OFDM的AMC_ARQ跨层设计及优化
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ComputerEngineeringandApplications计算机工程与应用2011,47(30)105
OFDM的AMC/ARQ跨层设计及优化
曾菊玲
ZENGJuling
三峡大学计算机与信息学院,湖北宜昌443002
CollegeofComputerandInformationTechnology,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang,Hubei443002,China
ZENGJuling.AMC/puterEngineeringandApplications,2011,47(30):105-108.
Abstract:AimingattheparalleltransmissioninfrequencydomainofOFDMandhighcomplexityofmodelingthecross-layerdesignaswellasthelowfrequencyspectrumefficiencyforAMC/ARQcross-layerdesign,amodelwithbidirectionalfeed-backbasedonfinite-state-Markov-model(FSMM)issetup,wheretheAMCparametersismappedtotheARQbyevaluationoftheFSMMandtheparametersoftheARQismappedtotheAMCbycomputationofthedelayandthepacketlossratio.ThismodelcannotonlydealtwiththeinteractionbetweentheAMCandARQbutalsoovercomethehighcomplexityre-sultedbytheembedMarkovlink.AnoptimalalgorithmofthismodelforthebiggestspectrumefficiencyunderthespecifiedQOSisproposed,whichgetstheoptimalthresholdbyexhaustivesearch.Thesimulationshowthatthespectrumefficiencyoftheoptimizedcross-layerdesignoutperformstheoldone.
Keywords:cross-layercombiningAMCwithH-ARQ;FSMMofthefrequencysubchannelofOFDM;throughput;frameer-rorratio;spectrumefficiency;optimizationmethod摘
要:针对OFDM频域并行传输及时、频二维资源分配特点和AMC/ARQ跨层设计存在的建模复杂、频谱效率低等问题,基于
OFDM频域子信道FSMM模型,建立了AMC/ARQ双向反馈模型,通过时延、丢包率等参数将ARQ参数传递到AMC,通过对FSMM性能评估,将AMC参数反馈到ARQ,,既充分考虑了AMC/ARQ间的相互作用,又避免了内嵌MARKOV链导致的计算复杂性。给出了该跨层设计的优化算法,通过穷尽搜索获得最优的FSMM门限,在保证QOS参数的条件下,使频谱效率达到最优。仿真计算证明优化后的AMC/ARQ跨层设计系统频谱效率有较大提高。
关键词:AMC/ARQ跨层设计;OFDM频域子信道FSMM;通过率;误帧率;频谱效率;优化方法DOI:10.3778/j.issn.1002-8331.2011.30.029
文章编号:1002-8331(2011)30-0105-04
文献标识码:A
中图分类号:TN929.5
1引言
AMC/ARQ[1]跨层设计将AMC(自适应调制编码)技术与
简单又能考虑双向相互作用的跨层模型非常重要。
AMC/ARQ跨层设计通过重传次数和调制阶数及信道编码的联合设计,同时提供时延、丢包率等多重QOS保证,但此时没有考虑频谱效率,不能保证无线资源使用的最优化。
对于OFDM/OFDMA,其时、频二维空间的资源分配模式和频域并行传输的特点要求AMC/AQR设计在频域子信道上进行[7]。因此首先建立OFDM频域子信道的FSMM模型非常重要。
FSMC(有限状态MARKOV信道)是应用广泛的信道模型。文[8]最早提出了应用于突发噪声信道的2状态Gilbert-El-liott模型,文[9]提出了Rayleigh信道相等状态概率的K个有限状态FSMM,这些研究成果都是基于时域平坦衰落或窄带信号的,信道特征为Rayleigh衰落,门限确定采用幅度分布。对于OFDM系统,由于频域子载波并行传输,基于频域子载波的AMC、资源分配技术以子载波帧长为时间单位,要求FSMC的状态持续不小于帧长,显然,采用幅度分布等概率法确定状态
ARQ(自动请求重传)技术结合,依靠ARQ在链路层纠错,降低对物理层的差错控制要求,提高AMC的传输模式,进而提高系统容量[2-3],同时,该机制通过AMC、ARQ的联合设计能够同时满足时延、数据速率、丢包率等多个QOS参数[4-5],在网络资源利用率和业务质量保证中达到良好折衷,因而得到了广泛研究。但AMC/ARQ跨层设计在建模、资源利用率及在OFDM系统应用中还存在一些问题。
AMC/ARQ跨层设计一般采取两种建模方法,一是反馈设计,通过将AMC参数反馈至ARQ作为控制参量,仅对ARQ进行优化设计,或者反方向进行
[5-6]
,方法较简单,但只能考虑层
间单方向影响,不能达到最优,二是联合设计,考虑层间双向相互作用,建立ARQ/AMC跨层设计的队列模型,形成内嵌MARKOV链,达到最优设计,但内嵌MARKOV链维数较多,计算复杂度大大增加[3]。因此,建立一种反馈和联合结合的、
基金项目:三峡大学人才启动基金支持。
作者简介:曾菊玲(1965—),女,博士,副教授,研究方向:宽带无线接入及QOS技术。E-mail:julingzeng@收稿日期:2011-04-12;修回日期:2011-07-01
1062011,47(30)ComputerEngineeringandApplications计算机工程与应用
由于Hk相互独立同分布,因此,各子载波SNR相互独立同分布。每一子载波的信噪比概率密度函数:
m-1-γ
mγmpγk(γ)=()e
m
门限不合适,采用状态持续时间相等法建立频域FSMM更为合理;很多研究表明,Nakagami-m分布能更好地描述移动多径信道的衰落特性,尤其是城市或城郊,Nakagami-m分布更适合OFDM的无线接入环境,因此,本文在文[7]中建立了符合Nak-agami-m分布的基于状态持续时间相的FSMM,对状态数及门限、转移概率矩阵、状态误比特率进行了分析。
针对以上问题,本文基于OFDM频域子信道FSMM模型,建立AMC/ARQ双向反馈优化模型,通过时延、丢包率等参数将ARQ参数传递到AMC,通过对FSMM性能评估,将AMC参数反馈到ARQ,既考虑了AMC\ARQ间的相互作用,又避免了内嵌MARKOV链导致的计算复杂性。给出了该跨层设计的优化算法,通过搜索最优的FSMM门限,在保证QOS参数的条件下,使频谱效率达到最优。仿真计算证明优化后的AMC/ARQ跨层设计系统频谱效率有较大提高。
(9)
m³1/2,m=1时为Ray-其中,为衰落因子,m越大,衰落越大,
laigh衰落,Γ(m)=0tm-1e-tdt。又由于每子载波经历γˉ=E(γ),平坦衰落,故可用唯一参量接收信噪比γk表示信道状态。
在OFDM系统中,通常选择具有相同信道状态或信道状态处于同一MCS门限间隔之内的子载波形成分集的AMC子信道。子信道集内,每子载波具有完全相同的特征,因此,本文研究子载波的FSMM以表示子信道特征,后文的AMC/ARQ跨层设计基于子载波进行。2.2.2
OFDM频域子信道状态持续时间相等的FSMM文[9]采用状态等概法建立了衰落信道FSMM,但此法不
¥
2状态持续时间相等的OFDM频域子载波FSMM
2.1FSMM的一般原理
从信道信噪比存在的区间取逐次增大的序列γ1γ2γK+1,且γ1=0γK+1=¥,当接收信噪比γÎ[γkγk+1]时,就说信道处于k状态,形成平稳Markov的状态空间S={S1S2SK},其中每一状态都对应一个误比特率ek,对所有的时刻n和状态ijÎ{12K},其状态转移概率Pij定义为:
Pij=P(Sn=sj|Sn-1=si)
能保证每一状态持续期间大于帧传输时间,由于AMC/ARQ跨层设计的基本处理单元为帧,要求状态持续时间大于帧传输时间,又由于OFDM在数字信道上为频域并行传输,为保证每一子载波上具有相同的处理转换时间,采用状态持续时间相等法,并使持续时间大于帧传输时间,建立OFDM频域子信道FSMM更为合理,其基本原理为:根据文[11]给出的状态持
-续时间与门限的关系,在给定τk条件下,计算出门限,将接收信噪比划分为不重叠的间隔,即,将信道分为不同状态。由前述可知:状态持续时间必须大于帧传输时间,设状态
-持续时间为τk:
-τk=ckTf(10)
由文[10]可得:
γ(mm
γk)-γ(mmγk+1)
ck=kk+1(1)(2)
且
Pij=0,若|i-j|>1
K状态之间的转移概率Pij组成了大小为K´K的转移概率矩阵P,P中每一行元素满足
Pij=1,åj=1
K
"iÎ{12K}
(3)
(12)
状态k的稳态概率定义为:πk=P(Sn=sk),kÎ{12k}
(4)
稳态概率矢量定义为π={π1,π1,,πK},则πjpjk=pk,åj=1
K
K
K
ck的取值决定了门限划分及状态数K的选取,当ck确定后,再
令γ1=0γK+1=¥,就可通过求解次式(12)得出各门限(说
(5)
ck的计算与m及γ明:为简便,本文所有计算中都假定ˉ有关,m=1γ。ˉ=1)
ck的确定可采用下将FSMM用于AMC/ARQ跨层设计,
γK=MCS的最高阶数,述方法:令γK+1=¥,在给定fmTf后,[γKγK+1]为最大信噪比间隔,由式(12)可求得值cK,显然,因ck£cK。为使每状态持续时间相等且大于帧传输时间,此,对k=1,2,,K,一般可选取ck=c1£c£cK。
"kÎ{12K}或πtP=π
对任一给定状态k,输出流等于输入流,即
åπjpjk=åπkpkl
j=1
l=1
(6)
其中,FSMM门限γk的确定方法为:(1)等概法,根据每状态出现的概率相等得到;(2)状态持续时间相等法,根据每状态的持续时间相等得到。
2.2
2.2.1
OFDM频域子信道状态持续时间相等的FSMM
OFDM频域子载波统计特性
由文[10]知,OFDM频域传输特性可表述为:Rk=HkSk+Nk,k=01N-1
2.2.3持续时间相等FSMM的状态转移概率[7]
γ)m-ek+1fT2π(mfN(γk+1)TpNˉk+1
pkk+1=k+1==,
kkΓ(mγk+1)-Γ(mγk)
k=12K-1
1-mγ
(7)
其中,N为OFDM系统的最大子载波数,RkSk分别为第k子载波的接收、发射数据,由文[10]可知:若时域信道的每一径h(n)包络服从Nakagami-m分布,则频域每一子载波Hk可近似
(13)
1-mΓ
同理:
m-k
2π(mγk)efmTf
pk.k-1=
Γ(mγk+1)-Γ(mγk)
为Nakagami-m,各Hk独立同分布。
第k子载波的信噪比定义为:
2
E(Hk2s22E(sk)k)γk==Hk
k0k0
(14)(15)
(8)
p00=1-p01,pKK=1-pKK-1
曾菊玲:OFDM的AMC/ARQ跨层设计及优化
pkk=1-pkk-1-pkk+1,k=23K-1
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(16)然而,由式(21)确定的MCS门限有可能导致状态的持续时间不相等或不能满足持续3~5个信号往返周期的条件,门限的修正方法为:结合由式(12)求出的具有相等持续时间的信道状态门限γnγn+1,分别以
γ'n=max(γnΓn)γ'n+1=min(γn+1Γn+1)
3OFDM频域子载波的AMC/ARQ跨层设计系统
模型及性能分析
3.1基于OFDM频域子载波的AMC/ARQ跨层设计系统结构
在OFDM频域子信道上,AMC/ARQ跨层设计系统结构如图1所示。链路层采用选择重发ARQ协议,处理单元为包,物理层有多种传输模式(MCS),处理单元为帧,由于传输模式不同,每帧包含不同数量的包。反馈信道传输CQI(信道质量指示)和ACK/NACK信号,分别用于AMC、ARQ,假设物理信道为平坦衰落且服从Nakagami-m分布,在帧传输期间不变化,反馈无时延、无差错。
(22)
作为AMC的模式n的门限,并计算起持续时间,若持续时间小于规定值,则取消该模式,合并到较低阶,按式(22)重新确定其门限。
3.2.2AMC→ARQ算法
全部模式的平均误帧率为:------FER=
åRnπ(n)FERn
n=1
n=1
N
--------
åRnπ(n)
(23)
π(n)为模式n的稳态概率,其中,Rn=Rclb(Mn)为比特率,平
均重发次数为:
Nmax1-p-Nr=1+p++pr=
------其中,p=FER。
Nrmax
(24)
实际误帧率为:p
Nrmax
r
£Ptarget=Ploss
Nmax
图1AMC/ARQ跨层系统结构图
(25)
信号重传时,采用Chase合并计算信噪比:γcn=ε´åγk{dB}
k=1n
由式(25)求出Nrmax,然后由(17)可求出τmax。
基于双向反馈跨层设计,当新的业务到达时,可根据业务QOS参数,由ARQ→AMC算法选择AMC,当系统检测到物理信道发生变化时,可由AMC→ARQ算法,选择业务质量。
AMC/ARQ跨层设计映射QoS的过程可如图2所示。
γcn是第n次合并的信噪比,γk是第k次传输的信噪比,其中,
ε是最大比合并效率。
3.2双向反馈算法
3.2.1ARQ→AMC算法
(1)在链路层,最大重传次数
τ
Nrmax=max(17)
RTT为一次往返传输时间。其中τmax为最大传输时延,
(2)在物理层MCS的选择
误帧率计算:若Nrmax次重传后丢包率为Ploss,则最大瞬时误包率须满足:
P0r
Nmax+1
图2AMC/ARQ跨层设计QoS映射框架
4AMC/ARQ跨层设计的性能优化
上述AMC/ARQ跨层设计假定了各模式有相同的误帧率
并同时考虑了最大时延、重传次数、误帧率等多个QOS参数,但没有考虑频谱效率,而频谱资源是无线通信的瓶颈。
频谱效率为:(26)
N
假定无排队和处理时延,在给定平均时延和误帧率条件下,AMC/ARQ跨层设计可建模为:
optopt-ˉ(Nrp)=argmaxSe(Np)(27)
限制条件:ˉr×RTT£-NτdˉrÎ[1Nrmax]NpÎ(01)-Se=
n=1
£Ploss
:=Ptarget
(18)(19)
目标误帧率:P0£Ploss
1/(1+Nrmax)
åRnπ(n)
N
MCS门限的确定:由文[2]可得,在白噪声条件下,目标误
帧率与信噪比的近似关系为:
ì1,0<γ<γPn
FERn(γ)=í(20)
anexp(-gnγ),γ³γPnî
angnγPn随模式而变,可查表1(出自文[2])。
相应于各模式的门限可由下式得到:ìΓ0=0ïFERnï1
íΓn=-ln()n=12N
nnï
ïΓ=+¥în+1
Γn+1时,第k子载波处于n状态,选择模式n。
(28)(29)(30)
(21)
MCS选择:以gk表示第k子载波的信噪比,当Γn£gk£
优化模型的求解:上述模型为非线性限制的优化,计算复
杂度高,由于MCS门限与频谱效率的不确定关系(MCS门限降低,频谱效率会提高,但误帧率会相应提高,有可能导致平均重发次数增加,这时频谱效率是增加、减小或不变,是不能确定的;若MCS门限升高,频谱效率会降低,误帧率会相应降
表4
c相同时门限及状态数随m变化的情况
0.04902.5244
2.02321.9742
3.65141.6282
5.04541.3940
6.27261.2272
7.37771.1051
8.39341.0157
门限间隔
-12.0474-6.01586.0316
-2.47543.5404
表5
门限/dB调制模式移动速度18.36km/s持续时间移动速度(3×18.36)km/s
持续时间
0无信息发送
满足平均误帧率,频谱效率最大的AMC门限
-0.50321/2BPSK4.9188
2.64391/2QPSK6.1449
5.75163/4QPSK6.0234
9.66489/1616QAM3.8735
12.20653/416QAM2.8951
18.13573/464QAM
1.63962.04832.00781.29120.9650
低,有可能导致平均重发次数减小,这时频谱效率是增加、减小或不变,也是不能确定的),采用穷尽法搜索,通过均匀改变MCS门限,搜索满足丢包率和时延、频谱效率最高的MCS门限是可行的。
搜索步骤如下:
为0.01,假定目标误帧率P假定物理信道m=1γˉ=1loss
Tp=1ms,MSC的初始门限为Γn,如表1所示,且Γ0=0,Γ
(0)
N+1
(0)
表3FSMC门限减小时,对应的平均误帧率和频谱效率
平均误帧率0.04070.1310
频谱效率0.28490.3202
对初始门限的减小量
0.10.2
5仿真结果及讨论
=¥。
表1AMC传输模式及门限(移动速度18.36km/h)
Mode1
Mode2QPSK1/21.0090.25143.49981.09422.8740
Mode3QPSK3/41.5067.61811.68833.97225.8656
1.140.26180.0248
(k)
(k-1)
仿真环境:(1)业务要求,目标误帧率为0.01,重传次数为1,
帧周期Tf为1ms,每帧包含一个包。(2)物理系统,采用的OFDM系统信息速率为20Mbit/s,512子载波/OFDM符号,子载波信息比特率为39.1kbit/s,帧周期Tf为1ms,则每帧包含40个OFDM符号,载频选用2GHz,移动速度为18.36km/h,最大多谱勒频移fm为33.8Hz,fmTf为0.0338。(3)信道,采用11径m=1,γJakes’模型信道模拟m=1的Nakagami-m信道,ˉ=1。
Mode416QAM9/162.2550.12220.66447.70219.7115
Mode516QAM3/43.0053.39870.375610.248812.2326
Mode664QAM3/44.5035.35080.090015.978418.1424
调制码率效率angnγpn/dBΓk/dB平均重传次数频谱效率平均误帧率
BPSK1/20.50274.72297.9932-1.5331-0.0410
表4是在上述环境中持续时间为帧周期的3.0466倍时的FSMM状态门限,表1中Γn是在上述环境中,由式(20)计算并结合表4和式(21)得到的满足时延、误帧率及持续时间的AMC门限,表2、3分别记录了Γn增大或减小时的平均误帧率和频谱效率,可以看到,频谱效率为0.2849时,平均误帧率为0.0407,是满足要求的一组数据,此时,MSC门限及AMC模式如表5所示。
(1)增大FSMC门限:Γn=Γn+Δ,Γ0=0,ΓN+1=¥
(k)
(k)(k)
(n=12N),Δ为指定正常数,以Γn计算平均误帧率,计
6结论
算频谱效率,填入表2,重复(1)到指定次数。
表2
FSMC门限增大时,对应的平均误帧率和频谱效率
平均误帧率0.01610.00770.00320.00120.00040.00010.0000
(k)
n
FSMC门限对初始门限的增加量
0.10.20.30.40.50.60.7
频谱效率0.23890.19720.14680.09860.05980.03280.0163
(k)0
本文基于相等持续时间的OFDM频域子载波的FSMM,建立了AMC/ARQ跨层反馈设计模型,既考虑了AMC\ARQ间的相互作用,又避免了内嵌MARKOV链导致的计算复杂性,给出了该跨层设计的优化算法,通过搜索最优的FSMM门限,在保证QOS参数的条件下,使频谱效率达到了最优。
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=Γ
(k-1)
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(n=12N),Δ为指定正常数。
(3)若Γn<γpn,则停止,否则,以Γn计算平均误帧率PER,计算频谱效率,填入表3,转入(2)。
(4)在表2、3中,选择平均误帧率满足要求的一组值,从中选择频谱效率最大的值所对应的门限,即为优化的FSMC门限,且此时丢包率和时延满足要求。
(下转162页)
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像进行融合。
总体上来说,在速度上,优化过的基于SIFT配准的视频拼接算法要略优与本文所提出的算法,但是本文算法在配准和外点去除上都还有较大的改进空间,而且也能够满足视频拼接的需要;在精度上,对于有仿射变换以及重叠区域较小的视频帧,本文所提的算法拼接精度较高,而且对于一般的视频数据两种算法都有不错的效果。
6结论
本文提出一种仿射不变的轮廓匹配算法,并将它应用于
视频拼接中。实验结果表明,该算法对有较大平移,旋转或者仿射变换的视频图像有较好的拼接效果,而且对重叠区域较小,存在运动遮挡时也能够实现较大形变的拼接,算法的鲁棒性较好。值得注意的是,图像拼接时,重叠区域小的情况经常出现,其是导致拼接精度较低的一个重要因素,本文所提出的基于轮廓匹配的视频拼接算法也可用于拼接图像,算法的可扩展性较好。
需要指出的是,本文算法也有一定的局限性。由于描述子的形成依赖视频图像轮廓的提取,因此轮廓能否提取,以及轮廓的质量会对本文算法有所影响。在本文中,轮廓的提取采用的是‘linkedge’算法[17],随着GraphCut[18]在轮廓提取上的应用,学习算法,图像理解等的发展,轮廓的提取算法也会有较大的进步和发展,本文算法的精度和速度也会相应提高。此外,当物体轮廓信息较多,描述子的计算和匹配会比较耗时,不过此处可以通过GPU加速来提高速度。总体上来讲,作为一种新型的视频拼接算法,由于其精度较高,鲁棒性好,可改进的空间大,有着广泛的应用前景。
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