谢 科 黄成兵

（阿坝师范高等专科学校 计算机科学系，四川 汶川623002）

0 引言

网络设计的一个重要原则是按功能进行层次划分， 使之相互独立，尽量减少交互。虽然这种设计方法在有线网络中是成功的，但应用在无线自组网络中时效率和性能却都很低下，而且非常不灵活[1]。原因在于无线自组网环境中，节点接入冲突、信号干扰、节点能量有限导致信号衰减等问题是有线网络中所没有的，传统的分层体系框架限制了无线自组网中通过各层间合作而能取得网络优化的能力。而当前针对无线自组网特点所展开的大量研究都是建立在特定层次基础之上所做的孤立研究， 忽略了网络设计的整体需要和各网络层之间的关联性。 即使在一定程度上优化了各个网络层次，但却不一定能够给整个网络系统的性能带来很好的提升。因此我们要在无线网络中使用跨层设计的方法[2]。其设计要点是允许处于不同层次上的协议相互合作，在保持分层的前提下共享网络中各层的状态信息，从而达到优化整个网络系统性能的目的[3]。

1 无线自组网跨层设计的意义及要求

无线自组网又称Ad Hoc 网，是一种开放的、无须基础设施及人工干预的网络。 无线自组网在日常工作和生活中的作用越来越突出，为使其能更加广泛地运用于军事通讯、灾后营救、深海探测等领域，对自组网跨层设计的研究需要也越来越迫切。传统有线网协议遵循分层结构的原则，即高层协议为低层提供服务和支持，不关心其实现细节。而无线自组网链路却有很多分层协议无法处理的问题，如能量有效性问题、节点资源受限问题、拓扑动态变化问题等[4]，因此我们需要在无线自组网中引入跨层设计思想。无线自组网的跨层设计是指允许不同层上的协议之间可以相互通信，将网络各子层的相关参数或变量，通过层间的信息交互实现统一协调，使得协议栈能够从全局的角度去对各个参数进行统一调度，实现资源合理分配，提高网络综合性能。当前的主要做法是利用各协议层间的依赖关系来进行更好的协议设计，以求获得整体工作性能的提升。

移动自组网进行跨层设计时要求也与一般有线网络不相同,对协议栈上各层的具体通信协议有很多特殊的要求。例如受移动自组网自身特点制约，需要在设计时具有较高的吞吐量、较低的平均时延、能够支持多种业务数据流量以及能够根据需求支持高优先级流量等具体要求，这些要求在无线自组网跨层设计时实现十分困难。

2 无线自组网跨层设计原则

2.1 兼容性

为了更好发挥无线自组网的功能及特性，新设计出的体系框架应在全局上保证用户间的兼容性及整体协同性。目前无线自组网中的协议较多，需要一个统一的参考体系框架，对各不同协议进行相互比较。同时，网络中的网关节点处应具有Internet 的接入能力，最大限度地提高其兼容性和实用性。

2.2 交互性

进行跨层设计时，需要充分考虑到原有层间的交互及节点之间的交互两种情况。 层间交互主要是处理节点内部各层之间的信息交换，如使用变量或数据库等具体实现。节点间交互主要是目的是提升整个网络的服务质量，而不仅仅是提升某一个节点的性能。因此，设计时既要利用单个节点的状态信息，还要结合网络中其他节点的状态信息以便于达到整体优化的目标。

2.3 灵活性

无线自组网区别于传统有线网络，在网络性能评价标准方面也大有不同，如节点能量消耗、时延抖动、可靠性、吞吐量等都与传统网络不相同。同时，无线自组网在不同领域所用的评价标准也不尽相同。因此在进行无线自组网跨层设计时，需要具有一定的灵活性，最好能够实现网络平台的无关性及运行过程中可动态配置等特性，拓宽其应用范围。

3 跨层设计原理

3.1 基于博弈理论的跨层设计

目前，使用博弈理论结合效用函数来进行无线自组网跨层设计已有初步研究[5]。无线自组网跨层设计的主要目的是提高系统的有效性，并兼顾系统用户间的公平性。 传统的网络设计是在资源域进行，而跨层设计要考虑协议层之间的交互，往往是在比资源域更高的协议层上进行，因此用效用函数来实现这个目标是一个比较常用的方法。

而使用博弈理论来实现无线自组网中的动态资源管理和分配策略，可以高效地分配和使用无线资源，同时还可以兼顾系统的有效性和用户的公平性，实现资源的跨层管理[3]。

3.2 基于有效容量的跨层设计

有效容量是D. Wu 在2003 年提出的一种信道模型[6]，其主要作用是通过使用时延限制、传输速率和时延违约概率这三个参数来分析无线自组网中的服务质量保证问题，计算也较为简单和精确。

有效容量模型理论中综合考虑了物理层与数据链路层的关联关系，可以把它扩展到无线自组网的跨层优化设计中，利用它来分析物理层中各类传输策略对数据链路层QoS 性能的影响。有效容量模型相当于作为桥梁连接了物理层和数据链路层，把物理层的信道模型看做是数据链路层队列服务过程，进一步分析QoS 来保证与物理层的相互关系。

3.3 反馈优化

当前对有线网络资源调度问题的研究已经比较成熟，然而却很难将有线网络的分组调度算法直接应用到无线自组网中。为了实现无线自组网中的资源调度分配，需要考虑各协议层之间交互的信息内容及对各层的协议作出相应调整。使用反馈优化的方法进行无线自组网的跨层设计，就是在对某一协议层进行优化时，通过层间的信令，兼顾其他协议层的参数，更好地提高网络系统的整体性能。

3.4 基于链路自适应的跨层设计

无线自组网通信时信道具有时变性，为了充分利用信道，提高频谱利用率，使用基于链路自适应的跨层设计是一种比较好的选择。 链路自适应技术的基本思想就是通过自动地调节信号发送或接收的参数来充分地利用当前的通信环境。具体做法是将自适应传输技术与实际的无线自组网信道状态进行相互匹配，在信道状态较差时自动降低传输效率以提高纠错能力，在信道状态好时自动提高传输效率以提高频谱利用率，最大限度地利用当前的信道条件提高频谱利用率。 当前常用的链路自适应技术有自适应编码调制技术、功率控制技术、自动请求重传技术、自适应帧长技术等。

4 无线自组网跨层设计具体实现方式

4.1 层间直接通信

为了无线自组网层间的信息能够快速进行共享，最简单的方法就是允许不同的层之间可以直接通信，如图1 所示。要实现此功能，就需要将某层上的变量进行开放，使之在其他层上也可以直接被访问。 例如具体实现时使用协议头来实现信息在层间流动，这种方法可在分层结构设计的无线自组网系统中实现少量的层与层之间的信息交换，但这也会带来共享存储空间管理的问题。

图1 不同层直接通信

4.2 跨层共享数据库

使用层间直接通信的方法实现无线自组网跨层设计，通信量不大且会带来一定问题，为了更好地实现层间大量信息的共享，可以使用跨层共享数据库信息的方法来解决。被共享的数据库可以向所有网络层提供相应的信息和服务，如图2 所示。 这种方法非常适合于实现不相邻层之间的垂直通信，实现不同层间的即时交互，层与层之间的接口也可以在共享数据库上实现。

图2 跨层共享数据库

4.3 全新的抽象方式

第三种无线自组网跨层设计方法是使用全新抽象。 例如，当组织协议的时候不再使用栈而改为使用堆。 使用这种新的协议组织方法时，允许各构造的协议块之间拥有更加丰富的交互，能够带来更大的灵活性，但实现起来比较困难，需要从底层开始进行全新的系统设计来实现。

图3 设计全新的抽象

5 跨层设计带来的问题及挑战

5.1 跨层设计方案的选择问题

目前有多种跨层设计方案，但这些方案并不都完全适合于无线自组网。因此在选择设计方案时要从复杂度和对性能的改进上进行全面的分析比较，在两者之间作出一个权衡。从当前已有的研究来看，要实现两个层间相互作用，需要进行网络层和MAC 层之间的跨层设计，而网络层与传输层间实现共享信息可以提升节点的端到端性能。

5.2 不同跨层设计方案的共存问题

单一的跨层设计方案可能并不会面面俱到，如果在无线自组网上已经部署了一个跨层设计方案，今后还能否再部署一个或多个其他方案？ 若一个无线自组网跨层设计方案不能很好地解决面临的问题，除了对原有设计方案进行改进外，能否加入新的跨层设计方案与之共同使用？

5.3 如何使用跨层设计问题

无线自组网运行环境具有时变特性，跨层设计应能使协议栈对网络环境的变化作出相应的响应，以保持最佳运行状态。 为此需要解决两个问题：第一，要确定跨层设计方案在什么网络环境下能够提高整体性能；第二，要建立一套有效的评估机制来确定其方案的有效性。

5.4 面临的挑战

无线自组网跨层设计在优化网络整体性能的同时，也限制了体系结构的模块化特性。 因此，当前进行无线自组网模块化设计面临的挑战有三点：第一，跨层设计使得程序代码变得无结构状态，可能导致维护上的困难；第二，跨层设计提供了丰富的层间交互功能，有可能会导致网络行为的退化；第三，跨层设计应以提升网络系统的整体性能为出发点，而不是片面地解决局部问题。

6 总结

尽管现在已有多种跨层设计方案提出， 但都还存在一些问题，如前面提到的多设计方案共存，何时调用跨层设计方案，各层次角色分配等问题。 大多数方案在设计时关注网络整体性能的提升，少数方案关注跨层的相互作用如何具体实现，但将这两者结合起来的研究却很少。

使用跨层设计方法， 可以实现在无线自组网各协议层间交互参数，统一规划调度或对某些网络层次进行融合，以达到提升无线自组网整体工作性能的目的。但目前无线自组网络跨层设计还处于完善阶段，还存在很多问题需要解决。以后的无线自组网跨层设计中，应同时保留相应的分层体系框架，使系统具有模块化、易于维护且交互清晰。在研究侧重上，可以从无线自组网提高能量利用率、基于QoS 的跨层设计、跨层设计框架等方面展开深入研究。 使用跨层设计的方法进行无线自组网协议设计将是未来不可避免地发展趋势。

［1］Chris Barrett, et.al. Characterizing the Interaction Between Routing and MAC Protocols in Ah-hoc Networks[J]. In Proc. of MobiHoc’02, June 9-11, 2007.

［2］M. V. Schaar and N. S. Shankar. Cross-layer wireless multimedia transmission:challenges, principles, and new paradigms [J]. IEEE Wireless Communications,PP.50-58,Aug 2005.

［3］张海霞.无线通信跨层设计-从原理到应用[M].人民邮电出版社,2010.7:7-11.

［4］凤俊翔.Ad hoc 网络中基于DSR 的安全路由协议研究[J].制造业自动化，2010，11:116-118.

［5］J. V. Neumann,O. Morgenstern. Theory of Games and Economic Behavior[M].Princeton University Press,1944.

［6］D. Wu and R. Negi. Effective capacity: A wireless link model for support of quality of service. IEEE Trans [M]. Wireless Commun.,vol.2,NO.4,pp.630-643,July 2003.