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編者按:更高帶寬的支持以及嚴(yán)格的質(zhì)量保證，能夠確保在無線鏈路上集成數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、音頻、視頻業(yè)務(wù)。然而，不同業(yè)務(wù)的不同特性或同一業(yè)務(wù)的不同部分，需要不同級(jí)別的質(zhì)量保障（QoS），如底層的、可擴(kuò)展的媒體編解碼器就有高的QoS需求。針對(duì)這些難題，一種新的思路被提出: 設(shè)計(jì)跨層的媒體傳輸結(jié)構(gòu)來支持不同種類的QoS。為此，《計(jì)算機(jī)世界》報(bào)特約相關(guān)研究人員撰文，闡述這一設(shè)計(jì)思想。
對(duì)實(shí)時(shí)多媒體的傳輸，如音頻、視頻，要求低延時(shí)，但容許一些錯(cuò)誤；非實(shí)時(shí)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(shí)。而同時(shí)有幾種不同QoS需求的業(yè)務(wù)系統(tǒng)面臨的主要困難是：在可變的信道中不容易把這些質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合為單一的性能測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)以達(dá)到理想的質(zhì)量，針對(duì)這些難題，在考慮了應(yīng)用層、傳輸層、鏈路層和物理層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，為達(dá)到理想的端到端的質(zhì)量，我們提出了跨層媒體傳輸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。
第一，需要提高移動(dòng)信道中的數(shù)據(jù)傳輸效率和質(zhì)量，有效對(duì)抗多徑衰落的不利影響，在數(shù)據(jù)鏈路層滿足未來高速無線多媒體業(yè)務(wù)的需求；
第二，需要針對(duì)未來高速、寬帶無線多媒體數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，開展網(wǎng)絡(luò)層以上的研究和開發(fā)工作；
第三，需要多層結(jié)合，如聯(lián)合數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層等，使系統(tǒng)整體性能得到優(yōu)化。
無線的QoS機(jī)制
語(yǔ)音及視頻在無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，需要低時(shí)延和QoS保障，而解決無線QoS的方案中，必須要滿足三個(gè)原則：
● 平滑的質(zhì)量降級(jí): 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)改變時(shí)，服務(wù)的圖象質(zhì)量的變化是平穩(wěn)的；
● 有效性: 充分使用帶寬資源，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)帶寬資源下降時(shí)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(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)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(yǔ)音、視頻和數(shù)據(jù)。為有效地利用無線信道中傳輸多媒體業(yè)務(wù)，應(yīng)支持多媒體流和不同的QoS。支持多媒體流，即在同一個(gè)數(shù)據(jù)源能同時(shí)支持不同QoS需求的流。
正在挑戰(zhàn)傳統(tǒng)
目前，人們已經(jīng)習(xí)慣于OSI分層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的思想，該思想也已為通信系統(tǒng)服務(wù)多年。然而，在無線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，我們?cè)谘芯扛骶W(wǎng)絡(luò)、各層性能優(yōu)化的同時(shí)，更要關(guān)注物理層，數(shù)據(jù)鏈路層或網(wǎng)絡(luò)層以及上層之間的互相協(xié)調(diào)配合對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響。
在過去，分層的開放系統(tǒng)互連（OSI）設(shè)計(jì)方法應(yīng)用得很好，但日益演進(jìn)的無線網(wǎng)絡(luò)正在挑戰(zhàn)這種設(shè)計(jì)哲學(xué)。正在出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)必須支持各式各樣不斷變化的業(yè)務(wù)類型及其服務(wù)質(zhì)量（QoS）要求，并支持網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化。如何將分散在網(wǎng)絡(luò)各個(gè)子層的特性參數(shù)協(xié)調(diào)融合，以提升整體網(wǎng)絡(luò)的性能，這些就對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。
下一代無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)需要從概念上定義一定范圍的參數(shù)值。我們知道，在無線信道上進(jìn)行多媒體傳輸?shù)奶魬?zhàn)是把網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層結(jié)合起來考慮，以實(shí)現(xiàn)理想的端到端可靠傳輸。這樣設(shè)計(jì)出的跨層自適應(yīng)機(jī)制可達(dá)到如下目標(biāo)：
（1）根據(jù)媒體特性自適應(yīng)調(diào)整鏈路層的QoS；
（2）精確模擬可變的衰減信道和動(dòng)態(tài)的產(chǎn)生比特錯(cuò)誤和突發(fā)錯(cuò)誤的反饋；
（3）根據(jù)媒體特性和可變的信道狀態(tài)自適應(yīng)地進(jìn)行源比特分配和在應(yīng)用層進(jìn)行保護(hù)；
�。�4）對(duì)不同類型的媒體，周期性地重新分配資源來達(dá)到理想的端到端的質(zhì)量。
設(shè)計(jì)思想
在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，為了應(yīng)對(duì)無線通信信道的挑戰(zhàn)，各網(wǎng)絡(luò)功能（即OSI的各層）必須統(tǒng)一考慮。各種應(yīng)用的QoS需求變化，要求網(wǎng)絡(luò)層在優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)輸出時(shí)考慮物理層設(shè)計(jì)。另外，不同的應(yīng)用可以從不同的優(yōu)化中得到更多好處，隨即出現(xiàn)了模糊層間界限的設(shè)計(jì)方案，它試圖跨過層間功能進(jìn)行優(yōu)化，如圖1所示。
未來無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮網(wǎng)絡(luò)跨層間的相互作用，無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)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(wǎng)絡(luò)層自適應(yīng)策略為例，利用物理層和MAC層信息，資源和連接點(diǎn)信息可在指定瞬間優(yōu)化系統(tǒng)的性能。在新一代多媒體網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，不僅需要靜態(tài)優(yōu)化跨層設(shè)計(jì)，還應(yīng)考慮動(dòng)態(tài)優(yōu)化跨層自適應(yīng)。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)也包含一些自適應(yīng)能力，如利用自適應(yīng)信號(hào)處理、調(diào)整信道參數(shù)、更新路由表、改變流量負(fù)載等，但這些調(diào)整更新與網(wǎng)絡(luò)層次是孤立的。這里的跨層自適應(yīng)允許網(wǎng)絡(luò)同時(shí)在功能和自適應(yīng)之間通過信息交換，滿足網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、信道環(huán)境和QoS可變的要求。
如上所述，當(dāng)媒體在信道中傳輸時(shí)需要激活鏈路層自適應(yīng)QoS。媒體信息在發(fā)送時(shí)，應(yīng)用層的自適應(yīng)QoS對(duì)其產(chǎn)生影響，如采用錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制—ARQ(Automatic Request for Repetition)和FEC（Forward Error Correction）。ARQ讓接收端請(qǐng)求重傳丟失或損壞的數(shù)據(jù)包，F(xiàn)EC傳輸原始數(shù)據(jù)有一些冗余，允許接收端重建丟失或損壞的數(shù)據(jù)包。在跨層設(shè)計(jì)的傳輸結(jié)構(gòu)中，無線網(wǎng)絡(luò)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(xié)商來決定合適的模式，如圖2所示。
每種業(yè)務(wù)對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)立的傳輸信道，對(duì)即將出現(xiàn)的業(yè)務(wù)請(qǐng)求，相應(yīng)的配置需要根據(jù)業(yè)務(wù)的特性進(jìn)行處理。物理層上合適的交織長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)鏈路層上合適的重傳計(jì)數(shù)能根據(jù)延遲計(jì)算得出，而在物理層可以根據(jù)容錯(cuò)需求選擇合適的編碼模式。另外，通過在每個(gè)邏輯鏈路選擇正確的比特率、傳輸功耗、傳輸調(diào)度使流量最大化（最大流量定義為整個(gè)激活的鏈路上的平均數(shù)據(jù)率的和）。
另一方面，考慮到有限的帶寬和無線鏈路的易出錯(cuò)環(huán)境，采用錯(cuò)誤控制機(jī)制是很有必要的。要保持理想的保護(hù)級(jí)別，好的錯(cuò)誤控制機(jī)制應(yīng)該考慮媒體編碼特性和可變的信道環(huán)境。根據(jù)各種媒體的重要性和單個(gè)媒體發(fā)生錯(cuò)誤后對(duì)整個(gè)媒體質(zhì)量產(chǎn)生的影響來確定其冗余度。
再有，動(dòng)態(tài)資源分配對(duì)支持應(yīng)用層控制的分布式多媒體系統(tǒng)很有必要。通常，不同類型的媒體對(duì)整個(gè)媒體有不同的影響，在媒體處理中的功耗也不同。無線網(wǎng)絡(luò)中資源分配的目的是決定怎樣分配資源來滿足業(yè)務(wù)需求的質(zhì)量并且整個(gè)媒體流失真最小或功耗最低。
帶來了什么？
1. 靈活和自適應(yīng)接入
無線網(wǎng)絡(luò)的跨層設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)可用的調(diào)制/編碼方案與可用鏈路質(zhì)量之間的匹配，可以為衡量網(wǎng)絡(luò)整體最佳性能提供判據(jù)。另外，跨層設(shè)計(jì)可以使每一層內(nèi)針對(duì)每種可能的資源，以及在多層之間的需要快速地進(jìn)行適配，以更好地滿足不同信道條件中，特別是無線環(huán)境內(nèi)更高數(shù)據(jù)速率的要求。通過與信道狀況相適應(yīng)，并且相應(yīng)地選擇調(diào)制和編碼方案，可以大大改善OFDM等高速物理層技術(shù)的性能。
自適應(yīng)可以體現(xiàn)在頻率利用（智能頻率利用）、物理層（調(diào)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(dòng)態(tài)分配的程度）、網(wǎng)絡(luò)和傳輸層，并且還可以體現(xiàn)在應(yīng)用層和業(yè)務(wù)層。軟件無線電是一種實(shí)現(xiàn)這種靈活性的技術(shù)，但同時(shí)還可以考慮其他的技術(shù)。
2. 業(yè)務(wù)與應(yīng)用的適配
真正的優(yōu)化不僅要求跨層設(shè)計(jì)，還要求有跨層適應(yīng)性。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)具有一定的適應(yīng)能力，例如許多通信系統(tǒng)使用信號(hào)處理方法來適應(yīng)信道環(huán)境的變化，通過調(diào)整路由表來適應(yīng)業(yè)務(wù)負(fù)載的變化。然而，這樣的調(diào)整是隔絕在特定層中的�？鐚舆m應(yīng)性將允許所有網(wǎng)絡(luò)功能在不同功能之間傳送信息并適應(yīng)，以便滿足QoS需求變化、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化和信道條件變化的要求。不難看出，跨層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)要求網(wǎng)絡(luò)各層的靜態(tài)優(yōu)化，而適應(yīng)性要求跨層動(dòng)態(tài)優(yōu)化。
3. 多層次聯(lián)合優(yōu)化
跨層設(shè)計(jì)使物理層可以與無線網(wǎng)絡(luò)的其他層次聯(lián)合優(yōu)化，在無線移動(dòng)環(huán)境中，TCP層分組的丟失不單是由于網(wǎng)絡(luò)的擁塞引起的，還有可能是由于無線鏈路的高差錯(cuò)率造成的。尤其是鏈路特性較差時(shí)，若使用自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求反而會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)，因此需要區(qū)別對(duì)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(yīng)當(dāng)突破傳統(tǒng)開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）體系結(jié)構(gòu)各層之間的獨(dú)立性，通過在物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和傳輸層之間傳遞控制信息進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，以提高整體性能，希望可以在宏小區(qū)范圍內(nèi)提供2Mbps～5Mbps的傳輸速率，在微小區(qū)以及室內(nèi)環(huán)境中提供10Mbps以上的傳輸速率。
遺留問題
無線網(wǎng)絡(luò)跨層優(yōu)化的設(shè)計(jì)思想僅僅提出并研究了一段時(shí)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(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和優(yōu)化極其復(fù)雜，特別是試圖進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化時(shí)；（2）優(yōu)化時(shí)使用的尺度問題: 網(wǎng)絡(luò)各層（功能）傳統(tǒng)上有各自隔離的優(yōu)化準(zhǔn)則，例如物理層的設(shè)計(jì)基本上集中在減小誤比特率，MAC層的設(shè)計(jì)在于節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過速率或信道的有效性，網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計(jì)要求時(shí)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(yōu)化，或者給它們排出優(yōu)先級(jí)？
跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)中實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)是難以實(shí)現(xiàn)的，但可以進(jìn)行一些限制性設(shè)計(jì)。跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)采用測(cè)度，在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層次設(shè)計(jì)中有優(yōu)先權(quán)準(zhǔn)則，如: 物理層準(zhǔn)則是比特差錯(cuò)率，MAC準(zhǔn)則是節(jié)點(diǎn)吞吐量或信道現(xiàn)存性，網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)則是時(shí)延和路由效率。這就提出了以下問題: 什么測(cè)度代表未來系統(tǒng)的主要性能？如何綜合優(yōu)化這些測(cè)度？如何對(duì)這些測(cè)度進(jìn)行優(yōu)先權(quán)排序？
在跨層動(dòng)態(tài)優(yōu)化中，需要復(fù)雜建�；蚍抡孢^程，物理層仿真器采用時(shí)間驅(qū)動(dòng)法，而網(wǎng)絡(luò)仿真器采用事件驅(qū)動(dòng)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(fā)網(wǎng)絡(luò)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(yōu)化設(shè)計(jì)�？梢圆扇∠率龌旌洗胧�
● 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(wǎng)絡(luò)仿真器用于大部分物理層鏈路，細(xì)量化度仿真器用于特定物理層鏈路；
● 從物理層到應(yīng)用層的仿真和實(shí)時(shí)處理。
動(dòng)態(tài)優(yōu)化的相關(guān)問題是，在動(dòng)態(tài)優(yōu)化時(shí)，信息在網(wǎng)絡(luò)層間傳遞，設(shè)計(jì)者必須選擇要傳遞的信息，它不能太復(fù)雜，以致產(chǎn)生很大時(shí)延或大量?jī)?yōu)化過程的計(jì)算，但也不能太簡(jiǎn)單，以致傳遞的信息太少。因此這類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要復(fù)雜的建模（仿真）過程。動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的最后一個(gè)問題是網(wǎng)絡(luò)控制，當(dāng)允許適應(yīng)跨層功能時(shí)，重要的是需要控制這個(gè)過程，問題是由誰(shuí)來控制。
未來無線通信系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的和自適應(yīng)的系統(tǒng)，可以提高頻率分配和管理，適于結(jié)合動(dòng)態(tài)及快速的自適應(yīng)多層路由技術(shù)、智能無線電及自適應(yīng)組網(wǎng)技術(shù)優(yōu)化系統(tǒng)性能，而跨層設(shè)計(jì)思想成為有力的助手。
相關(guān)鏈接：無線介質(zhì)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)
無線通信不同于有線通信，無線信號(hào)傳輸介質(zhì)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(kuò)展。QoS一般指的是帶寬保證，而無線網(wǎng)絡(luò)不能提供這類保證，無線信道獨(dú)有的特性使圖像質(zhì)量下降：
● 帶寬波動(dòng)：因?yàn)槎鄰剿ヂ�、同頻干擾、噪聲等影響會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)的輸入／輸出能力下降；基站與手機(jī)的距離改變時(shí)信道的容量會(huì)變化；當(dāng)終端進(jìn)入不同的網(wǎng)絡(luò)（如從無線局域網(wǎng)進(jìn)入無線廣域網(wǎng)時(shí)，速率可能從幾Mbps變到幾千bps）；小區(qū)切換時(shí)，另外一個(gè)小區(qū)也許不能提供頻帶資源。
● 高誤碼率：和有線通信相比，因?yàn)槭芏鄰胶臀锤采w區(qū)域的影響，信道的誤碼率較高，對(duì)圖像的質(zhì)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(shí)，各個(gè)接收端要求的時(shí)延、視頻流的質(zhì)量、處理能力、帶寬限制等都不一樣，這就給組播設(shè)計(jì)帶來困難。
摘自《計(jì)算機(jī)世界報(bào)》 第38、39期D5、D6
