试论无线传感器网络跨层优化与控制

　　摘 要：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。

　　关键词：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产生了。
　　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有获取多种信息信号的综合能力，并且能够通过其与传感控制器的联接，组成的传感器网络具有信息的综合和处理的能力。当然，无线传感器网络也有着其自身的限制，尤其是很多的应用都对网络的设计提出了全新的挑战。自适应是指协议层对网络的条件进行观察并做出相应的反应的一种机制。自适应不仅包括了协议层的上层对下层变化的自适应，也包括了下层对上层的变化的自适应。在整体上，通信系统则要充分的考虑协议层各层之间的相互影响，促进最优性能的实现和保证网络系统性能的稳定性。
　　2 无线传感器网络跨层设计的主要技术
　　2.1 基于能效管理的跨层设计技术
　　基于能效管理的跨层无线传感器网络设计是指针对传感器的节能和抗干扰性等性能的具体要求进行设计的，结合对节能和抗干扰性等关键指标的具体要求，借助现代网络和信息处理等领域的一种先进技术。现在已经有了一些基于能效管理的无线传感器网络优化设计的阶段性研究成果。这些成果的核心是利用MAC层与网络层之间跨层信息的互享进而使整个网络系统的性能得到改善。因此，进一步研究基于能效的跨层无线传感器网络的设计具有很大的前景和研究必要。
　　2.2 基于最优代理的跨层设计技术
　　基于最优代理的跨层设计技术是指利用最优代理所能提供不同协议层之间的信息交换，进而达到改善无线传感器网络的性能的目的。现在已经研究出的一种基于最优代理的跨层设计技术的协议体现构架，并且通过最优代理很好地改善了网络系统的性能。通过自上而下的应用要求，最优代理能将信息反馈给底层网络。用户可以利用最优代理可以与网络的协议层进行信息共享和交换。
　　2.3 基于质量服务保障的跨层设计技术
　　服务质量（QOS）是指网络提供更高优先服务的一种能力，包括专用带宽、抖动控制和延迟、丢包率的改进和不同WAN、LAN 和 MAN 技术下的指定网络流量等，同时，确保为每种流量提供的优先权不会阻碍其它流量的进程。基于质量服务保障的跨层设计技术的核心很显然就是要保证网络的稳定性和应用性能，以达到为用户提供较高质量的网络服务的目的。无线传感器的节点是通过汇聚节点和基站将采集的信号远程的用户，或者是将远程的信号传送到控制感应器。必须保证在传输信息的过程中保证每个用户的网络需求。
　　3 当前跨层设计技术面临的挑战
　　无线传感器网络跨层设计是一种新型的无线网络设计技术，其具有很多限制和应用一些相关的问题，现在面临的最大挑战是对于在何种情况下采用跨层设计技术，以及怎样实现跨层设计。主要的挑战包括以下几个方面，第一，全网络的设计和优化是一项非常复杂的工作。尤其是在实现实时动态优化的过程中，面临的优化问题更加的复杂。因此，一种更高效的网络层间的信息调度对于网络跨层设计就显得相当的重要。第二，在优化的过程中，使用的衡量标准又是其一个无法避免的关键性问题。尤其是在业务多元化和需求多元化的情况下，衡量标准的定义具有非常重大的意义。第三，动态网络的实现比较的困难，主要是由谁来控制跨层功能这个过程的关键问题还没有得到很好的解决。因此，当前无线网络跨层设计技术面临着各种的挑战，尤其是在实现更加高端的动态网络的过程中面临的挑战更加的大。当然，随着网络技术的不断发展，无线传感器网络跨层所面临的问题将会被相关技术人员一一的解决，并且可以预测无线传感网络跨层在我国将会拥有很好的使用前景。
　　4 结束语
　　近年来，针对上述问题我们提出了多种跨层设计方案。并根据不同的优化目的将其主要分为以下四类，第一，减少功能消耗。即在无线传感器网络中如何利用跨层设计的优点来提高网络功效的可能性和必要性。第二，提高系统吐纳量。即主要是为了解决无线传感器网络的规模问题。第三，实现质量服务要求。即满足不同用户不同的网络需求。第四，获得较高的资源利用率。即通过各层之间信息的互享来提高系统的性能。总而言之，随着无线传感器网络应用的进一步普及，以及当前对无线传感器网络应用特点的深入研究，跨层设计技术还会包含其他领域的新型技术，从而出现的更加复杂和形式多样的特点跟需要我们做进一步的研究。由于本人的知识水平有限，因此，本文如有不到之处，还望不吝赐教。