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本文作者：熊傳偉陳世勇作者單位：重慶聯(lián)通萬州分公司

對第4代移動通訊系統(tǒng)進(jìn)行跨層設(shè)計的思想

對第4代移動通訊系統(tǒng)進(jìn)行跨層設(shè)計的最本質(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)到對各協(xié)議層聯(lián)合設(shè)計，這樣就能夠充分利用移動通信系統(tǒng)的資源，為移動通信用戶提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

對第4代移動通信系統(tǒng)跨層設(shè)計研究現(xiàn)狀

當(dāng)今，有很多人對4g移動通信系統(tǒng)的跨層設(shè)計提出了一些可行的技術(shù)方案，例如：Vjiya.Traisinghnai是在無線通信的環(huán)境下，通過對TCIP協(xié)議棧的跨層優(yōu)化設(shè)計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制就是在TCIP協(xié)議棧各層的之間，利用信息交換的方式實現(xiàn)跨層設(shè)計的優(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新的系統(tǒng)架構(gòu)；QIM/an，gAbuRghe，ffM.A這些人同樣總結(jié)了無線通信系統(tǒng)以及協(xié)議棧內(nèi)部的跨層信令，并提出了一種機制以對協(xié)議棧之間的各層協(xié)議進(jìn)行有效地跨層控制。

認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的跨層設(shè)計

1)頻譜管理的跨層設(shè)計

無線信道的參數(shù)應(yīng)該與CR的通信協(xié)議通過頻譜的動態(tài)特性進(jìn)行有效地彼此適應(yīng)。并且每一個協(xié)議的行為都會相互影響。例如，傳輸層的環(huán)路時間會受到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候，通信路徑上的那些RTT以及差錯率都會隨之而改變，這樣又會導(dǎo)致MAC協(xié)議性能的不穩(wěn)定。最終會影響到系統(tǒng)的整體質(zhì)量。在實際的應(yīng)用中需要找到合適的頻譜，這就要對頻譜進(jìn)行有效地管理，在對頻譜管理的過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)計一個能夠跨層的頻譜管理的方案，以實現(xiàn)各種通信協(xié)議棧的功能在物理層上的相互聯(lián)系。對這種方案進(jìn)行設(shè)計的時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)對頻譜移動性進(jìn)行跨層設(shè)計

頻譜切換會導(dǎo)致頻譜切換延遲，這會影響通信協(xié)議的性能。因此，頻譜切換的主要挑戰(zhàn)是減少頻譜感知時的延遲。當(dāng)頻譜切換延遲時，會對傳輸層協(xié)議產(chǎn)生不利影響。并且，在頻譜切換時或路徑損耗以及受到干擾的時候，動態(tài)頻譜都會直接影響到無線鏈路錯誤和鏈路層延遲等信道參數(shù)。另外PHY與MAC信道參數(shù)的改變也會引起開始頻譜的切換。而且移動通信用戶會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(物理層)

用戶對頻譜的感知能力對頻譜的共享性能有著直接的影響，PHY層的功能是對頻譜感知的的主要體現(xiàn)。但是，在很多合作的檢測的狀況下，對無線網(wǎng)絡(luò)用戶的認(rèn)知需要通過Adhoc的連接交換那些感知的數(shù)據(jù)信息，所以說頻譜感知與頻譜共享對多跨層設(shè)計有很大的影響。并且我們能夠明顯地看出對頻譜的感知直接決定通信協(xié)議的性能，在利用頻譜的時候主要面對的挑戰(zhàn)為：利用頻譜所面對的第1個挑戰(zhàn)就是InterferenceMitigation(干擾減輕)。頻譜掃描只能夠提供發(fā)射機的數(shù)據(jù)信息如果接收機受到干擾。所以我們就要同時考慮到發(fā)射機和用戶之間的彼此干擾作用，不斷改進(jìn)這方面的技術(shù)，以來降低干擾。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。另一個方面就是這種合作技術(shù)還會增加通信的成本，在綜合考慮信道容量和系統(tǒng)耗能時，這個系統(tǒng)的整體性能就會降低很多。所以在發(fā)展4G技術(shù)的過程中需要研究出高效的頻譜共享的技術(shù)，以來實現(xiàn)在CR網(wǎng)絡(luò)用戶高效的頻譜數(shù)據(jù)信息的共享。第2個挑戰(zhàn)是頻譜感知不能同時感知到整個頻譜。更明確地說，由于CR網(wǎng)絡(luò)需要預(yù)知大量的頻譜，因此感知整個頻譜需要很多時間。由于感知過程需要耗電，因此這個過程需要詳細(xì)的規(guī)劃。假設(shè)節(jié)點總是了解整個頻譜的情況是不實際的，而且如果每個設(shè)備上只有一個收發(fā)信機，并切換到一個信道上進(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，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)機的效果，這可以用來代替上述的方法。文中考慮了2套收發(fā)信機，1套收發(fā)器一直監(jiān)聽著控制信道以進(jìn)行頻譜感知。這種操作不但改進(jìn)了系統(tǒng)性能，同時還增加了復(fù)雜性以及設(shè)備花費。

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

在對無線網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知過程當(dāng)中，因為在多跳通信中的每一跳的頻譜是不同的，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)作是無線網(wǎng)絡(luò)中的主流設(shè)計思想方法。首先，在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的過程中，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)知無線電網(wǎng)絡(luò)中路由的一個主要設(shè)計思想就是：路由和頻譜決策間的合作。一些節(jié)點之間會產(chǎn)生相互的影響，為了減輕因節(jié)點之間的影響引起性能下降，往往中間節(jié)點常會選擇多個頻譜的接口。所以端到端的路由常常會在多個頻段上工作。其次，常常一跨層的方式對路由進(jìn)行重建。路由算法要能夠及時的把那些因為節(jié)點之間的鏈路失效與頻譜移動性導(dǎo)致鏈路失效區(qū)分開來。最后，中間節(jié)點應(yīng)該能夠利用采用頻譜感知取得的頻譜數(shù)據(jù)信息來重建路由，在這個過程中以選擇較好的路由。