无线通信网络的跨层设计.docx
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无线通信网络的跨层设计.docx
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无线通信网络的跨层设计
本科毕业论文
题
目无线通信网络的跨层设计
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专业
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完成日期
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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现阶段的无线通信产业主要集中在话音业务上但随着与爆炸式发展的因特网融合的实现无线通信业务范围将发展成多种业务结合的综合性业务无线网络的跨层设计的主要任务是彻底改变原先固定不变的协议分层将原来被割裂的网络各层作为同一的整体进行设计和优化以便在时变的无线衰落信道中保证多媒体业务的QoSQualityofService变得切实可行
论文研究跨层设计的基础之上论述了跨层设计的背景现状原理以及跨层设计的实现方法等重点介绍了点到点的跨层设计即如何通过联合自适应AMCtheadaptivemodulationandcoding技术和混合自动请求重传HARQhybridautomaticrepeatrequest技术来优化系统的吞吐量通过计算机对理论分析进行了验证理论分析和仿真表明基于Type-IIIHARQ比ARQ能够有效的优化网络整体性能具有较高的研究价值
关键词跨层设计服务质量混合自动请求重传自适应编码调制
ABSTRACT
PeoplesdesirationspromotetherapidgrowthofwirelesstechnologiesforprovidinganytimeanywherevoicecommunicationsAtpresentthewirelesscommunicationsindustryismainlyconcentratedonthevoicebusinessButwiththeexplosivegrowthoftheInternetandtherealizationofintegrationofwirelesscommunicationsandInternetitwillbedevelopedintoacomprehensivekindofbusinessCross-layerdesignofwirelessnetworksistocompletelychangethemaintaskoftheoriginalfixedframeworkagreementwhichaimstobedividedbytheoriginalnetworkofthesamelayersastheoveralldesignandoptimizationinordertoguaranteeQoSQualityofServiceformultimediabusinessinthetime-varyingwirelessfadingchannel
Basedoncross-layerdesignthisthesisdiscussestheconceptofcross-layerdesignstatusprinciplesandimplementationmethodWithanemphasisonpointtopointcross-layerdesignthatishowitunitestheadaptivemodulationandcodingAMCtheadaptivemodulationandcodingtechnologyandhybridautomaticrepeatrequestHARQhybridautomaticrepeatrequesttechniquestooptimizethesystemthroughputThetheoreticalanalysisbycomputersimulationisverifiedTheoreticalanalysisandsimulationshowthattheType-IIIHARQcanmuchmoreeffectivelyoptimizeoverallnetworkperformancethanARQwhichisofhighresearchvalue
KeywordsCross-layerdesignQoSHARQAMC
摘要I
ABSTRACTII
目录III
第一章绪论1
11研究的背景1
12跨层设计的必要性1
121无线信道的动态特性1
122OSI开放系统参考模型的弊端2
123高误码率2
124带宽波动与限制2
13各协议层之间对跨层设计的需求2
131基于物理层的协议层交互2
132基于链路层的协议层交互3
133基于网络层的协议层交互3
134基于传输层的协议层交互3
14链路自适应技术4
141功率控制技术4
142速率控制技术4
143混合自动请求重传技术5
15QoS管理5
151QoS参数5
152QoS保证的基本要求6
153QoS保证的基本策略6
16跨层设计原理8
161开放系统互联模型8
162跨层设计的实现方法9
17论文主要研究的内容及结构安排11
第二章无线信道1
21无线信道特征及其建模13
211无线信道13
212多径衰落信道的主要特征13
213非频率选择性多径衰落信道模型15
22有限状态马尔科夫信道模型16
23信道估计技术16
23时延17
第三章点到点的跨层设计1
31混合自动请求重传技HARQ18
32联合AMCHARQ技术的跨层设计模型建立19
33排队理论20
34联合AMCHARQ的跨层设计原理22
第四章性能分析与仿真25
结束语28
参考文献29
致谢30
第一章绪论
11研究的背景
近年来随着全球通信产业的发展以移动通信技术和宽带IP数据通信技术发展最为迅速整个通信产业的技术发展呈现出三个大的趋势-无线化宽带化和可视化无线移动通信系统经历了二十年的快速发展已经从第一代模拟通信系统发展到如今的第三代数字宽带通信3G系统第一代模拟通信系统采用的是频分多址FDMA接入技术只能提供语音业务第二代移动通信系统2G采用时分多址TDMA和码分多址CDMA技术它们共同实现动态寻址功能完成了模拟通信向数字通信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3G采用宽带码分多址接入技术将传统的移动通信与Internet融合除了提供传统的语音业务外更多的是提供视频点播实时电视等多媒体业务但是3G缺乏统一标准它所采用的语音交换架构沿用了2G系统的电路交换并非纯IP方式基于视频的应用也不尽人意同时在安全方面也存在一定的缺陷因此第四代移动通信技术4G3G的研究就显得更加迫切
近年来人们对实现4G3G[4]的关键技术进行了大量的研究并取得了初步的成果但是无线信道容易受到周围环境严重衰落和噪声干扰的影响目前无线通信技术的发展始终围绕着如何在恶劣的信道环境和有限的带宽内提高传输速率和服务质量因此如何克服恶劣的信道条件进行信息的高速传输是人们关注的重点如在物理层正在研究的热点技术包括先进的信道编码Turbo码自适应编码调制AMC等然而上述这些技术的共同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Turbo码已经可以很好的逼近香农限而MIMOMultipleInputMultipleOutput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系统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通信网络的理论[3]和概念模型无线网络的跨层设计[2]就是在此背景下提出的一种创新性理念它将被割裂的协议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提高多媒体业务的服务质量QoS
12跨层设计的必要性
121无线信道的动态特性
无线通信不同于有线通信无线信号传输介质是不可靠的容易受到噪声多径衰落以及阴影效应等不可预知的影响并且移动性也会给信道预测和信道估计带来相当大的难度从而增加了信道的误码率但是人们为了保证可用性往往只按照信道性能最低的要求进行保守设计而不是通过自适应的调整以适应通信信道的变化于是导致协议栈无法针对有限的功率资源和频谱资源进行有效合理的利用
122OSI开放系统参考模型的弊端
传统的无线通信系统设计沿用OSI参考模型只单独对各层进行设计和优化这样简化了网络设计的复杂性同时也满足软件设计的信息隐藏原则因而得到了广泛应用假设遵循OSI设计理念必然要摒弃协议层的跨层交互而且不同协议层之间存在一定的信息冗余为此OSI开放系统的参考模型不能对无线网络资源进行整合以致网络性能得不到整体优化
123高误码率
和有线通信相比无线通信因为受到多径衰落和噪声的影响信道的误码率较高对图像的质量影响较大这给多媒体信号的质量带来严重影响但是为了保证多媒体信号的质量就应该提供相对有效的差错恢复机制比如ARQ[16]和FEC等
124带宽波动与限制
在无线移动环境中信号带宽是有限的再加上噪声干扰同频干扰多径衰落和信道冲突的影响无线信道的传输能力不稳定并随环境变化发生变化所以处理无线通信时必须利用信道信息CSI这样可以根据不同的信道状态采取相应措施进而能够提高带宽的利用率
13各协议层之间对跨层设计的需求
131基于物理层的协议层交互
物理层位于OSI参考模型的最底层它直接面向传输介质负责在传输介质之间为数据链路层提供一个传输原始比特流的物理连接物理层采用的发射方式主要参数有传输功率调制与编码天线波束参数等不同对接收器能否成功接收信号产生影响进而影响链路层的无线信道多址接入若在链路层进行功率控制可以降低满足速率和误码率要求时的传输功率减少邻节点间的干扰即可以通过增加传输功率来对抗多径衰落引起的信道变化降低物理层的误码率同样也可以在链路层采用更强的差错控制来降低物理层的误码率
132基于链路层的协议层交互
数据链路层最重要的功能就是通过数据链路层协议即链路控制规程在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输比如帧同步流量控制差错控制等但是由于链路层的传送调度策略会影响数据包延迟带宽等性能导致网络层路由性能的恶化若网络层能够感知链路层性能的变化就可以以自适应的方式改变路由以改善网络的整体性能对于传输层也是如此传输层性能的好坏也可以通过与数据链路层的交互加以改善
133网络层为建立网络连接和为上层提供服务应具备几大主要功能路由选择和中继激活和终止连接差错检测与恢复排序和流量控制等若网络层把传输层的链路拥塞信息作为路由判据则可有效地对传输层的链路拥塞进行合理的调节此外网络层根据应用层不同业务的QoS需求选择基于不同QoS准则的路由判据以满足应用层的时延吞吐量以及丢包率等需求
134传输层在两台计算机进行数据通信时具有缓冲功能当网络层服务质量不能满足要求时它将服务质量加以提高以满足高层的应用要求当网络质量较好时它只用很少的工作同时传输层还可以进行复用即在一个网络连接上创建多个逻辑连接传输层也被称为运输层只存在于端开放系统中是介于低三层通信子网系统和高三层之间的最重要一层可以将传输层的丢包率吞吐量等信息提供给应用层应用层据此调整自己的发送速率同样应用层也可将业务的QoS需求传递给传输层传输层据此选择适当的传输协议并调整相关参数
基于上述各协议层及其上协议层的交互对跨层设计的需求特别是多媒体业务QoS保证机制需要根据多媒体业务QoS不同要求提供一种动态的端到端的QoS保证QoS保障机制涉及所有协议层即每个协议层的相关参数的设置都涉及到QoS能否得到保证因此有必要考虑协议层之间的依赖关系加强层与层之间的信息交互使网络性能得到整体优化
根据以上信息交互的需求人们提出了跨层设计的理念它是通过在通信协议栈的各协议层之间传递某些特定的信息再利用这些信息协调各协议栈之间的工作使之与无线通信环境相适应从而使无线通信系统能够更加容易满足各种业务的不同需求其核心思想就是使通信协议栈能够根据无线环境的变化对资源实现自适应的优化配置
14链路自适应技术
在无线网络环境里物理信道由于移动性多径衰落以及阴影效应等影响信道常常呈现动态变化因此无线多址接入的用户面临着各自不同的动态链路特征在这种条件下仅考虑用户的需求进行网络资源分配变得十分困难与此同时在无线网络中物理层链路层等协议层次之间的关系越加紧密相互间的干扰和影响也更加显著所有的这些特征使得跨层设计的重要性日益突出在无线移动网络中只有通过跨层设计才有可能使得高层的应用与底层信道的链路特性之间有效的匹配从而可以充分利用有限的信道资源
而随着无线技术的爆发式发展以及多媒体业务需求的快速增长这时传统的分层设计才真正经受了前所未有的挑战无线通信环境下的跨层设计研究成为了未来无线通信发展的一项关键技术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提高网络的整体容量以及对多媒体业务的服务质量QoS的支持能力下面简单介绍一下当前跨层设计的关键技术
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根据无线信道在时间频率和空间上的变化自适应的调整传输参数采用链路自适应技术能动态地跟踪信道变化再根据当前信道状态信息CSI自适应地调整传输或接收参数如发送功率编码方式调制方式等以适应信道的变化达到最大限度地发送信息增加系统容量提高峰值数据传输速率和有效扩大覆盖范围的目的下面简单介绍几种常用的无线链路自适应技术
141功率控制技术
功率控制技术是根据信道的瞬时质量动态地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从而保证发送数据的成功概率功率控制的基本原理就是在信道条件好的情况下使用较小的发射功率在信道条件差的时候使用较大的发射功率但是随着用户对宽带数据业务的需求不断增长从用户的角度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那么重要更高的平均数据速率才是用户所需要的基于此种需求人们开始着手研究速率控制技术
142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主要用来克服时变信道的快衰落效应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主要用来跟踪平均路径损耗和慢衰落的变化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式来控制发送速率因此速率控制技术一般称为自适应编码调制技术自适应编码调制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平均信噪比和QoS要求动态的改变发送端的调制和编码机制MCS提高系统资源的利用率或者传输效率获得较高的吞吐量但编码码率和调制阶数的变换实质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研究表明几乎在所有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
143混合自动请求重传技术
除了AMC技术之外混合自动请求重传技术HARQ也是目前自适应技术的研究热点HARQ结合了当前前向纠错FEC和自动请求重传ARQ两种技术通过对无法正确解码的信息重新传输来适应信道的变化提高系统的传输性能FEC是在发送端进行纠错编码接收端收到码字后通过纠错译码器不仅能自动地发现错误而且能够自动纠正接收码字中的错误ARQ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在使用HARQ技术的通信系统中发送端发送的码字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字序列后首先检测错误情况如果在纠错码的纠错能力范围之内则自动进行纠错如果错误太多超出了纠错编码的纠错能力范围则接收端通过反馈信道要求发送端重新传送信息这种方式避免了ARQ的信息传送连贯性差时延大的缺点提高了信号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HARQ可以提供更好的性能尤其是在时变衰落信道环境之下
15QoS管理
151QoS参数
QoS是业务性能的综合效果决定了用户对多媒体业务的满意度QoS通过用所有业务的性能因素的组合来表示如业务的适用性保持性完整性等但是随着无线网络中多媒体业务地快速发展需要一定的QoS保证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QoS参数可以分为如下几种
1时延Delay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Bandwidth业务需要占用的链路带宽
时延抖动DelayJitter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数据包的比例不同的业务对QoS的要求截然不同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然而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152QoS保证的基本要求
153QoS保证的基本策略
16跨层设计原理
随着移动通信技术的迅猛发展与快速应用移动通信网络与互联网络互联互通已经是必然的需求在开放系统互联分层模型的影响下七层模型结构己成为移动通信系统设计的参考标准但是移动通信环境具有快速变化的特性而基于分层结构的协议栈只能以固定的方式在相邻的协议层之间进行信息通信本章将首先介绍开放系统互联模型通过讨论跨层设计的概念继而引入分层的思想并详细介绍各协议层上跨层设计方案
161开放系统互联模型
在1978年国际标准化组织InternationalStandardOrganizationISO为网络通信定义了一个参考模型这就是著名的开放系统互联参考模型OpenSystemInterconnectedReferenceModelOSIRM它采用七层结构图11所示上层通过调用下层提供的服务来实现数据传输每层都有自己的协议各层之间的协议是独立的同一层次的协议是相同的属于通信子网的设备通信子网中的协议只有三层
图11OSI典型7层体系结构
根据图11可以很清楚的了解OSI模型的数据传输的过程物理层数据链路层根据必需的同步差错控制来调节发送数据块通过物理链路提供可靠的信息传输和数据交换使之对网络层表现为一条无错的线路
网络层是控制通信子网正常运行为网络两端用户提供一条逻辑信道它负责建立以及终止一条连接关键问题确定分组从源端到宿端
传输层提供端与端之间可靠的信息交换和数据传送提供端对端的差错控制流量控制
会话层允许不同机器上的用户建立会话关系允许进行类似传输层普通数据的传输并提供对某些有用的增强服务会话
表示层完成某些特定的功能该层所关心的是所传递的信息的语法和语义
应用层向终端用户提供直接服务它提供与应用及系统管理有关的分布式信息服务如文件传输等各种通用和专用的功能
但是在实际的通信网络中得到广泛应用的是TCPIP五层体系结构如图12所示也将OSI体系中的应用层表示层和会话层合并为一TCPUDP协议对应OSI的传输层IP协议对应OSI的网络层它定义了的IP地址格式TCPIP的最底层功能由网络接口层实现相当于OSI的物理层和数据链路层实际上TCPIP对该层并严格定义而是应用已有的底层网络实现传输这就是它得以广泛应用的原因
图12OSI参考模型与TCPIP模型的对比示意图
162跨层设计的实现方法
分层的体系结构起初是有线网络提出的在分层的体系结构中各层都独立设计相邻子层间通过固定接口进行通信非相邻子层间无法进行通信极大地简化网络设计具有很好的灵活性和分层结构取得成功是因为有线网络中各子层之间相互独立且影响无线信道的特性以及无线传输介质的不稳定性信号衰落带宽和功率的无线网络的进一步发展举步维艰如图13
图14跨层设计示意图
跨层设计要求在层与层之间进行信息传递针对各层协议的不同状态和要求对网络性能优化跨层设计充分利用现有网络资源包括编码技术传输功率控制信道达到系统吞吐量最大化总传输功率最小化QoS最优化等目的图15为跨层设计理论模型
图15各层间跨层信息交互示意图
跨层设计一般可以通过两种方法来实现一是对某一协议层进行优化把其他协议层的相关参数考虑进来物理层上的跨层设计物理层链路层主要负责接收数据所以利用物理层对链路层的控制机制进行调整将使系统吞吐量及功率获得同样由链路层发出的功率调整指令及传输控制命令也能使物理层的性能得到改善
链路层上的跨层设计链路层的功能通过前向纠错FEC和自动请求重发ARQ实现数据的可靠传输FEC编码和ARQ总是使用以提高数据传输的可靠性FEC通过向接收端传输多余的比特使传输出现的错误能够得到纠正ARQ技术则通过重传数据帧实现数据的可靠传输
网络层上的跨层设计网络层主要是在无线通信系统内网络层协议主要是移IP协议它能对IP进行处理在跨层信息交互时网络层能利用移动IP信息和正在使用的物理网络接口等信息对应用层和传输层而言移动IP切换信息十分重要利用它能够功耗提高吞吐量
传输层上的跨层设计传输层主要无线网络是大时延高的网络因此对于链路恶化的数据丢失TCP传输协议解释为拥塞丢失从而导致传输效率下降在进行跨层信息交互时TCP层主要包括往返时间重传超时时间等信息
应用层上的跨层设计应用层是用户运行应用业务的接口应用都是面向有线网络这些应用无线网络无法高效工作应用层应能向其他传递其QoS需求如时延范围吞吐量和从物理层或链路层获得的信道状态信息则有助于应用层调整根据应用层的QoS需求调整链路层的差错控制也能提高应用层性能
本章主要研究通过开放系统互联模型引出跨层设计分析物理层链路层网络层传输层以及应用层上的跨层设计应用这为后面章节的跨层设计提供了可靠的理论依据
17论文主要研究的内容及结构安排
第一章简单介绍了无线通信的研究背景和发展现状介绍了课题中涉关键技术着重无线网络中跨层设计的必要性和第二章介绍无线信道的特征以及常的信道模型
第三章第四章针对一个存在Qo保证业务的有线-无线混合通信网络研究了通过跨层联合设计AMC和HARQ来优化通信系统吞吐量分析数据链路层的排队得到了吞吐量时延和丢包率的表达式论文的总结了论文的主要工作和主要贡献并指出了该课题未来的研究方向
第二章无线信道
21无线信道特征及其建模
211无线信道
无线信道的电波传输特性与环境地貌气候特征电磁干扰通信终端移动速度等密切相关它们直接影响无线系统的通信能力和质量无线信道分为视距信道和非视距信道视距认为信号是直射传播的如卫星通信非视距信道则是非直射传播引起的信号受地面绕射对
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- 无线通信 网络 设计