宋荣焕

【摘要】 随着科学技术的不断进步，第四代无线通信系统（4G）的应用也愈加广泛。4G无线系统通过通信协议实现了与互联网的信息交互。当前，现有的通信协议分层方式格外严格，难以适应快速变化的无线通信环境，因此，需要对现有的协议进行跨层反馈改进。笔者就结合跨层反馈机制的原理，对4G无线系统协议栈的跨层设计进行了探讨。

【关键词】 4G无线系统 协议栈 跨层设计

随着第四代无线通信系统（4G）应用的愈加广泛，无线通信在语音业务的基础上，数据业务的比例显著提高，这在无形中对网络质量提出了更高的要求。而现有的通信协议是以OSI作为标准的，已无法满足通信环境的需要，在4G无线通信系统中，通信协议无法有效工作，这就需要通过跨层反馈的方法对现有的协议栈进行改造，从而提高4G无线通信系统的使用性能，满足多种业务的需要。

一、协议栈的跨层设计机制

第四代无线通信系统（4G）是IP全覆盖的网络，在系统中协议栈得到了广泛的应用，实现了无线设备与互联网的相互关联。当前通信系统采用的协议栈是以开放系统作为OSI的标准，采用的结构是分层结构，将协议栈各部分的运行过程抽象化，使其能够更好地满足软件工程的信息安全准则。

无线通信系统所处的环境时刻发生着变化，这样在分层结构的协议栈就只能在相邻的层之间通过同定的方式进行通信，这在很大程度上限制了协议栈的工作，使其无法适应无线移动环境的变化。因此，在进行协议栈的跨层设计时就设计人员就会对其所处的环境进行考虑，在通信条件最为恶劣的情况下进行设计分析，这在一定程度上限制了协议栈的自身功能，使得协议栈无法有效的利用有限的频谱资源及功率资源，造成了资源的浪费。

跨层反馈机制能够有效改进协议栈的不足，协}义栈各层间的信息传递能够很好地协调协议栈各层间的工作过程，协议栈的跨层设计能够对无线通信网络系统进行优化配置，使其与无线通信环境相适应，这样无线通信系统应用的范围也就更加的广泛。

二、应用层上的跨层反馈机制

应用层是4C无线通信系统的重要组成部分，是用户运行应用业务的接口。当前的应用都是在有线网络的基础上发展而来的，在无线网络的实际运行中很多应用并不能高效工作，只有以底层信息作为基础的应用才能够有效提高其在无线通信网络上的性能。

应用层在4C无线通信系统中主要功能是向其它层传递其QoS的需求，实现信息的交互。应用层与其它层的信息交互方式主要包括以下几种：

应用层将QoS的需求传递给传输层，使其能够根据不同业务调整发送窗口及接受窗口值，提高应用层的性能。网络层能够根据不同业务的QoS需求采用不同物理网络接口传输数据，链路层则可以根据应用层传递的QoS需求为不同的业务提供不同的发送优先级。应用层与物理层则是以信源编码的方式生成业务。

三、链路层上的跨层反馈机制

链路层是通过前向纠错机制以及自动请求重发机制进行数据的可靠传输，在链路层的辅助下，移动主机接入信道的过程能够得到有效控制并最大限度地避免冲突，并对数据帧进行封装，使数据在链路层中的传输能够尽可能地降低开销。链路层上信息主要包括：重传数据帧的数量和长度、切换发起及完成的时间等等，这些信息可以被其它层充分利用。

3.1 链路层与上层的信息交互

链路层与上层的信息交互主要包括与传输层、网络层的信息处理。当信道条件较差时，链路层的重发机制可以被引入到更长的传输时延，这极有可能造成TCP连接超时，这样一来，4G无线通信网络就需要启动重传机制，发送速率会相应的降低。为了避免发送速率降低的情况出现，链路层的重发机制需要通过TCP的往返时间及重传定时器的取值进行有效控制。

在移动主机需要改变子网位置时，移动lP需要进行相应的切换。移动IP在检测到网络发生变化时发生切换，但实际上，移动lP的切换过程并没有充分利用移动设备的对信号强度的持续检测，而链路层信息则利用了信道信号强度，这在一定程度上降低了lP切换带来的时延。

3.2 链路层与下层的信息交互

链路层与下层的信息交互则是以信道条件与物理层的功耗情况作为依据，调整链路层的差错控制机制，这样可以有效减少传输错误，同时也可以调整数据帧的长度提高吐量。这里需要强调的是，物理层的信号处理需要建立在链路层对媒体接入的控制中。

四、网络层上的跨层反馈机制

网络层在4G无线通信网络中主要是用来完成路由及寻址，确定传输数据分组的物理网络接口。4G无线通信网络协议多为IP协议，通过对IP协议的切换处理，移动主机能够更加直接地与外地网络连接。

4.1 网络层与上层的信息交互

在4G无线网络通信系统中，无线设备可以为不同的业务提供物理接口，比如对于时延要求及高吞吐量的业务，无线设备的无线局域网接口可以提供严格的控制，GPRS接口则可以为其提供有严格时延要求的业务。在应用层提出不同请求时，网络层可以根据应用层不同的QoS需求，将数据分布到不同的物理网络接口上。

4.2 网络层与下层的信息交互

网络层与下层的信息交互则是集中在于链路层的信息切换上，利用链路层的切换信息，移动lP协议可以尽可能地减少切换时延。物理接口的误比特率可以为网络层提供引导，使其在不同的物理接口上进行数据的切换与转发。

五、物理层上的跨层反馈机制

4G无线通信系统中，物理层能够利用一定的发射力‘式将数据传输出去，使其能够在一定的错误概率范围内被接收。

在4G无线通信系统中，链路层主要负责数据的接收，物理层则是提供信息，使链路层的控制机制可以对信息进行调整，确保无线系统在吞吐量上得到较高的增益。链路层的功率调整指令及传输控制命令能够对物理层的性能进行有效改善，从而改进物理层与其它层的信息交互…。

物理层在与应用层进行信息交互时，应用层可以促使物理层进行特性调整，比如数字视频业务便可以通过物理层获取信息，以调整编码速率。物理层的信道状态信息可以在网络层的辅助下改变传输路径，使其可以在不同信道上传输不同优先级的数据。

物理层的误比特率则可以通过链路层的发送功率增加来适当地降低，同时，链路层也可以采用更强的差错控制机制，降低误比特率。这里需要强调的是，在增加发送功率或者采用更强的差错控制机制时，系统的功耗都会相应的增加，这时就需要采用联合控制的方式对系统进行改善。

物理层与其他层进行信息交互的同时，也可以根据电池的供电状况调整发送方式，这样发送的数据便可以在当前信道条件的基础上，保持上层的QoS需要，并及时调整信道的发送方式。

六、结语

协议栈的跨层设计核心便是自适应，而白适应指的是协议栈在考察网络条件后做出的反应机制，其中包括了协议栈的上层对下层变化的自适应，也包括下层对上层变化的自适应。在进行无线系统协议栈的设计研究时，没计人员还需要对上层及下层进行变化预测，实现信息的交互，特别是在4G无线系统中，更需要充分考虑协议栈的跨层设计的各个因素，确保无线系统能够充分适应无线环境的变化，进而充分利用有限的资源。