水声通信中基于HARQ的链路自适应技术的研究

论文摘要

水声信道具有多径扩展、高环境噪声、带宽受限、传输时延大、起伏效应和多普勒频移大等特点,这极大地制约了水声通信系统的可靠性和有效性。FEC技术通过给数据分组增加冗余比特来进行纠错;ARQ技术通过出错重传机制来进行差错控制;HARQ技术则将FEC与ARQ相结合以提高系统传输的可靠性。自适应调制编码技术是链路自适应技术的一种,根据信道状态动态改变调制和编码方式,使得链路的误码和吞吐率性能达到最优。本文将研究这两种技术在水声通信中的应用,提升水声信道的吞吐率性能和传输的可靠性。本文首先介绍了三种HARQ技术原理,并对基于Turbo码的HARQ性能进行了研究。对Turbo码的仿真结果表明,不同MCS的误帧率性能差异明显。编码码率越低的MCS误帧率越小,同时调制阶数越高,误帧率越大。随后,本文针对时不变水声信道模型和时变的Nakagami-m水声信道衰落模型,分析了使用三种不同类型HARQ技术时水声信道期望吞吐率的计算方法。其中,在分析选择性ARQ的吞吐率性能时,本文运用马尔科夫模型进行重传过程分析,并对状态转移概率进行了研究。本文基于此期望吞吐率来进行链路自适应,使得水声信道吞吐率得到优化。仿真结果表明,对于带宽有限、时延较大的水声信道,经过自适应调制编码技术处理后的链路吞吐率性能优于固定调制编码方案的吞吐率性能;同时,增量冗余类型的吞吐率性能优于Chase合并;并且根据不同的信道状态,自适应的选择ARQ类型,能达到更高的吞吐率性能。本文还对最优吞吐率情况下的链路延时性能进行了数学分析和仿真研究。研究结果表明,水声信道的链路延时较大,并且增量冗余类型的延时性能优于Chase合并。本文还对点对点的链路模型进行扩展,分析研究HARQ技术和自适应调制编码技术在水声中继网络中的应用。本文用马尔科夫模型对中继网络的传输过程进行研究,并对其中的状态转移概率进行了分析。本文在马尔科夫过程的基础上,给出了期望吞吐率的计算模型。仿真结果表明,在单中继水声网络中,自适应调制编码技术能够克服固定调制编码方式的不足,提升链路的吞吐率性能。对最优中继节点的位置选择,本文也进行了深入讨论。研究结果表明,源节点和目的节点中间位置的中继节点具有更好的吞吐率性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 英文缩略语表
• 第一章 绪论
• 1.1 水声通信的研究现状和意义
• 1.2 HARQ 技术研究现状
• 1.3 链路自适应技术研究现状
• 1.4 中继网络研究现状
• 1.5 论文的主要工作及安排
• 第二章 HARQ 技术基本原理
• 2.1 HARQ 简介
• 2.1.1 前向纠错编码
• 2.1.2 自动重传请求协议
• 2.2 HARQ 基本类型
• 2.2.1 TypeⅠ型HARQ
• 2.2.2 TypeⅡ型HARQ
• 2.2.3 Type Ⅲ型HARQ
• 2.3 HARQ 中Turbo 码性能研究
• 2.3.1 Turbo 码的编码
• 2.3.2 Turbo 码的译码
• 2.3.3 Turbo 码性能仿真
• 2.4 本章小结
• 第三章 水声信道研究与分析
• 3.1 水声信道特性分析
• 3.1.1 严重的多径扩展
• 3.1.2 噪声模型
• 3.1.3 有限的通信带宽
• 3.1.4 传输时延
• 3.1.5 起伏效应和多普勒频移
• 3.2 时不变水声信道模型
• 3.3 水声信道时相关Nakagami-m 衰落模型
• 3.3.1 Chase 合并类型下的信道模型
• 3.3.2 增量冗余类型下的信道模型
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于HARQ 的水声信道链路自适应
• 4.1 AMC 的基本原理
• 4.2 基于期望吞吐率的链路自适应
• 4.2.1 基于期望吞吐率的AMC
• 4.2.2 基于动态ARQ 类型的链路自适应
• 4.3 时不变水声信道链路自适应
• 4.3.1 期望吞吐率和期望延时计算
• 4.3.2 基于期望吞吐率的链路自适应性能仿真
• 4.4 水声信道Nakagami-m 模型链路自适应
• 4.4.1 期望吞吐率和期望延时计算
• 4.4.2 基于期望吞吐率的链路自适应性能仿真
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于HARQ 的中继网络链路自适应
• 5.1 中继网络系统模型
• 5.2 状态转移概率和状态概率的分析
• 5.3 中继网络的自适应调制编码
• 5.4 仿真
• 5.4.1 中继网络的AMC 仿真
• 5.4.2 中继网络中的最优中继节点布局
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论及展望
• 6.1 论文主要内容总结
• 6.2 后续工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况