基于能量效率和頻譜效率的HARQ協(xié)議研究與優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、作為現(xiàn)代無線通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一，混合自動重傳請求（Hybrid Auto-matic Repeat reQuest，HARQ）協(xié)議結(jié)合了前向糾錯技術(shù)(Forward Error Correction，F(xiàn)EC)技術(shù)和自動重傳請求(Automatic Repeat reQuest，ARQ)協(xié)議的優(yōu)點，可以有效對抗無線信道衰落的影響，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院托?。同時，隨著移動通信的快速發(fā)展和用戶需求持續(xù)的增長，能量效率和頻譜效率已經(jīng)成為下

2、一代無線通信網(wǎng)絡(luò)的兩個重要的性能指標。為了提高衰落信道下不同系統(tǒng)中HARQ協(xié)議的能量效率、頻譜效率或?qū)崿F(xiàn)它們之間的折中，本文研究了HARQ協(xié)議中跨層參數(shù)設(shè)計、最優(yōu)功率分配等優(yōu)化方案。具體來說，論文主要研究內(nèi)容和主要貢獻如下：
　　首先，論文針對塊瑞利衰落信道下基于Chase合并的HARQ（Chase Com-bining based HARQ，CC-HARQ）協(xié)議提出了一種能量有效的跨層優(yōu)化方案。具體來說，采用一種對數(shù)域線性閾值誤

3、幀率近似模型推導出了塊瑞利衰落信道下CC-HARQ協(xié)議能量效率的一個簡單閉合表達式?；谠摫磉_式，進一步求得了發(fā)送能量一定情況下的最優(yōu)負載長度和負載長度一定情況下的最優(yōu)發(fā)送能量，并通過聯(lián)合迭代優(yōu)化算法確定了聯(lián)合最優(yōu)的負載長度和發(fā)送能量。另外，為了靈活調(diào)整CC-HARQ協(xié)議中能量效率和頻譜效率的平衡，引入了一個具有權(quán)重因子的歸一化折中度量，并求得了使得該度量最大化的最優(yōu)負載長度和發(fā)送能量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)CC-HARQ協(xié)議的能量效率和頻譜效率在最

4、優(yōu)負載長度上一致，但在最優(yōu)發(fā)送能量上互相沖突。仿真結(jié)果表明能量有效的設(shè)計方案可以有效提高衰落信道下CC-HARQ協(xié)議的能量效率，折中方案可以通過調(diào)整能量效率的權(quán)重因子靈活調(diào)整CC-HARQ協(xié)議中能量效率和頻譜效率的折中。
　　其次，對于瑞利衰落信道下直傳系統(tǒng)和協(xié)同系統(tǒng)中的截斷CC-HARQ協(xié)議，為了使得在滿足最大重傳次數(shù)和目標丟幀率約束下系統(tǒng)的平均總消耗功率最小，論文提出了一種具有閉合表達式的最優(yōu)功率分配算法。由于CC-HARQ協(xié)

5、議和協(xié)同CC-HARQ協(xié)議精確平均誤幀率表達式較為復雜，直接求解原始優(yōu)化問題需要解多個復雜的優(yōu)化問題。為了簡化優(yōu)化問題的求解，推導了高信噪比下一個簡單的漸進誤幀率表達式。利用該近似表達式，最優(yōu)功率分配問題可以簡化為一個幾何規(guī)劃問題（Geometric Programming Problem，GPP），可以通過GPP優(yōu)化工具箱求解。為了進一步降低求解復雜度，利用拉格朗日乘子法推導出了最優(yōu)功率分配問題的閉合表達式解。然后利用閉合表達式研究了

6、系統(tǒng)參數(shù)對于最優(yōu)功率分配序列的影響，并給出了最優(yōu)功率分配序列單調(diào)性的充分必要條件。結(jié)果表明所提出的閉和表達式最優(yōu)功率序列和采用GPP優(yōu)化工具獲得的結(jié)果一致，且和傳統(tǒng)的等功率序列相比可以獲得顯著的功率增益。同時，協(xié)同CC-HARQ協(xié)議的最優(yōu)功率分配算法性能優(yōu)于直傳CC-HARQ協(xié)議的最優(yōu)功率算法。
　　再次，論文針對瑞利衰落信道下多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）系統(tǒng)中三種典型的截

7、斷HARQ協(xié)議，分別提出了在中斷概率約束下平均總功率最小化和平均總功率約束下中斷概率最小化的閉式最優(yōu)功率分配算法?？紤]MIMO系統(tǒng)中I型HARQ（Type-I HARQ，TI-HARQ）協(xié)議、CC-HARQ協(xié)議和基于增量冗余的HARQ（Incremental Redundancy based HARQ，IR-HARQ）協(xié)議，從信息論的角度分析了它們在高信噪比下的漸進中斷概率，并將它們表示為與分集增益和編碼增益相關(guān)的統(tǒng)一表達式?；诮y(tǒng)一的

8、漸進中斷概率表達式，利用拉格朗日乘子法進一步分別推導了中斷概率約束下平均總功率最小化和平均總功率約束下中斷概率最小化的最優(yōu)功率序列的閉合表達式，發(fā)現(xiàn)兩個優(yōu)化問題的解是等效的。然后利用最優(yōu)功率序列閉合表達式進一步研究了三種MIMO HARQ協(xié)議最優(yōu)功率序列的性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)三種協(xié)議最優(yōu)分配功率序列在目標中斷概率小于某一與天線數(shù)目、重傳次數(shù)和傳輸速率有關(guān)的門限時是單調(diào)遞增的，且最優(yōu)功率分配算法相對于等功率分配算法獲得的增益隨著目標中斷概率的減小先

9、減小然后增大。數(shù)值仿真結(jié)果表明最優(yōu)功率分配序列可以有效提高MIMO HARQ協(xié)議的性能，且最優(yōu)功率分配的性質(zhì)可以有效指導MIMO系統(tǒng)中HARQ協(xié)議的設(shè)計。
　　最后，論文針塊瑞利衰落信道下多跳無線網(wǎng)絡(luò)不采用HARQ協(xié)議、采用TI-HARQ協(xié)議和CC-HARQ協(xié)議的情景，提出了總發(fā)送功率約束下頻譜有效的速率和功率聯(lián)合優(yōu)化策略。針對三種不同的情景分別從信息論的角度推導了頻譜效率的閉合表達式，接著給出了發(fā)送功率一定時每一跳的最優(yōu)速率，其

10、中多跳無HARQ協(xié)議時的最優(yōu)速率由一個低復雜度的一維搜索算法給出，多跳TI-HARQ協(xié)議和多跳CC-HARQ協(xié)議的最優(yōu)速率由閉合表達式給出。然后給出了每一跳發(fā)送速率一定情況下最優(yōu)功率分配策略，其中多跳無HARQ協(xié)議和多跳CC-HARQ協(xié)議的最優(yōu)功率分配策略由閉合表達式給出，多跳TI-HARQ協(xié)議的最優(yōu)功率分配策略由一維搜索算法給出。基于不同的情景下發(fā)送速率和功率的單個變量優(yōu)化策略，分別提出了最優(yōu)速率和功率聯(lián)合優(yōu)化的交替迭代算法。結(jié)果表明