山东省信息产业厅 韩旭东
编者按:更高带宽的支持以及严格的质量保证，能够确保在无线链路上集成数据、语音、音频、视频业务。然而，不同业务的不同特性或同一业务的不同部分，需要不同级别的质量保障（QoS），如底层的、可扩展的媒体编解码器就有高的QoS需求。针对这些难题，一种新的思路被提出: 设计跨层的媒体传输结构来支持不同种类的QoS。为此，《计算机世界》报特约相关研究人员撰文，阐述这一设计思想。
对实时多媒体的传输，如音频、视频，要求低延时，但容许一些错误；非实时多媒体传输，如Web接入和下载文件，需要可靠性，但容许一定的延时。而同时有几种不同QoS需求的业务系统面临的主要困难是：在可变的信道中不容易把这些质量标准结合为单一的性能测量标准以达到理想的质量，针对这些难题，在考虑了应用层、传输层、链路层和物理层结构的基础上，为达到理想的端到端的质量，我们提出了跨层媒体传输结构的设计方案。
第一，需要提高移动信道中的数据传输效率和质量，有效对抗多径衰落的不利影响，在数据链路层满足未来高速无线多媒体业务的需求；
第二，需要针对未来高速、宽带无线多媒体数据网络的特点，开展网络层以上的研究和开发工作；
第三，需要多层结合，如联合数据链路层和网络层等，使系统整体性能得到优化。
无线的QoS机制
语音及视频在无线网络应用中，需要低时延和QoS保障，而解决无线QoS的方案中，必须要满足三个原则：
● 平滑的质量降级: 当网络状态改变时，服务的图象质量的变化是平稳的；
● 有效性: 充分使用带宽资源，当网络带宽资源下降时就降低输出图像码率，如果带宽资源增加则加大输出图像的码流；
● 公平性: 每一种应用在网络中公平享用带宽资源。
另外，在用户间的多媒体通信有可能包含不同QoS需求的语音、视频和数据。为有效地利用无线信道中传输多媒体业务，应支持多媒体流和不同的QoS。支持多媒体流，即在同一个数据源能同时支持不同QoS需求的流。
正在挑战传统
目前，人们已经习惯于OSI分层网络设计的思想，该思想也已为通信系统服务多年。然而，在无线网络领域，我们在研究各网络、各层性能优化的同时，更要关注物理层，数据链路层或网络层以及上层之间的互相协调配合对网络性能的影响。
在过去，分层的开放系统互连（OSI）设计方法应用得很好，但日益演进的无线网络正在挑战这种设计哲学。正在出现的网络必须支持各式各样不断变化的业务类型及其服务质量（QoS）要求，并支持网络拓扑结构的变化。如何将分散在网络各个子层的特性参数协调融合，以提升整体网络的性能，这些就对网络设计提出了新的挑战。
下一代无线网络设计需要从概念上定义一定范围的参数值。我们知道，在无线信道上进行多媒体传输的挑战是把网络层和应用层结合起来考虑，以实现理想的端到端可靠传输。这样设计出的跨层自适应机制可达到如下目标：
（1）根据媒体特性自适应调整链路层的QoS；
（2）精确模拟可变的衰减信道和动态的产生比特错误和突发错误的反馈；
（3）根据媒体特性和可变的信道状态自适应地进行源比特分配和在应用层进行保护；
（4）对不同类型的媒体，周期性地重新分配资源来达到理想的端到端的质量。
设计思想
在设计网络时，为了应对无线通信信道的挑战，各网络功能（即OSI的各层）必须统一考虑。各种应用的QoS需求变化，要求网络层在优化网络输出时考虑物理层设计。另外，不同的应用可以从不同的优化中得到更多好处，随即出现了模糊层间界限的设计方案，它试图跨过层间功能进行优化，如图1所示。
图1 跨层设计的思想
未来无线网络设计应考虑网络跨层间的相互作用，无线网络设计的OSI分层模型中最高和最低层次有不同方法解决固定基站无限制接入位置问题。以网络层自适应策略为例，利用物理层和MAC层信息，资源和连接点信息可在指定瞬间优化系统的性能。在新一代多媒体网络优化设计时，不仅需要静态优化跨层设计，还应考虑动态优化跨层自适应。传统的网络设计也包含一些自适应能力，如利用自适应信号处理、调整信道参数、更新路由表、改变流量负载等，但这些调整更新与网络层次是孤立的。这里的跨层自适应允许网络同时在功能和自适应之间通过信息交换，满足网络负载、信道环境和QoS可变的要求。
如上所述，当媒体在信道中传输时需要激活链路层自适应QoS。媒体信息在发送时，应用层的自适应QoS对其产生影响，如采用错误检测机制—ARQ(Automatic Request for Repetition)和FEC（Forward Error Correction）。ARQ让接收端请求重传丢失或损坏的数据包，FEC传输原始数据有一些冗余，允许接收端重建丢失或损坏的数据包。在跨层设计的传输结构中，无线网络层的资源控制与链路控制层的媒体接入控制（MAC）和物理层协商来决定合适的模式，如图2所示。
图2 跨层设计实现模块结构框图
每种业务对应一个独立的传输信道，对即将出现的业务请求，相应的配置需要根据业务的特性进行处理。物理层上合适的交织长度和数据链路层上合适的重传计数能根据延迟计算得出，而在物理层可以根据容错需求选择合适的编码模式。另外，通过在每个逻辑链路选择正确的比特率、传输功耗、传输调度使流量最大化（最大流量定义为整个激活的链路上的平均数据率的和）。
另一方面，考虑到有限的带宽和无线链路的易出错环境，采用错误控制机制是很有必要的。要保持理想的保护级别，好的错误控制机制应该考虑媒体编码特性和可变的信道环境。根据各种媒体的重要性和单个媒体发生错误后对整个媒体质量产生的影响来确定其冗余度。
再有，动态资源分配对支持应用层控制的分布式多媒体系统很有必要。通常，不同类型的媒体对整个媒体有不同的影响，在媒体处理中的功耗也不同。无线网络中资源分配的目的是决定怎样分配资源来满足业务需求的质量并且整个媒体流失真最小或功耗最低。
带来了什么？
1. 灵活和自适应接入
无线网络的跨层设计能够实现可用的调制/编码方案与可用链路质量之间的匹配，可以为衡量网络整体最佳性能提供判据。另外，跨层设计可以使每一层内针对每种可能的资源，以及在多层之间的需要快速地进行适配，以更好地满足不同信道条件中，特别是无线环境内更高数据速率的要求。通过与信道状况相适应，并且相应地选择调制和编码方案，可以大大改善OFDM等高速物理层技术的性能。
自适应可以体现在频率利用（智能频率利用）、物理层（调制和编码以及多址接入方案）、MAC和链路层（例如选择专用信道与共享信道动态分配的程度）、网络和传输层，并且还可以体现在应用层和业务层。软件无线电是一种实现这种灵活性的技术，但同时还可以考虑其他的技术。
2. 业务与应用的适配
真正的优化不仅要求跨层设计，还要求有跨层适应性。传统网络具有一定的适应能力，例如许多通信系统使用信号处理方法来适应信道环境的变化，通过调整路由表来适应业务负载的变化。然而，这样的调整是隔绝在特定层中的。跨层适应性将允许所有网络功能在不同功能之间传送信息并适应，以便满足QoS需求变化、网络负载变化和信道条件变化的要求。不难看出，跨层网络设计要求网络各层的静态优化，而适应性要求跨层动态优化。
3. 多层次联合优化
跨层设计使物理层可以与无线网络的其他层次联合优化，在无线移动环境中，TCP层分组的丢失不单是由于网络的拥塞引起的，还有可能是由于无线链路的高差错率造成的。尤其是链路特性较差时，若使用自动重发请求反而会增加网络的负担，因此需要区别对待这两种情况。基于无线通信与有线传输特性的差距，我们应当突破传统开放系统互联（OSI）体系结构各层之间的独立性，通过在物理层、数据链路层和传输层之间传递控制信息进行联合优化，以提高整体性能，希望可以在宏小区范围内提供2Mbps～5Mbps的传输速率，在微小区以及室内环境中提供10Mbps以上的传输速率。
遗留问题
无线网络跨层优化的设计思想仅仅提出并研究了一段时间，可以说还处在完善阶段，目前仍有一些问题待解决：（1）全网络设计和优化极其复杂，特别是试图进行实时动态优化时；（2）优化时使用的尺度问题: 网络各层（功能）传统上有各自隔离的优化准则，例如物理层的设计基本上集中在减小误比特率，MAC层的设计在于节点的数据通过速率或信道的有效性，网络层的设计要求时延或路由效率。用什么尺度能代表所有这些要求？如何把这些要求一起优化，或者给它们排出优先级？
跨层优化设计中实时动态优化网络是难以实现的，但可以进行一些限制性设计。跨层优化设计中应采用测度，在传统网络层次设计中有优先权准则，如: 物理层准则是比特差错率，MAC准则是节点吞吐量或信道现存性，网络准则是时延和路由效率。这就提出了以下问题: 什么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？
在跨层动态优化中，需要复杂建模或仿真过程，物理层仿真器采用时间驱动法，而网络仿真器采用事件驱动法。解决上述问题的方法是双层仿真法，即用物理层仿真器的输出去激发网络仿真器。但是，这种方法不允许层次间有相互作用，不利于跨层优化设计。可以采取下述混合措施：
● 混合高层次的功能性能仿真和低层次的功能性能半分析仿真；
● 可变量化度措施，即粗量化度网络仿真器用于大部分物理层链路，细量化度仿真器用于特定物理层链路；
● 从物理层到应用层的仿真和实时处理。
动态优化的相关问题是，在动态优化时，信息在网络层间传递，设计者必须选择要传递的信息，它不能太复杂，以致产生很大时延或大量优化过程的计算，但也不能太简单，以致传递的信息太少。因此这类系统的设计需要复杂的建模（仿真）过程。动态网络优化的最后一个问题是网络控制，当允许适应跨层功能时，重要的是需要控制这个过程，问题是由谁来控制。
未来无线通信系统是一个动态的和自适应的系统，可以提高频率分配和管理，适于结合动态及快速的自适应多层路由技术、智能无线电及自适应组网技术优化系统性能，而跨层设计思想成为有力的助手。
相关链接：无线介质传输的特点
无线通信不同于有线通信，无线信号传输介质是不可靠的，带宽低并且有广播特性。其中，无线宽带通信的最大障碍就是要克服多径衰落和多普勒扩展。QoS一般指的是带宽保证，而无线网络不能提供这类保证，无线信道独有的特性使图像质量下降：
● 带宽波动：因为多径衰落、同频干扰、噪声等影响会引起网络的输入／输出能力下降；基站与手机的距离改变时信道的容量会变化；当终端进入不同的网络（如从无线局域网进入无线广域网时，速率可能从几Mbps变到几千bps）；小区切换时，另外一个小区也许不能提供频带资源。
● 高误码率：和有线通信相比，因为受多径和未覆盖区域的影响，信道的误码率较高，对图像的质量影响很大，因此需要一种鲁棒性的传输方法。
● 接收的异种性：在组播时，各个接收端要求的时延、视频流的质量、处理能力、带宽限制等都不一样，这就给组播设计带来困难。
摘自《计算机世界报》 第38、39期D5、D6
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