双向中继通信中基于统计qos保障之跨层整改与设计

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1、双向中继通信中基于统计QoS保障之跨层整改与设计第一章绪论1.1引言随着计算机、通信技术的不断发展，通信网络在人们的工作、生活中发挥着越来越大的作用。从1978年诞生的第一代模拟蜂窝通信系统，到上个世纪90年代以及本世纪初的的第二代与第三代移动通信系统，再到目前在全球推广的第四代移动通信系统，通信行业已经进入无线时代。无线网络相对于有线网络，有着高移动性、成本低等优势，但也具有传输速率低、稳定性差等劣势。在无线通信网络用户数量急剧增加、业务需求爆炸式增长的同时，用户对传输速率和稳定性的要求也不断

2、提高，导致有限的无线资源与不断提高的服务质量要求之间的矛盾日益尖锐。因此，如何提高无线网络资源的利用率、优化网络服务、提高数据传输速率、提高无线通信的可靠性与整体性能，成为无线通信领域需要研究与解决的重要课题。然而，无线移动通信网络中存在着多径效应、阴影衰落、用户移动性、无线带宽受限等多种不利因素的限制，再加上通信业务流本身的复杂特性，使得无线通信的研究也面临着诸多挑战。无线分集技术的提出，包括空间分集、时间分集、频率分集、角度分集和极化分集等，能够帮助我们面对与解决这些挑战，因而受到广泛重视。

3、诸如正交频分复用的频率分集技术、多输入多输出的空间分集技术的出现，极大地促进了无线通信技术的研究与应用，成为过去十年通信行业迅猛发展的核心推动力。近年来，协作分集技术得到越来越多的关注，其利用不同通信单元间的合作来提高网络的总体性能，将成为未来大规模网络（如网络、无线传感器网络）应用中的重要组成部分。1.2课题背景无线通信的爆炸式发展将我们引入了一个崭新的时代，我们对高速率通信、多样的服务质量保障的要求越来越高。实时的应用，如对时延极其敏感的网络、多媒体视频等，都需要可靠的传输保障。与传统有线网

4、络通过分层独立设计（如图所示）来实现服务质量保障不同的是，无线网络各层之间存在强烈的互联，从而分层的设计与优化方法变得不再有效。因此，仅仅集中于物理层的设计不能保证来自上层的服务需求，只有通过不同层级之间的相互作用及优化才能够实现。于是，打破传统分层的跨层设计方法应运而生，这样的跨层设计方法将原本割裂的网络各层作为统一的整体，同时充分利用各层之间的交互信息，进行无线网络的整体设计、分析、优化和控制。这种跨层方法极大地简化了层间结构，能够带来显著的性能提升，但同时也将导致优化复杂度的剧增。因此，如

5、何设计有效的跨层方法，以保证较小的层间信息流，无论从理论或实际方面来考虑都显得十分重要。近年来，协作分集技术受到广泛的关注，而其中中继辅助的协作通信更是成为研究热点。作为不同于信源与信宿的系统重要组成部分，中继改善了信源与信宿之间的信道质量，提高了通信传输速率，从而提高了通信系统的可靠性。然而，由于实际系统中的半双工限制（即同一时间只能接收或者发送信息），传统的中继协作通信存在极大的频谱效率损失。而物理层网络编码（）的提出，使中继系统吞吐量的提高成为可能。将物理层网络编码应用于双向中继（）系统中

6、，可以克服半双工限制，相比于传统的单向中继所需要的四个时隙，通过中继完成一对节点间的信息交换减少为两个或三个时隙，从而极大提高了系统的频谱效率。第二章双向中继通信系统及物理层网络编码2.1双向中继通信系统模型双向中继模型包含三个部分，如图所示，两个相互传递信息的终端用户A、B，以及一个位于两个用户中间、用于辅助传输的中继R。由于物理上的隔离以及发送功率的限制，A、B间的信道不足以支撑两用户的可靠通信。中继的使用，扩大了用户A、B各自的传输范围，补偿了A、B两用户间信道阻碍所带来的损失，从而实现更

7、高质量的双向通信。考虑到现实环境中，无线通信节点难以消除来自自身传输信号的强干扰，无线通信系统中所有节点都工作于半双工状态，即同一时间只能接收或者发送信息。由于中继工作的半双工状态，因此传统设计中，完成一次A、B之间的双向通信需要4个时隙，即A→R,R→B,B→R,R→A（如图所示），导致信道的吞吐量与频谱效率大大降低。2.2物理层网络编码2000年首次提出网络编码的概念，把编码和路由有机结合起来，构建了一个全新的网络结构体系。网络编码的核心思想是在网络中

8、的各个节点上对各条信道上收到的信息进行线性或者非线性的处理再转发给下游节点，如所示。由于中间节点重新处理了接收信号，并保证目标节点能够恢复出这些处理后的信息，从而可以在理论上证明该方式能够实现网络的最大流传输，以较小的编译码的冗余度的代价，有效地提高网络吞吐量，增强中继传输性能。网络编码的本质，就是利用网络中各节点的计算能力来改进链路的带宽利用率。根据网络编码的思想，和等人提出了物理层网络编码，通过中继节点选择适当的调制、解调技术，将相互叠加的电磁信号映射为相应数字比特流，充分利用干扰使其变成网