跨層設(shè)計(jì)BYSCNUCRN_XXH2022/12/11Content跨層設(shè)計(jì)的本質(zhì)跨層設(shè)計(jì)架構(gòu)跨層實(shí)施方案CRN跨層設(shè)計(jì)CN跨層設(shè)計(jì)方案黑板架構(gòu)thechallengeofCross-LayerdesginofCN參考文獻(xiàn)2022/12/12跨層設(shè)計(jì)的本質(zhì)——通過(guò)對(duì)協(xié)議棧進(jìn)行垂直的整合，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)資源的有效管理，即通過(guò)在協(xié)議棧的各層之間傳遞特定的信息來(lái)協(xié)調(diào)各層之間的的工作，使之與無(wú)線(xiàn)通信環(huán)境相適應(yīng)，從而滿(mǎn)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(dú)設(shè)計(jì)的，而是把所有層作為一個(gè)整體設(shè)計(jì)。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(jìn)行全局自適應(yīng)的變化，而且各層協(xié)議都能夠在系統(tǒng)整體約束和整體性能要求下進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)2022/12/13跨層實(shí)施方案層間直接通信跨層共享數(shù)據(jù)庫(kù)全新架構(gòu)層間共享信息最直接、最快捷的方法就是允許他們彼此互相通信。圖中是通過(guò)創(chuàng)建新的接口來(lái)達(dá)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(jìn)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(gè)能被所有層鏈接的通用數(shù)據(jù)庫(kù)，如右圖，這個(gè)通用數(shù)據(jù)庫(kù)可以被看成是一個(gè)新層，為所有層提供存儲(chǔ)/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(jì)，優(yōu)化程序可以通過(guò)共享數(shù)據(jù)庫(kù)的同時(shí)與不同層連接?！禙romProtocolStacktoProtocolHeap–Role-BasedArchitecture》的作者Branden等人提出的RBA(RoleBasedArchitecture)是一個(gè)全新架構(gòu)。角色模塊以功能實(shí)現(xiàn)的傳遞連接完成了層間信息的交互過(guò)程，取代了用設(shè)計(jì)接口實(shí)現(xiàn)分層間的交互方式。2022/12/15CRN跨層設(shè)計(jì)MAC/物理層跨層設(shè)計(jì)路由/物理層跨層設(shè)計(jì)傳輸/物理層跨層設(shè)計(jì)其他跨層設(shè)計(jì)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(hù)狀態(tài)。它使用了信道分配技術(shù)，機(jī)會(huì)性使用信道，動(dòng)態(tài)適應(yīng)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)信道的高度時(shí)變性特征。物理層高級(jí)技術(shù)，包括編碼、MIMO和OFDM技術(shù)、超寬帶等，為改善時(shí)延、吞吐量和丟包率提供了很大的潛力。MAC物理層的跨層設(shè)計(jì)方法，可以更進(jìn)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(jì)。這種方式，通過(guò)物理層頻譜傳感器和MAC層認(rèn)知協(xié)議的聯(lián)合設(shè)計(jì)將頻譜感知和頻譜接入相結(jié)合。同時(shí)，在物理層和MAC層降低誤檢概率，并，最大化頻譜效率的同時(shí)防止對(duì)授權(quán)用戶(hù)產(chǎn)生干擾。>>基于跨層的多信道機(jī)會(huì)MAC控制協(xié)議，將無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的最大吞吐量和最小化能量消耗之間的關(guān)系。提出了一種跨層聯(lián)合鏈路調(diào)度和功率控制的方式。采用調(diào)度策略l時(shí)鏈路i的系統(tǒng)速率采用調(diào)度策略l時(shí)鏈路i的發(fā)送功率采用效用函數(shù)算法選取調(diào)度策略和功率分配使效用函數(shù)值達(dá)到最大。有效利用功率的同時(shí)提高系統(tǒng)吞吐量。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電支持無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)物理層的基本參數(shù)，如發(fā)送功率和星座圖大小的動(dòng)態(tài)控制，這種動(dòng)態(tài)控制欲傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)電固定的資源分配方式相比，極大地提高了系統(tǒng)性能。頻譜共享、流程演算與認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)干擾的聯(lián)合設(shè)計(jì)的最優(yōu)跨層架構(gòu)。在給定的多個(gè)源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的多種傳輸要求下，推算出一種混合整數(shù)線(xiàn)性規(guī)劃形式的最優(yōu)化問(wèn)題，求解出一條公平的路由選擇。>>多跳網(wǎng)絡(luò)中，鏈路的容量是會(huì)隨著干擾、信道條件、衰落等因素而改變的。>>無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中，丟包可能會(huì)因?yàn)閾砣?、信道差錯(cuò)或者節(jié)點(diǎn)移動(dòng)等因素而產(chǎn)生。>>因而，要優(yōu)化端到端的傳輸機(jī)制，必須考慮鏈路容量的變化。這種跨層設(shè)計(jì)的方式大致有兩類(lèi)：#TCP的擁塞控制算法可以通過(guò)參考物理層收集的信息進(jìn)行優(yōu)化。（ex:根據(jù)物理層收集的信息來(lái)判斷丟包的原因——擁塞問(wèn)題或者鏈路質(zhì)量差，同時(shí)TCP采取的被動(dòng)分析。）#TCP和物理層控制方案進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。這其中涉及了更為復(fù)雜的算法、協(xié)議和實(shí)現(xiàn)過(guò)程。就不仔細(xì)探討了?？鐚觾?yōu)化還可以在從應(yīng)用層到物理層的其他不同協(xié)議層之間執(zhí)行。ex:超級(jí)層——將不同的協(xié)議層合并成一層。雖然可以消除跨層信息傳輸信息所帶來(lái)的開(kāi)銷(xiāo)，但與網(wǎng)絡(luò)匹配的準(zhǔn)確度會(huì)下降。2022/12/16CN跨層設(shè)計(jì)方案認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的跨層設(shè)計(jì)需要再設(shè)計(jì)單節(jié)點(diǎn)協(xié)議棧的跨層方案的同時(shí)考慮各節(jié)點(diǎn)之間如何跨層傳輸信息。基于多方面的考慮，通常會(huì)選擇能夠適應(yīng)現(xiàn)有分層模型特性的架構(gòu)?？鐚咏涌诘牟僮骱凸芾恚鶕?jù)網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題或數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題來(lái)調(diào)整一層或者多層參數(shù)。可以通過(guò)引入一下組件來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)級(jí)的跨層。>參數(shù)提取>跨層優(yōu)化>決策和回應(yīng)>跨層管理器>網(wǎng)絡(luò)跨層接口分析接口模塊儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)類(lèi)型，查找改變某一層的數(shù)據(jù)值對(duì)其它層產(chǎn)生的影響，根據(jù)需要調(diào)整參數(shù)值。在網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計(jì)中，從多個(gè)節(jié)點(diǎn)提取的數(shù)據(jù)可以幫助從整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的角度考慮如何采取進(jìn)一步的操作，以更好地解決問(wèn)題。并且，通過(guò)將回應(yīng)信息直接導(dǎo)向其所對(duì)應(yīng)的某個(gè)層，節(jié)省時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)。2022/12/17黑板架構(gòu)無(wú)線(xiàn)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)接口，負(fù)責(zé)鏈接認(rèn)知節(jié)點(diǎn)和黑板?？刂破髫?fù)責(zé)接收信息，對(duì)消息進(jìn)調(diào)度，并指導(dǎo)選擇合適的操作。知識(shí)庫(kù)包括一系列的生產(chǎn)規(guī)章和執(zhí)行這些規(guī)則的推理機(jī)?？刂破骱椭R(shí)庫(kù)和查詢(xún)處理器進(jìn)行交互，以查詢(xún)?nèi)罩镜姆绞教幚硐ⅰ?022/12/19ChallengesofCognitiveCross-layering(1)[1]ThemainchallengesthatthedesignoftheultimateCognitiveCross-layer

Architectureshallmeetaremodularity,interpretability,imprecision,

scalabilityandcomplexity.Cross-Layer——breakingthetraditionalencapsulationofcommunicationofprotocalstacktoenableamoreeffectiveoptimizationoftheoverallcommunicationquality.Unfortunately,thecurrentstateoftheartinwirelesscommunication

systemsresearchisstillquitefarfromaneffective

formulationoftheultimateCognitiveCross-layerArchitecture.

Inthelastdecade,cross-layeroptimizationstrategieshave

beenwidelystudiedandadopted,butinmostcasesthe

aimwastoachieveperformanceenhancementsinspecific

scenarios.Forinstance,avastnumberofthosecross-layer

solutionshadtheaimofimprovingtheperformanceofa

particularmultimediaapplicationortransportprotocolovera

givenradiolinksuchas802.11orUMTS.Inmostcasesthese

solutionscannotbereusedfordifferentwirelesstechnologies

orapplicationswithoutasignificantre-designeffort.2022/12/110ChallengesofCognitiveCross-layering(2)Modularity:traditionally,protocolencapsulationhasalways

beeneffectiveinprovidingmodularity,i.e.,inallowing

independentimplementationofalllayers(e.g.,wireless

interfaces,drivers,protocolstacks,applications).Inthedefinition

ofacross-layerframework,careshouldbetakenin

preservingthemodularityofthearchitecture,inorderto

allowcomponentswithcross-layercapabilitiestobedesigned

independentlyofeachother,andtobeusedinterchangeably.Abstractingfromtheunderlyingtechnologyisakeyprerequisite

tothisconceptofmodularity.Asanexample,suppose

wearedesigningacognitivetransportprotocolimplementation

whichcanexploitlinkstateinformationfromthelinklayer

toprovideenhancedperformance.Ifwecangetthenecessary

informationfromthelinklayerinanabstractway,saychannel

errorandcongestionstatus,wecansucceedindesigning

amodulartransportlayerwhichwillworkwithdifferenttechnologies.If,ontheotherhand,weareforcedtorely

ontechnology-specificinformation,e.g.,thevalueof802.11

NetworkAllocationVectorasameasureoflinkcongestion,

ourdesignwillbeunusablewhenweswitchtoadifferentlink

layertechnologysuchasUMTSorWiMax.2022/12/111ChallengesofCognitiveCross-layering(4)Imprecisionanduncertainty:

Mostinformationtobeexported

bythedifferentlayersisobtainedfrommeasurements,

whichareaffectedbyerrorsinprecisionandaccuracy.These

issuescanoftenbeproperlydealtwithbyjointlydesigningall

layersofaspecificallytargetedcross-layeroptimizationsystem.

Unfortunatelythisisnotfeasibleinamodularcross-layer

systemwhereallcomponentsaredesignedindependently.Data

canbeeasilymisinterpretedifprecisionandaccuracyarenot

known.

TheexampleofSNRisonceagainenlightening.Suppose

thatupperlayers(transport,application)possessthe

technology-specificknowledge(BERcurves,etc.)neededfor

acorrectinterpretationofSNRmeasurements,andusethis

informationforcross-layeroptimization.Inmostconsumer

devicesSNRmeasurementsareveryinaccurate,andinmany

systems,suchas802.11,BERperformancehasaverysharp

transition(withinafewdBs)fromexcellenttobadperformance.

Asaconsequence,ifaSNRmeasurementisconsidered

asanexactvalue,abadchannelmightbemisinterpretedas

goodandviceversa.2022/12/113ChallengesofCognitiveCross-layering(5)Complexityandscalability:

TheultimateCognitiveRadio

isrequiredtobeabletospanoverallavailableresources

(e.g.,availablewirelessinterfacesandprotocols,withall

possibleparameterconfigurations)inordertofindthebest

solutiontomeettheu