基于無(wú)線自組網(wǎng)的跨層設(shè)計(jì)研究

謝 科 黃成兵

（阿壩師范高等專科學(xué)校 計(jì)算機(jī)科學(xué)系，四川 汶川623002）

0 引言

網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要原則是按功能進(jìn)行層次劃分， 使之相互獨(dú)立，盡量減少交互。雖然這種設(shè)計(jì)方法在有線網(wǎng)絡(luò)中是成功的，但應(yīng)用在無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)中時(shí)效率和性能卻都很低下，而且非常不靈活[1]。原因在于無(wú)線自組網(wǎng)環(huán)境中，節(jié)點(diǎn)接入沖突、信號(hào)干擾、節(jié)點(diǎn)能量有限導(dǎo)致信號(hào)衰減等問(wèn)題是有線網(wǎng)絡(luò)中所沒(méi)有的，傳統(tǒng)的分層體系框架限制了無(wú)線自組網(wǎng)中通過(guò)各層間合作而能取得網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的能力。而當(dāng)前針對(duì)無(wú)線自組網(wǎng)特點(diǎn)所展開(kāi)的大量研究都是建立在特定層次基礎(chǔ)之上所做的孤立研究， 忽略了網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的整體需要和各網(wǎng)絡(luò)層之間的關(guān)聯(lián)性。 即使在一定程度上優(yōu)化了各個(gè)網(wǎng)絡(luò)層次，但卻不一定能夠給整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能帶來(lái)很好的提升。因此我們要在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中使用跨層設(shè)計(jì)的方法[2]。其設(shè)計(jì)要點(diǎn)是允許處于不同層次上的協(xié)議相互合作，在保持分層的前提下共享網(wǎng)絡(luò)中各層的狀態(tài)信息，從而達(dá)到優(yōu)化整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能的目的[3]。

1 無(wú)線自組網(wǎng)跨層設(shè)計(jì)的意義及要求

無(wú)線自組網(wǎng)又稱Ad Hoc 網(wǎng)，是一種開(kāi)放的、無(wú)須基礎(chǔ)設(shè)施及人工干預(yù)的網(wǎng)絡(luò)。 無(wú)線自組網(wǎng)在日常工作和生活中的作用越來(lái)越突出，為使其能更加廣泛地運(yùn)用于軍事通訊、災(zāi)后營(yíng)救、深海探測(cè)等領(lǐng)域，對(duì)自組網(wǎng)跨層設(shè)計(jì)的研究需要也越來(lái)越迫切。傳統(tǒng)有線網(wǎng)協(xié)議遵循分層結(jié)構(gòu)的原則，即高層協(xié)議為低層提供服務(wù)和支持，不關(guān)心其實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。而無(wú)線自組網(wǎng)鏈路卻有很多分層協(xié)議無(wú)法處理的問(wèn)題，如能量有效性問(wèn)題、節(jié)點(diǎn)資源受限問(wèn)題、拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化問(wèn)題等[4]，因此我們需要在無(wú)線自組網(wǎng)中引入跨層設(shè)計(jì)思想。無(wú)線自組網(wǎng)的跨層設(shè)計(jì)是指允許不同層上的協(xié)議之間可以相互通信，將網(wǎng)絡(luò)各子層的相關(guān)參數(shù)或變量，通過(guò)層間的信息交互實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一協(xié)調(diào)，使得協(xié)議棧能夠從全局的角度去對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，實(shí)現(xiàn)資源合理分配，提高網(wǎng)絡(luò)綜合性能。當(dāng)前的主要做法是利用各協(xié)議層間的依賴關(guān)系來(lái)進(jìn)行更好的協(xié)議設(shè)計(jì)，以求獲得整體工作性能的提升。

移動(dòng)自組網(wǎng)進(jìn)行跨層設(shè)計(jì)時(shí)要求也與一般有線網(wǎng)絡(luò)不相同,對(duì)協(xié)議棧上各層的具體通信協(xié)議有很多特殊的要求。例如受移動(dòng)自組網(wǎng)自身特點(diǎn)制約，需要在設(shè)計(jì)時(shí)具有較高的吞吐量、較低的平均時(shí)延、能夠支持多種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流量以及能夠根據(jù)需求支持高優(yōu)先級(jí)流量等具體要求，這些要求在無(wú)線自組網(wǎng)跨層設(shè)計(jì)時(shí)實(shí)現(xiàn)十分困難。

2 無(wú)線自組網(wǎng)跨層設(shè)計(jì)原則

2.1 兼容性

為了更好發(fā)揮無(wú)線自組網(wǎng)的功能及特性，新設(shè)計(jì)出的體系框架應(yīng)在全局上保證用戶間的兼容性及整體協(xié)同性。目前無(wú)線自組網(wǎng)中的協(xié)議較多，需要一個(gè)統(tǒng)一的參考體系框架，對(duì)各不同協(xié)議進(jìn)行相互比較。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)處應(yīng)具有Internet 的接入能力，最大限度地提高其兼容性和實(shí)用性。

2.2 交互性

進(jìn)行跨層設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分考慮到原有層間的交互及節(jié)點(diǎn)之間的交互兩種情況。 層間交互主要是處理節(jié)點(diǎn)內(nèi)部各層之間的信息交換，如使用變量或數(shù)據(jù)庫(kù)等具體實(shí)現(xiàn)。節(jié)點(diǎn)間交互主要是目的是提升整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量，而不僅僅是提升某一個(gè)節(jié)點(diǎn)的性能。因此，設(shè)計(jì)時(shí)既要利用單個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息，還要結(jié)合網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息以便于達(dá)到整體優(yōu)化的目標(biāo)。

2.3 靈活性

無(wú)線自組網(wǎng)區(qū)別于傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)方面也大有不同，如節(jié)點(diǎn)能量消耗、時(shí)延抖動(dòng)、可靠性、吞吐量等都與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不相同。同時(shí)，無(wú)線自組網(wǎng)在不同領(lǐng)域所用的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同。因此在進(jìn)行無(wú)線自組網(wǎng)跨層設(shè)計(jì)時(shí)，需要具有一定的靈活性，最好能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的無(wú)關(guān)性及運(yùn)行過(guò)程中可動(dòng)態(tài)配置等特性，拓寬其應(yīng)用范圍。

3 跨層設(shè)計(jì)原理

3.1 基于博弈理論的跨層設(shè)計(jì)

目前，使用博弈理論結(jié)合效用函數(shù)來(lái)進(jìn)行無(wú)線自組網(wǎng)跨層設(shè)計(jì)已有初步研究[5]。無(wú)線自組網(wǎng)跨層設(shè)計(jì)的主要目的是提高系統(tǒng)的有效性，并兼顧系統(tǒng)用戶間的公平性。 傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)是在資源域進(jìn)行，而跨層設(shè)計(jì)要考慮協(xié)議層之間的交互，往往是在比資源域更高的協(xié)議層上進(jìn)行，因此用效用函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)是一個(gè)比較常用的方法。

而使用博弈理論來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線自組網(wǎng)中的動(dòng)態(tài)資源管理和分配策略，可以高效地分配和使用無(wú)線資源，同時(shí)還可以兼顧系統(tǒng)的有效性和用戶的公平性，實(shí)現(xiàn)資源的跨層管理[3]。

3.2 基于有效容量的跨層設(shè)計(jì)

有效容量是D. Wu 在2003 年提出的一種信道模型[6]，其主要作用是通過(guò)使用時(shí)延限制、傳輸速率和時(shí)延違約概率這三個(gè)參數(shù)來(lái)分析無(wú)線自組網(wǎng)中的服務(wù)質(zhì)量保證問(wèn)題，計(jì)算也較為簡(jiǎn)單和精確。

有效容量模型理論中綜合考慮了物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可以把它擴(kuò)展到無(wú)線自組網(wǎng)的跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)中，利用它來(lái)分析物理層中各類傳輸策略對(duì)數(shù)據(jù)鏈路層QoS 性能的影響。有效容量模型相當(dāng)于作為橋梁連接了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，把物理層的信道模型看做是數(shù)據(jù)鏈路層隊(duì)列服務(wù)過(guò)程，進(jìn)一步分析QoS 來(lái)保證與物理層的相互關(guān)系。

3.3 反饋優(yōu)化

當(dāng)前對(duì)有線網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度問(wèn)題的研究已經(jīng)比較成熟，然而卻很難將有線網(wǎng)絡(luò)的分組調(diào)度算法直接應(yīng)用到無(wú)線自組網(wǎng)中。為了實(shí)現(xiàn)無(wú)線自組網(wǎng)中的資源調(diào)度分配，需要考慮各協(xié)議層之間交互的信息內(nèi)容及對(duì)各層的協(xié)議作出相應(yīng)調(diào)整。使用反饋優(yōu)化的方法進(jìn)行無(wú)線自組網(wǎng)的跨層設(shè)計(jì)，就是在對(duì)某一協(xié)議層進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，通過(guò)層間的信令，兼顧其他協(xié)議層的參數(shù)，更好地提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的整體性能。

3.4 基于鏈路自適應(yīng)的跨層設(shè)計(jì)

無(wú)線自組網(wǎng)通信時(shí)信道具有時(shí)變性，為了充分利用信道，提高頻譜利用率，使用基于鏈路自適應(yīng)的跨層設(shè)計(jì)是一種比較好的選擇。 鏈路自適應(yīng)技術(shù)的基本思想就是通過(guò)自動(dòng)地調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)送或接收的參數(shù)來(lái)充分地利用當(dāng)前的通信環(huán)境。具體做法是將自適應(yīng)傳輸技術(shù)與實(shí)際的無(wú)線自組網(wǎng)信道狀態(tài)進(jìn)行相互匹配，在信道狀態(tài)較差時(shí)自動(dòng)降低傳輸效率以提高糾錯(cuò)能力，在信道狀態(tài)好時(shí)自動(dòng)提高傳輸效率以提高頻譜利用率，最大限度地利用當(dāng)前的信道條件提高頻譜利用率。 當(dāng)前常用的鏈路自適應(yīng)技術(shù)有自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)、功率控制技術(shù)、自動(dòng)請(qǐng)求重傳技術(shù)、自適應(yīng)幀長(zhǎng)技術(shù)等。

4 無(wú)線自組網(wǎng)跨層設(shè)計(jì)具體實(shí)現(xiàn)方式

4.1 層間直接通信

為了無(wú)線自組網(wǎng)層間的信息能夠快速進(jìn)行共享，最簡(jiǎn)單的方法就是允許不同的層之間可以直接通信，如圖1 所示。要實(shí)現(xiàn)此功能，就需要將某層上的變量進(jìn)行開(kāi)放，使之在其他層上也可以直接被訪問(wèn)。 例如具體實(shí)現(xiàn)時(shí)使用協(xié)議頭來(lái)實(shí)現(xiàn)信息在層間流動(dòng)，這種方法可在分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的無(wú)線自組網(wǎng)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)少量的層與層之間的信息交換，但這也會(huì)帶來(lái)共享存儲(chǔ)空間管理的問(wèn)題。

圖1 不同層直接通信

4.2 跨層共享數(shù)據(jù)庫(kù)

使用層間直接通信的方法實(shí)現(xiàn)無(wú)線自組網(wǎng)跨層設(shè)計(jì)，通信量不大且會(huì)帶來(lái)一定問(wèn)題，為了更好地實(shí)現(xiàn)層間大量信息的共享，可以使用跨層共享數(shù)據(jù)庫(kù)信息的方法來(lái)解決。被共享的數(shù)據(jù)庫(kù)可以向所有網(wǎng)絡(luò)層提供相應(yīng)的信息和服務(wù)，如圖2 所示。 這種方法非常適合于實(shí)現(xiàn)不相鄰層之間的垂直通信，實(shí)現(xiàn)不同層間的即時(shí)交互，層與層之間的接口也可以在共享數(shù)據(jù)庫(kù)上實(shí)現(xiàn)。

圖2 跨層共享數(shù)據(jù)庫(kù)

4.3 全新的抽象方式

第三種無(wú)線自組網(wǎng)跨層設(shè)計(jì)方法是使用全新抽象。 例如，當(dāng)組織協(xié)議的時(shí)候不再使用棧而改為使用堆。 使用這種新的協(xié)議組織方法時(shí)，允許各構(gòu)造的協(xié)議塊之間擁有更加豐富的交互，能夠帶來(lái)更大的靈活性，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難，需要從底層開(kāi)始進(jìn)行全新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖3 設(shè)計(jì)全新的抽象

5 跨層設(shè)計(jì)帶來(lái)的問(wèn)題及挑戰(zhàn)

5.1 跨層設(shè)計(jì)方案的選擇問(wèn)題

目前有多種跨層設(shè)計(jì)方案，但這些方案并不都完全適合于無(wú)線自組網(wǎng)。因此在選擇設(shè)計(jì)方案時(shí)要從復(fù)雜度和對(duì)性能的改進(jìn)上進(jìn)行全面的分析比較，在兩者之間作出一個(gè)權(quán)衡。從當(dāng)前已有的研究來(lái)看，要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)層間相互作用，需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)層和MAC 層之間的跨層設(shè)計(jì)，而網(wǎng)絡(luò)層與傳輸層間實(shí)現(xiàn)共享信息可以提升節(jié)點(diǎn)的端到端性能。

5.2 不同跨層設(shè)計(jì)方案的共存問(wèn)題

單一的跨層設(shè)計(jì)方案可能并不會(huì)面面俱到，如果在無(wú)線自組網(wǎng)上已經(jīng)部署了一個(gè)跨層設(shè)計(jì)方案，今后還能否再部署一個(gè)或多個(gè)其他方案？ 若一個(gè)無(wú)線自組網(wǎng)跨層設(shè)計(jì)方案不能很好地解決面臨的問(wèn)題，除了對(duì)原有設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)外，能否加入新的跨層設(shè)計(jì)方案與之共同使用？

5.3 如何使用跨層設(shè)計(jì)問(wèn)題

無(wú)線自組網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境具有時(shí)變特性，跨層設(shè)計(jì)應(yīng)能使協(xié)議棧對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化作出相應(yīng)的響應(yīng)，以保持最佳運(yùn)行狀態(tài)。 為此需要解決兩個(gè)問(wèn)題：第一，要確定跨層設(shè)計(jì)方案在什么網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下能夠提高整體性能；第二，要建立一套有效的評(píng)估機(jī)制來(lái)確定其方案的有效性。

5.4 面臨的挑戰(zhàn)

無(wú)線自組網(wǎng)跨層設(shè)計(jì)在優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)整體性能的同時(shí)，也限制了體系結(jié)構(gòu)的模塊化特性。 因此，當(dāng)前進(jìn)行無(wú)線自組網(wǎng)模塊化設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)有三點(diǎn)：第一，跨層設(shè)計(jì)使得程序代碼變得無(wú)結(jié)構(gòu)狀態(tài)，可能導(dǎo)致維護(hù)上的困難；第二，跨層設(shè)計(jì)提供了豐富的層間交互功能，有可能會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)行為的退化；第三，跨層設(shè)計(jì)應(yīng)以提升網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的整體性能為出發(fā)點(diǎn)，而不是片面地解決局部問(wèn)題。

6 總結(jié)

盡管現(xiàn)在已有多種跨層設(shè)計(jì)方案提出， 但都還存在一些問(wèn)題，如前面提到的多設(shè)計(jì)方案共存，何時(shí)調(diào)用跨層設(shè)計(jì)方案，各層次角色分配等問(wèn)題。 大多數(shù)方案在設(shè)計(jì)時(shí)關(guān)注網(wǎng)絡(luò)整體性能的提升，少數(shù)方案關(guān)注跨層的相互作用如何具體實(shí)現(xiàn)，但將這兩者結(jié)合起來(lái)的研究卻很少。

使用跨層設(shè)計(jì)方法， 可以實(shí)現(xiàn)在無(wú)線自組網(wǎng)各協(xié)議層間交互參數(shù)，統(tǒng)一規(guī)劃調(diào)度或?qū)δ承┚W(wǎng)絡(luò)層次進(jìn)行融合，以達(dá)到提升無(wú)線自組網(wǎng)整體工作性能的目的。但目前無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計(jì)還處于完善階段，還存在很多問(wèn)題需要解決。以后的無(wú)線自組網(wǎng)跨層設(shè)計(jì)中，應(yīng)同時(shí)保留相應(yīng)的分層體系框架，使系統(tǒng)具有模塊化、易于維護(hù)且交互清晰。在研究側(cè)重上，可以從無(wú)線自組網(wǎng)提高能量利用率、基于QoS 的跨層設(shè)計(jì)、跨層設(shè)計(jì)框架等方面展開(kāi)深入研究。 使用跨層設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行無(wú)線自組網(wǎng)協(xié)議設(shè)計(jì)將是未來(lái)不可避免地發(fā)展趨勢(shì)。

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