（通信与信息系统专业论文）无线通信网络中的跨层设计研究.pdf

山东大学硕士学位论文 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。为了满足多媒 体业务日益增长的服务质量( q o s ) 要求，下一代无线通信系统必须更为灵活和有 效地利用有限的无线资源。跨层设计思想打破了传统的分层网络结构，将原来被 割裂的网络各层作为统一的整体进行设计和优化，使得在时变的无线衰落信道中 保证多媒体业务的q o s 变得切实可行。 本论文以点到点无线链路、端到端有线无线混合通信网络和协作通信网络这 三种无线网络形态为研究背景，探讨了这些系统中的的跨层设计方法。主要从以 下几个方面展开了深入的研究，概括如下： 研究了点到点无线链路上的跨层设计问题。针对一个结合物理层的自适应编 码调制技术和数据链路层的混合自动请求重传技术的点到点无线链路，研究了q o s 保证业务的吞吐量优化问题。首先，利用嵌入马尔可夫链理论分析了数据链路层 的排队过程，得到了吞吐量、时延和丢包率的表达式。基于上述分析，提出了一 种跨层设计方法，在满足时延和丢包率的前提下，有效地提高了吞吐量。 研究了端到端有线无线混合通信网络中的跨层设计问题。针对一个存在q o s 保证业务的有线无线混合通信网络，研究了如何通过联合考虑物理层上自适应编 码调制技术、数据链路层上的混合自动请求重传技术以及传输层上的传输控制协 议( t c p ) 来优化端到端吞吐量的问题。首先对该问题涉及到的传输层、数据链路 层和物理层进行了合理的数学建模，然后利用定点方程研究了传输层与底层之间 的相互作用关系。依据对定点方程的分析，提出了一种跨层设计方法，在满足端 到端时延和丢包率的前提下，有效地提高了端到端吞吐量。 研究了协作通信网络中的跨层设计问题。针对一个采用自适应编码调制的三 节点协作通信网络，研究了协作增益和协作时机两个问题。首先，联合考虑物理 层的协作分集和自适应编码调制技术，以及数据链路层的混合自动请求重传技术， 根据协作通信中经典的译码转发方案设计了全协作混合自动请求重传协议。进一 山东大学硕士学位论文 步地，考虑到协作时机的问题，又提出了基于时机选择的协作混合自动请求重传 协议。通过分析比较上述两种协议的误包率和频谱效率性能，可以得出，两个协 议均可以有效地优化系统的性能，且考虑到协作带来的开销，基于时机选择的协 作混合自动请求重传协议具有更优的性能。 关键词：跨层设计；服务质量；混合自动请求重传；白适应编码调制；传输控制 协议；协作通信 i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t p e o p l e sr e q u i r e m e n t sp r o m o t et h er a p i dg r o w t ho fw i r e l e s st e c h n o l o g i e sf o r p r o v i d i n ga n y t i m e ，a n y w h e r eu b i q u i t o u sc o m m u n i c a t i o n s w i t ht h ei n c r e a s i n gq u a l i t y o fs e r v i c e ( q o s ) r e q u i r e m e n to fm u l t i m e d i at r a f f i c s ，t h en e x t g e n e r a t i o nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r er e q u i r e dt ou t i l i z et h er a d i or e s o u r c ei nam o r ef l e x i b l ea n d e f f i c i e n tw a y t h ei d e ao fc r o s s l a y e rd e s i g nd i s c a r d st h ei d e ao fl a y e r e dd e s i g na n d v i e w ss e p a r a t en e t w o r kl a y e r sa saw h o l et o d e s i g na n do p t i m i z e w h i l ep r o v i d i n gt h e q o sr e q u i r e m e n to fm u l t i m e d i at r a f f i c s t h i st h e s i so f f e r ss e v e r a ln o v e la p p r o a c h e so nc r o s s - l a y e rd e s i g ni np o i n t - t o p o i n t w i r e l e s sl i n k ，e n d - t o - e n dn e t w o r k sa sw e l la sc o o p e r a t i v en e t w o r k s t h ec o n t e n t so ft h i s w o r ka r el i s t e da sf o l l o w s ： f o rc r o s s - l a y e rd e s i g ni np o i n t - t o p o i n tw i r e l e s sl i n k ，w ec o n s i d e rt h ep r o b l e mo f j o i n t l ye x p l o i t i n gt h ee r r o r - c o r r e c t i n gc a p a b i l i t yo ft h eh y b r i da u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ( h a r q ) p r o t o c o la tt h ed a t al i n kl a y e ra n dt h ea d a p t a t i o na b i l i t yo ft h ea d a p t i v e m o d u l a t i o na n dc o d i n g ( a m c ) s c h e m ea tt h ep h y s i c a ll a y e r , i no r d e rt om a x i m i z et h e t h r o u g h p u tf o rq u a l i t y - o f - s e r v i c e ( q o s ) 一g u a r a n t e e dt r a f f i c t h eq u e u e i n gb e h a v i o r i n d u c e db yb o t hh a r qa n da m ci sa n a l y z e dw i t ha ne m b e d d e dm a r k o vc h a i na n dw e d e r i v et h ec l o s e d - f o r me x p r e s s i o n sf o rp e r f o r m a n c em e t r i c ss u c ha sp a c k e tl o s sr a t e ， t h r o u g h p u ta n da v e r a g ed e l a y t h e n ，w ep r o p o s eac r o s s - l a y e rd e s i g na l g o r i t h m ，w h i c h c a ni m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c ew i t ht h eq o sc o n s t r a i n t s f o rc r o s s - l a y e rd e s i g ni ne n d t o - e n dh y b r i dw i r e d w i r e l e s sn e t w o r k s ，w ec o n s i d e r t h ep r o b l e mo f j o i n t l yo p t i m i z a t i o no fa m ca tt h ep h y s i c a ll a y e r , h a r qa tt h ed a t al i n k l a y e ra n dt r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l ( t c p ) a t t h et r a n s p o r tl a y e r f i r s t , t h e p e r f o r m a n c e so ft r a n s p o r t ，d a t al i n ka n dp h y s i c a ll a y e r sa r em o d e l e db ys o m ec l a s s i c a l m o d e l s t h e n ，w es t u d yt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt r a n s p o r tl a y e r , d a t al i n kl a y e ra n d p h y s i c a ll a y e rv i aaf i x e d - p o i n tp r o c e d u r e t om a x i m i z et h ee n d t o e n dt h r o u g h p u tf o r q o s - g u a r a n t e e dt r a f f i c ，w ep r o p o s eac t o s s l a y e rd e s i g nw h i c ho p t i m i z e st h et a r g e t i i i 山东大学硕士学位论文 p a c k e te r r o rr a t e ( p e r ) f o ra m c a sw e l la st h em a x i m u mn u m b e ro fr e t r a n s m i s s i o nf o r h a r q f o rc o o p e r a t i v en e t w o r k s ，w ep r o p o s eac r o s s - l a y e rd e s i g nw h i c hc o m b i n e sa m c ， c o o p e r a t i v ed i v e r s i t ya tt h ep h y s i c a ll a y e ra n dh a r q a tt h ed a t al i n kl a y e r f i r s t ，w e p r o v i d et h e o r e t i c a la n a l y s e so fc o n v e n t i o n a ld i r e c tt r a n s m i s s i o ns c h e m ea n dc o o p e r a t i v e t r a n s m i s s i o ns c h e m ew i t ha m ca n dh a r qt h a ti n c l u d ea n a l y t i c a le x p r e s s i o n sf o rt h e p e ra n ds p e c t r a le f f i c i e n c y t h e nw ep r o p o s ea no p p o r t u n i s t i cc o o p e r a t i v eh a r q s c h e m ew h i c hi n v o k e sc o o p e r a t i o nb a s e do nt h ef e e d b a c kc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n n u m e r i c a lr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h eo p p o r t u n i s t i cc o o p e r a t i v e h a r qs c h e m e i s e q u i v a l e n t t ot h e c o o p e r a t i v et r a n s m i s s i o ns c h e m ew h i l ei t s c o o p e r a t i o n c o s ti sk e p tm u c hl o w e rc o m p a r e dw i t ht h a to ft h ec o o p e r a t i v et r a n s m i s s i o n s c h e m e k e yw o r d s ：c r o s s - l a y e rd e s i g n ；q u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) ；h y b r i da u t o m a t i cr e p e a t r e q u e s t ( h a r q ) ；a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g ( a m c ) ；t r a n s m i s s i o nc o n t r o l p r o t o c o l ( t c p ) ；c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n i v 山东大学硕士学位论文 弓 f a n r 乞加i r t t w s n r c s i a m c h r q 信道相干时间 最大多普勒频移 最大重传次数 数据链路层误包率 端到端往返时间 重传超时值 符号说明 s i g n a l - t o n o i s er a t i o 信噪比 c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n 信道状态信息 a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g 自适应调制编码 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 h a r qh y b r i da u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t 混合自动请求重传 a c k f e c c r c b e r p e r a c k n o w l e d g e 确认 f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n 前向纠错码 c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k循环冗余校验 b i te r r o rr a t e 误比特率 p a c k e te r r o rr a t e误包率 f s m cf i n i t es t a t em a r k o vc h a i nc h a n n e l有限状态马尔可夫信道模型 f i f o t c p f i r s ti nf i r s to u t 先进先出的排队策略 t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l 传输控制协议 v 山东大学硕士学位论文 c w n d c o n g e s t i o nw i n d o w s s t h r e s hs l o ws t a r t1 1 ：l r e s h o l d a f d f v i 拥塞窗口 慢启动阈值 a m p l i f y - a n d f o r w a r d 放大转发模式 d e c o d e a n d f o r w a r d 译码转发模式 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：生斐逢。e l 期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：吏堑逢导师签名 日 期：星空! ! ：生：圣堡 山东大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 信息化是当今世界发展的重要主题，而无线通信的蓬勃发展则大大加快了整 个世界的信息化进程。1 8 9 7 年，马可尼( g u g l i e l m om a r c o n i ) 第一次向世界展示 了无线通信的威力，实现了在英吉利海峡行驶船只之间的持续通信。在此后的一 百多年里，随着数字技术的发展和超大规模集成电路等技术的出现，无线通信技 术在人类社会的各个方面得到了无所不在的应用。在过去的几十年里，移动通信 系统得到了广泛的商用，并已经经历了三代。第一代模拟通信系统，采用频分多 址( f d m a ) 为接入技术，只能提供语音业务。第二代移动通信系统( 2 g ) 采用 时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 实现动态寻址功能，完成了模拟技术 向数字技术的转变，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 ( 3 g ) 主要采用宽带码分多址接入技术，将传统的移动通信方式与开放的因特网 融合，各个国家和地区的移动通信网融合为一个整体。除了提供传统的语音业务 外，更多的是视频点播、实时电视等多媒体业务。然而3 g 缺乏全球统一标准，它 所采用的语音交换架构承袭了2 g 系统的电路交换，并非纯i p 方式，基于视频的 应用也不尽如人意，同时安全方面也存在一定的缺陷。因此，第四代移动通信技 术( 4 g b 3 g ) 的研究应运而生。 在2 0 0 5 年1 0 月1 8 日结束的i t u rw p 8 f 的第1 7 次会议上，i t u 给后3 g 技 术定义了一个正式的名称i m t - a d v a l l c e d 。按照i t u 的定义：i m t - 2 0 0 0 技术和 i m t - a d v a n c e d 技术拥有一个共同的前缀“i m t ，表示移动通信；当前的w c d m a 、 h s d p a 等技术统称为i m t - 2 0 0 0 技术；未来的新的空中接口技术，叫做 i m t - a d v a n c e d 技术。按照i t u 对i m t - a d v a n c e d 的定义，当用户处于静止或低速 移动时，i m t - a d v a n c e d 系统应当能够支持1 g b i t s 的数据业务速率；当用户处于高 速移动状态时，i m t - a d v a n c e d 应当能够支持1 0 0 m b i f f s 的数据业务速率。 近年来，人们对实现4 g b 3 g 的关键技术进行了大量的研究，并取得了初步的 成果。由于无线信道是开放的媒质，存在严重的干扰、衰落和噪声，因此，如何 克服恶劣的信道条件，进行高速的信息传输，是人们研究的重点。如在物理层， 山东大学硕士学位论文 正在研究的热点技术包括先进的信道编码( t u r b o 码 1 、l d p c 码 2 ) 、自适应编 码调制( a m c ) 3 ，4 ，5 】、正交频分复用( o f d m ) 6 ，7 ，8 、多输入多输出天线技 术( m i m o ) 9 ，1 0 、分集接收技术以及高性能的检测、同步、估计方法等。但是， 上述各技术的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，t u r b o 码和l d p c 码已经可以很好的逼近香农限；而m i m o 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网络的理论和概念模型，无线网络的跨层 设计就是在这种情况下提出的一种创新性理论，它将被割裂的各层重新作为统一 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对多媒体业务的服务质量( q o s ) 的支持 能力。 以下将简要介绍一下与本论文相关的一些技术背景和研究现状。 1 2 链路自适应技术 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 就是自适应调节信号传输或接收的参数来充分利用当前的信道环境。采用链路自 适应技术能动念跟踪信道变化，根据当前信道状态信息( c s i ，c h a n n e ls t a t e i n f o r m a t i o n ) ，自适应地调整传输或接收参数( 如发送功率、符号速率、编码码率、 编码方式、调制方式等) ，以适应信道的变化，最大限度地发送信息，增加系统容 量、峰值数据传输速率和有效覆盖范围。 下面简单介绍几种常用的无线链路自适应技术。 1 2 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的e n ，从而保证发送数据的成功概率。 1 9 6 8 年，h a y e s 首先提出了功率控制的概念 1 1 - 系统的接收端将信道状态信息反 馈给发送端，发送端依据信道状态信息调整发射功率。 2 山东大学硕士学位论文 功率控制技术已经被应用在基于c d m a 技术的移动通信系统中，如w c d m a 系统及e d m a 2 0 0 0 系统。在实际系统中，当信道质量比较差的时候，功率控制技术 会增加发射功率，而当信道质量比较好的时候，功率控制技术会减小发射功率， 其结果就是，无论信道质量的好坏，都维持了一个恒定的数据速率。当运营商提 供电路交换的语音业务时，这样的恒定的数据速率是一个比较理想的结果。 但是，随着用户对宽带数据业务的需求不断增长，在用户的角度而言，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掰 么重要，更高的平均数据速率才用户所更为需要的。基于此种需求，人们开始研 究速率控制技术 3 ，12 】。 1 2 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，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。 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案来控制发 送数据速率。因此，速率控制技术一般也称之为自适应编码调制技术。 自适应调制编码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，如平均信噪比，以及业务的q o s 要求，如平均时延、通信中断概率和 数据速率等来决定采用的调制和编码方式 5 。编码码率和调制阶数的变换实质上 是一种变速率传输控制方法，以适应无线信道衰落的变化，具有抗衰落能力强、 频谱利用率高等优点。但是由于系统选择编码调制模式的依据是信道状态，因此 这项技术要求准确的信道估计和快速可靠的反馈链路。 在过去的十年中，自适应调制编码技术取得了长足的发展。1 9 9 6 年，h a n z o 等提出基于调制转换门限的自适应调$ 1 j 1 3 ，该方案在满足误码率( b e r ) 指标下 通过门限判别调整调制方式，使得系统传输的吞吐量最高。在该方案的基础上， c h o i 和h a n z o 进一步提出了根据信道平均信噪比( s n r ) 可变转换门限的自适应 调制，在信道平均s n r 较高时可以获得更高的吞吐量 1 4 】。w o n g 和h a n z o 将平坦 衰落信道下的自适应调制扩展到宽带系统q b 1 5 】。g o l d s m i t h 推导了在已知信道状 态信息情况下的衰落信道的香农信道容量界限，并且指出该信道容量是通过采用 3 山东大学硕士学位论文 自适应传输技术获得的 3 】。研究显示，几乎在各种衰落信道下，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 2 3 混合自动请求重传技术 通过有扰信道实现有效而可靠通信是信息传输的中心问题。在通信系统中有 两种基本技术用于控制传输错误：前向纠错编码( f e c f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ) 和自动请求重传( a r q ，a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ) 1 6 。f e c 在发送端进行纠错 编码，接收端收到这些码字后，通过纠错译码器不仅能自动地发现错误，而且能 自动纠正接收码字传输中的错误。a r q 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。 结合f e c 和a r q 两种差错控制技术各自的特点，将f e c 和a r q 两种差错控 制方式结合起来使用，构成了h a r q ( h y b r i da r q ) 技术 1 7 】。在使用h a r q 技 术的通信系统中，发送端发送的码不仅能够检测出错误，而且还具有一定的纠错 能力，接收端收到码序列后，首先检测错误情况，如果在纠错码的纠错能力以内， 则自动进行纠错。如果错误很多，超过了纠错码的纠错能力，但能检测出来，则 接收端通过反馈信道，要求发端重新传送信息。这种方式避免了a r q 的信息传送 连贯性差、时延大的缺点，提高了对信道的适应性，并在一定程度上提高了编码 效率。研究表明，h a r q 可以提供更好的性能，尤其是在时变衰落信道环境。 根据对于相同的数据在重传时前后不同帧的处理不同，目前h a r q 分为t y p e i h a r q 、t y p e - i ih a r q 1 8 、t y p e i i ih a r q 1 9 。t y p e ih a r q 的原理是丢弃前一 帧，完全依赖后一帧的译码结果；t y p e i ih a r q 又名递增冗余a r q ，当发送端连 续收到一定数量的否认( n a c k ) 信号时，发送端使用性能更强的编码方案重新传 送数据，更强的编码方案的实质就是用增加编码的冗余提高编码的纠错能力。 t y p e i i ih a r q 引入互补对称的思想，对于同一组数据，虽然前一帧和后一帧的编 码方案不同，但都可以自解码，而且前后两帧有互补对称关系，可以联合译码。 研究表明，t y p e i i ih a r q 鲁棒性好，有较高的频谱利用率 2 0 。 将h a r q 也划归为链路自适应的范畴是因为它保证了a m c 的实现。由于系 4 山东大学硕士学位论文 统选择编码调制模式的依据是信道状态信息，所以a m c 对于信道估计的差错和反 馈时延非常敏感，而采用h a r q 技术后，引入了重发机制，因此降低了对信道估 计差错和反馈时延的敏感程度，提高了系统的鲁棒性。 1 3 协作通信技术 无线信道的多径衰落特性一直以来都是阻碍信道容量增加和服务质量改善的 主要原因之一。如前所述，采用m i m o 技术可以达到空间分集的作用以提升系统 容量。但是，在实际系统中，对于体积有限的终端，装备多根天线是十分困难的。 协作通信技术基于中继传输的原理，允许不同用户或节点共享彼此的天线或其他 网络资源，可大大提高通信网络的性能。 事实上，中继与协作传输的研究历史可以追溯到2 0 世纪7 0 年代中期，中继 信道模型和带反馈的多址信道模型等相关的研究为无线中继系统的发展奠定了理 论基础【2 1 。2 0 0 0 年之后，r i c e 大学a a z h a n g 研究组 2 2 ，2 3 和m i t 的w o m e l l 研究组 2 4 ，2 5 分别提出了利用中继传输降低中断概率，提高通信可靠性与实时性 的方案，即协作分集理论。这为无线中继在未来移动通信中的应用提供了全新的 方式。与此同时，新兴的w i m a x 标准等也将无线中继引入到系统结构中，形成 了网状的无线骨架网络。 多用户协作通信是一种利用分属于各用户终端上的天线，通过协作信号处理 获得分集增益的技术。同时，协作通信使各用户终端共享它们的天线和其它资源， 通过分布传输和信号处理达到“虚拟天线阵列 的功能。因此，协作通信为无线 通信系统提供了一种克服信道衰落、增强可靠性、扩大覆盖能力以及提高频谱利 用率的有效方法。 最基本的协作通信方式有三种：放大转发模式( a f a m p l i f y - a n d f o r w a r d ) 、 译码转发模式( d f d e c o d e - a n d f o r w a r d ) 和编码协作模式( c o d e dc o o p e r a t i o n ) ， 其它形式都是在这三者基础上所做的改进。 放大转发是指中继节点不对接收到的信号进行解调和译码，而是直接将收到 的信号进行模拟处理后转发 2 5 】。 译码转发是指中继节点先对接收到的信号进行解调、译码和估计，然后将数 5 山东大学硕士学位论文 据进行编码、调制后传输给目的节点。该模式的设计初衷是在中继节点处消除噪 声和畸变从而避免错误扩散 2 2 】。 编码协作是指中继节点将接收到的信号进行解调、译码和估计，然后将数据 用另一种编码方式进行发送，接收端则将接收到的两个码字先进行合并再译码 2 6 ， 2 7 。 1 4q o s 管理 q o s 是业务性能的综合效果，决定了用户对业务的满意度。q o s 通过用于所 有业务的性能因素的组合来表示，如业务的适用性、可获得性、可保持性、完整 性及每个业务特定的其它因素。随着无线网络中多媒体等业务突飞猛进地发展， 需要一定的q o s 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。 q o s 参数可以分为如下几种： 1 时延( d e l a y ) ：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( b a n d w i d t h ) ：业务需要占用的链路带宽。 3 时延抖动( d e l a yj i t t e r ) ：主要用来描述时延的随机性，时延的方差越小， 时延抖动越小。 4 丢包率：传输过程中丢失的数据包占总的数据包的比例。 一 不同的业务对q o s 的要求是截然不同的，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；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。 在第三代移动通信系统中，将q o s 分为四个不同的级别【2 8 ： 1 会话级( c o n v e r s a t i o n a lc l a s s ) ； 2 流级( s t r e a m i n gc l a s s ) ； 3 交互级( i n t e r a c t i v ec l a s s ) ； 4 背景级( b a c k g r o u n dc l a s s ) 。 6 山东大学硕士学位论文 这些级别的主要区别因素是业务对时延的敏感程度，会话级的业务对时延最 敏感，而背景级的业务对时延最不敏感。 1 5 跨层设计的意义 1 5 1 分层结构体系和跨层设计的必要性 国际标准化组织于1 9 8 3 年提出了o s i 七层协议体系结构，如图1 1 。这七层 从上到下依次为应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和物理 层。其作用依次为： 应用层：定义用户的业务应用。 表示层：提供数据表示方式之间的差异与应用进程之间的独立性。 会话层：提供应用程序之间通信的控制结构。 传输层：提供端点之间可靠的、透明的数据传输；提供端到端的差错恢复和 流量控制。 网络层：选择合适的路由。 数据链路层：提供跨越物理层链路的可靠信息传递。 物理层：透明地传送比特流。 但是，在实际的通信网络中得到广泛应用的是t c p i p 五层体系结构，也就是 将o s i 体系中的应用层、表示层和会话层合并为一个应用层，如图1 1 。 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 应用层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 图1 1o s i 七层模型示意图和t c p i p 五层模型示意图 7 山东大学硕士学位论文 特定 服务 类型 跨 q o s 要求 日 五 je 设 系统 司兰! 墅竺卢 计资源 约束 条件 剖物妄层怿 图1 2 跨层结构示意图 分层的体系结构起初是针对有线网络提出的。在分层的体系结构中，各层都 独立设计和工作，相邻子层间通过固定的接口进行相互通信，非相邻子层间无法 进行通信。该模式极大地简化了网络设计，并具有很好的灵活性和鲁棒性。分层 结构在有线网络中取得成功是因为有线网络中各子层之问相互独立且并不互相影 响。但足，在无线网络中的情况却有着本质的不同：由于无线信道的广播特性以 及无线传输介质的不稳定性造成的用户间干扰和信号衰落；由于带宽和功率的紧 缺造成的严格的资源约束。因此，在分层框架下，无线网络的进一步发展举步维 艰。在这种情况下，研究人员需要摆脱原有的分层框架的束缚，设计出更为有效 的协议体系。 跨层设计 2 9 3 1 1 就是在这种情况下提出的创新性思想。跨层设计的本质就是 通过对协议栈进行垂直的整合，实现对系统资源的有效管理，即通过在协议栈的 各层之间传递特定的信息来协调协议栈各层之间的工作，使之与无线通信环境相 适应，从而使系统能够满足各种业务的不同需求，如图1 2 。跨层设计最核心的问 题是各层之间应当传递何种信息以及这些信息如何进行有效传递。 8 山东大学硕士学位论文 1 5 2 跨层设计方法概述 目前，国内外对跨层设计的研究根据研究方法的不同主要分为两类：一类是 在对某一子层进行优化时，通过层间信息的传递将其它子层的参数也考虑进来， 我们将这一类方法称之为启发式方法。这类方法所要关注的是各层之间应该交互 什么信息，各层协议应当如何根据这些信息进行调整。 另一类方法是将依赖关系密切的两个或多个子层合并为一体，将所研究的通 信问题转化为数学上的优化问题，这类方法我们称之为最优化方法。因为这类方 法在进行优化时往往需要多层信息的反复交换迭代【3 2 】，所以层与层之间会存在很 强的交互作用。在运用最优化方法进行跨层设计的时候，贴近实际的假设会使分 析过于复杂而无法进行，所以通常需要做一些简化的假设。正是由于这个原因， 有时我们不能通过最优化方法获得量化估算，而只能进行定性的分析。相对而言， 采用启发式方法不会因为贴近实际的假设而无法分析，且此类方法决策简单，便 于应用，因此本文作者的工作主要集中在启发式跨层设计方法上。 1 6 论文主要研究内容和结构安排 本学位论文的主要研究工作分为三部分内容：( 1 ) 点到点链路上的跨层设计， ( 2 ) 端到端的跨层设计，( 3 ) 协作通信网络中的跨层设计。 论文章节安排如下： 第一章介绍了无线通信的发展现状，并介绍了研究课题中涉及到的一些关键 技术。强调了无线网络中跨层设计的必要性和重要意义，从而引出了本文的研究 对象和选题意义。 第二章是本论文重要的理论基础。介绍了无线信道的特征以及研究中常用到 的信道模型。并介绍了网络分析中重要的离散时间排队系统以及嵌入马尔可夫链 方法，为后面第三章和第四章中的时延分析提供了重要分析工具。 第三章研究了点到点链路上的跨层设计问题。针对一个提供q o s 保证业务的 点到点链路，研究了如何通过联合物理层上的自适应编码调制技术和数据链路层 上的混合自动请求重传技术以及排队分析而优化系统吞吐量的问题。 第四章研究了端到端网络中的跨层设计问题。针对一个提供q o s 保证业务的 9 山东大学硕士学位论文 有线无线混合通信网络，研究了如何通过联合物理层上的自适应编码调制技术和 数据链路层上的混合自动请求重传技术以及传输层上的t c p - 协议来优化系统吞吐 量的问题。 第五章研究了协作通信网络中的跨层设计问题。针对一个采用自适应编码调 制的三节点协作网络模型，其中，当源节点发送的数据包在目的节点无法正确译 码时，中继节点可以帮助源节点进行重传。设计了全协作h a r q 协议以及基于时 机选择的协作h a r q 协议。分析了上述两种协议的误包率和频谱效率性能。 第六章是本论文的结论部分，总结了论文的全部工作和主要贡献，并指出了 未来的研究方向。 1 0 山东大学硕士学位论文 第二章理论框架 本章主要介绍一些在本论文的研究中用到的理论。在上一章里我们讨论了跨 层设计的意义和方法。从讨论中可以看出，跨层设计关键的问题是各层之间应当 传递何种信息。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，我们应当首先 对无线信道进行深入的研究。在本章中，我们简单介绍了无线信道的特征及分类， 并介绍了几种研究中常用的多径衰落信道模型。 将数据包从源节点发送到目的节点所需的平均时延是衡量通信网络性能的重 要指标。排队论是分析网络延迟的主要理论工具。在本章中，我们介绍了网络延 迟的种类，并针对通信系统的特点介绍了离散时间排队系统和嵌入马尔可夫链理 论。 2 1 无线信道特征及其建模 无线信道作为信号的传输介质，是无线通信系统中不可或缺的组成部分。无 线信道易受噪声、路径损耗、阴影效应和衰落的影响，而且由于用户的移动和信 道的动态变化，这些因素还随时问变化。 在典型的无线通信环境中，会存在多径传播现象，信号沿着不同的路径从发 送端传播到接收端。由于传播路径的不同，信号会经历不同的衰减、畸变、时延 以及相移，最后在接收端叠加，这种叠加可能是建设性的( c o n s t r u c t i v e ) 也可能 是破坏性的( d e s t r u c t i v e ) 。如果发生破坏性的叠加，接收到的信号功率会急剧下 降，这种现象称之为多径衰落( m u l t i p a t hf a d i n g ) 。 2 1 1 多径衰落信道的主要特征 由于无线信道的多径和移动终端的运动，使得无线信道在时间上和频率上产 生了色散，从而信号经过信道后分别形成了频率选择性衰落和时间选择性衰落， 也分别产生了多径时延扩展和多普勒扩展，这两种扩展分布对应两组相关参数一 山东大学硕士学位论文 一相干带宽和相干时间。 时间色散和频率选择性 不同时延的多径信号叠加会造成时问色散和频率选择性。这两种效应是同时 出现的，只是表现形式不同。时间色散体现在时域，是把发送端发送的信号在时 域上展宽，使接收信号的持续时间比此信号发送时的持续时间增长。而频率选择 性体现在频域，是指信道起到滤波的作用，是信号中的不同频率分量衰落幅度不 同。 时间色散中的重要参数是多径时延扩展。顾名思义，造成多径时延展宽的原 因在于存在多条不同的传播路径。各路径长度不同，因而移动终端接收到的信号 由许多不同时延的信号组成，这就造成了时延的展宽。 频率选择性中的重要参数是相干带宽。相干带宽表示信号间仍然强相关时最 大的频率差。相干带宽反比于多径时延扩展，即多径时延扩展越小相干带宽越大。 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；如果信号的 传输带宽小于相干带宽，则为非频率选择性( 平坦) 衰落信道。 事实上，平坦衰落信道只有一个可分辨径( 包括了多个不可分辨径) ，而频率 选择性衰落信道是由多个可分辨径组合而成( 其中每一个可分辨径就是一个平坦 衰落信道) ，也就是说，频率选择性衰落信道是由多个具有不同时延的平坦衰落信 道组合而成。 由上述可知，多径时延扩展和相干带宽都是从不同的角度来描述多径衰落信 道的特性。相干带宽是分散性的量度，应用于r a k e 或均衡接收机。较小的相干 带宽意味着较高的分散性。最大时延扩展可用来计算在信道存在多少可分解的路 径，可应用于r a k e 接收机。 频率色散和时间选择性 多普勒扩展和相干时间是描述信道频率色散时变特性的两个参数。信道的时 变特性是由移动终端和基站之间的相对运动引起的，或是由信道路径中物体的运 动引起的。当信道是时变时，便具有了时间选择性衰落。时间选择性衰落会造成 1 2 山东大学硕士学位论文 信号失真，这是由于发送信号还在传输的过程中，信道的特征已经发生了变化， 即信号尾端时的信道特征相对于信号前端时的信道特性发生了变化。如果信号持 续的时间比较短，在这段时间内信道的特征还未发生比较显著的变化，则时间选 择性衰落并不明显；若信号持续时间进一步增加，信道的特征在信号的持续时间 内发生了较为显著的变化，此时信号便会产生失真。信号的失真程度随着信号的 持续时间的增加而变大。 由于移动终端与基站的相对运动，每一径信号都经历了明显的频移过程( 即 多普勒频移) ，从而产生了多普勒扩展。事实上，如果基带信号带宽远大于多普勒 扩展，接收端可忽略多普勒扩展的影响。 相干时间是信道冲激响应保持一定相关度的时间间隔。在相干时间内，信号 经历的衰落具有很大的相关性。相干时间与设计接收机信道估值、差错控制、交 织方案，及t d d 帧长等方案有关