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移动通信技术正朝着高传输速率、高可靠性和高有效性的方向发展。协作中继技术的提出，打破了无线移动终端体积受限无法通过多天线技术获得空间分集增益的弊端，受到普遍关注和研究。协作中继技术使得网络节点之间相互协作，获得空间分集增益，提高网络吞吐量和可靠性。目前协作中继技术已被广泛用于Ad hoc网络、移动蜂窝网和无线传感网，并且是4G通信的关键技术之一。因此，本文以无线协作中继系统为研究背景，以跨层设计为主要思想，综合考虑物理层的AMC (Adaptive Modulation Coding)技术和链路层的HARQ (Hybrid AutomaticRepeat reQuest)机制，对协作中继系统进行跨层设计及优化。AMC技术以其高吞吐量和高传输速率等优越性备受青睐，HARQ机制集合了ARQ (Automatic Repeat reQuest)和FEC (Forward Error Correction)两种差错控机制的优势，在保证无线通信可靠性上得到了广泛应用。本文针对中继系统如何满足用户QoS (QualityOf-Service)要求提高系统吞吐量的问题，提出在Nakagami-m衰落信道下，联合物理层AMC技术和链路层CHARQ机制的跨层优化设计方案。通过状态转移图描述中继节点协作转发数据包的过程，并分析中继系丢包率。采用Markov模型和排队论模型推导和分析数据包排队时延和传输时延性能。最后，在满足丢包率，排队时延和传输时延等约束条件下，建立最大化系统吞吐量的跨层优化模型，并通过迭代算法求解。仿真结果表明，在吞吐量、丢包率、排队时延和传输时延性能等方面，本文提出的CHARQ-AMC方案均优于现有AMC-only,HARQ-only和HARQ-AMC方案。与MAC层和物理层相比，通信系统网络层性能更能直接反应用户对QoS的满意度。针对这一问题，本文提出一种基于HARQ协议联合MAC层和网络层的跨层设计方案，并分析不同策略下的网络层系统效率、时延和丢包率性能。首先，引入层模型，描述数据包的传输和接收过程。然后，针对发送端重传方式的不同和接收端采用解码方式的不同，分析各种HARQ机制的区别。同时，本文提出一种IP层全局传输次数C约束，使得同一个IP包的N个FR (Fragment)可以共享所有传输机会，从而提高IP包传输成功的概率。另外，在传统的FBS (Fragment BasedStrategy)策略和文中提出的XBS(XL-Based strategy)策略下，分别推导网络层效率、时延、丢包率等性能指标的解析表达式。仿真结果表明，采用XBS策略，网络层效率、时延和丢包率等性能均优于采用传统的FBS策略。