（信号与信息处理专业论文）无线通信中的跨层设计技术研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 传统有线网络采用分层的协议设计策略，保持各层协议设计的独立性，这也降低了 网络协议开发和实现的难度。然而，在无线网络中，无线信道自身所固有的路径损耗、阴 影效应、多径传播等特性是制约无线通信系统性能提高的“瓶颈 ，无线环境的不确定因 素，导致了信道容量和误比特率的时变特性，所以协议栈的分层设计无法保证网络的最佳 资源利用率和用户的业务质量需求。在这种背景下，跨层设计技术应运而生，并逐渐成为 近年来无线通信的研究热点之一。跨层设计打破了传统通信网络各层协议独立设计、独立 优化的思维束缚，将物理层、m a c 层、路由层乃至更高层的信息综合考虑，加强了层与 层之间的交互，最终从整体上对整个通信系统的性能加以优化，提高用户和网络的各项 q o s 指标。 本论文主要对跨层设计在新一代无线通信中的应用进行研究。首先对采用 o f d m c d m a 技术的蜂窝小区中的无线资源分配问题进行研究，采用跨层设计策略优化 基站端实时用户信号干扰噪声比的设置，增大了系统容量：然后研究了基于a m 机制的 多跳m e s h 链路的丢包率和时延特性，使链路层排队信息有效地与物理层的自适应策略结 合起来，提高端到端的吞吐量；最后对环状多信道m e s h 网络中p h y m a c 联合设计技术 进行了探索，调和了m e s h 小区覆盖范围和无线链路容量这一对矛盾。各部分仿真分析均 表明，采用跨层设计策略的确能够有效地提高无线通信系统的性能。 关键词：跨层设计；服务质量；o f d m c d m a ；自适应策略；无线网状网 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t l a y e r e dp r o t o c o ld e s i g ni su s u a l l ya d o p t e di nt r a d i t i o n a lw i r e dn e t w o r k s ，w h i c h m a i n t a i n st h ei n d e p e n d e n c eo fe a c hl a y e r , a n dt h i ss c h e m ea l s om a k e si te a s i e rt od e v e l o p n e t w o r kp r o t o c o l s b u tl a y e r e dd e s i g nc a n n o tb ea p p l i e dd i r e c t l yi nw i r e l e s sn e t w o r k s b e c a u s es u c hc h a r a c t e r st i e dt ow i r e l e s sc h a n n e la sp a t h - l o s s ，s h a d o we f f e c t , m u l t i - p a t h t r a n s m i s s i o n ，e t c a r et h e “b o t t l e n e c k s t of u r t h e ri m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h e r ea r eal o to fu n d e t e r m i n e df a c t o r sw h i c hm a ym a k et h e c h a n n e lc a p a c i t ya n db i te r r o rr a t et i m e - v a r i a b l e s ow ec a ns e et h a to p t i m a lr e s o u r c e u s a g ea n dq o sc a n n o tb er e a c h e dw i t hl a y e r e dp r o t o c o l s u n d e rt h ec o n d i t i o n sd e s c r i b e d a b o v e , c r o s s - l a y e rd e s i g nt e c h n i q u ei s b o r na n db e c o m ea h o t - p o i n t ”o fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nr e s e a r c h i n gf i e l d i nc r o s s - l a y e rs c h e m e ，p r o t o c o l so fd i f f e r e n tl a y e r sa r e n ol o n g e rd e s i g n e da n do p t i m i z e di n d e p e n d e n t l y , w h i l et h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nd i f f e r e n t l a y e r si se n h a n c e d ，a n di n f o r m a t i o nf r o mp h y 、m a c 、r o u t i n ga n de v e nh i g h e rl a y e r sm a y b eu s e dt oo p t i m i z et h ep e r f o r m a n c eo ft h ew h o l es y s t e ma n dt oi m p r o v et h eq o si n d i c e s o fu s e r sa n dn e t w o r k s i nt h i st h e s i s ，w ew i l lf o c u so nt h ea p p l i c a t i o no fc r o s s - l a y e rd e s i g ni nt h en e w g 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 s f i r s t l y , t h ew i r e l e s sr e s o u r c e sa h o c a t i o ni s s u eo f o f d m - c d m ac e l l si sc o n s i d e r e d c r o s s - l a y e rd e s i g ni sa d o p t e dt oo p t i m i z et h es e t t i n g so f r e a l - t i m eu s e r s s i n ra tt h eb a s es t a t i o n ，w h i c hi n c r e a s e st h es y s t e mc a p a c i t y s e c o n d l y , t h e p a c k e td r o pr a t ea n dd e l a yo f a na m - b a s e dm u l t i - h o pm e s hl i n ka les t u d i e d s i n c et h e q u e u i n g i n f o r m a t i o ni nl i n kl a y e ra n dt h ea d a p t i v es t r a t e g yi np h ya r cu n i t e de f f i c i e n t l y , t h ee n d - t o - e n dt h r o u g h p u ti si n c r e a s e da c c o r d i n g l y a tl a s t , w ep r e s e n tt h ep h y m a c j o i n t - d e s i g nt e c h n i q u ei nr i n g - b a s e dm u l t i - c h a n n e lm e s hn e t w o r k s ，w h i c hb a l a n c e st h e c o v e r a g eo fm e s hc e l l sa n dt h ec a p a c i t yo fw i r e l e s sl i n k s f r o mt h es i m u l a t i o na n d a n a l y t i c a lr e s u l t si ne a c hp a r t ，w ec a nc o n c l u d et h a tc r o s s - l a y e rd e s i g nc a ne f f e c t i v e l y i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fw 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 k e yw o r d s ：c r o s s - - l a y e rd e s i g n ；q o s ；o f d m - c d m a ；a d a p t i v es t r a t e g y ；w m n l l 南京邮电大学硕士研究生学位论文 缩略语 a m 心 a r q 缱科g n c d 队 c r c c s i c s m 眦a d l l e c n f e c f i f o g w l s i l l c l l u m c n e t m c l m o m r m r c n 斟 n d m o f d m p d u p e r p h y 缩略语 a d a p t i v em o d u l a t i o n a c c e s sp o i n t a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t a d d i t i v e 纾盈i t eg a u s s i a nn o i s e c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n c a r r i e rs e n s i n gm u l t i p l ea c c e s s c o l l i s i o na v o i d a n c e d a t el i n kl a y e r e x p l i c i tc o n g e s t i o nn o t i f i c a t i o n f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n f i r s ti nf i r s to u t g a t e w a y i n t e r - s y m b o ii n t e r f e r e n c e l o g i cl i n kc o n t r o l l i n kl a y e ru n i t m e d i u ma c c e s sc o n t r o l m o b i l ea dh o cn e t w o r k s m e s hc l i e n t 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 e s hr o u t e r m a x i m a lr a t i oc o m b i n i n g n e t w o r ka l l o c a t i o nv e c t o r n e t w o r k - a s s i s t e dd i v e r s i t ym u l t i p l ea c c e s s 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 p r o t o c o ld a t au n i t p a c k e te r r o rl b t e p h y s i c a l l i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文缩略语 p s t n q o s r s n r r t s ，c t s s 姗 u d p w b n 、l a n 删 w s n p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k s q u a l i t yo fs e r v i c e r e c e i v e rs i g n a lt on o i s er a t i o r e q u e s t t os e n d c l e a rt os e n d s i g n a lt oi n t e r f e r e n c ea n d n o i s er a t i o u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l w i r e l e s sb a c k h a u ln e t w o r k s w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s w i r e l e s sm e s hn e t w o r k s w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s i v 南京邮电大学学位论文独创性声明 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。 研姓始蚴魄丝型侈 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：馘导师签名：盖冬玉缝三一日期：咄 南京邮电大学硕士研究生学位论文 绪论 1 1 跨层设计综述 第一章绪论 1 1 1 跨层设计的产生背景 基于高可靠性有线传输环境的传统通信网络协议栈采用分层设计思想，各层彼此透 明，保持各层协议设计的独立性，以简化网络协议开发和实现的难度。事实也表明，分层 结构的协议栈在传统有线网络中工作地很好，且每层分别最优即可使系统整体性能最优。 然而，在无线网络中却不存在这种最优相加原理。恶劣衰落无线通信环境中的不确定因素， 导致无线信道容量和误比特率等的时变特性，传统分层设计方法无法保证网络的最佳资源 利用率和用户业务的q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 需求，各层的最优设计并不能带来整个通 信系统的性能最优化。为了改善无线网络的整体性能，物理层p h y ( p h y s i c a l ) 、数据链 路层d l l ( d a t el i n kl a y e r ) ( 含m a c ( m e d i u m a c c e s sc o n t r 0 1 ) 与l l c ( l o g i cl i n kc o n t r 0 1 ) 子层) 、路由协议和传输协议，甚至应用层必须与其他各层进行有效的信息交互，以适应 其他层特性的变化，于是网络协议跨层设计的思想应运而生。 事实上，跨层设计思想由来已久，但过去主要用于系统设计和软件设计【lj ，真正用到 无线通信网络协议设计上来还只是近几年的事。近两年，将跨层设计思想用于各种类型的 无线通信网络来提高网络整体运行性能，为用户提供更优质的业务，成为一种潮流，受到 业界及学术界的广泛重视。在蜂窝通信【2 1 、w l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s ) 3 1 1 4 、 蓝牙、m i m o ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l e0 u t p u t ) 1 5 】【6 】【7 1 、o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 【8 】【9 】、无线传感器网络、无线多跳网络、a dh o c 网络以及无线通信系统q o s 保证【lo j 和系统优化设计等领域均得到广泛深入的研究并取得了一定的成果。然而从整体 看来，学术界对跨层设计研究的探索仍然不够深入和全面，随着无线通信网络类型的增多， 许多新型无线网络( 比如无线m e s h 网络w m n ，w i r e l e s sm e s hn e t w o r k s 1 1 】【1 2 】【1 3 】以及无线 骨干网w b n ，w i r e l e s sb a c k h a u ln e t w o r k s 1 4 】【1 5 】) 的跨层设计研究甚至才刚刚起步，诸多 问题还正在解决之中。因此，跨层设计这一方法论是有广阔的研究前景和价值的。 1 1 2 跨层设计的必要性 1 无线信道的动态特性 雨京邮电大学硕士研究生学位论文绪论 无线信道的物理特性( 信道传播的开放性和信道参量的时变特性等) ，使无线信道成 为一种非常不稳定的传输媒质。无线信道的这种动态特性增加了无线通信网络设计的难 度，而且人们为了保证可用性，往往只按照信道性能最差的情况和系统最低要求进行保守 设计，这在信道质量较好的情况下会造成频谱、功率等资源的浪费。由文献【1 6 】，无线信 道为机会通信提供了可能，而如果采用严格的分层协议设计，将无法充分利用无线信道的 机会通信特性。比如，时变链路要求信道的机会使用，传输参数要能随着信道质量的变化 做出迅速准确的自适应调整。无线媒质自身的广播特性也引发了新的通信模式的出现。比 如，物理层多包接收技术【1 7 1 的出现使得m a c 的接入方式发生了重大变革，要求物理层和 m a c 层紧密互动：另外，通信节点还可利用其固有的广播特性同其邻居节点进行协作通 信【18 】【1 9 1 ，提高系统性能。为了充分发挥这些新通信模式的效能，在协议设计中都要求打 破原来分层结构的限制 2 传统通信系统分层参考模型的弊端 传统的通信系统设计采用严格的分层o s i 参考模型，单独对各层进行设计和优化， 各层之间彼此透明，当前层通过服务接入点( a p ，a c c e s sp o i n t ) 利用下一层提供的服务， 并通过服务接入点向上一层提供服务，而把如何实现这一服务对上一层加以屏蔽。这种方 法简化了整体网络设计的复杂性，而且满足了软件设计的信息隐藏原则，因而得到了广泛 应用。遵循o s i 设计理念必然摒弃协议层之间的跨层交互，禁止非邻接层之间的直接通 信，邻接层之间的交互也仅限定于“呼叫 和“响应”( 层间通信原语) 。然而，不同协议 层中存在一定的信息冗余，比如物理层和m a c 层对信道估计、同步信息、误码率以及信 号强度等信息的处理结果，可以应用到发送端到接收端的距离估计中来；另一方面，节点 位置和网络拓扑信息也可以被其他协议层充分利用，如信道估计、功率控制、移动性管理 等。传统o s i 严格分层的参考模型不能对无线网络资源进行整体管理，也使得网络性能 不能得到整体最优化。 3 新一代无线因特网进展的要求 随着因特网应用的进一步广泛，人们希望不论何时何地都能高速准确地接入因特网， 无线因特网的需求便应运而生。下一代无线通信的一个重要的演进趋势是网络体系结构的 全i p 化，因此需要对控制因特网工作的协议作较大的修改或扩展，几乎包括对整个协议 栈所有层的修改。无线因特网主要是由接入网和核心网两部分构成。接入网提供终端和网 络其他部分之间的所有无线或有线的接入通信；核心网由各种网络实体构成，负责在本地 网内以及本地接入网和其他分组数据网之间的分组路由。另外，核心网还负责这些网络实 体之间的信令传输。 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 绪论 一般来讲，提供可靠的端到端动态q o s 保证是无线移动因特网需要解决的关键问题。 许多用户都要求端到端数据传送的可靠性、实时性，同时还要求流量控制、拥塞控制以及 充足的带宽分配保证等。这必将涉及到整个协议栈。接入网是由物理层支持、链路层控制 的，为了支持多种接入方式，物理层必须具备对应不同接入网的多个接口。为了通过不同 的接入网络同时建立多个链接就必须要修改链路层。网络层作为无线因特网的核心要求其 对i p 协议进行较大的修改，使它能够处理有线和无线传输环境下的路由选择和在异构网 络之间切换的任务，此外，还要求i p 地址具有移动性。传输层协议是端到端的，而这之 间有两个不同的网络段有线部分和无线部分，这两者的传输性能、路由机制等截然不 同，对它们实施统一的端到端传输控制显然是不合理的。因此对现有的传输协议也要作相 应的修改和扩展。总之，需要综合考虑所有层的协议来实现无线因特网的目标。 未来无限因特网必将是各种异构网络的融合( 特别是在接入网部分，包括蜂窝接入、 a dh o c 、w l a n 、w i f i 、w i w a x 等) ，主要业务为实时、高速的多媒体应用，总体的协议 栈为一种自适应的结构，不仅要求根据本层的相关参数进行自适应调整，大多数情况下还 必须考虑其它层的相关参数，这就涉及到跨层设计技术。因此，从无线因特网协议栈的结 构角度而言，采用跨层设计是必要的，也是必需的。 1 1 3 跨层设计的定义 跨层设计是一种协议设计的方法论。在传统的分层协议设计中，实现网络功能的协议 按照层的方式进行组织，当前层协议只利用它下一层所提供的服务而不关心这些服务是如 何实现的。而打破这种参考的层结构，比如允许非邻接层间的直接通信或在不同层间共享 变量都可看作是跨层设计。 定义：对于特定的分层结构，通过打破其参考的层间通信结构来进行协议设计，提高 通信系统性能的方法叫做跨层设计【2 0 1 。 1 1 4 跨层设计的分类 迄今为止，已经有相当数量的研究跨层设计方法的论文，综合起来，这些论文所提出 的跨层优化设计方案绝大部分可以归于以下四种基本类型【2 0 】： 建立新的层间接口 将邻接层合并为一个新的“增强舯层 建立层与层之间的耦合关系 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文绪论 设定多层共用的参数 下面，我们这四种基本类型进行一一深入讨论，并相应的举若干例子进行说明佐证。 当然这些例子仅仅是为了更直观详细地说明这种分类，并不能代表相应跨层设计类型所有 的情况。并且以上几种类型可以进行综合，提出更为有效、更为复杂的跨层方案。讨论中 所用到的是一种典型的通用无线通信5 层协议结构，如图1 1 所示，从上往下依次为：应 用层，传输层，网络层，数据链路层( 包括逻辑链路子层和m a c 子层) 和物理层。每一 层都执行它们那些广为人知的功能。 应用层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 图1 1 通用无线通信5 层协议结构 建立新的层间接口 有些跨层设计的方案是在层间建立新的接口，用于通信系统运行时在层间进行信息流 通和共享。这种跨层设计类型根据新接口之间的信息流向还可细分为以下三种： a 上行流：跨层设计信息从较低层流向较高层 b 下行流：跨层设计信息从较高层流向较低层 c 往返流：跨层设计信息在层间循环往复 下面分别举例对这三种子类型进行解释说明。 a 上行流系统运行时，高层协议需要从低层协议获取信息，这导致了建立从较 低层到较高层的接口这种跨层形式出现。比如，一条端到端的t c p 连接包括一段无线链 路，无线链路中的传输差错会使得t c p 发送器错误地将此认为是t c p 拥塞，从而频繁触 发t c p 超时重传机制，导致不必要的性能下降。如果对t c p 协议采用跨层设计，使传输 层充分利用路由器提供的e c n ( e x p l i c i tc o n g e s t i o nn o t i f i c a t i o n ，显式拥塞通知) ，就可以 使t c p 发送器准确地对网络拥塞和链路传输差错进行鉴别，做出正确的处理决策。类似 的上行流跨层设计还有信道自适应调制或链路自适应的m a c 层设计。这种概念是根据物 理层信道变化情况，将传输参数( 功率、调制方式、编码速率等) 进行自适应调整并通过 新接口向上传给链路层( m a c ) ，使之能对接入策略、重传策略等进行适时调整。 b 下行流系统运行时，需要建立从高层到低层的接口，由下行信息流将设计参 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文绪论 数传给低层使用。比如，应用层可以将业务的时延要求向链路层进行通告，则链路层将会 对那些时延敏感业务的数据包进行优先处理。 c 往返流执行不同功能的两个层可以在网络运行时彼此合作。一般，这需要在 这两层间建立一对相对的接口，跨层信息在这对接口组成的环中循环流动。比如，文献【2 1 】 提出的基于多包接收的n d m a ( n e t w o r k a s s i s t e dd i v e r s i t ym u l t i p l e a c c e s s ，辅助网分多址) 技术，物理层和m a c 层相互协作，给出了一种新颖的w l a n 系统上行链路冲突解决方 案。随着多阵列天线、扩频码分集特性的挖掘，以及多用户检测技术的发展，使得收方可 以分离出多个用户同时发送的数据信号，从而冲突信道模型变成了多包接收信道模型。因 此，基站首先检测出上行链路的冲突，并估计出已经冲突的用户数，然后从冲突集中选出 一定数目的重传用户进行重传，而后采用先进的物理层信号处理技术从这些冲突用户信号 中分离信号。 将邻接层合并为一个新的“增强”层 另一种跨层方式是将两个或两个以上邻接层合为一体设计，构成所谓的“增强层。 “增强层内部各子层之间不需要增加任何新的接口。从协议结构上来讲，它和其余层之 间的接口均可保持不动，执行原来功能。在新型网络结构w m n 中，这种方法采用较多。 比如，m a c 层和路由层之间的互动是如此的紧密，以至于仅仅在二者之间相互传递参数 是不够的，将m a c 层和路由层合为一体就有可能更充分地利用网络资源，提高性能，像 m a n s o o r a l i c h e r r y 在其论文【1 1 】中，就给出了多无线电w m n 中一种联合信道分配和路由策 略的跨层方法，将2 、3 层界限模糊，合为一体，在保证公平的前提下将分配给每个业务 聚合点的带宽最大化，从而最大限度地提高了系统吞吐量。 建立层与层之间的耦合关系 建立层间的耦合关系也是一种跨层设计的策略。这种方式也不需要建立共享信息的新 接口。耦合的含义可以理解为：某一层协议的设计需要以其它层的设计作为参考，如果想 对某层协议进行修改，必须同时对其余和它耦合的层进行修改，否则是不可能的。单纯的 对某层进行新协议取代则更不可能。比如，文献中的观点，物理层信号处理技术的飞 速发展( 多包接收、m i m o 等) 必然会导致m a c 层角色的转变，单纯的设计m a c 层来 解决多用户数据包冲突问题很显然不能充分挖掘网络资源。 设定多层共用的参数 最后一种跨层设计类型是设定多层共用的参数，顾名思义，这就是通过调整那些“贯 穿于各层之间的通信参量来提升系统性能。从应用层次来看，网络性能是以下各层通信 参数的一个函数。因此，对“贯穿 参量的调整比单纯调整某一层的参量更为有效。比如， 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文 绪论 文献吲给出的例子中，业务的时延要求在链路层体现为a r q ( a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ， 自动请求重发) 数据包重传次数限制，在物理层体现为通过信道自适应调制机制实现的速 率选择的输入参量。 共用参数可通过静态方式设定，即在协议设计阶段就通过某种最优化准则确定通信参 数。因为在系统运行时这些参量恒定不变，所以其实现难度不大。也可以通过动态方式设 定，即“贯穿”参量在系统运行时根据信道质量、业务流量等变化不断自适应调整。显然 这种方式效果更佳，但同时会带来很大的系统开销，因为要保证更新信息的实时准确，这 在具体实现上有相当的难度。 1 1 5 跨层交互实现模式 实现跨层交互可有以下三种模式： 图i 2 三种跨层交互实现模式 层间的直接通信 系统运行时实现层间信息共享的一条直接路径是允许它们进行直接通信，如图1 2 a 所示。这种实现模式适用于那些需要层间共享信息的跨层设计类型，比如建立新接口和设 定多层共用参数。严格分层设计中，每层只关心自身管理的变量，而对其他层进行信息屏 蔽。而层间的直接通信意味着使某一层的参数对其它层可见。 建立公用数据库 另一种实现模式是建立所有层均可访问的公用数据库，如图1 2 b 所示。在某种意义 上，这个公用数据库相当于一个新层，向所有层提供信息存储和查询服务。文献给出 了种基于公用数据库的跨层设计模型，首先在各平行通信层的纵向建立4 个( 安全性、 q o s 、移动性、无线链路自适应性) 协调平面，再建立一个中央跨层协调管理器，如图 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文绪论 1 3 所示。 应用层 = = 链 中央 i 传输层 安q移 路 睁。 跨层 全o 动 自 协调 i 网络层 性 s 性适 p 。 管理 应 器 i 数据链路层bl ，n _ hh u p h ，“ 图1 3 基于公用数据厍的跨层设计模型 安全性协调平面的主要作用是消除多个通信层之间的加密；q o s 协调平面负责在整 个协议栈中分配q o s 的需求条件和约束条件，并协调各层之间的工作；移动性协调平面 用于解决移动性带来的问题，如促进t c p 拥塞控制、移动i p 等之间的交互；无线链路自 适应协调平面用于描述跟无线链路层有关的跨层问题，包括b e r 与发送速率之间的自适 应性等。 每个通信层向中央跨层协调管理器( 其实就是一个网络状态信息数据库) 传送该层相 关模块或协议的“事件和“状态变量 。这些事件可以触发管理器中的管理算法，并通 过相应的“状态变量 ，查询和调整各层相关协议或模块内部状态。 完全抛弃层结构 第三种模式完全抛弃了协议层的概念，将协议模块重新进行抽象组织，如图1 2 2 c 所 示。比如文献【2 4 1 就提出了从“栈 到“堆 这种新的基于角色的协议结构设计理念。这 种新颖的协议组织方式使协议模块间拥有十分丰富的接口进行信息流通共享，并提供了更 强的可扩展性。因为此种模式完全颠覆了原来的协议分层概念，因此可能会需要进行系统 级的具体实现。 1 1 6 跨层优化设计中常用数学处理方法 跨层设计的基本思想和原则就是充分利用现有网络资源( 包括码字、传输功率、信道、 调制方式、天线分集、调度策略、路由等) ，达到系统总吞吐量的最大化、总传输功率最 小化、q o s 最优化等最终目的，其制约瓶颈在于系统所允许的最大传输功率、最大时延 限等。同时，要对网络性能提高和实现复杂度这对矛盾进行综合权衡折中。因此跨层问题 最终是是一个约束最优化问题，常用的数学处理方法【2 5 】如下： 分析法：通过l a g r a n g e 乘子法、凸集优化等方法把问题近似、简化处理，得到简 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 绪论 洁的分析结果或快速收敛算法等。其优点在于，通过简单的数学方法便可以得到最佳方案， 劣势在于性能受近似、简化处理程度的影响较大。 最优控制法：通过最优控制，可以将跨层设计问题转化为约束优化类问题，如非 线性规划、整形规划等。该方法可以快速实现，且接近现实情况，但复杂度较高。 博弈论法：在多用户通信系统中，单个用户并不了解其他用户的状态，因此无法 协同共享网络资源，仅以分布式方式从自身利益最大化的角度出发竞争网络资源，以提高 自身性能。因此，可利用纳什均衡理论来解决满足单个用户性能需求与提升系统整体性能 两者间的矛盾，达到网络资源利用效率最大化的目的。 动态规划法：由于无线通信环境的时变性，可通过动态规划实时地选择最优策略， 如通过实时获取业务队列状态信息来动态调整调度策略，期望在充分照顾各业务队列的公 平性基础上，尽可能地提升系统整体性能。如此可能导致以下结果，在某一时刻( 或某一 时间段) ，牺牲了单个用户的个体利益( 如暂时不能保证其q o s 等) ，但提高了系统的整 体性能，而且，该用户的暂时损失可能会在将来的某个时间得到系统补偿。 1 1 7 跨层设计的有效性、局限性和需要解决的问题 跨层设计从全局角度出发，充分利用各层之间的交互作用和依赖关系，对网络性能进 行整体优化。但是，跨层设计本身的优劣现在仍有争论，具体实现中仍有许多值得注意的 问题。比如，跨层设计在提升网络性能的同时必然会带来协议设计上的复杂性，这是一对 矛盾，如何根据实际情况对其进行权衡，是一个难题；另外，跨层设计与现有设计能否良 好地兼容，给出可标准化的新接口，在维护和管理上是否存在难以解决的困难，会不会带 来系统的不稳定等，这些都是不可预知的消极影响。 另外，当前的通信系统适不适合引入跨层设计，引入何种跨层设计也是一个重要问题。 虽然从对通信系统进行资源管理和整体优化的角度讲，不同的协议层之间有跨层信息交互 的必要，但是，不必要的跨层信息交互可能会对整个系统的性能产生消极影响，甚至将严 重威胁到系统的稳定性。如在网络层的路由选择中，为控制链路的拥塞，有必要把传输层 的链路拥塞进行控制，避免某些链路出现“瓶颈效应”；另一方面，由于网络层根据传输 层的拥塞信息而选择了其它链路，有可能使得原本不拥塞的链路拥塞情况比原本拥塞的链 路的拥塞情况更严重，如不加以限制，有可能造成路由选择算法出现“死循环 ，从而影 响系统稳定性。 。 此外，采用跨层设计的系统的健壮性及可扩展性都需要认真考虑。因为跨层设计涉及 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文 绪论 到不止一个协议层；对某一层的改变，可能会对系统其他层产生影响，甚至需要对整个系 统协议栈进行重新设计。在对系统进行跨层设计的过程中，系统性能优化及其采用的跨层 设计结构模型之间存在一种权衡关系，在没有提出一种有效、可靠、扩展性强、科学的跨 层设计参考结构模型之前，所有意在通过跨层设计来达到性能优化的工作都应该三思而后 行，毕竟，性能优化只是近期的阶段性目的，而这种参考模型的设计，从长远的来讲，才 是最重要的。 1 2 论文内容及结构安排 本论文的研究基于江苏省高校自然科学重大基础项目“基于环境感知的异构无线 m e s h 网络体系结构及关键技术研究 ，项目号( 0 6 k j a 5 1 0 0 1 ) 。作者曾加入该项目体系结构 分项目组，从事异构无线网络( 含蜂窝、a dh o c 、w l a n ) 融合中的蜂窝网部分跨层设计 以及多跳自适应链路的跨层设计研究，故安排论文剩余部分内容如下： 第二章对基于o f d m c d m a 技术的全i p 蜂窝网络中的实时业务资源分配问题进行了 研究，给出了一种跨p h y 、m a c 和传输层三层的跨层设计方法，优化了基站端信号干扰 噪声比的设置，在保证小区用户时延和丢包率q o s 的前提下使网络容量得到了最大化。 第三章将物理层采用的自适应调制( a m ，a d a p t i v em o d u l a t i o n ) 技术与链路层的排 队状态相结合，给出了一种跨两层的优化方案，找出了a m 中重要参数误包率的最优设 置值，使得系统端到端的吞吐量最大化；最后，将单跳链路拓展到多跳m e s h 链路，对网 络吞吐量和网络时延性能进行了仿真分析。 第四章研究了环状m e s h 小区的p h y m a c 联合跨层优化设计问题，并结合基于距离 的速率自适应、多信道无线链路技术以及r t s c t sm a c 层冲突解决机制，调和了网络覆 盖和系统吞吐量这一对矛盾，并给出数值分析结果。 第五章总结全文并对未来后续研究进行了展望。 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文o f d m c d m a 系统实时业务资源分配的跨层优化方法 第二章o f d m 二c d m a 系统实时业务资源分配 的跨层优化方法 2 1 引言 随着无线用户对低时延、高质量的话音、视频等实时业务需求的日益增长，近年来， 无线接入网、移动计算、宽带移动多媒体系统等无线技术的研究开发工作倍受学术界与业 界的重视，相关理论与技术成果层出不穷【2 6 1 。其中，如何在恶劣的无线衰落信道条件下， 为实时用户提供优良的q o s 保证，是一个极具挑战性的课题。o f d m 技术口7 】【2 8 1 将整个系 统带宽划分为多个并行的低速子信道，具有优良的抗频选衰落特性，有效地降低了符号间 干扰( i s i ，i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ) ，提高了系统性能，是一种高频谱效率的多载波调 制方式，并已成功应用于i e e e8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 l h 、a r i bh i s l w a n 、e t s ih i p e r l a n 2 等无线局域网的物理层设计之中。o f d m 与多址方式c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 的结合o f d m c d m a 技术可以同时获得频域和码域的增益，是一种学术界 与业界广泛认可的结合方式 2 7 1 。本章方案的物理层的设计拟采用o f d m c d m a 技术，利 用其良好的抗信道衰落特性和高信干比、低误码率特性，为高层提供优良的物理传输平台。 下一代无线通信的演进趋势是网络结构的全i p 化，用以向用户提供宽带无缝的移动 i p 接入。搭建这一全i p 平台的一个主要任务就是在恶劣的衰落信道环境下向用户提供可 靠优质的q o s 保证。除了在物理层采用高性能的调制、编码技术外，高层协议的设计更 是重要，因为就用户而言，端到端的高层q o s 保证更是其所关心的。如本论文第一章所 述，为了使通信系统总体性能最佳，可采用跨层设计技术对各层的参数设置进行优化。然 而，近来的研究多集中于p h y 和m a c 两层的联合最优化：如t a n g j i a 和z h a n g x i 在文献 睇刿中基于p h y m a c 跨层思想应用动态资源分配机制研究了m i m o o f d m 系统中下行链 路多媒体用户的服务质量问题；g u o c o n gs o n g 和y el i 在其论文8 删中，又采用效用函数 ( u t i l i t yf u n c t i o n ) 作为物理层和m a c 层通信的桥梁，研究了o f d m 系统中无线资源分 配的有效性和公平性问题。但是，对于无线通信系统低层协议和传输层等高层协议联合设 计的研究迄今却涉及不多。为此，本文将链路层与传输层结合，利用传输层的信息对链路 层协议进行设计，给出一种链路层的实时业务资源分配的优化方法，在保证传输层实时业 务时延及丢包率q o s 的同时，在链路层实现等效无线资源的有效利用，继而扩大蜂窝小 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文o f d m c d m a 系统实时业务资源分配的跨层优化方法 区的系统容量。 2 2 系统模型 2 2 1 物理层系统模型 我们考虑基于o f d m c d m a 技术的全i p 无线蜂窝网中的一个小区。因为上行链路的 资源分配方法比下行要复杂得多，所以，这里我们仅考虑上行信道。假设小区中激活的用 户数为m ，o f d m 子载波数为，总的系统带宽为矽，那么整个系统带宽被分成个带 宽为a = 以，的并行子信道。由于要保证多个子载波之间的正交性，要求各个子载波之间 的频率差应为o f d m 符号周期的倒数的整数倍，由此我们可以设o f d m 符号的周期为 瓦= 以= 2 9 1 。由文献2 7 1 可知，这也是频谱利用率最高的情况。讨论中假定每个o f d m 符号只承载一个比特。上行链路移动台端发射机及基站端接收机模型如图2 1 所示 干c ，i o l干。( 2 矾，) 干。，【l 】干 v 厶 c o s ( 2 顽c t + 2 万q r b c d m a 发射机模型 吖，而 寰咖乃 o - 宵q v 2 r bc o s 【2 矾，+ 2 # q t b + 9 ，1 j “ z o 图2 i 发射机与接收机模型 在图2 1 中，a jk 】为用户j 的第尼个数据符号。单一的数据符号被复制到并行的个 子载波上并与长度亦为n 的扩频码相乘，再经多载波调制合并发送出去。用户的第k 个 发送符号为 南京邮电大学硕士研究生学位论文o f d m c d m a 系统实时业务资源分配的跨层优化方法 n - i j ，o ) = c 【f k k c o s ( 2 , c c t + 2 商q r , ) , , 瓦o 一惦) ( 2 - 1 ) t - - - o 其中”瓦o ) 是单位幅度脉冲波形，在 o ，瓦】之外为零，酋 f 】比1 为分配给用户，的扩频码， 不同用户的扩频码是正交的。每个子载波经历平坦衰落，并且各个子载波之间是相互独立 的。在上行链路方向，基站通过不同的信道接收来自不同终端的信号。假设循环前缀足够 长，则基站端的接收信号，