無線協(xié)作系統(tǒng)中的HARQ技術(shù)和能效增強(qiáng)技術(shù)研究.pdf

1、隨著移動通信事業(yè)蓬勃發(fā)展和用戶需求的不斷增長，高速率、高帶寬、多業(yè)務(wù)、低成本、低能耗已經(jīng)成為移動通信系統(tǒng)發(fā)展的新趨勢。以多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)為代表的空間分集技術(shù)能夠充分利用空間資源來抵抗無線信道中的多徑衰落，在提高未來無線通信系統(tǒng)的可靠性和頻譜利用率方面有著巨大的潛力。但是，由于受到移動終端的尺寸、功率損耗、硬件復(fù)雜度等因素的限制，MIMO技術(shù)在無線通信系統(tǒng)中的普及較為困難。近年來，協(xié)作分集技術(shù)通過多用戶環(huán)境中的單天線終端共享各

2、自的天線和其他資源，組成虛擬MIMO系統(tǒng)，從而獲得空間分集增益，為多天線技術(shù)的實(shí)用化提供了一條新思路。本論文針對協(xié)作分集領(lǐng)域中的協(xié)作混合自動重傳請求(HARQ)方案的設(shè)計(jì)和能量效率增強(qiáng)技術(shù)展開研究，提出了特定場景下的解決方案，并進(jìn)行了理論分析和仿真驗(yàn)證。本論文的主要貢獻(xiàn)概括如下:
　　1.在重傳方案設(shè)計(jì)方面:針對傳統(tǒng)重傳方案不能充分利用協(xié)作通信的特點(diǎn)，導(dǎo)致協(xié)作通信重傳效率不高的問題，從結(jié)合網(wǎng)絡(luò)編碼和重傳時(shí)機(jī)選擇兩個(gè)方面分別提出用于

3、特定場景下新的協(xié)作通信重傳方案:
　　1).針對傳統(tǒng)雙向譯碼轉(zhuǎn)發(fā)(DF)中繼系統(tǒng)和正交調(diào)制系統(tǒng)中重傳效率不高的問題，引入網(wǎng)絡(luò)編碼，分別提出了基于網(wǎng)絡(luò)編碼雙向中繼HARQ方案(NC-TR-HARQ，)與聯(lián)合正交調(diào)制與網(wǎng)絡(luò)編碼的HARQ方案(NC-QM-HARQ)，這兩種方案通過計(jì)算聯(lián)合似然值的方法來實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)編碼后信息的似然值合并，從而節(jié)約近5％的傳輸時(shí)間并提高了傳輸效率。以數(shù)據(jù)幀為單位分析了其一階Markov過程，得到其誤幀率和吞

4、吐量的閉式近似解。仿真結(jié)果表明，當(dāng)中繼位于兩個(gè)用戶連線的中點(diǎn)附近時(shí)，NC-TR-HARQ吞吐量性能比傳統(tǒng)方案要高6％。
　　2).針對傳統(tǒng)協(xié)作傳輸方案中信道利用率和重傳效率不高的問題，提出了兩種非正交全分集協(xié)作(FDC)系統(tǒng)的HARQ方案:定長幀協(xié)作混合重傳(FFC-HARQ)和變長幀協(xié)作混合重傳(VFC-HARQ)方案，F(xiàn)FC-HARQ和VFC-HARQ分別采用了固定幀結(jié)構(gòu)和可變幀結(jié)構(gòu)。并且推導(dǎo)了這兩種方案的中斷概率和吞吐量的理

5、論表達(dá)式。仿真結(jié)果表明，提出的方案不僅改善了傳統(tǒng)FDC系統(tǒng)的中斷性能，而且提高了系統(tǒng)的吞吐量。
　　2.在能量效率增強(qiáng)方案設(shè)計(jì)方面:針對協(xié)作系統(tǒng)的能量效率展開研究，提出了在特定場景下“如何高速率低能耗地傳輸”的解決方案:
　　1).使用雙向放大轉(zhuǎn)發(fā)(AF)中繼傳輸?shù)哪芰繐p耗與直連傳輸?shù)哪芰繐p耗的比值來衡量協(xié)作能量增益，并分析了信道狀態(tài)誤差對其的影響。在滿足中斷概率要求下，以最小化能量損耗為目標(biāo)，應(yīng)用拉格朗日優(yōu)化的KKT條件來

6、計(jì)算最優(yōu)的功率分配因子。然后給出了雙向中繼傳輸?shù)哪芰啃蕛?yōu)于直連傳輸?shù)闹欣^作用區(qū)域。在此基礎(chǔ)上提出一種低復(fù)雜度傳輸模式選擇方案，該方案是通過優(yōu)化功率分配和選擇最優(yōu)的傳輸模式來實(shí)現(xiàn)能量效率增強(qiáng)的。仿真結(jié)果表明，當(dāng)信道估計(jì)誤差達(dá)到0.03時(shí)，雙向AF中繼將失去它在能量效率方面的優(yōu)勢，這與理論分析相符合。
　　2).在基于正交調(diào)制的協(xié)作系統(tǒng)中引入增量中繼，提出了一種增強(qiáng)型正交調(diào)制協(xié)作系統(tǒng)，并以數(shù)據(jù)幀為單位分析了其一階Markov過程，得

7、到其誤幀率的閉式近似解。然后給出一種低復(fù)雜度的準(zhǔn)最優(yōu)功率分配(QOPA)方案，該方案以最小化系統(tǒng)誤幀率為目標(biāo)，通過迭代計(jì)算獲得最優(yōu)功率分配因子。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)正交調(diào)制(QM)系統(tǒng)相比，在誤幀率為10-2～10-4時(shí)增強(qiáng)型QM(IQM)方案最大可提供約4dB的性能提升，采用QOPA方案還能獲得額外約3dB的性能增益。
　　3).提出了增強(qiáng)型譯碼轉(zhuǎn)發(fā)-HARQ(IDF-HARQ)系統(tǒng)的能量效率增強(qiáng)方案。該方案首先利用能量消耗模型