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自适应调制编码与ARQ的联合设计

时间:2016-09-05来源: 作者: 点击: 280次

徐亚冲

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 050081

摘 要: 本文在缓冲区受限、给定目标误帧率的约束条件下,对发送端有效利用信道状态信息的设计展开讨论,研究了联合AMC/ARQ、基于信噪比模式选择策略和缓冲区辅助模式选择策略三种传输机制设计。论文的一些结果对协作ARQ协议的性能分析和优化设计有一定参考价值。

关键词: 协作通信;自动请求重传;自适应调制编码

中图分类号:

Joint Design of AMC and ARQ

Xu Ya-chong,

(The 54th Research Institute of CETC, Shijiazhuang HeBei 050081,China)

Abstract:  Under the guidance of thought in “ARQ error control”, the thesis investigate the design of cooperative ARQ design with the buffer and the target frame error rate constraints with the aim of the effective use of the transmitter channel state information. The joint AMC and ARQ design, the signal noise ratio assisted design as well as the buffer-assisted design is discussed and compared as well. The analysis in this thesis is a good reference for the performance analysis and optimized design of cooperative ARQ protocols.

Key words:  Cooperative Communication, Auto-Repeat-reQuest, Adaptive Modulation and Coding.


0 引言

[1]为适应高质量多媒体业务日益增长的要求,无线通信系统的设计需从容量、数据速率、服务质量等角度入手。常见的提升通信系统效率和性能的方式有自适应调制编码(以下简称AMC)和ARQ。自适应调制编码技术的原理是让发送速率与时变信道条件相匹配,以期获得高频谱利用率;而自动请求重传技术的重传只在出错时进行,相对前向纠错编码能在提升吞吐率的同时有效对抗衰落。本文针对点对点通信系统,在缓冲区队列长度受限和给定目标误帧率的约束条件下,通过发送端有效利用信道状态信息,研究了联合AMC/ARQ、基于信噪比和缓冲区辅助策略的三种传输设计机制。

1 传输机制简介

1 联合AMC/ARQ的传输模型

1中发送端物理层采用自适应调制编码和自动请求重传技术,根据接收端反馈得来的信道状态信息,发送端进而选择传输模式(见表1)。在此,本文进行了相关假设:信道频域平坦,接收端可获得完全的信道状态信息(CSI, channel state information),反馈信道无错误出现。

1给出了卷积编码的传输模式,其中母码生成多项式为g=[133,171]8,有5种调制模式可供选择[1]

1 卷积编码的传输模式

 

Mode 1

Mode2

Mode3

Mode 4

Mode 5

调制模式

BPSK

QPSK

8-QAM

16-QAM

64-QAM

速率(bit/sym.)

0.50

1.00

1.50

3.00

4.50

ai

274.7229

90.2514

67.6181

53.3987

35.3508

gi

7.9932

3.4998

1.6883

0.3756

0.0900

rTi(dB)

-1.5331

1.0942

3.9722

10.2488

15.9784

时隙的传输机制见图2,其中,Tp为时间周期,Ts为传输持续时间,M=5表示5种不同的传输模式(见表1)。在此,接收端根据信道状态信息即接收信噪比所在的区间来选择AMC模式Mode i

2 联合AMC/ARQ传输模式的帧结构

给定目标误帧率(Ptarget)时,使得每一帧的瞬时错误概率都会小于等于该值,于是可计算门限信噪比[19]

       (1)

其中aigi以及rTi的取值见表1,需要注意的是。而每一帧的瞬时错误概率的计算公式如下:

           (2)

在模式i下进行数据传输后,Nakagami衰落环境下的平均误帧率为:

          (3)

其中,Pi表示采用模式i的概率,如式(4)所示:

           (4)

bi为待定系数,如式(5)所示:

                       (5)

发送端缓冲区以先入先出的方式进行数据包操作。数据包在一帧的周期时间内全部进入缓冲区,并等待发送。如果接收端正确收到数据包并反馈ACK,发送端将从缓冲区清除该数据包所占空间。由于缓冲区长度受限,可能存在空间已满而新的数据包又恰好到来的情况。此时,会出现包损失的现象,因此需要ARQ重传。重传方式分为全部重传(AR, All Retransmit)、部分重传(PR, Part Retransmit)及选择重传(SR, Selective Retransmit)三种。AR模式为接收端一旦收到出错的数据包就会要求发送端重传全部数据包,部分重传仅需重传第一个出错的数据包及并发的数据包,而选择重传仅需重传出错的数据包。所以全部重传最为简单。而后两种模式下,部分重传含有数据包顺序,选择重传需要对重传数据重新排序,因此复杂度更高。

2 性能分析

在缓冲区受限的情况下,以下着重研究联合AMC/ARQ、基于信噪比和缓冲区辅助策略的三种重传机制。

2.1联合AMC/ARQ的机制设计

接前文所述,假设图2所示的衰落信道为瑞利衰落信道,即Nakagami衰落因子m=1,此时选择第i种传输模式的概率为[19]

       (6)

进而可计算第i种传输模式下的平均误帧率。限制重传次数为,即采用截断ARQ时的平均重传次数为:

            (7)

最终可获得功率谱的计算公式为:

              (8)

2.2基于信噪比模式选择策略

回顾图3,业务的到达服从泊松分布[2],数据包单位时间内的平均到达率为,而能到达的数据包数的最大值为

假设缓冲区的大小为B,其中数据包数为v,正确离开的数据包数为nARPRSR三种重传机制下数据帧正确发送的概率,其计算公式如式(9)至式(11)所示:

AR机制

(9)

PR机制

(10)

SR机制

(11)

联合Zn,vqk 可计算出缓冲区状态的转移概率是一个的矩阵。其中从状态v转移到状态u的概率为,可以用式(12)加以计算[3]

   (12)

应用上述计算方法,进一步进行稳态分析[61],令为稳态分布矢量,且满足以下线性方程组[45]

          (13)

在这里,计算该矢量最直接的方法是矩阵自乘法[4]

2.3 缓冲区辅助模式选择策略

与前述方法不同的是,该策略能根据缓冲区内数据包数v辅助选择模式i,因此平均误帧率随之变化:

(14)

其中bv 计算方法参照式(5)

Zn,v也随之变化,ARPRSR三种重传机制下的计算公式如下:

AR机制

  (15)

PR机制

(16)

SR机制

  (17)

转移概率和稳态分析与基于信噪比的模式选择策略相一致。

3 数值分析

上文主要介绍了相关原理以及算法,下面本文将着重对联合AMC/ARQ、基于信噪比和缓冲区辅助策略三种传输机制进行数值计算和仿真对比。在进行数值计算和分析前,本节首先对丢包率、延时和频谱效率等几项指标进行相关推导。

l  丢包率和延时

对于突发业务而言,为平均包损失率,定义为单位时间丢失的数据包数,可以用式(18)计算得到:

 (18)

为丢包率,由式(18)可得:

       (19)

为缓冲区内平均队长,表示达到稳定状态后缓冲区内的数据包数,可用式(20)计算得到:

        (20)

根据Little定理[5],则平均等待时间可用式(21)计算得到:

           (21)

l  反馈负载

AR的反馈负载,表示AR机制下接收端在单位时间内反馈的比特数。ARPRSR的反馈负载可用式(22)至式(24)计算得到:

  (22)

(23)

(24)

为验证各种算法的有效性,本文在衰落信道下采用Matlab语言进行数值计算,对联合AMC/ARQ、基于信噪比和缓冲区辅助策略三种传输机制的丢包率、延时和频谱效率等几项指标进行性能对比。在此设定相关参数为:B=2 or 8。图4至图8表示三种传输机制下的不同指标性能对比结果。

l  丢包率

4给出了联合AMC/ARQ与基于信噪比模式选择策略下的丢包率性能对比。从图中可以看出,高信噪比区间(>10dB)时采用基于信噪比模式选择策略重传机制的丢包率比联合AMC/ARQ机制的更低,说明信噪比较高时宜采用基于信噪比模式选择策略的机制。与此同时,缓冲区长度越长,即B3增加到12以后,丢包率下降越明显。而具体到传输机制的三种重传方式时,SR的丢包率最低、PR居中、AR最次。

4 联合AMC/ARQ与基于信噪比模式选择策略机制的丢包率性能

5 基于信噪比模式选择策略与缓冲区辅助模式选择策略的丢包率性能

5为基于信噪比模式选择策略与缓冲区辅助模式选择策略的丢包率性能对比。结果表明:缓冲区辅助模式策略下的丢包率比信噪比选择策略的重传机制整体更低,说明采用该机制后性能更优。同样,缓冲区长度越长,即从3增加到12以后,丢包率下降越明显。而具体到传输机制的三种重传方式时可得到同样的结论:SR的丢包率最低、PR居中、AR最次。

l  延时

6 基于信噪比模式选择策略机制的延时性能

6给出了基于信噪比模式选择策略机制下的延时性能。 结果表明,随着缓冲区长度的增加,延时也随之增加,这是因为基于信噪比模式选择策略机制的延时主要来自于队列的平均等待时间。而具体到B8的情况,三种重传方式下AR的延时最高、PR居中、SR最低。

l  反馈负载

7 基于信噪比模式选择策略机制的反馈负载性能

反馈负载可衡量不同重传方式的复杂度。为更直观的表明三种重传方式各自的复杂度,本文对B=8情况下不同重传方式的复杂度进行了对比。图7中的结果表明, AR方式的反馈负载最低为1比特/帧,SR方式的负载最高约为3比特/帧,PR方式重传的ACK/NACK已包含顺序故居中。这说明,采用后两种重传方式时,系统的复杂度升高。

4 结束语

本文针对点对点通信系统,通过发送端充分利用信道状态信息,研究对比了联合AMC/ARQ、基于信噪比和缓冲区辅助的三种传输机制。为以后系统传输机制的设计及不同情景下重传方式的选择提供了参考依据。现将主要结论归纳如下:联合AMC/ ARQ机制的丢包率在高信噪比区间高于基于信噪比和缓冲区辅助下两种策略,并且其频谱效率整体低于基于信噪比模式选择策略。同时,综合考虑数据包数目和缓冲区状态,缓冲区辅助模式选择策略能有效提升AR方式的性能但对SR方式的影响并不显著。除此之外,缓冲区长度对于每种长度下的不同指标都有影响,尽管增加该长度会提升丢包率性能,却会导致延时增大。因此在设计时,长度的增加要对两者综合考虑,折衷处理。

对具体策略下的重传方式而言,丢包率和延时方面AR最高,PR居中,SR最低;同时频谱效率和反馈负载方面AR最低,PR居中,SR最高。这说明SR方式会以增加复杂度的方法换取性能的提升。因此在实际的重传机制中,也应该考虑系统性能与复杂度的折中,根据场合所需进行选择。

参 考 文 献

[1]    Q. Liu, S. Zhou, G.B. Giannakis, Cross-layer combining of adaptive modulation and coding with truncated ARQ over wireless links, IEEE Trans. Wireless Commun. 3 (2004), pp. 1746-1755.

[2]    Hong-Chuan Yang and Sanal Sasankan.Joint AMC/ARQ Transmission in Wireless TDMA Systems and its Performance Analysis. WCNC 2006, pp. 1299-1304.

[3]    Q. Liu, S. Zhou and G. B. Giannakis.Queueing with adaptive modulation and coding over wireless links: cross-layer analysis and design.IEEE Trans. Wireless Commun. , May 2005, vol. TWC-4, no. 3, pp. 1142–1153.

[4]    A. Maaref, and S. Aissa.Combined adaptive modulation and truncated ARQ for packet data transmission in MIMO systems.IEEE Global Telecommun. Conf. (GLOBECOM’04), Dallas, Texas, November 2004, vol. 6, pp. 3818–3822.

[5]    Morteza Mardani, Jalil S. Harsini and Farshad Lahouti. Cross-Layer Link Adaptation Design for Relay Channels with Cooperative ARQ Protocol.IEEE Tran. Communi. , 2009, pp. 504-508.

作者简介:徐亚冲,男,研究生,通信与信息系统专业,主要研究方向为应急通信、卫星通信。现于中国电子科技集团公司第五十四研究所工作。



作者简介:徐亚冲(1984-),,工程师。主要研究方向:应急通信,无线通信。

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