無線協(xié)作系統(tǒng)中的HARQ技術和能效增強技術研究.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、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)技術為代表的空間分集技術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、硬件復雜度等因素的限制，MIMO技術在無線通信系統(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，為多天線技術的實用化提供了一條新思路。本論文針對協(xié)作分集領域中的協(xié)作混合自動重傳請求(HARQ)方案的設計和能量效率增強技術展開研究，提出了特定場景下的解決方案，并進行了理論分析和仿真驗證。本論文的主要貢獻概括如下:
　　1.在重傳方案設計方面:針對傳統(tǒng)重傳方案不能充分利用協(xié)作通信的特點，導致協(xié)作通信重傳效率不高的問題，從結合網(wǎng)絡編碼和重傳時機選擇兩個方面分別提出用于

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)絡編碼，分別提出了基于網(wǎng)絡編碼雙向中繼HARQ方案(NC-TR-HARQ，)與聯(lián)合正交調(diào)制與網(wǎng)絡編碼的HARQ方案(NC-QM-HARQ)，這兩種方案通過計算聯(lián)合似然值的方法來實現(xiàn)對網(wǎng)絡編碼后信息的似然值合并，從而節(jié)約近5％的傳輸時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。仿真結果表明，當中繼位于兩個用戶連線的中點附近時，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構和可變幀結構。并且推導了這兩種方案的中斷概率和吞吐量的理

5、論表達式。仿真結果表明，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.在能量效率增強方案設計方面: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，應用拉格朗日優(yōu)化的KKT條件來

6、計算最優(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。在此基礎上提出一種低復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)的傳輸模式來實現(xiàn)能量效率增強的。仿真結果表明，當信道估計誤差達到0.03時，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。然后給出一種低復雜度的準最優(yōu)功率分配(QOPA)方案，該方案以最小化系統(tǒng)誤幀率為目標，通過迭代計算獲得最優(yōu)功率分配因子。仿真結果表明，與傳統(tǒng)正交調(diào)制(QM)系統(tǒng)相比，在誤幀率為10-2～10-4時增強型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).提出了增強型譯碼轉發(fā)-HARQ(IDF-HARQ)系統(tǒng)的能量效率增強方案。該方案首先利用能量消耗模型