随着B3G的发展，协作中继技术近年来引起广泛关注，它通过小区内用户之间[1]或者用户与固定中继之间的协同传输和天线共享，形成虚拟的MIMO阵列，具有提供空间分集、克服多径衰落、延伸覆盖、增加系统容量等特点，由此成为第四代通信系统的关键技术之一。参考文献[2]站在信息论的角度，以中断概率和终端容量的形式，分析了中继系统性能；参考文献[3]介绍自适应中继，根据中继解码结果正确与否来决定使用AF或DF中继方式。
目前对于链路层和物理层的跨层方案已经有大量研究，跨层设计[4]的本质思想打破了传统的通信框架，以满足通信系统的QoS服务要求为目的，将通信系统资源的状态参数在协议层中传递，从而达到各个协议层的联合设计。例如3G技术中，WCDMA的物理层中的高速下行分组接入(HSDP)业务就是一种跨层联合优化技术。数据链路层的HARQ是FEC和ARQ结合的产物，同时具有检错和纠错功能,参考文献[6]对TYPE-I HARQ、TYPE-II HARQ、TYPE-III HARQ三种不同类型协议进行了系统的分析比较。参考文献[3]在HARQ前提下讨论自适应中继系统，参考文献[5]利用状态转移图讨论协作中继中HARQ性能，避免耗费时间的蒙特卡洛仿真。物理层的自适应调制编码技术(AMC)根据信道质量情况，选择最合适的调制方式，产生不同的传输速率。当信道条件好时采用高阶调制，得到高的峰值速率；而当用户信道条件差时，网络则选取低阶调制方式来保证通信质量。物理层AMC提供了粗糙的数据速率选择，数据链路层HARQ根据信道条件对数据速率进行精细调整，涉及这两层的跨层联合已有讨论，参考文献[7-8]对此有深入研究，但当前大多数文献只考虑直连通信系统的跨层设计，而忽略了使用固定协作中继的协作系统。
1 系统模型
设置最基本的三节点模型：源节点、中继节点、目的节点，分别由S、R、D来表示，S到D、S到R、R到D的信道分别为直连链路、用户链路和中继链路。
为方便系统建模，根据实际情况近似，对协作中继系统做以下合理假设：
(1)为了避免在信道条件差的情况下,系统出现无效的多次重传，设置系统容忍极限Tmax=4，即最大传输次数为4次，最大重传次数为3次。
(2)所有节点都工作在时分双工模式下,发送功率都相同,目的端接收来自中继和源的信号时不会发生碰撞。
(3)目的端接收信号后都以广播形式反馈ACK/NACK信号，忽略反馈时隙，并认为反馈无差错传输。

分别为伽马函数和不完全伽马函数。
使用HARQ方案的协作中继系统的工作时隙，如图1所示。

(1)源端行为
①源在每个时隙以广播的形式发送数据包到中继端和目的端，同时将数据包存储在存储器中。
②在反馈时隙，接收来自目的端的反馈信号，接收 ACK，发送新包；接收NACK则重发存储器中的数据包，如果此时达到最大传输次数，则发送新包。
(2)中继端行为
①源第一次发送时，处于监听状态，接收来自源的信号。
②接收来自源的信号不成功，则保持监听状态。
③成功接收来自源的数据包，在下一个时隙进入协作传输状态，一旦进入协作状态，中继将在每次源重传同时协作传输，直到目的端成功接收，或者达到最大传输次数Tmax。
(3)目的端行为
接收来自源或者中继的数据后，以广播形式发送 ACK/NACK信号，通知信源发送新包或者重发，一旦达到最大传输次数，且目的端解码仍不成功，则丢弃此数据包，发送NACK信号，通知源(中继接收失败)或者源和中继协作（中继接收成功）发送新数据包。
1.1 三种HARQ协议
本文分别使用I-HARQ、II-HARQ、III-HARQ三种重传方案，它们在各个模式下的传输参数在表1和表2中都已给出。
(1)I型HARQ
结合了前向纠错(FEC)和自动重传请求（ARQ），同时使用纠错检错码，其原理为：首先使用信道解码来纠正错误，如果信息包含的错误图样在纠错码范围之内，信息能正确译码，信息将传递给上层；如果在纠错码范围之外，则信息包译码失败，目的端丢弃该数据，并通知源端发送同样的数据包，目的端接收到数据包之后，再进行纠错检错，直到成功接收，或者达到最大传输次数。I型HARQ的信道编码参数是预先设定的，各次传输的编码方式是完全相同的，因此当信道条件好时，很少或者不需要纠错码，此时的纠错位就成了信道资源的浪费，当信道条件差时，纠错不成功几率大大增大，重传次数增加，系统性能降低。
(2)II型HARQ
II型HARQ有增量冗余HARQ(Incremental Redundancy HARQ)和追赶合并HARQ(Chase Combine HARQ)两种类型。
IR-HARQ基本原理是：在信息数据包的第一次传输中加入少量信道编码比特，如果信道译码不能纠错，则目的端保存这个信息数据包，同时向源发送重传请求，而此时，重传的信息数据包与第一次传输的信息数据包不同，重传信息数据包是根据原始的信息数据进行信道编码而产生的数据比特，这些数据比特按照一定的规则在每次重传中传输其中一部分。当目的端接收到这些数据包时，与保存在存储器中的所有数据包联合译码，共同纠正信息包中存在的错误。
CC-HARQ与IR-HARQ相同之处在于，重传数据包在目的端不单独译码，直接合并译码；不同之处在于，每次重传数据包与第一次的数据包是相同的。
(3)III型HARQ
弥补了II型HARQ不能自译码的缺点，与之相同的是都使用联合译码的方式，不同之处在于III型HARQ的重传包使用了与第一次传输互补删除的数据包。

丢包率定义为：达到最大传输次数，且目的端接收仍不成功的概率,因此系统PER为各个丢包状态PER之和：


3 跨层联合方案
跨层设计机制通过各层的参数的传递，使协议栈能够根据无线环境的变化实现对资源的自适应优化配置，数据链路层和物理层的跨层联合是在满足数据链路层的QoS的前提下,动态调节编码调制方式和重传机制，使之在多变的信道条件下满足数据链路层要求。下面将详细介绍物理层的AMC和数据链路层的HARQ的联合方案。
(1)I型HARQ、II型HARQ、III型HARQ的PER表达
由于信道编码使用拟合卷积编码，所以根据参考文献[3]得到PER的近似表达式为：

4 仿真结果
本文设置最大传输次数Tmax=4,即最大重传次数为3次，使用码率为1/2的卷积码作为纠错码，信息包中信息位为1 064 bit，使用的编码调制方案出自802.11a以及HIPERLAN/2[10]。
图3、图4、图5中虚线部分为4种调制模式在物理层的平均PER曲线，细实线为非协作系统总PER曲线，粗实线为协作系统总PER曲线。比较相同HARQ方案下的各模式PER，模式1的丢包率最低，模式4的丢包率最高；比较相同HARQ方案下协作与非协作系统丢包率发现：无论哪种HARQ方案，协作系统较非协作系统都有比较低的丢包率，协作对于I型HARQ系统和II型HARQ系统性能改善情况相当，但改善程度不如III型HARQ系统；比较相同模式下的不同HARQ方案发现： III型HARQ系统普遍具有较低丢包率。

图6各线分别为在相同HARQ条件下，各个模式平均丢包率，实线为协作系统PER，虚线为非协同系统PER，比较相同模式丢包率曲线发现，协同系统能改善各个模式传输性能，且对模式1的改善最为明显，模式4的改善情况不佳，几乎处于重合，这是因为，模式4条件下的中继解码成功率相对较低，因此没有享受到协作带来的系统增益。

本文提出了跨层设计和协作中继相结合的方案，在DF协作中继系统中实现数据链路层HARQ和物理层AMC的跨层联合，并得到协作系统丢包率。为了更好地说明问题,分别使用I型HARQ、II型HARQ、III型HARQ进行跨层设计,比较各个类型下的协作系统PER。仿真结果表明：对于HARQ和AMC跨层联合系统，协作中继能明显改善其丢包率。本文所有工作只基于DF中继，对于AF中继的场景，还有待进一步研究。
参考文献
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