[科普中國(guó)]-跨層優(yōu)化

傳統(tǒng)的通信協(xié)議是分層設(shè)計(jì)的，使網(wǎng)絡(luò)協(xié)議得到簡(jiǎn)單、規(guī)范化的設(shè)計(jì)。然而，隨著無(wú)線通信系統(tǒng)智能性的提高，尤其是認(rèn)知無(wú)線電概念的提出，許多功能的實(shí)現(xiàn)需要多層聯(lián)動(dòng)。在無(wú)線環(huán)境中，鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和物理層之間可以通過(guò)跨層協(xié)作來(lái)進(jìn)行無(wú)線資源的整體管理，改善網(wǎng)絡(luò)性能。近年來(lái)，跨層協(xié)作設(shè)計(jì)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于蜂窩通信、WLAN、ad hoe網(wǎng)絡(luò)及認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)。

基本原理基于博弈論優(yōu)化的跨層建?？梢杂靡粋€(gè)三元組G={P，A，{ }}來(lái)定義。其中P為博弈的參與者，分別代表協(xié)議的不同層(物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層)；A是博弈的策略集合，如物理層調(diào)整不同功率發(fā)射參數(shù)、數(shù)據(jù)鏈路層調(diào)整鏈路狀況等； 為參與者i的效用函數(shù)，如傳輸層通過(guò)調(diào)整擁塞窗口大小，可以獲得更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。該博弈模型最終可以表示為

式中： 為物理層； 為數(shù)據(jù)鏈路層； 為網(wǎng)絡(luò)層； 為傳輸層； 為應(yīng)用層。
在具體的博弈跨層優(yōu)化中，如果相應(yīng)的層沒(méi)有參與跨層優(yōu)化，由對(duì)應(yīng)的參與者集合 表示為空。
效用函數(shù)方程表示為

根據(jù)逼近程度或易于處理的系統(tǒng)，通過(guò)求線性函數(shù)、一階導(dǎo)數(shù) 或 ，分析計(jì)算效用函數(shù) 。其中， 為優(yōu)化協(xié)議棧j層的第i個(gè)參數(shù)， 為優(yōu)化協(xié)議棧l層的第m個(gè)參數(shù)。
在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)通過(guò)跨層優(yōu)化以最小的開(kāi)銷(如消耗功率最小)提供更優(yōu)的服務(wù)性能(吞吐量最大化，時(shí)延較小，數(shù)據(jù)傳輸速率較快，丟包率較小以及減小網(wǎng)絡(luò)擁塞)。當(dāng)然，將所有層統(tǒng)一考慮進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從博弈分析的角度，模型過(guò)于復(fù)雜，研究局限于將某兩層進(jìn)行統(tǒng)一優(yōu)化考慮，從而進(jìn)行博弈建模1。

具體實(shí)現(xiàn)和純分層架構(gòu)相比，跨層優(yōu)化提高了網(wǎng)絡(luò)性能和適應(yīng)性，但有可能也引入了額外的實(shí)現(xiàn)成本。主要包括3種類型的成本：

1)計(jì)算成本。CLO需較高的計(jì)算能力來(lái)確定一系列參數(shù)的值；評(píng)估一個(gè)復(fù)雜的目標(biāo)函數(shù)時(shí)也需要較高的計(jì)算能力，并可能引入相對(duì)較大的處理延時(shí)。參數(shù)抽象有助于降低復(fù)雜性，但卻有可能降低生成配置的最優(yōu)性。另一個(gè)降低計(jì)算成本的方法是使優(yōu)化器成為一組同時(shí)運(yùn)行但可能在不同資源上執(zhí)行的組件。

2)通信成本。CLO使用在分布式網(wǎng)絡(luò)位置上可用的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。收集這些參數(shù)會(huì)導(dǎo)致較大的帶寬額外開(kāi)銷。

3)重配置和管理成本。分層架構(gòu)由一組協(xié)議層構(gòu)成，每層單獨(dú)定義，并且通過(guò)良好定義的接口可以和其他層區(qū)分開(kāi)?？鐚蛹軜?gòu)模塊化相對(duì)較差，因此當(dāng)有變化時(shí)更難管理和重配置。這種類型的成本不太容易量化，然而，它可以通過(guò)定義傳統(tǒng)層和跨層優(yōu)化器之間的接口的方式來(lái)加以限制。

選擇跨層架構(gòu)的一種有效實(shí)現(xiàn)需要對(duì)性能增益和上述的成本因素做一個(gè)仔細(xì)的評(píng)估。

CLA的實(shí)現(xiàn)可以是集中式的，也可以是分布式的。

1)集中式。CLO作為一個(gè)集中的單元，從網(wǎng)絡(luò)層收集所有相關(guān)的參數(shù)，執(zhí)行優(yōu)化，然后將選擇的參數(shù)值分配給相應(yīng)的各層(見(jiàn)圖一)。由于一些原因，集中式方式實(shí)現(xiàn)起來(lái)通常成本較高，并且效率低。首先，從分散的各地收集網(wǎng)絡(luò)參數(shù)耗時(shí)，而且延緩優(yōu)化過(guò)程。其次，層參數(shù)以不同的速率變化(物理層的變化量級(jí)是毫秒，而應(yīng)用層變化的量級(jí)是秒)，因此在最差情況優(yōu)化所有的參數(shù)效率可能會(huì)相當(dāng)?shù)?。第三，同時(shí)給大量參數(shù)計(jì)算目標(biāo)函數(shù)也許成本太高。

2)分布式。CLO由一組分布在網(wǎng)絡(luò)各層(垂直分布)或節(jié)點(diǎn)(水平分布)中的組件構(gòu)成。每個(gè)組件執(zhí)行一個(gè)針對(duì)全局優(yōu)化問(wèn)題參數(shù)子集的本地優(yōu)化，并和其他組件相互合作，以實(shí)現(xiàn)全局網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的目標(biāo)。如圖二中所示的采用分布式實(shí)現(xiàn)的優(yōu)化器，其組件屬于多個(gè)層和節(jié)點(diǎn)。垂直上分布的實(shí)現(xiàn)有一個(gè)分層結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中CLO放置在不同層上的組件以不同的速率操作，并且使用較低層能力和上層需求的抽象表示來(lái)優(yōu)化本地參數(shù)。結(jié)果，一個(gè)垂直上分布的CLO實(shí)現(xiàn)和一個(gè)分層架構(gòu)很相像。

分布式實(shí)現(xiàn)通常更為實(shí)際和有效，特別是當(dāng)優(yōu)化需要大量參數(shù)時(shí)。每個(gè)分布在各層或節(jié)點(diǎn)上的CLO組件優(yōu)化一組網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。設(shè)計(jì)一個(gè)分布式CLO的最大挑戰(zhàn)在于如何確保所有本地優(yōu)化器通過(guò)一個(gè)良好定義的接口交換一組參數(shù)，并且有效地合作來(lái)達(dá)到全局優(yōu)化目標(biāo)。CLO分布于各層的架構(gòu)中，每包括一個(gè)本地優(yōu)化器，該優(yōu)化器通過(guò)考慮上層的需求和下層能力來(lái)選擇層參數(shù)的值。因此，需求必須從應(yīng)用層由上至下傳遞，而以一組可行參數(shù)值形式(如差錯(cuò)率、延遲和吞吐量等)表示的能力則必須從下層向上傳遞。圖三中給出了多用戶視頻流媒體場(chǎng)景下，為了做信道調(diào)度，跨層優(yōu)化的組件 垂直地分布在兩層中。上層的優(yōu)化在每個(gè)圖像組(GOP)的開(kāi)始重復(fù)地執(zhí)行。

上層的優(yōu)化器選擇分配給每個(gè)用戶的時(shí)隙，并且基于下層在下一個(gè)GOP周期(長(zhǎng)期地信道預(yù)測(cè))時(shí)關(guān)于可利用信道速率的信息的基礎(chǔ)上選擇視頻源速率。選擇的時(shí)隙數(shù)然后作為需求傳遞給下層的優(yōu)化器用來(lái)分配特定的時(shí)隙和載波，并且選擇調(diào)制方案。底層的優(yōu)化基于短期的信道預(yù)測(cè)，因此執(zhí)行速率較高。2

跨層優(yōu)化的研究進(jìn)展認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)采用跨層技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的最優(yōu)化，使得不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層的參數(shù)能夠被同時(shí)使用。跨層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的研究主要分為兩類：合并層的優(yōu)化設(shè)計(jì)和跨層的適應(yīng)性設(shè)計(jì)。合并層的優(yōu)化是將多層融合并且要求一些網(wǎng)絡(luò)信息同步以實(shí)現(xiàn)全局的優(yōu)化算法。在跨層的適應(yīng)性協(xié)議中，分級(jí)通信信息分屬于兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層，以優(yōu)化本地操作為目的進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。無(wú)論采用哪種跨層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，解決方案都集中在單一的參數(shù)優(yōu)化上，并且很多跨層
協(xié)議只集中在選擇的網(wǎng)絡(luò)層次上進(jìn)行優(yōu)化，這樣將降低整個(gè)系統(tǒng)或端到端連接的性能。因此，跨層設(shè)計(jì)更適合作為認(rèn)知層技術(shù)，其沒(méi)有體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的智能性，也沒(méi)有體現(xiàn)出端到端的必要性。

由于環(huán)境變化的高度動(dòng)態(tài)性，為了保證網(wǎng)絡(luò)的可靠連接和應(yīng)用的順利完成，保證認(rèn)知實(shí)體的有效調(diào)整和正確重構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)各層信息的高效交互是非常重要的，通過(guò)引人跨層設(shè)計(jì)方法來(lái)提高系統(tǒng)效率是必要的。但是，由于跨層設(shè)計(jì)破壞了系統(tǒng)原有良好的層次結(jié)構(gòu)，必然會(huì)使得系統(tǒng)的通用性和移植性較差，從而產(chǎn)生不利于更新和維護(hù)等問(wèn)題。此外，許多跨層設(shè)計(jì)方法過(guò)多關(guān)注某些特定層的優(yōu)化問(wèn)題，而并沒(méi)有著眼于系統(tǒng)層面或連接性能方面。從這個(gè)意義上講，跨層設(shè)計(jì)更適合于單一層次，而不是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)3。

跨層設(shè)計(jì)的四個(gè)方面的挑戰(zhàn)：即模塊化、信息解釋、精確性和確定性、復(fù)雜性和可測(cè)量性。而無(wú)線網(wǎng)絡(luò)跨層優(yōu)化的設(shè)計(jì)思想也還處在完善階段，仍有以下問(wèn)題尚待解決：

（1）網(wǎng)絡(luò)的整體設(shè)計(jì)和優(yōu)化極其復(fù)雜，尤其是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。

（2）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層使用的優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)較難統(tǒng)一，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層有各自獨(dú)立的優(yōu)化準(zhǔn)則，例如物理層的設(shè)計(jì)基本上集中在減少誤碼率，MAC層的設(shè)計(jì)依據(jù)通過(guò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸率或信道的可用性，網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計(jì)要求低時(shí)延和較高的路由效率。

（3）采用何種測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)決定未來(lái)系統(tǒng)的主要性能，以及測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化和優(yōu)先級(jí)排序?？鐚觾?yōu)化設(shè)計(jì)中實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)是難以實(shí)現(xiàn)的，但可以進(jìn)行一些限制性設(shè)計(jì)?？鐚觾?yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)采用性能評(píng)價(jià)的準(zhǔn)則，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層次設(shè)計(jì)中有優(yōu)先權(quán)準(zhǔn)則。例如：物理層準(zhǔn)則是誤碼率，MAC準(zhǔn)則是節(jié)點(diǎn)吞吐量或信道可用性，網(wǎng)絡(luò)層準(zhǔn)則是時(shí)延和路由效率。

（4）在跨層動(dòng)態(tài)優(yōu)化中，需要進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)建模和仿真。例如，物理層仿真器采用時(shí)間驅(qū)動(dòng)法，而網(wǎng)絡(luò)層仿真器采用事件驅(qū)動(dòng)法。解決上述問(wèn)題的方法是雙層仿真法，即用物理層仿真器的輸出去激發(fā)網(wǎng)絡(luò)層仿真器。但是，這種方法不允許層次間有相互作用，不能應(yīng)用于跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)，為此可以采取下述方法¨“：混合高層次的功能性能仿真和低層次的功能性能分析仿真；可變的量化度，即大部分物理層鏈路采用粗量化度網(wǎng)絡(luò)仿真器，特定物理層鏈路采用細(xì)量化度仿真器；從物理層到應(yīng)用層的仿真和實(shí)時(shí)處理。

（5）在動(dòng)態(tài)優(yōu)化時(shí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層之間傳遞的信息要簡(jiǎn)明有效，信息過(guò)于復(fù)雜，將產(chǎn)生較大時(shí)延或大量?jī)?yōu)化過(guò)程計(jì)算，信息過(guò)于簡(jiǎn)單，又不能表明通信需求。

（6）動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)控制權(quán)歸屬，當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)跨層功能時(shí)，誰(shuí)來(lái)控制這個(gè)過(guò)程4。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

宋春霖 - 副教授 - 江南大學(xué)