郭麗麗 ，汪 洋，王瑞春，管明祥

（1.深圳信息職業(yè)技術學院 電子通信技術系,廣東 深圳518029；2.大連海事大學 信息科學技術學院,遼寧 大連116026）

在無線通信網(wǎng)絡中，為了提高未來無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的性能，自適應調(diào)制AM(Adaptive Modulation)已經(jīng)被廣泛地研究。自適應調(diào)制是信號根據(jù)時變信道條件來調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)傳輸速率的一種物理層技術[1-3]。而多天線技術也是一種有效提高系統(tǒng)性能的熱門技術。多輸入多輸出MIMO(Multi-Input Multi-Output)技術可以在基站使用多個天線，利用多天線陣列提供發(fā)射分集，從而提高系統(tǒng)的性能；當發(fā)射端不需信道狀態(tài)信息，即開環(huán)MIMO系統(tǒng)，簡稱 OL-MIMO(Open Looped-MIMO)。

跨層思想利用網(wǎng)絡各層協(xié)議棧能根據(jù)無線環(huán)境的動態(tài)變化，實現(xiàn)自適應優(yōu)化配置和合理分配資源。近年來，跨層設計利用其獨特的優(yōu)勢，成為廣大學者的研究熱點[4-8]。學者研究的跨層方案眾多，其中LIU等[4]提出的開環(huán)SISO跨層方案是最實用化的一種。該方案利用物理層的自適應編碼調(diào)制技術和數(shù)據(jù)鏈路層的自動重傳請求技術，根據(jù)反饋信息適應無線信道的動態(tài)變化，自適應調(diào)制發(fā)射信號，以及自動重傳錯誤接收的數(shù)據(jù)，從而提高系統(tǒng)的頻譜效率。學者MAAREF將LIU學者提出的單發(fā)單收系統(tǒng)推廣到開環(huán)MIMO系統(tǒng),即OL-MIMO跨層系統(tǒng)[5]，并獲得更高的性能。在MIMO分集增益的作用下，系統(tǒng)獲得更高的性能，大約獲得1 dB的分集增益。

但以上兩者都是假定反饋完美信道狀態(tài)信息，但在實際通信過程中，反饋信道往往存在延時，因此，研究實際通信情況的反饋延時下的OL-MIMO系統(tǒng)性能,對加快該方案實用化進程更有意義。本文主要分析反饋延時下OL-MIMO跨層系統(tǒng)性能，并從單用戶系統(tǒng)與多用戶系統(tǒng)兩個角度討論該方案的性能。

1 系統(tǒng)模型

OL-MIMO跨層算法的模型如圖1所示。

考慮發(fā)射天線為NT≥1，接收天線為NR=1的空時分組編碼STBC(Space Time Block Code)系統(tǒng)。假定傳輸信道是慢衰落信道,接收端CRC的檢錯準確。鏈路層的ARQ控制數(shù)據(jù)包的重新傳輸，當接收端檢測數(shù)據(jù)包有錯誤，則觸動ARQ控制器，令發(fā)射端重新發(fā)射該數(shù)據(jù)包；如果正確接收，則不重傳。根據(jù)接收端估計的信道信息CSI(Channel State Information)，決定選擇適當?shù)恼{(diào)制模式n，再通過反饋信道告知發(fā)射端，令發(fā)射端按照更新的傳輸模式n進行數(shù)據(jù)發(fā)射。設數(shù)據(jù)包被丟棄的概率為Ploss；假定每一個選定的調(diào)制模式n下，其數(shù)據(jù)包錯誤概率保證不大于Pam；總共傳輸?shù)拇螖?shù)為(Narq+1)次。則Pam與Ploss有如下的關系[5]：

因此OL-MIMO跨層系統(tǒng)，必須保證包錯率PER(Packet Error Rate)的上限為目標概率Pphy。

2 延時反饋下的性能分析

本文從單用戶系統(tǒng)和多用戶系統(tǒng)兩個角度來分析OL-MIMO跨層系統(tǒng)在反饋延時下的系統(tǒng)性能。為突出重點，主要分析多用戶下的系統(tǒng)性能。多用戶MIMO系統(tǒng)中，采用最優(yōu)的貪婪調(diào)度的算法，即每時隙，基站僅與一個信道質(zhì)量最好的移動用戶進行通信，即每一時隙通信中，多用戶分集系統(tǒng)可轉(zhuǎn)為一個單用戶系統(tǒng)[5]。

基站從所有移動用戶中選擇一個通信鏈路質(zhì)量最好的用戶，則基站到該用戶鏈路的信噪比為γs=maxKγk，k∈[1,K],其中γk代表在多用戶系統(tǒng)中，第k個用戶反饋的瞬時信噪比。因此，γs的概率密度函數(shù)可以表示為[7]：

考 慮 反 饋 延 時 情 況 (ρ2＝J0(2πfdτ))[1]下 的 OL-MIMO系統(tǒng)γ的累積分布函數(shù)：多用戶OL-MIMO跨層方案中，模式n被選的概率為：

模式n的平均包錯誤率Pern為：

多用戶戶OL-MIMO系統(tǒng)的漸進性平均錯誤率Pern，可表示為：

[5]。則平均誤包率Per為：

令q=Per，系統(tǒng)頻譜效率為：

則OL-MIMO系統(tǒng)中斷概率為：

當反饋延時很小時，可將fdτ為0代入上式，即為無時延反饋下的系統(tǒng)性能。

3 仿真實驗結(jié)果

以下分別從單用戶MIMO系統(tǒng)和多用戶MIMO系統(tǒng)的角度分析OL-MIMO跨層系統(tǒng)的頻譜效率和中斷性能。仿真中，設Ploss=0.000 1，重傳次數(shù)Narq∈{0,1,3}，發(fā)射天線NT=2或 4，接收天線NR=1。

圖2和圖3分別描述了單用戶開環(huán)OL-MIMO跨層系統(tǒng)的頻譜效率和中斷概率隨歸一化延時fdτ的變化。從圖中可看出，隨著反饋延時的增加，OL-MIMO跨層系統(tǒng)的性能整體下降；但增加發(fā)射天線和最大重傳次數(shù)，在MIMO多天線分集的作用下，都能改善系統(tǒng)的頻譜效率和中斷性能。

圖4和圖5描述了多用戶下開環(huán)OL-MIMO系統(tǒng)在fdτ=0.05下的頻譜效率和中斷性能。如圖所示，當用戶數(shù)達到K=50時，系統(tǒng)的性能相對K=1時，有很明顯的改善。這是由于多用戶系統(tǒng)中，利用最優(yōu)貪婪調(diào)度算法，在多用戶分集的作用下，改善了系統(tǒng)的性能。

本文討論實際延時反饋通信環(huán)境下，分析開環(huán)OLMIMO系統(tǒng)的性能，同時結(jié)合貪婪調(diào)度的算法，將該設計方案應用到多用戶MIMO系統(tǒng)中，并推導了頻譜效率和中斷性能的表達式。在多用戶分集和多天線分集的作用下，OL-MIMO系統(tǒng)能有效地抵御反饋延時造成的系統(tǒng)性能的下降。實驗證實，該方案是一種簡單而又實用化的跨層算法。

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