HARQ-IR在相关莱斯衰落场景下的吞吐量最大化设计方法技术

本发明专利技术一种公开了HARQ‑IR在相关莱斯衰落场景下的吞吐量最大化设计方法，实现了存在直视路径和时间相关性条件下发送功率和传输速率的优化设计方案。该方案基本思想是利用趋近性分析结果来最大化吞吐量同时约束最大平均总发送功率，步骤如下：首先根据信道状态信息的统计特征推导趋近性中断概率；结合功率约束构建吞吐量最大化问题，利用趋近性分析结果将优化问题分解成两个子优化问题，即功率分配和速率选择；最后根据最优功率和速率选择合理的传输方案。与瑞利衰落场景相比，存在直视路径的莱斯衰落有利于提高系统性能，而相比于传统方法，采用趋近性中断概率进行优化不但降低计算复杂度，同时也不损失系统性能。

【技术实现步骤摘要】
HARQ-IR在相关莱斯衰落场景下的吞吐量最大化设计方法
本专利技术涉及无线通信
，具体涉及一种HARQ-IR在相关莱斯衰落场景下的吞吐量最大化设计方法。
技术介绍
混合自动重发请求(HARQ)是一种非常有效保障可靠性的传输技术，在各种无线通信系统中被广泛采用。近年来，HARQ技术在莱斯衰落场景下的应用已经吸引了越来越多研究人员的关注，特别是在轻阴影衰落场景下(例如购物中心、卫星/飞机对地通信)存在很强的直视路径分量。值得一提的是，当直视分量消失时，莱斯衰落信道退化为瑞利衰落信道，在相关或独立的瑞利衰落信道上的HARQ方案已被广泛研究。忽略直视路径的影响会显著高估系统性能，因此会对系统的性能和优化设计产生错误指导。对此，研究HARQ系统在莱斯衰落信道上的性能是非常必要的，也是进行HARQ系统的优化设计所不可或缺的一部分。利用有限状态信道模型，Pimentel等人研究了在莱斯衰落信道下的I类型HARQ的错误检测概率，并在此基础上检测了各种系统参数对吞吐量性能的影响。根据信息论，由于I类型HARQ与分集合并中选择合并具有相同形式的信噪比(SNR)，因此它们的性能等价，而在莱斯信道条件下对于选择合并的研究，前期文献已经进行了广泛讨论，因此这些研究成果同样适用于I类型HARQ。然而对于追加合并HARQ(HARQ-CC)和增量冗余HARQ(HARQ-IR)两种类型来说，分析这两种类型的HARQ在相关莱斯衰落信道下的系统性能时，分别会涉及到处理多个相关偏离随机变量的和以及乘积，目前来说处理这些数学问题还是有相当的难度和挑战。然而，HARQ-CC本质上是最大比合并(MRC)的应用，因此前期的研究成果也适用于HARQ-CC。但遗憾的是，已有研究领域中还没有现成的方法可用于分析一般莱斯衰落信道上的HARQ-IR的性能，唯一针对HARQ-IR的研究是基于准静态莱斯衰落信道，推导对应的中断概率和吞吐量，其中准静态衰落信道假设每次传输过程信道响应是恒定的。这种假设由于仅处理单个随机变量，显然过于简化了分析，而在广义莱斯衰落信道上对应的结论并不适用。因此有必要讨论在任意相关性莱斯衰落信道上的HARQ-IR的性能，它包含了直视分量和时间相关性的影响。根据相关莱斯信道状态信息的统计特征，本专利技术针对HARQ-IR设计一种吞吐量最大化的功率和速率优化选择方案。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种增量冗余混合自动重发请求(HARQ-IR)在相关莱斯衰落场景下的吞吐量最大化设计方法。本专利技术的目的可以通过采取如下技术方案达到：由于HARQ的性能取决于中断概率性能指标，因此首先计算HARQ-IR在相关莱斯衰落信道上的中断概率，这也是进行HARQ-IR系统优化设计必不可少的步骤。为了获得简单闭合形式的中断概率，可以渐进分析在高信噪比条件下中断概率的表达式，分析中须体现直视路径和时间相关性对中断概率的影响。基于构建的吞吐量最大化问题，结合得到的中断概率的简单闭合形式，进行最优发送功率和传输速率的求解，最后利用最佳发送功率和最优传输速率来合理选择实际中的调制和编码方案。吞吐量最大化的设计框图如图1所示，技术方案实施步骤如图2示，包括三个步骤，每个步骤具体描述如下：步骤S1、根据信道状态信息的统计特征推导趋近性中断概率；HARQ-IR在相关莱斯衰落场景下的吞吐量最大化的优化设计方案中，由于吞吐量表达式决定于中断概率，因此首先根据莱斯衰落信道状态信息的统计特征推导中断概率，可细分为以下三个步骤：S101、构建HARQ信号传输模型。根据HARQ-IR机制，每个原始信息消息首先被编码为一个长码字，然后被均分割成K个子码字，其中K表示最大可允许传输次数。满足块衰落条件下，第k个子码字xk的所有符号在传输中遭受相同衰落，第k轮所接收到的信号yk为：yk＝hkxk+nk，其中，hk表示信道响应，nk表示复加性高斯白噪声，且具有零均值和协方差矩阵即S102、构建相关莱斯衰落信道模型。hK＝(h1,...hK)表示相关莱斯衰落信道响应向量，hK服从期望向量和协方差矩阵为hL,K＝(hL,1,...,hL,K)和CK＝E((hK-hL,K)(hK-hL,K)H)＝E(hKhKH)的多变量圆对称正态分布，其中hL,K表示直视路径分量。S103、趋近性中断概率计算。当信噪比趋于无穷大时，即经过K次传输后中断概率渐进表达式可以表示为其中，Pk表示第k次传输的信号发送功率，R为预定的信号传输速率，步骤S2、构建吞吐量最大化的优化问题并求解；在相关莱斯衰落场景下最大化HARQ-IR的吞吐量方案中，衡量单次HARQ传输的吞吐量的性能指标是有效吞吐量Tg＝R(1-pout,K)。此外，在最大化吞吐量的同时，需要对最大平均发送功率进行约束以保障能量效率。通过优化发送功率和传输速率来实现吞吐量最大化，优化问题可以构建成：P1,…,PK≥0R≥0式中，pout,k表示经过k次传输后的系统中断概率，PT表示平均发送功率最大阈值，鉴于上述优化问题的特殊形式，可以将吞吐量最大化问题依次分解成最佳功率分配与最优速率选择，求解步骤如下：S201、最佳功率分配。在给定固定传输速率R，发送功率P1,…,PK的优化可以重新表述为如下的最小化约束问题：将步骤S1中获得的中断概率渐近表达式代入到上述优化问题中，最优发送功率可以表示成S202、最优速率选择。确定最佳发送功率之后，最佳发送功率均表示成传输速率函数，因此将最佳发送功率带入原始优化问题中，最后优化问题蜕变成最优速率选择，即：s.t.R≥0.其中，利用一维穷搜索可以求解最优传输速率。S203、最优速率近似闭合求解。利用Tg的上下界来降低最优传输速率的计算复杂度，具体如下：S2031、将吞吐量Tg替换为上/下界Ta(R)，当a＝L表示吞吐量下界，a＝R表示吞吐量上界。即其中，S2032、利用吞吐量上下界，可以将原始最优化问题缩放成：s.t.R≥0.S2033、吞吐量上下界所对应的最优传输速率为ψa(R)的零点，即其中，步骤S3、实际传输方案合理选择；根据最佳发送功率和最优传输速率表达式，合理选择编解码方案和自适应选择调制技术。进一步地，所述的步骤S203中所推导的有效吞吐量上下界是根据不等式所获得。进一步地，所述的步骤S203中上下界所对应的最优吞吐量与真实最优吞吐量之间满足关系为进一步地，所述的步骤S203中函数是单调递减函数，其零点唯一存在且通过二分法进行快速数值计算。进一步地，所述的步骤S2中所得到的最优吞吐量在高信噪比条件下，最优吞吐量遵循的标度定律，斜率是2-21-K。进一步地，所述的步骤S2中直视路径分量对所得到的最优吞吐量产生正面影响，而时间相关性对所得到的最优吞吐量会产生负面影响。本专利技术相对于现有技术具有如下的优点及效果：1、考虑到中断概率是最基本的性能指标，本专利技术试图对高信噪比下的中断概率进行渐近性分析。渐近中断概率的闭合形式不仅量化了直视路径和时间相关性的影响，而且其简单表达式可以分别系统的优化设计，将有助于本专利技术实现有效吞吐量最大化，其中有效吞吐量是衡量HARQ的平均吞吐量的重要指标。2、通过约束最大平均发送功率，联合选择最佳发送功率和传输速率来最大化系统吞吐量。应用分解理论，将吞吐量最本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种HARQ‑IR在相关莱斯衰落场景下的吞吐量最大化设计方法，其特征在于，所述的方法包括下列步骤：S1、根据信道状态信息的统计特征推导趋近性中断概率，包括：S101、构建HARQ信号传输模型，根据HARQ‑IR机制，每个原始信息消息首先被编码为一个长码字，然后被均分割成K个子码字，其中K表示最大可允许传输次数，满足块衰落条件下，第k个子码字xk的所有符号在传输中遭受相同衰落，第k轮所接收到的信号yk为：yk＝hkxk+nk，其中，hk表示信道响应，nk表示复加性高斯白噪声，且具有零均值和协方差矩阵

【技术特征摘要】
1.一种HARQ-IR在相关莱斯衰落场景下的吞吐量最大化设计方法，其特征在于，所述的方法包括下列步骤：S1、根据信道状态信息的统计特征推导趋近性中断概率，包括：S101、构建HARQ信号传输模型，根据HARQ-IR机制，每个原始信息消息首先被编码为一个长码字，然后被均分割成K个子码字，其中K表示最大可允许传输次数，满足块衰落条件下，第k个子码字xk的所有符号在传输中遭受相同衰落，第k轮所接收到的信号yk为：yk＝hkxk+nk，其中，hk表示信道响应，nk表示复加性高斯白噪声，且具有零均值和协方差矩阵即S102、构建相关莱斯衰落信道模型，hK＝(h1,...hK)表示相关莱斯衰落信道响应向量，hK服从期望向量和协方差矩阵为hL,K＝(hL,1,...,hL,K)和CK＝E((hK-hL,K)(hK-hL,K)H)＝E(hKhKH)的多变量圆对称正态分布，其中hL,K表示直视路径分量；S103、趋近性中断概率计算，当信噪比趋于无穷大时，即经过K次传输后中断概率渐进表达式表示为：其中，Pk表示第k次传输的信号发送功率，R为预定的信号传输速率，S2、构建吞吐量最大化的优化问题并求解；在相关莱斯衰落场景下最大化HARQ-IR的吞吐量方案中，衡量单次HARQ传输的吞吐量的性能指标是有效吞吐量Tg＝R(1-pout,K)，此外，在最大化吞吐量的同时，需要对最大平均发送功率进行约束以保障能量效率，通过优化发送功率和传输速率来实现吞吐量最大化，优化问题构建成：P1,…,PK≥0R≥0式中pout,k表示经过k次传输后的系统中断概率，PT表示平均发送功率最大阈值，将吞吐量最大化问题依次分解成最佳功率分配与最优速率选择，求解步骤如下：S201、最佳功率分配，在给定固定传输速率R，发送功率P1,…,PK的优化重新表述为如下的最小化约束问题：P1,…,PK≥0将步骤S1中获得的中断概...

【专利技术属性】
技术研发人员：施政，杨光华，陈继桐，马少丹，屈挺，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：广东,44