无线通信网络的跨层设计

1、本 科 毕 业 论 文题目无线通信网络的跨层设计学生姓名： 周 强 专 业： 通信工程 指导教师： 曹 张 华 完成日期： 2011年6月2日 诚 信 承 诺 书本人承诺：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究成果。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发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签 名： 日 期： 本论文使用授权说明本人完全了解南通大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。（保密的论文在解密后应遵守此规定）

2、学生签名： 指导教师签名： 日期： 摘 要人们对便捷通信的强烈渴望推动了无线通信技术的飞速发展。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。无线通信网络的跨层设计的主要任务是彻底改变原先固定不变的协议分层结构，将原来被割裂的网络各层作为同一的整体进行设计和优化，以便在时变的无线衰落信道中能够保证多媒体业务的QoS(Quality of Service)变得切实可行。论文在研究跨层设计的基础之上，论述了跨层设计的背景、现状、原理以及跨层设计的实现方法等。重点介绍了点到点的跨层设计，即如何通过联合自适应(AMC,

3、the adaptive modulation and coding)技术和混合自动请求重传(HARQ，hybrid automatic repeat request)技术来优化系统的吞吐量、时延、丢包率。再通过计算机对理论分析进行了仿真验证。理论分析和仿真结果表明基于Type-III HARQ比ARQ能够有效的优化网络整体性能，具有较高的研究价值。关键词：跨层设计，服务质量，混合自动请求重传，自适应编码调制ABSTRACTPeoples desirations promote the rapid growth of wireless technologies for providing an

4、ytime, anywhere voice communications. At present, the wireless communications industry is mainly concentrated on the voice business. But with the explosive growth of the Internet and the realization of integration of wireless communications and Internet, it will be developed into a comprehensive kin

5、d of business. Cross-layer design of wireless networks is to completely change the main task of the original fixed framework agreement, which aims to be divided by the original network of the same layers as the overall design and optimization, in order to guarantee QoS (Quality of Service ) for mult

6、imedia business in the time-varying wireless fading channel.Based on cross-layer design, this thesis discusses the concept of cross-layer design, status, principles and implementation method. With an emphasis on point to point cross-layer design, that is how it unites the adaptive modulation and cod

7、ing (AMC, the adaptive modulation and coding) technology and hybrid automatic repeat request (HARQ, hybrid automatic repeat request) techniques to optimize the system throughput. The theoretical analysis by computer simulation is verified. Theoretical analysis and simulation show that the Type-III H

8、ARQ can much more effectively optimize overall network performance than ARQ, which is of high research value.Keywords: Cross-layer design, QoS, HARQ, AMC目 录摘 要IABSTRACTII目 录III第一章 绪 论11.1 研究的背景11.2 跨层设计的必要性11.2.1无线信道的动态特性11.2.2 OSI开放系统参考模型的弊端21.2.3 高误码率21.2.4带宽波动与限制21.3 各协议层之间对跨层设计的需求21.3.1 基于物理层的协议

9、层交互21.3.2 基于链路层的协议层交互31.3.3 基于网络层的协议层交互31.3.4 基于传输层的协议层交互31.4 链路自适应技术41.4.1 功率控制技术41.4.2 速率控制技术41.4.3 混合自动请求重传技术51.5 QoS管理51.5.1 QoS参数51.5.2 QoS保证的基本要求61.5.3 QoS 保证的基本策略61.6 跨层设计原理81.6.1 开放系统互联模型81.6.2 跨层设计的实现方法91.7 论文主要研究的内容及结构安排11第二章 无线信道132.1无线信道特征及其建模132.1.1 无线信道132.1.2 多径衰落信道的主要特征132.1.3 非频率选择性

10、多径衰落信道模型152.2 有限状态马尔科夫信道模型162.3 信道估计技术162.3 时延17第三章 点到点的跨层设计183.1 混合自动请求重传技(HARQ).183.2 联合AMC、HARQ技术的跨层设计模型建立193.3 排队理论203.4 联合AMC、HARQ的跨层设计原理22第四章性能分析与仿真25结束语28参考文献29致 谢30第一章 绪 论1.1 研究的背景近年来，随着全球通信产业的发展，以移动通信技术和宽带IP数据通信技术发展最为迅速。整个通信产业的技术发展呈现出三个大的趋势-无线化、宽带化和可视化。无线移动通信系统经历了二十年的快速发展，已经从第一代模拟通信系统发展到如今的

11、第三代数字宽带通信(3G)系统。第一代模拟通信系统，采用的是频分多址(FDMA)接入技术，只能提供语音业务。第二代移动通信系统(2G)采用时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)技术，它们共同实现动态寻址功能，完成了模拟通信向数字通信的转变，可提供优质的语音以及部分数据业务。第三代移动通信系统(3G)采用宽带码分多址接入技术，将传统的移动通信与Internet融合，除了提供传统的语音业务外，更多的是提供视频点播、实时电视等多媒体业务。但是3G缺乏统一标准，它所采用的语音交换架构沿用了2G系统的电路交换，并非纯IP方式，基于视频的应用也不尽人意，同时在安全方面也存在一定的缺陷。因此，第四代移动

12、通信技术 (4G/3G)的研究就显得更加迫切。近年来，人们对实现4G/3G4的关键技术进行了大量的研究，并取得了初步的成果。但是无线信道容易受到周围环境（严重衰落和噪声干扰）的影响。目前无线通信技术的发展始终围绕着如何在恶劣的信道环境和有限的带宽内提高传输速率和服务质量。因此，如何克服恶劣的信道条件，进行信息的高速传输，是人们关注的重点。如在物理层，正在研究的热点技术包括先进的信道编码(Turbo码)、自适应编码调制(AMC)等。然而，上述这些技术的共同特点都是通过高级的通信信号处理技术来提高无线链路的容量。事实上，Turbo码已经可以很好的逼近香农限；而MIMO（Multiple Input

13、 Multiple Output）技术其容量的提高则是以增加天线数为代价的，对于体积有限的终端，不可能通过大量增加天线来提升系统容量。因此，这些新颖的信号处理方法对无线网络性能的提高非常有限。在这种情况下，人们开始重新思考无线通信网络的理论3和概念模型，无线网络的跨层设计2就是在此背景下提出的一种创新性理念，它将被割裂的协议各层重新作为统一的整体进行设计，综合考虑无线信道特征和多媒体业务的特性，通过先进的无线资源管理策略来提高网络的整体容量以及提高多媒体业务的服务质量(QoS)。1.2 跨层设计的必要性1.2.1 无线信道的动态特性无线通信不同于有线通信，无线信号传输介质是不可靠的，容易受到噪

14、声、多径衰落以及阴影效应等不可预知的影响1。并且移动性也会给信道预测和信道估计带来相当大的难度，从而增加了信道的误码率。但是人们为了保证可用性，往往只按照信道性能最低的要求进行保守设计，而不是通过自适应的调整以适应通信信道的变化，于是导致协议栈无法针对有限的功率资源和频谱资源进行有效合理的利用。1.2.2 OSI开放系统参考模型的弊端 传统的无线通信系统设计沿用OSI参考模型。只单独对各层进行设计和优化，这样简化了网络设计的复杂性，同时也满足软件设计的信息隐藏原则，因而得到了广泛应用。假设遵循OSI设计理念必然要摒弃协议层的跨层交互，而且不同协议层之间存在一定的信息冗余。为此，OSI开放系统的

15、参考模型不能对无线网络资源进行整合，以致网络性能得不到整体优化。1.2.3 高误码率和有线通信相比，无线通信因为受到多径衰落和噪声的影响，信道的误码率较高，对图像的质量影响较大，这给多媒体信号的质量带来严重影响。但是为了保证多媒体信号的质量，就应该提供相对有效的差错恢复机制，比如HARQ6、ARQ16和FEC等。1.2.4带宽波动与限制在无线移动环境中信号带宽是有限的，再加上噪声干扰、同频干扰、多径衰落和信道冲突的影响，无线信道的传输能力不稳定并随环境变化发生变化，所以处理无线通信时必须利用信道信息(CSI)。这样，可以根据不同的信道状态采取相应措施，进而能够提高带宽的利用率。1.3 各协议层

16、之间对跨层设计的需求1.3.1 基于物理层的协议层交互物理层位于OSI参考模型的最底层，它直接面向传输介质，负责在传输介质之间为数据链路层提供一个传输原始比特流的物理连接。对于跨层设计来说，物理层的主要角色是向数据链路层（特别是MAC子层）、IP协议（路由协议）、传输控制协议（TCP/UDP等）等提供本层的状态参数，如信噪比（SNR）、误码率（BER）和数据传输速率等，作为其他协议层优化设计的依据。而对于物理层本身的设计，跨层设计方法主要体现在按照MAC协议、路由协议、TCP协议和应用层业务的QoS需求实施功率控制（提高或者降低功率）和自适应调制解调控制。例如，在无线环境下，路径衰耗、多径、共

17、道干扰、节点移动等均会导致接收端SNR的变化，从而导致BER的变化。物理层3采用的发射方式(主要参数有传输功率、调制与编码、天线波束参数等) 不同，对接收器能否成功接收信号产生影响，进而影响链路层的无线信道多址接入。若在链路层进行功率控制，可以降低满足速率和误码率要求时的传输功率，减少邻节点间的干扰，即可以通过增加传输功率来对抗多径衰落引起的信道变化，降低物理层的误码率。同样, 也可以在链路层采用更强的差错控制来降低物理层的误码率。1.3.2 基于链路层的协议层交互数据链路层4最重要的功能就是通过数据链路层协议（即链路控制规程），在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输，比如帧同步、流量控制、

18、差错控制等。但是，由于链路层的传送调度策略会影响数据包延迟、带宽等性能，导致网络层路由性能的恶化。若网络层能够感知链路层性能的变化，就可以以自适应的方式改变路由，以改善网络的整体性能。对于传输层也是如此，传输层性能的好坏也可以通过与数据链路层的交互加以改善。1.3.3 基于网络层的协议层交互网络层为建立网络连接和为上层提供服务，应具备几大主要功能：路由选择和中继、激活和终止连接、差错检测与恢复、排序和流量控制等。若网络层把传输层的链路拥塞信息作为路由判据，则可有效地对传输层的链路拥塞进行合理的调节。此外，网络层根据应用层不同业务的QoS 需求，选择基于不同QoS 准则的路由判据,以满足应用层的

19、时延、吞吐量以及丢包率等需求。1.3.4 基于传输层的协议层交互传输层在两台计算机进行数据通信时，具有缓冲功能。当网络层服务质量不能满足要求时，它将服务质量加以提高，以满足高层的应用要求；当网络质量较好时，它只用很少的工作。同时传输层还可以进行复用，即在一个网络连接上创建多个逻辑连接。传输层也被称为运输层，只存在于端开放系统中，是介于低三层通信子网系统和高三层之间的最重要一层。可以将传输层的丢包率、吞吐量等信息提供给应用层, 应用层据此调整自己的发送速率。同样, 应用层也可将业务的QoS 需求传递给传输层, 传输层据此选择适当的传输协议并调整相关参数。基于上述各协议层及其上协议层的交互对跨层设

20、计的需求，特别是多媒体业务QoS 保证机制需要根据多媒体业务QoS 不同要求，提供一种动态的端到端的QoS 保证。QoS保障机制涉及所有协议层，即每个协议层的相关参数的设置都涉及到QoS 能否得到保证。因此，有必要考虑协议层之间的依赖关系，加强层与层之间的信息交互，使网络性能得到整体优化。根据以上信息交互的需求，人们提出了跨层设计的理念，它是通过在通信协议栈的各协议层之间传递某些特定的信息，再利用这些信息协调各协议栈之间的工作，使之与无线通信环境相适应，从而使无线通信系统5能够更加容易满足各种业务的不同需求，其核心思想就是使通信协议栈能够根据无线环境的变化对资源实现自适应的优化配置。1.4 链

21、路自适应技术 在无线网络环境里，物理信道由于移动性、多径衰落以及阴影效应等影响，信道常常呈现动态变化，因此无线多址接入的用户面临着各自不同的动态链路特征。在这种条件下，仅考虑用户的需求进行网络资源分配变得十分困难。与此同时，在无线网络中，物理层、链路层等协议层次之间的关系越加紧密，相互间的干扰和影响也更加显著，所有的这些特征使得跨层设计的重要性日益突出。在无线移动网络中，只有通过跨层设计才有可能使得高层的应用与底层信道的链路特性之间有效的匹配，从而可以充分利用有限的信道资源。而随着无线技术的爆发式发展以及多媒体业务需求的快速增长，这时传统的分层设计才真正经受了前所未有的挑战，无线通信环境下的跨

22、层设计研究成为了未来无线通信发展的一项关键技术。综合考虑无线信道特征和多媒体业务的特性，通过先进的无线资源管理策略提高网络的整体容量以及对多媒体业务的服务质量(QoS)的支持能力。下面简单介绍一下当前跨层设计的关键技术5：移动通信的一个重要特征是无线信道的时变性。链路自适应技术的基本思想就是根据无线信道在时间、频率和空间上的变化，自适应的调整传输参数。采用链路自适应技术14能动态地跟踪信道变化，再根据当前信道状态信息（CSI），自适应地调整传输或接收参数(如发送功率、编码方式、调制方式等)，以适应信道的变化，达到最大限度地发送信息、增加系统容量、提高峰值数据传输速率和有效扩大覆盖范围的目的。下

23、面简单介绍几种常用的无线链路自适应技术9：1.4.1 功率控制技术功率控制技术是根据信道的瞬时质量动态地调整发射功率的链路自适应技术。其目标是使接收端收到的信号保持恒定，从而保证发送数据的成功概率。功率控制的基本原理就是在信道条件好的情况下使用较小的发射功率；在信道条件差的时候使用较大的发射功率。但是，随着用户对宽带数据业务的需求不断增长，从用户的角度，运营商所能提供的数据速率自然是越高越好。这样，恒定的瞬时数据速率变得不再那么重要，更高的平均数据速率才是用户所需要的。基于此种需求，人们开始着手研究速率控制技术。1.4.2 速率控制技术速率控制技术是根据信道的瞬时质量动态调整发送速率的链路自适

24、应技术。当信道质量比较好的时候，速率控制技术会增大发送速率，主要用来克服时变信道的快衰落效应；而当信道质量比较差的时候，速率控制技术会减小发送速率，主要用来跟踪平均路径损耗和慢衰落的变化。在实际系统中，速率控制技术通过调整信道编码的码率和调制方式来控制发送速率。因此，速率控制技术一般称为自适应编码调制技术。自适应编码调制技术是在给定数据传输质量要求的前提下，根据当前信道的实际情况（平均信噪比和QoS要求）,动态的改变发送端的调制和编码机制（MCS）,提高系统资源的利用率或者传输效率，获得较高的吞吐量。但编码码率和调制阶数的变换实质是一种变速率传输控制方法，以适应无线信道衰落的变化，具有抗衰落能

25、力强、频谱利用率高等优点。研究表明，几乎在所有衰落信道下，速率自适应比恒定速率下的功率自适应能够更好的提高系统吞吐量。1.4.3 混合自动请求重传技术除了AMC技术之外，混合自动请求重传技术（HARQ）18也是目前自适应技术的研究热点。HARQ结合了当前前向纠错（FEC）和自动请求重传（ARQ）17两种技术，通过对无法正确解码的信息重新传输来适应信道的变化，提高系统的传输性能。FEC是在发送端进行纠错编码，接收端收到码字后，通过纠错译码器不仅能自动地发现错误，而且能够自动纠正接收码字中的错误。ARQ在发送端发送能够检错的码字，接收端收到这些码字后，译码器判决出接收到的码序列中有无错误，并通过反

26、馈信道把判决结果通知发送端，发送端根据该反馈将接收端认为有错的信息再次传送，直到接收端认为正确为止。在使用HARQ15技术的通信系统中，发送端发送的码字不仅能够检测出错误，而且还具有一定的纠错能力，接收端收到码字序列后，首先检测错误情况，如果在纠错码的纠错能力范围之内，则自动进行纠错。如果错误太多，超出了纠错编码的纠错能力范围，则接收端通过反馈信道，要求发送端重新传送信息。这种方式避免了ARQ的信息传送连贯性差、时延大的缺点，提高了信号对信道的适应性，并在一定程度上提高了编码效率。研究表明HARQ18可以提供更好的性能，尤其是在时变衰落信道环境之下。1.5 QoS管理1.5.1 QoS参数Qo

27、S是业务性能的综合效果，决定了用户对多媒体业务的满意度。QoS通过用所有业务的性能因素的组合来表示，如业务的适用性、保持性、完整性等。但是随着无线网络中多媒体业务地快速发展，需要一定的QoS保证机制，以保证对时延和通讯中断敏感的应用拥有比普通数据应用更高的优先权。QoS参数可以分为如下几种:(1) 时延(Delay)：业务从发送端到目的端所经历的时间。时延按其产生原因可分为处理时延、队列时延、传输时延、传播时延等，其中队列时延通常占主要部分。(2) 带宽(Bandwidth)：业务需要占用的链路带宽。(3) 时延抖动 (Delay Jitter)：主要用来描述时延的随机性，时延的方差越小，时延

28、抖动越小。(4) 丢包率：传输过程中丢失的数据包占总数据包的比例。不同的业务对QoS的要求截然不同，实时业务对时延的要求很高；而数据业务更注重丢包率，对时延并不敏感；然而，一些非实时的视频业务并不关心时延，但是对时延抖动十分敏感。1.5.2 QoS保证的基本要求(1) 视频类业务随着网络的发展，人们对于视频业务的需求越来越大。例如，人们期望可以在移动的情况下召开视频会议、观看演出等。而这种视频业务对网络的特性的要求较为严格，特别是延迟、抖动等特性特别重要。视频类业务中最重要的一类就是交互式视频会议。根据交互式业务的特点，我们可以了解到一个终端用户感知出来的可接受的端到端的延迟系数：1) 015

29、0ms，好的交互；2) 150400ms，可以忍受的交互；3) 大于400ms，不可以接受的交互。(2) IP语音（VoIP）VoIP(Voice over IP) 即网络电话，是将语音信号压缩成数据信息封包后在IP网络基础上传送的语音业务，也就是通过开放的网际网络传送语音的电信应用服务系统；利用因特网提供实时语音服务，而不是使用传统的公众电话网络(PSTN)，进行远距离的电话传输。因特网IP业务遵循“尽力而为”原则，对所有的分组数据都是一视同仁，统一排队，以“先来先服务”的方式逐个处理。这种方式对E-mail等非实时应用非常合理，但是对于语音等实时业务要求很高的应用不适用。在网络传输的过程中

30、，成千上万的分组数据同时涌入一个路由节点，在每一个节点不得不排队等候发送。数据包从源到目的节点要经过十几个转接点，会引起几十到几百毫秒的时延。目前的网络状态就是这样，对IP电话而言，时延太大。即使利用专用网传输语音业务，还是无法解决这个问题。 1.5.3 QoS 保证的基本策略保证QoS的较好的方法是下列技术的综合应用：(1) 资源预留：QoS要求在源节点和终节点之间的路径上，在通信持续时间内保留一定的带宽（和相关的延迟优先权），即所谓业务合同。(2) 流量控制：当用户发送超时业务合同允许的数据时，网络必须丢弃过量数据，或者将过量部分标为低优先级，这就涉及到一个丢弃或者 降级的选择问题。(3)

31、 优先等级排队：在源节点和终节点之间每一个路由或者交换机必须理解每一个业务流的QoS需求，恰当地将此业务排队，从而达到业务合同的参数。1.6 跨层设计原理随着移动通信技术的迅猛发展与快速应用，移动通信网络与互联网络互联互通已经是必然的需求。在开放系统互联分层模型的影响下，七层模型结构己成为移动通信系统设计的参考标准。但是移动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以固定的方式在相邻的协议层之间进行信息通信。本章将首先介绍开放系统互联模型，通过讨论跨层设计12的概念，继而引入分层的思想，并详细介绍各协议层上跨层设计方案。1.6.1 开放系统互联模型在1978年国际标准化组织（Int

32、ernational Standard Organization，ISO）为网络通信定义了一个参考模型，这就是著名的开放系统互联参考模型（Open System Interconnected Reference Model，OSI RM）。它采用七层结构，如图1.1所示。上层通过调用下层提供的服务来实现数据传输。每层都有自己的协议，各层之间的协议是独立的，同一层次的协议是相同的。中继系统属于通信子网的设备，通信子网中的协议只有三层。 图1.1 OSI典型7层体系结构根据图1.1，可以很清楚的了解OSI模型的数据传输的过程。现在主要介绍下各协议层的主要功能：物理层主要是为数据传输提供可靠的环境，

33、在物理传输介质上，为数据链路层提供一可靠的原始比特流的物理连接。数据链路层主要是根据必需的同步、差错控制等来调节发送数据块，通过物理链路，提供可靠的信息传输和数据交换，使之对网络层表现为一条无错的线路。网络层主要是控制通信子网正常运行，为网络两端用户提供一条可靠的逻辑信道，它负责建立、激活以及终止一条连接。关键问题在于如何确定分组从源端到宿端路由选择。 传输层主要是提供端与端之间可靠的信息交换和数据传送，提供端对端的差错控制、流量控制等。会话层允许不同机器上的用户建立起会话关系，允许进行类似传输层普通数据的可靠传输，并提供对某些有用的增强服务会话 表示层主要是完成某些特定的功能。该层所关心的不

34、仅是所传递的信息的语法和语义。应用层主要向终端用户提供直接服务，它提供与应用及系统管理有关的分布式信息服务，如文件传输FTP、E-mail、telnet等各种通用和专用的功能。但是，在实际的通信网络中得到广泛应用的是TCP/IP五层体系结构，如图1.2所示，也就是将OSI体系中的应用层、表示层和会话层合并为一层，构成应用层，其典型的协议有：HTTP、FTP、TELNET等；TCP/UDP协议对应着OSI的传输层，其为上层数据传输提供可靠保障；IP协议对应着OSI的网络层，它定义了平时熟知的IP地址格式；TCP/IP的最底层功能是由网络接口层实现，相当于OSI的物理层和数据链路层，实际上TCP/

35、IP对该层并没有作严格定义，而是应用已有的底层网络实现传输，这就是它得以广泛应用的原因所在。图1.2 OSI参考模型与TCP/IP模型的对比示意图1.6.2 跨层设计的实现方法分层的体系结构起初是在有线网络里提出的7。在分层的体系结构中，各协议层都独立设计以及优化，而相邻子层之间则是通过固定接口进行数据通信，非相邻子层间则无法进行通信。这样的分层体系结构极大地简化了网络设计，具有很好的灵活性和稳定性。在有线网络中，分层结构取得成功是因为有线网络中各协议子层之间相互独立且互不影响。然而，无线网络不同于有线网络，有着本质的区别：无线信道的动态特性以及无线传输介质的不稳定性会引起信号的衰落；带宽和功

36、率的限制也是引起无线信号的衰落。在此情况下，无线网络的进一步发展举步维艰。跨层设计8就是在此背景下提出的创新性理念。其本质就是通过对协议栈进行整合，能够实现对资源的有效管理，即通过协议栈的各层之间传递的信息来协调协议层间的工作，使之与无线通信环境相适应，以便系统能够满足各种业务的不同需求。如图1.3所示，通过协议层之间的信息传递，来满足应用层的QoS业务的要求。 图1.4 跨层设计示意图跨层设计要求在层与层之间进行信息传递，针对各层协议的不同状态和要求，来调节相关协议层的参数， 对网络整体性能进行优化。跨层设计也是充分利用现有网络资源(包括编码技术、传输功率控制、信道状态，达到系统吞吐量的最大

37、化、总传输功率的最小化以及QoS 最优化等目的。图1.5为跨层设计理论模型。图1.5 各层间跨层信息交互示意图跨层设计9一般可以通过两种方法来实现：一是对某一协议层进行优化，同时把其他协议层的相关参数考虑进来，比如当对网络层进行优化设计时，一般要考虑物理层的信道质量参数，也可以把传输层的链路拥塞信息考虑在内，以便优化网络性能；二是可以将依赖关系密切的两层或者多协议层联合起来，将研究的通信问题转化为数学上的优化问题，即所谓的最优化方法。在运用最优化方法进行跨层设计时，贴近实际的假设会使分析过程过于复杂，所以通常需要一些简化的假设。即便如此，也只能通过定量分析，而不能进行定量分析。跨层设计必然针对

38、协议层之间的跨层交互，不会孤立的考虑某一协议层。下面简单介绍各协议层上的跨层设计：物理层上的跨层设计：物理层的主要角色是为数据链路层（特别是MAC子层）、IP协议（路由协议）、TCP/UDP协议提供本层的信道状态参数（误码率、信噪比等），以便其它协议各层能够利用这些信道状态参数进行调整。链路层主要负责接收数据，所以可以利用物理层信道参数对链路层的控制机制进行实时地调整，这样将使系统的吞吐量及功率获得较大的提高。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较大的改善。链路层上的跨层设计：链路层的功能是通过数据链路层协议，在不太可靠的数据链路上实现数据的可靠传输，有就是通过

39、前向纠错（FEC，Forword Error Correction）编码和自动请求重发（ARQ）技术实现数据的可靠传输。这里的FEC编码和ARQ技术总是结合起来使用，以提高数据传输的可靠性。FEC编码技术通过向接收端传输多余的信息比特，使传输过程中出现的错误信息能够得到纠正。而ARQ技术则是通过重传错误的数据帧实现数据的可靠传输。如果将两者结合起来，就构成了HARQ技术，即是对无法正确解码的信息重新传输来适应信道的变化。网络层上的跨层设计：网络层主要是建立网络连接和为上层提供服务，其必须具备的几大功能：路由选择和中继、激活和终止连接。在无线通信系统内，网络层协议主要是指移动IP协议，它能对IP

40、进行处理，可以通过自动获取IP，也可以是手动获取IP，为自己的移动主机与Internet进行连接。在跨层信息交互时，网络层能够利用移动IP信息和正在使用的物理网络接口等信息进行信息的传递。对应用层和传输层而言，移动IP切换信息十分重要，利用它能够减少功耗，提高系统的吞吐量。传输层上的跨层设计：传输层主要功能在两台计算机进行数据通信时，具有缓冲的作用。无线网络本身就是大时延、高误码率的网络。因此，对于链路恶化造成的数据包丢失，TCP传输协议解释为拥塞丢失，从而导致传输效率的下降。在进行跨层信息交互时，TCP层主要包括往返时间、重传超时时间、丢包率以及吞吐量等信息。应用层上的跨层设计：应用层主要是

41、用户运行应用业务的接口。目前现有的应用层业务都是面向有线网络，如果这些应用到无线网络，则是无法进行高效工作。由图1.5可以看出，应用层应能向其他协议各传递其QoS需求，如时延范围、吞吐量和丢包率等。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。根据应用层的QoS需求调整链路层的差错控制同样也能提高应用层性能。本章主要研究了跨层设计的背景、必要性、基本原理等，并通过开放系统互联模型(OSI)与TCP/IP参考模型进行比较，引出跨层设计的设计理念以及方法。同时，深入浅出地分析物理层、链路层、网络层、传输层以及应用层上的跨层设计应用，这为后面章节的跨层设计提供了可靠的理论依据。1.

42、7 论文主要研究的内容及结构安排第一章简单介绍了无线通信的研究背景和发展现状，以及介绍了课题中涉及到的一些关键技术。着重介绍无线通信网络中跨层设计的必要性和实现方法。第二章主要介绍无线信道、无线信道的特征以及常见的信道模型。第三章和第四章主要针对一个存在QoS保证业务的有线-无线混合通信网络，研究了通过跨层联合设计AMC和HARQ来优化通信系统吞吐量、时延以及丢包率。论文首先分析数据链路层的排队过程，得到了吞吐量、时延和丢包率的数值表达式，然后根据数值表达式进行了仿真，得到在误码率和寄存器长度相同的情况下，吞吐量、时延以及丢包率得到较大的改善。第五章是论文的结束语部分，主要是总结了论文的主要工

43、作和主要贡献，并指出了该课题未来的研究方向。第二章 无线信道2.1无线信道特征及其建模2.1.1 无线信道无线信道利用电磁波在空间的传播来传输信号，而有线信道则是利用人造的传导电或者光信号的媒体来传输信号。由以上定义可知，无线通信不同于有线通信，容易受外界环境的变化而变化，比如噪声干扰、多径衰落以及阴影效应的影响。而且移动性也给信道预测和信道估计带来相当大的难度。这样一来，无线通信技术的发展在一定程度上就受到了限制。无线信道的电波传输特性与环境（地貌、气候特征、电磁干扰、通信终端移动速度等）密切相关，它们直接影响到无线系统的通信能力和质量。通常来说，无线信道可分为视距信道和非视距信道：视距信道

44、认为信号是直射传播的，如卫星通信；非视距信道则是由非直射传播引起的，信号主要受地面绕射，对流层散射以及发射等因素的影响。下面简单介绍无线信道对信号的影响：(1) 自由空间的传输损耗，其主要是用于预测接收机和发射机之间完全无阻挡时接收信号的场强，表现为慢衰落。(2) 阴影衰落，主要是由于传播环境中地形形状、建筑物及其它障碍物对电磁波的阻碍所引起的衰落，也表现为慢衰落。(3) 多径衰落，主要是由于移动环境的多径传输引起的衰落，表现为快衰落。2.1.2 多径衰落信道的主要特征由于无线信道存在多径衰落19以及移动终端的移动性，使得无线信道在时间和频率上产生了色散，这样一来，信号经过信道后就分别形成了频

45、率选择性衰落和时间选择性衰落，也就相当于产生了多径时延扩展和多普勒扩展，这两种扩展分别对应着两组相关参数一相干带宽和相干时间。多径时延扩展：在多径传输环境下，传输路径的不同导致信号会以在不同的时间到达接收端。这样一来，接受信号就出现了时延扩展。显而易见，如果多径产生的时延扩展大于码元的宽度，就会造成码间干扰，导致信号波形的失真。具有不同时延的信号叠加在一起就会引起时间色散和频率选择性。而这两种现象是同时出现的，只是表现形式不同而已。时间色散主要是体现在时域上，这就相当于接收端接收到的信号相对于发送端信号在时域上展宽了，使接收信号的持续时间比此信号发送时的持续时间长。而频率选择性主要体现在频域上

46、，通常用相干带宽来表述多径信道特性。也就是说如果信号的传输带宽大于相干带宽，则信号将经受频率选择性衰落；否则将经受平坦衰落性。基于上述讨论，多径时延扩展和相干带宽是从两个不同的角度描述多径衰落信道的。而最大时延扩展可用来计算在信道中存在多少条可分解的路径，可应用于RAKE接收机。相干带宽也应用于RAKE接收机。这里较小的相干带宽意味着较高的分散性。多普勒扩展：时延扩展和相关带宽描述了信道的时间色散，但它们并未反映信道时变特性。多普勒扩展和相干时间，这两个参数主要描述信道频率色散时变特性。例如：移动台在运动时，会产生多普勒频移效应2，频移值与移动台运动速度、波长及电波到达角有关。假设相向运动，则

47、多普勒频移为正，否则为负，可以表示为： (2.1)最大多普勒频移为： (2.2)多普勒频移导致附加调频噪声。其中，多普勒扩展是由无线信道的时变性所引起的频率展宽程度的度量值。它被定义在一个频率范围之内，即当发送频率为时，接收信号在到范围内的某一数值，频率扩展的大小取决于。相干时间()是多普勒扩展在时域的表示，主要用于描述信道频率色散的时变特性。相干时间与多普勒扩展成反比，一般可以定义为： (2.3)由上述(2.3)可知，时间间隔大于的两个信号受信道的影响也各不相同。也就相当于说，如果采用符号速率大于的发送系统，则信道就不会由于相对运动而导致信号的失真。2.1.3 非频率选择性多径衰落信道模型下

48、面主要介绍三种常见的非频率选择性多径衰落信道模型：(1) 瑞利衰落分布瑞利分布常用来表述无视距传输的多径衰落。接收包络的大小服从瑞利分布 (2.4)瞬时的符号信噪比r的概率密度函数为： (2.5)(2) 莱斯衰落分布当存在一个主要的非衰落信号分量时如视距传输，则小尺度衰落的包络分布就服从莱斯分布。在这种环境下，信号在瑞利衰落多径上叠加了一个主要的静态信号分量。莱斯分布常用来表述包含一个强视距传播路径的多径衰落。莱斯分布为： (2.6)其中，A为主信号幅度峰值，是第一类0阶修正贝塞尔函数。定义莱斯因子K表示信号功率与噪声功率的比值，令 (2.7)可知，确定了莱斯因子K，即完全确定了莱斯分布。如果

49、当A趋向于0，K也趋向于0时，即主信号幅度减小，莱斯分布转变为瑞丽分布；当时，信道不呈现任何衰落。(3)Nakagami-m衰落信道Nakagami-m分布常用来表示长距离信道的快衰落，人们发现它比瑞利分布和莱斯分布更接近实验数据，因此次衰落信道模型得到了广泛的应用。Nakagami-m分布用以下分布函数来描述接收包络大小的分布： (2.8)这里是Gamma函数瞬时的符号信噪比r的概率密度函数: (2.9)其中，为瞬时信噪比，为信噪比的平均值。m是Nakagami-m衰落参数m1/2，用来表示不同分集度的衰落信道。通过调整m的值，Nakagami-m分布可以简化为多种不同的分布:当m=1时，N

50、akagami-m分布就变成了瑞利分布；当m=1/2时，Nakagami-m分布就变成了单边高斯分布；当m时，Nakagami-m分布则逼近高斯分布。2.2 有限状态马尔科夫信道模型一般情况下，认为无线衰落信道时无记忆信道。但是，数据传输速率较高时，无线信道被认为是慢变的，在这种传输的相邻数据帧之间的相关性就不容忽视。此时，采用传统的无记忆信道模型，引入的误差就较大，而更接近这种记忆信道的一种模型是马尔科夫信道模型，它充分利用了相邻数据帧之间的相干性来提高性能。其状态转移概率为 (2.10) (2.11)其中，为多普勒频率。2.3 信道估计技术 为了实现无线信道自适应的传输方式，信道状态信息(

51、CSI)必须是可知的。例如，在链路自适应技术中，发送端必须预先获知信道的衰落特性，才有可能对发送的参数进行合理的优化和设置，以达到链路自适应的要求。由于无线信道的时变性和灵活性，系统得知的信道状态与实际的链路状态之间仍然存在一定的误差，这种误差主要是来自两个方面：一方面是接收端信道估计的误差，可以通过信道估计技术的逐步发展来缩小；另一方面是反馈和处理时延带来的信道估计的信道状态与未来发送时刻信道状态之间不匹配带来的误差，它也可以通过信道预测技术来加以弥补。2.3 时延数据从源节点发送到目的节点所需要的平均时延是衡量通信网络性能的重要参数。通常，我们所指的时延是指数据包在各个子链路上传输时延的总

52、和。链路的时延主要分为4个部分：(1) 处理时延：数据包到达节点时与该数据包被分配到一个发送队列时之间的时间差值。(2) 队列时延：数据包进入发送队列时与该数据包开始被传输之间的时间差值。(3) 传输时延：开始传输数据包的第一个比特到传输完该数据包的最后一个比特之间的时间差值。(4) 传播时延：发送端传输完最后一个比特到该比特被接收端接收到之间的时间差值。无线信道状态信息反映了当前信道传输数据的能力，是物理层向高层传递的重要信息。而为了更好地获取或者利用信道状态信息，在本章中，着重介绍了无线信道特征、多径衰落信道模型、有限状态下马尔科夫链信道、信道估计技术以及时延，这些为后面章节在研究中采用的

53、信道模型提供了理论基础 第三章 点到点的跨层设计3.1 混合自动请求重传技术（HARQ）物理层的自适应技术(AMC)和数据链路层的HARQ 技术能够根据信道状态信息(CSI)动态地调节信道编码的编码率，使之与时变信道相适应。自适应编码调制(AMC)技术的本质就在于其能够根据信道状态(CSI)估计选择合适的编码调制模式。我们可以根据相同的数据在重传时前后不同数据帧的处理方式不同，将HARQ分为Type-I HARQ，Type-II HARQ，Type-IIIHARQ三种。Type-I HARQ 称为简单ARQ，原理是丢弃前一帧，完全依赖于后一帧的译码结果；Type-II HARQ 为递增冗余ARQ，当发送端连续收到一定数量的NACK信号时，发送端就会使用性能更强的编码方案传送数据。目前，Type-III HARQ不同于Type-I HARQ，Type-II HARQ，它引入互补对称的理念，对于同一组数据，虽然前一帧和后一帧的编码方案不同，但都可以进行解码，并且前后两帧都有互补对称关系，可以进行联合译码。研究表明，Type-III HARQ系统健壮性，有较高的频谱利用率。下面简单介绍下Type-III HARQ。Type-III HARQ也是一种增量冗余的HARQ方案，相对于Type-II HARQ的