（通信与信息系统专业论文）下一代无线网络的跨层优化mac协议研究.pdf

山东大学博士学位论文 中文摘要 跨层设计思想是下一代无线通信系统的一项关键的理论创新，该方法打破了 传统的分层设计思想，将原来被割裂的网络各层作为统一的整体进行设计、分析、 优化和控制，同时充分利用物理层、m a c 层以及其它各层之问强烈的相关性信息， 进行无线网络协议性能的整体优化。本论文以跨层设计的思想为主线，研究了下 一代无线通信网络的不同标准的系统跨层设计m a c 协议的若干关键问题，并且通 过理论和计算机仿真验证了跨层设计在吞吐量、丢包率和平均延时等参数相对于 传统分层设计在性能上的显著优势。本论文的研究成果为下一代无线通信网络提 供了可参考的跨层优化策略，而且还有助于为下一代无线通信系统的标准化提供 参考。 在本论文中，我们将跨层设计、非线性优化和资源动态分配作为主要的研究 对象，通过建立包含各层参数的统一数学模型，使用非线性优化这个数学工具， 将跨层设计和资源的动态分配有机的结合起来，从而达到提高网络性能的目的。 具体来说，本论文主要研究工作和创新点如下： l 、提出了一种新的基于跨层的链路自适应机制。首先详细研究了已有的链路 自适应机制：自动率反馈机制( a r f ) 、基于接收端的自动率反馈机制( r b a r ) 、 基于m a c 层服务数据单元( m s d u ) 的自适应物理层模式选择机制和基于m a c 层协议数据单元( m p d u ) 的链路自适应机制。通过比较，选择了目前性能 最优的基于m a c 层协议数据单元( m p d u ) 的链路自适应机制作为本工作的 基础，它可以动态的调整m p d u 的数据传输速率，从而使系统性能得到了大 大的提升。基于上述分析，提出了一种基于i e e e8 0 2 1 l a 正交频分复用 ( o f d m ) 物理层和分布式协调( d c f ) m a c 层的跨层链路自适应机制。该机 制通过检测网络负载信息和信道状态信息，动态的调整帧长、竞争窗口的 大小和不同的物理层模式，从而显著的提高了网络的有效吞吐量 ( g o o d p u t ) ，并且减少了网络的丢包。 2 、利用非线性最优化的数学方法，先将理论分析得到的有效吞吐量的表达式 作为目标函数，以帧长、竞争窗口的尺寸和物理层模式的选择作为限制条 件，从而得到优化表达式。经数学证明，该非线性优化问题为凸优化，因 7 山东大学博士学位论文 此可以在凸优化理论的基础上展开，这样便可以使用凸优化的很多良好特 性，方便该优化问题的求解。 3 、提出了一种基于i e e e8 0 2 1 6 e 的跨层自适应子载波分配机制，称为跨层的 无线资源分配机制( c l _ a r r a ) 。这种机制工作于无线m e s h 网络的基站( b s ) 中，即在下行链路中，使用i e e e8 0 2 1 6 e 的正交频分复用多址( 0 f d m a ) 技术来动态的分配子载波，从而达到最大化系统吞吐量，满足服务质量的 要求。该机制分为两步执行：首先基站通过信道状态信息( c s i ) 和队列状 态信息( q s i ) 来动态的分配子载波，以获得子载波分配策略；然后通过已 有的子载波分配策略，获得动态功率分配，并进一步获得下行链路的吞吐 量。该机制不同于已有的其他方法，它可以工作在带有重叠区域的同频率 的相邻小区中，使相邻的小区可以共享频率资源，同时它能使位于重叠区 域中的移动节点发生冲突的概率降为最小，从而最大程度的提高系统的吞 吐量并有效的降低系统的平均延时。 4 、基于上述无线m e s h 网络的下行链路子载波分配机制( c l _ a r r a ) ，提出了一 种新的冲突避免的上行m a c 协议。该协议使用c l _ a r r a 分配的子载波资源， 来对本小区的基站( b s ) 和移动节点( m s ) 进行访问。通过对上行链路传 输机制的研究，提出了一种新的子载波退避算法，该算法动态的调整位于 重叠区域中的移动节点的子载波的数量，从而达到冲突避免的目的。通过 使用二维马尔可夫链( 2 - dm a r k o vc h a i n ) 模型对该m a c 协议进行分析， 表明该协议能有效的降低位于重叠区域中的移动节点发生冲突的概率，从 而提高系统的吞吐量。 关键词：跨层设计；链路自适应；m a c 协议；非线性优化；o f d m a 子载波分配；二 维马尔可夫链 山东大学博士学位论文 a b s t r a c t t h ei d e ao fc r o s s - l a y e rd e s i g ni sak e yt h e o r e t i c a li n n o v a t i o nf o rn e x tg e n e r a t i o 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 i td i s c a r d st h ei d e ao fl a y e r e dd e s i g na n dv i e w s s e p a r a t en e t w o r kl a y e r sa saw h o l et od e s i g n ，a n a l y z e ，o p t i m i z e ，a n dc o n t r 0 1 a tt h e s a m et i m e ，i tm a k e sf u l lu s eo ft h ec l o s e l yr e l a t e di n f o r m a t i o nb e t w e e np h y s i c a l ，m a c ， a n do t h e rl a y e r st oo p t i m i z et h ep e r f o r m a n c eo fw i r e l e s sn e t w o r kp r o t o c 0 1 w i t ht h e i d e ao fc r o s sl a y e rd e s i g n ，t h i st h e s i si n v e s t i g a t e ss e v e r a lk e yp r o b l e m si nc r o s sl a y e r d e s i g no fd i f f e r e n tp r o t o c o l sf o rn e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n ，i tv e r i f i e st h ea d v a n t a g eo f c r o s s l a y e rd e s i g no v e rc o n v e n t i o n a ll a y e r e dd e s i g ni nt h r o u g h p u t ，p a c k e tl o s s ，a n d a v e r a g ed e l a y t h er e s e a r c hr e s u l t sp r o v i d en e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k sr e f e r e n c ec r o s s - l a y e r o p t i m i z a t i o ns t r a t e g i e s a n da r e h e l p f u l f o rt h e s t a n d a r d i z a t i o n i nt h i st h e s i s ，w em a i n l yf o c u so nc r o s s l a y e rd e s i g n ，n o n l i n e a ro p t i m i z a t i o n ，a n d d y n a m i cr e s o u r c ea l l o c a t i o n w eb u i l dt h eg e n e r a lm a t h e m a t i c a lm o d e lw i t hp a r a m e t e r s f r o md i f f e r e n tl a y e r s ，a n du s en o n l i n e a ro p t i m i z a t i o na sam a t h e m a t i c a lt o o lt oc o m b i n e c r o s s l a y e rd e s i g na n dd y n a m i cr e s o u r c ea l l o c a t i o nt o g e t h e rs oa st oi m p r o v et h e n e t w o r kp e r f o r m a n c e o u rw o r ka n dc o n t r i b u t i o n si n c l u d e ： 1 w ep r o p o s ean e wl i n ka d a p t a t i o nm e c h a n i s mb a s e do nc r o s s l a y e rd e s i g n f i r s tw e i n v e s t i g a t et h ec u r r e n tl i n ka d a p t a t i o nm e c h a n i s m si n c l u d i n ga r er b a r ，m s d u b a s e da d a p t i v ep h y s i c a ll a y e rm o d es e l e c t i o n ，a n dm p d ub a s e dl i n ka d a p t a t i o n w e c h o o s em p d ub a s e dl i n ka d a p t a t i o na st h eb a s i so fo u rw o r k ，w h i c hi sw i t hb e s t p e r f o r m a n c et h r o u g hc o m p a r i s o n i td y n a m i c a l l ya d j u s t st h ed a t at r a n s m i s s i o nr a t e o fm p d us ot h a tt h es y s t e mp e r f o r m a n c ei m p r o v e sg r e a t l y b a s e do nt h ea b o v e a n a l y s i s ，w ep r o p o s eac r o s s - l a y e rl i n ka d a p t a t i o nb a s e do ni e e e8 0 2 1lao f d m p h y s i c a ll a y e ra n dd c fm a cl a y e r b yd e t e c t i n gn e t w o r kl o a di n f o r m a t i o na n d c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ，i td y n a m i c a l l ya d ju s t st h ef r a m el e n g t h ，c o n t e n t i o n w i n d o wl e n g t h ，a n dp h y s i c a ll a y e rm o d es oa st oi m p r o v et h eg o o d p u ta n dr e d u c e t h en e t w o r kp a c k e tl o s s 9 山东大学博士学位论文 2 w i t ht h em a t h e m a t i c a lt o o lo fn o n - l i n e a ro p t i m i z a t i o n ，w eu s et h et h e o r e t i c a l e x p r e s s i o no fg o o d p u ta st h eo b j e c t i v e ，a n df r a m el e n g t h ，c o n t e n t i o nw i n d o wl e n g t h ， a n dp h y s i c a ll a y e rm o d ea st h ec o n s t r a i n t s i ti sac o n v e xo p t i m i z a t i o np r o b l e m a c c o r d i n gt ot h ep r o o f t h e r e f o r e ，b a s e do nt h ec o n v e xo p t i m i z a t i o nt h e o r yw i t h g o o dc h a r a c t e r i s t i c s ，t h es o l u t i o ni se a s i l yf o u n d 3 w ep r o p o s eac r o s s l a y e r a d a p t a t i o n s u b c a r r i e ra l l o c a t i o n ，w h i c hi sc a l l e d c i ，：a rra w o r k i n gi nt h eb a s es t a t i o n ( b s ) o fw i r e l e s sm e s hn e t w o r k ，i e ， d o w n l i n k , i tu s e si e e e8 0 2 16 eo f d m at e c h n i q u et od y n a m i c a l l ya l l o c a t et h e s u b c a r r i e r st om a x i m i z es y s t e mt h r o u g h p u ta n ds a t i s f yt h eq u a l i t yo fs e r v i c e r e q u i r e m e n t i ti n c l u d e st w os t e p s ：f i r s tt h eb a s es t a t i o nd y n a m i c a l l ya l l o c a t e st h e s u b c a r r i e r sa c c o r d i n gt oc s ia n dq s is o 勰t oo b t a i nt h es t r a t e g yo fs u b c a r r i e r a l l o c a t i o n ；t h e nw i t l lt h es u b c a r r i e ra l l o c a t i o n , i ta c h e i v e sd y n a m i cp o w e ra l l o c a t i o n t oi m p r o v et h et h r o u g h p u to fd o w n l i n k d i f f e r e n tf r o mo t h e rm e t h o d s ，t h i ss c h e m e w o r k si no v e r l a p p e dn e i g h b o r h o o dc e l l su s i n gt h es a m ef r e q u e n c y i ta l l o w s n e i g h b o r h o o dc e l l s t os h a r e f r e q u e n c yr e s o u r c e sa n dm i n i m i z et h e c o l l i s i o n p r o b a b i l i t yo fm o b i l en o d e si nt h eo v e r l a p p e dr e g i o n t h e r e f o r e ，i ti m p r o v e st h e s y s t e mt h r o u g h p u ta n d r e d u c e st h ea v e r a g ed e l a ye f f e c t i v e l y 4 b a s e do nt h ea b o v ed o w n l i n ks u b c a r r i e ra l l o c a t i o nm e c h a n i s m ( c l - a r r a ) ，w e p r o p o s ean e wc o l l i s i o na v o i d a n c eu p l i n km a cp r o t o c o l ，w h i c hu s e st h es u b c a r r i e r r e s o u r c ea l l o c a t e db yc l 触源at oa c c e s st h eb sa n dm si nt h ec e l l t h r o u g ht h e i n v e s t i g a t i o no nu p l i n kt r a n s m i s s i o nm e c h a n i s m ，w ei n t r o d u c ean e ws u b c a r r i e r b a c k o f fa l g o r i t h m ，w h i c hd y n a m i c a l l ya d j u s t st h eq u a n t i t yo fs u b c a r r i e r so fm o b i l e n o d e si nt h eo v e r l a p p e dr e g i o nt oa v o i dc o l l i s i o n u s i n g2 一dm a r k o vc h a i nm o d e l t h ea n a l y s i so ft h em a c p r o t o c o ls h o w st h a tt h ep r o t o c o le f f e c t i v e l yr e d u c e st h e c o l l i s i o np r o b a b i l i t yo fm o b i l en o d e si nt h eo v e r l a p p e dr e g i o na n di m p r o v e st h e s y s t e mt h r o u g h p u t k e yw o r d s ：c r o s sl a y e rd e s i g n , l i n ka d a p t a t i o n ，m a cp r o t o c o l ，n o n l i n e a r o p t i m i z a t i o n ，s u b c a r r i e ra l l o c a t i o no fo f d m a ，2 一dm a r k o vc h a i n 1 0 山东大学博士学位论文 q a m s i n r s n r a r q h a r q a m c w l a n 肌帆n w w a n o f d m 符号说明 q u a d r a t u r ea m p li t u d em o d u l a t i o n正交幅度调制 s i g n a lt oi n t e r f e r e n c ep l u sn o is er a t i o 信干噪比 sig n a l t o n o is er a ti o a u t o m a ticr e p e a tr e q u e s t 信噪比 自动请求重传 h y b r i da r q混合型自动请求重传 a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g 自适应调制编码 w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k无线局域网 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无线城域网 w i r e l e s sw i d ea r e an e t w o r k 无线广域网 o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g j 下交频分复用 o f d m ao r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga c c e s s 正交频分多址 m a c p h y o o s p e r c s m a c t s r t s a c k c p c w d c f n a v p l c p s i f s e i f s m e d i aa c c e s sc o n t r o l媒体访问控制层 p h y s i c a ll a y e r 物理层 q u a l i t yo fs e r v i c e服务质量 p a c k e te r r o rr a t e分组差错率 c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s 载波侦听多路访问 c l e a rt os e n d允许发送 r e q u e s tt os e n d请求发送 a c k n o w l e d g e 确认 c o n t e n t i o np e r i o d 竞争周期 c o n t e n t i o nw i n d o w 竞争窗口 d 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 分布式协调功能 n e t w o r ka 1l o c a t i o nv e c t o r网络分配矢量 p h y sic a ll a y e rc o n v e r g e n c ep r o t o c o l 物理层汇聚协议 s h o r ti n t e r f r a m es p a c e短帧问间隔 e x t e n d e di n t e r f r a m es p a c e扩展帧间间隔 1 l 山东大学博士学位论文 m i b m p d u m s d u f i f o m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o nb a s e 管理信息库 m a cp r o t o c o ld a t au n itm a c 协议数据单元 m a cs e r v i c ed a t au n i tm a c 服务数据单元 f i r s ti nf i r s to u t 先进先出的排队策略 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 。壹! l 建 日期： 毡竖坦卫 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：窿越导师签组日 期：型掣夕 山东大学博士学位论文 第一章绪论 随着无线移动通信技术的普及和发展，用户对宽带数据业务的需求不断增长， 特别是现今出现的对低时延语音和视频的需求，使得研究开发速率更高、时延更 小、整体性能更优的新一代无线移动通信技术成为当前研究领域关注的重点。同 时，无线通信的新技术不断涌现，例如先进的信道编码、多天线技术( m i m o ) 、 正交频分复用技术( o f d m ) 、自适应技术，特别是无线网络跨层设计思想的提出， 使得提供高速宽带的无线业务成为可能。当f j ，已经投入商用的3 g 系统可以提供 最高达2 m b p s 的数据速率；i e e e8 0 2 1 l a g 的数据速率可以达至u 5 4 m b p s 1 ；由i e e e 8 0 2 1 6 e 技术支持的w i m a x 可以提供高达7 5 m b p s 的峰值速率，并且能够支持移动和 切换，该标准已于2 0 0 5 年制定完成。为了应对上述系统的挑战，3 g 系统从2 0 0 4 年 开始了新的标准化工作：l t e 和a i e 的标准化。由于该标准还处于制定阶段，所以 称它为后3 g ( b 3 g ，b e y o n d3 g ) 或者4 g 2 - 6 。 与3 g 系统相比，下一代无线移动通信系统具有很多3 g 系统无法比拟的优势 2 卜 6 ，例如，下一代移动通信系统具有较高的数据传输速率、较高频谱利用率 和自适应的资源分配方式等。因此它的性能参数也将有很大幅度的提高，现阶段 建议的峰值数据速率将达到1 0 0 m b p s 1 g b p s 3 ，占用的带宽将达到2 0 1 0 0 m h z 等 4 。 1 1 研究背景 无线移动通信技术是当前发展潜力巨大、市场前景最广的热点技术。自上世 纪7 0 、8 0 年代以来，无线移动通信技术已经经历了三代，每一代的发展都伴随着 新技术的创新和发展。第一代移动通信( 1 g ) 是以模拟传输方式实现语音业务， 采用频分多址( f d m a ) 动态寻址技术来组建蜂窝网。第二代移动通信( 2 g ) 是以 数字传输方式实现语音和数据等业务，采用数字的时分多址( t d m a ) 和码分多址 ( c d m a ) 实现动态寻址功能，例如，g s m 和c d m a 。第三代移动通信( 3 g ) 是无线通 信技术发展的新阶段，它是一个开放的多网融合的系统。它将传统的无线移动通 信网络与因特网( i n t e r n e t ) 进行融合，以提供语音、数据等多媒体服务。3 g 系 1 3 山束大学博士学位论文 统引入了智能天线、软件无线忆多川厂 f 言号检删等天键技术以提高系统性能、 频伸利川率和增加系统容量。它l 1 1 耵2 0 0 0 和l m t s 为卜要代表。然而3 g 缺乏统一 的杯准，尽管其且柯较高的f 输速半，迁足尢法满足多媒体通信的要求。凶此， 对丁第四代移动通信系统( b 3 g 4 g ) 的研究也就应运而生了。 如图ll 所示4 ( ，系统也是一个多网融合的无线通信网络集合，它乜括蜂寓 网、无线局域m 、无线r l 组织网络( a d ，k e t w o r k s ) 、无线化感器州纬( s e n s o r n e t w o r k s ) 以及卫星同络等。各种网络通过柯线链路b i n t e r n el 相连，组成个 统的全球性刚络。 尸塑i 鼍 图l i 下一代无线通信系统 近年柬，人们对下一代移动通信系统的关键技术进行了大量的研究。通过最 新的研究成果我们认识到：得到优化的、可灵活配置的网络结构以提高带宽利_ j 率和满足川户小1 叫的q o s 需求是其q | 的重点。但是，基于传统的o s l 分层结构的通 信协议结构小能满足匕进的要求，因此需要打破忙统的分崖改计思想在考虑物 理层、m c 层、m 络层、传输层和应用层结构的基础上提出跨层的传输结构设计方 案：7 1 1 2 j 。跨层设计技术通过在层叫传递信息束邯调并层的工作过程，柬实现 对资源的自适应优化配置，提高频谱和功率的利用率，使系统能够满足并种业务 的小同要求。但是跨层设计作为一项重要的概念创新，它面临着众多的机遇和 挑战。其中，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 山东大学博士学位论文 的性能，无疑是其中最重要的、最需要考虑的一个方面。下面将简要介绍一下与 本论文相关的一些技术背景和研究现状。 1 2 链路自适应技术 链路自适应技术是指随着无线信道状态的变化而自动的调节发射机的相关参 数以克服由于信道的时变性而引起的变化，从而获得最佳通信效果的技术。链路 自适应技术作为下一代移动通信技术中的一项关键技术目前正在被广泛的研究。 实际的无线信道由于受到外界的干扰和多径衰落等因素的影响，其接收信号 的幅度和相位经常产生较大的变化。在早期的无线移动通信系统中，由于硬件条 件的不足，使得系统不能实时改变传输信号的参数。因此在设计无线通信系统时， 为了保证在较差的信道条件下也能获得比较可靠的通信质量，往往加大发射机的 发射功率、使用低阶的调制方式或鲁棒的编码方式来保证通信的质量。但是，通 过这种方式设计的无线系统，如果处于信道衰落条件下，它只能按照信道衰落最 差时的方式来进行通信。因此，这对系统的频带资源是极大的浪费，不能充分的 利用信道容量。 为了克服上述问题，在 i 3 中，作者提出了自适应传输的概念，它将自适应 传输技术与实际的无线信道状态互相匹配，从而保证在信道状态差时能够自动降 低传输效率以提高纠错能力，而在信道状态变好时自动提高传输效率以提高系统 的频带资源的利用率。可见，采用链路自适应技术能够在保证一定传输质量的前 提下，最大限度的利用信道条件，提高频带利用率。 链路自适应技术已经成为当前研究的热点，并被国际标准化组织写入了下一 代无线移动通信技术的标准。下面我们将对常用的无线链路自适应技术进行简单 的介绍。 1 2 1 功率控制机制 功率控制机制是通过改变发送端的发射功率来自适应无线信道的状况的一种 链路自适应技术。它的基本原理是在无线信道条件好的情况下使用较小的发射功 率；而在无线信道条件较差的情况下使用较大的发射功率，以保证接收信号的信 噪比在可以正确接收的范围内，从而使得在不同的无线信道条件下，发送端都可 以以最小的发射功率来保证系统获得固定的传输速率和时延，以保证所要求的通 1 5 山东大学博士学位论文 信质量。 功率控制机制是最早提出的链路自适应技术：1 9 6 8 年，h a y e s 提出了自适应 调整发射功率的功率控制方法；此后，c a v e r s 提出了一种改进的机制，它根据接 收端的电平来调整符号传输速率来对抗衰落信道的干扰，以克服自适应功率调整 机制所带来的较大共信道干扰等问题。由于功率控制机制实现简单，所以它已被 应用于当前的诸多无线通信系统中。 但是，功率控制机制也存在着一些无法克服的缺陷。例如，由于发送端对少 数距离较远的用户采用较大的发射功率，使得它的大部分功率被占用，而无法服 务其他信道条件较好的用户，从而限制了系统容量。此外，无线通信系统的发送 设备根据无线信道的衰落变化来动态的调节各个用户的发射功率，从而导致接收 端接收到其他用户的干扰功率不断变化，这样也造成了一个额外的噪声干扰，影 响了系统的性能。由于功率控制机制存在着如上的缺陷，当前的链路自适应系统 一般不单独使用功率控制技术，而是将它与其他自适应技术相结合，以便克服功 率控制机制自身的缺陷，由此获得最高的系统吞吐量性能和系统容量。 1 2 2 自适应调制编码技术 由于功率控制机制本身所具有的局限性，使得它不能满足日益发展的无线多 媒体数据业务的需求，因此自适应调制编码技术( 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 m c ) 被提出，以取代功率控制机制，成为一种更有效的抗衰落技术。自适应调制 编码技术经历了如下的发展过程：s t e e l e 和w e b b 提出了基于星形q a m 的自适应调 制；o t s u k i 和s a m p e i 提出了更容易实现的基于矩形q a m 的自适应调制；此后，h a n z o 等提出了基于调制转换门限的自适应调制，并进行了深入研究；在此基础上，c h o i 和h a n z o 进一步提出了根据平均信噪比( s n r ) 可变门限的自适应调制；g o l d s m i t h 的研究团队总结了上述的机制，并对a m c 技术进行了一系列理论的推导和实用技 术的研究 1 4 - 1 9 ；z h o u 等人在g o l d s m i t h 的研究基础上，将自适应调制扩展到了 m i m o 信道下，并与o f d m 技术相结合进行空间、时间、频率的多维白适应 2 0 卜 3 0 。 当前a m c 技术已经取代了功率控制技术成为应用最广泛的链路自适应技术之一。 自适应调制编码技术的核心思想是：在以不牺牲误比特率性能( 比如b e r ) 的 前提下，根据无线通信环境和q o s 要求，通过动态的改变发送端的发送功率、波 特率、星座图的大小、编码方案、码率等，或者是综合改变前面所述的各种参数， 1 6 山东大学博士学位论文 在好的无线信道条件下获得较大的吞吐量；而当无线信道质量下降时，相应地降 低传输速率，最终达到提高系统资源的利用率或传输速率，获得较高的系统吞吐 量和容量的目的。研究显示，在几乎各种衰落信道下，速率自适应与恒定速率下 的功率自适应相比，前者能够更好的提高系统吞吐量。因此，在许多无线分组数 据传输系统的国际标准中都采用了自适应调制编码技术，例如作为w c d m a 增强技 术的高速下行分组接入系统( h s d p a ) 、无线局域网( w l a n ) 标准8 0 2 1 1 a ，以及宽 带无线接入系统i e e e8 0 2 1 6 e 等都建议采用自适应调制编码技术来提高系统的吞 吐量以及频谱效率 3 1 3 6 。 1 2 3 混合自动请求重传技术 混合自动请求重传( h y b r i da r q ，h a r q ) 技术是当前链路自适应技术研究的 另一个热点，它结合了前向纠错( f e c ) 和自动请求重传( a r q ) 技术，能够自动 的适应信道的变化，通过对无法j 下确解码的信息的重新传输来自动适应信道的变 化，提高系统的传输性能。另外，混合重传技术还可以根据需求，灵活地调整编 码速率，同时接收端对重传信息的合并解码也会带来额外的时间分集增益，以补 偿由于无线链路的深衰落所带来的误码。由于混合重传技术不需要信道估计，而 是依靠接收端实时接收数据正确与否的反馈信息来决定重传次数和编码速率，因 此它可以提供较为准确的实时信道状态参数。a m c 技术是根据信道环境的变化调整 发送数据的调制编码方案，所以a m c 对于信道状态的测量差错和报告延迟非常敏 感，在实际系统中，往往先通过a m c 提供粗略的调制编码方式的选择方案，由h a r o 技术引入重传机制来提供精确的级数调节，从而提高自适应调节的精度和提高资 源利用率。 除了以上介绍的三种典型的自适应技术，常用的链路自适应技术还包括：自适 应帧长技术、自适应分组技术、自适应q o s 服务等。在无线通信系统中，往往需要 根据实际情况将所需要的自适应技术进行有机的结合，才能达到所需的系统性能 的提升。 1 3 跨层设计 跨层设计就是通过对整个无线网络协议栈进行整体设计，使得网络各层能够 共享与其他层相关的信息，从而达到提高网络性能的目的。跨层设计的概念的提 1 7 山东大学博士学位论文 出可以追溯到上世纪九十年代，对于有线网络问题的研究上 1 2 ，但是，在当时 并没有引起人们的注意。随着无线技术的不断发展，特别是多媒体需求的爆炸式 的增长，使得传统分层结构协议设计的弊端充分暴露了出来，跨层设计又重新为 人们所认识，并成为了下一代无线移动通信技术发展的一项关键技术。但是，跨 层设计并不是完全否定了传统无线网络的分层模式，而是将网络各个子层的相关 参数，通过层间交互信息进行统一的协调，使得协议栈能够以全局的方式来对各 个参数进行统一的调度，从而实现对网络资源的有效分配，提高网络的综合性能。 1 3 1 跨层设计的发展 跨层设计从根本上说是从传统的分层结构的协议体系中发展来的。如图1 2 给出了o s l 分层协议体系结构 3 7 ，它的每层协议用来解决特定的问题，并向上 层提供服务。这种分层结构最重要的特点是：通信只发生在相邻的两层之间。因 此，这种分层体系结构只需准确描述相邻两层间的接口，具有较好可扩展性。 图1 2o s l 分层结构的协议栈 但是，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 相邻的两层之问以固定的方式进行通信，且信息交互的时延较长。这样，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有限的频 谱资源及功率资源进行有效的利用。为了解决这个问题，人们提出了跨层设计机 制 3 8 - 4 0 ，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，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 山东大学博士学位论文 置。例如，链路控制层及媒体接入控制层利用物理层的信道信息来调整数据的发 送方式 4 1 ，即为跨层设计思想的应用。跨层设计的基本原理如图1 3 所示。从 图中可以看出，跨层设计的协议栈增加了一个叫做网络状态模块的组件，该组佳 、 与协议栈的各层相连接，来存储和协调各层的关键参数，使得信息能够在协议栈 的各层之间传递，而不再将信息的传递限定在相邻的两层之问，从而优化和提高 系统的性能。 应用层 n 传输层 o，二l _ 网络层 艾 功 今书 0 性 = f ； m a c 层 u 物理层 、； 分层信息交换 图1 3 跨层结构的协议 1 3 2 跨层设计的研究现状 当前，国内外对跨层设计的研究根据研究方法的不同主要分为三类 4 2 4 4 ： 由协议栈的上层到下层的跨层设计机制、由下层到上层的跨层设计机制和混合跨 层设计机制。第一种机制是高层信息被直接传递到协议栈的底层，而底层根据高 层的指示信息调整自己的策略以满足高层的要求；对于第二种机制，正好相反， 由底层提供状态指示信息，而高层根据底层传来的信息做出相应的决策；而最后 种机制综合考虑了多层之间相互的信息共享，即在将上层的信息传递到下层的 同时，也需要将下层的信息传递到上层，以达到综合调度参数来进行跨层设计的 目的。因此，基于上述三种方法，我们对于跨层设计的研究主要集中在针对不同 层之间参数的选择、传递和优化，以及基于跨层设计思想改善整体性能的目标函 数的分析上。 1 9 山东大学博士学位论文 1 3 2 1 物理层上的跨层设计机制 物理层的功能就是利用一定的发送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。物理层的参数主要包括：发送功率、误比特率及调制编码 j 方式等。因为m a c 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m a c 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， 由淞c 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； 同时m a c 层作为中介所反映的无线信道的状态，也能作为网络层路由选择的根据， 从而最终影响传输层和应用层，图l 一4 表示了它们之间的关系。下面我们详细介 绍它们之间的信息交互机制。 功率 十 c s i 应用层 传输层 网络层 m a c 层 一糕；： 信源编 码速率 路由 下 c s i 图1 4 物理层上的跨层设计 1 物理层与m a c 层 m a c 层能够通过增加发送功率来降低物理层的误比特率，同样，m a c 层也能够 通过采用更强的前向纠错控制机制来降低误比特率。但是，增加发送功率及采用 较强的差错控制机制都会增加系统的功耗。因此，需要采用前述的联合控制的方 式来改善系统性能。文献 4 6 中针对i e e e8 0 2 1 1 网络 4 7 讨论了实现物理层及 m a c 层联合优化的方案。 2 物理层与网络层 物理层的信道状态信息( c s i ) 能够被网络层用来作为其路由选择的依据。例 如，网络层根据信道状态信息利用路由功能选择最优路径，以便在不同的信道上 传输不同速率和不同优先级的数据。 2 0 山东大学博士学位论文 3 物理层与应用层 用户能够根据其在应用层中不同的业务对物理层的特性进行调整 4 5 。例如， 多媒体业务可以根据其从物理层获得的信道状态信息对编码方式和速率进行调 整。由此可见，经典的信源信道联合编译码技术就是物理层和应用层跨层设计的 具体实例。 1 3 2 2m a c 层上的跨层设计机制 m a c 层的功能主要包括：通过前向纠错( f e c ) 机制及自动请求重传( 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