（通信与信息系统专业论文）跨层无线资源管理算法研究.pdf

摘要 一 摘要 在以用户为中心的移动通信系统中，用户对系统的服务质量( q o s ) 的满 意度是衡量系统性能的重要指标之一。本文结合媒体接入控制子层业务的动念 特性和物理层无线信道的时频二维弥散特性，从提高用户对系统的满意度的角 度出发，从事o f d m 系统中的跨层无线资源管理算法研究。 论文首先介绍了o f d m 技术、业务模型及建模方法，以及多用户多业务 o f d m 系统下行链路。进而，介绍了无线通信系统中的资源管理方法，其中包 括多载波系统中的调度算法、子载波、比特和功率联合分配算法、跨层无线资 源管理算法等。 多媒体业务具有高速率、低时延的特性，这种特性为基于分组传输的移动 通信系统的设计带来了很大的挑战。本文从丢弃分组比分组延时让用户更加难 以忍受的角度出发，提出了一种适用于这种业务的跨层资源分配方法。根据用 户队首分组的延时与该业务可以忍受的最大分组时延之问的关系，将用户的分 组分成高、低两个优先级。通过先为高优先级分组分配资源，后为低优先级分 组分配资源的策略，结合自适应子载波、功率联合分配方法，提高了系统的功 率效率，减少了平均分组等待时延，从而提高了用户对系统的满意度。 在移动通信系统中，用户间的公平性受到了越来越广泛的关注。针对多用 户多业务系统中，公平性不统一的现状，本文提出了一种新的基于跨层设计的 公平性准则，即服务质量满意度公平性准则。该准则将适用于非实时业务的吞 吐量公平性准则，和适用于实时业务的时延公平性准则进行了有效的统一。基 于该准则，本文还提出了一种新的跨层自适应资源分配算法。仿真结果显示该 算法不仅可以满足具有多种类型业务的o f d m 系统中每一类业务的q o s 要 求，而且可以保证用户间的服务质量满意度公平性。 。 针对现有跨层资源管理算法主要通过效用函数的设计达到系统性能优化这 一现状，本文提出了一种充分利用o f d m 系统时频二维特性的算法框架。基于 该算法框架，已有的资源管理方案，无论是针对单信道系统设计的还是针对多 信道系统设计的，也无论是针对实时业务设计的还是针对非实时业务设计的， 都可以被方便有效地应用于o f d m 系统，且陔系统既可以具有多种类型的业 务，又可以仅仅具有单一类型的业务。通过为不同类型的业务配置不同的参 第1 页共1 2 9 页 摘要 数，该算法框架可以在充分利用系统资源和提高各用户服务质量满意度之间取 得折衷，并保证不同类型业务接收到的服务质量的公平性，满足多用户多业务 的q o s 要求。 。 关键词：移动通信跨层无线资源管理跨层公平性准则自适应调度服 务质量满意度 。 第1 i 页共1 2 9 负 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sc e n t r i n go nu s e r s ，t h el e v e lo fu s e r s s a t i s f 孔t i o nt ot h eq u a l i 锣o fs e r v i c e ( q o s ) o fs y s t e m si so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t c r i t e r i o n st os c a l i n gs y s t e mp e r f o 咖a n c e t h i st h e s i sa r ee n g a g e di nc r o s s l a y e r w i r e l e s sr e s o u r c em a n a g e m e n ta l g o “t h mr e s e a r c hi nt h eo f d ms y s t e m s ，j o i n t i n gt h e d y n a m i cc h a r a c t e ri n t h em e d i aa c c e s sc 6 n t r o ls u b l a y e ra sw e na st i m e f r e q u e n c y d i s p e r s i o nc h a r a c t e ri nt h ep h y s i c a ll a y e r ，c o n s i d e r i n gt h ei m p r o v e m e n to fu s e r s s a t i s f a c t i o nt ot h es y s t e m f i r s t l y ，t h i st h e s i si n t r o d u c e st h eo f d mt e c h n i q u e ，t r a 筒c sm o d e la n dm o d u l i n g m e t h o d s a sw e l la sm u l t i u s e rm u l t i t r a m c so f d md o w n l i n k t h e n ，t h i st h e s i s i n t r o d u c e s t h er e s o u r c em a n a g e m e n ts c h e m e si nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ， i n c l u d i 矗gs c h e d u l i n gs c h e m e si nm u l t i c a 玎i e rs y s t e m s ，a d a p t i v es u b c a l l r i e r - b i t p o w e r a i l o c a t i o ns c h e m e s ，a sw e l la sc r o s s l a y e rw i r e l e s sr e s o u r c em a n a g e m e n ts c h e m e s t h ec h a r a c t e r so fm u l t i - m e d i at r a m c ，s u c ha sh i 曲r a t ea n d l o wd e l a y ，b r i n gg r e a t c h a l l e n g e t 0t h ed e s i g no fp a c k e t - b a s e dm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s s i n c e d r o p p i n gap a c k e ti sl e s sd e s i r a b l et h a nd e l a y i n gap a c k e t ， t h i st h e s i si n t t - o d u c e sa c r o s s i a y e rr e s o u r c ea l l o c a t i o ns c h e m ef o r t h i st y p eo ft r a 伍c s a c c o r d i n gt ot h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eh e a d - o f - l i n ed e l a ya n dt h em a x i m u m t o i e r a b l ep a c k e td e l a y ， u s e r s p a c k e t sa r ec l a s s i n e di n t ot w op r i o r i t i e s ：h i g hp r i o r i t ya n dl o wp r i o r i t y t h r o u g h t h ep o l i c yo fa l l o c a t i n gr e s o u r c e st op a c k e t sw i t hh i 曲面o r i t yf i r s t l y ，a n dt op a c k e t s w i t hi o wp r i o r i t y s e c o n d l y ， w h i c hi sc o m b i n e dw i t l la d 印t i v es u b c a r r i e 卜p o w e r a l l o c a t i o n ，t h es c h e m ec a ni m p r o v es y s t e mp o w e re m c i e n c y ，d e c r e a s ea v e r a g ep a c k e t d e l a ya n de n h a n c eu s e r s s a t i s 矽i n gl e v e l i nt h em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，f a i m e s s 锄o n gu s e r sh a v ec o m e l d e r m o r ea n dm o r ea t t e n t i o n f o c u s i n go nt h ea c t u a l i t yo ff a i m e s sd i s u n i t y ，t h i st h e s i s i n t r o d u c e san e wf a i m e s sc r i t e r i o nb a s e do nc r o s s - l a y e rd e s i g n ，t h a ti st h eq o s s a t i s f a c t i o nf a i m e s sc r i t e r i o n u n l k et h ee x i s t e dt h r o u g h p u tf a i m e s sc “t e r i o ns u i t a b l e f o rn o n r e a l t i m et r a 筒ca n dt h ee x i s t e dd e l a yf a i m e s sc r i t e r i o ni a i l o r e df o rr e a i t i m e t r a 硒c ，t h ep r o p o s e dq o ss a t i s f a c t i o nc r j l e r j o nh a n d j e sh e t e r o g e n e o u st r a 娟c si na n 箱i l l 页共1 2 9 负 a b s t r a c t u n i f i e df 瓠h i o n w i t ht h en e wf a i r n e s sc r i t e r i o n ，t h i st h e s i sd e v e l e o p sac r o s s i a y e r a d a p t i v er e s o u r c ea l l o c a t i o na l g d r i t h m s i m u l a t i o n 陀s u l t e ss h o wt h a tt h es c h e m ec a n n o to n l ys a t i s f yt h eq o sr e q u j r e m e n t so fh e t e r o g e n e o u st y p e so ft r a 娟c si n0 f d m s y s t e m s ，b u ta l s og u a r a n t e eu s e r s q o ss a t i s f a c t i o nf a i m e s s f o u c s i n go nm ea c t u a l i t y 也a tc r o s s l a y e rw i r e l e s sr e s o u r c em a n a g e m e n ts c h e m e s m a i n l yi m p r 0 v es y s t e mp e r f 0 肿a n c et h r o u 曲t h ed e s i g no fu t i l i t yf u n c t i o n s ，t h i st h e s i s i n t r o d u c e saf r a m e w o r kw h i c hc a nu t i l i z es u m c i e n t l yt h ec h a r a c t e r so ft w od i m e n s i o n s ( t h e t i m ed o m a i na n dt h e 行e q u e n c yd o m a i n ) i no f d ms y s t e m s r e s o u r c e m a n a g e m e n ts c h e m e se i t h e rd e s i g n e df o rs i n g l ec a r r i e rs y s t e m so rf o rm u l c i c a r r i e r s y s t m e s ，a sw e l la s ，e i t h e rd e s i g n e df o rr e a l t i m et r a 陌c so rf o rn o n r e a l - t i m et r a m c s ， c a nb eu t i l i z e de 伍c i e n t l yi nt h eo f d ms y s t e m sb a s e do nt h ep r o p o s e d 厅a m e w o r k ， w h i c hc a nh a v ee i t h e rh e t e r o g e n e o u st y p e so ft r a 衢c s0 rs i n 舀et y p eo ft r a 硒c s t h r o u g hc o n f i g u r i n gd i f 传r e n tv a l u e so fp a r ；l i n e t e r sf o rd i f 五3 j n tt y p e so ft r a f h c s ，t h e a l g o r i t h mc a l la c h i e v ed i v e r s el e v e l so f t r a d e o f fb e t w e e ns y s t e mu t i l i t ya n dt r a m cq o s s a t i s f a c t i o n ，g u a r a n t e et h ef a i m e s s 锄o n gd i f f e r e n tt y p e so f t r a m c s a sw e l la st h eq o s r e q u i r e m e n t so f u s e r s k e yw o r d s ： m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ， c r o s s - l a y e rw i r e l e s s r e s o u r c em a n a g e m e n t ， c r o s s l a y e rf a i m e s sc r i t e r i o n ，a d a p t i v e ，s c h e d u l i n g ，q o ss a i i s f a c t i o n 鹅l v ! ； ：共1 2 9 灭 图表目录 图表目录 图卜1 不同的跨层优化方案：。7 图2 一i 传统的不重叠的多载波技术和重叠的多载波调制技术的比较1 4 图2 2o f d m 系统框图：1 5 图2 3o f d m 系统中子载波的频谱图1 5 图2 4c p 插入示意图1 6 图2 5c p 去除示意图。1 6 图2 6 语音业务的状态转移过程2 3 图2 7 多用户0 f d m 系统下行链路框图2 7 图2 8 最高数据速率比较( k = 4 ) 31 图2 9 误比特率性能比较( k = 4 ，k = 8 ) 一3 2 图3 1 自适应编码调制的系统框图4 l 图3 2 自适应编码调制区间选择4 2 图3 3 找到一个能传送m 比特的子信道的概率和用户数的关系5 0 图3 4n 个子载波总共携带的比特数( 均值) 和用户数的关系( = 1 2 8 ) 5 1 图4 1 多用户0 f d m 系统框图6 4 图4 2 帧结构6 5 图4 3 资源管理算法模块框图6 5 图4 4 调度器框架图6 6 图4 5 算法的流程图6 9 图4 6 信噪比与归一化分组吞吐量曲线( k = 7 ) 7 3 图4 一? 用户数与归一化分组时延曲线( 平均接收信噪比轴= 7 d b ) 7 4 图5 1 基站端发送框图7 8 图5 2 基于跨层公平性准则的资源分配算法流程图8 5 第v i l i 贞共1 2 9 爽 图表目录 图5 3 不同算法得到的语音用户的丢包率8 7 图5 4 各种调度算法流媒体用户的分组损耗率比较8 8 图5 5 各种调度算法流媒体用户的分组损耗率比较8 9 图5 6 各种调度算法数掘用户的分组损耗率比较8 9 图5 7 数据用户的吞吐量9 0 图6 1 多用户0 f d m 系统框图_ 9 2 图6 2 调度器框架图9 4 图6 3 双参数跨层资源分配算法流程图9 7 图6 4 流媒体用户的平均分组时延1 0 l 图6 5 流媒体用户的丢包率10 2 图6 6 语音用户的平均分组时延。1 0 3 图6 7 数据用户的归一化数据速率1 0 4 表卜l 协议栈各层使用的自适应技术。，5 表卜2 各层的吞吐量指标和优化技术，8 表卜3 各层的时延指标和优化技术9 表卜4 各层的功控指标和优化技术l o 表2 1u m t sq o s 类型2 2 表2 2i e e e8 0 2 1 6 业务类型2 2 表2 30 f d m a 和o f d m t d m a 的几种工作模式2 8 表2 4 系统参数表3 j 表3 1 调度算法比较4 0 表3 2w i m a x 物理层的传输模式4 2 表5 一l 业务模型参数8 7 表6 1 业务模型参数1 0 0 第1 x 页共1 2 9 页 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均己在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：堡垒 妨多年年月l 工日： 第l 章绪论 第1 章绪论 提供全球性优质服务，真正实现在任何时间、任何地点、向任何人提供通信服务一直 是移动通信的最高目标。自从1 8 9 7 年马可尼首次实现k 距离无线通信开创新纪元以米。人 们一直努力向这一目标迈进。尤其在过玄的几十年里，通信技术得以迅猛发展和j 泛麻 j ：日，极人的推动了社会经济发展，改变着人们的生活方式。 1 9 7 8 年底，美国贝尔试验室成功研制了先进移动电话系统 占用更高的频段( 2 g h z ) 和更大的带宽( 5 m h z ) ： 支持更高速率的多媒体业务：视频点播、i p t v 、运动图像传输等： 支持更高速率的数据传输：室内2 m b p s 、室外步行3 8 4 k b p s 、室外高速移动 1 4 4 k b p s ： 与第二代移动通信网兼容： 第1 页共1 2 9 贝 第l 章绪论 具有更高的频谱利川率及更高的系统容鼙。 然而3 g 系统也有其局限性比如3 g 所采川的语音交换架构承袋了第二代的i 乜路交 换，而不是纯l p 分组交换方式；由丁受到多川户干扰，c d m a 雉以达剑很高的通信速 率，从理论上说，3 g 手机的传输速度能达剑3 8 4 k b s 蜮更高( 静i 卜时达剑2 m b s ) 但手 机的速度将受到通信系统容奄的限制，难以达到理论速度。为高速业务和多姒钵业务而殴 计的3 g 系统在通信容量与质避等方面将远不能满足要求。 1 1未来移动通信的发展趋势 在3 g 还未大规模商用之前，人们已经开始了基于多载波和多天线技术的后三代移动通 信系统的研究。2 0 0 4 年。日本d o c o m o 演示了传输速率为l g b p s 的第四代移动通信系统 ( 4g e n e r a t i o n ，4 g ) 。我国也丁2 0 0 6 年成功研发了上卜行传输速率均为1 0 0 m b s 的b 3 g ( b e y o n g3 g ) 实验演示系统。目前还没有一个对4 g 通信系统的精确定义，但可以尚定的 是4 g 是在冈特网平i i 移动通信系统l s 速发展基础上形成的一种无线宽带多媒体通信系统 ( w b m c s ：w i r l e s sb r q a d b a n dm u l t i m e d i ac o m m u n i c 撕o n ss y s t e m s ) ，目前在欧洲也称为 复合式可重构的无线网络( c o m p o s j l er e c o n f i g u r a b i ew i r e l e s sn e l w o r k s ) 【l 】。其目标是建 立“全球信息村”1 2 。 目前，未来的移动通信止朝着卜面儿个方向发展： 宽带化：更高的数据速率、更宽的频谱带宽和更低的数据传输成本，且物理层采 用o f d m 和m 【m o 等增强技术。目前l t u 对4 g 的基本技术要求是：在移动状态- f 速率达到l o o m b s ，静态和慢移动状态下速率达到1 g b s 。与现有的移动通信技术 相比，4 g 的传输速度可提高l 0 0 0 倍。 基于i p 的网络：核，心网部分将实现全j p 化，整个无线网络由原来电路交换变成分 组交换。所有的业务都由1 p 包来承载，真止实现话音和数据的业务融合。 无缝性：包含系统，业务军覆薷等多方面的无缝性。系统的无缝性指的是刖户可 以任意地在多个移动通信系统中选抒最合适地一个使用：业务的无缝性指的是对 话音、数据雨i 图像等业务支持的无缝性：而覆盖的无缝性指朱米的移动通信系统 应能提供无处不在的无线接入。 业务集成：支持多种应用包括更多的多蚁体业务，而且希望有无处不在且根据 个人需求进行定制的新的应用和服务。 智能化：具有高度自治、自适应的两络，具有良好的重构性、可伸缩性、臼组织 性等，用以满足不同环境、不同用户的通信需求。 移动通信技术面临的挑战，其根源在于移动通信本身的特点： 第2 畎共1 2 9 负 第l 章绪论 电波传播条件复杂：移动体可能住各种环境中运动，电磁波在传播时会产生反 射、折射、绕射、多普勒效应等现象，产生多径干扰、信号传播五正迟和展宽等效 应。 无线媒质的开放性：无线通信受到噪声和干扰的影响，如在城市环境中的汽车火 花噪声、各种 ：业噪声，移动用户之间的互调干扰、邻道干扰、同频干扰等。 频带资源有限：无线电频率是一种非常宝贵资源，随着移动通信的飞速发展，频 谱资源的有限性和移动用户急剧增加问的矛盾越来越尖锐，出现了! 频率严重短 缺”的现象。解决频率拥挤问题的出路是寻求更加智能的物理层信号处理技术、 寻求新的无线网络架构、采刚认知无线电技术和开发新频段笛。 信号发射功率受限：从延k 移动川户殴备的电池寿命角度，或者绿色环保角度， 或者设备成本角度来看，一般发射机的功率都受剑限制，这就要求具有高功率效 率的技术。 成本方面的约束：从经济角度，系统不能接受高度复杂的技术。 目前在超三代以及第四代移动通信的研究中，先后出现了多项重要技术【3 ，5 1 ，比如多 载波传输技术( 如正交频分复用技术，o f d m ) 【4 6 】，多天线技术【7 】，高性能编码、调制 技术【8 ，9 】，超宽带技术( u w b ) 【4 ，1 0 】，各种动态及快速自适应技术、资源管理技术f 4 ， ll ，1 2 】、a dh o c 网络技术【4 ，1 3 】等等。 。 1 2无线资源管理的研究现状及挑战 无线通信系统的目标是提高系统容量保证高的通信质域，尽可能满足刚户对服务质 量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 的要求。未来的无线通信系统对通信速率、服务质昔和服务 种类都提出了更高的要求【1 4 】，而无线资源的有限性，即系统功率、带宽等限制成为影 响无线通信系统进一步发展的瓶颈。传统的静态分配方式浪费了稀缺的频谱和功率。冈为 这种方式无法利用无线信道的时变特性。因此，对无线资源进行合理地分配和利用，提高 功率效率和提高用户满意度，是非常必要的。 随着移动通信多址接入方式由频分多址接入、时分多址接入、码分多址接入发展剑上e 交频分多址接入( o n h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga c c e s s ，o f d m a ) 【1 5 】，无线 资源管理( r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ，r r m ) 技术也在不断地发展。在o f d m a 系统 中，传统资源管理主要包括分组调度【1 6 ，1 7 】、链路自适应【1 8 2 3 】、呼叫接入管理【2 4 】、功 率控制【2 5 ，2 6 】和切换管理【2 7 ，2 8 】等。 链路自适应技术包括臼适应编码、白适应凋制、白适应时隙分配、可变扩频增箍、臼 适席子载波一比特一功率分配等，是提高资源利川率的核心技术之一并且得剑了 “泛地 研究。与单载波系统相比，o f d m 系统的多载波特性为臼适应技术的使川提供了更j 阔的 第3 。灭共1 2 9 爽 第l 章绪论 空间，因为该系统可以提供时频二维空间。快速链路自适应技术已经被公认为卜一代无线 通信系统利用信道的时变特性的有效技术之一。 链路自适应技术的目的是在多用户系统中更加高效地利用系统资源。文献f 2 9 3 2 】根据 用户的实时信道状态信息，通过动态的方式分配子载波、比特和功率。该方法与丁d m a 系 统中为用户分配一个时隙内的所有子载波，以及f d m a 系统中为川户分配i i i i i 定的子载波等 静态的分配方式是不同的。类似的，【3 3 3 5 】提供了多大线系统中多川户的动态资源分配。 这些算法的概念是为实时信道质越比较好的川户提供比较高的优先级。利川多个川户之间 信道衰落的独立性和多川户分集增蕊，通过动态分配来提高系统的频谱效率和功率效率。 在未来的无线通信系统中，需要满足多种多样的q o s 需求，尽管提出这些需求的户 可能具有不同的链路质龄、抗干扰特性、业务类刑、地理何置以及不同的移动特性。白适 应技术不仅可以在物理层实现( 例如，白适应调制和自适应编码) ，在链路层媒体接入控 制( m e d i aa c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 子层实现( 例如，自适应接入、信道分配和凋度) ，甚 至可以在网络层和应用层实现。然而，现有的资源管理算法主要关注于系统设计中的某一 层。实际上，严格的分层体系结构已经制约了无线通信系统高效资源管理技术的实现。跨 层无线资源管理 3 6 3 8 】开始成为一个新的研究热点，冈为该技术可以联合使用多层信息， 实现资源的联合优化。 随着无线通信系统向全l p 网络结构的演进，急切需求基r 分组交换的高效的资源管理 方法。冈为，传统的土要关注丁网络体系结构中某一层的资源管理方法。无法提供端剑端 的q o s 保证。文献【2 9 3 2 ，3 5 ，3 9 】提出的臼适应带宽分配算法，忽略了分细达到的动态特性 和队列的动态特性。实际上，数据分组的剑达是服从一定的分布的，这就导致了队列的动 态特性。而忽略了这种动态特性的资源管理算法将无法丛剑系统性能的优化，也是与实际 系统相违背的。另一方面，在当前基丁分组交换的网络中，m a c 层和网络层的调度算法在 进行带宽分配时，假没物理层的信道状态不变或者假设物理层无误码。这种对物理层的假 设忽略了无线信道的本质特性，如川户的移动特性、多径效应、时变特性和高误码特性 等。因此，有必要考虑无线分组网络中的跨层优化问题，也就是将m a c 层和物理层这两 个本来就非独立的两层作为一个整体考虑。 跨层优化设计不仅包括物理层和m a c 层，实际上涉及剑协议栈体系结构中的各个方 面。跨层优化思想的提出，其主要原冈如下：第一，传输媒介的又：别：有线网络中的物理 层传输媒介( 如光纤、铜线、电缆等) 十分稳定可靠。冈此上层协议不需要考虑物理层的 变化特征，可以独立进行各层的优化：而无线信道是一个具有时变特性的不可靠的； ! i ! 介， 这样在设计上层协议时就必须考虑无线信道的变化特征使得上层协议能够白适席丁物理 层的这种时变特性；第二二，带宽的要求：无线带宽相对丁有线带宽而言是十分有限的，无 线信道是一个共享的媒介，有效的资源利川依赖丁用户的随机活动特性和物理层调制解 凋、编码解码方案的选择【3 7 ，3 8 】。例如考虑一组随机分布的川户接入一个公共信道，简单 第4 页共1 2 9 贞 第l 章绪论 的泔- 突模删( 在任何时问只能有一个州户成功传输) 产生经典的a l o h a 和c s m a ( c a 盯i e rs e n s em u l l p l ea c c e s s ) 算法【3 9 】，而类似c d m a 的模型有不同的效果【4 0 ，4 1 】。第 三。q o s 的要求：在无线通信网络中，信道质繁在时间上和频率上都存在剧烈的变化，可 以通过利用信道状态信息的方法达到显著提高系统性能的目的【4 2 】。但是，如果考虑实时 性业务，使得这种类型的业务等到信道质量得到改善时再被传输一般是不可行的。多刚户 环境与单用户环境的土要区别是，存在多片j 户分集【4 3 】。当系统中用户增加时，信道质肇 较好的用户存在的概率也增加，利用这种分集带来的增益，会使得总的系统容量随着用户 数的增加而增加，此时就必须考虑网络层的公平性和业务等待时延之间的联系等。在业务 种类繁多、q o s 需求变化范围比较大的情况下，如何保证接入用户的q o s 并最大化系统吞 吐量是系统设计面临的一大挑战。其主要困难在于，在可变的信道中，不容易把所有的 q o s 指标结合为一个单一的性能测量标准以达到理想的质量。第四，有效地利用移动设备 的能量也是无线网络中需要考虑的一个重要方面，这儿乎涉及协议栈的所有层面。 表卜1 协议栈秤培使用的臼适应技术 层的名称 白适应技术任务q o s 指标 物理层凋整发射功率，编码方式，信道检测接收信号强度，误 调制方式比特率，抗干扰 能力，接收信噪 比，接收信干比 链路层 自动请求重传( a r q ) ，前 增加减少链路，保证数据吞吐餐，丢 m a c 层向纠错( f e c ) ，调整帧长链路的可靠性，水平包率。最人重传 切换，向高层屏蔽物次数，延时，延 理层特征 时抖动 网络层改变网络接口，移动i p改变业务i p 。乖直切网络时延，路由 换效率 传输层 慢启动，拥塞同避，重传指 拥塞检测，建立可靠 丢包率，吞吐煞 示，调整t c p 的往返时间的连接，t c p u d p 选 ( r 1 r t ) 计时器的值择 应用层调整多媒体业务速率，根据业务的q o s 等级信时延。时延抖 信道和网络特征自适应改变息，多用户分集增益动。吞吐颦，丢 包率 注：1 a r q 。a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ，自动请求重传 2 f e c ，f o r 、a r de r r o fc o n e c t 。前向纠错 3 r t t ，r 0 u n dt r i pt i m e 。往返时间 第5 负共1 2 9 负 第l 章绪论 4 t c p ，t r a n s p o nc o n t r o lp r o t o c o i ，传输控制协议 5 u d p ，u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l ，州户数据报协议 白适应是跨层优化设计的核心思想。所谓白适应是指协议栈可以分析和提取所需要的 信息，并根据这些信息做出上l 确的反应机制其中既包括如何往物理层实现高层的q o s 需 求。又包括如何将高层的q o s 需求合理的映射成物理层可实现的方式，以及如何为系统找 到一个比较合适的优化尺度。一般可以分作两种1 ：作模式：根据高层需求凋整低层i 1 ：作模 式，例如将应用层的q o s 指标( 可忍受的时延、丢包率等) 传送给链路层，使之自适应调 整误著校正机制；根据低层需求调整高层工作模式，将物理层的发射功率和误比特率信息 传送给m a c 层，使之自适应调制其误筹校正机制：或应用层根据信道状况。白适应选择 最合适的服务类型，实现系统的多用户分集增益。表1 i 出了无线通信系统中各层所使用 的主要自适应技术、任务和q o s 指标。 跨层优化并不是要完全打破现有的分层网络结构，而是模糊严格的层与层之间的界 限，将原本分散在网络中各层的特性参数进行融合，也就是将多个层面的算法联合在一起 迸行优化，抛弃以前在某个层面上独立对各白的算法进行优化的做法。 现有文献中提出的跨层优化方案主要有以卜儿种： l 。在不相邻的层面之间创建新的接口：从接口信息流向的角度看可以分成两种情 况：向卜的信息流平向上的信息流。向卜的信息流土要是虑川层给低层的信息， 例如庸州层为低层( 如m a c 层) 提供的各业务的特性信息( 如，实时业务的可 以忍受的最大等待时延，v i d e o 业务对带宽的需求等) ，这样m a c 层在进行调度 和资源分配时可以尽量满足这些业务的需求。向上的信息流主要出现在上层协议 需要低层提供一些额外的信息。一个比较典型的例子就是当传输层( 使用t c p 协 议) 路径中包含无线链路时，需要m a c 层提供一个拥塞指示信息。冈为，由丁 无线链路的传输差错而产生的丢包会导致t c p 的发送方误以为是：l j 现了网络拥 塞。如果t c p 仍然把这种丢包的处理简单地门结为启动拥塞控制机制的话，势必 导致网络传输性能的恶化。解决方法就在m a c 层和传输层之间添加一个拥塞指 示的接口。当无线链路开始出错时，链路层通过这个接口告诉传输层当前的丢包 是由无线链路筹错引起的，井1 i 网络层出现了拥塞。 2 融合相邻层：即把原米相邻两层融合在一起设计。这样做可以保留原有协议栈的 接口和结构，其实现复杂度比较低。在无线网络中，物理层与m a c 层是联系最 紧密的两层，也是对系统性能影响最人的两层。对这两个层面进行联合优化可以 有效地提高无线网络的容量，并且不需要修改上层的结构，是跨层优化中最简单 的一种，这也是本论文主要研究的内容。 3 多个层面融合在一起设计：该思想主要出现在a d h o c 网络设计中。无线传感网 络是一个能量受限的系统。功率效率是该系统最重要的优化指标之一。为了取得 第6 页共1 2 9 负 第l 章绪论 最优的功率效率，需要将网络层的路由算法，m a c 层的资源分配算法和物理层 各种信号处理算法结合在一起设计。 不相嚣创建 融合相邻的层面多个层面融合存一起设计 图卜1 不同的跨层优化方案 基于现有的体系结构，可以实现的跨层设计如卜： 一物理层与其他层 1 m a c 层：m a c 层可以指示物理层增加发射功率或使川低阶凋制技术来减少误比 特率( b i te r r o rr a t e ，b e r ) ；或者，当m a c 层具有了较强的误著校止能力时， 它指示物理层减少发射功率或使川高阶调制增加系统容缱； 2 与网络层：网络层根据物理层的b e r 信息来判决是否改变目前的网络接口： 3 与应用层：应用层如果判断当前的物理层特性不能满足其q o s 要求( 如时延、时 延抖动、吞吐量、丢包率等) ，则通知物理层进行参数的调整；或者，应用层根 据物理层汇报的信道状态信息自适应调整其多媒体业务速率； 二m a c 层与其他层 1 与网络层：当移动设备改变子网时。可j i 移动i p 进行切换。但由丁切换是在i p 层检测到网络改变时发起的，冈此时延很人：解决方法是，将移动设备连续测域 到的信号强度作为是否进行切换的依据，妻，处是可以减少时延： 2 与传输层：当信道质量较筹时，由丁m a c 层的重传带米的延时会导致t c p 超 时，这将触发慢启动重传机制，降低了发送速率。为避免这种情况的出现，可以 将t c p 的r 1 v r 计时器的数值刖丁m a c 层的重传：类似地，m a c 层的重传信息 也可用于t c p 的r t t 计时器： 3 与应j j 层：不同的应用有不同的q o s 要求，m a c 层应具有白适应处理的能力。 例如，为时延要求较高的业务分配较高的优先级，为需要高可靠性的业务采用臼 适应调制编码和f e c a r q 技术： 第7 页共1 2 9 页 第1 章绪论 三网络层与其他层 1 与传输层：由于t c p 的重传和拥塞同避机制，移动l p 切换时延将导致吞吐量的 下降；t c p 可使用移动i p 切换信息调整其计时器，避免不必要的分组重传： 2 与应用层：移动设备具有多种无线网络接口，能够提供不同级别的业务，府川层 的q o s 需求可用丁选择合适的接口。例如，相比g p r s 接口，无线局域网 ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ，w l a n ) 接口可提供较少的时延和较高的吞吐 量。 四传输层与其他层 与赢片j 层：应用层将业务的q o s 需求指示给t c p ，t c p 基丁该信息自适戍调整接收窗 口尺寸；另一方面，t c p 也可以将丢包率和分细通过率等信息传递给戍川层，使其白 适应调整发送速率。 在使用跨层技术对系统性能进行优化时，根据不同的优化目标可以将其分为；提高系 统吞吐量、减小等待时延、降低功耗、提高安全性、提高t c p 性能以及若干性能之间的折 衷优化等。 表卜2 并层的吞吐最指标和优化技术 层的名称吞吐量指标可选技术 单位时间内正确接收发送的平 物理层a m c ，a p c 均比特数蟹 单何时间内正确接收，发送的平 动态子信道分配，a r q ，f e c ， 链路层m a c 层 均帧数鼙臼适廊帧艮 单位时间内止确接收发送的平 网络层臼适府改变网络接口 均分组数鹫 单位时间内止确接收发送的平 传输层t c p 。u d p ，拥塞回避，慢启动 均分组数量 应用层有效容量白适应调整发送速率 注： 1 a m c ，a d a p t i v em o d u l a t i o nc o d i n g ，自适应调制编码 2 a p c ，a d a p c i v ep o w e rc o n t r o l 。自适应功率控制 为提高系统的吞吐量，在保证系统稳定的基础上，应该选择信道质颦妤的信道发送尽 可能多的数据。可以采刈的技术主要包括：高阶调制。最优子信道选择。减小数据比特中 校验比特的比重。增加每帧中数据信息的比重，选扦高容鼙的网络，增加信源的发送速率 等。文献【4 0 】将物理层的臼适应调制编码与截断a r q 协议结合使川，从而在满足性能要求 的基础上，实现了数据速率的最人化。文献 4 1