跨层设计与联合优化
[摘要]为了进一步适应无线网络环境下各种应用的需要，提高网络性能，无线网络的跨层设计已成为目前国内外网络研究的热点和难点问题之一。本文给出了无线网络跨层设计的定义，分析了跨层设计的原因、优势和主要技术。对跨层设计和联合优化面的研究作了介绍，讨论了跨层设计的衡量准则，接着介绍了现有的无线通信结合物理层的联合设计方法。最后探讨了无线网络跨层设计面临的挑战和今后的研究方向。
[关键词]无联网络；跨层设计；联合优化
0.引言
在以往的通信系统中。分层的开放系统互连(osI，OpenSystem Intereonneetion)设计方法应用得很好，但演进的无线网络正在挑战这种设计哲学。正在出现的网络必须支持各式各样不断变化的业务类型及其服务质量(QoS，Quality of Service)要求以及网络拓扑结构的变化。在设计网络时。为了应对无线接入的挑战，各网络功能(即OSI的各层)必须统一考虑。不同的应用可以从不同的优化中得到更多好处，这就需要进行具有多层次自适应特性的跨层(Cross-Layer)设计。
1.跨层设计
所谓跨层是指原来不相邻的各层之间也可以通信，或者让相邻的层之间通过前没有的接口进行通信。跨层设计目标是，用自适应支持所有层的QoS，自适应意味着网络协议和应用都有观测网络变化并做出响应的能力。如链路层可以调整速率以满足当前信道和网络状况下的应用需要。
1.1跨层设计的定义
分层协议栈结构是网络设计中最基础最有影响力的结构，协议栈中各层隐藏该层及其以下层次的复杂性，为上层提供服务，分层结构逻辑清晰，扩展性强，鲁捧性高，便于实现。然而，在严格分层协议栈网络中，整个网络系统被分割成若干个独立的层(漠块)，相邻层与层之间的交互严格地通过层间的静态接口来实现，非相邻层之间不允许直接交互，因此，层与层之间的信息难以共享，增加了信息的冗余以及对等层间的通信开销。网络优化过程中各层只利用本层次的状态信息反复进行控制调整，忽视了层与层之间的协调合作，这对网络全局优化产生了不利的影响。无线网络跨层设计是为了获得较高的网络性能(如高吞吐量、低延迟等)，在全面综合考虑协议栈各层次之间的相互关系并保留原有分层协议栈结构的基础上，打破严格的层与层之间的通信限制，允许协议栈各个层次、各个模块间“直接”交互信息，为网络运行提供必要的QoS保障。无线网络跨层设计主要目的是通过增加本地节点层与层之间的直接交互，使得本地信息得以有效的共享从而减少不同节点对等层之间的通信及信号处理开销以满足网络全局优化的需要。在跨层设计中需要强调的是：
无线传感网络跨层优化设计 摘要: 论文以无线传感器网络层次体系为基础，分析归纳出了无线传感网络的两种跨层优化策略：信息跨层和功能跨层。前者主要是通过信令控制或建立第三方实体，使网络相应功能层能够快速获取网络状态信息，以之为基础实现对网络状态的灵活响应；而后者则是对两个或多个传统功能层进行融合，形成重新整合的功能层，以之为基础减少网络传输中节点资源的消耗。在一定程度上，这两种跨层设计使整个网络性能得到了优化。 关键词：无线传感器网络，体系结构，跨层优化，信息跨层，功能跨层 The Cross-layer Optimation Research on Wireless Sensor Networks Zhou Xianjun, Jia Huixiao, Yan Zhizhi, Xiufang Zhang School of Electrical & Electronic Engineering, Hubei University of Technology, Wuhan 430068 xianjun_zhou@https://www.doczj.com/doc/9f12586408.html, Abstract-Based on layered system analysis, cross-layer optimization of WSN is concluded as two strategies: information based cross-layer and function based cross-layer. The former is mainly controlled by signaling or the establishment of a third entity, so that the corresponding function layer of the network is able to access network status information quickly and realize the flexible response to the network state. The latter is the fusion of two or more traditional function layers, which generate a new integrated function layer to reduce the consumption of resources of network nodes in the process of transmitting information. To some extent, the whole network has been optimized by these two strategies. Keywords: wireless sensor networks (WSN), architecture, cross-layer optimization，information based cross-layer, function based cross-layer 1 前言 无线传感器网络是当前国际上备受关注的新兴前沿研究热点领域，其通过各类集成化的微型传感器节点协作感知和采集各种环境或监测对象的信息，构成自组织无线网络以多跳中继方式将信息传送到终端用户，从而实现“无处不在的计算”。可以预计，无线传感器网络，将对人们的社会生活和产业变革带来深刻的影响[1－3]。 在无线传感器网络中, 各个无线节点（传感器）随机分布于某一区域,传感器负责收集区域内的声音、电磁或地震信号等多种信息, 将它们发送到网关节点。与Ad Hoc网络相比，无线传感器网络具有以下特色：1、节点数量众多；2、节点能量有限且不可替换；3、外界环境的变化，尤其是恶劣的自然环境，节点失效和因节能休眠带来拓扑动态变化；4、无线传感器网络基于以数据为中心的路由，通信方式属于广播通信。 就目前的技术水平而言，无线传感器网正常运行并大量投入使用还面临如下问题：1、网内通信问题。无线传感器网络内正常通信联系中，信号可能被一些障碍物或其他电子信号干扰而受到影响；2、成本问题。一个无线传感器网络使用数量庞大的微型传感器；3、系统能量供应。目前主要的解决方案有：使用高能电池、降低传感功率；4高效的无线传感器网络结构。无线传感器网络的网络结构是组织无线传感器的成网技术，具有多种形态
无线传感器网络跨层优化与控制 当前，无线传感器网络跨层优化与控制的理论成为了一个研究的热点。相比传统的网络设计所采用的有线网络设计的思路，现在的网络设计大多都是利用因特网的设计思路来设计为无线网络的。然后，无线网络传感器受到能量限制的特点，使得传统的有线网络设计的思想遭到了严峻的挑战。文章主要介绍了无线传感器网络中的跨层优化的原理及其主要设计技术，最后详细的阐述了现在的网络跨层设计中面临的技术问题和挑战。 标签：无线传感器；网络跨层设计；优化 前言 目前，无线传感器网络还主要应用在军事和医疗等领域，当然，无线传感器网络有许多其他的用途。然而，无线传感器网络也存在着一些问题急需要解决，其主要包括成本高、功能性不强和网络生命周期短等问题，要想实现复杂的无线传感器网络是非常困难的。因此，要解决无线传感器网络在使用存在的不足，研究无线传感器网络跨层优化和控制显得十分重要，也是目前迫在眉睫、亟待解决的关键性问题。 1 无线传感器网络跨层设计背景 1.1 分层设计方法 当前，我们所使用的通信系统主要是基于开放的标准分层模型，因而，将无线网络的协议分为物理层、链路层、网络层、传输层和应用层五个层次。分层结构模型的特点主要是每层能够独立地进行设计和操作，通信只在相邻位置的层间进行，并会受到一组服务的限制。分层结构还具有非最优性和非灵活性的特点。非最优性，顾名思义是指各层之间的信息布恩互享，分层结构的分层接口对于个体网络约束和应用是静态的并且是独立的。而非灵活是指每一个新使用的开发者一定要单独作用在低层。尽管现在应该采取了许多新技术有效地改善了无线网的网络性能，但是，无线网络的物理层仍然无法向上层协议提供稳定的宽带，无线网络的这一缺点一直没有得到很好的解决，因此，上层协议层必然地要受到物理层的影响，为了改善无线网络的性能，就一定要求上层协议能与物理层进行信息交互，以能够满足物理层的特性变化为目的。所以，无线网络跨层设计的想法就產生了。 1.2 跨层设计方法 无线网络跨层设计是基于特定的分层结构而言的，主要是针对不符合分层通信结构的协议而设计。跨层设计的主要目标是联合不同区域的资源来进行网络的构建，使得每层的信息可以互享，从而提高网络的使用效率和稳定性。对于大多数网络来说，设计的主要目的是为了传输信息。然而，无线传感器网络由于其拥
跨层设计与联合优化 [摘要]为了进一步适应无线网络环境下各种应用的需要，提高网络性能，无线网络的跨层设计已成为目前国内外网络研究的热点和难点问题之一。本文给出了无线网络跨层设计的定义，分析了跨层设计的原因、优势和主要技术。对跨层设计和联合优化面的研究作了介绍，讨论了跨层设计的衡量准则，接着介绍了现有的无线通信结合物理层的联合设计方法。最后探讨了无线网络跨层设计面临的挑战和今后的研究方向。 [关键词]无联网络；跨层设计；联合优化 0.引言 在以往的通信系统中。分层的开放系统互连(osI，OpenSystem Intereonneetion)设计方法应用得很好，但演进的无线网络正在挑战这种设计哲学。正在出现的网络必须支持各式各样不断变化的业务类型及其服务质量(QoS，Quality of Service)要求以及网络拓扑结构的变化。在设计网络时。为了应对无线接入的挑战，各网络功能(即OSI的各层)必须统一考虑。不同的应用可以从不同的优化中得到更多好处，这就需要进行具有多层次自适应特性的跨层(Cross-Layer)设计。 1.跨层设计 所谓跨层是指原来不相邻的各层之间也可以通信，或者让相邻的层之间通过前没有的接口进行通信。跨层设计目标是，用自适应支持所有层的QoS，自适应意味着网络协议和应用都有观测网络变化并做出响应的能力。如链路层可以调整速率以满足当前信道和网络状况下的应用需要。 1.1跨层设计的定义 分层协议栈结构是网络设计中最基础最有影响力的结构，协议栈中各层隐藏该层及其以下层次的复杂性，为上层提供服务，分层结构逻辑清晰，扩展性强，鲁捧性高，便于实现。然而，在严格分层协议栈网络中，整个网络系统被分割成若干个独立的层(漠块)，相邻层与层之间的交互严格地通过层间的静态接口来实现，非相邻层之间不允许直接交互，因此，层与层之间的信息难以共享，增加了信息的冗余以及对等层间的通信开销。网络优化过程中各层只利用本层次的状态信息反复进行控制调整，忽视了层与层之间的协调合作，这对网络全局优化产生了不利的影响。无线网络跨层设计是为了获得较高的网络性能(如高吞吐量、低延迟等)，在全面综合考虑协议栈各层次之间的相互关系并保留原有分层协议栈结构的基础上，打破严格的层与层之间的通信限制，允许协议栈各个层次、各个模块间“直接”交互信息，为网络运行提供必要的QoS保障。无线网络跨层设计主要目的是通过增加本地节点层与层之间的直接交互，使得本地信息得以有效的共享从而减少不同节点对等层之间的通信及信号处理开销以满足网络全局优化的需要。在跨层设计中需要强调的是：