（通信与信息系统专业论文）无线通信网络中的资源分配与频谱接入研究.pdf

中文摘要 摘要 随着通信技术的飞速发展、i c 产业的不断进步以及i n t e m e t 的广泛普及，随时 随地向任何用户提供任意方式的可靠的个性化服务成为无线网络发展的目标。无线 信道的传输特性以及频谱资源的稀缺性与高速高服务质量的网络业务需求之间的矛 盾对无线资源管理阂题提出了新的挑战。本文以无线网络为背景，利用跨层设计的 愚想和认知无线电技术，研究了无线弼络中的资源分配阚题及频谱接入闷题，并在 以下的四个方蕊进行了深入地研究： 为了在无线蜂窝网络中向各个上行及下行链路上具有不同速率以及延时要求的 多条数据连接提供q o s 保障，节约网络中总的传输能耗，并获取多用户分集增益， 本文研究了集中式的资源分配问题，并利用跨层设计思想，提出了一套面向连接的 资源分配与q o s 保障联合算法。上述蟊标被建模为接入控制，速率分配以及资源分 配这三个子闻题。来自物理层的信道状态信息，来逸媒体接入控制层的队列状态信 息，来自应用层的速率及延时请求信息在系统模型中缛到了综合地考虑。子问题可 以分别通过贪婪算法及凸规划算法顺序地进行求解，从而得出每条数据连接上最优 的传输时隙及功率分配结果。与层次式网络协议栈中的资源分配算法相比，该算法 能够更加有效地利用网络资源。 为了在点到多点( p o i n tt om u l t i - p o i n t ，p m p ) 结构的认知无线网络中，维持 各个节点的传输频率同步，本文基于p o m d p 模型提如了一种公共信道维护算 法( c o m m o nc o m m u n i c a t i o nc h a n n e lm a i n t e n a n c ea l g o r i t h m ，c c c m a ) 。该算法可以 利用前面各个时隙中的频谱感知过程以及数据传输过程所获得的信息，来指导当前 时隙的频谱接入过程，从而在较小的硬件开销下获得较高的频谱利用率。在此基 础上，为了将上述的集中式资源分配算法引入到认知网络中，本文还提出了一种 基于跨层设计思想的联合频谱接入及资源分配协议框絮( j o i n ts p e c t r u ma c c e s sa n d r e s o u r c ea l l o c a t i o n j s a r a ) 。利用j s a r a 协议框架，可以在信道占用情况变化较快 的认知环境中，以较小的协议开销为中心式架构的认知网络提供良好的q o s 保障。 为了将认知无线电技术引入到当前已经存在的无线网络中，本文提出了一种混 合拓扑的认知无线电网络架构。基于该架构还研究了提升网络吞吐量的方法，建 立了以最大化网络中同时传输链路个数为目标的规划问题，并提出了一种次优的 一l 一 浙江大学博士学位论文 信道、传输模式及传输功率联合分配算法( j o i n tc h a n n e l ，m o d ea n dp o w e ra l l o c a t i o n a l g o r i t h m ，j c m p a ) 来对该问题进行快速求解。本文所提出的混合拓扑的网络架构 是一种以较低的硬件成本将认知无线电技术引入现有无线网络的有效解决方案， 而j c m p a 算法则可以充分发挥中心式认知网络的复用程度，提高频谱的使用效 率。 为了在分布式认知无线网络中提供有效的频谱接入机制，并提高网络的 整体性能，本文提出了一种分布式的信道接入算法( d i s t r i b u t e ds p e c t r u ma c c e s s a l g o r i t h mf o rc o g n i t i v ew i r e l e s sn e t w o r k , d s a c ) ，并给出了与之相匹配的m a c 协 议( d s a c m ) 。本文以最优化网络的效用值为目标，以各个认知节点的接入概率作 为求解对象，建立了一个通用的凸规划模型，并利用分布式的d s a c 算法对目标问 题进行了求解。而d s a c m 协议则能够有效地支持d s a c 算法的运行，同时还能够 克服多信道场景中的隐终端问题。与普通的d c f 算法相比，d s a c 算法可以有效地 提高网络中同时传输的链路个数，从而提高了信道利用率以及网络吞吐量。 关键宇：跨层设计，服务质量，多用户分集，凸规划问题，认知无线电，公共 信道维护，资源联合分配，频谱接入 一一 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sa n di n t e g r a t e d c i r c u i t ( i c ) i n d u s t r ya sw e l la st h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o no fi n t e m e t ，p r o v i d i n gr e l i a b l e s e r v i c ef o ra n yu s e ra ta n yt i m ea n da n yw h e r eh a sb e c o m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n to b - j e c t i v e so f w i r e l e s sn e t w o r k s i ti sc h a l l e n g i n gt om a n a g et h ew i r e l e s sr e s o u r c ee f f i c i e n t l y a st h e r ei sac o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h ed e m a n d sf o r h i g hr a t eh i g hq u a l i t yw i r e l e s ss e r v i c e a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s sc h a n n e la sw e l la st h es p a r s i t yo fs p e c t r u mr e s o u r c e i n t h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ep r o b l e m so fr e s o u r c ea l l o c a t i o na n ds p e c t r u ma c c e s si nw i r e l e s sn e t - w o r k sa r ei n t e n s i v e l ys t u d i e db a s e do nc r o s s l a y e rd e s i g na n d c o g n i t i v er a d i o t h ec o n t e n t s o ft l l i sw o r ka r el i s t e da sf o l l o w s ： i no r d e rt op r o v i d eq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) g u a r a n t e ef o r t h ec o n n e c t i o n sw i t hd i f - f e r e n tr a t ea n dd e l a yr e q u i r e m e n t so nb o t hu p l i n k sa n dd o w n l i n k si nc e l l u l a rn e t w o r k s ，t h e p r o b l e mo fr e s o u r c ea l l o c a t i o ni ss t u d i e d s a v i n gt h et o t a le n e r g yc o s ta n dr e a l i z i n gt h e m u l t i u s e rd i v e r s i t ya r ea l s oc o n s i d e r e d ac r o s s l a y e rd e s i g nb a s e da l g o r i t h mi sp r o p o s e d t h e o b j e c t i v e sa r ef o r m u l a t e da sa na d m i s s i o nc o n t r o lp r o b l e m ，ar a t ea l l o c a t i o np r o b l e m a n dar e s o u r c ea l l o c a t i o np r o b l e m t h ec h a n n e ls t a t u sf r o mt h ep h y s i c a ll a y e r , t h eq u e u i n g s t a t u sf r o mt h em a c l a y e ra sw e l la st h er a t ea n dd e l a yr e q u i r e m e n t sf r o mt h ea p p l i c a t i o n l a y e ra l ec o n s i d e r e dc o m p r e h e n s i v e l y t h ep r o b l e m sc a nb es o l v e db yg r e e d ya l g o r i t h m a n dc o n v e xo p t i m i z a t i o na l g o r i t h ms e q u e n t i a l l y c o m p a r e dw i t ht h ea l g o r i t h m si nl a y e r e d p r o t o c o ls c h e m e ，t h ep r o p o s e da l g o r i t h mc a nm a k ee f f i c i e n tu s eo ft h er e s o u r c e si nt h e w i r e l e s sn e t w o r k s i no r d e rt om a i n t a i nt h ef r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o na m o n gt h eu s e r si np o i n tt om u l t i p o i n t ( p m p ) n e t w o r k s ，ac o m m o nc o m m u n i c a t i o nc h a n n e lm a i n t e n a n c ea l g o r i t h m ( c c c m a ) i sp r o p o s e db a s e do np a r t i a l l yo b s e r v a b l em a r k o vd e c i s i o np r o c e s s ( p o m d p ) c c c m am a k e sf u l lu s eo ft h es p e c t r u ms e n s i n gr e s u l t sa n d t r a n s m i s s i o nr e s u l t si np r e v i o u s t i m es l o t sa n dc o n t r o l st h es e n s i n gp r o c e s si nc u r r e n ts l o t c c c m ac a n a c q u i r eh i g hs p e c t r u me f f i c i e n c yw i t hl o w e rh a r d w a r ec o s t s aj o i n ts p e c t r u ma c c e s sa n dr e s o u r c ea l l o c a t i o n ( j s a r a ) s c h e m ei sa l s op r o p o s e dt oi n t r o d u c et h ec r o s s l a y e rd e s i g nb a s e da l g o r i t h mi n t o n t 浙江大学博士学位论文 t h ec o g n i t i v er a d i on e t w o r k j s a r as c h e m ec a l lp r o v i d eq o s g u a r a n t e et oc o g n i t i v eu s e r s i np m pn e t w o r k sw i t hf e w e r p r o t o c o lo v e r h e a de v e ni nt h ee n v i r o n m e n tw i t hr a p i dc h a n g e s o fs p e c t r u mo p p o r t u n i t i e s i no r d e rt oi n t r o d u c ec o g n i t i v er a d i o t e c h n o l o g yi n t oc u r r e n tp m p n e t w o r k sw i t hl o w e r h a r d w a r ec o s t s ，ah y b r i dt o p o l o g yn e t w o r kf r a m e w o r ki sp r o p o s e d b a s e do nt h i sf r a m e - w o r k , a no p t i m i z a t i o nm o d e li sf o r m u l a t e dt om a x i m i z et h et o t a ll i n kn u m b e ri nt h en e t - w o r ks oa st oi n c r e a s et h en e t w o r kt h r o u g h p u t p o w e ra l l o c a t i o n ，m o d es e l e c t i o na n dc h a r t - n e la l l o c a t i o np r o b l e m sa r ec o n s i d e r e dt o g e t h e ri nt h i sm o d e l 。t h em o d e li st r a n s f o r m e d i n t oa i n t e g e rp r o g r a m m i n gp r o b l e ma n dc a n b es o l v e db ya j o i n tc h a n n e l ，m o d ea n dp o w e r a l l o c a t i o na l g o r i t h m ( j c m p a ) j c m p ac a na l l o c a t et h ec h a n n e l s ，m o d e sa n dt r a n s m i s s i o n p o w e re f f i c i e n t l ya sw e l la si m p r o v et h er e u s a b l ed e g r e eo ft h en e t w o r k i no r d e rt om a k ee f f i c i e n tu s eo ft h es p e c t r u mi nd i s t r i b u t e dc o g n i t i v ew i r e l e s sn e t - w o r k s , ad i s t r i b u t e ds p e c t r u ma c c e s sa l g o r i t h mf o rc o g n i t i v ew i r e l e s sn e t w o r k s ( d s a c ) i s p r o p o s e d t h ec o r r e s p o n d i n gm e d i aa c c e s sc o n t r o l ( m a c ) p r o t o c o ld s a c m i sa l s og i v e n i nt h i sp a r t a g e n e r a lc o n v e xp r o g r a m m i n gp r o b l e mi sf o r m u l a t e dt oo p t i m i z et h ep e r f o r - m a n c eo ft h en e t w o r k ，a n dd s a cc a ns o l v et h ep r o b l e me f f i c i e n t l y m e a n w h i l e ，d s a c m c a ns u p p o r tt h eo v e r c o m et h em u l t i - c h a n n e lh i d d e nt e r m i n a lp r o b l e mi nd i s t r i b u t e dc o g n i - t i v ew i r e l e s sn e t w o r k sa sw e l la si m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h en e t w o r k 。c o m p a r e dt o n o r m a ld i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ( d c f ) ，d s a cc a l li m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f d i s t r i b u t e dw i r e l e s sn e t w o r k se f f i c i e n t l y k e yw o r d s ：c r o s s 1 a y e rd e s i g n ，q o s ，m u l t i - u s e rd i v e r s i 辑c o n v e xp r o g r a m m i n g ，c o g - n i t i v er a d i o ，c o m m o nc o m m u n i c a t i o nc h a n n e lm a i n t e n a n c e ，j o i n tr e s o u r c ea l l o c a t i o n ，s p e c - t r u ma c c e s s i v 插图 插图 1 i 纽约及芝加哥市频谱利用率统计图， 6 2 1节点i 的队列管理示意图2 6 2 2 功率预留门限臼与q o s 保障失败概率p ，的关系3 4 2 - 3 功率预留门限p 与网络平均吞吐量。的关系3 5 2 4 功率预留门限睁与队列长度的关系 3 5 2 5 功率预留门限口与算法迭代次数的关系3 6 2 6 速率分配算法的迭代过程3 7 2 7 跨层设计算法性能与层次式算法性能对比，3 8 3 1各信道状态概率转移图 3 2时隙结构示意图 3 3j s a r a 协议的时隙结构示意图 3 4 j s a r a 协议框架及接口示意图 3 5 j s a r a 协议包交互流程示意图， 3 6 两种场景下频谱利用率比较 3 7 在不同频谱感知策略下的q o s 保障出错概率比较 3 8 功率预留门限日在不同范围下的动态调整过程 3 9 混台拓扑认知无线网络拓扑结构图 3 1 0 仿真场景l 拓扑示意图，。 3 1 l 仿真场景2 拓扑示意图 3 1 2 仿真场景l 中空闲信道个数与链路总数关系图 3 1 3 仿真场景2 中空闲信道个数与链路总数关系图 3 t 4 各链路分配到信道的平均次数， 4 1 多频道隐终端问题示意图， 4 2 分布式认知网络拓扑图 4 3d s a c m 协议流程图， 4 4 简单的网络拓扑示意图 4 5d s a c m 协议时隙结构示例 4 6 仿真场景1 拓扑图 4 7 测试i 所得到的口n 的迭代过程 4 8 测试l 所得到的聊的迭代过程， 4 9 测试l 所得到的z 2 及d l 的迭代过程 4 1 0 测试i 所得到的9 ( a ) 的迭代过程 4 1l 测试2 所得到的的迭代过程 4 1 2 测试2 所得到的研的迭代过程， 4 1 3 测试2 所得到的现的迭代过程 一v 一 拍拍舄鲐卯砷们n配订n乃弭 他舳盼虬虬舛蛄蛄蛄 浙江大学博士学位论文 4 1 4 测试2 所得到的d f 的迭代过程9 6 4 1 5 测试3 所得到的的迭代过程+ 9 7 4 1 6 测试3 所得到的p z 的迭代过程9 7 4 i 7 测试3 所得到的现的迭代过程9 7 4 1 8 测试3 所得到的d j 的迭代过程+ 9 7 4 1 9 平均传输链路数日对比9 8 一一 声明及版权 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特另0 加以标沣和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得浙江大学或其他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谢 意。 学位论文作者签名：熊签字日期：兰! 三g ：鱼! 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙江大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 浙江大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 、m r _ 学位论文作者签名：! 圭垒导师签名： 签字日期： 兰! ! 星161 一1 1 5 一 签字日期： 第一章绪论 1 1 本文研究背景 第一章绪论 从g u g l i e l m om a r c o n i 在1 8 9 5 年9 月成功实现无线电报传输以来【1 1 ，无线通信的 发展已经走过了一百多年。在这一百多年里，无线通信技术发生了巨大而深远的变 革，不断地改变着人类的生活方式，拉近了人与人之间的距离。 无线通信使得人们的沟通摆脱了通讯设备连线的束缚，从而可以随时随地进 行移动通信。在过去的几十年里，已经有三代移动通信系统投入商用并取得巨大 的成功。第一代( 1 g ) 移动通信系统主要采用频分多址( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，f d m a ) 方式实现对用户的动态寻址功能，并以蜂窝式网络结构和频谱规划 实现载波再用方式，达到扩大覆盖服务范围和满足用户数量增长的需求，并利用基 站二重空间分集方式抵抗空间选择性衰落i i , 2 1 。第二代( 2 g ) 移动通信系统针对1 g 系 统所存在的不足，以数字化为主要特征，采用时分多址( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，t d m a ) 或码分多址( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，c d m a ) 接入技术、数字调 制技术，构成了数字式蜂窝移动通信系统。各种性能优良的抗干扰纠错编码及数字 调制技术、功率控制技术、自适应均衡及r a k e 接收技术、空间分集及极化分集技 术均被该系统所运用 2 卦。第三代( 3 g ) 移动通讯系统以多媒体业务为主要特征，除 了提供稳定的语言服务之外，还可以支持多种类型的多媒体数字业务。该系统引入 了多用户检测、智能天线、空时编码、可变扩频比正交码、t u r b o 码等新技术来进 一步提高网络的性能1 2 , 3 1 。 而在移动通信系统迅猛发展的同时，互联网技术( i n t e r n e o t 4 1 也实现了快速的发 展，各种类型的电子设备不断走进人们的生活，人们对无线通信服务的传输速率、 服务质量、服务环境等因素产生了多样化的需求，一些其它的无线通信网络也应运 而生，主要包括： 无线个域网( w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k , w p a n ) ：w p a n 主要是为了实现活 动半径较小的无线无缝连接而提出的无线通信网络技术。w p a n 应用的主流技术 为蓝牙技术( b l u e t o o t h ) i s 6 1 ，b l u e t o o t h 为个人电脑等崮定设备与各类移动设备之间 提供了通用的无线空中接口，将通信技术与计算机技术进一步结合起来，使各 一1 一 浙江大学博士学位论文 种移动设备在没有电缆相互连接的情况下能在近距离范围内实现相互通信或操 作。b l u e t o o t h 可以提供7 2 0 k b s 的数据传输速率和1 0 m 的传输距离。此外，w p a n 技 术还包括了z i g b e e 、r f i d 、z - 1 w a v e 、n f c 等技术。 无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s ，a ：w l a n 主要是为了让用户 在网络覆盖范围内自由移动而提出的无线通信网络技术，是实现i n t e m e t 高速接 入的一种方案【7 ，钔。w l a n 网络配置灵活，适应性强，安装维护方便，而且有较 好的经济性。a n 应用的主流技术为i e e e 组织所提出的8 0 2 1 1 标准【9 】。8 0 2 1 1 及 其演进标准( 如8 0 2 1l b ，8 0 2 1 l g ，8 0 2 1 l n 等) 成功引入了正交频分复用( o r t h o g o n a l f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e ，o f d m ) 技术，为以笔记本电脑为代表的多种电子设 备接入i n t e r n e t 提供了高速的无线接1 2 1 ，如8 0 2 1 1 9 协议可以支持1 0 8 m b p s 的传输 速率，而8 0 2 1l n 协议由于引入了多入多丑( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ，m i m o ) 技 术，其最高传输速率可以达到6 0 0 m b p s l l o l 。同时其覆盖范围达到了数百米甚至更 远，从而能够在热点地区提供性能优良的i n t e m e t 接入方案。基于8 0 2 1 1 协议的无线 通信网络也已经得到了广泛地应用。 无线城域网( w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k ，w m a n ) ：w m a n 主要为了满 足日益增长的宽带无线接入( b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s , b w a ) 市场需求，解决 “最后一英里”接入问题。w m a n 在覆盖范匿、q o s 保障以及可扩展性方面 都做了更为全面地规划l 。w m a n 的主流技术为i e e e 组织所提出的8 0 2 1 6 标 准。在8 0 2 1 6 e 中，由于采用了可扩展的正交频分复用接入( s c a l a b l eo r t h o g o n a l f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l 邱l ea c c e s s ，s o f d m a ) 、码、混合自动重发请求( h y b r i d a u t o m a t i cr e p e a t - r e q u e s t ，h a r q ) 、波束成型、m i m o 等先进技术，能够向静止 及移动设备提供宽带无线连接，其服务区范围高达5 0 k m ，而支持移动速度达 至t | 1 2 0 k m h 1 1 2 1 。正在起草阶段的8 0 2 1 6 m 标准1 1 3 1 有望将每基站可提供的总数据速率 提高到l o b p s 。基于8 0 2 16 协议的、i b 系统1 1 4 1 已经在韩国投入商用。 可以看出，上面所介绍的无线通信网络一般都是针对特定的业务需求或者业 务场景而设计的。而随着信息技术的飞速发展，人们对无线通信的需求也越来越 高。从业务类型上讲，人们已经不满足于仅仅通过无线设备来传递语音或者即时 消息等普通业务，视频流、。图像、在线游戏、数据库资源等业务的无线传输需 求日趋迫切。从应用场景上讲，人们希望能够借助便携的终端设备( 如笔记本电 一2 一 第一章绪论 脑、p d a 、手机等) 随时随地进行高质量的通信。因此，现有的任何一种商用无线 网络都无法满足上述的需求。为此，业界也开始研究下一代无线通信系统( 又被称 为4 g 系统) 的架构和发展方向【1 5 6 1 ，希望通过4 g 系统来实现更高的传输速率，同 时对语音、多媒体业务、高速数据流等业务进行融合，从而为各类业务提供可靠 的服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 保障。4 g 系统目前还处于研究阶段，各种标准 化组织以及运营商对于4 g 网络的架构也提出了不同的建议，包括：完全革新的发展 路线f 17 1 ，即根据需求重新去定义新的网络体系；单系统演进发展，即基于已有 的技术和标准，并引入新的增强手段来实现网络的平滑过渡，铡如3 g p p 组织提 出的高速下行分组接入( h i g h s p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s ，h s d p a ) | 1 8 】、高速上行 分组接入( h i g h - s p e e du p l i n kp a c k e ta c c e s s ，h s u p a ) 【1 9 1 、长期演进技术( l o n gt e r m e v o l u t i o n ，u 日【2 0 】以及i e e e8 0 2 1 6 i 作组所研究的8 0 2 1 6 m 标准【j 3 1 ；多系统融合演 进发展，即将不同类型的无线网络通过一定的机制组合成为异构无线网络1 2 1 1 。可 以相信，随着通信技术的不断发展，以及人们对通信业务需求的日益提高，4 g 网 络技术也会更加成熟，并在不久的将来进入我们的生活。 从以上无线通信网络发展的历史可以看出，无线网络所承载的业务类型不断丰 富、速率需求不断增长。因此一方面必须在各种拓扑结构的无线网络中引入有效的 资源分配策略来充分利用有限的无线网络资源，满足各种类型服务的q o s 需求。 无线网络中的资源分配问题主要可以分为信道分配、功率分配、速率调度等几 类问题。 信道分配问题主要针对无线信道资源进行分配。而无线信道资源根据网络 接入方式的不同又可以分为频率、时间以及码字。其中频率资源的分配主要针 对f d m a 系统；时间资源的分配则主要面向t d m a 系统：码字资源的分配则主要面 向c d m a 系统。而在o f d m a 系统中，还可以对时问及频率资源进行联合分配。而 通过对信道资源进行合理分配，可以有效地引入各种分集增益，提升无线网络的整 体性能。 功率分配问题则主要通过控制各个无线用户的传输功率，来减小其对网络中其 它用户的干扰，从而提高网络容量；另一方面，控制传输功率还可以使得利用电池 的无线设备拥有更长的工作时问。 一3 一 浙江大学博士学位论文 速率调度问题则主要是对无线网络中各个无线用户的传输速率进行控制，来防 止网络拥塞的产生，同时对用户的q o s 请求以及用户间的公平性进行保障。 在传统的层次式网络模型中，如七层的开放式通信系统互联参考模型( o p e n s y s t e m si n t e r c o n n e c t ，o s d 瞄2 3 1 ，网络中的不同类型的任务被抽象到不同的层次 中单独进行处理，各个层次单独定义各自的算法和协议。网络中不相邻的层 次间不能够直接进行通信，而相邻的层次之间也仅仅存在一些简单的调度及 响应接口。资源分配问题则一般被安排在各节点的媒体接入控$ 1 j ( m e d i aa c c e s s c o n t r o l ，m a c ) 层进行考虑。这类算法主要通过本层中各条链路的队列状态信息，如 当前队列长度、队列的权重值、队列的服务类型等来对各个队列分配传输速率。 这类算法的研究起源于有线网络中流公平队列( f l u i df a i rq u e u e i n g ，f f q ) 模型f 2 4 1 的 研究。如k w o n g t h a v a r a w a t 在文献 2 5 1 中直接将最早截止期优先( e a r l i e s td e a d l i n e f i r s t ，e d f ) f 2 6 】以及基于权重的公平队列m 崩g h tf a i rq u e u e ，w f q ) 1 2 7 1 这两种f f q 模型 中的经典算法用于8 0 2 1 6 协议中实时及非实时队列的速率分配算法。c h o i 则基 于队列流量平滑模型( s m o o t h n e s st r a f f i cm o d e l ) 对w l a n 中的实时及非实时数据包 进行调度1 2 8 。但无线网络与有线网络的一个重要的区别在于无线网络中各条 链路的信道状态都不尽相同，因此一些研究在无线环境中引入了f f q 模型， 该模型的主要特点是根据各链路的信道状态对包调度过程进行补偿，从而保 障各链路数据包调度的公平性，满足其q o s 要求。这类研究中的经典算法包括 理想无线公平调度算法( i d e a l i z e dw i r e l e s sf a i rq u e u e i n g ，i w f q ) 2 9 1 ，无线包调度算 法( w i r e l e s sp a c k e ts c h e d u l i n g ，w p s ) 冽，基于服务器的公平调度算法( s e r v e rb a s e d f a i r n e s sa p p r o a c h ，s b f a ) 1 3 0 1 ，无线通用处理器共享算法( w i r e l e s sg e n e r a lp r o c e s s o r s h a r i n g ，w g p s ) 3 1 1 。必须注意的是，这一类算法虽然使用了物理层的信道信息，但 一般都只将信道状态分割为好和差这两个状态，并根据信道状态对后继的包调度过 程进行调整。链路层向物理层反馈的依然是调度后的数据包，并不对物理层的调制 编码等具体工作方式产生任何影响。 而由于无线信道的时变性以及各类业务传输速率、延时等服务要求的不同，传 统的层次式的网络协议在无线网络中的性能将受到较大的限制。在层次式协议框架 下，网络中的多个层次都无法获得物理层的直接信息，从而在本层次相应算法的执 行过程中将物理层的传输能力假设为固定值。而当信道条件变化较大时，这将使一 一4 一 第一章绪论 些与物理层能力关联较大的算法( 如硎议中的拥塞控制算法等) 失去效果【3 2 1 。 另一方面，各个层次的算法都是独立运行，其耦合度较低，各算法根据部分网络 信息在局部所获得的结果并不一定能实现网络整体性能的最优嘲。基于以上的论 述，为了提高无线网络的性能，满足日益增长的无线服务需求，从本世纪初开始， 无线网络跨层设计( c r o s sl a y e rd e s i g n ) 逐渐成为了研究热点。 无线网络跨层设计的本质是通过更为灵活的交互接口来满足无线网络协议设计 中涌现出的种种需求。跨层设计思想打破了传统的层次式协议栈中各层独立工作且 仅通过有限的接口在相邻层次间进行交：互的格局。跨层设计采用更加开放的数据结 构及接口，使得网络协议中的各个层次能够共享状态信息，同时利用这些信息适配 各个层次的能力和需求，最优化网络的性能，并将结果反馈回网络协议的各个层次 中洲。跨层设计思想并不是简单的颠覆层次式协议框架，而是在已有的层次抽象 的基础上，融合各层的信息来提高网络协议及算法的整体性能，基本的协议层次依 然可以保留，但各个层次间的接口更为丰富，层次间的调用关系也更加复杂。当 然，跨层设计思想在一定程度一i - 使得网络协议的开发和维护流程变得更为麻烦，同 时也可能导致不同的跨层协议在融合时反而造成性能下降的问题1 3 5 1 ，但它毕竟为 网络性能的提高提供了有力的支持。将跨层设计思想应用于无线网络的相关协议与 算法设计中，可以使得各无线节点在多变的信道环境下能够从容的调用各种先进的 物理层技术来适应信道，同时满足来自各个层次的多种需求。从而使得无线网络能 够自我感知，自我适应，自我优化，充分满足未来的各类服务对无线网络的需求。 另一方面，除了采用有效的方法来对无线网络所处频段内的资源进行管理以 外，无线频谱的利用率本身也存在着进一步优化的可能性。由于长期以来无线频谱 资源直由政府部门进行统一地管理和分配，不同的无线通信业务一般使用不同的 频道进行通讯，互不干扰，无线频谱的利用率维持在一个较低的水平，且频谱利用 率在不同时间不同地点以及不同频段上的状况都非常的不均衡。图1 1 显示了美国 纽约市以及芝加哥市各个频段的频谱利用率。可以看出：只有少数频段的利用率超 过了5 0 ，而很多频段的利用率都非常低，甚至接近0 ，同时两个城市的频谱使用 情况也有较大不同。 随着新的无线业务不断涌现，无线网络用户数量不断增加，人们对无线网络 一5 一一 浙江大学博士学位论文 图1 1纽约及芝加哥市频谱利用率统计图 总的传输速率需求也越来越高。为了缓解传输速率需求与频谱利用率之间的矛 盾，j o s e p hm i t o l a 在1 9 9 9 年提出了认知无线电1 3 6 l 的概念来解决这一问题，并迅速成 为近年来的研究热点。 认知无线电系统通过不断感知外部环境的信息( 如各信道的使用情况、接收端 在各信道上的信噪比等) ，并对这些信息进行分析和学习，以选择自身的通讯方式 ( 包括传输频段、调制方式、发射功率、传输速率等) 。认知无线电网络中包含 两类用户：授权用户( p r i m a r yu s e r ) 以及认知用户( s e c o n d a r yu s e r ) 。授权用户是 指拥有相应频段无线通信业务牌照的用户，它们具有最高的优先级在相应的频谱 内进行通讯；认知用户则是那些利用认知无线电技术来进行数据通讯的用户，它 们可以在不干扰授权用户正常通讯的情况下，利用授权用户的信道来进行无线通 讯【3 7 3 8 1 。 根据认知无线电系统的概念，该系统在感知、分析、学习以及调整的流程中完 成了对自身所处信道环境的自适应过程，从而能够结合自身所支持的调