无线通信跨层设计

1、无线网络跨层设计从原理到应用演讲人：王贵ppt制作：王竹君资料收索：吴敏、刘莉目 录引入跨层设计1跨层设计概念2跨层设计原理3跨层设计的应用4引入跨层设计v 传统的分层网络结构OSI/ISO七层模型、TCP/IP（特点）v 传统的分层网络协议对于有线网络是非常成功.引入跨层设计v 跨层设计的引入 1、在无线网络环境下，接入冲突、用户间干扰、信号衰落、环境变化等情况远远比有线网络严重。2、如果还是采用分层设计，协议的各层将存在两大问题。非最优。分层的方法不允许在各层之间共享信息，而每层的信息都是不充分的，因此，分层设计的网络协议无法保证整个网络性能的最优化。不灵活。在传统的分层方法中，网络协议要

2、求能在最坏的情况下正常运行，没有适应环境变化的能力。有线网络不需要跨层设计是因为其传输媒质保证了各层之间可以具有弱耦合度，而在无线网络中需要引入跨层设计机制。目 录引入跨层设计1跨层设计概念2跨层设计原理3跨层设计的应用4跨层设计概念v 跨层设计的核心思想1、网络中各层都不是单独设计，而是把所有层作为一个整体来实现2、层与层之间的信息交互保证协议能够根据应用要求和网络条件进行全局自适应变化，每层协议都能在系统整体约束和整体性能要求下进行联合优化设计v 跨层设计的方法重构是认知无线网络中网元适应外部环境变化，优化通信链路、网络性能的重要手段。跨层设计概念v 跨层设计的方法（续）v 已存在：自适应

3、编码调制，自适应发射功率控制及自适应调度策略v 均只考虑了少数几个参数v Cross-layer design已经做出了一些研究,无线网络中用户终端协议栈各层关键参数和可重配置参数、策略之间的关系。如下图所示。跨层设计概念无线协议栈个协议层重构参数策略图前向纠错（FEC）、自动请求重传（ARQ）目 录引入跨层设计1跨层设计概念2跨层设计原理3跨层设计的应用4跨层设计原理v 跨层设计原理1、跨层设计的基本要素各层的参数设置以及与相邻层的消息交互机制就构成了跨程设计的基本要素。物理层：功能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接收到。 物理层的传输参数主要包括：发送功率、

4、误比特率及调制编码方式等。与其它层的信息交互：应用层：用户能够根据其对物理层的特性进行调整。网络层：物理层信道状态信息能够被网络层来改变其传输路径。链路层：链路层能通过增加发送功率、采用较强的差错控制机制来降低物理层的误比特率。跨层设计原理数据链路层： 功能：通过前向纠错（FEC）机制及自动请求重传（ARQ）机制实现数据的可靠传输； 对移动终端接入信道到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。 与其它层的信息交互：应用层：可根据相应的业务需求对数据帧进行不同的处理传输层：利用TCP的往返时间及重传定时器来控制链路层的重发机制 网络层：利用信号信道强

5、度这样的链路信息将能够减少移动IP带来的时延跨层设计原理网络层： 功能：主要是完成路由选择和寻址，确定传输数据分组的物理网络接口。 与其它层的信息交互应用层：无线设备能够提供不同的物理接口以支持不同的业务。 传输层：可以利用移动的切换信息来控制其定时器，从而避免不必要的数据分组重传。跨层设计原理传输层： 功能：负责端到端的连接控制 传输层TCP的信息主要包括：往返时间（RTT）、重传超时时间（RTO）、最大传输单位、接口窗口、拥塞窗口、数据丢失数量及实际吞吐量等。与其它层的信息交互应用层：将其需求传递给层，通过层调整期接收窗口。跨层设计原理应用层: 功能：运行其应用业务的网络协议层 向其他层传

6、递其QoS需求。 主要参数：时延范围、时延抖动、吞吐量及分组丢失率。 跨层设计原理2、跨层设计原理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，从而实现低通能够满足各种业务的不同需求。跨层设计的基本原理如下图所示。目 录引入跨层设计1跨层设计概念2跨层设计原理3跨层设计的应用4跨层设计的应用无线传感器跨层设计无线传感器相关概念 1、优化目标最大化网络生存时间、提高能量有效性、最大化吞吐量、最小化时延、提高公平性等。跨层设计的应用无线传感器2、优化输入变量无线传感器网络中各层常用的参数变量如下： 应用层：一具体网络应用场景而定，并没有统一明确的参数

7、变量。传输层：拥塞窗口长度、重传超时时间等。网络层：传输跳数、路由队列长度等。链路层：吞吐量、数据速率、占空比等。物理层：能量消耗参数包括反映数据传输、处理、感知及其他节点硬件能量消耗的参数，传输质量参数包括信噪比、误比特率等；本地能量信息参数包括接点剩余能量等跨层设计的应用无线传感器3、优化配置目前无线传感器网络中，大部分的跨层设计研究都是针对网络层、数据链路层、物理层等协议下三层进行配置优化跨层设计应用无线传感器v 针对无线传感器网络中的跨层设计相关概念目前有两种跨层设计思想v 联合设计 信息共享 1、联合设计忽略协议层间的边界。将整个网络及知识为单一的算法优化问题，忽略对具体的功能或体系框架的定义。2、 信息共享保持协议各层的功能，通过相邻层或非相