（通信与信息系统专业论文）无线通信系统中跨层优化技术的研究.pdf

北京邮电大学博上学位论文 无线通信系统中跨层优化技术的五j | 究 无线通信系统中跨层优化技术的研究 两要 技术改变着生活，生活推动了技术。高自由度、高质量互连互通的生活需 求，给无线通信技术带来了越来越多的挑战。用户需求的多样性、无线信道的可 变性和网络拓扑的动态性使得传统的分层网络设计显现出诸多不合理的地方，它 不能有效地利用匮乏的频谱资源、没有考虑多媒体业务在视听表现上具有的模糊 性、不能将分散在网络各个子层的特性参数进行协调融合等等。这些欠缺催生了 新的设计理念，使得跨层优化彰显出魅力，成为未来无线宽带发展的关键技术之 一。本论文以跨层设训+ 的思想为主线，研究了无线t c p 的改进策略、保证多媒体 q o s 的管理机制、无线局域网中m a c 和t c p 的互相影响以及蜂窝网中多用户分集 调度对t c p 的影响，主要工作如下： 讨论了在无线信道条件恶化时，如何根据用户的q o s 要求降低t c p 发送速 率的最佳参数值，并在此基础上给出了两种调节t c p 拥塞窗口的算法，最后从系 统的角度提出全面的解决方案。本方案有效地保证了用户的q o s 要求，同时又考 虑到了系统吞吐量问题。 提出了一种层间交互的q o s 管理机制。该机制通过在层间传递状态信息和 控制信息，完成层内q o s 参数的调节和层间q o s 参数的映射，包括发送速率调节 机制，源端数据整形策略以及媒体流的优先级和链路层队列优先级的映射机制。 分析了蜂窝系统中，多用户分集调度和t c p 拥塞控制机制之间的相互作用 所产生的问题，提出了一种主动a c k 包转发控制策略( a a f c ) ，通过m a c 层和传 输层之间的消息传递来控制基站处a c k 包的转发，以此来保证用户问t c p 流的公 平性以及链路层无线资源的最充分利用。 采用三维马尔可夫模型，推导了t c p 在i e e e8 0 2 1 ld c f 两种方式( r t s c t s 和c s m a c a ) 混合工作时的t c p 吞吐量模型。在此分析基础上，提出了r w b ( r e s e r v e w i n d o wb a c k o f f ) 算法来减轻w l a nm a c 接入机制和t c p 拥塞控制之间的不良影 响，从而提高了t c p 的吞吐量，改善了t c p 流的稳定性。 分析了调度算法轮询( r r ) 算法和最长队列优先( l q f ) 算法与t c p 的相互 作用关系。通过仿真l q f 算法对t c p 的不良影响，提出一种对l q f 算法的改进策 略。 关键词：无线信道、q o s 管理机制、速率约束、q o s 映射、t c p 、 拥塞控制、无线局域网、m a c 、u m t s 、包调度、公平性、有效性 j ! 塞塑皇查兰堡圭兰垡堡塞 垄些垩堕墨堑! 堕星垡垡垫查塑竺壅 r e s e a r c h e so nc r o s s l a y e ro p t i m i z 如r i o ni n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s a b s t r a c t t e c h o n o l o g yc h a n g e st h es t y l eo fl i f ea n dt h en e e d so fl i f ei r n p e lt h e t e c h n o l o g y t h er e q u i n n e n tt oc o m m u n i c a t e 矗e e l ya n ds a t i s f a c t o r i l y c h a l l e n g em ew i r e l e s st e l e c o m m u n i c a t i o nm o r ea n dm o r e t h ed i v e r s i t y o fu s e r t sr e q u i r e m e n t ，t h ev a r i e t vo fw i r e l e s sc h a n n e la n dm ed y n a m i co f t h en e t w o r kt o p o l o g ym a k et h et r a d i t i o n a ll a y e r e dn e t w o r l ( d i s i g nb e c o m e u m e s o n a l b e t h i sd e s i g nc a n n o tu t i l i z et h ef r e q u e n c er e s o u r c ee f f e c t i v e l y ， i g n o r et h ef u z z vi n f o m l a t i o nw h e np r o c e s st h em u l t i m e d i ad a t aa n d c 釉o tc o o r d i n a t em u l t i p l eq o sp a r 啪e t e ri nd i f f e r e n tl a y 瓯t h e s ef a u l t s m a k em ed i f f e r e n td e s i g nc o n c e p tn e c c e s s a r ya n di m p o r t a n t t h i sp 印e r f o c u s e do nc r o s s l a y e rd e s i g na n dr e s e a r c h e dt h ei m p r o v e dw i r e l e s st c p ， c m s s l a y e rq o sm a n a g e m e n ta r c h i t e c t u r e ，t h ei m p r o v e da 1 9 0 r i m mt ot o i m 】) r o v ep e r f b 咖a n c eo ft c po v e ri e e e8 0 2 1 1d c fa n dac r o s s 一1 a y e r s c h e m et om a k ee 髓c t i v e n e s sa n d黼m e s st r a d e o f ff o rt c pi n w c d m a u m t s 。t h em a i nw o r ki n c l u d e ： t h eo p t i m a lv a l u eo ft h ct c pd a t as e n d i n gr a t ei sr e s e a r c h e dw h e n t h ew i r e l e s sc h a n n e li si nb a ds t a t e ， a c c o r d i n gt ot h i sv a l u et w o a l g o r i t h m st oa d j u s tt h es i z eo ft c pc w n d a r ep r e s e n t e d t h et a 唱e to f m o s tr e s e 盯c ha b o u tt c pi nw i r e l e s sn e t w o r ki st o i m p r o v e t h e t h r o u g l l p u t ，s ot h es i z eo fc n 旷n dd o s en o td e c r e a s ei ft h ep a c k e t1 0 s si s d u et om ec o m 】p t i o n ，w h i c hr e s u l t si nt h ed e c r e a s eo ft 1 1 er e l i a b i l i t yo f t c pw h e nm eh e a v yp a c k e t1 0 s sr a t eo c c u r s o u rs c h e m ec o n s i d e r e dm e r e q u i r e m e n to ft h r o u g h p u t 甜l dr e l ia _ b i l i t ) r a tt h es 锄et i m e w bu s e s i m u l a t i o nr e s u l t st od e m o n s 订砒em a tt h eq o s r e q u i r e m e mi sm e ta n dt h e m r o u 曲p u t i sn o td e c l i n ec l e 砌y p r o v i d i n gq u a l i t ) ，一o f s e r v i c e ( q o s ) t om u l t j m e d i ad e l i v e 呵i n 谢r e i e s s n e t w o r k sh a sa t t i a c t e di n t e n s i v er e s e a r c h ，w ei n v e s t i g a t em i sp m b l e ma n d p r e s e n t an e wq o sm a n a g e m e n ta r c h i t e c t u r eb a s e do n c r o s s l a y e r i n t e r c o m m u n i o n t h i sa r c h i t e c t u r e c o n s i s t so fs o u r c er a t ec o n s t r a i n t i i 北京邮电大学博士学位论文 无线通信系统中跨层优化技术的研究 t r a l l s c e i v e rr a t ea d j u s t m e m ，a n dq o sm a p p i n gm e c h a n i s mb e t w e e n m u l t i m e d i ap r i o r i t ya n dl i n kq u e u ep r i o r i 哆w eu s es i m u l a t i o nr e s u l t st o d e m o n s t r a t et h ep e r f o m l a n c eo ft h ep r o p o s e da r c h i t e c t u r ef o rm u l t i m e d i a t r a n s m i s s i o no v e rt i m e v a r y i n ga 王1 dn o n s t a t i o n a l yw i r e l e s sc h a n n e l p r e s e n ta na c t i v ea c ks e g m e n t sf o r w a r d i n gc o n t r o l ( a a f c ) s c h e m et om a k ee 髓c i e n c va n df a i m e s st m d e o f rf o rt c po v e ru m t s 0 n ei m p o r t a n tm a ci s s u ei nu m t si st h ep a c k e t s c h e d u l i n ga n dar a t h e r d e t a i l e ds i m u l a t i o nm o d e ie v a l u a t e st h ed e r f o r m a n c eo ft c po v e ru m t s i ts h o w st h a te 瓶c i e n c vr e q u i r e m e m sa f l df a i m e s sr e q u i r e m e n t sa r e d i m c u l tt og u a r a n t e ea tt h es 锄et i m eo n l yb yp r o p e rp a c k e ts c h e d u l i n g i nm a c 1 a y e ls oac r o s s - l a v e rs c h e m ea a f ci sp r e s e n t e d ，、v h i c h c o m m u n i c a t eb e t w e e nm a c 一1 a v e ra n dt r a n s p o n - l a v e r t h eb a s i ci d e ao f a a f ci st oc o n n d lt h et r a n s m i s s i o no fa c ks e g m e n t sa tb a s es t a t i o ni n s u c haw a vt h a tm ea l lt h eu s e r sh a v ef a i rt c pt h m u g h p u ta n dt h e m a x i i n i z a t i o no fr e s o u r c eu t j l i z a t i o ni nl i n k 1 a v e ri s g u a r a l l t e e d s i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t ee f l l e c t i v e n e s so fm ea a f cs c h e m e t h ep e r f o 瑚a j l c eo ft c po v e ri e e e8 0 2 1ld c ff r t s c t sa n d c s m a c a ) i sa n a l y z e dw h e n 卫a ni si nh i g hl o a d ，a c c o r d i n gt ot h i s a n a l y s i sr w b ( r e s e r v ew i n d o wb a c k o 田a l g o r i t h mt h a tc o m m u n i c a t e b e t w e e nm a c 一1 a y e ra n dt r a n s p o r t l a y e ri sp r e s e m e dt oa l l e v i a t et h eb a d i n n u e n c eo fw l a nm a co nt cp t h i sa l g o r i t h mi m p r o v e st h et c p t h r o u g h p u ta n ds t a b i l i t v p m p o s ean e wa l g o r i m ml q f i u 甲o nt h eb a s i so ft h ei d e ao fl q f s i m u l a t i o nr e s u l t sh a v e p r o v e d t h a t1 i s a l g o r i t 量l i i lo v e r c o m et h e d i s a d v a n t a g eo fl q fa n dp e r f o 珊w e l le n d t o e n dp e r f 0 h n a i l c e i i lt h e e n d ，w ei n d i c a t et 1 e如t u r er e s e a r c hw a v so fn o n r e a l t i m et r a f f i c s c h e d u l i n ga l g o r i t h m s k e yw o r d s ： w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n ， l i n k a d 印t a t i o 幽d 印t i v e m o d u l a t i o n ，q o s ，m a p p i n g ，t c p ，c o n g e s t i o nc o n t m l ，w l a n ，m a c ， u m t s ，s c h e d u l i n g ，f a i m e s s ，c r o s s l a y e r ，e 腩c t i v e n e s s i i i 北京邮电大学博j ：学位论文 无线通信系统中跨堪优化技术的研究 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：塑盟型1日期：2 趟! 缉 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阋；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：幽 导师签名：i 盖正 日期：塑! ! 鲨 日期：z 巫：! ：! ! 北京邮电大学博士学位论文 无线通信系统中跨层优化技术的研究 1 1 引言 第一章序论 2 0 世纪8 0 年代以来，全球范围内的移动无线通信技术得到了前所未有的发 展，目前这种发展的势头还在延续，甚至会更快。根据信息产业部的报告，截止 2 0 0 6 年3 月底，全国移动电话用户月均增长5 4 2 1 6 万户，达到4 0 9 6 9 3 亿户，中国 已经成为全球最大的移动通信市场f 1 。目前国内的g p r s 系统和c d m a 2 0 0 0 1 x 系 统已广为商用，现在j 下致力于增加新的业务、增强数据传输能力和提高频带利用 率，并平滑地向第三代移动通信( 3 g ) 过渡。3 g 引入了更多的新技术，除了宽 带c d m a 新技术外，智能天线、软件无线电、多用户信号检测技术等也已成为进 一步提高性能、频带利用率和增加系统容量的关键技术，受到人们的广泛关注。 目前3 g 系统的标准化工作已告一段落。随着3 g 产品的成熟和场外测试工作的结 束，中国颁发3 g 运营牌照的时间越来越近。同时，无论固网运营商还是移动运 营商均看好w l a n ( p w l a n o w l a n ) 连接i n t e m e t 的高速能力及其可移动性， 纷纷跟进其热点饵o t s p o t s ) 布局，并加速相应宽带品牌的运作，以求抢占未来高 端宽带无线用户先机。 无线移动通信可以分成移动通信和无线接入两大方向 3 。随着第2 代移动 通信系统向第3 代系统的发展，无线接八也由无线调制解调器、无线本地环、无 线局域网转向宽带无线接入发展。正走向商用的第3 代移动通信，尽管能提供高 达2 m b i t s 的传输速率，但面对将来爆炸性增长的数据通信需求还是不够，因此 要寻求更高速率的传输系统，开发更高频段信号的应用。随着使用频段的提高， 小区覆盖范围和可移动性能力在下降，这就促使移动通信与无线接入的融合和统 一。另一方面，在有线网络中，i n t e r n e t 的发展更加迅猛，其业务量已经超过 了传统的话音业务量。与此相对应，人们也希望在移动通信中能够同样使用 i n t e r n e t 业务。移动互联网的发展，使得移动电话已经不仅仅是一个语音交谈 的工具，也成为了人们进行各种商业性电子通讯的通信工具。同时，通信的对象 也进一步得到了扩大，从人与人之间扩大到了人与机器之间 2 。在这方面最为 成功当属日本n t td o c o m o 于1 9 9 9 年推出的i _ m o d e 业务。这项业务可以为用户 提供电子邮件、w e b 浏览，以及包括股票和天气等信息查询、银行业务、游戏、 娱乐等的在线业务。 面对宽带业务需求的不断增长，无线传输作为个人通信的重要手段，其矛 盾显得十分突出。尽管第三代移动通信系统能提供m b p s 量级的传输速率，但与 北京邮电大学博士学位论文 无线通信系统中跨层优化技术的研究 宽带业务的发展需求相比还相差甚远，远远不能满足未来个人通信的要求。根据 移动通信1 0 年一代的发展规律，预计在2 0 1 2 年左右将会推出4 g ( 也称为b e y o n d 3 g 或b e y o n di m t 一2 0 0 0 ) 无线通信系统。近年来，第四代移动通信( 4 g ) 的研 发工作正在紧锣密鼓的有序展开，1 9 9 9 年9 月i e e ev t c 国际会议上开始了对 它的公开讨论，成了移动通信发展研究的又一热门话题。 无线互联和无线多媒体应用是未来移动通信系统的主要目标，这对4 g 提出 了更高的要求，包括具有更高的信息传输速率，为用户提供更大的便利性。虽然 4 g 的研究还在进行中，但是目前普遍认为 4 1 4 ，4 g 无线通信网络的特征包括： 涵盖各种无线系统，包括蜂窝网、无线局域网、卫星等，各种空中接口可以与因 特网直接相连，组成一个统一的全球性的网络；以i p 为核心网采用分组交换方 式，向用户提供的峰值速率超过1 0 0 m b i t s ，并能支持用户在各种无线通信网络 中无缝漫游；支持不同类型业务和多种q o s 要求，灵活的用户管理、移动性管理， 更高的安全性；智能、开放的网络业务平台，便于新业务的开发和应用；终端智 能化，可重载等。图卜1 给出了可能的4 g 无线网络。 2 北京邮电人学博士学位论文 无线通信系统中跨层优化技术的研究 图卜14 g 网络示意图 为了支持更高的信息传输速率和更高的用户移动速度，给用户提供更好的 服务质量和更灵活的接入，在下一代的无线通信中，需要打破传统的分层设计思 想( o s i 的七层模型、t c p i p 的五层模型) ，在考虑应用层、传输层、链路层和 物理层结构的基础上，提出跨层的传输结构设计方案 1 5 2 0 。目前，人们已经 习惯于o s i 、t c p i p 的分层网络设计思想，该思想也已为通信系统服务多年。然 而，在无线网络领域，我们在研究各网络、各层性能优化的同时，更要关注物理 层、数据链路层、网络层以及上层之间的互相协调配合对网络性能的影响。在过 去，分层的开放系统互连( o s i ) 设计方法应用得很好，但日益演进的无线网络 正在挑战这种设计。无线通信有别于有线通信很重要的一点，就是无线信道的动 态性 2 l 一2 2 。这主要是指信道传播的开放性和信道参量变化的时变性，引起信 道的频率选择性衰落和时变衰落。用户的移动也会引起接收环境的复杂性( 室内、 市区、郊区与农村) 和接收地点的随机可变。随着移动业务的丰富，用户可以选 择多种应用，其中不同业务有不同的q o s 要求、不同的多媒体流量等等。此外， 未来无线网络除了以低成本达到高数据速率外，还要求在无专用通信基础设施的 情况下，网络具有适应和生存能力。a dh o c 网络就能满足这样的要求，作为非 集中控制网络结构，所有移动节点以约定协议建立全向通信。用户和路由器能在 网络中随机移动的a dh o c 网络，其网络拓扑是不断变化的。上述这些动态特性 是无线通信的一些特点，这导致了系统设计的困难，如何将分散在网络各个子层 的特性参数协调融合，以提升整体网络的性能，这给分组无线网络设计和实施带 来一些新的挑战。 1 2 层间优化技术的发展现状及面临的问题 层间联合设计的概念早在1 9 9 0 年就已经在有线网络中被提出 2 3 ，提出的 原因包括：( 1 ) 处理高速数据业务时，分层设计使得协议头的开销相当大；( 2 ) 未来的网络技术多种多样，异构网之间的通信完全靠传统的i s o 结构不够高效； ( 3 ) 未来的终端需要支持多种服务，考虑不同的q o s 要求，传统的分层结构设 计并没有解决这一问题。但是在当时，各层联合设计的概念并没有引起人们很大 的注意，主要的原因是在当时的应用环境下，分层设计的思想为通信系统提供的 服务基本上还能令人满意。直到2 0 世纪9 0 年代末，随着无线技术的发展、多媒 体需求的增长，传统的分层设计才真正经受了前所所未有的挑战，无线环境下的 跨层联合优化成为了未来移动通信发展的一项关键技术。跨层设计就是网络各层 共享与其它层相关的信息，对无线网络进行整体设计。它并不是完全否定了传统 无线网络的分层模式，而是模糊严格的层间界限，将分散在网络各个子层的特性 3 北京邮电大学博士学位论文无线通信系统中跨层优化技术的研究 参数协调融合。因此，所有层问可以交互信息，使得协议栈能够以全局的方式适 应特定应用所需的q o s 和网络状况的变化，并根据系统的约束条件和网络特征来 进行综合优化，实现对网络资源的有效分配，提高网络的综合性能。跨层设计的 一个重要原则是不孤立地对各层进行设计，利用它们之间的相关性力图将各层协 议集成到一个综合的分级框架中。 1 21 层间优化技术的发展现状 在无线网络环境里，物理信道由于移动性以及多径、阴影等各种衰落因子 的影响常常呈现动态变化的趋势，因此无线多址接入中的各个用户也面临着各自 不同的动态链路特征，在这种条件下，仅考虑用户的需求来进行网络资源分配变 得十分困难。同时，在无线网络中，物理层、链路层等各协议层次之间的关系更 加紧密，相互的干扰和影响也更加显著，所有的这些特征使得跨层协议设计的重 要性日益突出。在无线移动网络中，只有通过跨层协议设计才有可能使得高层的 应用与底层的信道和链路特性有效的匹配，从而充分的利用有限的资源。本节主 要介绍跨层优化现有的一些工作进展，包括有中心网络和无中心网络两种研究对 象。有中心网络方面主要关注以i 髓e8 0 2 1 l 为代表的无线局域网和以3 g 为代 表的移动蜂窝网络，无中心网络方面则主要关注基于8 0 2 1 ld c f 的a dh o c 网络 和无线传感器网络。 ( 1 ) 移动蜂窝网络 蜂窝系统中，无线资源的管理方式充分体现层间联合设计的思想。先进的 无线资源管理策略在空中接口的优化利用方面扮演着十分重要的角色，调度算法 是获得q o s 保证的关键因素之一 2 5 。其中共享信道的分配方式是一个典型的跨 层设计，包括固定分配方式和受控分配方式，由中心节点负责信道的分配，可以 实现q o s 保证，而且用户之间不会产生冲突。3 g 标准中，c d m a 用多个正交伪随 机码把信道分配给多个用户组，但组内各用户对信道的使用仍是共享方式，仍需 要由m a c 协议来解决冲突。m a c 协议和t d m a 、c d m a 等结合，能适应多种业务的 不同服务质量要求。为了使无线资源利用更高效，c d m a2 0 0 0 系统中的高速数据 下载业务充分考虑了跨层设计思想提出了c d m a h d r 技术 2 4 。在c d m a2 0 0 0h d r 技术中，多个用户以时分的方式共享一个高速数据信道，基站对通过它的所有数 据用户进行分集调度，调度的单位时隙长度为1 6 6 7 m s 。移动端利用对导频信号 的测量估测其下一个时隙的可能接收速率并反馈给基站，基站根据各用户的实时 信道信息采用比例公平的原则进行动态调度以实现系统容量的最优。实际上，在 调度策略中利用信道的状态信息，是一种物理层和m a c 层联合考虑的跨层技术。 u 们s 系统中，h s d p a 也有类似的设计，u m t s 使用快速功控机制获得s h o r t t e r m 4 北京邮电大学博士学位论文 无线通信系统中跨层优化技术的研究 信息，来改进下行信道的调度策略。从w c d m a 系统的仿真结果来看，采用这种跨 层技术可以使系统容量增加3 0 以上，无线信道的平均接入时间减少3 5 。随着 多媒体应用在蜂窝网络中的需求与日俱增，给不同的应用提供不同的q o s 变得越 来越重要。适当的接纳控制算法是研究这个问题的关键之一，在接纳控制算法的 研究中，也有不少人考虑了联合优化的方法。文献 2 6 联合考虑物理层参数 s i r ( s i g n a lt oi n t e r e n c er a t i o ) 和网络层参数阻塞率，提出最优连接许可控制 ( c a c ) 机制。该机制用数学模型s m d p ( a v e r a g ec o s tm a r k o vd e c i s i o np r o c e s s ) 描述。这个跨层c a c 机制可以动态的减少计算的复杂度，并且可以得到近似的最 优解。 ( 2 ) 无线局域网 i e e e8 0 2 1 l 协议于1 9 9 9 年成为正式的无线局域网标准，它的m a c 子层称 为d f w m a c ( 分布基础无线媒体访问) ，分为p c f ( 点协调功能) 和d c f ( 分布协 调功能) 两种方式。以c s i a c a 为基础的d c f 是m a c 的基本访问方式，d c f 只能 提供竞争型的异步业务，对数据传输的时延较大。当t c p 应用于8 0 2 1 ld c f 之 上时，在公平竞争的i l i a c 层协议与闭环反馈式的t c p 协议共同作用下产生了一系 列问题。为了解决这些问题，很多跨层设计的工作已经展开。文献 2 7 研究了无 线局域网中t c p 和m a c 层之间的相互影响，讨论了t c p 公平性与m a c 公平性的问 题。文献 2 8 提出了在m a c 层增加自适应延时的方案以改善与t c p 之间的跨层影 响。文献 2 9 则在无线局域网接入有线网络的背景下研究了不同下行t c p 流之间 的公平性。8 0 2 1 1p c f 是另外一种接入方式，它作为一种可选的点协调功能的 访问模式，目的是为了能够给多媒体业务提供q o s 服务。在p c f 模式中，由固定 的无线访问接入点( a c c e s sp o i n t ，a p ) 来控制对介质的访问。由于p c f 按预定 的方式给每个节点确定了一个发射顺序，因此保证了每条数据流的最大延迟。不 少研究 3 0 一3 2 把跨层设计思想应用于p c f 对时隙的分配上，提出联合考虑应用 层和m a c 层，给q o s 要求高的用户分配更多的时隙。现在i e e e8 0 2 1 1 的标准还 在不断发展当中，其中工作组e 制定8 0 2 1 1 e ，以提供对0 0 s 的支持和更高级别 的安全。8 0 2 1 1 e 将会扩展无线网络的应用到多媒体传输、视频会议、媒体流的 分发等。在8 0 2 1 l e 中，无线节点称为q s t a ，它可以通过e d c ( e n h a n c e d d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o na c c e s s ) 年口h c c a ( h y b r i dc o n t r o l l e dc o o r d i n a t i o n a c c e s s ) 两种方式获得信道占用的机会，并在一次信道占用中连续发送多个数据 包。其中h c c a 机制属于集中控制模式，一个控制节点h c ( h y b r i dc o o r d i n a t o r ) 可以优先访问信道，并调度其他q s t a 对信道的访问。这个调度过程中，也体现 了跨层联合设计的思想。控制节点通过发送一个q o s + c f p o l l 控制包使某个 q s t a 可以获得一段t x 0 p ( 发送时机) 来发送多个数据包。这里的q o s 是由应用 5 北京邮电大学博士学位论文无线通信系统中跨层优化技术的研究 层的数据信息决定，不只是不同应用的优先级，还包括同一应用中不同信息的优 先级，比如传输m p e g 4 压缩的视频流，可以把视频信息分成不同层，每一层有不 同的优先级，优先级高的层可获得更多的发送时机。在这种情况下，h c c a 是一 个结合应用层和媒体接入层的跨层设计。同时，在无线链路上实时媒体流的传输 质量会因分组丢失，链路条件快速变化引起的时延而显著降低。为了解决这一问 题， 3 3 提出利用跨层信息的快速链路自适应算法。首先，m a c 层依据s n r 和分 组丢失的统计特性，进行链路自适应调整；然后在应用层，视频编码器根据链路 自适应状态信息，改变压缩比，调整数据速率，以克服信道条件变化带来的影响。 这里应用层编码器利用的是来自m a c 层的信息，而不是解码器的反馈信息，故可 以减少开销。实验证明，这种跨层设计使视频流在传输过程中分组和帧的丢失很 少发生，提高了传输质量，也使得应用层的q o s 参数p s n r ( p e a ks i g n a lt on o i s e r a t i o ) 有了4 d b 以上的增益。 ( 3 ) a dh o c 网络 a dh o c 网络由于其系统的动态性，给跨层优化提供了更广泛的研究空间。 跨层设计可以利用调度技术、预测算法、自适应机制以及系统的多样性特征来缓 解网络动态性带来的设计挑战 3 4 3 6 。调度技术可以减少业务量的突发性，预 测技术可以降低系统的不确定性，自适应技术可以补偿和利用动态性。同时多样 性可以增强系统的健壮性。调度包括利用数据优先级、资源预约和接入调度来保 障高优先级业务的服务质量。预测技术可以减少拓扑变化对网络性能的影响。例 如基于节点的运动模式来预测节点的位置，并采用位置意识的路由协议来提高系 统性能。为了减少资源预约开销，准确的位置和路径可用性预测是非常重要的。 此外，利用预测信息可以减少维护系统操作所需的自适应调节。但是，预测会引 入开销，并且错误的预测会严重影响系统的性能，必须根据网络应用场合来取舍。 自适应机制对于维持a dh o c 网络的正常操作至关重要。借助于跨层协议栈提供 的便捷的信息交互，可以设计应用驱动的自适应资源配置协议，如速率自适应 m a c 、功率意识路由和资源意识的压缩机制。系统的多样性特征包括链路特性多 样性、接入技术多样性、路由选择多样性、内容服务和应用需求多样性等。 在a dh o c 网络中，不仅需要静态的跨层优化设计，还要动态的跨层自适应 机制。动态跨层自适应机制允许各层及时交互信息来协调不同功能模块，适应系 统负载、网络环境和q o s 需求的不断变化。当前存在许多在无线网络中应用跨层 设计的例子。例如， 3 7 提出了在保证q o s 的前提下，无线多跳网络跨层设计中 的联合功率控制和调度问题。根据可接受的信号干扰及噪声比( s i n r ) 和最低速率 来减少在链路中的信号的传输，从而减少系统功耗。 3 8 提出了针对a dh o c 网 络上视频业务而进行的动态调整分组控制方案，这也是一个简单的跨层设计方 6 北京邮电大学博士学位论文 无线通信系统中跨层优化技术的研究 案。网络的路由信息由按需距离矢量路由协议( a o d v ) 获得，并对应用层共享。用 户在发送报文前先检查路由信息，如果路由在跳数上发生改变，系统将调整码率 以适应链路条件。 3 9 提出了在多跳的无线a dh o c 网络中，不同层( 网络层、传 输层及更高层) 利用网络移动节点的拥塞信息，并依此进行不同的处理。在网络 层上，对于先应式路由协议来说，拥塞信息可以作为选择路由的度量标准，同时 节点依此改变转发路由信息的时间间隔：对于后应式路由协议，利用拥塞信息改 变路由发现过程；如果与节点相连的链路处于忙的状态，它将不转发路由请求信 息。传输层采用e c n 机制提高系统吞吐量。对于应用层，如果它了解路由的一些 链路忙等信息，它将在发送前对数据进行压缩。 ( 4 ) 无线传感器网络 对于大部分的网络而言，设计目的单纯是为了传输信息，我们称他们为被 动网络；无线传感器网络则不同，它具有获取多种信息信号的综合处理能力，并 通过与传感控制器的相联，组成了具有信息综合和处理能力的传感器网络，我们 称之为主动网络。 最近几年，随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小，为数不少的 无线传感器网络已经开始投入使用。目前无线传感器网络的应用主要集中在以下 领域：环境的监测和保护、医疗护理、军事领域等等。无线传感器网络由于其独 特的用途，因此有着需要解决的特殊问题。主要包括：( 1 ) 成本问题：一个无 线传感器网络可能包括成千上万的传感器节点，如果每个节点的成本无法降下 来，那么这种巨大的成本投入可能会制约传感器网络的应用和发展。这种成本制 约反映到传感器节点的硬件设计上，直接影响了节点的通信带宽、处理能力、存 储能力以及是否能添加g p s 功能。w s n 的协议栈设计也受到成本问题的影响，它 的设计力图要达到实现方便并且易于升级。( 2 ) 网络生命周期：在某些特殊的 应用环境下，无线传感器网络的布网比较困难，通常希望一次布网能够维持较长 的工作周期，因此电池的有限容量造成了节点功率消耗和功率供应问的巨大鸿 沟。目前主要的解决方案有：功率感知协议 4 0 4 3 ，低功率的硬件设计 4 4 ， 节省功率的睡眠模式，传输范围的优化 4 5 4 6 等等。( 3 ) 功能性：在无线传 感器网络中，有些节点需要承担采集、处理和融合等功能来提高通信效率，同时 每个节点还都承担着多跳路由中的转发功能。对于源受限的传感器节点来说，实 现这种多任务的要求是一个相当大的挑战。 ( 4 ) 高效的无线传感器网络结构， 无线传感器网络的网络结构是组织无线传感器的成网技术，有多种形态和方式， 合理的无线传感器网络可以最大限度的利用资源。在这里面，还包括网络安全协 议问题和大规模传感器网络中的节点移动性管理等诸多问题有待解决。 上面所提到的这些问题，可以归结为三个优化目标，我们用表卜1 进行概 7 北京邮电大学博士学位论文无线通信系统中跨层优化技术的研究 括，并归纳了系统中各个协议层如何设计来解决这些问题。总结现存的问题，要 在网络规模、系统吞吐量、功率消耗、系统生命周期、系统功能和实现的复杂性 上得到最优的设计是很困难的。最近几年来，针对上述问题人们已经提出了多种 的跨层设计方案。根据他们的优化目标，我们把这些跨层方案分为四类： ( 1 ) 减少功率消耗 4 7 4 8 。最近，m i n 研究了在无线传感器网络中如何利用跨层设 计的优点来提高功率效率的必要性和可能性。 ( 2 ) 提高系统吞吐量。为了解决 无线传感器网络的规模问题，文献 4 9 对这个问题进行了理论分析。( 3 ) 实现 o o s 要求。( 4 ) 获得高的资源利用率。这些跨层研究的方法可以包括两类：( 1 ) 设计应用驱动的、自适应的以及资源感知的跨层协议栈，这种设计可以通过层间 共享信息来提高系统性能。例如：速率自适应的m a c 协议 5 0 5 1 ，功率感知的 路由协议 5 2 儿5 3 ，资源感知的压缩方案 5 4 等等：( 2 ) 耦合协议栈的相邻层， 这样可以减少每个层带来的包头开销，从而提高利用率。 协议层网络规模生命周期多功能节点 数据融合，负载检测， 应用层功率感知的模型控制 数据压缩自动模式检测 有限时延负载感知 传输层q o s 和功率之间的折衷 的传输协议的传输协议 节点命名， 功率感知的路由， 负载感知的路由， 网络层有效路由，简单的节点发现， 有效节点发现 减少包头开销 分散存储 竞争控制，同步睡眠，负载感知的 m a c 信道复用传输范围控制 信道分配 物理层超宽带 低功率设计添加特殊功能附件 表卜1w a n 中各协议层的优化方法 1 2 2 跨层优化技术面临的问题 目前，大多数关于无线网络的性能优化仅仅孤立于某一个层进行考虑，这 8 北京邮电大学博士学位论文 无线通信系统中跨层优化技术的研究 种分层的思想并不是一种性能最优的设计。从9 0 年代末，人们提出全面、整体 对无线网络性能进行优化的思想，来适应未来无线通信系统的业务需求。虽然经 过了几年的发展，但是跨层优化不是已经完善，而是刚刚起步。在对跨层优化进 一步进行探讨时还有很多有待解决的问题，其中几个关键性的研究包括： ( 1 ) 针对全网络的设计和优化极其复杂，特别是试图实时动态优化时。在这样的环境 中，一种高效的层间信息调度机制对于层间优化的设计就相当重要。( 2 ) 优化 时使用的衡量的标准是另一个没有办法回避的核心问题。在业务多元化、需求多 元化的情况下，定义有效的衡量指标意义重大。( 3 ) 动态网络优化的最后一一个 关键问题是由谁来控制跨层功能这个过程。 无线网络跨层优化的设计思想仅仅提出并研究了一段时间，可以说还处在 完善阶段。虽然它能提高无线网络的总体性能，但同时也会存在一些负面影响 5 55 8 。首先，跨层设计打破了传统网络分层间的独立性，失去了网络设计的 规律性、结构化，使得网络设计和优化极其复杂，特别是试图进行实时动态优化 时。其次，优化时使用的尺度问题给研究带来了困扰。网络各层传统上有各自独 立的优化准则。例如物理层的设计基本上集中在减小误比特率，m a c 层的设计在 于节点的数据通过速率或信道的有效性，网络层的设计要求时延或路由效率。用 什么尺度能代表所有这些要求? 如何把这些要求综台优化，或者为它们排出优先 级? 再者，跨层设计有可能造成“意大利面条式”的设计各层交互信息，使 层间盘根错节，形成一个闭环。而且目前跨层设计是针对短期内应用