隨著B3G的發(fā)展，協(xié)作中繼技術近年來引起廣泛關注，它通過小區(qū)內(nèi)用戶之間[1]或者用戶與固定中繼之間的協(xié)同傳輸和天線共享，形成虛擬的MIMO陣列，具有提供空間分集、克服多徑衰落、延伸覆蓋、增加系統(tǒng)容量等特點，由此成為第四代通信系統(tǒng)的關鍵技術之一。參考文獻[2]站在信息論的角度，以中斷概率和終端容量的形式，分析了中繼系統(tǒng)性能；參考文獻[3]介紹自適應中繼，根據(jù)中繼解碼結果正確與否來決定使用AF或DF中繼方式。
    目前對于鏈路層和物理層的跨層方案已經(jīng)有大量研究，跨層設計[4]的本質(zhì)思想打破了傳統(tǒng)的通信框架，以滿足通信系統(tǒng)的QoS服務要求為目的，將通信系統(tǒng)資源的狀態(tài)參數(shù)在協(xié)議層中傳遞，從而達到各個協(xié)議層的聯(lián)合設計。例如3G技術中，WCDMA的物理層中的高速下行分組接入(HSDP)業(yè)務就是一種跨層聯(lián)合優(yōu)化技術。數(shù)據(jù)鏈路層的HARQ是FEC和ARQ結合的產(chǎn)物，同時具有檢錯和糾錯功能,參考文獻[6]對TYPE-I HARQ、TYPE-II HARQ、TYPE-III HARQ三種不同類型協(xié)議進行了系統(tǒng)的分析比較。參考文獻[3]在HARQ前提下討論自適應中繼系統(tǒng)，參考文獻[5]利用狀態(tài)轉移圖討論協(xié)作中繼中HARQ性能，避免耗費時間的蒙特卡洛仿真。物理層的自適應調(diào)制編碼技術(AMC)根據(jù)信道質(zhì)量情況，選擇最合適的調(diào)制方式，產(chǎn)生不同的傳輸速率。當信道條件好時采用高階調(diào)制，得到高的峰值速率；而當用戶信道條件差時，網(wǎng)絡則選取低階調(diào)制方式來保證通信質(zhì)量。物理層AMC提供了粗糙的數(shù)據(jù)速率選擇，數(shù)據(jù)鏈路層HARQ根據(jù)信道條件對數(shù)據(jù)速率進行精細調(diào)整，涉及這兩層的跨層聯(lián)合已有討論，參考文獻[7-8]對此有深入研究，但當前大多數(shù)文獻只考慮直連通信系統(tǒng)的跨層設計，而忽略了使用固定協(xié)作中繼的協(xié)作系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)模型
    設置最基本的三節(jié)點模型：源節(jié)點、中繼節(jié)點、目的節(jié)點，分別由S、R、D來表示，S到D、S到R、R到D的信道分別為直連鏈路、用戶鏈路和中繼鏈路。
    為方便系統(tǒng)建模，根據(jù)實際情況近似，對協(xié)作中繼系統(tǒng)做以下合理假設：
    (1)為了避免在信道條件差的情況下,系統(tǒng)出現(xiàn)無效的多次重傳，設置系統(tǒng)容忍極限Tmax=4，即最大傳輸次數(shù)為4次，最大重傳次數(shù)為3次。
    (2)所有節(jié)點都工作在時分雙工模式下,發(fā)送功率都相同,目的端接收來自中繼和源的信號時不會發(fā)生碰撞。
    (3)目的端接收信號后都以廣播形式反饋ACK/NACK信號，忽略反饋時隙，并認為反饋無差錯傳輸。
    
分別為伽馬函數(shù)和不完全伽馬函數(shù)。
    使用HARQ方案的協(xié)作中繼系統(tǒng)的工作時隙，如圖1所示。

    (1)源端行為
    ①源在每個時隙以廣播的形式發(fā)送數(shù)據(jù)包到中繼端和目的端，同時將數(shù)據(jù)包存儲在存儲器中。
    ②在反饋時隙，接收來自目的端的反饋信號，接收 ACK，發(fā)送新包；接收NACK則重發(fā)存儲器中的數(shù)據(jù)包，如果此時達到最大傳輸次數(shù)，則發(fā)送新包。
    (2)中繼端行為
    ①源第一次發(fā)送時，處于監(jiān)聽狀態(tài)，接收來自源的信號。
    ②接收來自源的信號不成功，則保持監(jiān)聽狀態(tài)。
    ③成功接收來自源的數(shù)據(jù)包，在下一個時隙進入?yún)f(xié)作傳輸狀態(tài)，一旦進入?yún)f(xié)作狀態(tài)，中繼將在每次源重傳同時協(xié)作傳輸，直到目的端成功接收，或者達到最大傳輸次數(shù)Tmax。
    (3)目的端行為
    接收來自源或者中繼的數(shù)據(jù)后，以廣播形式發(fā)送 ACK/NACK信號，通知信源發(fā)送新包或者重發(fā)，一旦達到最大傳輸次數(shù)，且目的端解碼仍不成功，則丟棄此數(shù)據(jù)包，發(fā)送NACK信號，通知源(中繼接收失敗)或者源和中繼協(xié)作（中繼接收成功）發(fā)送新數(shù)據(jù)包。
1.1 三種HARQ協(xié)議
    本文分別使用I-HARQ、II-HARQ、III-HARQ三種重傳方案，它們在各個模式下的傳輸參數(shù)在表1和表2中都已給出。
    (1)I型HARQ
    結合了前向糾錯(FEC)和自動重傳請求（ARQ），同時使用糾錯檢錯碼，其原理為：首先使用信道解碼來糾正錯誤，如果信息包含的錯誤圖樣在糾錯碼范圍之內(nèi)，信息能正確譯碼，信息將傳遞給上層；如果在糾錯碼范圍之外，則信息包譯碼失敗，目的端丟棄該數(shù)據(jù)，并通知源端發(fā)送同樣的數(shù)據(jù)包，目的端接收到數(shù)據(jù)包之后，再進行糾錯檢錯，直到成功接收，或者達到最大傳輸次數(shù)。I型HARQ的信道編碼參數(shù)是預先設定的，各次傳輸?shù)木幋a方式是完全相同的，因此當信道條件好時，很少或者不需要糾錯碼，此時的糾錯位就成了信道資源的浪費，當信道條件差時，糾錯不成功幾率大大增大，重傳次數(shù)增加，系統(tǒng)性能降低。
    (2)II型HARQ
    II型HARQ有增量冗余HARQ(Incremental Redundancy HARQ)和追趕合并HARQ(Chase Combine HARQ)兩種類型。
    IR-HARQ基本原理是：在信息數(shù)據(jù)包的第一次傳輸中加入少量信道編碼比特，如果信道譯碼不能糾錯，則目的端保存這個信息數(shù)據(jù)包，同時向源發(fā)送重傳請求，而此時，重傳的信息數(shù)據(jù)包與第一次傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)包不同，重傳信息數(shù)據(jù)包是根據(jù)原始的信息數(shù)據(jù)進行信道編碼而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)比特，這些數(shù)據(jù)比特按照一定的規(guī)則在每次重傳中傳輸其中一部分。當目的端接收到這些數(shù)據(jù)包時，與保存在存儲器中的所有數(shù)據(jù)包聯(lián)合譯碼，共同糾正信息包中存在的錯誤。
    CC-HARQ與IR-HARQ相同之處在于，重傳數(shù)據(jù)包在目的端不單獨譯碼，直接合并譯碼；不同之處在于，每次重傳數(shù)據(jù)包與第一次的數(shù)據(jù)包是相同的。
    (3)III型HARQ
    彌補了II型HARQ不能自譯碼的缺點，與之相同的是都使用聯(lián)合譯碼的方式，不同之處在于III型HARQ的重傳包使用了與第一次傳輸互補刪除的數(shù)據(jù)包。

    丟包率定義為：達到最大傳輸次數(shù)，且目的端接收仍不成功的概率,因此系統(tǒng)PER為各個丟包狀態(tài)PER之和：


3 跨層聯(lián)合方案
    跨層設計機制通過各層的參數(shù)的傳遞，使協(xié)議棧能夠根據(jù)無線環(huán)境的變化實現(xiàn)對資源的自適應優(yōu)化配置，數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的跨層聯(lián)合是在滿足數(shù)據(jù)鏈路層的QoS的前提下,動態(tài)調(diào)節(jié)編碼調(diào)制方式和重傳機制，使之在多變的信道條件下滿足數(shù)據(jù)鏈路層要求。下面將詳細介紹物理層的AMC和數(shù)據(jù)鏈路層的HARQ的聯(lián)合方案。
    (1)I型HARQ、II型HARQ、III型HARQ的PER表達
    由于信道編碼使用擬合卷積編碼，所以根據(jù)參考文獻[3]得到PER的近似表達式為：

4 仿真結果
    本文設置最大傳輸次數(shù)Tmax=4,即最大重傳次數(shù)為3次，使用碼率為1/2的卷積碼作為糾錯碼，信息包中信息位為1 064 bit，使用的編碼調(diào)制方案出自802.11a以及HIPERLAN/2[10]。
    圖3、圖4、圖5中虛線部分為4種調(diào)制模式在物理層的平均PER曲線，細實線為非協(xié)作系統(tǒng)總PER曲線，粗實線為協(xié)作系統(tǒng)總PER曲線。比較相同HARQ方案下的各模式PER，模式1的丟包率最低，模式4的丟包率最高；比較相同HARQ方案下協(xié)作與非協(xié)作系統(tǒng)丟包率發(fā)現(xiàn)：無論哪種HARQ方案，協(xié)作系統(tǒng)較非協(xié)作系統(tǒng)都有比較低的丟包率，協(xié)作對于I型HARQ系統(tǒng)和II型HARQ系統(tǒng)性能改善情況相當，但改善程度不如III型HARQ系統(tǒng)；比較相同模式下的不同HARQ方案發(fā)現(xiàn)： III型HARQ系統(tǒng)普遍具有較低丟包率。

    圖6各線分別為在相同HARQ條件下，各個模式平均丟包率，實線為協(xié)作系統(tǒng)PER，虛線為非協(xié)同系統(tǒng)PER，比較相同模式丟包率曲線發(fā)現(xiàn)，協(xié)同系統(tǒng)能改善各個模式傳輸性能，且對模式1的改善最為明顯，模式4的改善情況不佳，幾乎處于重合，這是因為，模式4條件下的中繼解碼成功率相對較低，因此沒有享受到協(xié)作帶來的系統(tǒng)增益。

    本文提出了跨層設計和協(xié)作中繼相結合的方案，在DF協(xié)作中繼系統(tǒng)中實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層HARQ和物理層AMC的跨層聯(lián)合，并得到協(xié)作系統(tǒng)丟包率。為了更好地說明問題,分別使用I型HARQ、II型HARQ、III型HARQ進行跨層設計,比較各個類型下的協(xié)作系統(tǒng)PER。仿真結果表明：對于HARQ和AMC跨層聯(lián)合系統(tǒng)，協(xié)作中繼能明顯改善其丟包率。本文所有工作只基于DF中繼，對于AF中繼的場景，還有待進一步研究。
參考文獻
[1] NARASIMHAN R. Delay-limited throughput cooperative  multiple access channels with hybrid-ARQ, 2008[C].in  Proc IEEE ISIT, July 2008, Toronto, Canada:6-11.
[2] LANEMAN J N, DNC T, WORNELL G W. Cooperative diversity in wireless networks: efficient protocols and outage behavior[J]. IEEE Transactions on Information  Theory, 2004,50(12):3062-3080 .
[3] PANG K, LI Yong Hui,VUCETIC B. An improved hybrid ARQ scheme in cooperative wireless networks. 2008[C]. IEEE Vehicular Technology Conference:1-5.
[4] BAHIOUL R, BOUJEMAA H, SIALA M, Cross layer strategies in wireless networks.2009[C]. in IEEE SCS:1-5.
[5] WANG Ya Feng, ZHANG Lei, YANG Da Cheng. Performance analysis of type III HARQ with turbo codes.2003[C]. Vehicular Technology Conference, The 57th IEEE Semiannual.
[6] HOSHYAR R, TAFAZOLLI R, Performance evaluation of HARQ schemes for cooperative regenerative relaying. 2009[C]. IEEE ICC 2009:1-6.
[7] LI Chang Chun, XU Ling Ling, YUAN Dong Feng. Performance analysis and comparison of HARQ schemes in cross  layer design. 2009[C]. ChinaCOM, Fourth International Conference.
[8] WU Da Lei, SONG Ci. Cross-layer design for combining adaptive modulation and coding with hybrid ARQIWCMC06,  Vancouver,British,Columbia, Canada[C]. 2006,7(3-6):147-152．
[9] CHRISTOS K. Outage analysis of decode-and-forward relaying over nakagami-m fading channels[J]. IEEE Signal  Processing Letter,2008(15).
[10] DOUFEXI A, ARMOUR S, BUTLER M. A comparison of the HIPERLAN/2 and IEEE802.11a Wireless LAN Standards[J]. IEEE Commun., Mag., May2002,40(5):172-180.