控制信息以及物理链路状态。 ( 1 )应用层q o s 参数：是由业务类型决定的，包括时延和p e r 。其中时延主要是 由于分组错误而引起的重传造成的，受到p e r 的决定。因此p e r 是影响应用 层参数的关键； ( 2 )链路层p e r 和吞吐量参数：是由物理链路状态和重传机制决定的。其中吞吐 量又是由p e r 和当前链路状态能够支持的调制编码格式( m o d u l a t i o na n d c o d i n gs c h e m e ，m c s ) 所决定的。所谓能够支持的m c s ，取决于采用这种m c s 时，链路传输的p e r 是否能够满足系统对于p e r 的要求。因此p e r 也是链 路层参数的关键； ( 3 )网络层路由、切换参数：路由和切换的参数设置是根据应用层的q o s 以及物 理、逻辑链路的传输差错概率决定的，因此p e r 也是网络层参数的关键； ( 4 ) 链路层切换、无线传输格式、m a c 控制参数：毫无疑问，这些参数都是由传 输在当前链路状态下的编码数据块的差错概率( b l o c ke r r o rr a t e ，b l e r ) 决定 的。通过b l e r 又能够计算得到p e r ，因此p e r 仍然是最关键的指标； ( 5 )调度算法：调度必须考虑用户之间的公平性，但是还必须保证传输的有效性， 即p e r 必须满足一定的要求。因此，p e r 仍然是关键的参数； ( 6 )物理层信道响应和s n r 参数：直接决定了无线传输的差错概率( 即p e r ) 。 对于接收机，时变的物理层信道响应和s n r 参数可以通过信道估计获得：而 对于发射机来说，只能通过信道状态信息( c h a n n e ls t a t u si n f o r m a t i o n ，c s i ) 反 馈得至u 2 1 】。 可以看到，几乎所有参数都与p e r 有关，而p e r 又是由时变的物理层信道响 应和s n r 参数直接决定的。同时，对比有线与无线通信系统中上述各种参数，无 线通信最本质的特征是无线信道状态，即物理层信道响应和s n r 参数的时变性。 其他参数的变化都是由于无线信道状态的变化而引起的。 由于信道编码能够获得巨大的解码增益，因此需要传输的数据首先要进行信 道编码，然后才被调制成载波符号、映射到不同的物理无线信道上进行无线传输。 对于目前广泛使用的t u r b o 以及低密度奇偶校验编码( l o wd e n s i t yp a r i t yc h e c k e d ， l d p c ) 而言，码字一般都比较长，例如w i m a xi i 采用的短t u r b o 编码，码长一般 在几百个比特。若要获得更优的编码性能，码长必须增加。这就使得一个分组中 的数据必须占用多个物理子信道进行传输，如图2 3 所示。 虽然，这样的传输过程可以用比特传输差错概率( b i te r r o rr a t e ，b e r ) 和p e r 来描述。但是实际应用中，假如一个编码分组发生传输错误，该分组中所有的比 l o 特都是无效的，因此b e r 并不具有实际应用的意义。而且，无线通信系统中各层 关心的参数也都与p e r 直接相关，于是，链路性能感知的目标就是确定所有物理 子信道的状态与p e r 之问的联系。 二玎。 n