無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)中的跨層傳輸優(yōu)化策略探析

趙立新

摘要：無(wú)限傳感器在當(dāng)今環(huán)境和軍事監(jiān)測(cè)上有很重要的作用，但是針對(duì)當(dāng)下我國(guó)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)利用率不高的實(shí)際情況，文章主要以此為切入點(diǎn)，提出相應(yīng)的跨層傳輸優(yōu)化策略，旨在提高傳輸效率，促進(jìn)信息網(wǎng)絡(luò)的整體平衡發(fā)展。

關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器；跨層傳輸；優(yōu)化策略

近年來(lái)，無(wú)限傳感器為了不斷地適應(yīng)服務(wù)質(zhì)量的一系列新的要求，開(kāi)始采用跨層傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)思想。跨層傳輸思想的融入使得傳統(tǒng)的各個(gè)獨(dú)立層面的界限開(kāi)始變得模糊起來(lái)，各個(gè)子層的網(wǎng)絡(luò)信息互相交流的參數(shù)通過(guò)共享，不斷優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)中的整體傳輸性能。雖然跨層優(yōu)化對(duì)各子層之間的聯(lián)系起到了一定的作用，但是隨著跨層優(yōu)化的深入，其結(jié)構(gòu)和規(guī)律也在不斷消失，從而使網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)不斷優(yōu)化的發(fā)展情況下，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)中的整體優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題也在不斷復(fù)雜化。因此，本文基于無(wú)限傳感網(wǎng)絡(luò)中跨層優(yōu)化出現(xiàn)的問(wèn)題提出相應(yīng)的應(yīng)用需求，進(jìn)而不斷優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)，以此來(lái)穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)的傳輸適應(yīng)性。

1 無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的概述

無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)是指由分布和合理部署在區(qū)域的傳感器組合而成的，通過(guò)對(duì)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的利用，對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域感知到的對(duì)象進(jìn)行信息的感知、采集和處理，并將這些信息進(jìn)行綜合整理分析后傳送給網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)的所有者。其主要特征有以下幾點(diǎn)。

1.1 規(guī)模大

由于在監(jiān)測(cè)區(qū)域部署的傳感器眾多，需要獲取的網(wǎng)絡(luò)信息量大，例如在發(fā)達(dá)城市區(qū)域采用傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行地震監(jiān)測(cè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)時(shí)，需要大量的傳感器節(jié)點(diǎn)做支撐；另一方面，傳感器節(jié)點(diǎn)在城市區(qū)域的布局很是密集，如此一來(lái)，也就是說(shuō)在面積較小的空間，緊密部署的大量傳感器節(jié)點(diǎn)而獲取的數(shù)據(jù)只能通過(guò)傳感器自行分析。這是因?yàn)閭鞲衅鞴?jié)點(diǎn)通過(guò)不同空間和角度而獲得的信息具有更大的信價(jià)比；能夠?qū)ΡO(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，同時(shí)又保證了精確度；但是由于存在的傳感器節(jié)點(diǎn)眾多，容易導(dǎo)致系統(tǒng)數(shù)據(jù)出錯(cuò)，并形成盲區(qū)，不利于數(shù)據(jù)傳輸。

1.2 動(dòng)態(tài)形式多樣

當(dāng)受到環(huán)境或者是低點(diǎn)消耗的影響，傳感器節(jié)點(diǎn)極有可能出現(xiàn)故障或者是失效；不同的環(huán)境變化對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感通信的變化也有一定的影響，時(shí)而出現(xiàn)斷路，時(shí)而通暢。另外，傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)視的對(duì)象和觀察者都有可能變化，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)必須不斷適應(yīng)各種變化，以此來(lái)保證動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.3 以數(shù)據(jù)為核心，可靠性強(qiáng)

無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的跨層傳輸和分層傳輸都是以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的。在互聯(lián)網(wǎng)中發(fā)展無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)，必須統(tǒng)一用專(zhuān)屬的IP地址標(biāo)識(shí)，基于IP為中心，也就是以地址為中心。

2 跨層優(yōu)化思想的概述

通過(guò)不同層次之間的信息交互進(jìn)行系統(tǒng)性的整體優(yōu)化是跨層優(yōu)化的核心思想，使網(wǎng)絡(luò)能夠不斷符合各個(gè)業(yè)務(wù)的要求，從而讓相鄰的層次之間的信息能夠有效地交互。其中傳統(tǒng)分層的設(shè)計(jì)各層之間相互獨(dú)立、結(jié)構(gòu)之間上下分開(kāi)，具備較高的靈活性和易維護(hù)的特點(diǎn)[1]。但是在分層功能當(dāng)中，很有可能出現(xiàn)不同層次重復(fù)的現(xiàn)象，對(duì)于只需要經(jīng)過(guò)5層的過(guò)程，卻經(jīng)過(guò)了若干層，既浪費(fèi)了資源，又增加了成本。而跨層優(yōu)化的思想打破了傳統(tǒng)常規(guī)，從整體出發(fā)，利用跨層設(shè)計(jì)技術(shù)，將原來(lái)紛繁復(fù)雜的多層或者是若干層只需要利用5層就可以完成操作，實(shí)時(shí)交互各個(gè)層次的信息，確保系統(tǒng)各個(gè)具體的需求進(jìn)而自適應(yīng)調(diào)整，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)所需要的層，各子層對(duì)主層或者是其他子層的變化作出相應(yīng)的反應(yīng)，并作出合理的策略和響應(yīng)，如圖1所示。

3 無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò)中跨層傳輸優(yōu)化的必然性

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)層次的性能并不是相互獨(dú)立的，如果將單個(gè)層的性能優(yōu)化成方案的終極解決方案，不受應(yīng)用限制，則不利于合理利用網(wǎng)絡(luò)資源。因此，加強(qiáng)對(duì)無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò)中跨層傳輸?shù)膬?yōu)化，對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的信息流通和資源利用具有十分重要的意義。

以數(shù)據(jù)為中心的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)，利用感知收集和傳輸數(shù)據(jù)是其主要目標(biāo)之一。不同的應(yīng)用背景對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用要求也不相同，具體到點(diǎn)和層上的傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用只有更加高效簡(jiǎn)潔才能達(dá)到最優(yōu)化的目的。

（2）無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用復(fù)雜，變化多樣，而傳統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)各個(gè)層相互制約和分離，其中包括物理層、鏈路層以及網(wǎng)絡(luò)層等等，無(wú)法充分利用各個(gè)層和點(diǎn)的資源實(shí)現(xiàn)高效網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)，因此必須不斷引入跨層傳輸優(yōu)化的思想[2]。

（3）整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的安全與各層的安全息息相關(guān)，是由各個(gè)層的安全總體決定的。因此，要想維護(hù)總體的安全，不能將所有的層都規(guī)范整理到一起，也不能將認(rèn)為所有的層次都能達(dá)到最佳效果，這在一定程度上是不可能達(dá)到的。要想各個(gè)突破，組合并優(yōu)化各個(gè)設(shè)計(jì)層，在層與層之間盡可能地預(yù)留安全銜接口，實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的整體安全。

4 無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的跨層傳輸優(yōu)化策略研究

運(yùn)用在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)中的跨層傳輸優(yōu)化主要包括問(wèn)題分析和問(wèn)題分解，以及數(shù)學(xué)建模。通過(guò)對(duì)理論和算法的優(yōu)化確立是對(duì)問(wèn)題分析和求解的優(yōu)化；充分利用數(shù)學(xué)工具對(duì)各網(wǎng)絡(luò)建模是數(shù)學(xué)建模。物理層主要對(duì)接收方發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收并識(shí)別；數(shù)據(jù)鏈路層主要是利用自動(dòng)請(qǐng)求機(jī)制、糾錯(cuò)編碼機(jī)制等適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和發(fā)送數(shù)據(jù)功率；向其他層無(wú)時(shí)無(wú)刻的而提供信息服務(wù)的是傳輸層，主要是面向通信最高層；網(wǎng)絡(luò)層主要是最大化地提供數(shù)據(jù)而不是服務(wù)質(zhì)量[3]。各個(gè)不同的層對(duì)應(yīng)的交互信息和接口不相同，因此其優(yōu)化目標(biāo)不同。

4.1 應(yīng)用層的優(yōu)化目標(biāo)

4.2 傳輸層的優(yōu)化目標(biāo)

傳輸層是整個(gè)運(yùn)輸過(guò)程中至關(guān)重要的一層，總體負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸和控制。在整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)中處于核心地位，既是數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罡邔樱质敲嫦蚱渌麑拥闹虚g層。因此，傳輸層在為無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)的過(guò)程當(dāng)中，應(yīng)該將傳輸?shù)刂诽峁┙o高層用戶(hù)的信息端口，使得高層資源得以共享和互通，從而使得傳輸層的管道運(yùn)輸更加優(yōu)化，對(duì)流量控制和差錯(cuò)控制實(shí)現(xiàn)端到端的統(tǒng)一連接，提高傳輸效率和工作機(jī)制[7]。

4.3 網(wǎng)絡(luò)層的優(yōu)化目標(biāo)

網(wǎng)絡(luò)層主要是靠數(shù)據(jù)鏈路層的相鄰端點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳送到功能至上，對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的通信數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步管理，通過(guò)專(zhuān)門(mén)的管道將數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)傳送到不同個(gè)節(jié)點(diǎn)上，它的主要內(nèi)容包括路由選擇算法、綜合業(yè)務(wù)法等。

4.4 物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的優(yōu)化目標(biāo)

物理層和數(shù)據(jù)鏈路層是傳輸數(shù)據(jù)當(dāng)中最常見(jiàn)的，將這兩者結(jié)合一起進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，一直對(duì)外形成一個(gè)不可攻破的“超級(jí)層”，不斷在不同的層間增加合理的新接口，對(duì)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)施聯(lián)合的推動(dòng)優(yōu)化，一方面可以大大省去兩層間的設(shè)置參數(shù)，另一方面仍然保持這物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的獨(dú)立，有利于跨層傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)和維護(hù)。

5 結(jié)語(yǔ)

基于傳統(tǒng)分層傳輸?shù)姆椒ú荒芨鶕?jù)網(wǎng)絡(luò)各層的狀態(tài)變化而達(dá)到自適應(yīng)的目的，本文提出采用跨層思想對(duì)傳輸進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)在各個(gè)網(wǎng)絡(luò)階層中交互信息與傳輸，建立健全信息交流機(jī)制，并在充分利用計(jì)算機(jī)自律的條件下，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)情況做出調(diào)節(jié)，有利于實(shí)現(xiàn)無(wú)限傳感網(wǎng)絡(luò)中的具體優(yōu)化和傳輸優(yōu)化，對(duì)于提升網(wǎng)絡(luò)性能和優(yōu)化資源具有十分重要的意義。

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