無線通信網(wǎng)絡(luò)中的跨層設(shè)計(jì)研究

侯先智 黃 穎 王 平

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無線通信網(wǎng)絡(luò)中的跨層設(shè)計(jì)研究

侯先智 黃 穎 王 平

中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080

人們對通訊數(shù)據(jù)的需求伴隨著生活水平的提高而持續(xù)逐漸擴(kuò)大，促使無線通信技術(shù)持續(xù)成長壯大，為設(shè)計(jì)新一代無線通信系統(tǒng)，無線通信的跨層設(shè)計(jì)思想突破了傳統(tǒng)通信建設(shè)的思路。基于此，對無線通信互聯(lián)網(wǎng)的跨層設(shè)想采取了探究。

無線通信；網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；跨層設(shè)計(jì)

人們對便捷通訊的強(qiáng)烈渴望推動(dòng)了無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展。為了滿足多媒體業(yè)務(wù)日益增長的服務(wù)質(zhì)量需求，下一代無線通信系統(tǒng)必須更加機(jī)動(dòng)與有效地利用有限的無線資源。跨層設(shè)計(jì)理念沖破了以往的分層互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)造，把原本被分開的互聯(lián)網(wǎng)各層作為聯(lián)合的整體實(shí)行策劃與改進(jìn)，使得在不時(shí)變化的無線衰落信道中保證多媒體業(yè)務(wù)成為切實(shí)可行[1]。

1 無線網(wǎng)絡(luò)通信跨層設(shè)計(jì)概述

目前，國內(nèi)外對跨層設(shè)計(jì)的研究根據(jù)研究方法的不同主要分為兩類一類是在對某一子層進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，通過層間信息的傳遞將其他子層的參數(shù)也考慮進(jìn)來，我們將這一類方法稱之為啟發(fā)式方法。這類方法所要關(guān)注的是各層之間需要交換哪些信息，各層協(xié)議應(yīng)當(dāng)怎樣按照這些信息進(jìn)行調(diào)節(jié)。另一類方法是把依靠關(guān)系緊密的兩個(gè)或多個(gè)子層統(tǒng)一成整體，將所研究的通信問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)上的優(yōu)化問題，這類方法我們稱之為最優(yōu)化方法。因?yàn)檫@類方法在進(jìn)行優(yōu)化時(shí)往往需要多層信息的反復(fù)交換迭代，所以層與層之間會(huì)存在很強(qiáng)的交互作用[2]。

2 無線網(wǎng)絡(luò)通信跨層設(shè)計(jì)的重要意義

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織于年提出了七層協(xié)議體系結(jié)構(gòu)，如圖。這七層從上到下依次為應(yīng)用層、表示層、會(huì)話層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。作為最經(jīng)典的七層通信協(xié)議，其功能作用不再一一贅述。

分層的體系結(jié)構(gòu)起初是針對有線網(wǎng)絡(luò)提出的。在分層的體系結(jié)構(gòu)中，各層都獨(dú)立設(shè)計(jì)和工作，相鄰子層間通過固定的接口進(jìn)行相互通信，非相鄰子層間無法進(jìn)行通信。此模式極大地簡化了互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)，并具有很好的靈活性和魯棒性。分層結(jié)構(gòu)在有線網(wǎng)絡(luò)中取得成功是因?yàn)橛芯€網(wǎng)絡(luò)中各子層之間相互獨(dú)立且并不互相影響。但是，在無線網(wǎng)絡(luò)中的情況卻有著本質(zhì)的不同由于無線信道的廣播特性以及無線傳輸介質(zhì)的不穩(wěn)定性造成的用戶間干擾和信號(hào)衰落由于帶寬和功率的緊缺造成的嚴(yán)格的資源約束。因此，在分層框架下，無線網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步發(fā)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(shè)計(jì)出更為有效的協(xié)議體系。

跨層設(shè)計(jì)就是在這種情況下提出的創(chuàng)新性思想。跨層設(shè)計(jì)的本質(zhì)就是通過對協(xié)議棧進(jìn)行垂直的整合，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)資源的有效管理，也就是經(jīng)過在協(xié)定棧的每一層相互間轉(zhuǎn)達(dá)特殊的信息來協(xié)商協(xié)定棧每一層之間的任務(wù)，讓它們和無線通信背景能夠互相適合，進(jìn)而使系統(tǒng)可以滿足許多不同業(yè)務(wù)的各自需要。跨層設(shè)計(jì)最核心的問題是各層之間應(yīng)當(dāng)傳遞何種信息以及這些信息如何進(jìn)行有效傳遞。

3 無線網(wǎng)絡(luò)通信跨層設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.1 無線通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.1.1有基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)無線通信系統(tǒng)

通常是對有線通信網(wǎng)的擴(kuò)展。有線網(wǎng)被用作骨干網(wǎng)，連接到特殊的有線/無線轉(zhuǎn)接點(diǎn)，即基站（base station，BS）或接入點(diǎn)（access point，AP），統(tǒng)稱為BS。BS承擔(dān)協(xié)商覆蓋區(qū)域的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)經(jīng)過一個(gè)或多個(gè)傳送信息途徑連接互聯(lián)網(wǎng)。傳送信息途徑允許是FDMA的其中一個(gè)頻道，也允許是TDMA的其中的一個(gè)時(shí)段空隙，也允許是CDMA的其中的一個(gè)碼道。BS和有線主干網(wǎng)連接而且覆蓋一個(gè)范圍，它一定被事先規(guī)劃、安排與設(shè)置，所以此種構(gòu)造稱為有根基設(shè)備網(wǎng)構(gòu)造。基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)包含很多種類，比較典型的有：蜂窩移動(dòng)通信、集群移動(dòng)通信系統(tǒng)、無線局域網(wǎng)等。

3.1.2無基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無線通信系統(tǒng)

一般也稱為自組網(wǎng)絡(luò)，它是由多個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成的多跳無線網(wǎng)絡(luò)。這些移動(dòng)節(jié)點(diǎn)處在一個(gè)局域區(qū)域內(nèi)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具備路由器的功能，可以通過轉(zhuǎn)儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)幫助其他節(jié)點(diǎn)構(gòu)成通信鏈路。它和基礎(chǔ)設(shè)備網(wǎng)最大的差異是不需要預(yù)先準(zhǔn)備的根基設(shè)備（BS和AP），互聯(lián)網(wǎng)的組織是暫時(shí)性的、按照需要的和自動(dòng)的。因?yàn)樽越M網(wǎng)沒有基礎(chǔ)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(wǎng)的通訊系統(tǒng)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(wǎng)802.11的Adhoc模式以及藍(lán)牙技術(shù)屬于自組網(wǎng)[3]。

3.2 跨層設(shè)計(jì)的無線通信網(wǎng)絡(luò)

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(jīng)過以往沒有的接口實(shí)施通訊。跨層設(shè)計(jì)目的是，運(yùn)用自順應(yīng)支撐所有層的QoS，自順應(yīng)表示互聯(lián)網(wǎng)協(xié)定與運(yùn)用均有觀察檢測互聯(lián)網(wǎng)變動(dòng)并作出積極響應(yīng)的能力。如鏈路層能夠調(diào)節(jié)速率來保證目前信息途徑與互聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下的運(yùn)用需求。跨層設(shè)計(jì)不是放棄分層的方法，而是將無線網(wǎng)絡(luò)看成一個(gè)整體，進(jìn)行設(shè)計(jì)；或維持分層不變，同時(shí)考慮不同層間的不同協(xié)議間的交互，將分散在網(wǎng)絡(luò)各個(gè)子層的特性參數(shù)協(xié)調(diào)融合。如網(wǎng)絡(luò)層可以把物理層的信道參數(shù)作為路由選擇的判據(jù)，從而優(yōu)化路由算法。跨層設(shè)計(jì)需要考慮的問題：哪些層需要對信道變化作出反應(yīng)；層間該怎樣進(jìn)行優(yōu)化；在層間需要交換哪些信息；每個(gè)獨(dú)立的層適應(yīng)性協(xié)議該怎樣用這些信息。

3.3 局部跨層設(shè)計(jì)的思路分析

設(shè)計(jì)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(yīng)協(xié)議。確定在層間的最小交換信息，在層間的交換的參數(shù)是什么。確定性能均衡參數(shù)：性能、復(fù)雜度和可伸縮性。

考慮物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層三者的相互交互。設(shè)計(jì)的目標(biāo)是為了傳輸QoS。QoS的衡量標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)于每一層的參數(shù)是不同的。物理層主要是BER（出錯(cuò)率）；MAC層是接入時(shí)延和吞吐量；對于網(wǎng)絡(luò)層有時(shí)延、吞吐、阻塞率、丟報(bào)率。其他重要的性能評價(jià)還有能量（功率消耗、網(wǎng)絡(luò)生命段）和用戶容量。

4 結(jié)束語

綜上所述，無線網(wǎng)絡(luò)的通信設(shè)計(jì)有利于給下一代無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供新的思路，在把握基本原則和人們需求的同時(shí)，能更好地適應(yīng)通信技術(shù)的發(fā)展，從而不斷提高數(shù)據(jù)在傳輸過程中的應(yīng)用。

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

[2]焦江，朱桂萍.跨層設(shè)計(jì)與聯(lián)合優(yōu)化[J].科技致富向?qū)В?011（3）：184-185.

[3]趙軍輝，田靜秀，李秀萍.采用黃金分割法的自適應(yīng)調(diào)制無線網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計(jì)[J].應(yīng)用科學(xué)學(xué)報(bào)，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