無線通信網絡中的跨層設計研究

侯先智 黃 穎 王 平

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無線通信網絡中的跨層設計研究

侯先智 黃 穎 王 平

中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080

人們對通訊數據的需求伴隨著生活水平的提高而持續逐漸擴大，促使無線通信技術持續成長壯大，為設計新一代無線通信系統，無線通信的跨層設計思想突破了傳統通信建設的思路。基于此，對無線通信互聯網的跨層設想采取了探究。

無線通信；網絡技術；跨層設計

人們對便捷通訊的強烈渴望推動了無線通信技術的飛速發展。為了滿足多媒體業務日益增長的服務質量需求，下一代無線通信系統必須更加機動與有效地利用有限的無線資源。跨層設計理念沖破了以往的分層互聯網構造，把原本被分開的互聯網各層作為聯合的整體實行策劃與改進，使得在不時變化的無線衰落信道中保證多媒體業務成為切實可行[1]。

1 無線網絡通信跨層設計概述

目前，國內外對跨層設計的研究根據研究方法的不同主要分為兩類一類是在對某一子層進行優化時，通過層間信息的傳遞將其他子層的參數也考慮進來，我們將這一類方法稱之為啟發式方法。這類方法所要關注的是各層之間需要交換哪些信息，各層協議應當怎樣按照這些信息進行調節。另一類方法是把依靠關系緊密的兩個或多個子層統一成整體，將所研究的通信問題轉化為數學上的優化問題，這類方法我們稱之為最優化方法。因為這類方法在進行優化時往往需要多層信息的反復交換迭代，所以層與層之間會存在很強的交互作用[2]。

2 無線網絡通信跨層設計的重要意義

國際標準化組織于年提出了七層協議體系結構，如圖。這七層從上到下依次為應用層、表示層、會話層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層和物理層。作為最經典的七層通信協議，其功能作用不再一一贅述。

分層的體系結構起初是針對有線網絡提出的。在分層的體系結構中，各層都獨立設計和工作，相鄰子層間通過固定的接口進行相互通信，非相鄰子層間無法進行通信。此模式極大地簡化了互聯網設計，并具有很好的靈活性和魯棒性。分層結構在有線網絡中取得成功是因為有線網絡中各子層之間相互獨立且并不互相影響。但是，在無線網絡中的情況卻有著本質的不同由于無線信道的廣播特性以及無線傳輸介質的不穩定性造成的用戶間干擾和信號衰落由于帶寬和功率的緊缺造成的嚴格的資源約束。因此，在分層框架下，無線網絡的進一步發展舉步維艱。在這種情況下，研究人員需要擺脫原有的分層框架的束縛，設計出更為有效的協議體系。

跨層設計就是在這種情況下提出的創新性思想。跨層設計的本質就是通過對協議棧進行垂直的整合，實現對系統資源的有效管理，也就是經過在協定棧的每一層相互間轉達特殊的信息來協商協定棧每一層之間的任務，讓它們和無線通信背景能夠互相適合，進而使系統可以滿足許多不同業務的各自需要。跨層設計最核心的問題是各層之間應當傳遞何種信息以及這些信息如何進行有效傳遞。

3 無線網絡通信跨層設計的網絡結構

3.1 無線通信系統的網絡結構

3.1.1有基礎設施結構無線通信系統

通常是對有線通信網的擴展。有線網被用作骨干網，連接到特殊的有線/無線轉接點，即基站（base station，BS）或接入點（access point，AP），統稱為BS。BS承擔協商覆蓋區域的移動節點經過一個或多個傳送信息途徑連接互聯網。傳送信息途徑允許是FDMA的其中一個頻道，也允許是TDMA的其中的一個時段空隙，也允許是CDMA的其中的一個碼道。BS和有線主干網連接而且覆蓋一個范圍，它一定被事先規劃、安排與設置，所以此種構造稱為有根基設備網構造。基礎設施網包含很多種類，比較典型的有：蜂窩移動通信、集群移動通信系統、無線局域網等。

3.1.2無基礎設施網絡結構無線通信系統

一般也稱為自組網絡，它是由多個移動節點組成的多跳無線網絡。這些移動節點處在一個局域區域內，每個節點都具備路由器的功能，可以通過轉儲轉發技術幫助其他節點構成通信鏈路。它和基礎設備網最大的差異是不需要預先準備的根基設備（BS和AP），互聯網的組織是暫時性的、按照需要的和自動的。因為自組網沒有基礎裝備，造成沒有掌控中心，所以一定要采取分布式的掌控措施。目前具有的自組網的通訊系統基本匯集在軍事通訊，比如美國的PRNET等。在民用方面，無線局域網802.11的Adhoc模式以及藍牙技術屬于自組網[3]。

3.2 跨層設計的無線通信網絡

所謂跨層是指原本不靠在一起的每一層之間也能夠通訊，或者使相鄰的層之間經過以往沒有的接口實施通訊。跨層設計目的是，運用自順應支撐所有層的QoS，自順應表示互聯網協定與運用均有觀察檢測互聯網變動并作出積極響應的能力。如鏈路層能夠調節速率來保證目前信息途徑與互聯網狀態下的運用需求。跨層設計不是放棄分層的方法，而是將無線網絡看成一個整體，進行設計；或維持分層不變，同時考慮不同層間的不同協議間的交互，將分散在網絡各個子層的特性參數協調融合。如網絡層可以把物理層的信道參數作為路由選擇的判據，從而優化路由算法。跨層設計需要考慮的問題：哪些層需要對信道變化作出反應；層間該怎樣進行優化；在層間需要交換哪些信息；每個獨立的層適應性協議該怎樣用這些信息。

3.3 局部跨層設計的思路分析

設計的步驟：確定層的抽象模型和每一層的QoS的特性，確定每一層的自適應協議。確定在層間的最小交換信息，在層間的交換的參數是什么。確定性能均衡參數：性能、復雜度和可伸縮性。

考慮物理層、MAC層、網絡層三者的相互交互。設計的目標是為了傳輸QoS。QoS的衡量標準對應于每一層的參數是不同的。物理層主要是BER（出錯率）；MAC層是接入時延和吞吐量；對于網絡層有時延、吞吐、阻塞率、丟報率。其他重要的性能評價還有能量（功率消耗、網絡生命段）和用戶容量。

4 結束語

綜上所述，無線網絡的通信設計有利于給下一代無線網絡系統提供新的思路，在把握基本原則和人們需求的同時，能更好地適應通信技術的發展，從而不斷提高數據在傳輸過程中的應用。

[1]趙季紅，李強，曲樺，等.基于LTE-A技術無線資源管理的跨層聯合博弈[J].電信科學，2011，27（12）： 39-43.

[2]焦江，朱桂萍.跨層設計與聯合優化[J].科技致富向導，2011（3）：184-185.

[3]趙軍輝，田靜秀，李秀萍.采用黃金分割法的自適應調制無線網絡跨層設計[J].應用科學學報，2014，32（6）：566-570.

Cross layer design in wireless communication networks

Huang Ying Wang Ping Hou Xianzhi

China Mobile Communication Group Design Institute Co., Ltd.，Beijing 100080

the demand for communication data along with the improvement of living standards continued to expand gradually, promote growth of wireless communication technology continues to grow, the design of a new generation of wireless communication system, the thought of cross layer design of wireless communication to break the traditional ideas of the construction of communication. In this paper, the cross layer of wireless communication network to take a probe.

wireless communication; network technology; cross layer design

TN929.5

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1009-6434(2016)09-0143-02