無線網絡跨層設計

2019-11-03 09:22:59

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供稿：網友

山東省信息產業廳韓旭東

　　編者按:更高帶寬的支持以及嚴格的質量保證，能夠確保在無線鏈路上集成數據、語音、音頻、視頻業務。然而，不同業務的不同特性或同一業務的不同部分，需要不同級別的質量保障（QoS），如底層的、可擴展的媒體編解碼器就有高的QoS需求。針對這些難題，一種新的思路被提出: 設計跨層的媒體傳輸結構來支持不同種類的QoS。為此，《計算機世界》報特約相關研究人員撰文，闡述這一設計思想。

　　對實時多媒體的傳輸，如音頻、視頻，要求低延時，但容許一些錯誤；非實時多媒體傳輸，如Web接入和下載文件，需要可靠性，但容許一定的延時。而同時有幾種不同QoS需求的業務系統面臨的主要困難是：在可變的信道中不容易把這些質量標準結合為單一的性能測量標準以達到理想的質量，針對這些難題，在考慮了應用層、傳輸層、鏈路層和物理層結構的基礎上，為達到理想的端到端的質量，我們提出了跨層媒體傳輸結構的設計方案。

　　第一，需要提高移動信道中的數據傳輸效率和質量，有效對抗多徑衰落的不利影響，在數據鏈路層滿足未來高速無線多媒體業務的需求；

　　第二，需要針對未來高速、寬帶無線多媒體數據網絡的特點，開展網絡層以上的研究和開發工作；

　　第三，需要多層結合，如聯合數據鏈路層和網絡層等，使系統整體性能得到優化。

　　無線的QoS機制

　　語音及視頻在無線網絡應用中，需要低時延和QoS保障，而解決無線QoS的方案中，必須要滿足三個原則：

　　● 平滑的質量降級: 當網絡狀態改變時，服務的圖象質量的變化是平穩的；

　　● 有效性: 充分使用帶寬資源，當網絡帶寬資源下降時就降低輸出圖像碼率，如果帶寬資源增加則加大輸出圖像的碼流；

　　● 公平性: 每一種應用在網絡中公平享用帶寬資源。

　　另外，在用戶間的多媒體通信有可能包含不同QoS需求的語音、視頻和數據。為有效地利用無線信道中傳輸多媒體業務，應支持多媒體流和不同的QoS。支持多媒體流，即在同一個數據源能同時支持不同QoS需求的流。

　　正在挑戰傳統

　　目前，人們已經習慣于OSI分層網絡設計的思想，該思想也已為通信系統服務多年。然而，在無線網絡領域，我們在研究各網絡、各層性能優化的同時，更要關注物理層，數據鏈路層或網絡層以及上層之間的互相協調配合對網絡性能的影響。

　　在過去，分層的開放系統互連（OSI）設計方法應用得很好，但日益演進的無線網絡正在挑戰這種設計哲學。正在出現的網絡必須支持各式各樣不斷變化的業務類型及其服務質量（QoS）要求，并支持網絡拓撲結構的變化。如何將分散在網絡各個子層的特性參數協調融合，以提升整體網絡的性能，這些就對網絡設計提出了新的挑戰。

　　下一代無線網絡設計需要從概念上定義一定范圍的參數值。我們知道，在無線信道上進行多媒體傳輸的挑戰是把網絡層和應用層結合起來考慮，以實現理想的端到端可靠傳輸。這樣設計出的跨層自適應機制可達到如下目標：

　　（1）根據媒體特性自適應調整鏈路層的QoS；

　　（2）精確模擬可變的衰減信道和動態的產生比特錯誤和突發錯誤的反饋；

　　（3）根據媒體特性和可變的信道狀態自適應地進行源比特分配和在應用層進行保護；

　　（4）對不同類型的媒體，周期性地重新分配資源來達到理想的端到端的質量。

　　設計思想

　　在設計網絡時，為了應對無線通信信道的挑戰，各網絡功能（即OSI的各層）必須統一考慮。各種應用的QoS需求變化，要求網絡層在優化網絡輸出時考慮物理層設計。另外，不同的應用可以從不同的優化中得到更多好處，隨即出現了模糊層間界限的設計方案，它試圖跨過層間功能進行優化，如圖1所示。

圖1 跨層設計的思想

　　未來無線網絡設計應考慮網絡跨層間的相互作用，無線網絡設計的OSI分層模型中最高和最低層次有不同方法解決固定基站無限制接入位置問題。以網絡層自適應策略為例，利用物理層和MAC層信息，資源和連接點信息可在指定瞬間優化系統的性能。在新一代多媒體網絡優化設計時，不僅需要靜態優化跨層設計，還應考慮動態優化跨層自適應。傳統的網絡設計也包含一些自適應能力，如利用自適應信號處理、調整信道參數、更新路由表、改變流量負載等，但這些調整更新與網絡層次是孤立的。這里的跨層自適應允許網絡同時在功能和自適應之間通過信息交換，滿足網絡負載、信道環境和QoS可變的要求。

　　如上所述，當媒體在信道中傳輸時需要激活鏈路層自適應QoS。媒體信息在發送時，應用層的自適應QoS對其產生影響，如采用錯誤檢測機制—ARQ(Automatic Request for Repetition)和FEC（Forward Error Correction）。ARQ讓接收端請求重傳丟失或損壞的數據包，FEC傳輸原始數據有一些冗余，允許接收端重建丟失或損壞的數據包。在跨層設計的傳輸結構中，無線網絡層的資源控制與鏈路控制層的媒體接入控制（MAC）和物理層協商來決定合適的模式，如圖2所示。

圖2 跨層設計實現模塊結構框圖

　　每種業務對應一個獨立的傳輸信道，對即將出現的業務請求，相應的配置需要根據業務的特性進行處理。物理層上合適的交織長度和數據鏈路層上合適的重傳計數能根據延遲計算得出，而在物理層可以根據容錯需求選擇合適的編碼模式。另外，通過在每個邏輯鏈路選擇正確的比特率、傳輸功耗、傳輸調度使流量最大化（最大流量定義為整個激活的鏈路上的平均數據率的和）。

　　另一方面，考慮到有限的帶寬和無線鏈路的易出錯環境，采用錯誤控制機制是很有必要的。要保持理想的保護級別，好的錯誤控制機制應該考慮媒體編碼特性和可變的信道環境。根據各種媒體的重要性和單個媒體發生錯誤后對整個媒體質量產生的影響來確定其冗余度。

　　再有，動態資源分配對支持應用層控制的分布式多媒體系統很有必要。通常，不同類型的媒體對整個媒體有不同的影響，在媒體處理中的功耗也不同。無線網絡中資源分配的目的是決定怎樣分配資源來滿足業務需求的質量并且整個媒體流失真最小或功耗最低。

　　帶來了什么？

　　1. 靈活和自適應接入

　　無線網絡的跨層設計能夠實現可用的調制/編碼方案與可用鏈路質量之間的匹配，可以為衡量網絡整體最佳性能提供判據。另外，跨層設計可以使每一層內針對每種可能的資源，以及在多層之間的需要快速地進行適配，以更好地滿足不同信道條件中，特別是無線環境內更高數據速率的要求。通過與信道狀況相適應，并且相應地選擇調制和編碼方案，可以大大改善OFDM等高速物理層技術的性能。

　　自適應可以體現在頻率利用（智能頻率利用）、物理層（調制和編碼以及多址接入方案）、MAC和鏈路層（例如選擇專用信道與共享信道動態分配的程度）、網絡和傳輸層，并且還可以體現在應用層和業務層。軟件無線電是一種實現這種靈活性的技術，但同時還可以考慮其他的技術。

　　2. 業務與應用的適配

　　真正的優化不僅要求跨層設計，還要求有跨層適應性。傳統網絡具有一定的適應能力，例如許多通信系統使用信號處理方法來適應信道環境的變化，通過調整路由表來適應業務負載的變化。然而，這樣的調整是隔絕在特定層中的。跨層適應性將允許所有網絡功能在不同功能之間傳送信息并適應，以便滿足QoS需求變化、網絡負載變化和信道條件變化的要求。不難看出，跨層網絡設計要求網絡各層的靜態優化，而適應性要求跨層動態優化。

　　3. 多層次聯合優化

　　跨層設計使物理層可以與無線網絡的其他層次聯合優化，在無線移動環境中，TCP層分組的丟失不單是由于網絡的擁塞引起的，還有可能是由于無線鏈路的高差錯率造成的。尤其是鏈路特性較差時，若使用自動重發請求反而會增加網絡的負擔，因此需要區別對待這兩種情況。基于無線通信與有線傳輸特性的差距，我們應當突破傳統開放系統互聯（OSI）體系結構各層之間的獨立性，通過在物理層、數據鏈路層和傳輸層之間傳遞控制信息進行聯合優化，以提高整體性能，希望可以在宏小區范圍內提供2Mbps～5Mbps的傳輸速率，在微小區以及室內環境中提供10Mbps以上的傳輸速率。

　　遺留問題

　　無線網絡跨層優化的設計思想僅僅提出并研究了一段時間，可以說還處在完善階段，目前仍有一些問題待解決：（1）全網絡設計和優化極其復雜，特別是試圖進行實時動態優化時；（2）優化時使用的尺度問題: 網絡各層（功能）傳統上有各自隔離的優化準則，例如物理層的設計基本上集中在減小誤比特率，MAC層的設計在于節點的數據通過速率或信道的有效性，網絡層的設計要求時延或路由效率。用什么尺度能代表所有這些要求？如何把這些要求一起優化，或者給它們排出優先級？

　　跨層優化設計中實時動態優化網絡是難以實現的，但可以進行一些限制性設計。跨層優化設計中應采用測度，在傳統網絡層次設計中有優先權準則，如: 物理層準則是比特差錯率，MAC準則是節點吞吐量或信道現存性，網絡準則是時延和路由效率。這就提出了以下問題: 什么測度代表未來系統的主要性能？如何綜合優化這些測度？如何對這些測度進行優先權排序？

　　在跨層動態優化中，需要復雜建模或仿真過程，物理層仿真器采用時間驅動法，而網絡仿真器采用事件驅動法。解決上述問題的方法是雙層仿真法，即用物理層仿真器的輸出去激發網絡仿真器。但是，這種方法不允許層次間有相互作用，不利于跨層優化設計。可以采取下述混合措施：

　　● 混合高層次的功能性能仿真和低層次的功能性能半分析仿真；

　　● 可變量化度措施，即粗量化度網絡仿真器用于大部分物理層鏈路，細量化度仿真器用于特定物理層鏈路；

　　● 從物理層到應用層的仿真和實時處理。

　　動態優化的相關問題是，在動態優化時，信息在網絡層間傳遞，設計者必須選擇要傳遞的信息，它不能太復雜，以致產生很大時延或大量優化過程的計算，但也不能太簡單，以致傳遞的信息太少。因此這類系統的設計需要復雜的建模（仿真）過程。動態網絡優化的最后一個問題是網絡控制，當允許適應跨層功能時，重要的是需要控制這個過程，問題是由誰來控制。

　　未來無線通信系統是一個動態的和自適應的系統，可以提高頻率分配和管理，適于結合動態及快速的自適應多層路由技術、智能無線電及自適應組網技術優化系統性能，而跨層設計思想成為有力的助手。

　　相關鏈接：無線介質傳輸的特點

　　無線通信不同于有線通信，無線信號傳輸介質是不可靠的，帶寬低并且有廣播特性。其中，無線寬帶通信的最大障礙就是要克服多徑衰落和多普勒擴展。QoS一般指的是帶寬保證，而無線網絡不能提供這類保證，無線信道獨有的特性使圖像質量下降：

　　● 帶寬波動：因為多徑衰落、同頻干擾、噪聲等影響會引起網絡的輸入／輸出能力下降；基站與手機的距離改變時信道的容量會變化；當終端進入不同的網絡（如從無線局域網進入無線廣域網時，速率可能從幾Mbps變到幾千bps）；小區切換時，另外一個小區也許不能提供頻帶資源。

　　● 高誤碼率：和有線通信相比，因為受多徑和未覆蓋區域的影響，信道的誤碼率較高，對圖像的質量影響很大，因此需要一種魯棒性的傳輸方法。

　　● 接收的異種性：在組播時，各個接收端要求的時延、視頻流的質量、處理能力、帶寬限制等都不一樣，這就給組播設計帶來困難。

　　
摘自《計算機世界報》第38、39期D5、D6

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