IMT-Advanced跨层优化技术

基金项目：国家重大专项(2010ZX03003-001-02)

    未来的IMT-Advanced无线网络将是一个以多节点、异构性为特点的扁平化混和网络，为提升无线资源管理效率，需要从通信系统整体的角度，对多个层次，如节点之间、协议层次之间进行优化。其中，衍生于传统通道独立、带宽丰富的有线网络的通信协议，在泛在的通道共享、信道多变的无线网络环境中，面临着越来越突出的问题。

    如何在带宽、功率等资源受限约束条件下，通过科学的调度与管理，有效地提高移动通信系统的资源利用率和传输效率，为多用户、多业务提供服务质量(QoS)保障，是目前科研工作者亟待解决的核心问题之一。目前系统中所采用的传统的优化方法与目标，是在功率、带宽等资源受限条件下，克服时变无线信道时变选择性衰落与频域选择性衰落，均衡网络系统话务量分布负载，防止网络拥塞和保持尽可能小的系统信令开销，为网络内无线用户终端提供简单的区分业务质量保障。其无线资源管理，包括接入允许控制、切换、负载均衡、分组调度、功率控制、信道分配等都根据相关模块协议，自成一体，独立进行。这种适用于业务单一、用户数不多的模块化方法在原有网络系统中简单易行。但通过实践观察与理论分析发现，由于各子层之间为维护自身的独立性与完整性而存在的大量信息冗余，不仅过多消耗了带宽与功率等紧缺资源，而且直接制约了系统性能充分发挥。于是，高效跨层的、跨模块的资源优化方法逐步成为业界关注的一项重要课题。

    本文将结合认知科学技术、人工智能技术、凸优化等数学手段，描述一种新的，支持跨层优化的，联合无线资源管理策略。在研究中将网络资源进行两个维度的分解：(1)对接入节点与用户节点资源进行水平分解；(2)对节点内部各层次模块进行垂直分解。在兼顾业务公平与容量最大化同时，为网络内无线用户终端提供区分业务质量保障，最大程度地提高无线系统的频率效率与功率效率，实现无线资源的优化使用。
面向IMT-Advanced跨层设计模型围绕IMT-Advanced无线资源管理、支持跨层优化设计这一核心，对资源认知进行参数化提取，优化协议层次关系，充分发掘无线网络节点多维协作潜力。跨层优化技术结合网络节点对无线信道、业务负载、频谱等认知特性，所涉及内容相当丰富，涵盖新型蜂窝网络中的无线资源规划及调度策略、异构融合网络的无线资源管理、主动式小区间干扰协调技术等，如图1所示。

1 跨层涵盖研究

1.1 无线链路协议的跨层设计
    研究表明，适用于有线网的分层架构并不适用于无线网络[1]。分层设计中，每个协议层都只处理一类专门任务，并对上层提供透明服务，如开放系统互连(OSI)的7层参考模型等。分层架构可以在灵活地更新其中某一个层中的实现技术同时，又不对整个系统带来显著的影响。但这种严格层次的架构在资源受限的无线网络中面临着诸多考验[2]。例如，物理层的优化不考虑链路层的队列信息，链路层队列调度不考虑传输控制协议(TCP)层的拥塞控制，TCP的拥塞控制又不考虑无线物理层的丢包情况等。这些问题都严重影响无线通信系统对频谱和功率等资源的利用效率以及业务QoS保障能力。

    Srivastava于2005年提出了一个宽泛的相对于分层架构的跨层设计定义，其基本思想是突破分层的参考通信架构的协议设计，重新定义层间接口与层的边界，允许多层联合调整参数，各层协同实现同一目标，从而获得更高的资源利用效率、更好的业务QoS保障以及用户体验。传统分层架构与新型跨层架构如图2所示。
在对待如何跨层上，尤其是层间协作与融合的紧密程度上，存在两种截然不同方法：(1)将具有同一目标相关的层进行紧耦合；(2)松耦合在系统中设置一个跨层次的实体，其能够获取各个层的相关信息，但各个层次依然彼此独立，通过一次或若干次交互，进行分布式跨层运算，使得整网性能中某一目标最优[3]。

    无论采用何种方法都存在：哪些测度代表未来系统的主要性能？如何综合优化这些测度？如何对这些测度进行优先权排序等复杂的设计问题。而且，协议栈各层一般都工作在不同的时间尺度上。因此，如何在进行协议栈设计时，将协议栈各层不同的时间尺度综合起来进行统一考虑是一个值得注意的问题；另一方面，所需要考虑的是系统网络架构的整体优化，而不是局部简单的跨层暗示。因此跨层设计的难度与复杂度在实用跨层优化策略必须考虑的重要问题。

1.2 适合于IMT-Advanced要求的新型网络架构及协议
    由于未来IMT-Advanced移动通信网络是一个分布式泛在、异构扁平、全IP化的网络，针对无线网络特点与未来多用户多任务的需求，需要设计适合于分布式、异构、协同无线网络组网构架和相应的协议栈，为无线资源管理提供框架协议。

    分层架构在逻辑上，划分了控制平面、传输网络控制以及用户平面。分层分平面的架构非常有利于规程化的信令流程的实现。但是，现有的分层分平面协议栈架构比较封闭，无法适应未来物理层技术的多样性和灵活性。基于以上分析，未来无线网络协议栈架构设计包括以下问题：

    (1)寻求合适复杂度的高效协议栈框架。跨层的目标意在最大利用资源，因此复杂度不可避免地比分层架构要高。因此，合理高效的协议栈结构将是跨层设计必须面对的基础性问题。

    (2)协议栈对必须提供多样化物理层的支持。在未来全IP互联互通的网络环境中，异构网络具体体现在通信物理承载的不同。由此协议栈，尤其是链路层协议栈媒体接入控制(MAC)子层，将在物理层“异构”与IP层“同构”之间起到关键的协议转化与适配作用。因此，在分布式协作网络中如何确定空口通用MAC与物理层的耦合形式，是解决协议栈对多样化物理层支持的关键。

1.3 IMT—Advanced新型蜂窝网络无线资源管理跨层优化
    在IMT-Advanced新型蜂窝网络环境里，用户对于数据的传输速率、业务类型和服务质量有了更高的要求，因此需要采用实时的动态资源分配来保证用户和网络的性能。在网络业务量分布不均、信道特性变化多样和各小区各系统间干扰日益复杂的情况下，为IMT-Advanced新型蜂窝网络提供一种高效率、高性能的无线资源管理的相关问题研究是一个具有挑战性的课题，它们也是下一代移动通信网络的核心技术。另外，由于业务的多样性与复杂性和移动用户位置的不确定性，在新型蜂窝网络中需要进行集中式、分布式或者介于两者之间的动态资源分配，并且算法需要具有一定的快速性、鲁棒性[4-5]。

    为了满足LTE-Advanced新型蜂窝网络下的多用户多业务需求，考虑把跨层设计、资源调度和资源预测进行联合优化，重点研究跨层信息传递方式、基于连接级和基于协议数据单元(PDU)级的QoS控制机制，提供能够同时保证用户和网络QoS的资源管理方案。作为无线资源管理的重要部分，接纳控制算法主要解决的是新呼叫或者切换呼叫接入系统后的稳定问题。对无线链路负载进行准确的估算和预测，保障多种业务的多项QoS指标需求，成为了接纳控制的研究重点。

1.4 跨层协作调度
    一般而言，仅在物理层进行主动干扰抑制会因为基带信号处理复杂度过高而不具实用性。建立针对不同用户，不同服务指标的多业务模型进行的主动干扰抑制，需要良好的跨层协作调度策略。因此本文拟以现有跨层优化技术为基础，实现多小区间物理层和链路层协作信息优化与共享，以增加小区间冗余协同信息，提高基站协同控制效率，全面优化基站间的资源分配。

1.4.1 多点多小区跨层协同控制技术
    传统的跨层优化设计是以提高单个通信实体内的处理效率为核心[6]。本文研究的环境是一种多用户、多小区分布式协同通信网络。该网络将相邻多小区、多用户映射为是一个广义多输入多输出(MIMO)阵列。实现这一MIMO阵列协同传输，需要反馈所有信道的状态信息。为了减少这种协同工作所导致的额外开销，需要良好的多小区基站间跨层协同信息共享与控制研究。

1.4.2 多小区跨层协同资源分配技术
    目前的动态资源分配技术能够根据信道和干扰情况的变化自适应分配无线资源[7]。本文中资源分配需要考虑多用户、多小区间的协同信道的时变性与独立的非同分布统计特性。因此，现有的单小区跨层资源分配方式不能满足协同网络动态干扰协调要求。这种情况下的资源分配是一个信道、干扰、协同信息联合变化下的分布式多基站动态跨层资源优化问题。这类问题往往是较复杂的非线性优化问题，面临着全局搜索最优解所带来的计算量庞大的问题。因此进一步研究，需要建立一个有限复杂度的合理次优的多小区跨层协同资源分配技术。

1.5 无层通信是跨层技术的进一步延伸
    无层通信是个具有挑战性的概念，它促进了对通信基础设施架构全局性的规划[8]——设计、系统、隐式和基本业务。传统的分层架构的一个本质特征就是具有严格的层次协议栈使得各层次之间有很强的独立性。与严格分层架构完全对立的概念就是无层次协议栈，所有的层次都融合为单一的平面层。在不分层网络架构通信中，协议栈间的分层独立性不再成立，相反，一个特定层次应该与其他几个层次的技术联合设计，来实现最优的性能。分层的协议栈会逐渐缩减成一个透明层的通信，使得无线网络的机会通信成为可能。在无层通信系统中，协议不再像分层网络中那样组织起来，相反，协议之间将会没有明确定义的界限。这就允许在设计和运行时，协议块间进行丰富的交互，具有极大的灵活性。

    无层网络的主要优势在于，由于不同层次共存，两层或者跨层优化处理的信令开销可以达到最小。所有参数构成一个单一的数学组合，联合处理实现最优化。由于各层间复杂的相互依存性，参数的持续更新也会降低。

    尽管低功率、少资源的新设备发展以及其多样性，使得无层通信的概念极具吸引力，但无层通信存在相当的挑战：

• 由于需要穷尽搜索所有可能的策略和参数，使其组成一个复合的、具有最优性能的架构，那么这种无层方法的复杂度将会非常巨大。
• 由于改变了现有的协议方式，需要完成新的系统级的实施实验。
• 无层通信中，由于相互操作的引入，需要新的控制平台。

    鉴于整个地区的传统基础设施规模庞大和通信技术的多样性，一步转变成完全无层的构造是很有挑战性的。一般的方法是将两个相邻的层合并成一个层，逐渐地，最终实现完全无层的架构。

2 跨层设计性能优势分析
    在前期研究过程中，作者所在课题组提出一种多用户分组统计复用(PSMA)系统，首次利用跨层技术，抛弃了传统无线通信技术中用物理信道区分用户的多址技术，建立了一种多用户统计复用无线传输信道资源的多址技术。在此基础上，进一步对数据链路层与网络层之间关联进行分析，针对无线通信衰落带来的丢包特性，提出一种利用无线链路控制(RLC)实体校验信息，代理生成传输控制协议(TCP)确认信息，极大降低了恶劣信道环境下，无线网络信道开销，明显改善了系统性能。性能比较参照表1。

3 结束语
    作为3G/IMT-A_LTE+后续的技术发展方向，基于跨层优化的无线资源管理技术是一种提高网络资源利用率的突破性技术。它能够高效的为用户发送业务数据，促进各运营商之间加强合作，同时也将为运营商通过更经济的资源分配为更多数目的用户提供更高速率和质量的服务方式来获得更高的收益。理论与实践都表明，采用跨层优化的无线资源管理技术能极大提高用户接收性能。本文所讨论的无线资源管理的关键技术，使得新应用场景的出现有了可能。用户将真正体验到前所未有高速率和高质量的无线传输业务，同时为运营商创造新的业务增长点。另一方面，跨层优化的相关研究成果可以很自然地应用到协作中继和多媒体多播等多个研究方向中，从而促进相关领域的研究进展。

    面向IMT-Advanced跨层优化技术是IMT-Advanced研发和产业化项目的重要组成部分。本文通过跨层优化技术、认知科学理论，发掘节点间资源分配与节点内部各层次间的潜在信息，对无线资源管理、规划与调度策略进行系统的描述。目前，无线通信标准化IMT-Advanced/LTE+组织已着手讨论跨层优化相关技术，对国内外通信企业与科研单位来讲，都是一个契机。中国已有众多单位积极提交相关标准提案，并争取接收成为无线通信标准，使得具有自主知识产权的方案在国际标准中占有一席之地，增强中国在IMT-Advanced领域的竞争力和创新能力。

4 参考文献
[1] SRIVASTAVA V, MOTANI M. Cross-layer design: A survey and the road ahead [J]. IEEE Communications Magazine, 2005, 43(12): 112-119.
[2] BRANDENBURGER A M, NALEBUFF B J. Co-opetition: A revolution mindset that combines competition and cooperation [M]. New York, NY, USA: Doubleday, 1998.
[3] GUAN Zhangyu, YUAN Dongfeng, ZHANG Haixia. Co-opetition strategy for collaborative multiuser multimedia resource allocation [C]//Proceedings of the IEEE International Conference on Communications(ICC’09), Jun 14-18, 2009, Dresden, Germany. Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2009:5p.
[4] WU D, NEGI R. Effective capacity: A wireless link model for support of quality of service [J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2003, 2(4): 630-643.
[5] KUMWILAISAK W, HOU Y, ZHANG Q, et al. A cross-layer quality of service mapping architecture for video delivery in wireless networks [J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2003, 21(10):1685-1698.
[6] LIU Q, WANG X, GIANNAKIS G B. A cross-layer scheduling algorithm with QoS support in wireless networks [J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2006,55(3): 839-847.
[7] LIU Q, ZHOU S, GIANNAKIS G B. Cross-layer combining of adaptive modulation and coding with truncated ARQ over wireless links [J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2004, 3(5): 1746-1755.
[8] SAARNIO J, AGUIAR R L, KUMAR V. Layereless communications: From dream to reality [J]. Wireless Personal Communications, 2007, 44(1):51-55.

收稿日期：2011-07-06

[摘要] 适用于有线网络的传统独立分层协议阻碍和限制了未来IMT-Advanced无线网络性能进一步提升，无线网络的发展需要新的优化技术与之相适应。高效跨层、跨模块的资源优化技术，通过发掘各层次、各模块之间的冗余信息，或压缩，或利用，能够明显地改善无线系统性能。跨层优化技术在结合认知科学技术、人工智能技术、凸优化等数学手段的基础上，能对各模块资源合理优化分配，最大程度地提高无线系统的资源利用效率，为网络内无线节点提供更好的业务服务质量(QoS)保障以及用户体验。

[关键词] 跨层优化；无线通信；链路协议；服务质量；认知无线网络

[Abstract] To develop IMT-Advanced wireless networks, new optimization technology is required. The traditional independent layer protocol limits performance and will hamper the improvement of future IMT wireless networks. Efficient cross-layer cross-module optimization technology significantly improves wireless system performance by compressing or using the redundant information across all levels and modules. Cross-layer optimization combines cognitive science, artificial intelligence, and convex optimization to efficiently allocate and use resources, and to optimize each module. QoS and user experience is also guaranteed.

[Keywords] cross-layer optimization; wireless communication; link protocol; quality of service; cognitive radio network