无线通信网络跨层设计

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1、本 科 毕 业 论 文题目无线通信网络的跨层设计学生姓名 专 业 指导教师 完成日期 诚 信 承 诺 书本人承诺所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究成果除了文中特别加以标注和致谢的地方外论文中不包含其他人已发表或撰写过的研究成果参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 签 名 日 期 本论文使用授权说明本人完全了解南通大学有关保留使用学位论文的规定即学校有权保留论文及送交论文复印件允许论文被查阅和借阅学校可以公布论文的全部或部分内容保密的论文在解密后应遵守此规定学生签名 指导教师签名 日期 摘 要人们对便捷通信的强烈渴望推动了无线通信技术的飞速发展

2、现阶段的无线通信产业主要集中在话音业务上但随着与爆炸式发展的因特网融合的实现无线通信业务范围将发展成多种业务结合的综合性业务无线网络的跨层设计的主要任务是彻底改变原先固定不变的协议分层将原来被割裂的网络各层作为同一的整体进行设计和优化以便在时变的无线衰落信道中保证多媒体业务的QoS Quality of Service 变得切实可行论文研究跨层设计的基础之上论述了跨层设计的背景现状原理以及跨层设计的实现方法等重点介绍了点到点的跨层设计即如何通过联合自适应AMCthe adaptive modulation and coding 技术和混合自动请求重传HARQhybrid automatic r

3、epeat request技术来优化系统的吞吐量通过计算机对理论分析进行了验证理论分析和仿真表明基于Type-III HARQ比ARQ能够有效的优化网络整体性能具有较高的研究价值关键词跨层设计服务质量混合自动请求重传自适应编码调制ABSTRACTPeoples desirations promote the rapid growth of wireless technologies for providing anytime anywhere voice communications At present the wireless communications industry is main

4、ly concentrated on the voice business But with the explosive growth of the Internet and the realization of integration of wireless communications and Internet it will be developed into a comprehensive kind of business Cross-layer design of wireless networks is to completely change the main task of t

5、he original fixed framework agreement which aims to be divided by the original network of the same layers as the overall design and optimization in order to guarantee QoS Quality of Service for multimedia business in the time-varying wireless fading channelBased on cross-layer design this thesis dis

6、cusses the concept of cross-layer design status principles and implementation method With an emphasis on point to point cross-layer design that is how it unites the adaptive modulation and coding AMC the adaptive modulation and coding technology and hybrid automatic repeat request HARQ hybrid automa

7、tic repeat request techniques to optimize the system throughput The theoretical analysis by computer simulation is verified Theoretical analysis and simulation show that the Type-III HARQ can much more effectively optimize overall network performance than ARQ which is of high research valueKeywords

8、Cross-layer design QoS HARQ AMC目 录摘 要IABSTRACTII目 录III第一章 绪 论111 研究的背景112 跨层设计的必要性1121无线信道的动态特性1122 OSI开放系统参考模型的弊端2123 高误码率2124带宽波动与限制213 各协议层之间对跨层设计的需求2131 基于物理层的协议层交互2132 基于链路层的协议层交互3133 基于网络层的协议层交互3134 基于传输层的协议层交互314 链路自适应技术4141 功率控制技术4142 速率控制技术4143 混合自动请求重传技术515 QoS管理5151 QoS参数5152 QoS保证的基本要求61

9、53 QoS 保证的基本策略616 跨层设计原理8161 开放系统互联模型8162 跨层设计的实现方法917 论文主要研究的内容及结构安排11第二章 无线信道121无线信道特征及其建模13211 无线信道13212 多径衰落信道的主要特征13213 非频率选择性多径衰落信道模型1522 有限状态马尔科夫信道模型1623 信道估计技术1623 时延17第三章 点到点的跨层设计131 混合自动请求重传技 HARQ 1832 联合AMCHARQ技术的跨层设计模型建立1933 排队理论2034 联合AMCHARQ的跨层设计原理22第四章性能分析与仿真25结束语28参考文献29致 谢30第一章 绪 论1

10、1 研究的背景近年来随着全球通信产业的发展以移动通信技术和宽带IP数据通信技术发展最为迅速整个通信产业的技术发展呈现出三个大的趋势-无线化宽带化和可视化无线移动通信系统经历了二十年的快速发展已经从第一代模拟通信系统发展到如今的第三代数字宽带通信 3G 系统第一代模拟通信系统采用的是频分多址 FDMA 接入技术只能提供语音业务第二代移动通信系统 2G 采用时分多址 TDMA 和码分多址 CDMA 技术它们共同实现动态寻址功能完成了模拟通信向数字通信的转变可提供优质的语音以及部分数据业务第三代移动通信系统 3G 采用宽带码分多址接入技术将传统的移动通信与Internet融合除了提供传统的语音业务外

11、更多的是提供视频点播实时电视等多媒体业务但是3G缺乏统一标准它所采用的语音交换架构沿用了2G系统的电路交换并非纯IP方式基于视频的应用也不尽人意同时在安全方面也存在一定的缺陷因此第四代移动通信技术 4G3G 的研究就显得更加迫切近年来人们对实现4G3G4的关键技术进行了大量的研究并取得了初步的成果但是无线信道容易受到周围环境严重衰落和噪声干扰的影响目前无线通信技术的发展始终围绕着如何在恶劣的信道环境和有限的带宽内提高传输速率和服务质量因此如何克服恶劣的信道条件进行信息的高速传输是人们关注的重点如在物理层正在研究的热点技术包括先进的信道编码 Turbo码 自适应编码调制 AMC 等然而上述这些技

12、术的共同特点都是通过高级的通信信号处理技术来提高无线链路的容量事实上Turbo码已经可以很好的逼近香农限而MIMOMultiple Input Multiple Output技术其容量的提高则是以增加天线数为代价的对于体积有限的终端不可能通过大量增加天线来提升系统容量因此这些新颖的信号处理方法对无线网络性能的提高非常有限在这种情况下人们开始重新思考无线通信网络的理论3和概念模型无线网络的跨层设计2就是在此背景下提出的一种创新性理念它将被割裂的协议各层重新作为统一的整体进行设计综合考虑无线信道特征和多媒体业务的特性通过先进的无线资源管理策略来提高网络的整体容量以及提高多媒体业务的服务质量 QoS

13、 12 跨层设计的必要性121 无线信道的动态特性无线通信不同于有线通信无线信号传输介质是不可靠的容易受到噪声多径衰落以及阴影效应等不可预知的影响并且移动性也会给信道预测和信道估计带来相当大的难度从而增加了信道的误码率但是人们为了保证可用性往往只按照信道性能最低的要求进行保守设计而不是通过自适应的调整以适应通信信道的变化于是导致协议栈无法针对有限的功率资源和频谱资源进行有效合理的利用122 OSI开放系统参考模型的弊端 传统的无线通信系统设计沿用OSI参考模型只单独对各层进行设计和优化这样简化了网络设计的复杂性同时也满足软件设计的信息隐藏原则因而得到了广泛应用假设遵循OSI设计理念必然要摒弃协

14、议层的跨层交互而且不同协议层之间存在一定的信息冗余为此OSI开放系统的参考模型不能对无线网络资源进行整合以致网络性能得不到整体优化123 高误码率和有线通信相比无线通信因为受到多径衰落和噪声的影响信道的误码率较高对图像的质量影响较大这给多媒体信号的质量带来严重影响但是为了保证多媒体信号的质量就应该提供相对有效的差错恢复机制比如ARQ16和FEC等124带宽波动与限制在无线移动环境中信号带宽是有限的再加上噪声干扰同频干扰多径衰落和信道冲突的影响无线信道的传输能力不稳定并随环境变化发生变化所以处理无线通信时必须利用信道信息CSI 这样可以根据不同的信道状态采取相应措施进而能够提高带宽的利用率13

15、各协议层之间对跨层设计的需求131 基于物理层的协议层交互物理层位于OSI参考模型的最底层它直接面向传输介质负责在传输介质之间为数据链路层提供一个传输原始比特流的物理连接物理层采用的发射方式 主要参数有传输功率调制与编码天线波束参数等 不同对接收器能否成功接收信号产生影响进而影响链路层的无线信道多址接入若在链路层进行功率控制可以降低满足速率和误码率要求时的传输功率减少邻节点间的干扰即可以通过增加传输功率来对抗多径衰落引起的信道变化降低物理层的误码率同样 也可以在链路层采用更强的差错控制来降低物理层的误码率132 基于链路层的协议层交互数据链路层最重要的功能就是通过数据链路层协议即链路控制规程在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输比如帧同步流量控制差错控制等但是由于链路层的传送调度策略会影响数据包延迟带宽等性能导致网络层路由性能的恶化若网络层能够感知链路层性能的变化就可以以自适应的方式改变路由以改善网络的整体性能对于传输层也是如此传输层性能的好坏也可以通过与数据链路层的交互加