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南京邮电大学硕士研究生学位论文 自适应调制编码中满足o o s 要求的 模式区域划分研究 摘要 由于无线通信环境具有快速变化的特性，传统的分层结构在许多无 线数据应用中并不能很有效的工作，为了解决这个问题，人们提出跨层 设计，即通过在协议栈的各层之间传递特定的信息来协调协议栈各层之 间的工作过程，使之与无线通信环境相适应，其核心就是使协议栈能够 根据无线环境的变化来实现对资源的自适应优化配置。 论文基于跨层的思想，研究了满足q o s 要求的a m c 的“阈值”设 计，综合考虑物理层的信道状态信息、m a c 层的队列状态信息以及应用 的q o s 需求信息三个方面，选择保证q o s 要求的“阈值”进行a m c 。 论文首先介绍了跨层设计的发展现状，接着介绍了a m c 机制和“闽 值”方法，然后论文详细研究了物理层期望分组差错率对q o s 的影响， 在这个基础上提出了“阈值”的选择方法，从而保证了用户的q o s 要求， 最后论文通过仿真进行了验证和性能比较。 关键字：跨层设计，a m c 机制，阈值设计，无线通信，0 0 s 保证 塑塞些皇盔兰堡主堡塞生堂垡堡塞 一一 r e s e a r c ho fm o d er e g i o n sw i t hq o sg u a r a n t e e si n a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g a b s t r a c t i nt r a d i t i o n a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ，t h eo p e ns y s t e m si n t e r c o n n e c t i o n ( o s i ) l a y e ra r c h i t e c t u r eh a sb e e nw i d e l ya d o p t e d ，a n dt h ep e r f o r m a n c e o p t i m i z a t i o ni s c o n d u c t e dl a r g e l yw i t h i ne a c hi n d i v i d u a lp r o t o c o ll a y e r a l t h o u g ht h el a y e r e ds t r u c t u r ei s s t i l l o fg r e a ti m p o r t a n c ef o rn e x t g e n e r a t i o n w i r e l e s sn e t w o r k s ，i ti sk n o w nt h a t t h ec o n v e n t i o n a l o s i a r c h i t e c t u r em a yn o tw o r kw e l li nm a n yw i r e l e s sd a t aa p p l i c a t i o n s c r o s sl a y e r d e s i g nb r e a k sa w a yf r o mt r a d i t i o n a ln e t w o r kd e s i g nw h e r ee a c hl a y e ro ft h e p r o t o c o ls t a c ko p e r a t e si n d e p e n d e n t l y b a s e do nc r o s sl a y e rd e s i g n ，c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o ni np h yl a y e r ，q u e u e s t a t ei n f o r m a t i o ni nm a cl a y e ra n dq o sd e m a n da r ec o n s i d e r e dt o g e t h e rt oo b t a i n t h r e s h o l di na m cd e s i g n f i r s t l yt h et h e s i si n t r o d u c e st h ec u r r e n ts t a t u so fc r o s sl a y e rd e s i g n t h e ni td e s c r i b e sa m cs c h e m ea n di t st h r e s h o l dm e t h o d f o l l o w i n gt h ed e t a i l e d a n a l y s i so fi n f l u e n c eo ft h et a r g e tp a c k e te r r o rr a t eo fa m ca tp h yl a y e ro n q o s ，t h et h e s i si n t r o d u c et h et h r e s h o l dd e s i g ni na m cs c h e m e k e yw o r d s ：c r o s sl a y e rd e s i g n ，a m c ，t h r e s h o l dd e s i g n ，w i r e l e s sn e t w o r k s ，q o s g u a r a n t e e s i i 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学信号与信息处理 研究方向： 图像处理与多媒体通信 作 者：塑堕级研究生朱伟指导教师塞建堑 题目：自适应调制编码中满足q o s 要求的模式区域 划分研究 英文题目：r e s e a r c ho fm o d er e g i o n sw i t hq o sg u a r a n t e e si n a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g 主题词：跨层设计a m c 机制阈值设计无线通信 q o s 保证 k e y w o r d s ： c r o s sl a y e ra m ct h r e s h o l dd e s i g n w i r e l e s sn e t w o r k s q o sg u a r a n t e e s 南京邮电大学学位论文独创性声明 y8 5 , , 1 0 1 3 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：凌鱼日期：显翌：鳇! f 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：粒导师签名：i 妻趣日期：坐、 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 l 言 第一章引言 在传统的通信网络中，广泛的采用了开放式系统互联( 0 s i ) 标准的分层结构， 对性能的优化一般都是在每一个独立的协议层中完成的。尽管分层结构在未来的无线 通信网络中仍会占有极其重要的作用，但是这种传统的0 s 1 分层结构在许多无线数据 应用中并不能很有效的工作，这是因为无线通信环境具有快速变化的特性，而基于分 层结构的协议栈只能在相邻的层之间以固定的方式进行通信，现有的协议栈就无法灵 活地适应无线移动环境的变化，从而使得在设计协议栈时只能考虑其在通信条件最为 恶劣的情况下进行工作，进而导致了协议栈无法对频谱资源和功率资源进行有效的利 用。 为了解决这个问题，人们提出跨层机制，即通过在协议栈的各层之间传递特定的 信息来协调协议栈各层之问的工作过程，使之与无线通信环境相适应，从而使系统能 够满足各种业务的不同需求，其核心就是使协议栈能够根据无线环境的变化来实现对 资源的自适应优化配置。 由于无线通信的带宽有限，而当前各种无线业务的需求急剧增加，就需要高速率 的传输，自适应调制编码( a m c ) 可以根据信道的好坏选择不同的调制方式来提高发 送速率，在无线通信中得到了广泛的应用，第二代、第三代移动通信系统如c d m a i s - 9 5 、c d m a 2 0 0 0 、w c d m a 、g p r s 和t d m a 中都采用了自适应调制编码技术。 本文提出了一种满足q o s 要求的a m c “闽值”设置方法，其基本思想是通过信 道的状态信息、m a c 层的队列状态信息以及应用的q o s 需求信息三者间的跨层合作 选择阈值，利用所得阂值划分整个s n r 区域，通过瞬时s n r 落在的区域选择a m c 的模式。 本文从分组差错率和分组的超时两个方面来考虑用户的o o s 要求，其中分组的差 错率包括物理层因信道状态产生的分组错误率和m a c 层因队列溢出造成的分组丢失 率两部分，分组的超时包括在队列中等待发送造成的分组超时以及m a c 层因队列溢出 造成的分组丢失两部分。 在信道的平均信噪比一定的条件下，物理层期望达到的分组差错率决定了“阈值” 的设置，基于这一思想，本文提出了通过跨层设计的方法获得满足q o s 要求的这个 期望差错率，从而进行a m c 的“阈值”选择。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章引言 本文分析了期望差错率与q o s 要求的关系，并在这个基础上提出了“阈值”的 选择方法，并通过仿真实验证明本文提出的a m c “阈值”设置方法可以保证用户的 o o s 要求，本文提出的方法即保证了差错率要求，又保证了时延和时延抖动要求，可 以应用到无线视频通信中。 本文的内容是这样安排的：在第二章中，简单介绍了跨层设计的概念及其应用领 域和前景；a m c 的“阈值”方法，以及如何通过物理层分组的期望差错率来选择“阈 值”是第三章的内容；接着第四章中，分析了期望差错率对分组超时概率和总的差错 率的影响；如何选择一个合适的期望差错率来保证用户的q o s 要求，以及如何建立索 引表以便实际应用是第五章的内容；第六章进行了仿真实验和性能测试：第七章的内 容是对自己工作的总结以及对今后研究方向的讨论。 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线通信中的跨层优化 第二章无线通信中的跨层优化 2 1 研究跨层设计的背景和原因 目前，电路交换的1 g 和2 g 无线网络已经逐渐发展成为2 5 g 技术( 比如g p r s ，e d g e ) ， 从而可以提供分组数据服务并且提高话务量，当然最终的目标是3 g 和4 g 无线技术。第 四代无线通信系统( 4 g ) 将是全i p 的网络，在该系统中协议栈将在网络设备内得到广泛 的使用，从而确保无线设备能够与现有的互连网互通。现有通信系统中采用的协议栈 基于开放系统互连( o s i ) 标准，该标准采用分层结构，对协议栈各部分的运行过程 进行了抽象，从而满足了软件工程的信息隐藏准则及端到端准则。然而在基于i p 的无 线数据网络中，仍然存在以下主要的问题： ( 1 ) 动态链路特性。无线网络最重要的特性就是动态链路特性。因为在大气环境 中接收和发送无线信号，无线通信容易受到噪声的影响。阴影效应、多径衰落以及与 其他设备的接口都会导致信道状态的不可预知。 ( 2 ) 高分组丢失率和比特差错率。因为噪声和多径衰落的影响，在无线信道中存 在比较高的比特差错率，这会对多媒体质量带来破坏性的影响，所以为了保证多媒体 的质量，就必须提供有效的差错恢复机制，比如f e c ( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ) 和a r q ( a u t o m a t i cr e p e a tr e q u i r e ) 。 ( 3 ) 带宽限制和起伏。在无线环境中带宽是有限的，而且因为多径衰落、信道冲 突和噪声干扰的影响，无线信道的能力是随时发生变化的，所以必须利用信道信息， 根据不同的信道状态采取不同的措施，从而提高带宽的利用率。 ( 4 ) 传统传输协议的低性能。无线通信环境具有快速变化的特性，传统的协议结 构是不灵活的，各层之间只能通过一个严格的方式进行通信，无法灵活地适应无线移 动环境的变化，从而使得在设计协议栈时只能考虑其在通信条件最为恶劣的情况下进 行工作，而不是自适应的改变以适应信道的变化，进而导致了协议栈无法对有限的频 谱资源及功率资源进行有效的利用。 ( 5 ) 不同服务的q o s 需求不同。在未来的4 g 网络中存在多种服务，这些服务的q o s 需求都是不同的，比如视频会议，它是一个实时多媒体服务，它对时延的要求很高， 但是可以容忍一定程度的差错；而文件传输。它对差错敏感，而对时延却没有很高的 南京邮电大学硬士研究生学位论文 第二章无线通信中的跨层优化 要求，所以必须能够提供多种q o s 保证。 在有线网络中，数据丢失主要是因为网络拥赛和缓冲溢出，现在人们已经设计了 很多技术来支持在有线网络中有效的分组传输。不幸的是，这些技术无法适应于无线 网络。例如，在有线网络中带宽不是一个非常重要的考虑因素，所以我们可以通过增 加带宽来解决延时问题，然而在无线网络环境下，因为不利的信道条件和移动设备的 电池持续时间，这是非常困难的。 目前，大约8 0 8 5 的i n t e r n e t 传输使用t c p 协议，许多的i n t e r n e t 主要应用 如f t p 、h t t p 和t e l n e t 都是使用t c p 协议的，然而传统的t c p 协议主要是应用于有线网 络中，有线网络通常具有低比特误码率的特点，所以传统的t c p 就被设计成假定所有 的分组丢失都是因为网络拥赛造成的，当出现分组丢失时，t c p 就会降低数据的发送 速率。而在无线网络中由于信道衰落或移动节点在运动时的切换( h a n d o f f ) 都会造成 连接的断开。在无线通信中，出现分组丢失时，必须要判别分组丢失的原因，因此传 输层必须要知道链路层和物理层的信息。 为了解决这些问题，人们提出跨层机制，即通过在协议栈的各层间传递特定的信 息来协调协议栈各层的工作过程，使之与无线通信环境相适应，从而使系统能够满足 各种业务的不同需求，其核心就是使协议栈能够根据无线环境的变化来实现对资源的 自适应优化配置，例如，链路控制层及媒体接入控制层利用物理层的信道特征来调整 数据的发送方式。 2 2 跨层设计的简介 跨层设计意味着协议栈内的每个层都能够与其他层进行信息交互。一个层既能够 与上层交互信息，也能够与下层交互信息。进行信息交互的层包括：应用层、传输层、 网络层、链路层及物理层，各层之间信息的交互如图2 1 所示： 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线通信中的跨层优化 图2 1 各层之间的信息交互 2 2 1 物理层上的跨层机制 物理层的功能就是利用一定的发射方式使数据能够在一定的传输范围内以一定 的错误概率得到接收。物理层的特性主要包括：发送功率、误比特率及调制编码方式。 因为链路层主要负责对数据进行准确的接收，所以利用物理层信息对链路层的控制机 制进行调整将使系统在吞吐量及功率节省方面获得较高的增益。同样，由链路层发出 的功率调整指令及传输控制命令也能够使物理层的性能得到改善。物理层与其他层的 信息交互机制包括以下几种： 应用层。在应用层，用户能够根据其业务需求对物理层的特性进行调整。像数 字视频这样的多媒体业务可根据其从物理层获得的信道状态信息对编码速率进行调 整。 网络层。信道状态信息能够被网络层用来改变其传输路径，例如，网络层根据 信道状态信息利用路由功能在不同的信道上传输不同优先级的数据。 链路层。链路层能够通过增加发送功率来降低物理层的误比特率，同样，链路 层也能够通过采用更强的差错控制机制来降低误比特率。但是增加发送功率和采用较 强的差错控制机制都会增加系统的功耗，因此，需要采用联合控制的方式来改善系统 性能。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线通信中的跨层优化 除了与其他层进行交互外，物理层还能够根据电池的供电状况调整发送方式，使 得需要发送的数据能够在当前的信道条件下保证上层的q o s 要求。例如，物理层通过 自适应调制编码技术，能够根据信道的变化情况调整发送方式。 2 2 2 链路层上的跨层机制 链路层的功能主要包括：通过前向纠错( f e c ) 机制及自动请求重发( a r q ) 机制 实现数据的可靠传输，对移动主机接入信道的过程进行控制以减少或避免冲突，对数 据帧进行封装以确保其在开销最小的情况下进行传输。前向纠错及自动请求重发机制 总是一起使用以提高数据传输的可靠性。前向纠错机制通过向接收端传输多余的比特 使传输中出现的错误能够得到纠正。自动请求重发机制则通过重传损坏的数据帧来实 现数据的可靠传输。能够被其他层采用的链路层信息主要包括：当前的前向纠错机制、 重传数据帧的数量和长度、无线信道的可用时间信息、切换发起及完成的时间。链路 层与其他层进行信息交互的方式包括以下几种。 应用层。不同的应用程序有不同的q o s 需求，链路层能够根据相应的业务需求 对数据帧进行不同的处理。例如，具有低时延需求的数据帧将得到优先处理，而可靠 性需求高的数据帧在前向纠错，自动请求重发方面将得到更强的纠错编码及更多的重 传次数。此外，应用层能够通过获知链路层的吞吐量来调整其发送速度。 传输层。当信道条件较差时，链路层的重发机制将引入更长的传输时延，这就 会导致t c p 连接超时，从而启动重传机制且降低发送速率。为了避免出现这种情况， 必须利用t c p 的往返时间( r t t ) 及重传超时( r t o ) 来控制链路层的重发机制。同样， 链路层的重发机制也能够用来对t c p 重传定时器的取值进行调整。 网络层。移动i p 主要用来在移动主机改变子网位置时进行切换。移动i p 的切换 将会；j 入时延，因为它是在i p 层检测到网络的变化后而进行的切换。在移动设备上进 行的对信号强度的持续检测没有被移动i p 的切换过程所利用，而利用信道信号强度这 样的链路层信息将能够减少移动i p 切换带来的时延。 物理层。根据当前的信道条件及物理层的功耗情况，调整链路层的差错控制机 制从而减少传输错误，并调整数据帧的长度来提高吞吐量。此外，利用物理层的信号 处理技术能够实现链路层对媒体接入的控制。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线通信中的跨层优化 2 2 3 网络层上的跨层机制 网络层的功能主要是完成路由及寻址，确定传输数据分组的物理网络接口。在无 线通信系统内，网络层协议主要为移动i p 协议，它能够对i p 切换进行处理，从而透明 地保持移动主机与外地网络的连接。 进行跨层信息交互时，网络层能够利用的信息包括：移动i p 的切换信息及网络层 目前正在使用的物理网络接口。 移动i p 的切换信息对应用层及传输层而言十分重要，因为利用它能够节省功耗， 提高吞吐量。t c p 能够使用切换信息冻结其重传定时器，应用层则能够根据切换信息 在进行切换时停止发送数据。总之，减少移动i p 的切换时延有助于上层协议改善其吞 吐量。因此，为了加快移动i p 的切换过程，向移动i p 传送切换信息是必须的。 网络层与其他层进行信息交互的方式包括以下几种： 应用层。无线设备能够提供不同的物理接口以支持不同的业务。例如，无线局 域网接口能够提供有严格时延要求及高吞吐量的业务，g p r s 接口则能够用来提供有严 格时延要求的业务。因此，在应用层提出请求时，网络层就需要根据应用层对q o s 的 不同需求，将数据分组路由到不同的物理网络接口上。 传输层。传输层可利用移动i p 的切换信息来控制其定时器，从而避免不必要的 数据分组重传。 链路层。利用链路层的切换信息将有助于移动i p 协议减少其切换时延。 物理层。各个物理接1 ：3 上的误比特率能够用来引导网络层在不同的物理接口上 进行切换及数据转发。 2 2 4 传输层上的跨层机制 传输层主要负责在网络上进行端到端的连接控制。无线网络是大时延、高分组丢 失率及高误比特率的网络。因此，诸如t c p 这样的传输协议会将因链路恶化引起的数 据丢失解释为拥塞丢失，从而导致传输效率下降。 在进行跨层信息交互时，t c p 层的信息主要包括：往返时间、重传超时时间、最 大传输单位、接收窗口、拥塞窗口、数据丢失数量及实际吞吐量。 切换是移动通信的重要特征，它能够减d 、t c p 的吞吐量。因为t c p 会将切换带来的 数据丢失及定时器超时解释为拥塞丢失，所以需要利用从i p 层及链路层传递过来的切 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线通信中的跨层优化 换信息来提高t c p 的吞吐量。 传输层与其他层进行信息交互的方式包括以下几种： 应用层能够将其q o s 需求传递给t c p 层，根据这种信息，t c p 层能够调整其接收 窗口。另一方面，t c p 胄够将数据分组丢失率及吞吐量信息提供给应用层，应用层能 够利用其提供的信息调整发送速率。 网络层。由于t c p 具有重传机制及回退机制，移动i p 引起的切换时延会引起t c p 连接的定时器超时，从而导致t c p 吞吐量下降。而t c p 通过获取移动i p 的切换信息就能 够避免因定时器超时而产生不必要的拥塞控制，从而改善t c p 连接的流量。 链路层。由于链路重发及数据分组调度引起的时延会导致t c p 吞吐量下降。根 据链路层对数据分组的存储信息，t c p 能够针对链路层的实际状况实现对r t t r t 0 的自 适应调整。 2 2 5 应用层上的跨层机制 应用层是用户用来运行其应用业务的接口。现有的应用都是面向有线网络发展起 来的，这些应用在无线网络上无法高效地工作。因此，基于底层信息的应用将有助于 提高其在无线网络上的性能。应用层应该能够向其他层传递其q o s 需求，例如：时延 范围、时延抖动、吞吐量及分组丢失率。从物理层或链路层获得的信道状态信息则有 助于应用层调整其工作方式，从而降低对带宽的不必要需求。根据应用层的q o s 需求 调整链路层的差错控制机制也将提高应用层的性能。 应用层与其他层进行信息交互的方式包括以下几种： 传输层。应用层将其o o s 需求提供给传输层，传输层则能够根据不同的业务调 整其发送窗口及接收窗口值，从而提高应用层的性能。 网络层。不同业务的o o s 需求使得网络层能够采用不同的物理网络接口来传输 数据。 链路层。链路层能够为具有不同o o s 需求的业务提供不同的发送优先级。 物理层。根据信道状态，应用层能够采取不同的信源编码方式来生成业务。 2 3 跨层设计的作用 在无线通信环境中，信道状态的变化是随机的，为了提高效率，协议栈的各层都 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二二章无线通信中的跨层优化 有自己的优化策略，然而针对每一个单独层的优化策略结合在一起并不一定就是最优 的，必须联合起来加以考虑，所以各层之间必须进行交互。传统的协议栈设计中，各 层之间的通信要求是非常严格的，一般只能上层调用相邻下层的信息，这在无线信道 中效率很低，所以跨层设计在无线环境中就显得极为重要，它通过各层之间信息的交 互，从而实现性能的优化，满足无线通信的要求。 2 4 跨层设计的应用和前景 目前，跨层设计主要应用于安全性、q o s 、功率控制、移动性和无线链路自适应 这几个方面。 2 4 1 跨层设计在安全性上的应用 跨层设计在安全性上的主要应用是取消在移动通信系统中常常出现的多层安全 加密、解密操作，统一归并为一个处理平面。 目前，安全性问题，特别是加密操作，通常是在多个协议层间重复进行的。同时 进行多层加密的方案变得越来越流行。多层加密可以提高安全性，但也有很多局限性， 如增加了处理功耗要求、提高了处理时延等。 为了避免反复处理数据分组，从而节省功耗，降低时延，层间的协同操作可以将 多层的加密减少为一个。因为一些数据流( 如信令) 可能在中间协议层生成，所以这 种协同操作的主要目的就是要决定哪一层需要进行加密。 2 4 2 跨层设计在q o s 上的应用 跨层设计在q o s 平面上的应用主要是在整个协议栈中分配系统q o s 的要求和限 制，协调它们的效果。 在有限的无线资源条件下，q o s 对于移动网络是非常重要的，提供有效的q o s 保证允许同时有多个不同要求的服务，并且确保低需求的应用不会对高需求的应用产 生负面影响。 从q o s 观点来看，i p q o s 协议层包括了i p 流量控制，用于处理数据包监测和分 类，数据流整型和调度，而链路层也能够通过发送优先级和虚通道的方法提供不同的 q o s 支持。在论文 2 中，无线网络的q o s 映射和自适应主要分下面两步首先在一 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线通信中的跨层优化 个g o p ( g r o u po fp i c t u r e ) 中找到一种优化映射策略，使得该g o p 的失真最小；然 后再找到一组q o s 参数，使得视频的失真最小，从而实现无线网络的o o s 映射和白适 应。 当前的q o s 解决方案是采用协议层之间的限制通信来实现的。一般，应用业务生 成传输层链接( r t p 或t c p ) ，并为这些链接分别的建立q o s 。而i p q o s 层根据q o s 要求建立1 p 流量控制，通常这些信息是不会传递给链路层的，除非每个链路层模块 有自己的q o s 特性要求。 在当前的q o s 子系统中，采用上述方法有可能造成协议栈中某些层没有获得q o s 建立信息，从而与q o s 子系统间交互困难，结果对q o s 的保证起不到应有的作用。 比如在t c p 中。如果出现超过预留带宽的数据包，则称为非一致分组，即业务数据 与q o s 要求不一致，此时根据发送节点的配置不同，会出现数据监测和整型两种情 况，在数据监测情况下，非一致分组掉包会被认为是拥塞信号，t c p 减小拥赛窗口， 从而会对t c p 性能产生负面影响。在数据整型情况下，非一致分组在缓冲队列中排 序，直至与q o s 要求一致。此时，t c p 会发现网络流量保持一段时间后，在某些时 刻忽然下降，这样将增大发送时延。并且由于发送时延的变化，t c pr t t ( r o u n d - t i p t i m e ) 估计算法也不能很好地工作，从而对t c p 拥赛控制造成负面影响。为了避免 这些问题，需要t c p 与q o s 层协同工作，根据q o s 预留信息，t c p 可以调整它的拥 赛窗口，从而避免发送非一致分组。 不同的业务流需要不同的处理，q o s 层必须与链路层协同工作，才能提高系统的 整体性能。 2 4 3 跨层设计在功率控制上的应用 下一代移动通信系统中，如何延长终端电池的持续时间是一个非常具有挑战性的 工作。尽管这个问题很大程度上跟硬件有关，但是协议栈对资源的合理利用会使系统 在发送数据时减少功率的消耗。一般的，可以通过下面两种折衷来减少功率的消耗： 功率v s 时延。可以通过增加传输时延的方法来减小功率消耗，如监测无线链 路的干扰级，延迟分组的发送直到干扰级降到一个特定的闽值以下，这样就可以相应 的降低正确传输数据的功率见论文 3 】。 功率v s 比特率误比特率。在误比特率保持不变的情况下，降低比特率，或者 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文第= 章无线通信中的跨层优化 在比特率保持不变的情况下增加误比特率都可以相应的降低传输功率。 当然，这些折衷不是随便使用的，功率模块必须考虑到每个数据流对时延、平均 比特率和误比特率的要求，通过这些交互，可以保证在对实时通信不产生负面影响的 前提下，降低功率消耗。 2 4 4 跨层设计在移动。陛中的应用 当i p 网络中引入了移动性后，出现了一系列新的问题，最明显的是t c p 的连接 问题，当终端从一个基站移动到另一个基站时，t c p 连接会出现以下问题： 老接入点的链路功率越来越低，b e r 逐渐增大，t c p 开始掉包： 当移动到某处，则老链路断开，终端尝试接入新的基站： 最后，当新链路建立后，t c p 连接有可能恢复。 在上述的场景中，会有一段时间t c p 丢失分组，这样可能会导致下列结果： 在切换过程中拥赛窗口将会降到最小值，当链路重建后因为t c p 拥赛避免机 制，它会很缓慢的回到初值，因此这个过程需要很长的时问。 t c p 通过r t t 值来计算重传超时( r 1 d ) ，当新链路建立后，老链路的r t t 值 可能已经无效，需要重新探测新链路的r t t 值。 为了解决这个问题，需要采用跨层设计。图2 2 给出了一种解决方案。 l 附l f n 什 c r o s s 1 a v e r 静理l 鲢蚨 m o b i l ei p w l n ， u m r sg p r s w i m a x 图2 2 移动性协作平面 如图所示，m o b i l ei p 层是协议栈的中心，对于高层而言，它屏蔽了支持移动功能 的操作细节，这样在移动条件下，上层仍然可以透明传输、正常工作。但是单纯屏蔽 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线通信中的跨层优化 切换信息，并不能消除它所造成的影响，因此，更好的方法是m o b i l ei p 层将切换事 件通知高层，以便上层协议可以更好地处理这些事件的影响。例如，t c p 可以采用下 面两种优化方法： 水平切换：当移动终端在采用相同技术体制的相邻接入点之间进行切换，并且 切换事件较短时，则属于水平切换。此时可以冻结t c p 连接，也就是说，当切换完 成后，t c p 可以采用与切换前相同的拥赛窗口。通过这种简单优化，当切换发生时， t c p 连接可以很快恢复。 垂直切换：当移动终端在采用不同技术体制的接入点之间进行切换时，则属于 垂直切换。此时由于新的接入链路属性与老链路不同，需要t c p 将拥赛控制状态回 复到慢启动状态，快速探测新链路的带宽，丢弃老链路的r t t 参数。 当然在上述事件发生时，首先都要由链路层向m o b i l ei p 层上报切换事件。 目前，对t c p 进行跨层优化的研究很多，比如在论文【4 中，增加了一个并行的 状态管理器( s t a t em a n a g e r ) ，它主要是用于在网络协议栈的各个主层之间交换 信息。通过这个状态管理器，系统可以利用信道信息，从而提高t c p 的性能。在论 文【5 】中，是通过在无线主机的协议栈中引入了一个a r o 侦听代理来实现跨层合作。 在t c p 确认机制中利用链路层的a r 0 消息来达到增加吞吐量的目的。这儿的a r 0 侦听 代理的作用是建立一个链路层和传输层合作的可能性。在论文 6 中，提出了两种跨 层反馈机制来提高t c p 性能，一种方法是将用户反馈加到协议栈中，从而可以动态控 制移动主机上应用的t c p 吞吐量；另一种方法是利用底层的连接和断开信息。在论文 7 中，提出了一种a t c p 方法来提高t c p 性能，它是通过网络层反馈来调整t c p 的拥塞 控制策略。 2 4 5 跨层设计在无线链路自适应中的应用 相对于有线链路来说，无线链路具有低可用带宽、高传输时延、高误比特率的特 点，所以标准的t c p i p 协议栈在无线链路中性能低下。 相对于有线链路，无线链路的b e r 将会高得多，链路层会自动丢弃这些出错的 分组，而标准的t c p 会将这些丢失看成是一个拥赛信号，从而导致拥赛窗口的减小， 进行减小t c p 连接的有效传输速率，可以使用一个具有重传次数限制的链路层a r q 协议来解决这个问题，当然在实时应用中引入链路层a r q ，会造成传输时延的增加、 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线通信中的跨层优化 链路层a r q 和传输层a r q 之间的竞争等问题，所以必须根据应用的q o s 要求动态 的调整最大的重传次数，并且在链路层提供a r q 时关闭传输层的a r q ，如论文 8 】 中，将物理层的自适应调制和编码与数据链路层的精简a r q 协议结合起来，在保证 时延和性能的情况下，物理层选择合适的自适应调制和编码( a m c ) ，从而在保证所 需性能的基础上，使得数据速率最大。 2 5 本章小结 在无线通信中，传统的协议栈无法有效的工作，为了提高效率，必须综合几个层 进行联合设计，因此提出了跨层设计的概念。本章分析了跨层设计的基本思想以及各 个层的跨层机制，从中可以知道，一般跨层设计主要考虑应用层、网络层、传输层、 链路层和物理层这五个层。此外还简单介绍了当前跨层设计的研究成果和它应用的领 域。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章自适应调制编码及其区域划分 第三章自适应调制编码及其区域划分 由于无线网络的特点，无线通信的带宽是有限的，当前的因特网用户迅速增加使 得各种无线业务的需求增加，这就需要高速率的传输。自适应调制的基本思想是根据 信道的条件好坏来选择不同的调制方式，以便最大限度地发送信息，实现比较高的速 率，当信道传输特性较好时，采用多进制调制方式，如8 p s k ，1 6 q a m 等；反之，在信 道性能比较差的时候，则采用b p s k 或q p s k 调制。得益于这些优点，自适应调制的方 法在无线通信中得到了广泛的应用，第二代、第三代移动通信系统中c d m ai s - 9 5 、 c d m a 2 0 0 0 、w c d m a 、g p r s 和t d m a 都采用了自适应调制编码技术。 3 1 自适应调制和编码 未来的4 g 无线标准中，自适应调制和编码( a m c ) 是一个非常重要的技术， a m c 的核心思想是在保证分组差错率的前提下，根据信道的状态动态的改变调制和 编码机制( m c s ) 从而使得数据的传输速率最大，系统在接收端根据信道状态信息决 定选择哪种合适的调制和编码机制，然后将这个信息反馈给发送端。 影响a m c 机制性能的一个重要的因素就是接收端对信道状态的估计以及由此决 定的m c s 。在本论文中，假设对信道状态的估计是完美的，即估计的信道状态是正 确的，要考虑的是如何根据信道状态来设罱“闽值”进行区域划分，从而选择一个合 适的m c s 。 在很多前人的研究中，如何选择一个合适的m c s 是根据下面的基本思路进行的： 采用一系列的“阈值”将信道接收信噪比( s n r ) 划分成几个连续区域，其中“阈 值”就是各个区域的边界点，每一个区域跟一个特定的m c s 相关。一般来说，在这 种“阈值”方法中，将整个接收信噪比的范围划分成n 个区域为【n ，y 。) ，i = o ，l q _ 一1 ， 如果第i 个m c s 在所有的m c s s 中可以提供最高的吞吐量，那它就和区域【托，y i + 。) 相 关，通过m c s s 和信道s n r 之间的关联，当某个时间周期里的信道接收信噪比落在 第i 个区域中，就可以为下一个时间周期选择第i 个m c s ，如图3 1 所示，a m c 的 “阈值”的设置跟上层无关，只跟物理层的分组差错率要求只。有关。 在“闽值”方法中，“阈值”的设置是极其重要的，它很大程度上决定了a m c 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章自适应调制编码段其区域划分 的性能。本文在提出a m c 的“阈值”方法时，采用了跨层设计的思想，不仅考虑了 物理层的分组差错率，同时考虑了m a c 层的分组丢失率以及分组的超时概率，在满 足这些要求的条件下实现a m c 的“阈值”设置，阈值将会根据信道状态，队列状态 以及用户q o s 要求的变化而发生变化，从而在分组差错率和超时概率这两方面满足 q o s 要求。 图3 1i e e e8 0 2 1 1 1 5 1 6 中的a m c “阈值”方法 3 2 k i c 中的调制和编码方式 目前存在很多的调制和编码方式，本文采用了4 种调制和编码方式，分别是b p s k 和1 ，2 卷积码，q p s k 和1 2 卷积码，q p s k 和3 4 卷积码以及1 6 q a m 和3 4 卷积码。 系统根据信道状态的改变，自适应的选择其中一个调制和编码方式，当信道处于深衰 落状态时，不发送数据。 下面分析这四种调制和编码方式各自的分组差错率( p e r ) 与信道平均s n r 之 间的关系。 如果分组中每一个比特都具有相同的误比特率( b e r ) ，而且系统不纠正比特错 误，那么误分组率可以通过下面的公式得到 p e r = 1 一r 1 一b e r ) 坼 ( 3 - 1 ) 其中。是指一个分组中的比特数。但是在实际中，这个假设不一定成立，所以通过 b e r 估计得到的p e r 并不定正确。为此，本论文采用了论文【8 提出的近似表达方 法，如式( 3 - 2 ) 所示。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章自适应调制编码及其区域划分 p e r 。c ，“ ：。x p 。一成y ，；，f ，o d 螂) “e x p ( - 0 d m 。) ( 4 1 1 ) 即在时延限定为d 一的条件下 p t 。e x p ( 一0 1 ) 。) ( 4 - 1 2 ) 南京邮电大学硕士研究生学位论文第四章物理层期望差错率与q o s 的关系 而m a c 层的分组丢失率艺。将在第4 2 节中得到，将p t d 和p t 。代入式( 4 1 ) 中 可以得到分组超时概率的表达式。 4 2 分组的差错率 3 3 节中已经提到分组的差错率由物理层的分组差错率和m a c 层的分组丢失率 这两部分组成，其中物理层的分组差错率等于物理层的期望分组差错率如，一个从 发送端发出的分组能够被接收端正确接收的条件是： 放入队列时没有被丢弃，它的概率为1 - p 。； 在无线信道中传输时没有出错，它的概率为卜，k 。 从上可知分组被正确接收的概率为( 1 一只。) ( 1 一尸南) ，分组总的差错率为： p a = 1 一( 1 一只。) ( 1 一只m ，) ( 4 1 3 ) 己知物理层的期望分组差错率，只需得到m a c 层的分组丢失率，就可 以得到分组总的差错率尸臼，为此，需要先分析m a c 层的队列特性，在这个基础上计 算m a c 层队列因为溢出造成的分组丢失率。 4 2 1 信源 本文考虑了两种不同的信源，恒定比特率( c b r ) 和变比特率( v b r ) 的情况， 其中c b r 的情况很简单，就是在一个给定的时间周期里到达的分组数是恒定的，而 v b r 的情况本文采用了论文 5 0 】中所提出的p a r e t o 分布。 对p o r t a b l e v i d e o r e s e a r c h g r o u p ( p v r g ) 提供的三种视频b i k e ，f l o w g 和t e n n i s ， 每一个视频都使用( 4 ，8 ，4 ) 的i b p 帧量化尺度，每一帧包括1 5 个s l i c e s ，具体的统 计特性如下： v i d e op e a ki n e a i l c v p m rdc r b i k e4 06 4 41 0 96 2 1 4 2 8 4 2 9 5 8 f l o w g 1 0 52 6 6 1 0 9 73 9 51 8 7 9 76 7 4 t e n n i s5 31 2 0 21 0 94 4 l8 3 0 61 5 2 6 表4 1 三种视频的统计特性 其中，p e a k 是峰值，m e a n 是均值，c v 是变化系数，c r 是压缩比，d 是帧密度 南京邮电大学硕士研究生学位论文第四章物理层期望差错率与q o s 的关系 ( 比特帧) ，p m r 是峰值均值比。 己知p a r e t o 分布的概率密度函数为 f a 加高器x , m , k , r 0 ( 4 - 1 4 ) 当m ，玎均设为1 时，可以得到最符合条件的k 分别为： b i k e ：k = 5 ： f l o w g ：k = 1 3 ； t e n n i s ：k = 1 0 4 2 2m a c 层队列分析 为了得到m a c 层队列的分组丢失率，必须首先对队列进行一个详细的分析。 m a c 层分组的队列系统模型如图