4G無線系統(tǒng)協議棧的跨層設計研究

宋榮煥

【摘要】 隨著科學技術的不斷進步，第四代無線通信系統(tǒng)（4G）的應用也愈加廣泛。4G無線系統(tǒng)通過通信協議實現了與互聯網的信息交互。當前，現有的通信協議分層方式格外嚴格，難以適應快速變化的無線通信環(huán)境，因此，需要對現有的協議進行跨層反饋改進。筆者就結合跨層反饋機制的原理，對4G無線系統(tǒng)協議棧的跨層設計進行了探討。

【關鍵詞】 4G無線系統(tǒng) 協議棧 跨層設計

隨著第四代無線通信系統(tǒng)（4G）應用的愈加廣泛，無線通信在語音業(yè)務的基礎上，數據業(yè)務的比例顯著提高，這在無形中對網絡質量提出了更高的要求。而現有的通信協議是以OSI作為標準的，已無法滿足通信環(huán)境的需要，在4G無線通信系統(tǒng)中，通信協議無法有效工作，這就需要通過跨層反饋的方法對現有的協議棧進行改造，從而提高4G無線通信系統(tǒng)的使用性能，滿足多種業(yè)務的需要。

一、協議棧的跨層設計機制

第四代無線通信系統(tǒng)（4G）是IP全覆蓋的網絡，在系統(tǒng)中協議棧得到了廣泛的應用，實現了無線設備與互聯網的相互關聯。當前通信系統(tǒng)采用的協議棧是以開放系統(tǒng)作為OSI的標準，采用的結構是分層結構，將協議棧各部分的運行過程抽象化，使其能夠更好地滿足軟件工程的信息安全準則。

無線通信系統(tǒng)所處的環(huán)境時刻發(fā)生著變化，這樣在分層結構的協議棧就只能在相鄰的層之間通過同定的方式進行通信，這在很大程度上限制了協議棧的工作，使其無法適應無線移動環(huán)境的變化。因此，在進行協議棧的跨層設計時就設計人員就會對其所處的環(huán)境進行考慮，在通信條件最為惡劣的情況下進行設計分析，這在一定程度上限制了協議棧的自身功能，使得協議棧無法有效的利用有限的頻譜資源及功率資源，造成了資源的浪費。

跨層反饋機制能夠有效改進協議棧的不足，協}義棧各層間的信息傳遞能夠很好地協調協議棧各層間的工作過程，協議棧的跨層設計能夠對無線通信網絡系統(tǒng)進行優(yōu)化配置，使其與無線通信環(huán)境相適應，這樣無線通信系統(tǒng)應用的范圍也就更加的廣泛。

二、應用層上的跨層反饋機制

應用層是4C無線通信系統(tǒng)的重要組成部分，是用戶運行應用業(yè)務的接口。當前的應用都是在有線網絡的基礎上發(fā)展而來的，在無線網絡的實際運行中很多應用并不能高效工作，只有以底層信息作為基礎的應用才能夠有效提高其在無線通信網絡上的性能。

應用層在4C無線通信系統(tǒng)中主要功能是向其它層傳遞其QoS的需求，實現信息的交互。應用層與其它層的信息交互方式主要包括以下幾種：

應用層將QoS的需求傳遞給傳輸層，使其能夠根據不同業(yè)務調整發(fā)送窗口及接受窗口值，提高應用層的性能。網絡層能夠根據不同業(yè)務的QoS需求采用不同物理網絡接口傳輸數據，鏈路層則可以根據應用層傳遞的QoS需求為不同的業(yè)務提供不同的發(fā)送優(yōu)先級。應用層與物理層則是以信源編碼的方式生成業(yè)務。

三、鏈路層上的跨層反饋機制

鏈路層是通過前向糾錯機制以及自動請求重發(fā)機制進行數據的可靠傳輸，在鏈路層的輔助下，移動主機接入信道的過程能夠得到有效控制并最大限度地避免沖突，并對數據幀進行封裝，使數據在鏈路層中的傳輸能夠盡可能地降低開銷。鏈路層上信息主要包括：重傳數據幀的數量和長度、切換發(fā)起及完成的時間等等，這些信息可以被其它層充分利用。

3.1 鏈路層與上層的信息交互

鏈路層與上層的信息交互主要包括與傳輸層、網絡層的信息處理。當信道條件較差時，鏈路層的重發(fā)機制可以被引入到更長的傳輸時延，這極有可能造成TCP連接超時，這樣一來，4G無線通信網絡就需要啟動重傳機制，發(fā)送速率會相應的降低。為了避免發(fā)送速率降低的情況出現，鏈路層的重發(fā)機制需要通過TCP的往返時間及重傳定時器的取值進行有效控制。

在移動主機需要改變子網位置時，移動lP需要進行相應的切換。移動IP在檢測到網絡發(fā)生變化時發(fā)生切換，但實際上，移動lP的切換過程并沒有充分利用移動設備的對信號強度的持續(xù)檢測，而鏈路層信息則利用了信道信號強度，這在一定程度上降低了lP切換帶來的時延。

3.2 鏈路層與下層的信息交互

鏈路層與下層的信息交互則是以信道條件與物理層的功耗情況作為依據，調整鏈路層的差錯控制機制，這樣可以有效減少傳輸錯誤，同時也可以調整數據幀的長度提高吐量。這里需要強調的是，物理層的信號處理需要建立在鏈路層對媒體接入的控制中。

四、網絡層上的跨層反饋機制

網絡層在4G無線通信網絡中主要是用來完成路由及尋址，確定傳輸數據分組的物理網絡接口。4G無線通信網絡協議多為IP協議，通過對IP協議的切換處理，移動主機能夠更加直接地與外地網絡連接。

4.1 網絡層與上層的信息交互

在4G無線網絡通信系統(tǒng)中，無線設備可以為不同的業(yè)務提供物理接口，比如對于時延要求及高吞吐量的業(yè)務，無線設備的無線局域網接口可以提供嚴格的控制，GPRS接口則可以為其提供有嚴格時延要求的業(yè)務。在應用層提出不同請求時，網絡層可以根據應用層不同的QoS需求，將數據分布到不同的物理網絡接口上。

4.2 網絡層與下層的信息交互

網絡層與下層的信息交互則是集中在于鏈路層的信息切換上，利用鏈路層的切換信息，移動lP協議可以盡可能地減少切換時延。物理接口的誤比特率可以為網絡層提供引導，使其在不同的物理接口上進行數據的切換與轉發(fā)。

五、物理層上的跨層反饋機制

4G無線通信系統(tǒng)中，物理層能夠利用一定的發(fā)射力‘式將數據傳輸出去，使其能夠在一定的錯誤概率范圍內被接收。

在4G無線通信系統(tǒng)中，鏈路層主要負責數據的接收，物理層則是提供信息，使鏈路層的控制機制可以對信息進行調整，確保無線系統(tǒng)在吞吐量上得到較高的增益。鏈路層的功率調整指令及傳輸控制命令能夠對物理層的性能進行有效改善，從而改進物理層與其它層的信息交互…。

物理層在與應用層進行信息交互時，應用層可以促使物理層進行特性調整，比如數字視頻業(yè)務便可以通過物理層獲取信息，以調整編碼速率。物理層的信道狀態(tài)信息可以在網絡層的輔助下改變傳輸路徑，使其可以在不同信道上傳輸不同優(yōu)先級的數據。

物理層的誤比特率則可以通過鏈路層的發(fā)送功率增加來適當地降低，同時，鏈路層也可以采用更強的差錯控制機制，降低誤比特率。這里需要強調的是，在增加發(fā)送功率或者采用更強的差錯控制機制時，系統(tǒng)的功耗都會相應的增加，這時就需要采用聯合控制的方式對系統(tǒng)進行改善。

物理層與其他層進行信息交互的同時，也可以根據電池的供電狀況調整發(fā)送方式，這樣發(fā)送的數據便可以在當前信道條件的基礎上，保持上層的QoS需要，并及時調整信道的發(fā)送方式。

六、結語

協議棧的跨層設計核心便是自適應，而白適應指的是協議棧在考察網絡條件后做出的反應機制，其中包括了協議棧的上層對下層變化的自適應，也包括下層對上層變化的自適應。在進行無線系統(tǒng)協議棧的設計研究時，沒計人員還需要對上層及下層進行變化預測，實現信息的交互，特別是在4G無線系統(tǒng)中，更需要充分考慮協議棧的跨層設計的各個因素，確保無線系統(tǒng)能夠充分適應無線環(huán)境的變化，進而充分利用有限的資源。