无线通信网络跨层设计

本 科 毕 业 论 文题目无线通信网络的跨层设计学生姓名 专 业 指导教师 完成日期 诚 信 承 诺 书本人承诺所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究成果除了文中特别加以标注和致谢的地方外论文中不包含其他人已发表或撰写过的研究成果参与同一工作的其他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 签 名 日 期 本论文使用授权说明本人完全了解南通大学有关保留使用学位论文的规定即学校有权保留论文及送交论文复印件允许论文被查阅和借阅学校可以公布论文的全部或部分内容保密的论文在解密后应遵守此规定学生签名 指导教师签名 日期 摘 要人们对便捷通信的强烈渴望推动了无线通信技术的飞速发展现阶段的无线通信产业主要集中在话音业务上但随着与爆炸式发展的因特网融合的实现无线通信业务范围将发展成多种业务结合的综合性业务无线网络的跨层设计的主要任务是彻底改变原先固定不变的协议分层将原来被割裂的网络各层作为同一的整体进行设计和优化以便在时变的无线衰落信道中保证多媒体业务的QoS Quality of Service 变得切实可行论文研究跨层设计的基础之上论述了跨层设计的背景现状原理以及跨层设计的实现方法等重点介绍了点到点的跨层设计即如何通过联合自适应AMCthe adaptive modulation and coding 技术和混合自动请求重传HARQhybrid automatic repeat request技术来优化系统的吞吐量通过计算机对理论分析进行了验证理论分析和仿真表明基于Type-III HARQ比ARQ能够有效的优化网络整体性能具有较高的研究价值关键词跨层设计服务质量混合自动请求重传自适应编码调制ABSTRACTPeoples desirations promote the rapid growth of wireless technologies for providing anytime anywhere voice communications At present the wireless communications industry is mainly concentrated on the voice business But with the explosive growth of the Internet and the realization of integration of wireless communications and Internet it will be developed into a comprehensive kind of business Cross-layer design of wireless networks is to completely change the main task of the original fixed framework agreement which aims to be divided by the original network of the same layers as the overall design and optimization in order to guarantee QoS Quality of Service for multimedia business in the time-varying wireless fading channelBased on cross-layer design this thesis discusses the concept of cross-layer design status principles and implementation method With an emphasis on point to point cross-layer design that is how it unites the adaptive modulation and coding AMC the adaptive modulation and coding technology and hybrid automatic repeat request HARQ hybrid automatic repeat request techniques to optimize the system throughput The theoretical analysis by computer simulation is verified Theoretical analysis and simulation show that the Type-III HARQ can much more effectively optimize overall network performance than ARQ which is of high research valueKeywords Cross-layer design QoS HARQ AMC目 录摘 要IABSTRACTII目 录III第一章 绪 论111 研究的背景112 跨层设计的必要性1121无线信道的动态特性1122 OSI开放系统参考模型的弊端2123 高误码率2124带宽波动与限制213 各协议层之间对跨层设计的需求2131 基于物理层的协议层交互2132 基于链路层的协议层交互3133 基于网络层的协议层交互3134 基于传输层的协议层交互314 链路自适应技术4141 功率控制技术4142 速率控制技术4143 混合自动请求重传技术515 QoS管理5151 QoS参数5152 QoS保证的基本要求6153 QoS 保证的基本策略616 跨层设计原理8161 开放系统互联模型8162 跨层设计的实现方法917 论文主要研究的内容及结构安排11第二章 无线信道121无线信道特征及其建模13211 无线信道13212 多径衰落信道的主要特征13213 非频率选择性多径衰落信道模型1522 有限状态马尔科夫信道模型1623 信道估计技术1623 时延17第三章 点到点的跨层设计131 混合自动请求重传技 HARQ 1832 联合AMCHARQ技术的跨层设计模型建立1933 排队理论2034 联合AMCHARQ的跨层设计原理22第四章性能分析与仿真25结束语28参考文献29致 谢30第一章 绪 论11 研究的背景近年来随着全球通信产业的发展以移动通信技术和宽带IP数据通信技术发展最为迅速整个通信产业的技术发展呈现出三个大的趋势-无线化宽带化和可视化无线移动通信系统经历了二十年的快速发展已经从第一代模拟通信系统发展到如今的第三代数字宽带通信 3G 系统第一代模拟通信系统采用的是频分多址 FDMA 接入技术只能提供语音业务第二代移动通信系统 2G 采用时分多址 TDMA 和码分多址 CDMA 技术它们共同实现动态寻址功能完成了模拟通信向数字通信的转变可提供优质的语音以及部分数据业务第三代移动通信系统 3G 采用宽带码分多址接入技术将传统的移动通信与Internet融合除了提供传统的语音业务外更多的是提供视频点播实时电视等多媒体业务但是3G缺乏统一标准它所采用的语音交换架构沿用了2G系统的电路交换并非纯IP方式基于视频的应用也不尽人意同时在安全方面也存在一定的缺陷因此第四代移动通信技术 4G3G 的研究就显得更加迫切近年来人们对实现4G3G4的关键技术进行了大量的研究并取得了初步的成果但是无线信道容易受到周围环境严重衰落和噪声干扰的影响目前无线通信技术的发展始终围绕着如何在恶劣的信道环境和有限的带宽内提高传输速率和服务质量因此如何克服恶劣的信道条件进行信息的高速传输是人们关注的重点如在物理层正在研究的热点技术包括先进的信道编码 Turbo码 自适应编码调制 AMC 等然而上述这些技术的共同特点都是通过高级的通信信号处理技术来提高无线链路的容量事实上Turbo码已经可以很好的逼近香农限而MIMOMultiple Input Multiple Output技术其容量的提高则是以增加天线数为代价的对于体积有限的终端不可能通过大量增加天线来提升系统容量因此这些新颖的信号处理方法对无线网络性能的提高非常有限在这种情况下人们开始重新思考无线通信网络的理论3和概念模型无线网络的跨层设计2就是在此背景下提出的一种创新性理念它将被割裂的协议各层重新作为统一的整体进行设计综合考虑无线信道特征和多媒体业务的特性通过先进的无线资源管理策略来提高网络的整体容量以及提高多媒体业务的服务质量 QoS 12 跨层设计的必要性121 无线信道的动态特性无线通信不同于有线通信无线信号传输介质是不可靠的容易受到噪声多径衰落以及阴影效应等不可预知的影响并且移动性也会给信道预测和信道估计带来相当大的难度从而增加了信道的误码率但是人们为了保证可用性往往只按照信道性能最低的要求进行保守设计而不是通过自适应的调整以适应通信信道的变化于是导致协议栈无法针对有限的功率资源和频谱资源进行有效合理的利用122 OSI开放系统参考模型的弊端 传统的无线通信系统设计沿用OSI参考模型只单独对各层进行设计和优化这样简化了网络设计的复杂性同时也满足软件设计的信息隐藏原则因而得到了广泛应用假设遵循OSI设计理念必然要摒弃协议层的跨层交互而且不同协议层之间存在一定的信息冗余为此OSI开放系统的参考模型不能对无线网络资源进行整合以致网络性能得不到整体优化123 高误码率和有线通信相比无线通信因为受到多径衰落和噪声的影响信道的误码率较高对图像的质量影响较大这给多媒体信号的质量带来严重影响但是为了保证多媒体信号的质量就应该提供相对有效的差错恢复机制比如ARQ16和FEC等124带宽波动与限制在无线移动环境中信号带宽是有限的再加上噪声干扰同频干扰多径衰落和信道冲突的影响无线信道的传输能力不稳定并随环境变化发生变化所以处理无线通信时必须利用信道信息CSI 这样可以根据不同的信道状态采取相应措施进而能够提高带宽的利用率13 各协议层之间对跨层设计的需求131 基于物理层的协议层交互物理层位于OSI参考模型的最底层它直接面向传输介质负责在传输介质之间为数据链路层提供一个传输原始比特流的物理连接物理层采用的发射方式 主要参数有传输功率调制与编码天线波束参数等 不同对接收器能否成功接收信号产生影响进而影响链路层的无线信道多址接入若在链路层进行功率控制可以降低满足速率和误码率要求时的传输功率减少邻节点间的干扰即可以通过增加传输功率来对抗多径衰落引起的信道变化降低物理层的误码率同样 也可以在链路层采用更强的差错控制来降低物理层的误码率132 基于链路层的协议层交互数据链路层最重要的功能就是通过数据链路层协议即链路控制规程在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输比如帧同步流量控制差错控制等但是由于链路层的传送调度策略会影响数据包延迟带宽等性能导致网络层路由性能的恶化若网络层能够感知链路层性能的变化就可以以自适应的方式改变路由以改善网络的整体性能对于传输层也是如此传输层性能的好坏也可以通过与数据链路层的交互加以改善133网络层为建立网络连接和为上层提供服务应具备几大主要功能路由选择和中继激活和终止连接差错检测与恢复排序和流量控制等若网络层把传输层的链路拥塞信息作为路由判据则可有效地对传输层的链路拥塞进行合理的调节此外网络层根据应用层不同业务的QoS 需求选择基于不同QoS 准则的路由判据以满足应用层的时延吞吐量以及丢包率等需求134传输层在两台计算机进行数据通信时具有缓冲功能当网络层服务质量不能满足要求时它将服务质量加以提高以满足高层的应用要求当网络质量较好时它只用很少的工作同时传输层还可以进行复用即在一个网络连接上创建多个逻辑连接传输层也被称为运输层只存在于端开放系统中是介于低三层通信子网系统和高三层之间的最重要一层可以将传输层的丢包率吞吐量等信息提供给应用层 应用层据此调整自己的发送速率同样 应用层也可将业务的QoS 需求传递给传输层 传输层据此选择适当的传输协议并调整相关参数基于上述各协议层及其上协议层的交互对跨层设计的需求特别是多媒体业务QoS 保证机制需要根据多媒体业务QoS 不同要求提供一种动态的端到端的QoS 保证QoS保障机制涉及所有协议层即每个协议层的相关参数的设置都涉及到QoS 能否得到保证因此有必要考虑协议层之间的依赖关系加强层与层之间的信息交互使网络性能得到整体优化根据以上信息交互的需求人们提出了跨层设计的理念它是通过在通信协议栈的各协议层之间传递某些特定的信息再利用这些信息协调各协议栈之间的工作使之与无线通信环境相适应从而使无线通信系统能够更加容易满足各种业务的不同需求其核心思想就是使通信协议栈能够根据无线环境的变化对资源实现自适应的优化配置14 链路自适应技术 在无线网络环境里物理信道由于移动性多径衰落以及阴影效应等影响信道常常呈现动态变化因此无线多址接入的用户面临着各自不同的动态链路特征在这种条件下仅考虑用户的需求进行网络资源分配变得十分困难与此同时在无线网络中物理层链路层等协议层次之间的关系越加紧密相互间的干扰和影响也更加显著所有的这些特征使得跨层设计的重要性日益突出在无线移动网络中只有通过跨层设计才有可能使得高层的应用与底层信道的链路特性之间有效的匹配从而可以充分利用有限的信道资源而随着无线技术的爆发式发展以及多媒体业务需求的快速增长这时传统的分层设计才真正经受了前所未有的挑战无线通信环境下的跨层设计研究成为了未来无线通信发展的一项关键技术综合考虑无线信道特征和多媒体业务的特性通过先进的无线资源管理策略提高网络的整体容量以及对多媒体业务的服务质量 QoS 的支持能力下面简单介绍一下当前跨层设计的关键技术移动通信的一个重要特征是无线信道的时变性链路自适应技术的基本思想就是根据无线信道在时间频率和空间上的变化自适应的调整传输参数采用链路自适应技术能动态地跟踪信道变化再根据当前信道状态信息CSI自适应地调整传输或接收参数 如发送功率编码方式调制方式等 以适应信道的变化达到最大限度地发送信息增加系统容量提高峰值数据传输速率和有效扩大覆盖范围的目的下面简单介绍几种常用的无线链路自适应技术141 功率控制技术功率控制技术是根据信道的瞬时质量动态地调整发射功率的链路自适应技术其目标是使接收端收到的信号保持恒定从而保证发送数据的成功概率功率控制的基本原理就是在信道条件好的情况下使用较小的发射功率在信道条件差的时候使用较大的发射功率但是随着用户对宽带数据业务的需求不断增长从用户的角度运营商所能提供的数据速率自然是越高越好这样恒定的瞬时数据速率变得不再那么重要更高的平均数据速率才是用户所需要的基于此种需求人们开始着手研究速率控制技术142 速率控制技术速率控制技术是根据信道的瞬时质量动态调整发送速率的链路自适应技术当信道质量比较好的时候速率控制技术会增大发送速率主要用来克服时变信道的快衰落效应而当信道质量比较差的时候速率控制技术会减小发送速率主要用来跟踪平均路径损耗和慢衰落的变化在实际系统中速率控制技术通过调整信道编码的码率和调制方式来控制发送速率因此速率控制技术一般称为自适应编码调制技术自适应编码调制技术是在给定数据传输质量要求的前提下根据当前信道的实际情况平均信噪比和QoS要求动态的改变发送端的调制和编码机制MCS提高系统资源的利用率或者传输效率获得较高的吞吐量但编码码率和调制阶数的变换实质是一种变速率传输控制方法以适应无线信道衰落的变化具有抗衰落能力强频谱利用率高等优点研究表明几乎在所有衰落信道下速率自适应比恒定速率下的功率自适应能够更好的提高系统吞吐量143 混合自动请求重传技术除了AMC技术之外混合自动请求重传技术HARQ也是目前自适应技术的研究热点HARQ结合了当前前向纠错FEC和自动请求重传ARQ两种技术通过对无法正确解码的信息重新传输来适应信道的变化提高系统的传输性能FEC是在发送端进行纠错编码接收端收到码字后通过纠错译码器不仅能自动地发现错误而且能够自动纠正接收码字中的错误ARQ在发送端发送能够检错的码字接收端收到这些码字后译码器判决出接收到的码序列中有无错误并通过反馈信道把判决结果通知发送端发送端根据该反馈将接收端认为有错的信息再次传送直到接收端认为正确为止在使用HARQ技术的通信系统中发送端发送的码字不仅能够检测出错误而且还具有一定的纠错能力接收端收到码字序列后首先检测错误情况如果在纠错码的纠错能力范围之内则自动进行纠错如果错误太多超出了纠错编码的纠错能力范围则接收端通过反馈信道要求发送端重新传送信息这种方式避免了ARQ的信息传送连贯性差时延大的缺点提高了信号对信道的适应性并在一定程度上提高了编码效率研究表明HARQ可以提供更好的性能尤其是在时变衰落信道环境之下15 QoS管理151 QoS参数QoS是业务性能的综合效果决定了用户对多媒体业务的满意度QoS通过用所有业务的性能因素的组合来表示如业务的适用性保持性完整性等但是随着无线网络中多媒体业务地快速发展需要一定的QoS保证机制以保证对时延和通讯中断敏感的应用拥有比普通数据应用更高的优先权QoS参数可以分为如下几种1 时延 Delay 业务从发送端到目的端所经历的时间时延按其产生原因可分为处理时延队列时延传输时延传播时延等其中队列时延通常占主要部分2 带宽 Bandwidth 业务需要占用的链路带宽时延抖动 Delay Jitter 主要用来描述时延的随机性时延的方差越小时延抖动越小4 丢包率传输过程中丢失的数据包占总数据包的比例不同的业务对QoS的要求截然不同实时业务对时延的要求很高而数据业务更注重丢包率对时延并不敏感然而一些非实时的视频业务并不关心时延但是对时延抖动十分敏感152 QoS保证的基本要求153 QoS 保证的基本策略16 跨层设计原理随着移动通信技术的迅猛发展与快速应用移动通信网络与互联网络互联互通已经是必然的需求在开放系统互联分层模型的影响下七层模型结构己成为移动通信系统设计的参考标准但是移动通信环境具有快速变化的特性而基于分层结构的协议栈只能以固定的方式在相邻的协议层之间进行信息通信本章将首先介绍开放系统互联模型通过讨论跨层设计的概念继而引入分层的思想并详细介绍各协议层上跨层设计方案161 开放系统互联模型在1978年国际标准化组织International Standard OrganizationISO为网络通信定义了一个参考模型这就是著名的开放系统互联参考模型Open System Interconnected Reference ModelOSI RM它采用七层结构图11所示上层通过调用下层提供的服务来实现数据传输每层都有自己的协议各层之间的协议是独立的同一层次的协议是相同的属于通信子网的设备通信子网中的协议只有三层 图11 OSI典型7层体系结构根据图11可以很清楚的了解OSI模型的数据传输的过程物理层数据链路层根据必需的同步差错控制来调节发送数据块通过物理链路提供可靠的信息传输和数据交换使之对网络层表现为一条无错的线路网络层是控制通信子网正常运行为网络两端用户提供一条逻辑信道它负责建立以及终止一条连接关键问题确定分组从源端到宿端 传输层提供端与端之间可靠的信息交换和数据传送提供端对端的差错控制流量控制会话层允许不同机器上的用户建立会话关系允许进行类似传输层普通数据的传输并提供对某些有用的增强服务会话 表示层完成某些特定的功能该层所关心的是所传递的信息的语法和语义应用层向终端用户提供直接服务它提供与应用及系统管理有关的分布式信息服务如文件传输等各种通用和专用的功能但是在实际的通信网络中得到广泛应用的是TCPIP五层体系结构如图12所示也将OSI体系中的应用层表示层和会话层合并为一TCPUDP协议对应OSI的传输层IP协议对应OSI的网络层它定义了的IP地址格式TCPIP的最底层功能由网络接口层实现相当于OSI的物理层和数据链路层实际上TCPIP对该层并严格定义而是应用已有的底层网络实现传输这就是它得以广泛应用的原因图12 OSI参考模型与TCPIP模型的对比示意图162 跨层设计的实现方法分层的体系结构起初是有线网络提出的在分层的体系结构中各层都独立设计相邻子层间通过固定接口进行通信非相邻子层间无法进行通信极大地简化网络设计具有很好的灵活性和分层结构取得成功是因为有线网络中各子层之间相互独立且影响无线信道的特性以及无线传输介质的不稳定性信号衰落带宽和功率的无线网络的进一步发展举步维艰如图13 图14 跨层设计示意图跨层设计要求在层与层之间进行信息传递针对各层协议的不同状态和要求 对网络性能优化跨层设计充分利用现有网络资源 包括编码技术传输功率控制信道达到系统吞吐量最大化总传输功率最小化QoS 最优化等目的图15为跨层设计理论模型图15 各层间跨层信息交互示意图跨层设计一般可以通过两种方法来实现一是对某一协议层进行优化把其他协议层的相关参数考虑进来物理层上的跨层设计物理层链路层主要负责接收数据所以利用物理层对链路层的控制机制进行调整将使系统吞吐量及功率获得同样由链路层发出的功率调整指令及传输控制命令也能使物理层的性能得到改善链路层上的跨层设计链路层的功能通过前向纠错FEC和自动请求重发ARQ实现数据的可靠传输FEC编码和ARQ总是使用以提高数据传输的可靠性FEC通过向接收端传输多余的比特使传输出现的错误能够得到纠正ARQ技术则通过重传数据帧实现数据的可靠传输网络层上的跨层设计网络层主要是在无线通信系统内网络层协议主要是移IP协议它能对IP进行处理在跨层信息交互时网络层能利用移动IP信息和正在使用的物理网络接口等信息对应用层和传输层而言移动IP切换信息十分重要利用它能够功耗提高吞吐量传输层上的跨层设计传输层主要无线网络是大时延高的网络因此对于链路恶化的数据丢失TCP传输协议解释为拥塞丢失从而导致传输效率下降在进行跨层信息交互时TCP层主要包括往返时间重传超时时间等信息应用层上的跨层设计应用层是用户运行应用业务的接口应用都是面向有线网络这些应用无线网络无法高效工作应用层应能向其他传递其QoS需求如时延范围吞吐量和从物理层或链路层获得的信道状态信息则有助于应用层调整根据应用层的QoS需求调整链路层的差错控制也能提高应用层性能本章主要研究通过开放系统互联模型引出跨层设计分析物理层链路层网络层传输层以及应用层上的跨层设计应用这为后面章节的跨层设计提供了可靠的理论依据17 论文主要研究的内容及结构安排第一章简单介绍了无线通信的研究背景和发展现状介绍了课题中涉关键技术着重无线网络中跨层设计的必要性和第二章介绍无线信道的特征以及常的信道模型第三章第四章针对一个存在Qo保证业务的有线-无线混合通信网络研究了通过跨层联合设计AMC和HARQ来优化通信系统吞吐量分析数据链路层的排队得到了吞吐量时延和丢包率的表达式论文的总结了论文的主要工作和主要贡献并指出了该课题未来的研究方向第二章 无线信道21无线信道特征及其建模211 无线信道无线信道的电波传输特性与环境地貌气候特征电磁干扰通信终端移动速度等密切相关它们直接影响无线系统的通信能力和质量无线信道分为视距信道和非视距信道视距认为信号是直射传播的如卫星通信非视距信道则是非直射传播引起的信号受地面绕射对流层散射以及发射等因素的影响1 自由空间损耗其用于预测接收机和发射机之间完全无阻挡接收信号场强表现为慢衰落2 阴影衰落由于传播环境中地形形状建筑物及其它障碍物对电磁波的阻碍所引起的衰落也表现为慢衰落3 多径衰由于移动环境的多径传输引起的衰落表现为快衰落212 多径衰落信道的主要特征由于无线信道多径移动终端的使得无线信道在时间和频率上产生色散信号经过信道后分别形成了频率选择性衰落和时间选择性衰落也就产生了多径时延扩展和多普勒扩展这两种扩展分别对应两组相关参数一相干带宽和相干时间在多径环境下路径导致信号会以不同的时间到达接收端接受信号就出现了时延扩展显而易见如果多径产生的时延扩展大于码元宽度就会码间干扰导致波形的失真不同时延的信号叠加引起时间色散和频率选择性这两种现象是同时出现的只是表现形式不同而已时间色散体现在时域上展宽使接收信号的持续时间比此信号发送时的持续时间长而频率选择性体现在频域上通常用相带宽来表多径信道特性也就是如果信号的传输带宽大于相干带宽则信号将经受频率选择性衰落否则平坦衰落性基于上述讨论多径时延扩展和相干带宽是从不同的角度描述多径衰落信道的最大时延扩展可用来计算在信道中存在多少可分解的路径应用于RAKE接收机相干带宽应用于RAKE接收机较小的相干带宽意味着较高的分散性时延扩展和相关带宽描述信道的时间色散但它们并未信道时变特性多普勒扩展和相干时间描述信道频率色散时变特性例如与移动台运动速度波长及电波到达角有关假设相向运动则多普勒频移为正否则为负可以表示为 21 最大多普勒频移为 22 多普勒扩展是由无线信道的时变性所引起的频率展宽程度的它被定义在一个频率范围之内即当发送频率为时接收信号在到范围内频率扩展的大小取决于相干时间 是多普勒扩展在时域的表示主要用于描述信道频率色散的时变特性相干时间与多普勒扩展成反比一般定义为 23 由上可知时间间隔大于的两个信号受信道的影响各不相同也如果采用符号速率大于的发送系统则信道就不会由于相对运动而导致信号的失真213 非频率选择性多径衰落信道模型介绍种常的非频率选择性多径衰落信道模型1 瑞利衰落分布瑞利分布常用来无视距的多径衰落接收包络的大小服从瑞利分布 24 瞬时的符号信噪比r的概率密度函数为 25 2 莱斯衰落分布当存在一个主要的非衰落信号分量如视距传输则小尺度衰落的包络分布服从莱斯分布在这种环境下信号在瑞利衰落多径上叠加了一个主要的静态信号分量莱斯分布常用来包含一个强视距传播路径的多径衰落莱斯分布为 26 其中A为主信号幅度峰值是第一类0阶修正贝塞尔函数定义莱斯因子K令 27 可知确定了莱斯因子即完全确定了莱斯分布当时即主信号幅度减小莱斯分布转变为瑞丽分布当时信道不呈现任何衰落Nakagami-m衰落信道Nakagami-m分布用来长距离信道的快衰落人们发现它比瑞利分布和莱斯分布更接近实验数据Nakagami-m分布用以下分布函数来描述接收包络大小的分布 28 这里是Gamma函数瞬时的符号信噪比r的概率密度函数 29 其中为瞬时信噪比为信噪比的平均值m是Nakagami-m衰落参数m12用来表示不同分集度的衰落信道通过调整m的值Nakagami-m分布可以简化为多种不同的分布当m 1时Nakagami-m分布就变成了瑞利分布当m 12时Nakagami-m分布就变成了单边高斯分布当m时Nakagami-m分布则逼近高斯分布22 有限状态马尔科夫信道模型一般情况下认为无线衰落信道时无记忆信道但是数据传输速率较高时无线信道被认为是慢变的在这种传输的相邻数据帧之间的相关性就不容忽视此时采用传统的无记忆信道模型引入的误差就较大而更接近这种记忆信道的一种模型是马尔科夫信道模型它充分利用了相邻数据帧之间的相干性来提高性能其状态转移概率为 10 211 其中为多普勒频率23 信道估计技术 为了实现自适应的传输方式信道状态信息CSI 必须是可知的在链路自适应技术中发送端必须预先获知信道的衰落特性才可能对发送的参数进行合理的优化和设置以达到链路自适应的要求由于无线信道的时变性和系统得知的信道状态与实际的链路状态存在一定的误差这种误差主要来自两个方面一方面是接收端信道估计的误差可以通过信道估计技术的逐步发展来缩小另一方面是反馈和处理时延带来的信道估计的信道状态与未来发送时刻信道状态之间不匹配带来的误差它可以通过信道预测技术来加以弥补23 时延数据从源节点发送到目的节点所需要的平均时延是衡量通信网络性能的重要参数通常我们所指的时延是指数据包在各个子链路传输时延的总和链路的时延4个部分1 处理时延数据包到达节点时与该数据包被分配到一个发送队列的时间差值2 队列时延数据包进入发送队列与该数据包开始被传输之间的时间差3 传输时延开始传输数据包的第一个比特到传输完该数据包的最后一个比特之间的时间差值4 传播时延发送端传输完最后一个比特到该比特被接收端接收到之间的时间差值无线信道状态信息反映了当前信道传输数据的能力是物理层向高层传递的重要信息而为了更好地获取或者利用信道状态信息在本章中介绍了无线信道特征多径衰落信道模型信道估计技术以及时延这些为后面章节在研究中采用的信道模型提供了理论基础第三章 点到点的跨层设计31 混合自动请求重传技术HARQ物理层的技术和数据链路层的 技术能够动态地调节信道编码的码率使之与时变信道相自适应编码调制AMC 技术的本质在于其能够根据信道状态CSI 估计选择合适的编码调制我们可以根据相同的数据在重传时前后不同数据帧的处理方式不同HARQ分为Type-I HARQType-II HARQType-IIIHARQType-I HARQ 称为简单ARQ是丢弃前一帧完全依赖后一帧的译码结果Type-II HARQ 递增冗余ARQ当发送端连续收到一定数量的NACK信号时发送端使用性能更强的编码方案传送数据Type-III HARQ不同于Type-I HARQType-II HARQ引入互补对称对同一组数据虽然前一帧和后一帧的编码方案不同但都可以解码前后两帧有互补对称关系可以联合译码研究表明Type-III HARQ有较高的频谱利用率Type-III HARQType-III HARQ也是一种增量冗余的HARQ方案相对于Type-II HARQ的全增量冗余方案Type-III HARQ采用的是部分增量冗余方案即传输的数据包均可以自译码这里的数据包不是单纯的信息比特还包括与之前增加的冗余比特同时还包含所有的系统比特这样为接收机的合并译码算法带来了更多的灵活度图 31 Type-III HARQ的工作原理图Type-III HARQ工作原理图可知发送端初次发送时发送部分发送部分或者完整的信息比特前提是发送出去的信息比特是可以自译码的如果在接收端自译码失败的话会将错误的信息比特存储在接收缓冲器内同时请求发送端重传而发送端会按照预先设定的规则重传部分或者完整的编码比特而这些编码比特同样是可以自译码的它们与前次发送的编码比特可以相同也可以不相同接受端收到重传后的编码比特后会与前次保存在接收缓存器中的错误比特按照设定好的合并原则进行合并这样一来就可以提供更强的纠错能力32 联合AMCHARQ技术的跨层设计模型建立如图32所示假设在一个点到点的数据链路层发送端发送数据到接收端且数据包均为固定长度单位时间内到达发送端的数据包的数目服从泊松 Possion 分布同时假设发送端的寄存器长度为B并且数据包在发送端以先进先出 FIFO 模式被传送 图32 联合AMCHARQ技术的跨层设计框图物理层采用自适应编码技术 AMC 因此有多个编码调制模式可供选择根据图32接收端采用信道估计技术估计当前信道状态信息 CSI 再通过反馈信道反馈给发送端当发送端就会根据接收到的信道状态信息 CSI 选择下一次传输的编码调制模式而在链路层则采用混合请求自动技术 HARQ 进行重传当接收端检测到有错误数据包时通过反馈信道发送重传请求目前前向纠错 FEC 多是采用循环冗余校验 CRC 技术33 排队理论假设每个链路层数据包含有个比特在物理层每帧含有1个数据包采用嵌入马尔科夫链模型来分析排队过程令表示对应于传输模式的信道状态CSI表示每个信道相干时间内时隙的个数有 33 其中表示在传输模式下每个符号所能承载的比特个数全局状态和子状态转移如图31所示为第i 时隙的起始时刻令代表时刻信道排队以及HARQ 状态其中均为整数表示信道状态表示队列长度表示重传的次数 错误 图3全局状态和子状态转移 首先分析相邻时隙间的状态转移定义子状态的稳态分布变量 34 当系统处于稳态时满足 35 状态转移概率矩阵为 36 假设数据包的到达过程泊松Poisson 分布泊松因子为定义表示第个时隙内到a个数据包的概率为 37 下面分析全局排队过程定义状态的稳态分布为其中 38 稳态分布向量可以根据公式计算 39 全局状态转移概率矩阵为 310 其中是由式 31 32 定义34联合AMCHARQ的跨层设计原理下面详细数据链路层排队过程联合AMC和HARQ技术基本原理由于Type-III HARQ通过重传合降低误包率在模式下每一次重传的误包率为 311 为了满足在次传输之后数据链路层的误包率不大于数据链路层的最大误包率则有 312 其中为AMC的目标误包率因此可定义每次传输的平均误包率为 313 其中 314 不同编码调制方案的应用区间确定变换可以得到 315 对于物理层当信噪比内可以使用编码调制模式可以得到接收到的平均信噪比为时瞬时信噪比落在区间的概率信道的概率分布函数在区间积分 316 在模式下最大重传次数为时系统的平均误包率 317 其中 318 系统模型设定为有线-无线混合网络模型如图3所示 图 34 有线-无线混合通信网络通过上述的排队过程分析可以得到平均丢包率吞吐量和时延的表达式在一个信道的相关时间内由于溢出造成的丢包为 同时由于达到最大重传次数还未成功译码造成的丢包 319 其中可以由下式 320 得到 320 由此可以得到平均丢包率和吞吐量的表达式分别为 321 322 平均时延为平均服务时间和平均排队时间之和其中平均服务时间与平均排队时间分别为 323 324 则平均时延为 325 本章主要研究点到点链路上的跨层设计但是在进行点到点跨层设计的时候通常不考虑数据链路层以上的系统参数因此跨层设计一般集中在物理层和数据链路层的联合优化针对思路考虑了结合自适应编码调制技术AMC 和混合自适应请求重传技术HARQ 的通信系统发送端可以根据接收端的反馈信息获知的信道状态信息CSI 在物理层通过自适应地选择编码调制模式优化系统的吞吐量丢包率等同时还在数据链路层采用混合自动请求重传技术HARQ 提高传输的性能分析与仿真假设信道相关时间为 3 msb为每个ACK可以确认收到的报文段个数最大重传次数为数据链路层的最大误包率为假定平均SNR 为 15dB最大多普勒频率为 10 Hz寄存器大小B 10个数据包Nakagami-m 信道衰落参数为m 10给出2种跨层方案进行比较这2种方案的主要不同点在于采用了不同的HARQ技术方案1采用Type-III HARQ方案2采用Type-I HARQ即ARQ其中横坐标表示发送端的数据包的到达强度要求平均信噪比 15dB和寄存器长度B 10观察两条线条的变化情况 图41 吞吐量分析 图41所示种跨层设计方案的吞吐量其中横坐标表示发送端的数据包到达强度可以从图方案1的吞吐量比方案2有明显的提高我们注意到当我们采用方案时平均信噪比及寄存器长度相同时的增大系统的吞吐量也在逐渐增加 图42 时延分析由图42可见在相同的平均信噪比和寄存器长度的情况下方案1 相比方案2可以实现更小的时延我们注意到当我们采用方案时平均信噪比及寄存器长度相同时越小通信系统时延就越小但是随着增大系统的时延趋于同一值 稳定 开始时随着的增大时延的变化速率呈现逐渐减小的趋势最终趋于稳定 图43 丢包率分析由图43所示为2种方案丢段率的比较可以看出方案1在丢包率方面较方案2有了较大的改善我们发现当取值比较小时丢包率会随着的增加而减小而过了最低点之后丢包率会随着的增大而增大从理论上来说当比较小时丢包率主要是达到了最大重传次数仍然未成功译码造成的倘若此时增大会同时增加平均队长从而降低丢包率而当比较大时丢包主要源于溢出造成的倘若此时增大会造成更多的溢出进而增加了丢包率主要基于Type-III HARQ比ARQ能够有效的优化网络结束语 无线信道容易受到噪声干扰多径衰落等不可预知的影响必然会造成数据传输误码率的提高同时传统的OSI参考模型必然摒弃各协议层之间的跨层交互只单独对协议层进行设计和优化这样一来OSI参考模型以致网络性能得不到整体优化以比较理想的假设为前提进行的比如信道是准静态的信道估计是无误差的反馈信道是理想等论文只考虑物理层的自适应AMC技术和数据链路层的混合请求重传HARQ技术没有考虑到传输层及以上的层间交互实际上传输层的吞吐量相对于链路层的吞吐量更能反映网络整体的所以在未来的研究工作中会联合考虑传输层的TCP协议提出一种更加切合实际的端到端的跨层设计1 樊昌信曹丽娜通信原理M第六版北京国防工业出版社200965-822 章坚武移动通信M第二版西安西安电子科技大学出版社20091-53 韩毅刚计算机通信技术M北京北京航空航天大学大学出版社20079-124 方旭明下一代无线因特网技术M北京人民邮电出版社2006212-2275 宋平链路自适应技术的研究D南京东南大学20076 许玲玲ARQ在跨层设计中的应用研究D山东山东大学20077 俞<a name=baidusnap0></a>一帆</B>第四代移动通信系统的跨层设计研究D北京北京邮电大学20068 朱伟宋建新无线通信的跨层设计J信息技术20063 15 125-1289 王晓利无线通信系统的跨层设计技术的研究D北京北京邮电大学200610 修春娣移动通信系统中混合ARQ技术的研究及其应用D北京北京航空航天大学200311 李贵斌协作通信中的HARQ研究D安徽中国科学技术大学200912 韩旭东无线网络跨层设计计算机世界报200410718-2513 王志永无线Mesh网络跨层技术研究D西安西安电子科技大学200714 余晶晶链路自适应技术的研究D北京北京交通大学200715 薛德志移动通信系统中的自适应链路技术的研究与实现D南京东南大学200516 XPengMSongCross-layer Design for Adaptive Modulation and Coding with Hybrid ARQCInternational Symposium on MicrowaveAntennaPropagation and EMC Technologies for Wireless Communication2007138-14117 QLiuSZhouJoint design of channel distributiontruncated ARQ protocol and AMC scheme For multicode CDMA uplinkCProc38th ConfInfSciand Syst200418 KarmokarDjoninBhargavaCross-Layer Rate and Power Adaptation Strategies forIR-HARQ Systems over Fading Channels with MemoryA SMDP-Based ApproachJIEEETransactions on Communications2008561352-136519 SSampeiTSunagaRayleigh fading compensation for QAM in land mobile radiocommunicationsJIEEE TransVehTechnol199342 2 137-14720 DChaseCode combiningA maximum-likelihood decoding approach for combining anarbitrary number of noisy packetsIEEE TransCommumicationJ19855 1 385-393致 谢 时间稍纵即逝转眼之间四年快结束了在这个的学习中我遇到了很多给我信任支持鼓励和帮助的老师和同学是他们让我的学习生活变得丰富充实所以借机会感谢老师和同学本论文的所有工作是在我的导师曹张华老师的精心指导之下完成的大四的下半学期是我们大四学子找工作的关键时期使得我们不仅面临毕业论文的编写又要面临工作带来的种种压力这样一来我们的生活每天基本都是忙忙碌碌基本没有一点空闲时间曹老师得知这种情况帮助我理清论文的思路详尽的给我解释路文中我不太懂的地方使得我能够及时的完成论文的开题报告中期检查及论文的定稿论文即将定稿回想起自己从选题搜集相关资料仿真图像再到着手完成论文大约经历了两个多月时间想想现在论文也是快要定稿了这期间的辛苦劳累是可想而知花几个月时间忙一篇论文也让我们学到了治学就得严谨凡是都得认真对待南通大学毕业设计论文II南通大学本科毕业设计论文IV南通大学毕业设计论文南通大学毕业设计论文III7帧帧帧帧帧34 / 34文档可自由编辑打印