基于無線自組網的跨層設計研究

謝 科 黃成兵

（阿壩師范高等專科學校 計算機科學系，四川 汶川623002）

0 引言

網絡設計的一個重要原則是按功能進行層次劃分， 使之相互獨立，盡量減少交互。雖然這種設計方法在有線網絡中是成功的，但應用在無線自組網絡中時效率和性能卻都很低下，而且非常不靈活[1]。原因在于無線自組網環(huán)境中，節(jié)點接入沖突、信號干擾、節(jié)點能量有限導致信號衰減等問題是有線網絡中所沒有的，傳統(tǒng)的分層體系框架限制了無線自組網中通過各層間合作而能取得網絡優(yōu)化的能力。而當前針對無線自組網特點所展開的大量研究都是建立在特定層次基礎之上所做的孤立研究， 忽略了網絡設計的整體需要和各網絡層之間的關聯(lián)性。 即使在一定程度上優(yōu)化了各個網絡層次，但卻不一定能夠給整個網絡系統(tǒng)的性能帶來很好的提升。因此我們要在無線網絡中使用跨層設計的方法[2]。其設計要點是允許處于不同層次上的協(xié)議相互合作，在保持分層的前提下共享網絡中各層的狀態(tài)信息，從而達到優(yōu)化整個網絡系統(tǒng)性能的目的[3]。

1 無線自組網跨層設計的意義及要求

無線自組網又稱Ad Hoc 網，是一種開放的、無須基礎設施及人工干預的網絡。 無線自組網在日常工作和生活中的作用越來越突出，為使其能更加廣泛地運用于軍事通訊、災后營救、深海探測等領域，對自組網跨層設計的研究需要也越來越迫切。傳統(tǒng)有線網協(xié)議遵循分層結構的原則，即高層協(xié)議為低層提供服務和支持，不關心其實現(xiàn)細節(jié)。而無線自組網鏈路卻有很多分層協(xié)議無法處理的問題，如能量有效性問題、節(jié)點資源受限問題、拓撲動態(tài)變化問題等[4]，因此我們需要在無線自組網中引入跨層設計思想。無線自組網的跨層設計是指允許不同層上的協(xié)議之間可以相互通信，將網絡各子層的相關參數(shù)或變量，通過層間的信息交互實現(xiàn)統(tǒng)一協(xié)調，使得協(xié)議棧能夠從全局的角度去對各個參數(shù)進行統(tǒng)一調度，實現(xiàn)資源合理分配，提高網絡綜合性能。當前的主要做法是利用各協(xié)議層間的依賴關系來進行更好的協(xié)議設計，以求獲得整體工作性能的提升。

移動自組網進行跨層設計時要求也與一般有線網絡不相同,對協(xié)議棧上各層的具體通信協(xié)議有很多特殊的要求。例如受移動自組網自身特點制約，需要在設計時具有較高的吞吐量、較低的平均時延、能夠支持多種業(yè)務數(shù)據流量以及能夠根據需求支持高優(yōu)先級流量等具體要求，這些要求在無線自組網跨層設計時實現(xiàn)十分困難。

2 無線自組網跨層設計原則

2.1 兼容性

為了更好發(fā)揮無線自組網的功能及特性，新設計出的體系框架應在全局上保證用戶間的兼容性及整體協(xié)同性。目前無線自組網中的協(xié)議較多，需要一個統(tǒng)一的參考體系框架，對各不同協(xié)議進行相互比較。同時，網絡中的網關節(jié)點處應具有Internet 的接入能力，最大限度地提高其兼容性和實用性。

2.2 交互性

進行跨層設計時，需要充分考慮到原有層間的交互及節(jié)點之間的交互兩種情況。 層間交互主要是處理節(jié)點內部各層之間的信息交換，如使用變量或數(shù)據庫等具體實現(xiàn)。節(jié)點間交互主要是目的是提升整個網絡的服務質量，而不僅僅是提升某一個節(jié)點的性能。因此，設計時既要利用單個節(jié)點的狀態(tài)信息，還要結合網絡中其他節(jié)點的狀態(tài)信息以便于達到整體優(yōu)化的目標。

2.3 靈活性

無線自組網區(qū)別于傳統(tǒng)有線網絡，在網絡性能評價標準方面也大有不同，如節(jié)點能量消耗、時延抖動、可靠性、吞吐量等都與傳統(tǒng)網絡不相同。同時，無線自組網在不同領域所用的評價標準也不盡相同。因此在進行無線自組網跨層設計時，需要具有一定的靈活性，最好能夠實現(xiàn)網絡平臺的無關性及運行過程中可動態(tài)配置等特性，拓寬其應用范圍。

3 跨層設計原理

3.1 基于博弈理論的跨層設計

目前，使用博弈理論結合效用函數(shù)來進行無線自組網跨層設計已有初步研究[5]。無線自組網跨層設計的主要目的是提高系統(tǒng)的有效性，并兼顧系統(tǒng)用戶間的公平性。 傳統(tǒng)的網絡設計是在資源域進行，而跨層設計要考慮協(xié)議層之間的交互，往往是在比資源域更高的協(xié)議層上進行，因此用效用函數(shù)來實現(xiàn)這個目標是一個比較常用的方法。

而使用博弈理論來實現(xiàn)無線自組網中的動態(tài)資源管理和分配策略，可以高效地分配和使用無線資源，同時還可以兼顧系統(tǒng)的有效性和用戶的公平性，實現(xiàn)資源的跨層管理[3]。

3.2 基于有效容量的跨層設計

有效容量是D. Wu 在2003 年提出的一種信道模型[6]，其主要作用是通過使用時延限制、傳輸速率和時延違約概率這三個參數(shù)來分析無線自組網中的服務質量保證問題，計算也較為簡單和精確。

有效容量模型理論中綜合考慮了物理層與數(shù)據鏈路層的關聯(lián)關系，可以把它擴展到無線自組網的跨層優(yōu)化設計中，利用它來分析物理層中各類傳輸策略對數(shù)據鏈路層QoS 性能的影響。有效容量模型相當于作為橋梁連接了物理層和數(shù)據鏈路層，把物理層的信道模型看做是數(shù)據鏈路層隊列服務過程，進一步分析QoS 來保證與物理層的相互關系。

3.3 反饋優(yōu)化

當前對有線網絡資源調度問題的研究已經比較成熟，然而卻很難將有線網絡的分組調度算法直接應用到無線自組網中。為了實現(xiàn)無線自組網中的資源調度分配，需要考慮各協(xié)議層之間交互的信息內容及對各層的協(xié)議作出相應調整。使用反饋優(yōu)化的方法進行無線自組網的跨層設計，就是在對某一協(xié)議層進行優(yōu)化時，通過層間的信令，兼顧其他協(xié)議層的參數(shù)，更好地提高網絡系統(tǒng)的整體性能。

3.4 基于鏈路自適應的跨層設計

無線自組網通信時信道具有時變性，為了充分利用信道，提高頻譜利用率，使用基于鏈路自適應的跨層設計是一種比較好的選擇。 鏈路自適應技術的基本思想就是通過自動地調節(jié)信號發(fā)送或接收的參數(shù)來充分地利用當前的通信環(huán)境。具體做法是將自適應傳輸技術與實際的無線自組網信道狀態(tài)進行相互匹配，在信道狀態(tài)較差時自動降低傳輸效率以提高糾錯能力，在信道狀態(tài)好時自動提高傳輸效率以提高頻譜利用率，最大限度地利用當前的信道條件提高頻譜利用率。 當前常用的鏈路自適應技術有自適應編碼調制技術、功率控制技術、自動請求重傳技術、自適應幀長技術等。

4 無線自組網跨層設計具體實現(xiàn)方式

4.1 層間直接通信

為了無線自組網層間的信息能夠快速進行共享，最簡單的方法就是允許不同的層之間可以直接通信，如圖1 所示。要實現(xiàn)此功能，就需要將某層上的變量進行開放，使之在其他層上也可以直接被訪問。 例如具體實現(xiàn)時使用協(xié)議頭來實現(xiàn)信息在層間流動，這種方法可在分層結構設計的無線自組網系統(tǒng)中實現(xiàn)少量的層與層之間的信息交換，但這也會帶來共享存儲空間管理的問題。

圖1 不同層直接通信

4.2 跨層共享數(shù)據庫

使用層間直接通信的方法實現(xiàn)無線自組網跨層設計，通信量不大且會帶來一定問題，為了更好地實現(xiàn)層間大量信息的共享，可以使用跨層共享數(shù)據庫信息的方法來解決。被共享的數(shù)據庫可以向所有網絡層提供相應的信息和服務，如圖2 所示。 這種方法非常適合于實現(xiàn)不相鄰層之間的垂直通信，實現(xiàn)不同層間的即時交互，層與層之間的接口也可以在共享數(shù)據庫上實現(xiàn)。

圖2 跨層共享數(shù)據庫

4.3 全新的抽象方式

第三種無線自組網跨層設計方法是使用全新抽象。 例如，當組織協(xié)議的時候不再使用棧而改為使用堆。 使用這種新的協(xié)議組織方法時，允許各構造的協(xié)議塊之間擁有更加豐富的交互，能夠帶來更大的靈活性，但實現(xiàn)起來比較困難，需要從底層開始進行全新的系統(tǒng)設計來實現(xiàn)。

圖3 設計全新的抽象

5 跨層設計帶來的問題及挑戰(zhàn)

5.1 跨層設計方案的選擇問題

目前有多種跨層設計方案，但這些方案并不都完全適合于無線自組網。因此在選擇設計方案時要從復雜度和對性能的改進上進行全面的分析比較，在兩者之間作出一個權衡。從當前已有的研究來看，要實現(xiàn)兩個層間相互作用，需要進行網絡層和MAC 層之間的跨層設計，而網絡層與傳輸層間實現(xiàn)共享信息可以提升節(jié)點的端到端性能。

5.2 不同跨層設計方案的共存問題

單一的跨層設計方案可能并不會面面俱到，如果在無線自組網上已經部署了一個跨層設計方案，今后還能否再部署一個或多個其他方案？ 若一個無線自組網跨層設計方案不能很好地解決面臨的問題，除了對原有設計方案進行改進外，能否加入新的跨層設計方案與之共同使用？

5.3 如何使用跨層設計問題

無線自組網運行環(huán)境具有時變特性，跨層設計應能使協(xié)議棧對網絡環(huán)境的變化作出相應的響應，以保持最佳運行狀態(tài)。 為此需要解決兩個問題：第一，要確定跨層設計方案在什么網絡環(huán)境下能夠提高整體性能；第二，要建立一套有效的評估機制來確定其方案的有效性。

5.4 面臨的挑戰(zhàn)

無線自組網跨層設計在優(yōu)化網絡整體性能的同時，也限制了體系結構的模塊化特性。 因此，當前進行無線自組網模塊化設計面臨的挑戰(zhàn)有三點：第一，跨層設計使得程序代碼變得無結構狀態(tài)，可能導致維護上的困難；第二，跨層設計提供了豐富的層間交互功能，有可能會導致網絡行為的退化；第三，跨層設計應以提升網絡系統(tǒng)的整體性能為出發(fā)點，而不是片面地解決局部問題。

6 總結

盡管現(xiàn)在已有多種跨層設計方案提出， 但都還存在一些問題，如前面提到的多設計方案共存，何時調用跨層設計方案，各層次角色分配等問題。 大多數(shù)方案在設計時關注網絡整體性能的提升，少數(shù)方案關注跨層的相互作用如何具體實現(xiàn)，但將這兩者結合起來的研究卻很少。

使用跨層設計方法， 可以實現(xiàn)在無線自組網各協(xié)議層間交互參數(shù)，統(tǒng)一規(guī)劃調度或對某些網絡層次進行融合，以達到提升無線自組網整體工作性能的目的。但目前無線自組網絡跨層設計還處于完善階段，還存在很多問題需要解決。以后的無線自組網跨層設計中，應同時保留相應的分層體系框架，使系統(tǒng)具有模塊化、易于維護且交互清晰。在研究側重上，可以從無線自組網提高能量利用率、基于QoS 的跨層設計、跨層設計框架等方面展開深入研究。 使用跨層設計的方法進行無線自組網協(xié)議設計將是未來不可避免地發(fā)展趨勢。

［1］Chris Barrett, et.al. Characterizing the Interaction Between Routing and MAC Protocols in Ah-hoc Networks[J]. In Proc. of MobiHoc’02, June 9-11, 2007.

［2］M. V. Schaar and N. S. Shankar. Cross-layer wireless multimedia transmission:challenges, principles, and new paradigms [J]. IEEE Wireless Communications,PP.50-58,Aug 2005.

［3］張海霞.無線通信跨層設計-從原理到應用[M].人民郵電出版社,2010.7:7-11.

［4］鳳俊翔.Ad hoc 網絡中基于DSR 的安全路由協(xié)議研究[J].制造業(yè)自動化，2010，11:116-118.

［5］J. V. Neumann,O. Morgenstern. Theory of Games and Economic Behavior[M].Princeton University Press,1944.

［6］D. Wu and R. Negi. Effective capacity: A wireless link model for support of quality of service. IEEE Trans [M]. Wireless Commun.,vol.2,NO.4,pp.630-643,July 2003.