認知無線電與認知網(wǎng)絡(luò)CH08認知網(wǎng)絡(luò)的跨層設(shè)計

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1、跨層設(shè)計BYSCNUCRN_XXH2021/7/241Content跨層設(shè)計的本質(zhì)跨層設(shè)計架構(gòu)跨層實施方案CRN跨層設(shè)計CN跨層設(shè)計方案黑板架構(gòu)thechallengeofCross-LayerdesginofCN參考文獻2021/7/242跨層設(shè)計的本質(zhì)——通過對協(xié)議棧進行垂直的整合，實現(xiàn)對系統(tǒng)資源的有效管理，即通過在協(xié)議棧的各層之間傳遞特定的信息來協(xié)調(diào)各層之間的的工作，使之與無線通信環(huán)境相適應(yīng)，從而滿足系統(tǒng)的各種業(yè)務(wù)的不同需求。網(wǎng)絡(luò)中各層都不是單獨設(shè)計的，而是把所有層作為一個整體設(shè)計。層與層之間信息的交互保證了協(xié)議能夠根據(jù)應(yīng)用需要和網(wǎng)絡(luò)條件進行全局自適應(yīng)的變化，而且各層

2、協(xié)議都能夠在系統(tǒng)整體約束和整體性能要求下進行聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計2021/7/243跨層設(shè)計架構(gòu)不是完全否定傳統(tǒng)的分層設(shè)計模式，而是通過各層之間的交互信息，對網(wǎng)絡(luò)各個子層的有關(guān)參數(shù)進行統(tǒng)一的調(diào)整各個參數(shù)，從而實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)資源的有效分配，提高網(wǎng)絡(luò)的整體的性能。核心——層與層之間如何進行耦合。即如何打破原有的各個獨立的層打破協(xié)議的限制，在各層間進行相互通信。在原有的層之間創(chuàng)造新的接口。將原有的體系架構(gòu)中的相鄰的層進行合并。將原有的層進行對于耦合，而不需要創(chuàng)造新的接口。將整個系統(tǒng)所有層進行縱向校正。（圖來源：李釗陳、廣泉《無線認知網(wǎng)絡(luò)的跨層設(shè)計》）ex:如果一個端到端TCP連接包含一段無線

3、鏈路，在無線鏈路中由于信道變化所導(dǎo)致的丟包率的上升會使TCP發(fā)送端誤以為在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生了擁塞，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能惡化而做出錯誤的判斷。(下層—上層的反饋接口。路由給TCP的發(fā)送端的傳輸層—send—ECN)ex:應(yīng)用層可以通知鏈路層數(shù)據(jù)延遲的需求，鏈路層可以按照時延敏感的優(yōu)先級來發(fā)送數(shù)據(jù)。向上的信息流是通知高層底層網(wǎng)絡(luò)狀況。向下的信息流則作為底層樹立處理數(shù)據(jù)的參考。兩個功能不一樣的層，在運行時相互協(xié)作。經(jīng)常這種情況出現(xiàn)在兩層間的迭代循環(huán)，信息在兩層間來回傳遞。ex1:NDMA協(xié)議(Network-assistedDiversityMultipleAccess,網(wǎng)絡(luò)輔助分集多址接入)

4、ex2：雙向信息傳遞解決無線AdHoc網(wǎng)絡(luò)。將兩個或多個相鄰的層合并，構(gòu)成一個“超級層”來提供被合并的那些層所提供的服務(wù)。不需要創(chuàng)造新的接口。從結(jié)構(gòu)上來講。超級層能用原有的接口和未合并的層進行通信。在兩個或更多的層之間進行耦合設(shè)計，而不需要在運行時為了信息共享而創(chuàng)建新的接口。結(jié)構(gòu)的花銷來自于當(dāng)要替換一層時必須對耦合的層做出相應(yīng)的變化。通過調(diào)整參數(shù)來實現(xiàn)層與層之間的通信。如圖，基本上，應(yīng)用層所表現(xiàn)出的性能，可以表示為其所有下層的參數(shù)所構(gòu)成的函數(shù)。因此，聯(lián)合調(diào)節(jié)參數(shù)比單獨調(diào)節(jié)能獲得更好的性能。2021/7/244跨層實施方案層間直接通信跨層共享數(shù)據(jù)庫全新架構(gòu)層間共享信息最直接、

5、最快捷的方法就是允許他們彼此互相通信。圖中是通過創(chuàng)建新的接口來達到層間直接通信的目的。>>利用協(xié)議頭投在層間傳遞信息>>將“層間”信息作為內(nèi)部分組進行處理。>>跨層發(fā)信捷徑（CLASS,Cross-LayerSignallingShortcuts）方案。用于支持協(xié)議棧的非相鄰層之間的直接的信息交換。主要是引入了一個能被所有層鏈接的通用數(shù)據(jù)庫，如右圖，這個通用數(shù)據(jù)庫可以被看成是一個新層，為所有層提供存儲/修復(fù)信息的服務(wù)。這種方法尤其適用于縱向校正跨層設(shè)計，優(yōu)化程序可以通過共享數(shù)據(jù)庫的同時與不同層連接。《FromProtocolStacktoProtocolHeap–Role-

6、BasedArchitecture》的作者Branden等人提出的RBA(RoleBasedArchitecture)是一個全新架構(gòu)。角色模塊以功能實現(xiàn)的傳遞連接完成了層間信息的交互過程，取代了用設(shè)計接口實現(xiàn)分層間的交互方式。2021/7/245CRN跨層設(shè)計MAC/物理層跨層設(shè)計路由/物理層跨層設(shè)計傳輸/物理層跨層設(shè)計其他跨層設(shè)計MAC層與物理層的交互尤為頻繁。在CRN中，MAC層必須能夠適應(yīng)通信資源的有效性，以及用戶狀態(tài)。它使用了信道分配技術(shù)，機會性使用信道，動態(tài)適應(yīng)認知網(wǎng)絡(luò)信道的高度時變性特征。物理層高級技術(shù)，包括編碼、MIMO和OFDM技術(shù)、超寬帶等，為改善時延、吞

7、吐量和丟包率提供了很大的潛力。MAC物理層的跨層設(shè)計方法，可以更進一步提高頻譜利用率，改善系統(tǒng)性能。?如何改善系統(tǒng)性能———————————————————————————————————>>可能出現(xiàn)誤檢情況下的跨層設(shè)計。這種方式，通過物理層頻譜傳感器和MAC層認知協(xié)議的聯(lián)合設(shè)計將頻譜感知和頻譜接入相結(jié)合。同時，在物理層和MAC層降低誤檢概率，并，最大化頻譜效率的同時防止對授權(quán)用戶產(chǎn)生干擾。>>基于跨層的多信道機會MAC控制協(xié)議，將無線AdHoc網(wǎng)絡(luò)的頻譜感知聚合到物理層，分組調(diào)度聚合到MAC層。>>優(yōu)化無線網(wǎng)絡(luò)中