畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-具有統(tǒng)計(jì)QoS保障的HARQ系統(tǒng)的吞吐量和能量效率分析

1、大連交通大學(xué)2016屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘 要隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，具有服務(wù)質(zhì)量（QoS）要求（如吞吐量和時(shí)延要求）的無線多媒體數(shù)據(jù)（如VoIP和無線視頻流）已經(jīng)成為無線網(wǎng)絡(luò)承載的主要業(yè)務(wù)。面對人們對無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求量的日益增大，如何在通信資源（如頻率、時(shí)間、空間）有限的情況下，通過減少時(shí)延、提高吞吐量等，從而獲得更大的傳輸速率、能量效率以及較高的可靠性，成為近些年來的主要研究方向。一般來說，通過分析無線通信系統(tǒng)的吞吐量和能量效率，可以為無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、通信資源的有效利用以及用戶QoS保障提供參考和指導(dǎo)。因此，本文通過MATLAB平臺(tái)進(jìn)行了無線通信系統(tǒng)的建模與仿真，對具有統(tǒng)

2、計(jì)QoS保障的采用HARQ重傳條件的無線傳輸系統(tǒng)的吞吐量和能量效率進(jìn)行了理論分析，并進(jìn)一步分析了統(tǒng)計(jì)QoS、傳輸速率、傳輸次數(shù)、傳輸功率等參數(shù)對無線通信系統(tǒng)吞吐量和能量效率的影響。關(guān)鍵詞： 服務(wù)質(zhì)量 混合自動(dòng)請求重傳 吞吐量 能量效率 全套設(shè)計(jì)加扣3012250582ABSTRACT With the continuous development and progress of wireless communication technology, wireless multimedia data (such as VoIP and wireless video streaming) under

3、 the quality of service (QoS) constraints (such as throughput and time delay) have become the main business of wireless networks. In the face of the increasing demand for wireless data services, how to obtain greater transmission rate, energy efficiency and high reliability under the situation of th

4、e limited in the communication resources (e.g., frequency, time and space) by reducing the time delay, improving the throughput becomes a main research direction in recent years. In generally, through analyzing the throughput and energy efficiency of wireless communication system can provide referen

5、ce and guidance for the design of wireless communication system, the effective use of communication resources and the users QoS guarantee. Therefore, this paper carries out the modeling and simulation of wireless communication system based on MATLAB platform. The throughput and energy efficiency of

6、wireless transmission systems with statistical QoS guarantee are analyzed by using the HARQ retransmission mechanism, and further analyzes the influence of the parameters such as QoS, transmission rate, transmission times, transmission power and other parameters on the throughput and energy efficien

7、cy of wireless communication system.Key words: QoS HARQ Throughput Energy efficiency目 錄第一章 緒論11.1研究背景11.2國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r11.3論文內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排2第二章 混合自動(dòng)重傳技術(shù)32.1前向糾錯(cuò)技術(shù)32.2自動(dòng)重傳請求技術(shù)32.2.1 ARQ系統(tǒng)原理32.2.2 ARQ技術(shù)介紹32.3混合自動(dòng)重傳請求技術(shù)42.3.1 HARQ系統(tǒng)原理42.3.2 HARQ的重傳機(jī)制42.3.3三種類型的HARQ72.4統(tǒng)計(jì)QoS、吞吐量和能量效率102.5本章小結(jié)10第三章 具有QoS保障的HARQ系統(tǒng)的吞吐量分

8、析123.1系統(tǒng)模型123.1.1衰落信道模型123.1.2 HARQ-IR模型123.2有效容量133.2.1 HARQ-IR重傳機(jī)制的有效容量133.2.2 HARQ-CC重傳機(jī)制的有效容量143.3硬時(shí)延約束143.4性能仿真153.4.1不同傳輸速率下HARQ-IR和HARQ-CC吞吐量比較153.4.2不同QoS限制下吞吐量的變化163.4.3硬時(shí)延約束對HARQ-IR吞吐量的影響173.5本章小結(jié)18第四章 具有QoS保障的HARQ系統(tǒng)的能量效率分析194.1系統(tǒng)模型194.1.1衰落信道模型194.1.2狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型194.2有效容量、頻譜效率和單位能量204.2.1有效容量20

9、4.2.2頻譜效率和單位能量的折中214.3稀疏多徑衰落寬帶寬下的能量效率224.3.1衰落子信道模型224.3.2寬帶寬機(jī)制下頻譜效率和單位能量的折中224.3.3性能仿真234.4低功率條件下的能量效率254.4.1低功率條件下頻譜效率和單位能量的折中254.4.2性能仿真264.5本章小結(jié)27第五章 總結(jié)28謝詞29參考文獻(xiàn)30附錄32第1章 緒論1.1研究背景隨著時(shí)代的不斷發(fā)展與進(jìn)步，人們從剛開始僅僅需求語音通話發(fā)展為現(xiàn)在對各種各樣新的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)如移動(dòng)游戲、視頻業(yè)務(wù)、可視會(huì)議的需求，并且在新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，人們的這種需求還在不斷增大。業(yè)務(wù)的不斷增加、需求的不斷提升，使得用戶對QoS(

10、Quality of Service,服務(wù)質(zhì)量)的要求越來越高，同時(shí)對數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸可靠性的要求也是越來越高。合理的服務(wù)質(zhì)量保障也成為下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展多媒體業(yè)務(wù)的關(guān)鍵。 從第一代通信系統(tǒng)發(fā)展到第四代通信系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?、可靠性、安全性、傳輸質(zhì)量以及頻譜利用率、增值服務(wù)、服務(wù)質(zhì)量等都獲得了巨大的發(fā)展，在相應(yīng)的時(shí)間段內(nèi)，人們的需求也得到了滿足。但是隨著人們對各種各樣新的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)如移動(dòng)游戲、視頻業(yè)務(wù)、可視會(huì)議的需求的不斷增長，移動(dòng)通信資源的不足日益突顯。如何在具有統(tǒng)計(jì)QoS保障以及有限的頻率、時(shí)間和空間資源內(nèi)獲得更高的吞吐量、更高的能量效率、更小的時(shí)延、更快的傳輸速率和更高的傳輸可靠性

11、，是近年來對移動(dòng)通信研究的熱點(diǎn)和主要方向。1.2國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 二十世紀(jì)六十年代，I型HARQ首次被提出，標(biāo)志著HARQ技術(shù)的誕生。之后，Lin, S.和Yu等人提出了增量冗余HARQ (II型HARQ)，Alexander Drukarev 和DanieIJ.Costel詳細(xì)比對了停等、回退N步、選擇重發(fā)三種ARQ方案，以及分別采用BCH碼和卷積碼編碼方案在不同信道條件下HARQ的性能。文獻(xiàn)1中提出了一種改進(jìn)的選擇重傳ARQ方案。文獻(xiàn)2中在II型HARQ的基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)的II型HARQ方案，并假設(shè)接收端緩存器為任意大小。文獻(xiàn)3中研究了之前的各類ARQ和HARQ方案，對之前HARQ的研究

12、進(jìn)行了總結(jié)。文獻(xiàn)4中對采用碼合并技術(shù)的II型HARQ技術(shù)進(jìn)行了分析。該文獻(xiàn)中，接收端合并接收到的所有重傳數(shù)據(jù)幀，提高了系統(tǒng)的吞吐量。文獻(xiàn)5中總結(jié)研究了對多碼率的打孔卷積碼，對HARQ技術(shù)趨于成熟起到了關(guān)鍵作用。文獻(xiàn)6中在打孔卷積碼的基礎(chǔ)上提出了碼率兼容的Turbo碼方案。此外，文獻(xiàn)7中提出了一種利用均衡器的自適應(yīng)II型HARQ型方案。文獻(xiàn)8中將HARQ和OFDM相結(jié)合，重傳采用不同的頻率，采用最大比合并的方法進(jìn)行合并，以獲得頻率分集增益。文獻(xiàn)9中將HARQ與MIMO系統(tǒng)相結(jié)合，并提出兩種合并方案。 近些年來，對HARQ技術(shù)的研究主要集中在根據(jù)FEC 和ARQ的自身特性展開、跨層研究、與其他技術(shù)

13、相結(jié)合進(jìn)行研究等方面。對HARQ自身特性的研究主要在重傳協(xié)議、重傳編碼策略和碼合并策略三個(gè)方面。本文通過MATLAB平臺(tái)進(jìn)行了無線通信系統(tǒng)的建模與仿真，對具有統(tǒng)計(jì)QoS保障的HARQ-I、HARQ-IR和HARQ-CC無線多媒體業(yè)務(wù)傳輸系統(tǒng)的吞吐量和能量效率進(jìn)行了理論分析，并進(jìn)一步分析了統(tǒng)計(jì)QoS、傳輸速率、傳輸次數(shù)、傳輸功率等參數(shù)對無線通信系統(tǒng)吞吐量和能量效率的影響。1.3論文內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排本文主要研究了HARQ系統(tǒng)在統(tǒng)計(jì)QoS保障下的能量效率和吞吐量，通過比較在不同信道環(huán)境、不同QoS條件下的系統(tǒng)性能，得出了可以提升無線通信系統(tǒng)性能的相關(guān)條件，為無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、通信資源的有效利用以及用

14、戶QoS保障提供了參考和指導(dǎo)。論文共分五章，結(jié)構(gòu)安排如下：第一章緒論。說明了論文的研究背景及意義，并且詳細(xì)介紹了HARQ的提出以及國內(nèi)外HARQ的發(fā)展?fàn)顩r。第二章混合自動(dòng)請求重傳及相關(guān)參數(shù)。首先介紹了ARQ、FEC兩種糾錯(cuò)技術(shù)，然后介紹了三種類型的HARQ系統(tǒng)并且對其原理進(jìn)行進(jìn)行了詳細(xì)說明，最后介紹了有關(guān)HARQ技術(shù)的幾個(gè)參數(shù)。第三章具有統(tǒng)計(jì)QoS保障的HARQ系統(tǒng)的吞吐量分析。通過改變發(fā)送端的發(fā)送速率，比對得出了HARQ-IR系統(tǒng)的優(yōu)越性更高。并且進(jìn)而改變統(tǒng)計(jì)QoS對應(yīng)的值，得出HARQ-IR系統(tǒng)有效容量隨傳輸速率變化的情況。第四章具有統(tǒng)計(jì)QoS保障的HARQ系統(tǒng)的能量效率分析。改變統(tǒng)計(jì)Qo

15、S對應(yīng)的值，分析了單位能量變化時(shí)，對應(yīng)的能量效率的變化情況。第五章總結(jié)。對論文研究的結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)。第2章 混合自動(dòng)重傳技術(shù)2.1前向糾錯(cuò)技術(shù)FEC（Forward Error Correction，前向糾錯(cuò)）技術(shù)是一種數(shù)據(jù)編碼技術(shù)，采用信道編碼來糾正數(shù)據(jù)在無線信道傳輸過程中引入的錯(cuò)誤。FEC方式是發(fā)送端采用冗余較大的糾錯(cuò)編碼，接收端譯碼后能糾正一定程度上的誤碼。這種方式不需反饋信道，直接根據(jù)編碼的冗余就能糾正一部分錯(cuò)誤，也不需要發(fā)送端和接收端的配合處理，傳輸時(shí)延小，效率高，控制電路也比較簡單。但糾錯(cuò)碼比檢錯(cuò)碼的編碼冗余大，編碼效率低，譯碼復(fù)雜度大，并且如果誤碼在糾錯(cuò)碼的糾錯(cuò)能力以外就只能把錯(cuò)

16、誤的碼組傳給用戶。2.2自動(dòng)重傳請求技術(shù)2.2.1ARQ系統(tǒng)原理ARQ（Automatic Repeat Request，自動(dòng)重傳請求）系統(tǒng)原理框圖如圖2-1：圖2-1 ARQ系統(tǒng)原理方框圖在發(fā)送端，輸入的信息碼元在編碼其中被分組編碼（加入監(jiān)督碼元）后，除了立即發(fā)送外，還暫存于緩沖存儲(chǔ)器（buffer）中。若接收端解碼器檢出錯(cuò)碼，則由解碼器控制產(chǎn)生一個(gè)重發(fā)指令。此指令經(jīng)過反向信道發(fā)送到發(fā)送端。這時(shí)由發(fā)送端重發(fā)控制器控制緩沖存儲(chǔ)器重發(fā)一次。接收端僅當(dāng)解碼器認(rèn)為接收信息碼元正確時(shí)才將信息碼元發(fā)給送信者，否則輸出緩沖存儲(chǔ)器中刪除接受嗎元。當(dāng)解碼器未發(fā)現(xiàn)錯(cuò)碼時(shí)，經(jīng)過反向信道發(fā)出不需重發(fā)指令。發(fā)送端收到

17、此指令后，即繼續(xù)發(fā)送后一碼組，發(fā)送端的緩沖存儲(chǔ)器中的內(nèi)容也隨之更新。2.2.2ARQ技術(shù)介紹ARQ技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過程如下：首先對要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)加入二十四位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼，然后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在緩沖器中并發(fā)送，在接收端利用循環(huán)冗余校驗(yàn)碼對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢錯(cuò)。如果檢錯(cuò)正確，接收端通過反饋信道給發(fā)送端發(fā)送一個(gè)ACK（Acknowledgment,錯(cuò)誤應(yīng)答）信號，發(fā)送端接收到ACK后發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)幀。如果檢錯(cuò)出錯(cuò)誤，通過反饋信道給發(fā)送端發(fā)送一個(gè)NACK（Negative Acknowledgment,錯(cuò)誤應(yīng)答）信號，要求發(fā)送端重新傳輸出錯(cuò)的同一數(shù)據(jù)，接收端收到重新發(fā)送來的數(shù)據(jù)，再次檢錯(cuò)，如果檢錯(cuò)正確，通過無線信

18、道向接收端發(fā)送ACK，接收端收到以后發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)幀；如果檢錯(cuò)錯(cuò)誤，則接收端通過無線信道繼續(xù)向接收端發(fā)送NACK，發(fā)送端繼續(xù)重新傳輸出錯(cuò)的同一數(shù)據(jù)，重復(fù)該過程直到發(fā)送次數(shù)超過預(yù)先設(shè)定的最大發(fā)送次數(shù)，然后接著發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)幀。ARQ技術(shù)和FEC技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)：監(jiān)督碼元較少即能使誤碼率降到很低（即碼率較高），檢錯(cuò)的計(jì)算復(fù)雜度較低，檢錯(cuò)用的編碼方法和加性干擾的統(tǒng)計(jì)特性基本無關(guān)，能適應(yīng)不同特性的信道。但是ARQ系統(tǒng)需要雙向信道來重發(fā)，并且因?yàn)橹匕l(fā)而使ARQ系統(tǒng)的傳輸效率降低。在信道干擾嚴(yán)重時(shí)，可能發(fā)生因不斷反復(fù)重發(fā)而造成事實(shí)上的通信中斷。此外，ARQ技術(shù)由于重發(fā)控制難以實(shí)現(xiàn)，因此不能用于一點(diǎn)到多點(diǎn)

19、的通信系統(tǒng)。2.3混合自動(dòng)重傳請求技術(shù)2.3.1HARQ系統(tǒng)原理HARQ（Hybrid Automatic Repeat Request，混合自動(dòng)重傳請求）系統(tǒng)原里框圖如圖2-2：圖2-2 HARQ系統(tǒng)原理方框圖HARQ的基本思想就是發(fā)送端發(fā)送具有檢錯(cuò)能力的碼組，發(fā)送之后并不馬上刪除而是存放在緩沖存儲(chǔ)器中，接收端接收到數(shù)據(jù)幀后通過糾錯(cuò)譯碼糾正一定程度的誤碼，然后再判斷信息是否出錯(cuò)。如果譯碼正確就通過反饋信道發(fā)送一個(gè)ACK應(yīng)答信號，反之就發(fā)送一個(gè)NACK。當(dāng)發(fā)送端接收到ACK時(shí)就發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)幀，并把緩存器里的數(shù)據(jù)幀刪除；當(dāng)發(fā)送端接收到NACK時(shí)，酒吧緩存器里的數(shù)據(jù)幀重新發(fā)送一次，直到ACK或者

20、發(fā)送次數(shù)超過預(yù)先設(shè)定的最大發(fā)送次數(shù)為止，然后再發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)幀。2.3.2HARQ的重傳機(jī)制（1） 停止等待型（SAW） 停止等待型HARQ是指發(fā)送端在送一個(gè)數(shù)據(jù)幀后就進(jìn)入等待狀態(tài)，直到收到接收端反饋的信號ACK才發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)幀或者受到NACK之后發(fā)送上一幀數(shù)據(jù)。SAW重傳條件如圖2-3。圖2-3 SAW重傳條件從圖中可以看出，SAW在發(fā)送端和接收端都不需要存儲(chǔ)器，結(jié)構(gòu)簡單，但由于接收端要等待反饋信號，信道就會(huì)經(jīng)常處于空閑狀態(tài)，傳輸效率以及信道利用率很低。特別是在信道條件比較惡劣的時(shí)候，可能出現(xiàn)以下幾種情況：接收端無法判別是否收到數(shù)據(jù)幀，也就不會(huì)發(fā)送響應(yīng)幀，發(fā)送端就會(huì)長時(shí)間處于等待狀態(tài)。發(fā)送

21、端響應(yīng)幀丟失，發(fā)送端優(yōu)惠發(fā)送原來的數(shù)據(jù)幀，接收端就會(huì)收到同樣的數(shù)據(jù)幀。這樣就需要對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行編號來解決重復(fù)幀問題。在實(shí)際中，為了提高SAW方式的效率，可以使用個(gè)并行子信道重傳的方式。在某個(gè)子信道等待時(shí)，別的子信道可以傳輸數(shù)據(jù)。這樣就可以克服簡單的SAW方式在等待過程中造成的信道資源浪費(fèi)。（2） 回退步型（GBN） 回退步型HARQ在全雙工信道中使用的。該重傳條件采用連續(xù)發(fā)送的方式，發(fā)送端的數(shù)據(jù)幀和接收端的應(yīng)答幀都是連續(xù)發(fā)送。假設(shè)在往返時(shí)延內(nèi)可以傳輸個(gè)數(shù)據(jù)幀，那么第個(gè)數(shù)據(jù)幀的應(yīng)答幀會(huì)在發(fā)送第個(gè)數(shù)據(jù)幀之前到達(dá)。已發(fā)送到個(gè)數(shù)據(jù)并不立即刪除而是存放在存儲(chǔ)器中直到它的ACK應(yīng)答幀到達(dá)或者超過最大重傳次數(shù)

22、為止。當(dāng)?shù)趥€(gè)數(shù)據(jù)幀的應(yīng)答幀為ACK則繼續(xù)發(fā)送第個(gè)數(shù)據(jù)，如果為NACK則退回步發(fā)送第個(gè)數(shù)據(jù)幀。如果在第個(gè)數(shù)據(jù)幀出錯(cuò)，那么接收端期望接收端數(shù)據(jù)就一直保持為第個(gè)數(shù)據(jù)，直到接收到正確的第個(gè)數(shù)據(jù)幀或者超過最大重傳次數(shù)，即使是第個(gè)數(shù)據(jù)幀的CRC校驗(yàn)正確也發(fā)送NACK，因?yàn)檫@些都不是接收端所期望接收的數(shù)據(jù)。也就是說對出錯(cuò)幀后幀數(shù)據(jù)進(jìn)行丟棄處理?；赝瞬綌?shù)主要由收發(fā)雙方的往返時(shí)間以及設(shè)備的處理時(shí)延決定，即從發(fā)送數(shù)據(jù)幀到接收到該數(shù)據(jù)幀的應(yīng)答幀之間的時(shí)間，在圖2-4中假設(shè)。GBN的重傳條件如圖2-4。l圖2-4 GBN重傳條件 與SAW不同，GBN由于要等待反饋信號，需要在發(fā)送端存儲(chǔ)那些尚未得到應(yīng)答的數(shù)據(jù)幀，因而G

23、BN的發(fā)送端必須有存儲(chǔ)器。在GBN重傳條件中，發(fā)送端和接收端都采用連續(xù)發(fā)送方式，信道的利用率比較高，但是一旦有傳錯(cuò)的幀則會(huì)導(dǎo)致退回步重發(fā)，即使誤幀后的幀中有的幀CRC校驗(yàn)正確，這樣就必然會(huì)導(dǎo)致資源的浪費(fèi)，降低傳輸效率。當(dāng)系統(tǒng)的錯(cuò)誤率很高，時(shí)延很大時(shí)，GBN系統(tǒng)的效率就會(huì)變得非常低。（3） 選擇重傳型（SR）選擇重傳型HARQ也是一種連續(xù)傳輸碼字的重傳條件，但是只重傳那些發(fā)生錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)幀。SR的重傳條件如圖2-5。圖2-5 SR的重傳條件 發(fā)送端在收到一個(gè)NACK應(yīng)答后，中斷當(dāng)前傳輸，馬上重傳該應(yīng)答對應(yīng)的數(shù)據(jù)幀。SR克服了GBN和SAW的缺點(diǎn)，信道利用率是三者中最高的，且對時(shí)延不敏感。但是由于數(shù)

24、據(jù)幀必須以正確的順序送給用戶，因而在收發(fā)兩端都必須要有足夠大(理論上無窮大)的緩沖器來存放有錯(cuò)數(shù)據(jù)幀后的無錯(cuò)數(shù)據(jù)幀和重傳來的數(shù)據(jù)幀，實(shí)現(xiàn)起來很復(fù)雜。而且，為了有效地實(shí)現(xiàn)選擇重傳，數(shù)據(jù)幀的序號信息必須保證在不同信道條件下正確，這樣必須采用糾錯(cuò)能力比較強(qiáng)的編碼方式，從而導(dǎo)致信令的開銷增加2.3.3三種類型的HARQ（1）HARQ-I型HARQ-I型為傳統(tǒng)的HARQ方案，僅在ARQ的基礎(chǔ)上引入了糾錯(cuò)編碼，即對發(fā)送數(shù)據(jù)增加循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）比特并進(jìn)行FEC編碼,增強(qiáng)了接收端自身的糾錯(cuò)能力。I型HARQ技術(shù)中，各次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀都可以獨(dú)立譯碼，接收端對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行FEC譯碼和CRC校驗(yàn)，然后按照AR

25、Q技術(shù)的運(yùn)行步驟進(jìn)行檢錯(cuò)。如果數(shù)據(jù)幀出現(xiàn)的錯(cuò)誤糾錯(cuò)碼的糾錯(cuò)范圍之內(nèi)，則可以正確譯碼，接收端接收此數(shù)據(jù)幀并反饋ACK;若超出糾錯(cuò)范圍，則譯碼失敗，接收端丟棄此數(shù)據(jù)幀并反饋HACK，發(fā)送端重傳和之前相同的數(shù)據(jù)幀，接收端接收后，再一次進(jìn)行糾錯(cuò)，直到數(shù)據(jù)幀正確解碼或達(dá)到預(yù)設(shè)的最大重傳次數(shù)。重傳時(shí)采用的糾錯(cuò)碼具有與第一次傳輸數(shù)據(jù)幀相同的冗余信息。實(shí)際上，HARQ-I可以看做是ARQ系統(tǒng)中包含了一個(gè)FEC子系統(tǒng)，它對傳輸錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包采取了簡單的丟棄，而沒有充分利用錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包中存在的有用信息。所以,HARQ-I型的性能主要依賴于FEC的糾錯(cuò)能力。I型HARQ技術(shù)不保留出錯(cuò)數(shù)據(jù)幀，所以發(fā)送端和接收端不需要較大

26、的緩存區(qū)，信令結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)。I型HARQ技術(shù)適用于信道條件比較好，變化不劇烈的情況，此時(shí)，糾錯(cuò)碼可以糾正傳輸中出現(xiàn)的大部分錯(cuò)誤，降低重傳次數(shù)。I型HARQ技術(shù)中重傳采用與第一次傳輸完全相同的編碼方式，因此當(dāng)信道條件變化劇烈時(shí)，不能很好的適應(yīng)信道的變化。（2） HARQ-II型 HARQ-II型屬于全冗余方式。全冗余是指重傳的數(shù)據(jù)幀是與上一幀位置不完全相同的校驗(yàn)比特，并且不再發(fā)送信息位。由于重傳的數(shù)據(jù)幀都是校驗(yàn)位，那么它的數(shù)據(jù)幀是非自解碼的。對于不能正確譯碼的數(shù)據(jù)幀，并不是簡單地做丟棄處理而是保留下來，等到重發(fā)的數(shù)據(jù)幀到達(dá)時(shí)，再把他們合并譯碼，這樣就可以很好地利用這些有效信息。這種方式相當(dāng)

27、于獲得了時(shí)間的分集增益，可以提高數(shù)據(jù)的信噪比。冗余的形式因打孔方式的不同而不同，每次重發(fā)都是不同形式的冗余版本，在接收端先進(jìn)行合并再譯碼。當(dāng)然在收發(fā)端都需要事先知道第幾次重傳時(shí)發(fā)送什么形式的冗余版本，并且每次傳送的比特?cái)?shù)是相同的。如果所有形式的冗余版本都發(fā)完后仍不能成功譯碼，則再發(fā)送第一次傳的包含信息位的數(shù)據(jù)，在合并譯碼時(shí)用這次傳的數(shù)據(jù)幀代替之前那次傳送的包含信息位的數(shù)據(jù)幀。HARQ-II型的代表有HARQ-CC型和HARQ-IR型。HARQ-Chase Combine（Chase 合并）型簡稱HARQ-CC型，如圖2-6所示，是由科學(xué)家Chase在1985年提出的一種HARQ方式，因此被命名

28、為Chase Combining HARQ。當(dāng)接收端校驗(yàn)錯(cuò)誤，反饋NACK信號給發(fā)送端，并將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，發(fā)送端接收到NACK，重發(fā)與上一幀相同的數(shù)據(jù)包，接收端對當(dāng)前接收到的數(shù)據(jù)包與上一次接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行合并，再對合并后的數(shù)據(jù)包進(jìn)行譯碼，判斷數(shù)據(jù)包是否正確。Chase Combining由以前的單一調(diào)制方式，轉(zhuǎn)變成采用不同的調(diào)制方式來實(shí)現(xiàn)對編碼比特的保護(hù)重傳，由于這種方法實(shí)現(xiàn)簡單，無需再次編碼，同時(shí)接收方譯碼器的復(fù)雜度不高，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。圖2-6 HARQ-CC型HARQ-Incremental Redundancy（完全增量冗余）型簡稱HARQ-IR型，如圖2-7所示。發(fā)送端

29、先以低碼率編碼，經(jīng)過刪余得到高碼率碼字并發(fā)送，刪余的比特被存儲(chǔ)起來，并不是被刪除，只是不發(fā)送。如接收端發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，向發(fā)送端反饋NACK，同時(shí)錯(cuò)誤的幀不被丟棄而是存儲(chǔ)在接收端，發(fā)送端發(fā)送額外的冗余比特并與重發(fā)幀合并起來形成一個(gè)較低碼率的碼字進(jìn)行譯碼，重發(fā)幀和已發(fā)數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容是不一樣的。圖2-7 HARQ-IR型（3）HARQ-III型HARQ-III型屬于半冗余（部分冗余）方式。所謂半冗余是指重發(fā)的數(shù)據(jù)幀既包含信息位又包括與上一幀位置不完全相同的校驗(yàn)比特。HARQ-III型每次發(fā)送的數(shù)據(jù)包采用互補(bǔ)刪除的方式，各個(gè)數(shù)據(jù)包既可以單獨(dú)譯碼，也可以合成一個(gè)具有更大冗余信息的編碼包進(jìn)行合并譯碼。在HAR

30、Q-III型中，由于每次重傳的數(shù)據(jù)幀包含信息位以及校驗(yàn)比特，因此重傳數(shù)據(jù)幀是自解碼的。接收端對重傳的數(shù)據(jù)包進(jìn)行自譯碼，如果譯碼正確，則刪除緩沖器中的數(shù)據(jù)，進(jìn)行下一幀數(shù)據(jù)的傳輸，否則則和緩沖器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并再譯碼。HARQ-III型和HARQ-II型相比避免了在首次傳輸信息比特被破壞嚴(yán)重導(dǎo)致不能正確譯碼的情況。HARQ-III型的代表有HARQ-Partial Incremental Redundancy（部分遞增冗余）型,簡稱HARQ-PIR 型。部分遞增冗余發(fā)送端對所要傳送的信息進(jìn)行編碼，并進(jìn)行發(fā)送，當(dāng)接收端發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，反饋NACK，錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包并不被丟棄，而是存儲(chǔ)在接收端，發(fā)送方重新對信息

31、比特中的部分信息進(jìn)行編碼，并再次發(fā)送編碼后的冗余比特，發(fā)送的冗余比特能夠進(jìn)行自我譯碼或者與先前發(fā)送的編碼后信息進(jìn)行合并譯碼，從而達(dá)到正確譯碼的目的。通過對三種不同類型HARQ的原理進(jìn)行分析后得出II型和III型HARQ比I型HARQ有更好的智能型和更高的吞吐量，但是卻比I型HARQ有更大的信令開銷，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度也更大。I型HARQ適用于信道條件比較好，變化不劇烈的情況下，因?yàn)镮型HARQ對傳輸錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)幀采取丟棄的方式，不能很好的適應(yīng)信道的變化;II型HARQ中，由于重傳數(shù)據(jù)幀不能單獨(dú)譯碼，因此不適應(yīng)于非常惡劣的環(huán)境，在非常惡劣的環(huán)境下，第一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀被破壞嚴(yán)重，即使重傳再多次也無法正確譯碼

32、;III型HARQ可以適應(yīng)信道的變化并且在惡劣的環(huán)境下也可以保障其服務(wù)質(zhì)量，但在信道條件較好變化不劇烈的情況下，在一定程度上也會(huì)造成一些資源的浪費(fèi)。因此，三種不同類型的HARQ都有各自的特點(diǎn)，根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境來選擇不同類型的HARQ才能實(shí)現(xiàn)更好的性能。隨著現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展，第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)中出現(xiàn)了越來越多有效的技術(shù)來保護(hù)信道條件，給數(shù)據(jù)幀的傳輸提供更平穩(wěn)的信道環(huán)境，在這樣的趨勢下，根據(jù)三種不同類型HARQ的特性，II型HARQ技術(shù)更適合現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)，因此在第三、四章采用II型HARQ對系統(tǒng)的吞吐量和能量效率分別進(jìn)行研究。三種類型HARQ的對比如表2-1所示。表2-1 三種HARQ

33、類型的比較 類型 特點(diǎn)HARQ-I型HARQ-II型CC/IRHARQ-III型PIR發(fā)送端重傳分組與已傳分組相同相同/不同不同接收端放棄錯(cuò)誤分組是否否接收端組合譯碼否是是接收端重傳分組自解碼是否是2.4統(tǒng)計(jì)QoS、吞吐量和能量效率（1）統(tǒng)計(jì)QoS統(tǒng)計(jì)QoS指的是發(fā)送端的緩沖區(qū)長度超過給定門限的概率。統(tǒng)計(jì)QoS指數(shù)是給定的系統(tǒng)參數(shù)，是所要求系統(tǒng)達(dá)到的QoS要求。假設(shè)發(fā)送端工作在具有統(tǒng)計(jì)排隊(duì)約束（即緩沖區(qū)溢出概率限制）的情況下。即假設(shè)緩沖區(qū)的溢出概率滿足：其中，代表了固定隊(duì)列長度，是溢出閾值。上述的極限公式反映了對于足夠大的閾值，有：因此，溢出概率隨著QoS指數(shù)控制的速率呈指數(shù)型快速衰減。越大，

34、緩沖區(qū)溢出概率越低。因此，越大表明更嚴(yán)格的排隊(duì)限制。 （2）吞吐量吞吐量定義為在一個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)被成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀數(shù)。在本文中，選取有效容量作為吞吐量的度量。（3） 能量效率 在本文中，能量效率通過零頻譜效率時(shí)的單位能量和寬帶寬斜率可以得到。2.5本章小結(jié) 本章對混合自動(dòng)重傳請求的基本內(nèi)容作了詳細(xì)的說明。首先介紹了FEC技術(shù)和ARQ技術(shù)。ARQ技術(shù)雖然在一定程度上提高了系統(tǒng)的性能，卻造成了資源的浪費(fèi)，是以犧牲吞吐量為前提的。接著，介紹了HARQ的三種傳輸機(jī)制:停止等待、后退N步和選擇重傳。然后對三種不同類型的HARQ技術(shù)的原理和特性進(jìn)行了說明并對不同類型HARQ的性能進(jìn)行了對比。對比結(jié)果表明:I

35、型HARQ雖然信令結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)起來比較容易，但卻不能很好的適應(yīng)環(huán)境的變化;II型和III型HARQ實(shí)現(xiàn)起來較為復(fù)雜，需要更多的存儲(chǔ)空間，但比I型HARQ有更好的智能型，并且有更高的吞吐量。最后簡單介紹了有關(guān)QoS、吞吐量以及能量效率的概念。本章內(nèi)容為之后的研究提供了理論基礎(chǔ)，并根據(jù)三種不同類型HARQ技術(shù)的對比以及現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)的特點(diǎn)，選擇II型HARQ技術(shù)作為第三、四章的研究對象。下一章將對采用II型HARQ系統(tǒng)的吞吐量進(jìn)行分析。第3章 具有QoS保障的HARQ系統(tǒng)的吞吐量分析3.1系統(tǒng)模型3.1.1衰落信道模型 在本章中，采用點(diǎn)對點(diǎn)的無線通信信道，并假設(shè)：（1） 在該無線通信信道中存在

36、塊衰落，并且在持續(xù)時(shí)間為秒期間，每個(gè)塊的衰落程度是固定的，但是與隨后的塊衰落之間是獨(dú)立變化的；（2） 傳輸只會(huì)發(fā)生在塊中，并且每個(gè)衰落塊作為基本單位時(shí)間；（3）在每個(gè)塊持續(xù)時(shí)間內(nèi)，發(fā)送端發(fā)送給接收端個(gè)符號。在第個(gè)塊中，發(fā)送端發(fā)送維度平均能量為的信號矢量，而且接收到的離散時(shí)間信號可以表示為：其中，表示在該塊持續(xù)時(shí)間內(nèi)信道的衰落系數(shù)，表示獨(dú)立同分布（i.i.d.）具有零均值和方差為的符合圓對稱的高斯分量的噪聲向量。然后，在每個(gè)衰落塊中的瞬時(shí)容量可以表示為：其中，指的是系統(tǒng)帶寬，指的是塊持續(xù)時(shí)間，代表傳輸平均信噪比，代表衰落系數(shù)幅度的平方。3.1.2HARQ-IR模型 在本章中，假設(shè)發(fā)射端以恒定的速

37、率位/塊發(fā)送數(shù)據(jù)幀，為了可靠接收，采用Type-II HARQ-IR重傳條件。在這種條件中，發(fā)射端的數(shù)據(jù)幀按照某一特定的碼書進(jìn)行編碼，然后編碼形成的碼字分成一系列長度相等的子塊。在每個(gè)衰落塊中，只有一個(gè)子塊被傳送給接收端。在接收端端，當(dāng)前接收的子塊與先前接收的（與當(dāng)前傳輸數(shù)據(jù)幀相關(guān)）子塊結(jié)合后再進(jìn)行解碼。根據(jù)文獻(xiàn)10中的數(shù)據(jù)幀論結(jié)論，如果滿足以下條件，接收端可以在第個(gè)子塊后對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀進(jìn)行解碼：因此，通過前面提及的特性，則可認(rèn)為HARQ可以得到的最大到達(dá)率，可以從文獻(xiàn)10中的數(shù)據(jù)幀論視角方面討論。文獻(xiàn)10中詳細(xì)描述了一種HARQ-IR的編碼策略，該策略在滿足公式（3-3）的情況下可以成功將數(shù)

38、據(jù)幀解碼。因此，如果滿足公式（3-3），接收端接收到位數(shù)據(jù)幀，并且反饋給接收端ACK信號，接著發(fā)送端在下一個(gè)區(qū)間發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)幀的第一個(gè)子塊。假設(shè)接收端的解碼器能夠可靠的發(fā)現(xiàn)傳輸錯(cuò)誤。因此，如果不滿足公式（3-3），接收端發(fā)現(xiàn)錯(cuò)位并發(fā)送NACK反饋數(shù)據(jù)幀給發(fā)送端，從而引發(fā)在下一個(gè)傳輸區(qū)間進(jìn)行傳輸同一數(shù)據(jù)幀的下一個(gè)子塊。定義一條消息的隨機(jī)傳輸時(shí)間為：則代表了成功傳輸一條數(shù)據(jù)幀所需要的塊衰落信道數(shù)量。在本章的HARQ-IR模型中，當(dāng)接收機(jī)正確解碼傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀后會(huì)發(fā)生更新，發(fā)送機(jī)就會(huì)發(fā)送新的數(shù)據(jù)幀，因此就衰落塊的數(shù)量而言，也同時(shí)代表了兩個(gè)更新事件之間的間隔時(shí)間。 在文獻(xiàn)10中，HARQ-IR的吞吐量

39、為：其中，代表了的期望值。此外，在文獻(xiàn)10中證明，隨著，吞吐量接近于各態(tài)歷經(jīng)容量，也就是說：3.2有效容量3.2.1HARQ-IR重傳機(jī)制的有效容量漸近緩沖區(qū)溢出概率限制可以采用大偏差技術(shù)來研究，并且在文獻(xiàn)11和12中采用這種技術(shù)在有效帶寬理論的背景下進(jìn)行了研究，有效帶寬理論確定了在緩沖區(qū)溢出概率滿足公式（2-1）的前提下，能夠支持隨時(shí)間變化的到達(dá)率的最小恒定服務(wù)速率。在文獻(xiàn)13中，為了能夠分析在存在QoS限制情況下系統(tǒng)的吞吐量，介紹了有效容量的概念。更確切的說，有效容量提供了在滿足公式（2-1）的前提下，能夠支持時(shí)變無線傳輸速率的最大恒定到達(dá)速率。有效容量本質(zhì)上是一個(gè)雙重的概念，可以用有效帶

40、寬理論的理論來表征。例如，正如在文獻(xiàn)14中所表述的，對于給定的QoS指數(shù)，如果到達(dá)過程和分離過程滿足如下公式，緩沖區(qū)溢出概率表現(xiàn)為公式（2-1）：其中，代表過程的漸近對數(shù)矩生成的函數(shù)。當(dāng)?shù)竭_(dá)率是恒定的，也就是說，那么可以得到。通過公式（3-7）則可以得到：等價(jià)的，對于一個(gè)給定的服務(wù)過程，公式（3-8）的右邊描述了對于一個(gè)給定的QoS指數(shù)能夠支持的最大恒定到達(dá)率，也就是有效容量的公式。在本章節(jié)的設(shè)定中，有效容量可以表述為：其中，是直到時(shí)間，雖時(shí)間累積的服務(wù)過程所發(fā)送的總的比特?cái)?shù)。在本章的系統(tǒng)設(shè)置中，如果設(shè)到時(shí)刻成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀位，那么。同時(shí)注意到是到時(shí)間時(shí)更新的次數(shù)，所以，可以看作伴隨獨(dú)立同分布

41、的間隔時(shí)間的更新計(jì)數(shù)過程。定義為：其中，是持續(xù)連續(xù)成功傳輸數(shù)據(jù)幀時(shí)間的獨(dú)立同分布序列。是成功解碼第l個(gè)數(shù)據(jù)幀所需到的衰落塊的個(gè)數(shù)。當(dāng)接收機(jī)成功解碼一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，接收機(jī)進(jìn)行更新，是到時(shí)間時(shí)發(fā)生更新事件的次數(shù)(或者，等價(jià)的說，是包含位數(shù)據(jù)幀被成功接收的實(shí)例數(shù))。應(yīng)用更新過程的性質(zhì)，根據(jù)隨機(jī)傳輸時(shí)間的統(tǒng)計(jì)平均值，則可以得到如下在較小的時(shí)候有效容量的封閉式表達(dá)。對于擁有固定傳輸速率的HARQ-IR重傳機(jī)制，當(dāng)QoS指數(shù)在0附近時(shí)，公式（3-11）的一階展開式如下：其中，是固定傳輸速率，和分別是隨機(jī)傳輸時(shí)間的均值和方差，為QoS指數(shù)。需要注意的是，和是的函數(shù)。最后，以比趨近于0的速度更快的趨近于0，也就

42、是說。3.2.2HARQ-CC重傳機(jī)制的有效容量在HARQ-CC協(xié)議中接收機(jī)每次重新發(fā)送僅僅是發(fā)送同一個(gè)編碼數(shù)據(jù)幀，并且接收端使用最大比合并解碼。因此，如果滿足下述公式，數(shù)據(jù)包可以在個(gè)衰落塊后被解碼： 如果成功傳輸數(shù)據(jù)幀的數(shù)量同樣可以被視作一個(gè)更新計(jì)數(shù)過程，則所有時(shí)刻的傳輸時(shí)間在HARQ-CC中是有限的，因此公式（3-12）的特性也同樣適用于HARQ-CC重傳機(jī)制。3.3硬時(shí)延約束在本章中，之前并沒有考慮任何關(guān)于隨機(jī)傳輸時(shí)間的限制。因此，成功傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)幀所用的塊衰落信道可以是任意大，同樣傳輸速率也可以很大。事實(shí)上，當(dāng)增加時(shí)，吞吐量也在增加，但是這個(gè)增長以增加傳輸時(shí)間為代價(jià)。另一方面，實(shí)際的系

43、統(tǒng)會(huì)對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行硬的時(shí)延約束，即對是有限制的。如果設(shè)定：即通過限制重傳數(shù)據(jù)幀的次數(shù)。更確切的說，如果并且數(shù)據(jù)幀沒有在第次傳輸后被正確的解碼，則該數(shù)據(jù)幀就會(huì)過期，發(fā)送機(jī)會(huì)初始化新的數(shù)據(jù)幀，并進(jìn)行發(fā)送。在這種情況下，系統(tǒng)必須要在排隊(duì)約束和硬時(shí)延約束下運(yùn)行。當(dāng)采用下述方案時(shí)，公式（3-12）的特性同樣也適用于存在硬時(shí)延約束的系統(tǒng)中。定義成功傳輸一條信息所需要的總的時(shí)間，包括由于強(qiáng)加的上限引起的傳輸失敗時(shí)間。在這種情況下，計(jì)數(shù)在成功傳輸后從0開始重新計(jì)數(shù)，并且傳輸時(shí)間不斷增加直到下一次成功解碼。并且只有接收機(jī)成功解碼數(shù)據(jù)包的時(shí)候才會(huì)發(fā)生更新事件。由于期限約束的存在即在的前提下，發(fā)生的概率（第個(gè)消息傳輸

44、失敗但是第個(gè)數(shù)據(jù)幀傳輸成功的概率）可以表示為：其中，為公式（3-4）中所描述的。在存在上限的情況下，成功傳輸信息間的間隔更新時(shí)間為。因此，在這種情況系，只有間隔更新時(shí)間改變，則公式（3-12）中的吞吐量公式依然適用，只不過。 要注意的是，隨之的不斷增加，平均增長可以很快。這是由于變大時(shí)，在間隔內(nèi)完成信息的傳輸?shù)目赡苄宰冃?。因此，許多消息可能會(huì)在成功傳輸前失敗（也就是說，可能會(huì)變的非常大）。也就是說，當(dāng)增加時(shí)，增加，增加了變大的概率，同時(shí)也增加了。這種增加會(huì)比沒有硬時(shí)延約束的情況下增加更快，并且當(dāng)大于某一閾值時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致吞吐量降低。3.4性能仿真3.4.1不同傳輸速率下HARQ-IR和HARQ-

45、CC吞吐量比較如圖3-1所示，為當(dāng)，時(shí)，HARQ-CC和HARQ-IR重傳條件中有效容量作為傳輸速率R函數(shù)的曲線圖。HARQ-CC和HARQ-IR重傳條件中吞吐量曲線是通過計(jì)算公式（3-12）中的一階展開式并進(jìn)行仿真得到的。由圖可知，對于HARQ-CC和HARQ-IR重傳條件來說，通過計(jì)算一階展開式得到的曲線和當(dāng)時(shí)進(jìn)行仿真時(shí)得到的曲線非常接近。因此一階展開式能夠準(zhǔn)確的表征HARQ-CC和HARQ-IR方案的吞吐量。在圖中可以得到HARQ-IR重傳機(jī)制的性能較HARQ-CC重傳機(jī)制的性能好。HARQ-CC方案中的吞吐量剛開始先增長直到當(dāng)(最優(yōu)值)達(dá)到頂峰，然后超過后開始衰減。因此，在HARQ-C

46、C重傳條件中，當(dāng)大于最優(yōu)值時(shí)，會(huì)導(dǎo)致重新傳送數(shù)據(jù)的次數(shù)增加，并且導(dǎo)致更低的吞吐量。在另一方面，HARQ-IR重傳機(jī)制的吞吐量隨著的增大而不斷增大，最后接近于：也就是當(dāng)系統(tǒng)接收端知道全部CSI時(shí)的吞吐量。圖3-1 不同HARQ重傳機(jī)制中有效容量和傳輸速率的關(guān)系3.4.2不同QoS限制下吞吐量的變化如圖3-2所示，在QoS指數(shù)取值不同的情況下，HARQ-IR重傳條件中有效容量與傳輸速率的關(guān)系圖。從圖中可以看到，越大（也就是說排隊(duì)約束越強(qiáng)），吞吐量越低。等價(jià)的說，當(dāng)增大時(shí)，要達(dá)到相同的有效容量就需要更高的傳輸速率。圖3-2 不同QoS限制下HARQ-IR有效容量和傳輸速率的關(guān)系3.4.3硬時(shí)延約束對

47、HARQ-IR吞吐量的影響如圖3-3中所示，當(dāng)SNR=6dB時(shí)，當(dāng)時(shí)，HARQ-IR在不同硬時(shí)延約束下的性能表現(xiàn)。通過觀察可以注意到，當(dāng)硬時(shí)延約束加強(qiáng)時(shí)，存在一個(gè)最優(yōu)值可以使得吞吐量達(dá)到最大，當(dāng)大于該值時(shí)，吞吐量逐漸降低。當(dāng)時(shí)，也就是說沒有期限限制的情況下，吞吐量隨著的增大而單調(diào)遞增，并且越大，那么最優(yōu)值和可實(shí)現(xiàn)的最大吞吐量越大。圖3-3 硬時(shí)延約束對HARQ-IR吞吐量的影響3.5本章小結(jié)在本章中，研究了在QoS指數(shù)存在的情況下HARQ-CC和HARQ-IR的吞吐量。通過使用更新計(jì)數(shù)過程的統(tǒng)計(jì)特性，得到了HARQ-IR有效容量的一階展開式。又通過限制HARQ傳輸信息需要的重傳次數(shù)，進(jìn)而引入硬

48、時(shí)延約束的概念。通過數(shù)學(xué)結(jié)論，本章證明了增加傳輸速率，HARQ-IR的吞吐量也在單調(diào)增加并且接近于一個(gè)接收端知道全部CSI的系統(tǒng)的吞吐量，但是對于HARQ-CC來說，它的吞吐量先增加然后再減少。通過比較不同傳輸速率下HARQ-CC和HARQ-IR的吞吐量，發(fā)現(xiàn)HARQ-IR較HARQ-CC的性能好。得到了當(dāng)排隊(duì)約束或者是硬時(shí)延約束加強(qiáng)時(shí)吞吐量會(huì)降低的結(jié)論。第4章 具有QoS保障的HARQ系統(tǒng)的能量效率分析4.1系統(tǒng)模型4.1.1衰落信道模型在本章中采用了點(diǎn)對點(diǎn)的衰落信道模型，并假設(shè):（1） 信源生成數(shù)據(jù)序列，并且將數(shù)據(jù)序列分成持續(xù)時(shí)間為T的數(shù)據(jù)幀；（2） 生成的數(shù)據(jù)幀在被傳送之前存儲(chǔ)在發(fā)送端的

49、緩沖器中；（3） 在第個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間的離散信道吞吐量為：其中，和分別為信道的輸入和輸出的復(fù)數(shù)值。假設(shè)系統(tǒng)的可用帶寬為，每個(gè)時(shí)刻信道的輸入都會(huì)受到平均能量的限制，即：。同時(shí)，碼元速率為每秒個(gè)復(fù)合碼元，并且系統(tǒng)的平均功率會(huì)受到的限制。代表均值為零、方差為的圓對稱復(fù)合高斯隨機(jī)變量。加性高斯噪聲樣本會(huì)形成一個(gè)獨(dú)立同分布序列。代表信道衰落系數(shù)，是一個(gè)平穩(wěn)遍歷性離散時(shí)間過程，定義衰落系數(shù)幅度的平方為：。4.1.2狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型在本章中，假設(shè)只有接收端知道信道的CSI，也就是說知道的瞬時(shí)值，而發(fā)送端不知道。在這種情況下，伴有信道增益為的瞬時(shí)信道容量為：其中，代表平均傳輸信噪比。假設(shè)發(fā)送端以恒定速率位/秒進(jìn)行發(fā)

50、送數(shù)據(jù)。當(dāng)時(shí)，信道處于開狀態(tài)，根據(jù)信息論可以證明，如果系統(tǒng)采用大數(shù)據(jù)塊強(qiáng)編碼，則此時(shí)可以進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)傳輸。在每個(gè)塊中，有個(gè)碼元，假設(shè)個(gè)碼元足夠大因此可以建立可靠的傳輸。當(dāng)時(shí)，信道處于關(guān)狀態(tài)，中斷發(fā)生，此時(shí)達(dá)不到速率位/秒傳輸速率，因此有效數(shù)據(jù)速率是零并且數(shù)據(jù)幀要重新發(fā)送，這個(gè)重新發(fā)送過程通過ARQ重傳條件來實(shí)現(xiàn)。如圖4-1所示為狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型，并標(biāo)有轉(zhuǎn)換概率。 圖4-1 狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型在本章中，假設(shè)在每個(gè)幀傳輸過程中，信道衰落系數(shù)保持恒定。因此，每秒就會(huì)發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)移。定義兩個(gè)秒都在開狀態(tài)的概率為，則：其中: 取決于的聯(lián)合分布。對于瑞利衰落信道而言，由文獻(xiàn)15可知衰落幅度的聯(lián)合密度函數(shù)是封閉形式。

51、在本章中，為了能夠簡化計(jì)算并且提供適用于任意衰落分布的結(jié)論，因此假設(shè)幀與幀之間的衰落情況是相互獨(dú)立的并采用塊衰落信道模型。在塊衰落信道中，衰落系數(shù)在秒內(nèi)保持恒定，并且可以模擬快衰落和慢衰落場景。在塊衰落的前提下可以得到。同樣可以得到其他的轉(zhuǎn)換概率為：其中，代表的概率密度函數(shù)，且。在本章中，假設(shè)和累積分布函數(shù)都是可微分的。最終，可以發(fā)現(xiàn)，在開狀態(tài)可以成功傳輸位數(shù)據(jù)，而在關(guān)狀態(tài)有效傳輸數(shù)據(jù)速率是零。4.2有效容量、頻譜效率和單位能量4.2.1有效容量正如第三章所述，有效容量有雙重概念，可以看作是最大恒定到達(dá)速率，也可以看作是最大吞吐量。根據(jù)第三章的公式（如下），在QoS限制下的系統(tǒng)的有效容量為：其

52、中為時(shí)間累積服務(wù)過程，代表離散時(shí)間靜態(tài)遍歷隨機(jī)服務(wù)過程。在本章的模型中，的取值取決于系統(tǒng)所處的狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)處于開狀態(tài)時(shí)，；當(dāng)系統(tǒng)處于關(guān)狀態(tài)時(shí)，。根據(jù)文獻(xiàn)16和17可知，對于本章的開關(guān)狀態(tài)模型有：由上述公式以及先前提到的可知，對于一個(gè)有統(tǒng)計(jì)QoS限制的系統(tǒng)，由幀持續(xù)時(shí)間和帶寬歸一化的有效容量（也就是頻譜效率（位/秒/赫茲）為：其中代表符合公式(4-10)的最大固定傳輸速率，并且是和的函數(shù)。歸一化的有效容量提供了在統(tǒng)計(jì)QoS限制下固定傳輸速率模型的最大吞吐量，并且很容易可以發(fā)現(xiàn)：因此，當(dāng)QoS限制很松時(shí)，最大恒定到達(dá)速率接近平均傳輸速率。另一方面，對于，為了能夠避免和QoS限制，則。4.2.2頻譜

53、效率和單位能量的折中在本章中，主要關(guān)注于在QoS限制下無線傳輸?shù)哪芰啃省τ谀芰啃实难芯恳话愣荚诘托旁氡鹊那闆r下進(jìn)行，因此，本章的分析研究都是在低信噪比的情況下進(jìn)行的。在低信噪比的情況下，理解能量效率的關(guān)鍵就是研究歸一化的能量效率（也就是頻譜效率）和單位能量（）的折中。并且這個(gè)折中可以通過零頻譜效率下的單位能量和寬帶寬斜率來表述：其中，和分別是函數(shù)對應(yīng)信噪比為0時(shí)的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)，參考論文【1】。和S0提供了在低頻譜效率時(shí)頻譜效率曲線的線性近似，也就是說：當(dāng)頻譜效率是一個(gè)關(guān)于的非減凹函數(shù)時(shí)，單位能量()隨著頻譜效率的降低而降低。因此，在這種情況下，零頻譜效率下的單位能量就是最小單位能量

54、，即：，此時(shí)，能量效率最大。4.3稀疏多徑衰落寬帶寬下的能量效率4.3.1衰落子信道模型 在本節(jié)中，采用了帶寬很寬的寬帶寬條件。假設(shè)平均功率保持恒定，則當(dāng)帶寬增加時(shí)，信噪比就會(huì)漸漸接近零，這樣就可以在低信噪比進(jìn)行研究。根據(jù)信息論研究中采用的方法，假設(shè)寬帶寬信道被分解為個(gè)平行的子信道，并假設(shè)每個(gè)子信道的帶寬都相等且等于相干帶寬。因此，每個(gè)子信道中都會(huì)經(jīng)歷獨(dú)立平坦衰落，并且。假設(shè)不同子信道中的衰落系數(shù)相互獨(dú)立，并且子信道都采用4.1.2中所描述的條件，并且發(fā)送端向每個(gè)子信道以恒定的速率傳輸數(shù)據(jù)，那么，4.2中所述的公式及結(jié)論都適用于每個(gè)子信道。對于N個(gè)子信道同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，一共有 種可能的傳輸速率

55、。假設(shè)以遞增的總傳輸速率排列信道狀態(tài)，那么在狀態(tài)時(shí)，傳輸速率為。公式（4-17）給出了從狀態(tài)轉(zhuǎn)移到狀態(tài)的概率。其中，代表包含了個(gè)元素的集合的子集，代表的補(bǔ)集，并且有。由于之前假設(shè)的塊衰落信道模型，因此狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率與初始狀態(tài)無關(guān)。當(dāng)子信道的衰落系數(shù)相互獨(dú)立，那么（是幅度的平方）獨(dú)立分布，則公式（17）中的就可以簡化為一個(gè)二項(xiàng)概率：如果子信道的衰落系數(shù)服從獨(dú)立同分布，則總功率就會(huì)平均分配到每個(gè)子信道中。在這種情況下，有，并且:也就是說對于每個(gè)子信道都有同樣的,且值為公式（4-12）所描述的。4.3.2寬帶寬機(jī)制下頻譜效率和單位能量的折中定理1：對于一個(gè)有個(gè)互不干擾、帶寬為的獨(dú)立平坦衰落的平行子信道

56、的寬帶寬信道而言，其有效容量為：其中由公式（4-17）給出。如果獨(dú)立分布，那么歸一化的有效容量可以簡化為：其中，。在本節(jié)中，假設(shè)當(dāng)時(shí)，則可表征在寬帶寬條件中的稀疏衰落信道的性能。進(jìn)一步假設(shè)子信道的數(shù)量是有限的，即有界，因此自由度有限。定義，當(dāng)時(shí)，。則對于公式（4-21）給出的歸一化有效容量最大化以后可以寫成：其中和是的函數(shù)，也就是的函數(shù)。定理2：在稀疏多徑衰落的寬帶寬信道中，如果子信道的數(shù)量有限，并且每個(gè)子信道都有符合獨(dú)立同分布的衰落系數(shù)，那么最小單位能量和寬帶寬斜率為：其中，。其中的定義和滿足的條件分別為：在定理2中，當(dāng)系統(tǒng)在QoS的限制下工作時(shí)，通過最小單位能量和寬帶寬斜率，量化了在寬帶寬條件中的單位能量需求。對于和來說都通過變量間接取決于QoS指數(shù)。4.3.3性能仿真(1)瑞利信道下的頻譜效率和單位能量折中 如圖4-2所示，為瑞利信道中頻譜效率做為單位能量函數(shù)的曲線圖。正如在定理2中所描述的一樣，。從圖中可以看出，當(dāng)頻譜效率非零時(shí)，