無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層優(yōu)化與控制

摘 要：當(dāng)前，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層優(yōu)化與控制的理論成為了一個(gè)研究的熱點(diǎn)。相比傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)所采用的有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的思路，現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)大多都是利用因特網(wǎng)的設(shè)計(jì)思路來(lái)設(shè)計(jì)為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的。然后，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器受到能量限制的特點(diǎn)，使得傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的思想遭到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。文章主要介紹了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的跨層優(yōu)化的原理及其主要設(shè)計(jì)技術(shù)，最后詳細(xì)的闡述了現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計(jì)中面臨的技術(shù)問(wèn)題和挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器；網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計(jì)；優(yōu)化

前言

目前，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)還主要應(yīng)用在軍事和醫(yī)療等領(lǐng)域，當(dāng)然，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有許多其他的用途。然而，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也存在著一些問(wèn)題急需要解決，其主要包括成本高、功能性不強(qiáng)和網(wǎng)絡(luò)生命周期短等問(wèn)題，要想實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是非常困難的。因此，要解決無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在使用存在的不足，研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層優(yōu)化和控制顯得十分重要，也是目前迫在眉睫、亟待解決的關(guān)鍵性問(wèn)題。

1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計(jì)背景

1.1 分層設(shè)計(jì)方法

當(dāng)前，我們所使用的通信系統(tǒng)主要是基于開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)分層模型，因而，將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議分為物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層五個(gè)層次。分層結(jié)構(gòu)模型的特點(diǎn)主要是每層能夠獨(dú)立地進(jìn)行設(shè)計(jì)和操作，通信只在相鄰位置的層間進(jìn)行，并會(huì)受到一組服務(wù)的限制。分層結(jié)構(gòu)還具有非最優(yōu)性和非靈活性的特點(diǎn)。非最優(yōu)性，顧名思義是指各層之間的信息布恩互享，分層結(jié)構(gòu)的分層接口對(duì)于個(gè)體網(wǎng)絡(luò)約束和應(yīng)用是靜態(tài)的并且是獨(dú)立的。而非靈活是指每一個(gè)新使用的開(kāi)發(fā)者一定要單獨(dú)作用在低層。盡管現(xiàn)在應(yīng)該采取了許多新技術(shù)有效地改善了無(wú)線網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)性能，但是，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的物理層仍然無(wú)法向上層協(xié)議提供穩(wěn)定的寬帶，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的這一缺點(diǎn)一直沒(méi)有得到很好的解決，因此，上層協(xié)議層必然地要受到物理層的影響，為了改善無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的性能，就一定要求上層協(xié)議能與物理層進(jìn)行信息交互，以能夠滿足物理層的特性變化為目的。所以，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計(jì)的想法就產(chǎn)生了。

1.2 跨層設(shè)計(jì)方法

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計(jì)是基于特定的分層結(jié)構(gòu)而言的，主要是針對(duì)不符合分層通信結(jié)構(gòu)的協(xié)議而設(shè)計(jì)。跨層設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是聯(lián)合不同區(qū)域的資源來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，使得每層的信息可以互享，從而提高網(wǎng)絡(luò)的使用效率和穩(wěn)定性。對(duì)于大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)的主要目的是為了傳輸信息。然而，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于其擁有獲取多種信息信號(hào)的綜合能力，并且能夠通過(guò)其與傳感控制器的聯(lián)接，組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)具有信息的綜合和處理的能力。當(dāng)然，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也有著其自身的限制，尤其是很多的應(yīng)用都對(duì)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)提出了全新的挑戰(zhàn)。自適應(yīng)是指協(xié)議層對(duì)網(wǎng)絡(luò)的條件進(jìn)行觀察并做出相應(yīng)的反應(yīng)的一種機(jī)制。自適應(yīng)不僅包括了協(xié)議層的上層對(duì)下層變化的自適應(yīng)，也包括了下層對(duì)上層的變化的自適應(yīng)。在整體上，通信系統(tǒng)則要充分的考慮協(xié)議層各層之間的相互影響，促進(jìn)最優(yōu)性能的實(shí)現(xiàn)和保證網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性。

2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計(jì)的主要技術(shù)

2.1 基于能效管理的跨層設(shè)計(jì)技術(shù)

基于能效管理的跨層無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)是指針對(duì)傳感器的節(jié)能和抗干擾性等性能的具體要求進(jìn)行設(shè)計(jì)的，結(jié)合對(duì)節(jié)能和抗干擾性等關(guān)鍵指標(biāo)的具體要求，借助現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和信息處理等領(lǐng)域的一種先進(jìn)技術(shù)?，F(xiàn)在已經(jīng)有了一些基于能效管理的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的階段性研究成果。這些成果的核心是利用MAC層與網(wǎng)絡(luò)層之間跨層信息的互享進(jìn)而使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能得到改善。因此，進(jìn)一步研究基于能效的跨層無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)具有很大的前景和研究必要。

2.2 基于最優(yōu)代理的跨層設(shè)計(jì)技術(shù)

基于最優(yōu)代理的跨層設(shè)計(jì)技術(shù)是指利用最優(yōu)代理所能提供不同協(xié)議層之間的信息交換，進(jìn)而達(dá)到改善無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能的目的。現(xiàn)在已經(jīng)研究出的一種基于最優(yōu)代理的跨層設(shè)計(jì)技術(shù)的協(xié)議體現(xiàn)構(gòu)架，并且通過(guò)最優(yōu)代理很好地改善了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能。通過(guò)自上而下的應(yīng)用要求，最優(yōu)代理能將信息反饋給底層網(wǎng)絡(luò)。用戶可以利用最優(yōu)代理可以與網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議層進(jìn)行信息共享和交換。

2.3 基于質(zhì)量服務(wù)保障的跨層設(shè)計(jì)技術(shù)

服務(wù)質(zhì)量（QOS）是指網(wǎng)絡(luò)提供更高優(yōu)先服務(wù)的一種能力，包括專(zhuān)用帶寬、抖動(dòng)控制和延遲、丟包率的改進(jìn)和不同WAN、LAN 和 MAN 技術(shù)下的指定網(wǎng)絡(luò)流量等，同時(shí)，確保為每種流量提供的優(yōu)先權(quán)不會(huì)阻礙其它流量的進(jìn)程?；谫|(zhì)量服務(wù)保障的跨層設(shè)計(jì)技術(shù)的核心很顯然就是要保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和應(yīng)用性能，以達(dá)到為用戶提供較高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的目的。無(wú)線傳感器的節(jié)點(diǎn)是通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)和基站將采集的信號(hào)遠(yuǎn)程的用戶，或者是將遠(yuǎn)程的信號(hào)傳送到控制感應(yīng)器。必須保證在傳輸信息的過(guò)程中保證每個(gè)用戶的網(wǎng)絡(luò)需求。

3 當(dāng)前跨層設(shè)計(jì)技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計(jì)是一種新型的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)技術(shù)，其具有很多限制和應(yīng)用一些相關(guān)的問(wèn)題，現(xiàn)在面臨的最大挑戰(zhàn)是對(duì)于在何種情況下采用跨層設(shè)計(jì)技術(shù)，以及怎樣實(shí)現(xiàn)跨層設(shè)計(jì)。主要的挑戰(zhàn)包括以下幾個(gè)方面，第一，全網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工作。尤其是在實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化的過(guò)程中，面臨的優(yōu)化問(wèn)題更加的復(fù)雜。因此，一種更高效的網(wǎng)絡(luò)層間的信息調(diào)度對(duì)于網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計(jì)就顯得相當(dāng)?shù)闹匾５诙?，在?yōu)化的過(guò)程中，使用的衡量標(biāo)準(zhǔn)又是其一個(gè)無(wú)法避免的關(guān)鍵性問(wèn)題。尤其是在業(yè)務(wù)多元化和需求多元化的情況下，衡量標(biāo)準(zhǔn)的定義具有非常重大的意義。第三，動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)比較的困難，主要是由誰(shuí)來(lái)控制跨層功能這個(gè)過(guò)程的關(guān)鍵問(wèn)題還沒(méi)有得到很好的解決。因此，當(dāng)前無(wú)線網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計(jì)技術(shù)面臨著各種的挑戰(zhàn)，尤其是在實(shí)現(xiàn)更加高端的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程中面臨的挑戰(zhàn)更加的大。當(dāng)然，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層所面臨的問(wèn)題將會(huì)被相關(guān)技術(shù)人員一一的解決，并且可以預(yù)測(cè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)跨層在我國(guó)將會(huì)擁有很好的使用前景。

4 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，針對(duì)上述問(wèn)題我們提出了多種跨層設(shè)計(jì)方案。并根據(jù)不同的優(yōu)化目的將其主要分為以下四類(lèi)，第一，減少功能消耗。即在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中如何利用跨層設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)功效的可能性和必要性。第二，提高系統(tǒng)吐納量。即主要是為了解決無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模問(wèn)題。第三，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量服務(wù)要求。即滿足不同用戶不同的網(wǎng)絡(luò)需求。第四，獲得較高的資源利用率。即通過(guò)各層之間信息的互享來(lái)提高系統(tǒng)的性能。總而言之，隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的進(jìn)一步普及，以及當(dāng)前對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用特點(diǎn)的深入研究，跨層設(shè)計(jì)技術(shù)還會(huì)包含其他領(lǐng)域的新型技術(shù)，從而出現(xiàn)的更加復(fù)雜和形式多樣的特點(diǎn)跟需要我們做進(jìn)一步的研究。由于本人的知識(shí)水平有限，因此，本文如有不到之處，還望不吝賜教。

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作者簡(jiǎn)介：王沁慷（1974，3-），漢，蘇州人，本科，工程師。