无线信道的时变衰落特性以及应用层业务对QoS的大范围动态要求已成为未来移动通信面临的巨大挑战。传统的无线网络分层设计由于采用固定的网络协议结构和参数设置，将会导致低的系统性能和资源利用率。近来跨层优化设计作为一种有力补充已成为广泛的研究热点。多媒体业务将成为未来移动通信的主要业务之一，由于应用层的业务特性与用户最接近，最能直观反映用户的主观感受，本文从应用层出发，充分分析和利用多媒体业务的固有特性，联合传输层，媒体接入层以及物理层，研究完整的跨层优化设计。 本文首先分析了跨层优化的必要性，在挖掘多媒体视频业务的应用层特性的基础上，建立了一个基于等价类的跨层优化参数模型。该参数模型从理论上给出了一套基于各层特征参数抽取的跨层优化方法，实验结果也表明该模型非常合理。 基于上述参数模型和业务特性，文中以H.264标准编码的视频业务为例，同时在应用层，媒体接入层和物理层进行跨层特征参数抽取，分析连接这三层的跨层信道模型，结合优化准则的选取，通过自适应优化设计应用层业务速率以及底层的资源分配和调度，达到了很好的跨层优化性能。此外，本文还提出了两个新的能同时保证用户间公平性和系统吞吐量的跨层优化准则，仿真结果表明基于这两个优化准则的跨层优化性能相比现有设计有巨大的改善。 本文进一步讨论了基于应用层业务特性的跨层优化如何应用到设计系统中，包括与OFDM系统中的资源分配和调度的有效结合，对多媒体业务的跨层分等级差错保护以及基于优先级的自动重传等机制。文中最后分析和总结了需要进一步解决的跨层优化带来的实现代价问题，以推动跨层优化能更有效地应用于实际系统中。