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本文作者：熊傳偉陳世勇作者單位：重慶聯(lián)通萬(wàn)州分公司

對(duì)第4代移動(dòng)通訊系統(tǒng)進(jìn)行跨層設(shè)計(jì)的思想

對(duì)第4代移動(dòng)通訊系統(tǒng)進(jìn)行跨層設(shè)計(jì)的最本質(zhì)的思想就是：能夠把那些傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)框架給打破，進(jìn)而滿(mǎn)足通信系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。并且能夠在協(xié)議層中能夠把通信系統(tǒng)資源的狀態(tài)參數(shù)以及服務(wù)的服務(wù)質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行有效地傳遞與傳輸，進(jìn)而達(dá)到對(duì)各協(xié)議層聯(lián)合設(shè)計(jì)，這樣就能夠充分利用移動(dòng)通信系統(tǒng)的資源，為移動(dòng)通信用戶(hù)提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

對(duì)第4代移動(dòng)通信系統(tǒng)跨層設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀

當(dāng)今，有很多人對(duì)4g移動(dòng)通信系統(tǒng)的跨層設(shè)計(jì)提出了一些可行的技術(shù)方案，例如：Vjiya.Traisinghnai是在無(wú)線(xiàn)通信的環(huán)境下，通過(guò)對(duì)TCIP協(xié)議棧的跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)分心并做了很好的總結(jié)。他在總結(jié)中提出了利用跨層信息反饋的機(jī)制就是在TCIP協(xié)議棧各層的之間，利用信息交換的方式實(shí)現(xiàn)跨層設(shè)計(jì)的優(yōu)化。最后，他還歸納整理出了協(xié)議棧之間所交換的數(shù)據(jù)信息，并且提出了一種新的能夠?qū)崿F(xiàn)層間信息交互的一個(gè)新的系統(tǒng)架構(gòu)；QIM/an，gAbuRghe，ffM.A這些人同樣總結(jié)了無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)以及協(xié)議棧內(nèi)部的跨層信令，并提出了一種機(jī)制以對(duì)協(xié)議棧之間的各層協(xié)議進(jìn)行有效地跨層控制。

認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)的跨層設(shè)計(jì)

1)頻譜管理的跨層設(shè)計(jì)

無(wú)線(xiàn)信道的參數(shù)應(yīng)該與CR的通信協(xié)議通過(guò)頻譜的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行有效地彼此適應(yīng)。并且每一個(gè)協(xié)議的行為都會(huì)相互影響。例如，傳輸層的環(huán)路時(shí)間會(huì)受到CR網(wǎng)絡(luò)所使用的不同MAC協(xié)議的直接影響。一樣的原理當(dāng)頻譜引起鏈路失效需要重新建立路由的時(shí)候，通信路徑上的那些RTT以及差錯(cuò)率都會(huì)隨之而改變，這樣又會(huì)導(dǎo)致MAC協(xié)議性能的不穩(wěn)定。最終會(huì)影響到系統(tǒng)的整體質(zhì)量。在實(shí)際的應(yīng)用中需要找到合適的頻譜，這就要對(duì)頻譜進(jìn)行有效地管理，在對(duì)頻譜管理的過(guò)程中需要考慮的因素主要有：傳輸層、路由、規(guī)劃與感知信息等。管理應(yīng)該設(shè)計(jì)一個(gè)能夠跨層的頻譜管理的方案，以實(shí)現(xiàn)各種通信協(xié)議棧的功能在物理層上的相互聯(lián)系。對(duì)這種方案進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候需要選擇合適的工作頻譜，還需要充分考慮可用的頻譜以及MAC和路由的要求以及傳輸和應(yīng)用層的具體要求。

2)對(duì)頻譜移動(dòng)性進(jìn)行跨層設(shè)計(jì)

頻譜切換會(huì)導(dǎo)致頻譜切換延遲，這會(huì)影響通信協(xié)議的性能。因此，頻譜切換的主要挑戰(zhàn)是減少頻譜感知時(shí)的延遲。當(dāng)頻譜切換延遲時(shí)，會(huì)對(duì)傳輸層協(xié)議產(chǎn)生不利影響。并且，在頻譜切換時(shí)或路徑損耗以及受到干擾的時(shí)候，動(dòng)態(tài)頻譜都會(huì)直接影響到無(wú)線(xiàn)鏈路錯(cuò)誤和鏈路層延遲等信道參數(shù)。另外PHY與MAC信道參數(shù)的改變也會(huì)引起開(kāi)始頻譜的切換。而且移動(dòng)通信用戶(hù)會(huì)要求切換頻譜以找到那些質(zhì)量更好的頻段。

3)頻譜共享的跨層設(shè)計(jì)(物理層)

用戶(hù)對(duì)頻譜的感知能力對(duì)頻譜的共享性能有著直接的影響，PHY層的功能是對(duì)頻譜感知的的主要體現(xiàn)。但是，在很多合作的檢測(cè)的狀況下，對(duì)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)的認(rèn)知需要通過(guò)Adhoc的連接交換那些感知的數(shù)據(jù)信息，所以說(shuō)頻譜感知與頻譜共享對(duì)多跨層設(shè)計(jì)有很大的影響。并且我們能夠明顯地看出對(duì)頻譜的感知直接決定通信協(xié)議的性能，在利用頻譜的時(shí)候主要面對(duì)的挑戰(zhàn)為：利用頻譜所面對(duì)的第1個(gè)挑戰(zhàn)就是InterferenceMitigation(干擾減輕)。頻譜掃描只能夠提供發(fā)射機(jī)的數(shù)據(jù)信息如果接收機(jī)受到干擾。所以我們就要同時(shí)考慮到發(fā)射機(jī)和用戶(hù)之間的彼此干擾作用，不斷改進(jìn)這方面的技術(shù)，以來(lái)降低干擾。在很多的研究中能夠得出合作技術(shù)在系統(tǒng)性能上是十分優(yōu)越的。另一個(gè)方面就是這種合作技術(shù)還會(huì)增加通信的成本，在綜合考慮信道容量和系統(tǒng)耗能時(shí)，這個(gè)系統(tǒng)的整體性能就會(huì)降低很多。所以在發(fā)展4G技術(shù)的過(guò)程中需要研究出高效的頻譜共享的技術(shù)，以來(lái)實(shí)現(xiàn)在CR網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)高效的頻譜數(shù)據(jù)信息的共享。第2個(gè)挑戰(zhàn)是頻譜感知不能同時(shí)感知到整個(gè)頻譜。更明確地說(shuō)，由于CR網(wǎng)絡(luò)需要預(yù)知大量的頻譜，因此感知整個(gè)頻譜需要很多時(shí)間。由于感知過(guò)程需要耗電，因此這個(gè)過(guò)程需要詳細(xì)的規(guī)劃。假設(shè)節(jié)點(diǎn)總是了解整個(gè)頻譜的情況是不實(shí)際的，而且如果每個(gè)設(shè)備上只有一個(gè)收發(fā)信機(jī)，并切換到一個(gè)信道上進(jìn)行通信。因此，這種操作要求物理層和更高層的跨層的交互。更明確地說(shuō)，通信的要求需要同頻譜感知相互協(xié)調(diào)。參考文獻(xiàn)[54]中研究使用多套收發(fā)機(jī)的效果，這可以用來(lái)代替上述的方法。文中考慮了2套收發(fā)信機(jī)，1套收發(fā)器一直監(jiān)聽(tīng)著控制信道以進(jìn)行頻譜感知。這種操作不但改進(jìn)了系統(tǒng)性能，同時(shí)還增加了復(fù)雜性以及設(shè)備花費(fèi)。

4)在傳輸層上的擴(kuò)層設(shè)計(jì)（高層協(xié)議的跨層設(shè)計(jì)）

在對(duì)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知過(guò)程當(dāng)中，因?yàn)樵诙嗵ㄐ胖械拿恳惶念l譜是不同的，所以網(wǎng)絡(luò)的就需要在拓?fù)渑渲弥辛私忸l譜感知的數(shù)據(jù)信息。并且路由和頻譜決策之間的相互協(xié)作是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的主流設(shè)計(jì)思想方法。首先，在認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程中，由于多跳通信中的每一跳的可用頻譜都不同，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渑渲镁托枰李l譜感知的信息。而且，認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)中路由的一個(gè)主要設(shè)計(jì)思想就是：路由和頻譜決策間的合作。一些節(jié)點(diǎn)之間會(huì)產(chǎn)生相互的影響，為了減輕因節(jié)點(diǎn)之間的影響引起性能下降，往往中間節(jié)點(diǎn)常會(huì)選擇多個(gè)頻譜的接口。所以端到端的路由常常會(huì)在多個(gè)頻段上工作。其次，常常一跨層的方式對(duì)路由進(jìn)行重建。路由算法要能夠及時(shí)的把那些因?yàn)楣?jié)點(diǎn)之間的鏈路失效與頻譜移動(dòng)性導(dǎo)致鏈路失效區(qū)分開(kāi)來(lái)。最后，中間節(jié)點(diǎn)應(yīng)該能夠利用采用頻譜感知取得的頻譜數(shù)據(jù)信息來(lái)重建路由，在這個(gè)過(guò)程中以選擇較好的路由。