1、具有統(tǒng)計QoS限制的HARQ系統(tǒng) 吞吐量和能量效率分析,提 綱,研究問題及意義 HARQ現(xiàn)狀綜述 具有QoS保障的HARQ系統(tǒng)的吞吐量分析 具有QoS保障的HARQ系統(tǒng)的能量效率分析 研究結論,一、研究問題及意義,1.研究背景 （1）無線網(wǎng)絡承載的主要業(yè)務由單一的語音通信變?yōu)闊o線多媒體業(yè)務（如VoIP等）。 （2）需要提高能量效率和吞吐量等來解決通信資源（如頻率、時間、空間）有限的問題。 2.研究意義 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)的設計、通信資源的有效利用以及用戶QoS保障提供參考和指導。 3.課題來源 本文主要依托于IEEE的兩篇文章： 1Deli Qiao,

2、Mustafa Cenk Gursoy，Senem Velipasalar“The Impact of QoS Constraints on the Energy Efficiency of Fixed-Rate Wireless Transmissions” IEEE Transactions on Wireless Communications, VOL. 8, NO. 12, Dec. 2009. 2Yi Li, Mustafa Cenk Gursoy,Senem Velipasalar“On the Throughput of Hybrid-ARQ Under Statistical

3、Queuing Constraints”。IEEE Transactions on Vehicukar Technology, VOL. 64, NO. 6, Jun 2015.,二、HARQ現(xiàn)狀綜述,（一）研究發(fā)展過程,（1）二十世紀六十年代，I型HARQ首次被提出，標志著HARQ技術的誕生。 （2）Lin,S.和Yu等人提出了增量冗余HARQ(II型HARQ)。 （3）Kallel S對采用碼合并技術的II型HARQ技術進行了分析。 （4）Pal Frenger和 Pal Orten總結研究了對多碼率的打孔卷積碼. （5）Decker P提出了一種利用均衡器的自適應II型HARQ型方案。

4、（6）Onggosanusi E N、Dabak A G和Hui Y等人將HARQ與MIMO系統(tǒng)相結合，并提出兩種合并方案。,（二）前向糾錯技術（Forward Error Correction， FEC ）,優(yōu)點：無需反饋信道，直接根據(jù)編碼的冗余就能糾正一部分錯誤，也不需要發(fā)送端和接收端的配合 處理，傳輸時延小，效率高，控制電路也比較簡單。 缺點：糾錯碼比檢錯碼的編碼冗余大，編碼效率低，譯碼復雜度大，并且如果誤碼在糾錯碼的糾錯 能力以外就只能把錯誤的碼組傳給用戶。,（三）自動重傳請求技術（Automatic Repeat Request， ARQ ）,優(yōu)點：1、監(jiān)督碼元較少即能使誤碼率降到很

5、低（即碼率較高） 2、檢錯的計算復雜度較低 3、檢錯用的編碼方法和加性干擾的統(tǒng)計特性基本無關，能適應不同特性的信道 缺點：1、ARQ系統(tǒng)需要雙向信道來重發(fā)，并且因為重發(fā)而使ARQ系統(tǒng)的傳輸效率降低 2、在信道干擾嚴重時，可能發(fā)生因不斷反復重發(fā)而造成事實上的通信中斷 3、ARQ技術由于重發(fā)控制難以實現(xiàn)，因此不能用于一點到多點的通信系統(tǒng),（三）混合自動重傳請求技術（Hybrid Automatic Repeat Request， HARQ ）,1、HARQ系統(tǒng)原理框圖：,2、HARQ實現(xiàn)過程：,（三）混合自動重傳請求技術（Hybrid Automatic Repeat Request， HARQ

6、）,3、HARQ重傳機制,停止等待型（SAW）,回退N步型（GBN）,選擇重傳型（SR）,（三）混合自動重傳請求技術（Hybrid Automatic Repeat Request， HARQ ）,4、三種類型的HARQ比較,HARQ-CC,HARQ-IR,三、具有QoS保障的HARQ系統(tǒng)的吞吐量分析,（一）、信道模型 采用點對點的無線通信塊衰落信道，并假設傳輸只發(fā)生在塊間。 （二）、有效容量 查閱文獻可知，當發(fā)送端的傳輸速率趨近于無窮時，系統(tǒng)的吞吐量接近于各態(tài)歷經(jīng)容量，因此在本文中認為系統(tǒng)的有效容量就是系統(tǒng)的吞吐量。根據(jù)香農(nóng)公式有：,在HARQ-IR中，當傳輸速率R滿足如下公式時，接收端可以

7、在第M個子塊后對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀進行解碼：,在HARQ-CC中，當傳輸速率R滿足如下公式時，接收端可以在第M個子塊后對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀進行解碼：,圖1 不同HARQ重傳機制中有效容量和傳輸速率的關系,如圖1所示，可以發(fā)現(xiàn)： 1.仿真效果和利用公式計算出的效果一致 2.有效容量的一階展開式能夠準確的表征 HARQ-CC和HARQ-IR系統(tǒng)的吞吐量 3.HARQ-IR的吞吐量隨著的不斷增大而增大， 但是HARQ-CC的吞吐量卻是先增大再減小 至零，HARQ-IR重傳機制的性能較HARQ- CC重傳機制的性能好,圖2 不同QoS限制下HARQ-IR有效容量和傳輸速率的關系,如圖2所示，可以發(fā)現(xiàn)：QoS指數(shù)

8、越大（也就是說服務質量限制越強），吞吐量越低；也就是說，當QoS指數(shù) 增大時，要達到相同的吞吐量就需要更高的傳輸速率。,（三）、硬時延約束,對于傳輸時間T有 ，此時如果 則會發(fā)生數(shù)據(jù)過期，進行新數(shù)據(jù)的傳輸。在這種情況下，系統(tǒng)就會在QoS和硬時延的約束下運行，并且其有效容量滿足公式（3）：,圖3 硬時延約束對HARQ-IR有效容量的影響,如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)： 硬時延約束加強時，存在一個最優(yōu)值可以使得吞吐量達到最大，當大于該值時，吞吐量逐漸降低。 在沒有硬時延約束的情況下，吞吐量隨著傳輸速率的增大而單調遞增，并且越來越大。,四、具有QoS保障的HARQ系統(tǒng)的能量效率分析,（一）、狀態(tài)轉換模型 假

9、設發(fā)送端以恒定速率R位/秒進行發(fā)送數(shù)據(jù)。由R與C之間的關系確定信道的狀態(tài)。,圖4 狀態(tài)轉換模型,（二）、有效容量、頻譜效率和單位能量,查閱文獻可知，理解理解能量效率的關鍵就是研究歸一化的有效容量（也就是頻譜效率）和單位能量的折中。并且這個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。 對于一個存在統(tǒng)計QoS限制的HARQ系統(tǒng)來說，由幀持續(xù)時間和帶寬歸一化的有效容量（頻譜效率）為：,RC,R=C,零頻譜效率下的單位能量為：,寬帶寬斜率為：,零頻譜效率下的單位能量和寬帶寬斜率提供了頻譜效率曲線在低頻譜效率時的線性近似表示：,當 是一個關于SNR的非減凹函數(shù)時，單位能量隨著頻譜效率的降低而降

10、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，此時，能量效率最大。,（三）、稀疏多徑衰落寬帶寬下的能量效率,其中 滿足：,假設采用帶寬很寬的信道，并且將該信道分為N個相互獨立的平行信道，則本章第二節(jié)的公式及結論都可以應用于本節(jié)。根據(jù)信息論的知識可以得到：,圖5 瑞利信道中頻譜效率和單位能量的曲線圖,從圖中可以看出，零頻譜效率下的單位能量就是最小單位能量，并且，當頻譜效率非零時，QoS限制越強，導致最小單位能量越大，能量效率降低。,圖6 Nakagami-m信道中頻譜效率和單位能量的曲線圖,從圖中可以看出，當m增大時，信道環(huán)境變好，最小單位能量降低，寬帶寬斜率增大，提升了整體的

11、能量效率，但是頻譜效率在降低。當頻譜效率非零時，QoS限制越強，導致最小單位能量越大。,（四）、低功率條件下的能量效率,假設信道帶寬保持恒定，則當平均功率減少時，信噪比降低，則第二節(jié)中所述的公式及結論都適用本節(jié)所采用的信道。根據(jù)信息論及統(tǒng)計概率可以得到:,其中 是歸一化的QoS，且 滿足：,從圖中可以看出： 1.零頻譜效率下的單位能量就是最小單位能量， 并且所有情況下的最小單位能量都相等，且等 于沒有QoS限制時的最小單位能量。 2.隨著QoS的增大，寬帶寬斜率會隨著減小，但 是非零頻譜效率對應所需的單位能量卻在增大。,圖4-5 瑞利信道中頻譜效率和單位能量的曲線圖,圖4-6 Nakagami

12、-m信道中頻譜效率和單位能量的曲線圖,從圖中可以看出，當m增大時，信道環(huán)境變好，所需的最小單位能量降低。,五、研究結論,當QoS限制增強時，系統(tǒng)的吞吐量和能量效率都會降低。 在沒有硬時延約束的情況下，隨著傳輸速率的增加，HARQ-IR的吞吐量會逐漸增加并接近于某一個值，而HARQ-CC的吞吐量則會先增加到某一最大值然后再減小至零。存在硬時延約束的情況下，隨著硬時延約束的增強，系統(tǒng)的吞吐量在降低?？傮w來說HARQ-IR的性能較HARQ-CC的性能好。 零頻譜效率下的單位能量就是最小單位能量，并且所有的情況下的最小單位能量都相等，且等于沒有QoS限制時的最小單位能量。,部分程序代碼,for k=0

13、:3 p=0; for R=0:0.1:23 i=1; A=log2(1+6*(normrnd(0,1)2); M=1; T=0; p=p+1; for n=0:0.1:100 A=log2(1+6*(normrnd(0,1)2); M=1; while R=A A=A+log2(1+6*(normrnd(0,1)2); M=M+1; end T(i)=M; i=i+1; end mu1=mean(T); sigma2=var(T); y=R/mu1-(R2*sigma2/(2*mu13)*theta; Ce(p)=y; end,for R=0:35 i=1; A=log2(1+6*(normrnd