无线通信网络中的跨层设计研究

侯先智 黄 颖 王 平



无线通信网络中的跨层设计研究

侯先智 黄 颖 王 平

中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080

人们对通讯数据的需求伴随着生活水平的提高而持续逐渐扩大，促使无线通信技术持续成长壮大，为设计新一代无线通信系统，无线通信的跨层设计思想突破了传统通信建设的思路。基于此，对无线通信互联网的跨层设想采取了探究。

无线通信；网络技术；跨层设计

人们对便捷通讯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需求，下一代无线通信系统必须更加机动与有效地利用有限的无线资源。跨层设计理念冲破了以往的分层互联网构造，把原本被分开的互联网各层作为联合的整体实行策划与改进，使得在不时变化的无线衰落信道中保证多媒体业务成为切实可行[1]。

1 无线网络通信跨层设计概述

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他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需要交换哪些信息，各层协议应当怎样按照这些信息进行调节。另一类方法是把依靠关系紧密的两个或多个子层统一成整体，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，所以层与层之间会存在很强的交互作用[2]。

2 无线网络通信跨层设计的重要意义

国际标准化组织于年提出了七层协议体系结构，如图。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。作为最经典的七层通信协议，其功能作用不再一一赘述。

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。此模式极大地简化了互联网设计，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间相互独立且并不互相影响。但是，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，也就是经过在协定栈的每一层相互间转达特殊的信息来协商协定栈每一层之间的任务，让它们和无线通信背景能够互相适合，进而使系统可以满足许多不同业务的各自需要。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。

3 无线网络通信跨层设计的网络结构

3.1 无线通信系统的网络结构

3.1.1有基础设施结构无线通信系统

通常是对有线通信网的扩展。有线网被用作骨干网，连接到特殊的有线/无线转接点，即基站（base station，BS）或接入点（access point，AP），统称为BS。BS承担协商覆盖区域的移动节点经过一个或多个传送信息途径连接互联网。传送信息途径允许是FDMA的其中一个频道，也允许是TDMA的其中的一个时段空隙，也允许是CDMA的其中的一个码道。BS和有线主干网连接而且覆盖一个范围，它一定被事先规划、安排与设置，所以此种构造称为有根基设备网构造。基础设施网包含很多种类，比较典型的有：蜂窝移动通信、集群移动通信系统、无线局域网等。

3.1.2无基础设施网络结构无线通信系统

一般也称为自组网络，它是由多个移动节点组成的多跳无线网络。这些移动节点处在一个局域区域内，每个节点都具备路由器的功能，可以通过转储转发技术帮助其他节点构成通信链路。它和基础设备网最大的差异是不需要预先准备的根基设备（BS和AP），互联网的组织是暂时性的、按照需要的和自动的。因为自组网没有基础装备，造成没有掌控中心，所以一定要采取分布式的掌控措施。目前具有的自组网的通讯系统基本汇集在军事通讯，比如美国的PRNET等。在民用方面，无线局域网802.11的Adhoc模式以及蓝牙技术属于自组网[3]。

3.2 跨层设计的无线通信网络

所谓跨层是指原本不靠在一起的每一层之间也能够通讯，或者使相邻的层之间经过以往没有的接口实施通讯。跨层设计目的是，运用自顺应支撑所有层的QoS，自顺应表示互联网协定与运用均有观察检测互联网变动并作出积极响应的能力。如链路层能够调节速率来保证目前信息途径与互联网状态下的运用需求。跨层设计不是放弃分层的方法，而是将无线网络看成一个整体，进行设计；或维持分层不变，同时考虑不同层间的不同协议间的交互，将分散在网络各个子层的特性参数协调融合。如网络层可以把物理层的信道参数作为路由选择的判据，从而优化路由算法。跨层设计需要考虑的问题：哪些层需要对信道变化作出反应；层间该怎样进行优化；在层间需要交换哪些信息；每个独立的层适应性协议该怎样用这些信息。

3.3 局部跨层设计的思路分析

设计的步骤：确定层的抽象模型和每一层的QoS的特性，确定每一层的自适应协议。确定在层间的最小交换信息，在层间的交换的参数是什么。确定性能均衡参数：性能、复杂度和可伸缩性。

考虑物理层、MAC层、网络层三者的相互交互。设计的目标是为了传输QoS。QoS的衡量标准对应于每一层的参数是不同的。物理层主要是BER（出错率）；MAC层是接入时延和吞吐量；对于网络层有时延、吞吐、阻塞率、丢报率。其他重要的性能评价还有能量（功率消耗、网络生命段）和用户容量。

4 结束语

综上所述，无线网络的通信设计有利于给下一代无线网络系统提供新的思路，在把握基本原则和人们需求的同时，能更好地适应通信技术的发展，从而不断提高数据在传输过程中的应用。

[1]赵季红，李强，曲桦，等.基于LTE-A技术无线资源管理的跨层联合博弈[J].电信科学，2011，27（12）： 39-43.

[2]焦江，朱桂萍.跨层设计与联合优化[J].科技致富向导，2011（3）：184-185.

[3]赵军辉，田静秀，李秀萍.采用黄金分割法的自适应调制无线网络跨层设计[J].应用科学学报，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

A

1009-6434(2016)09-0143-02