（通信与信息系统专业论文）harq在跨层设计中的应用研究.pdf

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：主车登签 日 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：主窆望垒硷导师签客l 薹笙日期：2 咝垒鲨 山东大学硕士学位论文 中文摘要 随着改革开放的步伐的加快，人们的生活水平得到了大幅度的提高。无线移动 通信成为了人们生活中不可缺少的组成部分。人们对移动通信服务的要求也越来越 高：要求服务的种类更多样化，服务的质量更高。而移动通信研究的最终目标是： 任何人任何时间在任何地点，实现高质量多种类的通信。社会的需求与技术研究的 目标相统一，这进一步促进了通信技术的研究。然而研究人员面临着无线通信资源 的日渐紧张和人们对通信服务质量要求不断提高这两者之间的矛盾。为解决此矛盾， 人们提出跨层设计的思想：打破原有通信系统框架，联合设计各个协议层之间的参 数，从而达到自适应地充分利用系统资源，为用户提供更好服务的目的。 通信的有效性和可靠性一直是通信研究追求的两个目标。由于无线通信信道的 时变性，当信道变化剧烈时，仅仅使用信道编码的前向纠错技术很难满足通信的可 靠性。因此，在系统延时允许的前提下，合理的应用重传技术可以在提高系统可靠 性的同时保持较高的系统有效性，因此混合自动请求重传技术应运而生。 本论文的主要工作： 1 全面研究了t y p e - i , i l m 型h a r q 的基本原理。结合信道编码卷积码研究 h a r q 的实现方法，研究h a r q 中各个参数的性能。总结出不同类型的 h a r q 的适用环境。 2 研究了自适应编码调制的原理和性能，并且结合卷积码研究高效调制的 性能和使用环境。 3 以跨层设计为基本思想，考虑将物理层和数据链路层两个协议层联合设 计在满足数据链路层的q o s 参数的前提下，联合设计h a r q 和a m c 技术，提高系统的平均频谱利用率。对系统的性能进行分析，给出系统 性能的数学表达式 关键词：跨层设计，混合自动请求重传，自适应编码调制，0 0 s ，无线移动通信。 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h eo p e n i n ga n dr e f o r mp o l i c yh a sb e e nc a r r i e do u ti nc h i n a , t h es t a n d a r do fl i v i n g h a si m p r o v e dg r e a t l y t h ew i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o nh a sb e c o m ea l li n d i s p e n s a b l e p a r ti np e o p l e se v e r y d a yl i f e a n dt h eh i g h e rr e q u i r e m e n t so ft h es e r v i c ei nm o b i l e c o m m u n i c a t i o na r ed e m a n d e dw h i c ha r em o r cv a r i o u sk i n d so fs e r v i c ea n dt h eh i g h e r q u a l i t y t h eu l t i m a t eg o a lo ft h em o b i l ec o m m u n i c a t i o nr e s e a r c hi s ：a n y b o d ya ta n y w h e r e a ta n y t i m ec o u l da c h i e v eh i g hq u a l i t ya n dv a r i o u sk i n d so fc o m m u n i c a t i o n a sar e s u l t t h e r e q u i r e m e n t so ft h es o c i e t ya n dt h eg o a lo ft h er e s e a r c ha g r e ew i t he a c ho t h e r , w h i c hp u s h t h ec o m m u n i c a t i o nr e s e a r c hf o r w a r d b u tt h ec o m m u n i c a t i o nr e s e a r c h e r sa r ef a c i n gt h e c o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h eg o i n gs h o r to ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nr e s o u r c e sa n dt h e h i g h e rr e q u i r e m e n t so ft h es e r v i c e so ft h ec o m m u n i c a t i o n s ot h e yp r o p o s e dt h ec o n c e p t o fc r o s sl a y e rd e s i g n ，b r e a kt h et r a d i t i o n a ls e v e nl a y e r sp r o t o c o lc o m m u n i c a t i o n f r a m e w o r k ，a n dc o n s i d e rt h ep a r a m e t e r so fd i f f e r e n tl a y e r st o g e t h e rt om a k ef u l lu s eo ft h e s y s t e mr e s o u r c e s ，i no r d e r t op r o v i d eb e t t e rs e r v i c e sf o rt h eu s e r s t h er e l i a b i l i t ya n dt h ev a l i d i t yo ft h ec o m m u n i c a t i o na r et w og o a l so ft h e c o m m u n i c a t i o nr e s e a r c h b e c a u s eo ft h e t i m e - v a r y i n g c h a r a c t e ro ft h em o b i l e c o m m u n i c a t i o nc h a n n e l ，t h ec h a n n e lc o d ea l o n ec o u l dn o ts a t i s f yt h er e l i a b i l i t yo ft h e m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ow ea p p l yt h eh y b r i da u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s tt e c h n i q u e si nt h e c o m m u n i c a t i o ns y s t e mf r a m e w o r k ，u n d e rt h eq o sr e q u i r e m e n t so ft h es y s t e m ，t oa c h i e v e t h eh i g h e rr e l i a b i f i t ya n dv a l i d i t ya tt h es a m et i m e t h i si st h ee s s e n c eo ft h eh y b r i d a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t t h ew o r kh a sb e e nd o n ei nm yt h e s i sa r e ： 1 d or e s e a r c ho nt h eb a s i cp r i n c i p l eo ft h et y p e - l ，i i ii - t a r q ，a n du s et h e c o n v o l u t i o n a lc o d et or e a l i z et h r e ed i f f e r e n tt y p e so fh a r q a n a l y z et h e p e r f o r m a n c e so fd i f f e r e n tp a r a m e t e r s s u m m a r i z et h ea p p l i c a t i o nc o n d i t i o n s o ft y p e li i ，h a r q 2 山东大学硕士学位论文 2 o b t a i nt h ep r i n c i p l ea n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h ea u t o m a t i cm o d u l a t i o na n d 3 c o d i n gt e c h n i q u e t h ec o n v o l u t i n a lc o d ei su s e di nt h i sp a r t c o m b i n et h ea u t o m a t i cm o d u l a t i o na tt h ep h y s i c a ll a y e ra n dt h eh y b r i d a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s ta tt h ed a t al i n kl a y e rt od ot h ec r o s sl a y e rd e s i g n u n d e rt h ep r e 。s c r i b o dq o sr e q u i r e m e n t sa tt h ed a t al i n kl a y e r , c o m b i n et h e h a r qa n dt h ea m ct o g e t h e rt od c s i g nt h es y s t e ma n di m p r o v et h es y s t e m a v e r a g es p c c t l a lf r e q u e n c y a n a l y s i st h ep e r f o n n a n c o ft h es y s t e ma n d f i g u r eo u tt h em a t h e m a t i ce x p r e s s i o no ft h es y s t e mp e r f 0 唧卸c e k e yw o r d s ：c r o s sl a y e rd e s i g n , f l y b r i da u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t , a u t o m a t i c m o d u l a t i o na n dc o d i n g ，q o s ，w i r e l e s sc o m m u m c a t i o n 3 山东大学硕士学位论文 h a r q f e c c l d s n r y p e r & a m c ( 岫) 办( 力 m i m o f d m a t d m a c d m a q o s a d h o e 唧 k n g r c r c 4 符号说明 混合自动请求重传技术 前向纠错技术 跨层设计 信噪比 误包率 频谱利用率 自适应编码调制技术 最大允许传输次数是j 。时的平均传输次数 信道的信噪比概率分布函数 多输入多数出系统 频分多址 时分多址 码分多址 服务质量 自组织分组无线网 传输控制协议 加性高斯白噪声 循环冗余校验 山东大学硕士学位论文 引言 移动通信从无线电波发明之日起就开始了。从1 8 9 7 年，m g 马可尼完成了固定 站与一艘拖船之间的无线通信实验到现在，无线通信经历了1 0 0 多年的发展历程。 从模拟网到数字网，f d m a 、t d m a 到c d m a ，无线通信得到了广泛的应用和蓬勃 的发展。移动通信已经成为人们日常生活的一部分，极大地方便了人们的工作和 生活。 。 与此同时，移动用户的增加和用户对移动业务服务质量要求的提高，带来了移 动资源的匮乏和人们对移动服务的要求的提高之间的矛盾。为了解决这个矛盾，通 信界的研究人员提出了跨层设计的思想。跨层设计思想的本质是：打破传统的通信 系统协议模型，在系统资源状况和服务的q o s 要求的限制下，联合设计各个协议层 的参数，达到既能够充分利用资源又能够提供优质服务的目的 跨层设计在全球学术界掀起了研究的热潮。通信行业不同研究背景的科研人员 致力于跨层联合设计的研究。主要研究有：物理层和数据链路层的参数联合设计， 将物理层的信道状态调制方式、码率，数据链路层的误包率、吞吐量、频谱利用率 等q o s 参数联合考虑；联合物理层、数据链路层和应用层的跨层联合设计也得到了 广泛的研究。将应用层的视频传输、调度算法与物理层和数据链路层相结合，把应 用层的服务要求和物理层的信道特性联合设计，既能够达到充分利用资源的目的又 能够为用户提供优质服务的要求。另外跨层设计在无线自组织网中的研究也不断深 入，主要有w a y n es t a r k 将a dh o c 网络的节点能量、功率、时延、吞吐量作为资源 限制，各个协议层联合优化传输方案达到节省能量、时延、吞吐量等，完成传输的 目的。 本论文的工作主要是研究三种混合自动请求重传方案的原理和特性。研究将混 合自动请求重传方案应用到跨层设计中的方法和系统的性能分析。本论文的体系结 构是：第一章详细介绍了无线移动通信系统的发展概况和传统的通信协议框架存在 的弊端，引出无线移动通信系统进行跨层设计的必要性和可行性。结合跨层设计介 绍了当今h a r q 的研究现状和进展；第二章详细介绍了卷积码编译码的原理，随后 介绍了r c p c ，c p c 码的原理特性。第三章分别说明了t y p e l i l , h i 型h a r q 的基本 原理和传输机制；结合通信系统中常用的信道编码卷积码对t y p c l n 。i h 型h a r q 的 山东大学硕士学位论文 性能参数进行了仿真分析和研究；第四章中详细提出了联合数据链路层的h a r q 和 物理层的a m c 进行跨层设计的方法和系统性能分析，并对结果进行了分析和展望； 第五章对h a r q 在跨层设计中的应用进行了总结和展望，分析了日后研究的方向。 最后是参考文献、致谢、攻读学位期间发表的学术论文。 6 山东大学硕士学位论文 第一章无线通信概述及发展趋势 移动通信是现代通信系统中不可或缺的组成部分。顾名思义，移动通信就是指 通信双方至少有一方在运动状态中进行信息传输。例如，移动台( 车辆、船舶、飞 机或者行人) 与固定点之间，或者移动台之间的通信都属于移动通信的范畴。另外， 还有一种可移动的概念，即通信用户的位置是可变的，但在通信过程中用户可能并 不处于运行状态。这类通信也可称为移动通信，但与严格意义的移动通信相比，两 者的无线信道特性有较大的差别。 现代移动通信是一门复杂的高新技术，不但集中了无线通信和有线通信的最新 技术成就，而且集中了网络技术和计算机技术的许多成果。目前，移动通信已从模 拟通信发展到了数字移动通信阶段，并且正朝着个人通信这一更高级阶段发展。未 来移动通信的目标是，能在任何时间、任何地点、向任何人提供快速可靠的通信服 务。随着社会生活的进步人们对通信质量要求的提高，无线移动通信正在向着移动 速度更快、数据速率更高、服务种类更多样的方向发展。 1 1 移动通信的主要特点和发展趋势 1 1 1 无线移动通信的主要特点 i 移动通信必须利用无线电波进行信息传输 这种传播媒质允许通信中的用户可以在一定范围内自由活动，其位置不受约束， 不过无线电波的传播特性一般都很差。首先，移动通信的运行环境十分复杂，电波 不仅会随着传播距离的增加而发生弥散损耗，并且会受到地形、地物的遮蔽而发生 “阴影效应”，而且信号经过多点反射，会从多条路径到达接收点，这种多径信号的 幅度、相位和到达时间均不相同，它们的相互叠加会产生电平衰落和时延扩展；其 次，移动通信常常在快速移动中进行，这不仅会引起多普勒频移，产生随机调频， 而且会使得电波传播特性发生快速随机起伏，严重影响通信质量。因此，移动通信 系统必须根据移动通信的特征，进行合理的设计。 2 移动通信是在复杂的干扰环境中运行的 除去常见的外部干扰，系统本身和不同系统之间，还会产生这样那样的干扰。 7 山东大学硕士学位论文 因为在移动通信系统中，常常有多个用户电台在统一地区工作，基站还会有多部收 发信机在同一地点上工作，这些电台之间会产生干扰。随着通信网所采用的调制方 式不同，所产生的干扰也会有所不同。归纳起来说，这些干扰有邻道干扰、互调干 扰、共道干扰、多址干扰，以及远近效应等等。因此，在移动通信系统中，如何对 抗和减少这些有害干扰的影响是至关重要的。 1 1 2 移动通信的发展趋势 移动通信可以说从无线电通信发明之日就产生了。1 8 9 7 年，m g 马可尼完成的 无线通信实验就是在固定站与一艘托船之间进行的，当时的距离为1 8 海里。现代移 动通信技术的发展始于2 0 世纪2 0 年代，但是一直到2 0 世纪7 0 年代中期，才迎来 了移动通信的蓬勃发展时期。 1 9 7 8 年底，美国贝尔实验室研制成功先进移动电话系统( a m p s ) ，建成了蜂窝 状模拟移动通信网，大大提高了系统容量。与此同时，其它发达国家也相继开发出 蜂窝式公用移动通信网。这一阶段的特点是蜂窝移动通信网成为实用系统，并在世 界各地迅速发展。移动通信得到迅猛发展的原因，除了用户要求迅速增加这一主要 推动力之外，还有几方面技术进展所提供的条件。首先，微电子技术在这一时期得 到迅速发展，使得通信设备能够实现小型化、微型化。其次，提出并且形成了移动 通信新体制，即贝尔实验室在7 0 年代提出的蜂窝网的概念。蜂窝网，即所谓的小区 制，由于实现了频率再用，大大提高了系统容量。第三方面进展是随着大规模集成 电路的发展而出现的微处理器技术日趋成熟以及计算机技术的迅猛发展，从而为大 型通信网的管理与控制提供了技术手段。这一阶段所诞生的移动通信系统一般被称 为是第一代移动通信系统。 从2 0 世纪8 0 年代中期开始，数字移动通信系统进入发展和成熟时期。蜂窝模 拟网的容量已不能满足日益增长的移动用户的需求。8 0 年代中期，欧洲首先推出了 全球移动通信系统( g s m ) 。随后美国和日本也相继指定了各自的数字移动通信体制。 2 0 世纪9 0 年代初，美国q u a l c o m m 公司推出了窄带码分多址( c d m a ) 蜂窝移动通 信系统，这是移动通信发展史上具有重要意义的事件。从此，码分多址这种新的无 线接入技术在移动通信领域占有了越来越重要的地位。这些目前正在广泛使用的数 字移动通信系统是第二代移动通信系统。 第二代移动通信系统主要是为支持话音和低速率的数据业务而设计的。但随着 8 山东大学硕士学位论文 人们对通信业务范围和业务速率要求的不断提高，已有的第二代移动通信网将很难 满足新的业务需求。为了适应新的市场需求，人们正在提出第三代( 3 g ) 移动通信 系统。但是由于3 g 系统的核心网还没有完全脱离第二代移动通信系统的核心网结构， 因此第三代系统是从窄带向未来宽带移动通信系统过渡的阶段。 近几年来，无线通信技术得到了飞速的发展，并广泛地应用于社会生活各方面。 现阶段的无线通信产业主要集中在话音业务上，但随着与爆炸式发展的因特网融合 的实现，无线通信业务范围将发展成多种业务结合的综合性业务。不同的业务有不 同的q o s 要求，这对无线网络的性能提出了更高的要求。针对这一业务的发展要求， 人们在无线接入技术、传输技术及网络结构等方面做了大量的研究，并提出了多种 有效的方案。因此无线通信研究人员从网络的体系结构方面提出了跨层设计的方法 充分利用网络各层的相关性来提高网络的综合性能。 1 2 第三代移动通信的关键技术 1 2 1 三种3 g 标准概述 在第三代移动通信的技术标准中，欧洲主导的w c d m a 、美国主导的c d m a 2 0 0 0 以及中国主导的t d s m a 成为三大主流技术。其中w - c d m a 标准可在现有g s m 网 络上升级实现。其增强型技术h s d p a 的传输速率可达到1 0 m b i t s ；c d m a2 0 0 0 系统 主要由美国公司主导，其建设成本相对比较低廉；t d s c d m a 标准由中国主导。可进行 单独组网也可作为w - c d m a 的补充网络。 1 2 2 - 队的增强型技术h s l 3 p a w c d m a 标准化主要是由区域性的标准化组织3 g p p 负责，其目标是制定与 g s m g p r s 相兼容的第三代移动通信标准w a 蚺执，在欧洲又称为u m t s 。w c d m a r 9 9 版本可以提供3 8 4 k b i t s 的数据速率，这个速率对于大部分现有的分组业务而言基 本够用。然而，许多对流量和迟延要求较高的数据业务，如视频、流媒体、下载等， 需要系统提供更高的传输速率和更短的时延。随着人们对具有更高数据率的多媒体 业务需求的日趋增大，数据传输率与系统容量之间的矛盾日益变得突出起来。所以 在第三代移动通信网络中采用增强型技术成为必然。 为了满足此要求，w c d m a 从这两方面对空中接口作了改进，引人了h s d p a 技 9 山东大学硕士学位论文 术。h s d p a 不但支持高速率不对称数据服务，而且在增大网络容量的同时还能使运 营商成本最小化。它为u m t s 更高数据传输速率和更高容量提供了一条平稳的演进途 径，就像在g s m 网络中引人e d g e 一样。高速下行分组接人h s d p a h i g hs p e e d d o w n l i n kp a c k e ta c c c s s ) 是w c d m a 的增强型技术，为了满足无线网络提供高速移动 数据服务和提高系统利用率的需求，在w c d m a 系统中引人提高下行信道传输数据 的能力。h s d p a 是3 g p p 在r 5 协议中为了满足上，下行高速数据业务不对称的需求而 提出的一种新技术，它很好地解决了系统覆盖与网络容量之间的矛盾，极大地提升 了网络容量同时使实际成本最小化，满足了用户的高速业务需求。 为了实现h s d p a 技术，除了提出增强型d s c h 信道概念外，还采用了四种关键 技术：自适应调制编码( a m c ) 、混合自动请求重转技术( h a r q ) 、快速蜂窝选择 技术( f c s ) 和多输入多输出天线处理技术( m i m o ) 。 1 自适应调制编码( a m c ) a m c 根据信道的质量情况，选择最合适的调制和编码方式。信道编码采用r 9 9 1 ，3t u r b o 码以及通过相应码率匹配后产生的其它速率的t u r b o 码，调制方式可选择 q p s k 、8 p s k 、1 6 q a m 等。通过编码和调制方式的组合，产生不同的传输速率。当 用户处于有利的通信地点时( 如靠近n o d eb 或存在视距链路) ，用户数据发送可以 采用高阶调制和高速率的信道编码方式，例如1 6 q a m 和3 ，4 编码速率，从而得到高 的峰值速率；而当用户处于不利的通信地点时( 如位于小区边缘或者信道深衰落) ， 网络侧则选取低阶调制方式和低速率的信道编码方案，例如：q p s k 和l 4 编码速率， 来保证通信质量。 2 混合自动请求重转技术( n a r q ) h a r q 基于信道条件提供精确的编码速率调节，可自动适应瞬时信道条件，且 对延迟和误差不敏感。h a r q 可以提高系统性能，并可灵活地调整有效编码速率， 还可以补偿由于采用链路适配所带来的误码。h s d p a 将a m c 和h a r q 技术结合起 来可以达到更好的链路自适应效果。h s d p a 先通过a m c 提供粗略的数据速率选择 方案，然后再使用r a r q 技术来提供精确的速率调解，从而提高自适应调节的精度 和提高资源利用率。h a r q 机制本身的定义是将f e c 和a r q 结合起来的一种差错 控制方案，h a r q 机制的形式很多，而h s d p a 技术中主要是采用三种h a r q 机制1 1 ： t y p e - ih a r q ，t y p e 一h a r q 和t y p b i i in a r q 。可以根据系统性能和设备复杂 1 0 山东大学硕士学位论文 度来选择相应的h a r q 机制。 3 快速蜂窝选择技术( f c s ) 有了快速蜂窝选择( f c s ) ，u e 就不必同时从多个蜂窝中数据传输，也不必联合 承载分组数据的业务信道了。l y e 在每帧选择最好的蜂窝来传输数据。上行d p c h 用 来指示需要的蜂窝，网络可利用这个蜂窝把传输的数据一帧一帧的传给l i e 。这种技 术是地点选择分集传输的一种特殊情况，仅适用于h s d s c h 信道。对于上行控制信 道，则是给每个蜂窝分配一个临时i d ，u e 周期地把主蜂窝的d 通知给连接的蜂窝， 那些没有u e 选择的非主蜂窝则关闭它们的发射机。对于快速蜂窝选择，u e 在每帧 选择最佳的蜂窝，用最佳的蜂窝在h s d s c h 上接收数据。h s d s c h 数据只在这个 蜂窝中传送。h s d p a 技术为了能更好地适应信道的快速变化，将调度功能单元放在 n o d eb 而不是r n c ，同时也将1 t i 缩短到2 m s 。 4 多输入多输出的天线处理( m i m o ) m i m o 技术在基带处理部分需要多信道选择( m c s ) 功能来定义天线传播模型， 根据用户业务请求等级不同和信道质量情况配置不同的信道。如果n o d eb 有m 个 发射天线，用户终端u e 有n 个接收天线，那么n o d e b 与u e 之间的下行发射通道 有m x n 个。发射机和接收机之间天线配置的不同组合，可以满足数据速率从低到高 的变化。m i m o 技术需要u e 和u t r a n 都采用多个天线收发机，对u e 而言要求比 较高。同时由于采用的具体算法相当复杂，对处理机的处理能力和内存也有很高要 求。此外其他技术也对w c d m a 网络性能的提升提供帮助，比如智能天线s a 和多 用户检测m u d 。前者能显著提高系统的容量和覆盖性能，提高频谱利用率，从而降 低运营商成本，后者通过对多个用户信号进行联合检测，从而尽可能地减小多址干 扰来达到提高容量或覆盖的目的。 1 2 3 下一代移动通信的发展趋势 下一代移动通信面临着通信服务q o s 要求的不断提高与无线通信资源有限的矛 盾。如何充分合理地利用有限的资源，满足通信系统不同q o s 的要求，成为当今无 线通信研究人员的工作重点。在近些年的研究中跨层联合优化和自适应思想成为研 究热点。下面这一部分着重介绍无线通信中跨层设计研究的必要性和研究现状。 山东大学硕士学位论文 1 3 跨层设计研究的必要性和研究现状 1 3 1 传统的七层模型的弊端和跨层设计研究的必要性 目前的通信系统采用基于开放互连标准的分层模型，包括物理层、链路层、网 络层、传输层和应用层等。该模型采用分层结构，各层都独立设计和工作，层间接 口也是静态的，网络各层的限制与应用无关。该模式极大地简化了网络设计，并具 有很好的鲁棒性。然而，目前一个主要的设计困难在于无线通信环境具有快速变化 的特性和日见稀少的带宽。这种基于分层结构的协议栈只能在相邻的层之间以固定 方式进行通信，无法灵活地适应无线移动环境的变化，在设计协议栈时，只能假设 其在通信条件最为恶劣的情况下进行工作，导致了协议栈无法有效利用有限的频谱 资源及功率资源。 为了解决这个问题，人们提出了跨层设计机制，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间的工作，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 实现对资源的自适应优化配置。另外，网络的灵活性与性能之间也存在矛盾。如果 网络按照最大化灵活性的目标设计，那么它可能难以满足某些应用的要求，使一些 业务的性能很差；另一方面，如果网络专用于某几种应用，设计者必须对网络能够 提供的关键应用进行足够准确的预测。因此，希望网络足够灵活以便支持多种应用， 同时能够随时进行自适应调节来满足特定应用的要求，而跨层设计能够提供这种灵 活性，并能满足性能约束条件。 目前，国内外对跨层设计的研究根据研究方法的不同主要分为两大主流翻，口l ，【4 】， t o p - d o w n 型和b o t t o m - u p 型。第一种研究方法是利用所有可用的资源来最大化系统的 某个q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 因为几乎所有的源变量都集中在系统的低层，而系统 的q o s 是高层中的一个反应系统性能的量，所以称之为t o p d o w n 。第二种研究方法 和第一种完全相反，它是从高层向低层传递信息，通过设定q o s 从而通过协议子高 层到低层来最小化源变量。 随着无线移动通信技术的发展，无线通信资源的有限与通信服务质量要求的提 高之间的矛盾日益明显。这要求我们采用智能的技术使通信系统能够自适应地使用 山东大学硕士学位论文 资源，为用户提供服务。传统的七层模型存在缺陷，各个层次在通信过程中的参数 设置是预先固定的。然而无线通信的信道是时变，衰落，多经信道，无线通信的q o s 服务要求是多样化的。通信系统中固定的参数设置必然导致系统资源的浪费和贫乏。 这要求新一代移动通信系统要就有自适应的特性，要求各个层次能够根据资源和服 务的要求自适应地分配利用资源，来满足通信的要求。这是一个在完成服务的q o s 的前提下，如何尽可能少地分配资源，并且合理利用的问题。显然这就需要整个系 统能够将系统参数在通信系统的各个层之间传递，对整个系统性能进行联合优化。 使系统具有自适应的特性，将系统参数在各个层次之间传递。故深入研究通信系统 框架的跨层设计成为了当今无线通信系统研究人员的研究热点。我国已经审批了一 部分国家基金和自然科学基金用来进行无线通信系统跨层设计的研究。因此，对无 线通信系统进行跨层设计研究是下一代通信系统研究的趋势。 1 3 2 跨层设计的基本原理 一跨层设计的基本原理 跨层设计的本质思想是打破传统的通信系统框架，以满足通信系统的q o s 服务 要求为目的，将通信系统资源的状态参数和服务的q o s 参数在协议层中传递，从而 达到各个协议层联合设计，充分利用系统资源，为用户提供更好的服务的目的。 例如无线通信协议通常将七层协议简化成五个协议层进行研究。这五个协议层 自下而上是：物理层，数据链路层，网络层，传输层和应用层。图1 1 ，画出了跨层 设计的基本原理图。通信过程中传输的数据信息通过应用层，传输层，网络层，数 据链路层，物理层自上而下的处理之后发送出去；接收到的数据经过相反的方向传 输到应用层，然后送给用户与此同时数据传输过程中系统资源状况对传输的约束 条件和本通信所属的服务类型的q o s 要求同时传输给各个协议层，用来控制各个协 议层协同工作。 山东大学硕士学位论文 图1 1 跨层设计的基本原理图 在跨层设计的研究过程中，研究人员通常使用一个叫做效用函数的数学表达式 来描述系统的性能以及工作状况。效用函数的输入变量( 自变量) 是系统要求的不 同服务的q o s 服务质量和传输特性。函数值是最终提供给高层的实际o o s 如：总传 输功率，传输时延，频谱利用率，吞吐量，数据速率等。约束条件是通信系统所能 够提供的资源的参数，信道的变化特性等。自变量是用户必须满足的需求，因变量 是实际提供给用户的o o s 质量，约束条件是现存能够提供的原材料。如图1 2 所示。 二各个协议层的跨层设计分析 1 物理层的跨层设计分析 物理层功能：利用一定的发射方式，在一定的传输范围内以一定的错误概率接 收数据。物理层的特性主要包括发送功率、误比特率和调制编码方式。链路层主要 负责准确接收数据，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 传输控制命令也能使物理层的性能得到改善。但是增加发送功率或采用较强的差错 控制机制都会增加系统功耗，可以采取联合控制方式改善系统性能。网络层可以根 据信道状态信息，利用路由功能在不同信道上传输不同优先级数据。在应用层，用 户能够根据业务需求对物理层特性进行调整。如数字视频等多媒体业务可根据从物 理层获得的信道状态信息调整编码速率。除了与其他层进行交互外，物理层还能根 据电池供电状况调整发送方式，使得需要发送的数据能在当前信道条件下保持上层 山东大学硕士学位论文 q o s 需求。例如，物理层通过自适应调制编码技术，能够根据信道变化情况调整发 送方式。 网 |叁鍪i 图1 2 跨层设计效用函数变量关系图 2 链路层上的跨层设计分析 链路层的功能主要包括通过前向纠错( f e c ) 机制和自动请求重发( a r q ) 机 制实现数据的可靠传输。自适应跨层模型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。f e c 和 a r q 机制总是一起使用以提高数据传输的可靠性。f e c 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。a r q 机制则通过重传损坏的数据帧 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f e c 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。在 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调整其发送速度。当信道条件较 差时，链路层重发机制将引入更长的传输时延，会导致传输层t c p 连接超时，从而 启动重传机制并降低发送速率。为了避免出现这种情况，必须利用t c p 的往返时间 ( 翮广r ) 及重传定时器( r t o ) 控制链路层的重发机制。同样，链路层的重发机制也 能用于2 q t c p 重传定时器的取值进行调整。网络层的移动m 主要用于在移动主机改变 子网位置时进行切换。因为移动m 的切换是在m 层检测到网络变化后进行的，所以 会引入时延。在移动设备上进行的对信号强度的持续检测没有被移动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减少移动m 切换带来的时延。 山东大学硕士学位论文 3 网络层上的跨层设计分析 网络层的功能主要是完成路由和寻址，确定传输数据分组的物理网络接口。在 无线通信系统内，网络层协议主要是移动i p 协议，它能对口切换进行处理，能透明地 保持移动主机与外地网络的连接。在跨层信息交互时，网络层能利用包括移动m 切 换信息和网络层目前正在使用的物理网络接口等信息。对于应用层和传输层而言， 移动伊切换信息十分重要，利用它能够节省功耗，提高吞吐量。使用切换信息，传 输控制协议( t c p ) 能冻结其重传定时器。应用层则能在切换时停止发送数据。总之， 减少移动碑切换时延有助于上层协议改善吞吐量。因此，为了加快移动口切换过程， 必须向移动p 传送链路层切换信息。与下层进行信息交互时，利用链路层切换信息 将有助于移动m 协议减少其切换时延。各个物理接口上的误比特率能够引导网络层 在不同物理接口上进行切换和数据转发。 4 传输层上的跨层设计分析 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 丢失率和高误比特率的网络。因此，对由于链路恶化引起的数据丢失，像t c p 这样 的传输协议会解释为拥塞丢失，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 据丢失数量和实际吞吐量等信息。切换是移动通信的重要特征，它能够减小t c p 的吞 吐量，因为t c p 会将切换带来的数据丢失和定时器超时解释为拥塞丢失，所以需要利 用从m 层和链路层传递过来的切换信息来提高t c p 的吞吐量。在与应用层进行信息交 互时，应用层能够将其q o s 需求传递给t c p 层，根据这一信息，t c p 层能调整其接收 窗口。另一方面，t c p 能将数据分组丢失率和吞吐量信息提供给应用层，应用层能利 用其提供的信息调整发送速率。对于网络层，由于t c p 具有重传和回退机制，移动口 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m 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 连接流量。在链路层，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 能够针对链路层实际状况实现 对r i y r r t o 的自适应调整。 5 应用层上的跨层设计分析 应用层是用户运行其应用业务的接口。现有应用都是面向有线网络发展起来的， 山东大学硕士学位论文 这些应用在无线网络无法高效工作，开发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。应用层应能向其他层传递其q o s 需求，如时延范围、时延抖动、吞 吐量和分组丢失率。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 控制机制也能提高应用层性能。应用层将其q o s 需求提供给传输层，传输层根据不同 的业务调整其发送窗口和接收窗口值，从而提高应用层性能。网络层能采用不同的 物理网络接口传输数据，满足不同业务的q o s 需求。链路层能为具有不同q o s 需求的 业务提供不同的发送优先级。在物理层，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。 1 3 3 跨层设计的研究现状 现有的通信系统的优化和设计是基于传统的o s i 结构，通过预先定义好不同层 之间的接口协议对系统做优化处理。这种每个独立的层内部的技术和算法是相对独 立的优化和设计在通信系统中发挥了重要作用，例如g s m 就是使用的这种方法。当 前，移动通信业务正从单一的低速话音业务逐步转向各种多媒体数据业务、高速图 像传输业务等。为了支持这些具有不同q o s 参数要求的业务，需要彻底改变原先固 定不变的协议分层框架，大幅度提高系统的各项性能，例如，吞吐量、实时性。因 此，无线网络的跨层设计作为下一代移动通信的关键技术，已经被越来越多的国内 外研究机构所关注，跨层设计的关键理论与技术使用自适应机制( 5 1 在现有网络分层结 构基础上进行层间优化，以获得更高的可靠性、有效性的传输要求，具有重要的理 论和应用价值。 在3 g 的许多技术建议中，已经采用了自适应编码调制a m c 技术，例如w c d m a 的物理层的高速下行分组接入( h s d p a ) 业务这事实上就是一种跨两层的跨层联合 优化技术。a m c 提供了粗糙的数据速率选择，而h a r q f t s 根据信道条件对数据速率 作精细的调整因此，将a m c 与h a r q 结合可达到最优的效果。在h a r q 的信道编 码方案中大多使用率兼容的删除卷积码( r a t ec o m p a t i b l ep u n c n n e dc o n v o l u f i o n a lc o d c ： r c p c ) 卷积码嘲，互补对称的删除卷积码( c o m p l e m e n t a r yp u n c t u r e dc o n v o l u t i o n a l c c o d e - c p c ) 截断卷积码“0 1 和率兼容的t u r b o 码“0 1 ( “l 。 1 物理层和数据链路层的联合设计 1 7 山东大学硕士学位论文 将物理层和数据链路层相结合，在满足数据链路层的q o s 需求的前提下，动态调 节编码调制方式和重传机制，使之在适应多变的无线通信信道的条件下，满足数据 链路层的需求，为用户提供服务。主要的研究人员有l i uq i n g w e n w ud a m ，c i s o n g l l q 【1 5 】。 2 物理层、应用层的联合设计 物理层与应用层联合设计：信源与信道联合编码作为跨层设计的一种方案主要 集中以下三个方面：率分配、联合编码和联合译码。其中，不等保护是实现联合编 码的一种有效方案。随着视频压缩编码的发展，信源压缩效率不断提高，其中一个 重要的原因是视频序列在时间域上的相关性得到了更加充分的开发。