范 菁，謝建斌，陶芝芹，樊 強

(1．云南民族大學電氣信息工程學院，云南 昆明650031 2．云南大學城市建設與管理學院，云南 昆明650091)

當前，隨著信息技術的不斷發(fā)展，泛在式異構一體化綜合網(wǎng)絡［1］已成為各種通信網(wǎng)絡的建設目標．無線傳感器網(wǎng)絡、無線Mesh網(wǎng)絡、Ad Hoc網(wǎng)絡以及UMB、WiFi等各種新興無線網(wǎng)絡技術也由于各自不同的特性和應用而受到重視與發(fā)展．

無線傳感器網(wǎng)絡［2］(Wireless Sensor Networks，WSN)是由一組傳感器以Ad Hoc方式構成的無線網(wǎng)絡，能協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡分布區(qū)域內(nèi)環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，具有覆蓋區(qū)域大、可遠程監(jiān)控、監(jiān)測精度高、部署速度快等優(yōu)點，但存在電源能量、通信能力、節(jié)點計算能力與特定應用相關等局限．無 線 網(wǎng) 狀 網(wǎng) 絡［3］(Wireless Mesh Networks，WMN)又被稱為無線網(wǎng)格網(wǎng)，是一種新型的寬帶接入網(wǎng)絡，也是一種動態(tài)的自組織、自配置的多跳(Multi－Hop)網(wǎng)絡．WMN的目的是組成一個異構大型網(wǎng)絡，核心指導思想是讓網(wǎng)絡中每個節(jié)點都具有路由器和中繼器的功能．WMN可方便地提供健壯的、可靠的網(wǎng)絡覆蓋，具有任意拓撲，組網(wǎng)靈活、迅速，自穩(wěn)定，隨需擴展，頻譜效率高、覆蓋范圍廣、可靠性強，非常適合有線不方便場合，可與WSN互補等特點，有明顯的分布式自組織特征．當前空間復用度、多信道、路由度量、負載均衡、功率控制、跨層設計等方面的研究［3］是無線Mesh網(wǎng)絡的研究重點．根據(jù)WSN和WMN特點，將無線Mesh網(wǎng)絡作為異構無線傳感器網(wǎng)絡接入的骨干網(wǎng)絡，并將無線傳感器網(wǎng)絡作為泛在網(wǎng)絡的接入網(wǎng)絡，可形成基于無線Mesh網(wǎng)絡的由多種不同類型傳感器節(jié)點構成的異構無線傳感器網(wǎng)絡［4－5］(Heterogeneous Wireless Sensor Network，HWSN)．異構無線傳感器網(wǎng)絡的異構特性體現(xiàn)在節(jié)點異構性(包括感知能力、計算能力、通信能力和能量等)、鏈路異構性和網(wǎng)絡協(xié)議異構性等方面．目前關于基于無線Mesh網(wǎng)絡的異構傳感器網(wǎng)絡研究內(nèi)容涉及無線傳感器網(wǎng)絡的通信、基礎設施、中間件、數(shù)據(jù)管理、嵌入式系統(tǒng)及跨層通信等．其中，由于無線傳感器網(wǎng)絡的通信、基礎設施、中間件、數(shù)據(jù)管理、嵌入式系統(tǒng)及跨層通信等與跨層設計關系密切且跨層設計又關系到網(wǎng)絡整體性能，因此跨層設計已成為目前HWSN研究重點和熱點．

研究表明［6－7］，為提高 HWSN 性能、更有效地分配和利用有限的網(wǎng)絡資源，研究基于無線Mesh網(wǎng)絡的HWSN層間通信機制并進行相應的跨層設計是關鍵．HWSN跨層設計是相對分層結(jié)構而言所設計的一種算法或協(xié)議，跨層設計是一種可實現(xiàn)一系列層間相互交互的結(jié)構，跨層設計中的層間交互可提供高于分層結(jié)構接口標準的超集鏈路．自2005年Srivastava和Motani第1次提出跨層［8］概念以來，眾多研究者開展了大量的HWSN網(wǎng)絡跨層研究工作．針對不同網(wǎng)絡性能要求，基于傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡協(xié)議分層架構，采用松散耦合跨層設計、緊耦合跨層設計方法以及不同的HWSN跨層設計方案，先后提出了眾多各有特色的跨層協(xié)議，并在HWSN性能的數(shù)值分析和算法仿真方面提出了眾多跨層解決方案．但目前關于HWSN跨層協(xié)議的研究仍處于起步階段，且跨層協(xié)議的測試平臺及應用于實際網(wǎng)絡的跨層協(xié)議［9］尚未實現(xiàn)．

本文通過分析HWSN跨層設計目的、設計方法，比較研究當前相關跨層網(wǎng)絡協(xié)議，旨在探討未來HWSN跨層設計的發(fā)展方向，為相關研究工作提供一定的參考和借鑒．

1 異構無線傳感器網(wǎng)絡跨層設計方法

相關研究表明［10－15］，在分層架構的網(wǎng)絡協(xié)議中，網(wǎng)絡協(xié)議棧各層間只能通過預定義的接口通信，分層思想使各層協(xié)議開發(fā)相對簡單．但嚴格分層結(jié)構對WSN及HWSN中并不適用．不適用的主要原因是：①WSN及HWSN中拓撲相對動態(tài)且鏈路質(zhì)量不穩(wěn)定特點使分層思想嚴重影響了WSN和HWSN最優(yōu)系統(tǒng)性能的實現(xiàn);②WSN及HWSN各層間存在依賴性．因此，為實現(xiàn)WSN和HWSN系統(tǒng)性能優(yōu)化的目的，WSN和HWSN中2層或者更多層的參數(shù)需要被恢復或改變，而利用跨層設計可實現(xiàn)WSN和HWSN中各層協(xié)議協(xié)同工作以適應網(wǎng)絡狀態(tài)動態(tài)變化，從而優(yōu)化網(wǎng)絡整體性能．

研究表明，目前跨層設計［16－26］主要有松散耦合跨層設計和緊耦合跨層設計2種執(zhí)行方法．當采用松散耦合跨層設計時，僅針對單個協(xié)議層的性能進行優(yōu)化，但為改善本層協(xié)議性能則需其他協(xié)議層的參數(shù)協(xié)同計算．松散耦合跨層設計方法中，在其他協(xié)議層參與本層的計算時，通常參數(shù)是由低一級協(xié)議層向高一級協(xié)議層次傳遞．如松散耦合跨層設計時，在MAC層數(shù)據(jù)包丟失率或物理層信道狀態(tài)報告給運輸層后，TCP協(xié)議便可區(qū)分數(shù)據(jù)包丟失和擠塞情況．又如，物理層可將鏈路質(zhì)量作為一個額外性能度量報告給路由協(xié)議從而可作為路由計算依據(jù)．而當采用緊耦合跨層設計時，僅靠層與層間的信息共享是不夠的．事實上，緊耦合跨層設計的優(yōu)點是沒有徹底放棄協(xié)議層間的透明度，不同層次的優(yōu)化是一個協(xié)同優(yōu)化問題．如對多通道TDMA的無線網(wǎng)狀網(wǎng)MAC和路由協(xié)議，相應的時隙、信道和路由路徑可由單一個算法獲取和管理，并可利用緊耦合跨層設計方法設計出性能優(yōu)于采用松散耦合跨層設計方法設計的協(xié)議．

2 異構無線傳感器網(wǎng)絡中各層次的跨層設計

鑒于協(xié)議棧跨層設計可在任何兩層執(zhí)行，因此WSN及HWSN跨層設計可在網(wǎng)絡任意兩層或多層次間進行．研究表明，當前異構無線傳感器網(wǎng)絡的跨層設計主要包含了應用層跨層協(xié)議、傳輸層跨層協(xié)議、網(wǎng)絡層跨層協(xié)議、MAC層跨層協(xié)議和物理層跨層協(xié)議;研究同樣表明，目前評價跨層設計優(yōu)劣的主要方法是通過評價使用跨層設計方案后網(wǎng)絡能耗、吞吐量、效率、延時、健壯性、公平性等性能指標是否優(yōu)化．

2．1 應用層跨層協(xié)議

HWSN應用層可提供視頻、安全組播、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)質(zhì)量、實驗平臺等服務以及實現(xiàn)密鑰管理和泛洪攻擊檢測等安全支持．目前HWSN應用層的跨層設計主要為視頻、數(shù)據(jù)融合和安全支持服務．

2．1．1 視頻服務跨層協(xié)議

目前，WSN和HWSN應用層的跨層設計大多是為視頻傳感器網(wǎng)絡服務的．文獻［10］證明了IEEE 802．15．3技術不適合動態(tài)比特率編碼(VBR)視頻傳輸，并提出了能量區(qū)分應用感知調(diào)度(EDAS)的跨層設計方法．文獻［11］提出了在 WSN中傳輸H.26L視頻的定向地理路由(DGR)方案，通過采用不同路徑匯流傳輸以避免能量在單個路徑中的損耗．文獻［12］提出了一種基于CDMA的跨層實時多視頻流設計框架．該設計框架通過調(diào)整信源編碼率和每個節(jié)點的發(fā)射功率使視頻質(zhì)量滿足端到端的延遲限制，并采用基于經(jīng)典凸規(guī)劃方法集的解決方案和分布式拉格朗日對偶分解方案證明上述問題收斂且有全局最優(yōu)解．文獻［13］提出基于地理轉(zhuǎn)發(fā)的無線視頻傳感器網(wǎng)絡(VSN)兩跨層間可靠的視頻傳輸解決方案，其中負載均衡方案轉(zhuǎn)發(fā)(LBRF)可根據(jù)本地負載均衡情況動態(tài)決定下一跳;而定向負載平衡擴散(DLBS)可結(jié)合當?shù)睾头较蛐?空間)的負載均衡情況提供可靠快捷的視頻傳輸．文獻［14］關于視頻傳感器網(wǎng)絡的跨層設計兼顧了視頻質(zhì)量和視頻流的公平性．文獻［15］引入了支持視頻點播的多跳WiMax網(wǎng)狀網(wǎng)服務的跨層框架，并提出了針對視頻流接納控制和信道調(diào)度的聯(lián)合方案．在該聯(lián)合方案中，為減少帶寬消耗，設計了一個基于組播樹的高效、輕量級多播路由協(xié)議．此外，該聯(lián)合方案應用層中采用了修補技術以提高視頻服務器能力．仿真研究表明，該聯(lián)合方案可滿足高數(shù)據(jù)到達率下的WiMax視頻點播需求．

2．1．2 數(shù)據(jù)融合跨層協(xié)議

數(shù)據(jù)融合是WSN和HWSN應用層另一主要服務．WSN和HWSN應用層的數(shù)據(jù)融合機制是：當發(fā)送方獲知路徑中某些鏈路擁塞時，發(fā)送方會在發(fā)送前壓縮數(shù)據(jù)即數(shù)據(jù)融合(數(shù)據(jù)聚合)算法．文獻［16］提出了GRASS數(shù)據(jù)融合算法，該算法通過形成簇群，并由簇頭對來自簇內(nèi)傳感器的數(shù)據(jù)進行融合，然后由簇頭負責尋求最大化網(wǎng)絡壽命的路徑．文獻［16］研究表明，GRASS數(shù)據(jù)融合算法可避免網(wǎng)絡壽命受限于簇頭壽命，可節(jié)省網(wǎng)絡壽命．文獻［17］針對單跳分簇網(wǎng)絡結(jié)構設計了一個基于CSI(信道狀態(tài)信息)的優(yōu)化數(shù)據(jù)融合算法，并根據(jù)融合結(jié)果跨層選擇合適的傳感器節(jié)點以傳送當?shù)匦畔?，從而有效延長網(wǎng)絡生命．文獻［18］提出了一個新的超時控制計劃．在該計劃中，數(shù)據(jù)聚合過程通過深入分析當前積累數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)總延遲以權衡網(wǎng)絡能耗與效率，進一步提高了網(wǎng)絡能量有效性．

2．1．3 應用層其他服務跨層協(xié)議

WSN和HWSN應用層的其他服務有泛洪攻擊檢測、數(shù)據(jù)質(zhì)量和實驗平臺．文獻［19］設計了一種跨層的泛洪攻擊檢測算法(RCFDAT)，進一步擴大檢出率，減少錯誤報警率．文獻［19］研究結(jié)果表明，RCFDAT可通過觀察數(shù)據(jù)流量的變化以確定攻擊類型;此外，一旦懷疑類似泛洪攻擊，RCFDAT可立刻全面觀察各層計算費用、帶寬消耗等資源利用情況，從而更準確地報告攻擊類型和程度．文獻［20］采用跨層方法提高了數(shù)據(jù)質(zhì)量．文獻［21］研究了提高跨層實驗平臺工作性能的相關跨層協(xié)議．

2．2 傳輸層跨層協(xié)議

與WSN相似，HWSN的傳輸層可為網(wǎng)路節(jié)點連接提供可靠傳輸、差錯控制、流量控制以及QoS等服務．HWSN傳輸層流量及擁塞控制是傳輸層協(xié)議的關鍵．研究表明，由于HWSN中數(shù)據(jù)傳輸具有集中突發(fā)特性，因而目前針對HWSN傳輸層擁塞控制的相關研究并不多．已有的HWSN傳輸層擁塞控制跨層設計主要有基于擁塞優(yōu)先級的跨層設計和基于多通道分布式擁塞控制的跨層設計．文獻［22］研究并提出了基于擁塞優(yōu)先級的跨層控制協(xié)議(PCCP)，PCCP從網(wǎng)絡層角度考慮了傳輸擁塞控制．PCCP包括2個位于網(wǎng)絡層和MAC層間的隊列，其中一個隊列是節(jié)點自身產(chǎn)生的流隊列，另一個隊列是通過節(jié)點流隊列．PCCP能通過計算隊列中交互到達包的時間來檢測擁塞，用擁塞通知機制(ICN)告知其他節(jié)點目前網(wǎng)絡擁塞狀態(tài)，然后通過在每個節(jié)點減少網(wǎng)絡注入流量來控制網(wǎng)絡擁塞程度．試驗結(jié)果表明，當采用PCCP時，HWSN的吞吐量比普通網(wǎng)絡提高了90%，且網(wǎng)絡流量間調(diào)度公平．文獻［23］提出了一種多通道無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(MC－WMNs)的分布式擁塞感知信道分配(DCACA)算法．在DCACA算法中，頻道分配根據(jù)擠塞狀況調(diào)度，DCACA基本思想是根據(jù)排隊延遲、丟包率和積累長度差別，每個節(jié)點執(zhí)行本地搜索，并引入干擾頻率矩陣，以實現(xiàn)不同渠道之間的重疊、增加吞吐量融合、減少包中轉(zhuǎn)的平均輪次．文獻［23］仿真結(jié)果表明，DCACA算法提高了網(wǎng)絡總吞吐量;與采用3個非重疊信道的 IEEE 802．11b相比，當采用DCACA的所有11個信道部分重疊時，網(wǎng)絡總體吞吐量可提高25%，平均往返時間可縮短一半以上．

2．3 網(wǎng)絡層跨層協(xié)議

HWSN網(wǎng)絡層的主要功能是發(fā)現(xiàn)和維護路由．當前，為提升HWSN網(wǎng)絡性能，常通過在網(wǎng)絡層選擇合理的路由以保證網(wǎng)絡傳輸路徑經(jīng)歷最少跳數(shù)．通常一個自適應跨層路由協(xié)議可基于物理鏈路的信息來選擇路由，也可基于MAC層的調(diào)度策略來選擇路由．目前HWSN網(wǎng)絡層的跨層路由設計主要有分簇節(jié)能跨層設計、樹狀跨層設計、地理位置跨層設計以及基于先進技術的跨層路由設計．

2．3．1 分簇節(jié)能跨層路由協(xié)議

分簇節(jié)能跨層路由協(xié)議是基于高效的分簇算法形成合理的網(wǎng)絡結(jié)構，并通過跨層的主動能量管理阻止網(wǎng)絡連通性下降，實現(xiàn)延長網(wǎng)絡的生命周期的路由協(xié)議．

當前應用最為廣泛的一個分簇節(jié)能路由協(xié)議是LEACH［24］(低能量自適應分簇路由協(xié)議)．在LEACH協(xié)議中，網(wǎng)絡被分為簇，每個循環(huán)輪次中簇內(nèi)隨機選擇簇頭且簇內(nèi)所有節(jié)點都有機會成為簇頭，因此所有節(jié)點都會分享能量．當前，基于LEACH算法的分簇節(jié)能跨層路由協(xié)議設計已成為HWSN網(wǎng)絡層跨層研究的重要研究方向，并有相關影響力的研究成果．文獻［25］提出的跨層路由協(xié)議，基于能量感知單元協(xié)議(CEDA)，將WSN分為小單元，并在單元內(nèi)擴展LEACH為多跳路由．當采用文獻［25］跨層路由協(xié)議時，路由表包括1個或多個可從鄰居節(jié)點得到的能量水平變量，路由時該能量水平變量信息可作為衡量因素，以避免出現(xiàn)能量剩余不多的節(jié)點作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點．文獻［26］提出了一個集成了MAC和路由功能的跨層協(xié)議(MERLIN)．MERLIN的基本思想是將網(wǎng)絡分為時區(qū)，采用組播上行流和下行流方法來傳遞數(shù)據(jù)，同時由同步ACK和否認ACK來有效避免接收和傳輸錯誤．文獻［26］研究表明，MERLIN可在非常低的占空比下傳輸數(shù)據(jù)并顯著延長網(wǎng)絡生命．

2．3．2 樹狀跨層路由協(xié)議

樹狀跨層路由協(xié)議是基于樹狀拓撲，聯(lián)合MAC層或物理層相關信息，實現(xiàn)最小能耗或能耗均衡的路由算法．

文獻［27］提出了不考慮WSNs帶寬限制的最小路徑或最小能量路徑的解決方法．文獻［27］提出的協(xié)議可根據(jù)利用率調(diào)整TDMA連接比率，從而可增加網(wǎng)絡壽命40%．文獻［28］探討了由無線網(wǎng)狀網(wǎng)客戶端和Mesh路由器組成網(wǎng)絡優(yōu)化路由和自適應調(diào)度的方法，發(fā)展了瞬時容量區(qū)的概念，并構建了與瞬時容量區(qū)有關的多跳路由和傳輸調(diào)度，保障了網(wǎng)絡的穩(wěn)定性和公平性．文獻［28］還采用了Lyapunov數(shù)學方法對網(wǎng)絡路由進行優(yōu)化，相關研究對網(wǎng)絡路由優(yōu)化具有借鑒作用．

2．3．3 地理位置跨層路由協(xié)議

基于地理位置的路由協(xié)議利用位置信息指導路由的發(fā)現(xiàn)、維護和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)信息的定向傳輸，避免信息在整個網(wǎng)絡的洪泛，減少路由協(xié)議的控制開銷，優(yōu)化路徑選擇，通過利用節(jié)點位置信息構建網(wǎng)絡拓撲圖，易于進行網(wǎng)絡管理，實現(xiàn)網(wǎng)絡的全局優(yōu)化．

文獻［29］采用地理轉(zhuǎn)發(fā)來控制流以及跳到跳的QoS請求，并提出了可提供QoS服務的跨層控制單元(XLCU)．其中，XLCU可控制調(diào)度和估計UWB的時間分配、避免沖撞閑置監(jiān)聽．文獻［29］的算法可提高系統(tǒng)吞吐量、可靠性并減小延遲．

2．3．4 基于先進物理層技術的網(wǎng)絡層跨層路由協(xié)議

針對HWSN網(wǎng)絡層的跨層路由設計，除了分簇節(jié)能跨層設計、樹狀跨層設計、地理位置跨層設計以外，跨層路由協(xié)議設計也涉及了很多先進的物理層技術．文獻［30］考慮了數(shù)據(jù)流動態(tài)性和網(wǎng)絡拓撲動態(tài)改變特性，并引入了在FDMA信道模型下的M點聯(lián)合路由算法．文獻［31］基于路由和MAC的天線平臺(APRMAC)設計了跨層協(xié)議．在文獻［31］的跨層協(xié)議中，每個節(jié)點都需通過發(fā)送hello包來發(fā)現(xiàn)該節(jié)點的一跳鄰居節(jié)點，然后將信息發(fā)送至天線節(jié)點，天線平臺通過計算所有節(jié)點與其最近sink節(jié)點的路徑后，可為節(jié)點調(diào)度相應的接入時間．因此采用文獻［31］的跨層協(xié)議時，每個節(jié)點都可知何時傳輸、何時偵聽、何時休眠，并可以節(jié)省網(wǎng)絡能耗．文獻［32］以LEACH協(xié)議為多簇路由基礎，在設計跨層協(xié)議時考慮了MIMO通信．在文獻［32］的網(wǎng)絡層跨層協(xié)議中，為實現(xiàn)接收包的最小錯誤概率，簇頭負責選擇與參加下一簇頭MIMO通信的節(jié)點，以避免包重傳，減少了能量損耗．文獻［33］提出了最大化生成樹搜索機制(MASTS)來創(chuàng)建虛擬MIMO鏈路的跨層設計，并通過連接路由選擇最佳節(jié)點集合形成通信路徑．此外，網(wǎng)絡層跨層路由協(xié)議設計還引入了部分最新的網(wǎng)絡技術．文獻［34］提出了路由和鏈路調(diào)度復用算法，旨在提高無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡的吞吐能力．文獻［35］提出了一個跨層認知路由協(xié)議，針對動態(tài)CRNs提供機會主義差別服務路由協(xié)議(OSDRP)．文獻［35］的OSDRP通過可用機會頻譜發(fā)現(xiàn)最小延遲最大的穩(wěn)定性路由，不僅考慮了網(wǎng)絡切換時延，還考慮了主要用戶網(wǎng)絡排隊動態(tài)時延 CRNs．此外，OSDRP的服務區(qū)分可由傳輸功率控制和機會主義路由結(jié)合獲?。抡娼Y(jié)果表明，采用文獻［35］的OSDRP，網(wǎng)絡延遲和吞吐量性能較好．

2．4 MAC層跨層協(xié)議

HWSN中MAC協(xié)議性能的提高可有效節(jié)約能量、提高網(wǎng)絡吞吐量、降低網(wǎng)絡延時．跨層的MAC協(xié)議設計是HWSN的研究熱點之一．HWSN中MAC層的跨層設計既可在物理層與MAC層間進行，也可在MAC層和網(wǎng)絡層間進行．目前有代表性的MAC層跨層協(xié)議主要有按需分配接入方式MAC層跨層協(xié)議、固定接入方式MAC層跨層協(xié)議和混合型跨多層MAC層跨層協(xié)議3種方式．

2．4．1按需分配接入方式MAC層跨層協(xié)議

當前按需分配接入方式MAC層跨層協(xié)議主要有基于CSMA、SS－Trees(感知休眠樹)、ALOHA媒體訪問和分布式排隊等方法．文獻［36］在跨層活躍管理方案中使用了基于IEEE 802．15．4媒體接入的CSMA/CA技術．在文獻［36］中，網(wǎng)絡傳感器的占空比可保障事件感知的一定可靠性，同時網(wǎng)絡傳感器的占空比根據(jù)物理層測量的包丟失率，包沖撞概率，包阻塞概率以及MAC層測量的時間概率分配情況計算．文獻［36］考慮了分布和集中2種情況．集中情況下，先由網(wǎng)絡Sink節(jié)點決定占空比然后傳輸?shù)狡渌?jié)點，可靠性高，但更快消耗同等節(jié)點的能量;分布情況下，協(xié)調(diào)節(jié)點只發(fā)送活躍的節(jié)點數(shù)給傳感器，傳感器自己計算占空比以保持可靠性，協(xié)調(diào)節(jié)點能耗少，但網(wǎng)絡感知事件的可靠性與集中情況相當．文獻［37］考慮了CSMA－CD(帶沖撞檢測的載波偵聽多路接入)作為信道接入方法的跨層能量管理方法，并提出了CAEM協(xié)議．當采用CAEM協(xié)議時，網(wǎng)絡所有傳感器持續(xù)感知信道狀態(tài)，若網(wǎng)絡中一節(jié)點需傳輸包，則在信道狀態(tài)好時傳輸;當信道狀態(tài)不好時，包就被緩沖，傳感器進入睡眠模式．CAEM協(xié)議公平調(diào)度和隊列機制避免了信道狀態(tài)長時間不好時的浪費．因此，與不采用CAEM協(xié)議相比，網(wǎng)絡壽命可增加到40%．文獻［38］提出了SS－Trees(感知休眠樹)，并根據(jù)SS－tree優(yōu)化對傳感器休眠進行調(diào)度，并采用CSMA接入信道，通過區(qū)分上游和下游階段減少包的沖撞次數(shù)，在偵聽請求時減少能量耗損．基于ALOHA媒體訪問，文獻［39］研究并提出了一種跨層能量控制算法(CLPC)．CLPC算法在考慮多訪問干擾情況下可計算每個節(jié)點最佳接收能量，從而實現(xiàn)節(jié)能．文獻［40］采用ALOHA媒體訪問方法進行了跨層協(xié)議設計．在文獻［40］中，為導出多信道隨機訪問的分散優(yōu)化公式，將節(jié)點間的相互干擾全部納入從而進一步減少了網(wǎng)絡整體干擾、提高了網(wǎng)絡利用率并實現(xiàn)了傳輸?shù)南鄬叫裕墨I［41］提出了分布式排隊網(wǎng)絡(DQBAN)的跨層解決方案，并基于包QoS限制和當前流量的模糊準則來調(diào)度包的傳輸．采用文獻［41］的解決方案時，若網(wǎng)絡流量少，通過分段ALOHA媒體訪問來傳輸包;若流量大，可使用預留協(xié)議;若延遲限制不能承擔沖撞，使用查詢方案．文獻［41］的跨層協(xié)議現(xiàn)實了節(jié)省網(wǎng)絡能耗的目的．文獻［42］提出的按需分配接入方式MAC層跨層協(xié)議著重研究了占空比．在文獻［42］中，首先建立期望的感知可靠性，然后采用多簇WSN的動態(tài)占空比調(diào)度，避免了擁塞且實現(xiàn)了最小感知可靠性．文獻［42］仿真結(jié)果表明，設計的算法可靠性水平穩(wěn)定、網(wǎng)絡包丟失率減少且可節(jié)省網(wǎng)絡總體能量．

2．4．2固定接入方式MAC層跨層協(xié)議

目前，固定接入方式MAC層跨層協(xié)議主要基于TDMA的MAC協(xié)議．文獻［43］考慮TDMA提出了跨層協(xié)議，并通過聯(lián)合PSO(粒子群算法)和HA(混合算法)2種機制列出了優(yōu)化方法中相應可能的傳輸方法．文獻［43］研究結(jié)果表明，聯(lián)合2種機制的算法減少了網(wǎng)絡能耗．文獻［44］基于TDMA提出了路由方案以及將普通多層次調(diào)制作為干擾節(jié)點傳輸?shù)姆椒?，并采用跨層方法計算最佳路徑來平衡TDMA網(wǎng)絡負載從而形成最佳時隙調(diào)度．文獻［44］的優(yōu)化調(diào)制方案減少了干擾、使用了低能耗傳輸從而延長了網(wǎng)絡壽命．文獻［45］針對WBANs提出了跨層電池感知的TDMA MAC協(xié)議．該協(xié)議在遵守QoS限制的同時，盡可能讓節(jié)點保持傳輸最長的時間．此外，文獻［45］提出的根據(jù)信道隨時間變化的自適應模型有效地減少了包的丟失率．文獻［36］采用TD-MA為媒體訪問提供服務，提出跨層非線性優(yōu)化模型．在文獻［46］中，采用數(shù)學框架收集流量加載信息、重傳、調(diào)制方案和比特錯誤率以計算最優(yōu)化傳輸能量和每條鏈路的流量，并通過對最優(yōu)化模型計算趨勢的分析提出了最小延遲調(diào)度算法．文獻［46］同時還驗證了該算法在線性、網(wǎng)格、隨機拓撲的網(wǎng)絡中是能量有效的．文獻［47］在MAC層考慮了TDMA方法，提出了跨層路由、自動重復請求(ARQ)的能量控制協(xié)議．文獻［48］使用TDMA為媒體訪問提高服務，提出了以節(jié)點加入和能量耗損減少為目的MAC層跨層設計方法，并采用MILP(混合整數(shù)線性規(guī)劃)方法保證節(jié)點接入時網(wǎng)絡壽命的最大化．文獻［49］提出了基于 TDMA的 MAC協(xié)議，在文獻［49］中，能量控制、鏈路接入和路由都被考慮用來滿足Karish－Kuhn－Tucker(KKT)優(yōu)化條件．文獻［49］導出的公式提供了網(wǎng)絡生命的上限范圍．文獻［50］針對無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡中合成了基于空間TDMA的最佳跨層路由設計，并將基于空間TDMA的最佳跨層路由與STDMA共同生成最佳路由分配和最佳容量分配機制，實現(xiàn)了端到端的延時最小化．此外，文獻［50］還基于拓撲改變時網(wǎng)絡連通性，研究了一定無線信道和包傳輸成功概率下端到端的平均時延和時延抖動情況．文獻［51］提出了2種(分散式和集中式)具有OLSR意識的基于STDMA信道接入調(diào)度方案．調(diào)度方案的基本思想是采用特有的OLSR算法將鏈路狀態(tài)和路由信息共同應用到網(wǎng)絡信道分配以保證網(wǎng)絡吞吐量．文獻［51］的算法進一步強化了基于STDMA的跨層設計．

2．4．3混合型跨多層MAC層跨層協(xié)議

當前，混合型跨多層MAC層跨層協(xié)議主要有混合TDMA/CDMA媒體訪問控制跨層設計、新的跨層媒體訪問控制、跨層延時能量最小化媒體訪問協(xié)議．文獻［52］研究并提出了混合TDMA/CDMA媒體訪問控制跨層設計．在該跨層設計中，通過在簇間采用TDMA方式分配不同超級幀來干擾簇從而避免簇間干擾，并根據(jù)能量和時間控制將CDMA調(diào)度應用于簇內(nèi)傳感器節(jié)點集合以減少簇內(nèi)能量耗損．文獻［52］研究結(jié)果表明，采用該跨層設計時，網(wǎng)絡壽命增加．文獻［53］提出了一種可實現(xiàn)跨層媒體訪問控制、吞吐量最大化的MAC協(xié)議(TM－MAC)．為實現(xiàn)最佳調(diào)度和傳輸率計算的最小干擾，該協(xié)議將網(wǎng)絡劃分為超寬帶微網(wǎng)．文獻［53］研究結(jié)果表明，與IEEE 802．15．3網(wǎng)絡相比，網(wǎng)絡吞吐量增加、延時減?。墨I［54］聯(lián)合突發(fā)流量WSN的最佳路由，提出了跨層延時能量最小化媒體訪問協(xié)議(LEMMA)．該協(xié)議使用基于TDMA的高功率tone傳輸以避免同間隙傳輸沖突．文獻［54］研究結(jié)果表明，采用LEMMA協(xié)議時，網(wǎng)絡傳輸干擾可減少，網(wǎng)絡性能可大幅提升．文獻［55］設計了一種混合型跨層傳輸控制MAC協(xié)議(TC－MAC)以解決HWSN中MAC協(xié)議利用監(jiān)聽和睡眠方案導致的端到端延遲增加、網(wǎng)絡吞吐量降低以及節(jié)點數(shù)目過大導致的sink節(jié)點附近擁塞問題．在TC－MAC協(xié)議中，監(jiān)聽時段被預留給多跳信道，擁塞由反壓算法控制，特定信息就近轉(zhuǎn)發(fā)以阻止臨近節(jié)點競爭信道，由流量監(jiān)測器監(jiān)控擁塞狀況以保證相對公平．研究結(jié)果表明，當采用TC－MAC協(xié)議時，網(wǎng)絡能耗可大大減少．文獻［56］提出了一種用于超寬帶(UWB)的跨層鏈路自適應能量有效的路由協(xié)議．該協(xié)議使用了物理層和多種接入層的聯(lián)合審議以減少網(wǎng)絡能耗，并使用了多址作為UWB多跳信令結(jié)構，進而優(yōu)化了多跳路由的能耗．文獻［57］提出了一個綜合的跨層協(xié)議(MACRO)．MACRO協(xié)議集成了MAC和路由層的功能，以支持網(wǎng)絡的地理轉(zhuǎn)發(fā)．在MACRO中，通過競爭觸發(fā)選擇下一個最好中繼節(jié)點進行信息轉(zhuǎn)發(fā)，其中競爭基于每個單位發(fā)射功率到達目的地進展估算．文獻［57］研究表明，與同類不跨層的地理轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議相比，采用MACRO協(xié)議時網(wǎng)絡性能更優(yōu)．文獻［58］設計了一個信道分配和快速MAC架構(CAFMA)．CAFMA有效地利用了多頻多信道的優(yōu)越性．在CAFMA跨層架構中，提供了多渠道協(xié)調(diào)和基于多跳中繼拓撲結(jié)構的快速數(shù)據(jù)通信機制以及與路由協(xié)議聯(lián)合的分布式信道分配方案．文獻［59］提出了一種新型自適應天線的電控定向MAC協(xié)議(PCDMAC)．PCD－MAC使用標準RTS－CTS－DATAACK交換過程，其中傳輸過程中RTS和CTS包在各傳輸方向的功率可調(diào)，DATA和ACK則以最小功率傳輸．文獻［59］還進一步提出了方向偏轉(zhuǎn)路由協(xié)議(DDR)．DDR基于MAC層和不同方向的通道可用性計算多重路由．研究結(jié)果表明，文獻［59］所提出的PCD－MAC和DDR協(xié)議均都增加網(wǎng)絡總流量并保證網(wǎng)絡連接公平性．

2．5 物理層跨層協(xié)議

物理層的跨層控制協(xié)議大多是采用物理層相關參數(shù)，針對網(wǎng)絡組件進行功率控制，或映射到網(wǎng)絡層、MAC層進行協(xié)議調(diào)整．當前主要的物理層跨層設計有基于超寬帶(UWB)的跨層方案、自適應編碼位置調(diào)制跨層方案、基于物理層參數(shù)調(diào)整的跨層方案、多跳任務映象調(diào)度方案、基于信息質(zhì)量的跨層方案、基于多信道非堅持CSMA MAC協(xié)議的跨層方案、基于天線陣列的跨層方案等．文獻［56］提出了基于超寬帶(UWB)的跨層協(xié)議．文獻［60］提出了跨層自適應編碼位置調(diào)制方案(ACPM)．在ACPM中，通過定義一個新層(包調(diào)度層)來計算延遲請求和包丟失率，針對延遲請求使用優(yōu)化調(diào)制方案，并由物理層決定包傳輸時最大的BER的方法解決包丟失率問題，傳輸功率可根據(jù)要求由調(diào)制方案實時調(diào)整．文獻［61］基于兩物理層重要參數(shù)可被MAC協(xié)議所用的實際，提出了基于物理層參數(shù)調(diào)整的跨層方案．該跨層方案主要原理是根據(jù)信道狀態(tài)信息(CSI)和殘余能量信息(REI)進行調(diào)度傳輸．文獻［61］研究表明，采用基于物理層參數(shù)調(diào)整的跨層方案，可顯著減少網(wǎng)絡能耗．文獻［62］提出了多跳任務映象調(diào)度機制(MTMS)．MTMS的目的是為每個節(jié)點尋找最好任務映象;基本思想是遵守延遲限制條件，通過動態(tài)調(diào)節(jié)電壓，以最小功率方式進行任務調(diào)度．文獻［62］研究結(jié)果表明，與其它分布式結(jié)構算法相比，使用MTMS后，網(wǎng)絡能耗減少50%．文獻［63］根據(jù)信噪比建立了一個信息質(zhì)量指標參量，并基于信息質(zhì)量指標參量設計了一種具有質(zhì)量意識的調(diào)度系統(tǒng)(QSS)．在QSS中，跨層控制節(jié)點有效探測并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，動態(tài)控制傳感器的頻率和階段．文獻［63］研究結(jié)果表明，QSS可提高網(wǎng)絡信息傳輸質(zhì)量．鑒于在所有路由器天線陣列中使用相同數(shù)量元素以提高網(wǎng)絡性能是不必要的，文獻［64］提出了一個帶寬和元素分配聯(lián)合調(diào)度的跨層設計方案．該方案在滿足帶寬優(yōu)化分配的同時，采用代價意識的元素分配技術以減小總的天線元素，并通過一流量意識流控制鏈路分配機制來分配調(diào)度網(wǎng)絡帶寬．文獻［64］研究表明，帶寬和元素分配聯(lián)合調(diào)度的跨層設計方案不僅可節(jié)約總體天線元素而且可優(yōu)化網(wǎng)絡性能．

3 結(jié)語

縱觀HWSN跨層設計方法和HWSN中各層次的跨層設計，當前HWSN跨層設計的一個主要缺點是缺少協(xié)議互動性．研究表明，在進行HWSN跨層設計時，考慮HWSN中網(wǎng)絡性能優(yōu)化越好，涉及HWSN中所有層次的跨層解決方案最好．目前大部分HWSN跨層方案考慮了與現(xiàn)有系統(tǒng)的交互并使現(xiàn)有協(xié)議堆棧互相操作，通過共享協(xié)議棧定義后由協(xié)議根據(jù)規(guī)則進行交互，從而實現(xiàn)不同跨層協(xié)議在系統(tǒng)中共存．但是，隨著HWSN中層次的增加，跨層的復雜性也增加．因此，權衡HWSN跨層開銷和優(yōu)化程度將是HWSN跨層設計重要的研究內(nèi)容．

在目前HWSN跨層設計中僅有少量跨層協(xié)議考慮了傳感器移動特性．事實上，傳感器具有移動性是HWSN的重要特征．但是在HWSN跨層協(xié)議中考慮傳感器移動性將大大增加跨層協(xié)議的復雜性．目前雖然可采用流量感知解決低速移動問題，但是解決高速移動的方案則是跨層設計面臨的挑戰(zhàn)．

視頻服務是HWSN應用層的一項主要服務，HWSN應用層的視頻傳輸不僅要適合IEEE 802.15.3，更要適合其他技術的能量有效性和QoS感知路由協(xié)議．因此，保證視頻傳輸?shù)腝oS和能量有效性是HWSN的一個重要研究方向．此外，數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)質(zhì)量也是HWSN應用層的主要服務，但目前只有少量涉及數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)質(zhì)量的跨層協(xié)議，因此基于HWSN應用層的涉及數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)質(zhì)量的跨層處理有一定的研究價值．

當前部分跨層協(xié)議基于HWSN具有突發(fā)數(shù)據(jù)流量大的特點，在HWSN網(wǎng)絡層和MAC層間考慮了網(wǎng)絡擁塞控制，但僅在HWSN網(wǎng)絡層和MAC層間考慮網(wǎng)絡擁塞控制以解決HWSN突發(fā)數(shù)據(jù)流量尚顯不夠完備，因此針對HWSN大突發(fā)數(shù)據(jù)流量的HWSN跨層設計仍是今后研究的方向之一．

通常新的HWSN網(wǎng)絡層路由協(xié)議比較難建立．目前HWSN網(wǎng)絡層跨層路由協(xié)議大都是在傳統(tǒng)網(wǎng)絡層跨層路由協(xié)議上擴展改進的，但目前改進的相關HWSN網(wǎng)絡層跨層路由協(xié)議尚不夠全面．其中，普通的路由度量會被包含能耗干擾和信道狀態(tài)的度量代替，虛擬的MIMO通信會影響路由．因此HWSN跨層路由協(xié)議將成為HWSN跨層感知優(yōu)化的重要部分，且聯(lián)合MIMO和路由協(xié)議的HWSN跨層設計將是研究重點．

針對HWSN物理層的跨層控制，UWB由于其高傳輸率和穩(wěn)健性而具有較好發(fā)展前景．因此可以聯(lián)合考慮使用CSI和REI來提高UWB的網(wǎng)絡性能．此外，由于HWSN能量和大小受限，在節(jié)點中布置大量天線是不可取的，因此可采用多水平調(diào)制使節(jié)點動態(tài)適應信道質(zhì)量以節(jié)省能量，因此隨著先進物理層技術發(fā)展，涉及HWSN物理層的跨層協(xié)議將是今后HWSN跨層協(xié)議研究的重點．

HWSN網(wǎng)絡能耗制約著HWSN發(fā)展，節(jié)能成為HWSN網(wǎng)絡的一個重點．研究表明，睡眠監(jiān)聽和傳輸時間調(diào)度是節(jié)能的重要手段，且很少受到QoS限制干擾．目前HWSN跨層方案常用的媒體訪問方法是CSMA和TDMA，但目前跨層方案提出的相關方法各有所長．因此，權衡網(wǎng)絡資源和公平性，以確保網(wǎng)絡各項指標綜合利益的HWSN跨層研究將是一個重要方向．

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