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空时分组编码的跨层自适应调制编码设计MIMO-OFDM系统
张俪，利兹大学电子与电气工程学院，利兹，LS2 9JT，英国
魏恒，移动通信国家重点实验室，东南大学，南京210096，中国
摘要
本文提出了一种空时分组编码（STBC）MIMO-OFDM系统的跨层自适应调制编码（AMC）设计方案，将物理层的AMC与数据链路层的自动重传请求（ARQ）协议相结合，以最大限度地提高频谱效率。特定延迟和分组错误率（PER）约束。为了充分利用OFDM系统，对每个子载波的传输模式逐帧更新以匹配时变信道条件。所提出的跨层AMC设计也与STBC结合以进一步提高系统性能。数值结果表明，在数据链路层的重传减轻了物理层上严格的差错控制要求，从而允许更高的数据速率传输。结果表明，与传统的AMC相比，这种跨层设计在没有跨层设计的情况下已经获得了相当大的频谱效率增益。注意，增加重传的最大数目超过一个对频谱效率几乎没有影响，并且将导致较长的系统延迟。这表明在STBC MIMO-OFDM系统中频谱效率和延迟之间的理想折衷是通过少量的重传实现的。
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关键词：自适应调制编码（AMC）自动重复请求（ARQ） 多输入多输出 跨层设计
1.简介
正交频分复用（OFDM）技术引起了人们的广泛关注。
由于其抗射频干扰能力而备受关注，高光谱效率，低多径失真简化的均衡。它已经成为数字的基础。音频广播（DAB）和数字视频广播（DVB）标准，已成为当前无线局域网IEEE 802.11a采用和802.11g（WiFi）标准[ 1 ]。OFDM可以与在发射机和接收机上增加带宽的天线阵列利用多径信号传播的效率和/或健壮性，产生多输入多输出（MIMO）配置。MIMO技术现在在新的IEEE中使用。802.11n标准，肯定也在即将发生802.16e和3GPP LTE标准。MIMO与OFDM已经成为未来高数据速率的理想选择。无线通信实现高容量高没有过多的复杂度均衡的鲁棒性，从而已经提出WiFi、WiMax和4G通信。系统[ 2 ]。多天线方案是时空块编码（STBC）[ 3 ]，已被证明是有效的提高通信系统的可靠性。此外，链路适配对于维持可靠的通信是至关重要的。最大限度地提高通信系统的吞吐量。适应预定传播信道的发射机设计能够提高性能和通信速率。链接。注意，ofdm的优点是每个信道是相对窄的，可以认为是平坦衰落。然而，这是完全可能的，一个给定的子信道增益低，导致大的误码率。因此，链路自适应每载波执行的载波技术能够接收有比较好的表现，子信道的优势。自适应调制编码（AMC）是一种有效的增强方法。OFDM系统频谱效率的研究广泛和提倡在物理层，以配合变速率随时间变化的信道条件[ 4 - 9 ]。随着将调制和编码格式更改为匹配当前接收的信号质量或信道条件。在上下文宽带无线通信中，许多自适应多天线已经提出了MIMO和ofdm的方案。系统[ 10 - 16 ]，其中AMC通常是执行到最小化误码率或最大化吞吐量。在[ 10 ]中，例如，确定最佳调制星座的大小。基于误码率约束。自适应调制方案[ 11 - 15 ]中的自适应调制方案基于目标BER约束来确定跨子载波的调制星座的最佳选择。在不浪费功率或牺牲误码的情况下实现的。[ 16 ]提议选择传输的传输信道控制方案参数（发射天线、调制方法和编码）速率）使用瞬时的自适应ofdm - ofdm系统吞吐量最大化准则和最佳AMC集被选中基于接收信噪比。上述方法已证明是有效的，以提高净吞吐量或BER。然而,在所有这些贡献中，AMC是在物理层设计的，并且它们都没有考虑到不同层之间的跨层交互。注意，为了在物理层实现高可靠性，一必须使用较小的星座，或强大的低利率。差错控制编码，这两种方法都降低了传输速率。[ 18 ]提出使用自动重复请求（ARQ）协议在数据链路层，它要求重传的那些在错误中接收的包，除了减少信道衰落之外物理层的前向纠错编码（FEC）。它已被验证了ARQ在提高系统吞吐量方面的有效性。相对于单独使用FEC。刘和周（17）已经证明了。将AMC的设计与物理层和ARQ结合起来在数据链路层提供了可观的频谱效率增益。过度考虑他们在两个不同的层分开。凯勒和半藏[ 19 ]和Van Der Schaar [ 20 ]也证明了通过联合优化来显著提高吞吐量层.因此，要充分利用有限的光谱资源。有效地，优化整个系统是更明智的。单层的。然而，[ 17,19,20 ]没有考虑多输入多输出ofdm系统的跨层设计。[ 21 ]考虑到物理层数据速率与误码的耦合MIMO系统中介质接入层（mac）的速率。然而，他们的重点是提高能源效率的环节—在实际操作条件下的效率。在[ 22 ]中，一个跨层优化的方法，提出了这样一种方式在物理上执行自适应比特和功率分配。与数据链路层中的调度一起工作。因此，到目前为止，还没有文献能充分利用为了最大化，执行AMC的跨层交互多输入多输出ofdm系统的频谱效率。在本文中，ARQ协议被认为是在数据链路层减轻物理上严格的错误控制要求层。而且，而不是在物理层考虑AMC。分别在数据链路层的ARQ，这两个层相结合。最大限度地提高MIMO系统的频谱效率。这个在[ 17 ]中提出的方法被用作跨层的基础。设计：AMC是为了保证所需的性能而设计的。根据ARQ的纠错能力。具体而言，根据信道条件和数据链路层的相应PER动态选择每个子载波的最优调制和编码模式。本文提出的传输结构也将这种跨层AMC方案与STBC空时分组码结合起来，进一步提高了误码率性能。进一步提高误码率性能。因此，在天线上发送之前，自适应调制的输出码元然后在每个副载波内进行空时块编码。数字的结果显示了相当大的速度提高的建议期望时延下AMC的跨层AMC方案错误性能约束。本文的其余部分安排如下。在第2节中，我们介绍系统模型。第3节介绍跨层设计。它将物理层上的AMC与ARQ结合在一起。数据链路层。在第4节中，我们给出了仿真结果。最后，第5节总结了论文。
2.系统描述
我们考虑一个具有两个发射天线的MIMO ofdm系统。和两个接收天线。子载波总数为N. Per每个子载波，我们部署所建议的跨层连接ARQ设计。自适应调制输出符号是发射前在每个副载波内编码的空时块在天线上。所提出的自适应MIMO和ofdm结合的原理图空时码如图1所示。它由一个AMC模块组成。物理层和数据链路层的ARQ模块。处理数据链路层的单元是一个数据包。在物理层，如图1所示，来自数据链路层的数据分组，循环冗余校验（CRC）编码被发送到turbo编码器。在发送到传输缓冲区之前。对于每个子载波，调制选择器选择调制和编码方式。基于接收端获得的信道估计。选定通过反馈将模式发送回AMC模块。通道（如图1中虚线所示）来更新调制在每个子载波上使用的方案和编码速率。发射机。通过这种方式，不同的调制和编码方案。在AMC过程中用于不同的子载波。OFDM系统的优点。自适应调制信号然后在使用Alamouti空时编码算法[ 23 ]OFDM调制后多天线发射。Alamouti的方案具有全分集增益和低复杂解码，编码矩阵表示为 （1）其中X1和x2是映射到的两个连续信号。两个发射天线。编码输出是从两个连续传输周期（列）中的两个天线（行）。在数据链路层，实现了ARQ协议。如果一个在包中检测到错误，生成重传请求。通过ARQ生成器；否则，就不会生成请求。这个重传请求通过一个发送回发射机。反馈通道（图1中虚线）并激活重发所请求的包，它被存储在缓冲区中。在接收端，经过FFT，实现了相干解调和最大似然译码。解码信息位被映射到数据包并发送给CRC。数据链路层的解码器。如果没有检测到错误分组，确认（ACK）消息被发送回发送器和发送下一个数据包；否则，一个no-acknowledgement（NAK）信息反馈重传请求是由ARQ生成器生成的。这个请求被送回到发射机（缓冲区）和数据包转发到正确接收或转发的数量达到最大。
3.MIMO中的跨层联合AMC与ARQ设计系统
在本文中，我们使用了跨层设计方法。在[ 17 ]中，将AMC与物理层和数据链路层的ARQ。编码调制方案在n个OFDM载波中选择所提出的AMC链路自适应。按承运人规定的承运人政策。在物理层，传输是按帧执行的。框架。每个帧包含一个固定数量的符号。使用不同的传输模式导致不同的光谱效率。我们考虑五个未编码传输方式：无传输，BPSK，QPSK，64-QAM和；五turbocoded传输方式：无传输，turbo编码率1/3与QPSK，turbo编码率1/2与QPSK，turbo编码率采用16-QAM和Turbo编码的16-QAM率1/2 1/3。 设M表示可用传输模式的总数，则M = 4。 如表1和表2所示，模式索引是m = 0，...，M，并且数据速率随着上行模式索引m而增加，其表示所有可用的未编码和编码传输模式的数据速率。
众所周知，系统只能容忍有限的延迟和缓冲区。大小的实践，因此只有有限数量的重发是允许的。定义最大重发次数为。换句话说，到重发应预留在数据链路层，如果接收到数据包就会被删除。在错误的R重发。服务质量要求在丢包概率r重传不应大于普洛斯。需要注意的是，两个R和普洛斯可源自感兴趣的应用程序所需的服务质量。我们的目标是在物理层设计一个最佳AMC。借助于数据链路层的ARQ来匹配每个子载波。时变信道条件，以最大化吞吐量。在时延约束和系统整体性能的约束下由普洛斯。假设瞬时每个被保证没有大于P0在每个子载波的传输模式。然后，每在数据链路层后的重传是没有更大的比。很容易推断出这使得然后，我们可以定义每个目标，即从（3）的瞬时单位的上界为显然，取决于系统对错误性能和延迟的要求。然后对AMC算法的目标可以描述为：通过动态选择最佳的调制和编码方案，在每个子载波的传输最大化频谱效率，根据延迟约束（即重传不大于数r）和误码率性能给出了（4）（即瞬时每不超过上限，）。
对于OFDM传输，所选择的传输模式的瞬时每一个都可以由接收到的信噪比c决定，因此我们可以使用所接收的SNR来选择传输模式。在[ 24 ]中，我们将整个信噪比范围为M 1个非重叠的连续区间，表示这些区域的边界。 区域边界定义为最小信噪比，要求确保，从而可以使用模式m。也就是说，每个SNR区域对应于一个传输模式，即如果，副载波以模式传输。注意，当时，将不选择传输。
这些边界点封装了错误率性能和延迟。确定了它们的价值之后，然后，我们可以为每个副载波选择最佳的传输模式。根据接收到的信号质量。计算边界点将分别讨论未编码和编码传输如下。
3.1. 未编码传输
图2示出了表1中列出的五个未编码传输模式的SNR分区，该模拟模式使用STBC MIMO -OFDM系统的模拟PER。图2是为了说明边界点被定义为达到所需的最小SNR。AWGN上未编码M-QAM传输的精确接收信道可在[25]中使用，但以相当繁琐的形式存在。为了简化AMC的设计，这里使用了近似PER表达式，如[17，24，26，27 ]中所做的。对于每个副载波，发送模式M的PER表示为
其中m（）是传输模式的索引，而是每个子载波上的接收SNR。、和是模式M的模式相关参数，可以使用MMSE（最小均方误差）估计（5）中的PER来拟合近似到在[25]中给出的确切PER表达式。在分组长度为L＝1080比特的情况下，预先计算并在表3中给出这些参数的值。注意，传输模式的边界点是在传输模式M＝0、hellip;hellip;、M中满足所需的最小SNR.在（4）中给出了,可由（5）算出。在一些代数之后，我们得到如下[ 17 ]
如果我们选择模式m，当，所提出的AMC将最大限度地提高频谱效率，同时保持所需的性能。
3.2.编码传输
对于Turbo编码的STBC MIMO-OFDM，精确闭式PER不可用。因此，我们使用蒙特卡洛模拟评估不同编码和调制的PER性能在AWGN信道上的模式，并将总信噪比范围划分为M 1不重叠的连续间隔，如我们所做的未编码的情况。对于每个传输模式，需要最小SNR实现是切换到该模式的边界点，因此每个曲线与的交点是所需的切换边界。图3用Turbo编码的STBC MIMO-OFDM系统的模拟PER说明了这五种传输模式的SNR分区，其中Turbo码的块长度是1024位，使用＝0.01的例子来说明。这样，获得了不同和的开关边界，并在表4中给出。对于未编码和编码传输，在确定信噪比区域及其边界点之后，当时，AMC可采用模式M按每一子载波逐帧操作；
综上所述，MIMO -OFDM系统的跨层AMC算法可以描述为
（1）给定的延迟，确定
（2）给定系统所需的链接层数据包丢失概率，即，以及指定的并且使用（4）确定。
（3）对于指定的，获得信噪比区域边界对于传输模式m＝0，hellip;，M使用（6）未编码传输；或使用表4进行Turbo编码传输。
（4）为每一帧以及通过使用（7）中AMC基于接收SNR 的
每个副载波选择最佳传输方案。
（5）重传数据包直到收到正确的数据或重发次数达到。
这样，跨层AMC算法可以最大化MIMO-OFDM系统的频谱效率每个子载波的最佳传输模式匹配时变信道条件，同时保持具有可容忍延迟的PER性能。
4.总结
在本文中，我们开发了一种跨层AMC方案。空时分组编码MIMO-OFDM系统，它将物理层的AMC与数据链路层的ARQ相结合，在给定时延下最大化频谱效率的顺序和每个约束。帧模式更新传输模式对于每个子载波匹配时变信道条件，从而充分利用OFDM系统。这个本文提出的传输方案也包含了基于STBC的跨层AMC方案进一步改进误码率性能。仿真结果已经证明提出
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