摘 要：當(dāng)前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層優(yōu)化與控制的理論成為了一個研究的熱點。相比傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計所采用的有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的思路，現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計大多都是利用因特網(wǎng)的設(shè)計思路來設(shè)計為無線網(wǎng)絡(luò)的。然后，無線網(wǎng)絡(luò)傳感器受到能量限制的特點，使得傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的思想遭到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。文章主要介紹了無線傳感器網(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)計中面臨的技術(shù)問題和挑戰(zhàn)。

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

　　前言
　　目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還主要應(yīng)用在軍事和醫(yī)療等領(lǐng)域，當(dāng)然，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有許多其他的用途。然而，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)生命周期短等問題，要想實現(xiàn)復(fù)雜的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是非常困難的。因此，要解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在使用存在的不足，研究無線傳感器網(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)鍵性問題。
　　1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計背景
　　1.1 分層設(shè)計方法
　　當(dāng)前，我們所使用的通信系統(tǒng)主要是基于開放的標(biāo)準(zhǔn)分層模型，因而，將無線網(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)用層五個層次。分層結(jié)構(gòu)模型的特點主要是每層能夠獨立地進(jìn)行設(shè)計和操作，通信只在相鄰位置的層間進(jìn)行，并會受到一組服務(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。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)的分層接口對于個體網(wǎng)絡(luò)約束和應(yīng)用是靜態(tài)的并且是獨立的。而非靈活是指每一個新使用的開發(fā)者一定要單獨作用在低層。盡管現(xiàn)在應(yīng)該采取了許多新技術(shù)有效地改善了無線網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)性能，但是，無線網(wǎng)絡(luò)的物理層仍然無法向上層協(xié)議提供穩(wěn)定的寬帶，無線網(wǎng)絡(luò)的這一缺點一直沒有得到很好的解決，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，無線網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計的想法就產(chǎn)生了。
　　1.2 跨層設(shè)計方法
　　無線網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計是基于特定的分層結(jié)構(gòu)而言的，主要是針對不符合分層通信結(jié)構(gòu)的協(xié)議而設(shè)計。跨層設(shè)計的主要目標(biāo)是聯(lián)合不同區(qū)域的資源來進(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。對于大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)來說，設(shè)計的主要目的是為了傳輸信息。然而，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(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)用都對網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計提出了全新的挑戰(zhàn)。自適應(yīng)是指協(xié)議層對網(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)議層的上層對下層變化的自適應(yīng)，也包括了下層對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)性能的實現(xiàn)和保證網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性。
　　2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計的主要技術(shù)
　　2.1 基于能效管理的跨層設(shè)計技術(shù)
　　基于能效管理的跨層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計是指針對傳感器的節(jié)能和抗干擾性等性能的具體要求進(jìn)行設(shè)計的，結(jié)合對節(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線傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計的階段性研究成果。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線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計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)計技術(shù)
　　基于最優(yōu)代理的跨層設(shè)計技術(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)計技術(shù)的協(xié)議體現(xiàn)構(gòu)架，并且通過最優(yōu)代理很好地改善了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能。通過自上而下的應(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，包括專用帶寬、抖動控制和延遲、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，確保為每種流量提供的優(yōu)先權(quán)不會阻礙其它流量的進(jìn)程�；�于質(zhì)量服務(wù)保障的跨層設(shè)計技術(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。無線傳感器的節(jié)點是通過匯聚節(jié)點和基站將采集的信號遠(yuǎn)程的用戶，或者是將遠(yuǎn)程的信號傳送到控制感應(yīng)器。必須保證在傳輸信息的過程中保證每個用戶的網(wǎng)絡(luò)需求。
　　3 當(dāng)前跨層設(shè)計技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)
　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計是一種新型的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計技術(shù)，其具有很多限制和應(yīng)用一些相關(guān)的問題，現(xiàn)在面臨的最大挑戰(zhàn)是對于在何種情況下采用跨層設(shè)計技術(shù)，以及怎樣實現(xiàn)跨層設(shè)計。主要的挑戰(zhàn)包括以下幾個方面，第一，全網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和優(yōu)化是一項非常復(fù)雜的工作。尤其是在實現(xiàn)實時動態(tài)優(yōu)化的過程中，面臨的優(yōu)化問題更加的復(fù)雜。因此，一種更高效的網(wǎng)絡(luò)層間的信息調(diào)度對于網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計就顯得相當(dāng)?shù)闹匾�。第二，在�?yōu)化的過程中，使用的衡量標(biāo)準(zhǔn)又是其一個無法避免的關(guān)鍵性問題。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，動態(tài)網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)比較的困難，主要是由誰來控制跨層功能這個過程的關(guān)鍵問題還沒有得到很好的解決。因此，當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計技術(shù)面臨著各種的挑戰(zhàn)，尤其是在實現(xiàn)更加高端的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)的過程中面臨的挑戰(zhàn)更加的大。當(dāng)然，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層所面臨的問題將會被相關(guān)技術(shù)人員一一的解決，并且可以預(yù)測無線傳感網(wǎng)絡(luò)跨層在我國將會擁有很好的使用前景。
　　4 結(jié)束語
　　近年來，針對上述問題我們提出了多種跨層設(shè)計方案。并根據(jù)不同的優(yōu)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(wǎng)絡(luò)中如何利用跨層設(shè)計的優(yōu)點來提高網(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線傳感器網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模問題。第三，實現(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。即通過各層之間信息的互享來提高系統(tǒng)的性能。總而言之，隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的進(jìn)一步普及，以及當(dāng)前對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用特點的深入研究，跨層設(shè)計技術(shù)還會包含其他領(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跟需要我們做進(jìn)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。