下一代無線網(wǎng)絡(luò)中跨層設(shè)計研究.pdf

1、在技術(shù)進步、市場競爭和需求擴張的共同作用下，無線通信網(wǎng)絡(luò)在服務(wù)質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)容量、傳輸速率等方面都發(fā)展迅速。在傳統(tǒng)移動通信系統(tǒng)更新?lián)Q代的同時，新型無線接入技術(shù)不斷涌現(xiàn)，無線通信網(wǎng)絡(luò)正在朝著接入方式多樣化、數(shù)據(jù)傳輸高速化、普遍移動性和全IP融合的方向發(fā)展，最終將形成無所不包、無所不在、無所不能的下一代無線網(wǎng)絡(luò)。下一代無線網(wǎng)絡(luò)融合了各種體制的移動網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)，支持移動終端在各種異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)之間的無縫切換和漫游，支持多跳自組織、協(xié)同中繼等分布式接入方

2、式，能夠提供豐富的基于的IP的各種業(yè)務(wù)。然而，由于無線資源稀缺寶貴、無線信道動態(tài)時變、無線媒介競爭共享，為實現(xiàn)高效、可靠、安全的下一代無線網(wǎng)絡(luò)，還有很多亟待解決的問題，比如，如何協(xié)調(diào)各無線網(wǎng)絡(luò)的資源管理，如何保持用戶最佳的網(wǎng)絡(luò)連接，如何實現(xiàn)業(yè)務(wù)的無縫平滑切換，如何選擇最優(yōu)的中繼節(jié)點，如何選擇高效的路由等。本論文研究跨層設(shè)計機制在下一代無線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧各層協(xié)議之間的互相協(xié)調(diào)配合，提高無線網(wǎng)絡(luò)的整體性能和效率。論文圍繞無線網(wǎng)

3、絡(luò)的跨層設(shè)計機制，研究了異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)跨層無線資源管理機制，協(xié)同中繼網(wǎng)絡(luò)跨層最優(yōu)中繼節(jié)點選擇算法，多跳自組織網(wǎng)絡(luò)跨層路由設(shè)計，主要工作如下。
　　 對無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展與演進進行了總結(jié)，對下一代無線網(wǎng)絡(luò)的特點、面臨的問題及研究現(xiàn)狀進行了深入的分析、整理和歸納，對TCP/IP協(xié)議棧各層在下一代無線網(wǎng)絡(luò)中的跨層設(shè)計思想和方法作了總結(jié)，分析了跨層設(shè)計的原則和網(wǎng)絡(luò)性能的改進方法。
　　 提出了異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)協(xié)同無線資源管理方案，從整體考

4、慮異構(gòu)多接入網(wǎng)絡(luò)無線資源的角度出發(fā)，對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中具有不同特性的接入網(wǎng)絡(luò)進行聯(lián)合的接入控制和資源調(diào)度，在滿足業(yè)務(wù)需求的基礎(chǔ)上實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源利用率的最大化?；诓呗缘馁Y源分配算法使得運營商和網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商能夠靈活分配和動態(tài)調(diào)整無線傳輸部分和網(wǎng)絡(luò)的可用資源，將商業(yè)策略與整體網(wǎng)絡(luò)的運作關(guān)聯(lián)起來。采用層次分析法的網(wǎng)絡(luò)選擇機制，綜合考慮用戶偏好、業(yè)務(wù)特性和網(wǎng)絡(luò)狀況，在任何環(huán)境下為用戶提供最佳連接。協(xié)同傳輸與分組調(diào)度機制，根據(jù)物理層提供的各無線接口的傳

5、輸性能參數(shù)以及應(yīng)用層提供的業(yè)務(wù)QoS需求參數(shù)，對來自不同業(yè)務(wù)的分組進行統(tǒng)一調(diào)度，提高傳輸性能。基于二層觸發(fā)機制的自適應(yīng)垂直切換方案，通過物理層參數(shù)的提取優(yōu)化垂直切換流程，并根據(jù)鏈路層提供的切換前后的帶寬信息，改變TCP的狀態(tài)變量，優(yōu)化TCP性能，有效地利用垂直切換后突變的網(wǎng)絡(luò)資源。
　　 提出了一種能量高效的最優(yōu)中繼節(jié)點選擇算法，把移動時變網(wǎng)絡(luò)中最優(yōu)中繼選擇問題建模為隨機控制理論中的Restless Multi-armedBan

6、dit求最優(yōu)解的問題。采用一階有限狀態(tài)馬爾可夫信道（FSMC）模型來描述無線移動環(huán)境下物理信道的隨機時變特性；把中繼節(jié)點剩余能量狀態(tài)劃分為不同級別，建立馬爾可夫鏈模型；所有節(jié)點采用自適應(yīng)調(diào)制編碼（AMC）機制，以提高在衰落信道下的頻譜效率；為達到能量高效的目的，選擇中繼節(jié)點時同時考慮轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包需要消耗的能量和各中繼節(jié)點能量均衡消耗；系統(tǒng)根據(jù)各中繼節(jié)點當(dāng)前時刻所處的無線信道狀態(tài)和能量狀態(tài)以及狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率，為下一個數(shù)據(jù)幀選擇一個統(tǒng)計最優(yōu)中繼

7、。通過仿真分析，證明了該算法能夠降低誤碼率、提高頻譜效率、延長網(wǎng)絡(luò)生存時間。
　　 分析了協(xié)同中繼網(wǎng)絡(luò)中端到端的TCP吞吐量，采用跨層設(shè)計方法進行中繼節(jié)點選擇和鏈路層參數(shù)調(diào)整達到優(yōu)化TCP性能的目的。把移動時變網(wǎng)絡(luò)中跨層TCP性能優(yōu)化問題建模為隨機控制理論中的Restless Multi-armed Bandit求最優(yōu)解的問題。通過線性規(guī)劃放寬（Linear Programming Relaxation）和原始雙重索引啟發(fā)（Pr

8、imal-DualIndex Heuristic）計算得到的中繼選擇策略具有索引特性（IndexabilityProperty），最優(yōu)策略就是每個時隙選擇優(yōu)先權(quán)索引值（Priority-Index）最小的中繼節(jié)點，優(yōu)先權(quán)索引值能在離線（off-line）狀態(tài)計算并存儲在索引表（index table）中，因而能顯著的降低在線（on-line）運算量和實施復(fù)雜度；網(wǎng)絡(luò)不需要中心控制節(jié)點，該方法以分布式方式運行，每個中繼節(jié)點都可以隨時加入或

9、者離開候選集合。通過仿真分析了在不同物理層參數(shù)和鏈路層參數(shù)下的性能，仿真結(jié)果表明提出的方案能夠顯著的提高TCP吞吐量。
　　 提出了一種基于功率控制的高速率路由選擇方案，采用了跨層設(shè)計思想，節(jié)點建立路由時以物理層數(shù)據(jù)傳輸速率作為度量值。提出的選擇速率方法是通過調(diào)整發(fā)射功率實現(xiàn)的，先以最小功率發(fā)現(xiàn)路由，如果失敗則增大一級發(fā)射功率，直到與發(fā)送數(shù)據(jù)時的發(fā)射功率相等。仿真結(jié)果表明，該方案能夠獲得較高的系統(tǒng)吞吐量、較小的傳輸時延，并且能夠