無線傳感器網絡跨層優化與控制

摘 要：當前，無線傳感器網絡跨層優化與控制的理論成為了一個研究的熱點。相比傳統的網絡設計所采用的有線網絡設計的思路，現在的網絡設計大多都是利用因特網的設計思路來設計為無線網絡的。然后，無線網絡傳感器受到能量限制的特點，使得傳統的有線網絡設計的思想遭到了嚴峻的挑戰。文章主要介紹了無線傳感器網絡中的跨層優化的原理及其主要設計技術，最后詳細的闡述了現在的網絡跨層設計中面臨的技術問題和挑戰。

關鍵詞：無線傳感器；網絡跨層設計；優化

前言

目前，無線傳感器網絡還主要應用在軍事和醫療等領域，當然，無線傳感器網絡有許多其他的用途。然而，無線傳感器網絡也存在著一些問題急需要解決，其主要包括成本高、功能性不強和網絡生命周期短等問題，要想實現復雜的無線傳感器網絡是非常困難的。因此，要解決無線傳感器網絡在使用存在的不足，研究無線傳感器網絡跨層優化和控制顯得十分重要，也是目前迫在眉睫、亟待解決的關鍵性問題。

1 無線傳感器網絡跨層設計背景

1.1 分層設計方法

當前，我們所使用的通信系統主要是基于開放的標準分層模型，因而，將無線網絡的協議分為物理層、鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層五個層次。分層結構模型的特點主要是每層能夠獨立地進行設計和操作，通信只在相鄰位置的層間進行，并會受到一組服務的限制。分層結構還具有非最優性和非靈活性的特點。非最優性，顧名思義是指各層之間的信息布恩互享，分層結構的分層接口對于個體網絡約束和應用是靜態的并且是獨立的。而非靈活是指每一個新使用的開發者一定要單獨作用在低層。盡管現在應該采取了許多新技術有效地改善了無線網的網絡性能，但是，無線網絡的物理層仍然無法向上層協議提供穩定的寬帶，無線網絡的這一缺點一直沒有得到很好的解決，因此，上層協議層必然地要受到物理層的影響，為了改善無線網絡的性能，就一定要求上層協議能與物理層進行信息交互，以能夠滿足物理層的特性變化為目的。所以，無線網絡跨層設計的想法就產生了。

1.2 跨層設計方法

無線網絡跨層設計是基于特定的分層結構而言的，主要是針對不符合分層通信結構的協議而設計。跨層設計的主要目標是聯合不同區域的資源來進行網絡的構建，使得每層的信息可以互享，從而提高網絡的使用效率和穩定性。對于大多數網絡來說，設計的主要目的是為了傳輸信息。然而，無線傳感器網絡由于其擁有獲取多種信息信號的綜合能力，并且能夠通過其與傳感控制器的聯接，組成的傳感器網絡具有信息的綜合和處理的能力。當然，無線傳感器網絡也有著其自身的限制，尤其是很多的應用都對網絡的設計提出了全新的挑戰。自適應是指協議層對網絡的條件進行觀察并做出相應的反應的一種機制。自適應不僅包括了協議層的上層對下層變化的自適應，也包括了下層對上層的變化的自適應。在整體上，通信系統則要充分的考慮協議層各層之間的相互影響，促進最優性能的實現和保證網絡系統性能的穩定性。

2 無線傳感器網絡跨層設計的主要技術

2.1 基于能效管理的跨層設計技術

基于能效管理的跨層無線傳感器網絡設計是指針對傳感器的節能和抗干擾性等性能的具體要求進行設計的，結合對節能和抗干擾性等關鍵指標的具體要求，借助現代網絡和信息處理等領域的一種先進技術。現在已經有了一些基于能效管理的無線傳感器網絡優化設計的階段性研究成果。這些成果的核心是利用MAC層與網絡層之間跨層信息的互享進而使整個網絡系統的性能得到改善。因此，進一步研究基于能效的跨層無線傳感器網絡的設計具有很大的前景和研究必要。

2.2 基于最優代理的跨層設計技術

基于最優代理的跨層設計技術是指利用最優代理所能提供不同協議層之間的信息交換，進而達到改善無線傳感器網絡的性能的目的。現在已經研究出的一種基于最優代理的跨層設計技術的協議體現構架，并且通過最優代理很好地改善了網絡系統的性能。通過自上而下的應用要求，最優代理能將信息反饋給底層網絡。用戶可以利用最優代理可以與網絡的協議層進行信息共享和交換。

2.3 基于質量服務保障的跨層設計技術

服務質量（QOS）是指網絡提供更高優先服務的一種能力，包括專用帶寬、抖動控制和延遲、丟包率的改進和不同WAN、LAN 和 MAN 技術下的指定網絡流量等，同時，確保為每種流量提供的優先權不會阻礙其它流量的進程。基于質量服務保障的跨層設計技術的核心很顯然就是要保證網絡的穩定性和應用性能，以達到為用戶提供較高質量的網絡服務的目的。無線傳感器的節點是通過匯聚節點和基站將采集的信號遠程的用戶，或者是將遠程的信號傳送到控制感應器。必須保證在傳輸信息的過程中保證每個用戶的網絡需求。

3 當前跨層設計技術面臨的挑戰

無線傳感器網絡跨層設計是一種新型的無線網絡設計技術，其具有很多限制和應用一些相關的問題，現在面臨的最大挑戰是對于在何種情況下采用跨層設計技術，以及怎樣實現跨層設計。主要的挑戰包括以下幾個方面，第一，全網絡的設計和優化是一項非常復雜的工作。尤其是在實現實時動態優化的過程中，面臨的優化問題更加的復雜。因此，一種更高效的網絡層間的信息調度對于網絡跨層設計就顯得相當的重要。第二，在優化的過程中，使用的衡量標準又是其一個無法避免的關鍵性問題。尤其是在業務多元化和需求多元化的情況下，衡量標準的定義具有非常重大的意義。第三，動態網絡的實現比較的困難，主要是由誰來控制跨層功能這個過程的關鍵問題還沒有得到很好的解決。因此，當前無線網絡跨層設計技術面臨著各種的挑戰，尤其是在實現更加高端的動態網絡的過程中面臨的挑戰更加的大。當然，隨著網絡技術的不斷發展，無線傳感器網絡跨層所面臨的問題將會被相關技術人員一一的解決，并且可以預測無線傳感網絡跨層在我國將會擁有很好的使用前景。

4 結束語

近年來，針對上述問題我們提出了多種跨層設計方案。并根據不同的優化目的將其主要分為以下四類，第一，減少功能消耗。即在無線傳感器網絡中如何利用跨層設計的優點來提高網絡功效的可能性和必要性。第二，提高系統吐納量。即主要是為了解決無線傳感器網絡的規模問題。第三，實現質量服務要求。即滿足不同用戶不同的網絡需求。第四，獲得較高的資源利用率。即通過各層之間信息的互享來提高系統的性能。總而言之，隨著無線傳感器網絡應用的進一步普及，以及當前對無線傳感器網絡應用特點的深入研究，跨層設計技術還會包含其他領域的新型技術，從而出現的更加復雜和形式多樣的特點跟需要我們做進一步的研究。由于本人的知識水平有限，因此，本文如有不到之處，還望不吝賜教。

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作者簡介：王沁慷（1974，3-），漢，蘇州人，本科，工程師。