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跨层设计与联合优化

时间:2022-03-18 08:32:47  浏览次数:

[摘 要]为了进一步适应无线网络环境下各种应用的需要,提高网络性能,无线网络的跨层设计已成为目前国内外网络研究的热点和难点问题之一。本文给出了无线网络跨层设计的定义,分析了跨层设计的原因、优势和主要技术。对跨层设计和联合优化面的研究作了介绍,讨论了跨层设计的衡量准则,接着介绍了现有的无线通信结合物理层的联合设计方法。最后探讨了无线网络跨层设计面临的挑战和今后的研究方向。

[关键词]无联网络;跨层设计;联合优化

0.引言

在以往的通信系统中。分层的开放系统互连(osI,OpenSystem Intereonneetion)设计方法应用得很好,但演进的无线网络正在挑战这种设计哲学。正在出现的网络必须支持各式各样不断变化的业务类型及其服务质量(QoS,Quality of Service)要求以及网络拓扑结构的变化。在设计网络时。为了应对无线接入的挑战,各网络功能(即OSI的各层)必须统一考虑。不同的应用可以从不同的优化中得到更多好处,这就需要进行具有多层次自适应特性的跨层(Cross-Layer)设计。

1.跨层设计

所谓跨层是指原来不相邻的各层之间也可以通信,或者让相邻的层之间通过前没有的接口进行通信。跨层设计目标是,用自适应支持所有层的QoS,自适应意味着网络协议和应用都有观测网络变化并做出响应的能力。如链路层可以调整速率以满足当前信道和网络状况下的应用需要。

1.1跨层设计的定义

分层协议栈结构是网络设计中最基础最有影响力的结构,协议栈中各层隐藏该层及其以下层次的复杂性,为上层提供服务,分层结构逻辑清晰,扩展性强,鲁捧性高,便于实现。然而,在严格分层协议栈网络中,整个网络系统被分割成若干个独立的层(漠块),相邻层与层之间的交互严格地通过层间的静态接口来实现,非相邻层之间不允许直接交互,因此,层与层之间的信息难以共享,增加了信息的冗余以及对等层间的通信开销。网络优化过程中各层只利用本层次的状态信息反复进行控制调整,忽视了层与层之间的协调合作,这对网络全局优化产生了不利的影响。无线网络跨层设计是为了获得较高的网络性能(如高吞吐量、低延迟等),在全面综合考虑协议栈各层次之间的相互关系并保留原有分层协议栈结构的基础上,打破严格的层与层之间的通信限制,允许协议栈各个层次、各个模块间“直接”交互信息,为网络运行提供必要的QoS保障。无线网络跨层设计主要目的是通过增加本地节点层与层之间的直接交互,使得本地信息得以有效的共享从而减少不同节点对等层之间的通信及信号处理开销以满足网络全局优化的需要。在跨层设计中需要强调的是:

1.1.1无线网络跨层设计并不是完全摒弃传统的分层协议栈结构,而是在保持分层协议栈的优点的前提下,增加不同协议层之间的直接交互,提高信息共享度和控制的灵活性。

1.1.2无线网络设计中,将整个分层协议栈一同进行跨层设计过于复杂,难以实现,科学有效的做法是根据QoS的约束条件,策略地选择若干次进行跨层设计。

1.2跨层设计常用的技术

目前,跨层设计中主要采用调度技术、多样性技术和自适应机制三种。调度技术可以减少网络流量突发性的影响,使得系统更适应网络动态变化带来的挑战,满足网络应用的QoS约束条件。多样性技术可以增强系统应对无法预知的网络动态变化的能力。自适应机制可有效地管理、配置有限的网络资源和节点资源并协同多样性技术、调度技术补偿不同粒度的网络变化,提高系统的健壮性。

1.3跨层设计的方法及比较

学者们提出了许多不同的跨层设计方法来改善无线环境下传统分层协议栈无法克服的网络串路状态动态变化、网络和节点资源受限带来的不利影响。我们将这些方法分成四类:层间传递相关信息,联合优化网络相关层,融合相邻层,分层作为网络最优化分解。这四类方法的比较见表。

1.4跨层设计的优势

1.4.1跨层设计在优化协议栈某一层功能的同时优化了整个网络的性能。

1.4.2跨层设计提高了局部和全局的自适应能力。

1.4.3跨层设计减少了网络中的冗余信息量,每层之间的信息都能被其他层所共享。

1.4.4跨层设计提高网络各层对其他层内容的感知度,从而使得各层协议能够在全局范围进行调整满足网络应用QoS的约束和底层网络环境。

2.跨层设计与联合优化

在无线网络中若各层次之间能够交换一些信息,系统性能一定能够得到大幅度的提高。于是跨层设计和联合优化也成为网络的研究热门问题之一。

跨层设计的联合协议栈,不仅仅在相邻的层次中交换信息。下文中给出跨层设计和联合优化的衡量准则和两种跨层设计方法的介绍。

2.1衡量准则

在通信网络的各个层次,衡量性能的标准都是不一样的,如物理层期望得到更高的传输速率,同时希望能在一定的信噪比范围内尽可能的最小化误码率(或者误符号率、误帧率):媒体接入控制层期望增强节点的数据通过速率或信道的有效性(即最大化吞吐量、最小化接人时延等);网络层则希望获得更小的路由时延和更佳的路由效率(即路由平均跳数、路由时延等)。每一层的评判尺度都有所不同,而且相互隔离,那么寻找能够衡量跨层设计和联合优化方法的有效性的统一的衡量准则,便显得十分重要。

2.1.1效用准则

在通常无线通信的跨层研究中,一般遵循的衡量准则都是“向上一致”原则。效用准则即为“向上一致”准则的特例。效用(utility)这一概念首先由Shenker等提出,所谓“效用”,就是上层应用的性能和服务性能的对应关系。无论什么通信网络,最终的目的都是用来完成一定的应用,那么应用性能的好坏直接反映了设计的有效性。在无线通信网络中“使每个用户的效用之和最大化”可以看成是系统设计的最终的目的。

2.1.2能量准则

在无线个域网(WPAN)的研究中,能量损耗是一个敏感的话题。如何最小化能量消耗、最大化电池工作时间便成为了重要的研究目的。一般说来,WPAN设备都有比较完备的节能模式。WPAN设备的节能,一般都可以分成两大块,一块是物理层的功率分配、发射功率控制:另一块则是接人控制层的功率控制。

在物理层,采用了利用信道状况信息(CSI,Channel StatusInformation)自适应的进行载波功率和比特分配的方法,其目的即是在期望的比特速率条件下以尽量小的信噪比达到需要的误帧率,当然越小的信噪比即意味着越小的发射功率。

2.2PHY-MAC联合设计

PHY-MAC的联合设计是无线通信研究的重点之一。无线网络的传输技术和信道接入技术是无线通信研究的核心问题。而即使是在无线通信的研究中,通信距离、通信环境的不同,也使不同的无线通信物理层和信道接人的研究目标和重点有相当大的区别。

目前,由于PHY-MAC的数学模型的建立较困难,仿真模型也很难搭建。在这方面做研究成果还不多。而目前已有的PHY-MAC研究,主要是都是从最大化信道吞吐率和最小化功率损耗这两个角度来讨论的。

3.总结与展望

尽管各种无线网络跨层设计方法取得了较好的效果,但是还是存在许多的问题。传统的分层协议栈结构严谨,每层都具有较高的独立性和鲁棒性。通过跨层设计增加层间交互的同时,也使得各个网络层的独立性和鲁捧性面临严重的挑战。

传统的网络体系结构协议栈不同层之间相对独立,便于标准化和配置。而跨层设计结构主要通过增加协议栈中不同协议层的直接通信,共享有效信息来提高网络性能,需要协议栈内部不同层之间的相互作用。这两种结构的互联互通面临着巨大的挑战。因此,设计具有弹性的松散耦合的跨层设计结构,在保持传统网络各层相对独立性的同时,优化网络的性能是未来的发展方向。

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