第6-1講AdHoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

第6-1講AdHoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無線自組網(wǎng)技術(shù)內(nèi)容提要

》AdHoc網(wǎng)絡(luò)概述

》AdHoc網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)》體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法和原則》AdHoc網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計(jì)和優(yōu)化AdHoc網(wǎng)絡(luò)概述移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)終端通過基站接入因特網(wǎng)無線局域網(wǎng)移動(dòng)終端通過無線接入點(diǎn)接入因特網(wǎng)依賴于基站、無線接入點(diǎn)等現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)

有基礎(chǔ)設(shè)施的無線網(wǎng)絡(luò)AdHoc網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求臨時(shí)會(huì)議/緊急情況科學(xué)考察/探險(xiǎn)/軍事戰(zhàn)場(chǎng)接入網(wǎng)絡(luò)所需的時(shí)間和成本較高現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)服務(wù)設(shè)施的能力不足遠(yuǎn)離網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施而希望保持與網(wǎng)絡(luò)的連接無網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施可用不希望使用網(wǎng)絡(luò)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施范圍之外AdHoc網(wǎng)絡(luò)AdHoc網(wǎng)絡(luò)的起源

源于軍事通信的需求1972年分組無線網(wǎng)（PRNET）戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的數(shù)據(jù)通信1983年抗毀自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)（SURAN）支持大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)戰(zhàn)場(chǎng)快速變化環(huán)境需要的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議1994年全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GloMo）滿足軍事應(yīng)用需要的、可快速展開、高抗毀星的移動(dòng)信息系統(tǒng)DARPA資助DefenseAdvancedResearchProjectAgencyAdHoc網(wǎng)絡(luò)的研究組織1991年IEEE802.11首次提出“AdHoc網(wǎng)絡(luò)”自組織、對(duì)等式、多跳無線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)1997年IETF成立MANET工作組基于IP的無線多跳網(wǎng)絡(luò)路由2003年IRTF成立ANS研究組其它研究機(jī)構(gòu)AdHoc：ForthespecificpurposeonlyMANET：MobileAd-hocNetworksANS：AdHocNetworksScalabilityAdHoc網(wǎng)絡(luò)的定義由一組帶有無線通信收發(fā)裝置的(移動(dòng))終端節(jié)點(diǎn)組成的一個(gè)多跳臨時(shí)性自治通信系統(tǒng)每個(gè)終端同時(shí)具有路由器和主機(jī)兩種功能：作為主機(jī)，終端需要運(yùn)行面向用戶的應(yīng)用程序；作為路由器，終端需要運(yùn)行相應(yīng)的路由協(xié)議節(jié)點(diǎn)間路由通常由多跳(Hop)組成不需要網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，可以在任何地方、任何地點(diǎn)快速構(gòu)建多跳無線網(wǎng)絡(luò)、自組織網(wǎng)絡(luò)、無基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)或者對(duì)等網(wǎng)絡(luò)筆記本電腦

車載臺(tái)移動(dòng)終端AdHoc網(wǎng)絡(luò)的物理結(jié)構(gòu)和邏輯結(jié)構(gòu)AHDBCFEGI雙向信道單向信道（a）物理結(jié)構(gòu)（b）邏輯結(jié)構(gòu)AdHoc網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)（1）獨(dú)立組網(wǎng)不需要任何預(yù)先架設(shè)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施動(dòng)態(tài)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)移動(dòng)/開機(jī)/關(guān)機(jī)節(jié)點(diǎn)無線發(fā)送功率變化、無線信道干擾或者地形等因素影響自組織無控制中心節(jié)點(diǎn)故障不會(huì)影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間通過無線連接形成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時(shí)可能發(fā)生變化，而且變化的方式和速度可能都是無法預(yù)測(cè)的AdHoc網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)（2）多跳路由接收端和發(fā)送端使用比兩者直接通信小得多的功率進(jìn)行通信，因此節(jié)省了能量消耗通過中間節(jié)點(diǎn)參與分組轉(zhuǎn)發(fā)，能夠有效降低對(duì)無線傳輸設(shè)備的設(shè)計(jì)難度和成本，同時(shí)擴(kuò)大了自組織網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍AdHoc網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)（3）特殊的無線信道特征無線信道提供的網(wǎng)絡(luò)帶寬比有線信道低得多競(jìng)爭(zhēng)無線共享信道產(chǎn)生碰撞信號(hào)衰落、噪聲干擾以及信道之間的干擾等存在單向無線信道終端的局限性能量、存儲(chǔ)、計(jì)算等資源受限安全性差無線鏈路的開放性移動(dòng)性導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)之間信任關(guān)系的變化可擴(kuò)展性不強(qiáng)節(jié)點(diǎn)之間的相互干擾造成網(wǎng)絡(luò)容量下降各節(jié)點(diǎn)吞吐量隨網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總數(shù)的增加而下降A(chǔ)dHoc網(wǎng)絡(luò)與無線傳感網(wǎng)絡(luò)無線傳感網(wǎng)絡(luò)可以看作是一種特殊類型的AdHoc網(wǎng)絡(luò)各個(gè)無線傳感器隨機(jī)分布在某一區(qū)域，負(fù)責(zé)收集區(qū)域內(nèi)的傳感信號(hào)，將它們發(fā)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)關(guān)具有更大的處理能力，能進(jìn)一步處理信息，并且可將信息送往到其他外部網(wǎng)絡(luò)（如Internet）與典型的AdHoc網(wǎng)絡(luò)相比：節(jié)點(diǎn)數(shù)量多、分布稠密、移動(dòng)性較弱節(jié)點(diǎn)的能量、計(jì)算、存儲(chǔ)等資源進(jìn)一步受限以數(shù)據(jù)采集和傳遞為中心，采用廣播通信模式Internet網(wǎng)關(guān)AdHoc網(wǎng)絡(luò)與無線局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同研究重點(diǎn)不同通信模式不同WLAN集中在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層WLAN中終端的通信必須依賴AP進(jìn)行無線局域網(wǎng)為單跳網(wǎng)絡(luò)，不存在路由問題AdHoc網(wǎng)絡(luò)涉及TCP/IP協(xié)議棧各層AdHoc網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)終端的通信是對(duì)等的Internet無線接入點(diǎn)AdHoc網(wǎng)絡(luò)與蜂窩網(wǎng)絡(luò)的比較由本身或公認(rèn)的無線節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)，通常采用分布式控制由基站集中負(fù)責(zé)，無線節(jié)點(diǎn)必須先與基站通信，再通過基站與目的節(jié)點(diǎn)通信無線節(jié)點(diǎn)的控制管理低容量、高誤碼的無線骨干網(wǎng)，半雙工方式，同一信道在中繼節(jié)點(diǎn)的不同鏈路上不能同時(shí)使用高速、可靠的有線骨干網(wǎng)，全雙工方式，同一信道在轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)前后的鏈路可復(fù)用骨干網(wǎng)的特點(diǎn)無線節(jié)點(diǎn)只有一部收發(fā)信機(jī)，半雙工方式，不易實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)同步基站有多部收發(fā)信機(jī)，全雙工方式通信，有專用硬件，易于實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)同步中繼節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)無線節(jié)點(diǎn)和無線骨干網(wǎng)基站和有線骨干網(wǎng)中繼設(shè)備高低網(wǎng)絡(luò)健壯性困難容易路由選擇和維護(hù)短長(zhǎng)存在時(shí)間低高成本快慢配置速度較差較好安全性和服務(wù)質(zhì)量無有有無基礎(chǔ)設(shè)施支持動(dòng)態(tài)靜態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多跳單跳無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)AdHoc網(wǎng)絡(luò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)比較內(nèi)容1、戰(zhàn)場(chǎng)偵察網(wǎng)絡(luò)、戰(zhàn)地監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、快速反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)2、區(qū)域性無線網(wǎng)：展覽中心、體育場(chǎng)、旅游區(qū)、港口、建筑、煤礦、石油/化工、環(huán)保、….3、應(yīng)急/救援通信系統(tǒng)4、工業(yè)自動(dòng)化控制5、智能交通6、傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程醫(yī)療7、家庭安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)8、城域無線通信（無線寬帶接入、小區(qū)覆蓋等）9、各種遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)/監(jiān)控系統(tǒng)（如環(huán)保、水文、地質(zhì)、資源保護(hù)、研究等）10、公安/交警/消防……….AdHoc網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用AdHoc網(wǎng)絡(luò)面臨的問題(1)特殊的信道共享方式共享信道隱藏終端問題/暴露終端問題動(dòng)態(tài)變化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋫鹘y(tǒng)路由協(xié)議花費(fèi)較高代價(jià)獲取的路由信息很可能已過時(shí)有限的無線傳輸帶寬減少節(jié)點(diǎn)之間的交互的消息減少控制消息帶來的額外開銷有限的能量能量管理機(jī)制，各層均要考慮能量控制安全問題無線信道的開放性更容易受到各種攻擊移動(dòng)性使得節(jié)點(diǎn)的信任關(guān)系不斷變化節(jié)點(diǎn)資源受限安全機(jī)制應(yīng)該是分布式的RTS/CTS，CSMA/CA網(wǎng)絡(luò)路由時(shí)需考慮隱藏終端與暴露終端問題ABC隱藏終端：在接收者通信范圍內(nèi)而在發(fā)送者的通信范圍外的終端隱終端暴露終端：在發(fā)送者通信范圍內(nèi)而在接收者通信范圍之外的終端暴露終端ABCDAdHoc網(wǎng)絡(luò)面臨的問題(2)網(wǎng)絡(luò)管理拓?fù)涔芾泶_定將一組節(jié)點(diǎn)組織成網(wǎng)絡(luò)的機(jī)制移動(dòng)性管理節(jié)點(diǎn)移動(dòng)過程中保持服務(wù)不中斷、跟蹤節(jié)點(diǎn)位置等服務(wù)質(zhì)量管理動(dòng)態(tài)變化的移動(dòng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)使得服務(wù)質(zhì)量保證更加困難自動(dòng)配置…AdHoc網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

MAC協(xié)議

路由算法

體系結(jié)構(gòu)和分簇算法

QoS保障機(jī)制

傳輸層協(xié)議

安全問題

網(wǎng)絡(luò)管理與網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)

服務(wù)發(fā)現(xiàn)和激勵(lì)協(xié)作AdHoc網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

單主機(jī)多電臺(tái)路由器

主機(jī)路由器

主機(jī)單主機(jī)單電臺(tái)

多主機(jī)多電臺(tái)路由器

主機(jī)

主機(jī)

主機(jī)路由器

主機(jī)

主機(jī)

主機(jī)

多主機(jī)單電臺(tái)

節(jié)點(diǎn)包括主機(jī)、路由器和電臺(tái)，從物理結(jié)構(gòu)上節(jié)點(diǎn)分為：

AdHoc網(wǎng)絡(luò)需采用適合自身特點(diǎn)和應(yīng)用需求的體系結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)AdHoc網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用分布式控制結(jié)構(gòu)，并且節(jié)點(diǎn)應(yīng)具有自組織性

三種基本結(jié)構(gòu)集中式控制結(jié)構(gòu)全分布式控制結(jié)構(gòu)分層分布式控制結(jié)構(gòu)一個(gè)關(guān)鍵問題是如何發(fā)現(xiàn)、收集和使用拓?fù)湫畔硇纬珊侠淼木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而提高網(wǎng)絡(luò)性能和各種業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量

平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

優(yōu)點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)地位平等，負(fù)載平衡性較好，不存在瓶頸，網(wǎng)絡(luò)比較靈活、健壯，如PRN和CNR缺點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)信息交互頻繁、處理能力弱，存儲(chǔ)和控制開銷大，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延大、可擴(kuò)展性差，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模受限1

42

7]

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分級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

分級(jí)結(jié)構(gòu)結(jié)合了全分布式和分層中心式的優(yōu)點(diǎn)，開銷相對(duì)較小、擴(kuò)展性好、便于管理、適合部隊(duì)梯次組網(wǎng)要求，可分為單頻分級(jí)和多頻分級(jí)結(jié)構(gòu)普通節(jié)點(diǎn)網(wǎng)關(guān)簇頭單頻分級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)骨干鏈路普通鏈路低級(jí)高級(jí)簇頭簇成員頻率2頻率1多頻分級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)軍事通信中采用的分簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)1連6連2連1營(yíng)1團(tuán)2營(yíng)3連

分級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（續(xù)）

分層分布式結(jié)構(gòu)能夠滿足部隊(duì)不同層次梯隊(duì)的戰(zhàn)術(shù)要求，適應(yīng)各層次梯隊(duì)業(yè)務(wù)流量的非對(duì)稱性。在軍事系統(tǒng)中，戰(zhàn)斗單元通常是成建制的，所以可以按照部隊(duì)建制來劃分簇，不同簇之間通信需要利用網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。平面結(jié)構(gòu)和分級(jí)結(jié)構(gòu)比較平面結(jié)構(gòu)分級(jí)結(jié)構(gòu)完全分布式的網(wǎng)絡(luò)多個(gè)簇組成的網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)的地位是平等的節(jié)點(diǎn)被分為簇首和簇成員，簇首預(yù)先指定或者由選擇算法產(chǎn)生不存在網(wǎng)絡(luò)瓶頸，可存在多條路徑，網(wǎng)絡(luò)健壯性好簇首節(jié)點(diǎn)可能成為網(wǎng)絡(luò)瓶頸，所有到簇外的通信必須通過簇首節(jié)點(diǎn)進(jìn)行可擴(kuò)展性差，每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要知道到達(dá)所有其它節(jié)點(diǎn)的路由，適用于中小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性好，簇內(nèi)路由信息局部化，適用于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)

典型的分簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

骨干鏈路普通鏈路普通節(jié)點(diǎn)網(wǎng)關(guān)簇頭

分布式網(wǎng)關(guān)單向鏈路

常見的分簇算法

最小節(jié)點(diǎn)ID分簇算法

最高節(jié)點(diǎn)度分簇算法

最低節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性分簇算法

無簇頭分簇算法

基于地理位置的分簇算法

基于信道接入的被動(dòng)分簇算法

限制簇尺寸的分簇算法

組合加權(quán)分簇算法網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵特征

定量特征

網(wǎng)絡(luò)建立時(shí)間、節(jié)點(diǎn)加入時(shí)間、重配置時(shí)間

控制開銷、帶寬效率、存儲(chǔ)空間

網(wǎng)絡(luò)情景

定性特征

拓?fù)?位置信息、對(duì)拓?fù)渥兓姆磻?yīng)方式

環(huán)境適應(yīng)能力、功率意識(shí)能力

單信道或多信道、單向鏈路支持能力

安全性、服務(wù)質(zhì)量

網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)

數(shù)據(jù)吞吐量、時(shí)延和丟失率

路由獲取時(shí)間

路由協(xié)議的效率

鏈路利用率

路由跳數(shù)

AdHoc網(wǎng)絡(luò)通用協(xié)議棧

物理層：擴(kuò)頻技術(shù)（DS-SS、HF-SS）、移動(dòng)模型（Random）、信道模型(FreeSpace)…

應(yīng)用層：實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、自適應(yīng)應(yīng)用、數(shù)據(jù)報(bào)業(yè)務(wù)…移動(dòng)定位、自動(dòng)配置、安全策略…

數(shù)據(jù)鏈路層邏輯鏈路控制子層（LLC）：分組轉(zhuǎn)發(fā)/確認(rèn)、差錯(cuò)控制…媒體接入控制子層（MAC）：TDMA、CDMA、IEEE802.11、MACA…功率控制、拓?fù)淇刂品答伜涂鐚幼赃m應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)制QoS

保障、安全保護(hù)和能量管理機(jī)制網(wǎng)絡(luò)互連層：IPv4、IPv6、MobileIP…網(wǎng)絡(luò)層：鄰居發(fā)現(xiàn)、路由協(xié)議（DSR、DSDV等）、VC機(jī)制…分簇（簇頭選擇和簇維護(hù)）

網(wǎng)絡(luò)層傳輸層：(W)TCP、UDP…信令協(xié)議：RSVP、INSIGNIA…體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法和原則

AdHoc網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法●

AdHoc網(wǎng)絡(luò)為特定目的和臨時(shí)場(chǎng)合構(gòu)建的動(dòng)機(jī)：設(shè)計(jì)方法：●

嚴(yán)格的分層設(shè)計(jì)不夠優(yōu)化并缺乏適應(yīng)性

●

AdHoc網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境和應(yīng)用需求設(shè)計(jì)●需要采用基于應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)特征的跨層體系結(jié)構(gòu)，能夠在協(xié)議棧各層支持自適應(yīng)和性能優(yōu)化●利用層間相關(guān)性，確定優(yōu)化目標(biāo)和層間交互信息的種類和方式，考慮系統(tǒng)的約束條件和網(wǎng)絡(luò)特性，并進(jìn)行合理折衷

AdHoc網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則

Internet協(xié)議設(shè)計(jì)原則應(yīng)用層物理層應(yīng)用層物理層應(yīng)用層物理層應(yīng)用層物理層AdHoc網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)原則●Internet中鏈路帶寬較高，瓶頸在路由器，強(qiáng)調(diào)相鄰對(duì)等實(shí)體之間的水平通信，而盡可能減少實(shí)體內(nèi)協(xié)議棧各層之間的垂直通信。

●MANET中鏈路帶寬和能量非常稀少，通過增加協(xié)議棧各層的垂直交互來減少協(xié)議層對(duì)等實(shí)體之間的水平通信AdHoc網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計(jì)和優(yōu)化計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分層設(shè)計(jì)方法通過分層將復(fù)雜的系統(tǒng)問題轉(zhuǎn)化為較易處理的局部問題，具有如下好處：

分離抽象的功能和實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)

較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性

便于分割和定制功能

便于實(shí)現(xiàn)、維護(hù)和升級(jí)

有助于協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化工作跨層設(shè)計(jì)方法的提出●傳統(tǒng)分層協(xié)議棧分離網(wǎng)絡(luò)控制功能，層間接口少，維護(hù)成本低；但是層間接口呆板，層間通信不方便，信息交互不及時(shí)，上層不能準(zhǔn)確了解底層狀況●AdHoc網(wǎng)絡(luò)稀少的資源和動(dòng)態(tài)變化的拓?fù)浜托诺蕾|(zhì)量使得傳統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)難以勝任，因?yàn)楦鲗有畔⒌姆蛛x和屏蔽限制了系統(tǒng)的靈活性，不利于提高協(xié)議效率和優(yōu)化系統(tǒng)性能。因此，需要根據(jù)AdHoc網(wǎng)絡(luò)自身特點(diǎn)對(duì)分層體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改和擴(kuò)充●為減少能耗、提供服務(wù)質(zhì)量保障和優(yōu)化系統(tǒng)性能，應(yīng)允許各協(xié)議層和功能模塊之間根據(jù)需要及時(shí)方便交互信息，而不再局限于相鄰的層和特定的信息流向，即采用一種新型的跨層協(xié)議棧和跨層設(shè)計(jì)方法

跨層設(shè)計(jì)方法的提出（續(xù)）

當(dāng)前很多研究工作是孤立的，只針對(duì)協(xié)議棧的某個(gè)層次，沒有考慮相互沖突的系統(tǒng)目標(biāo)，難以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的整體性能。

能量保護(hù)、QoS支持、可靠性和安全性等問題涉及協(xié)議棧各層次，各層獨(dú)立優(yōu)化不一定會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)性能最優(yōu)AdHoc網(wǎng)絡(luò)往往是為特定目的和應(yīng)用需求臨時(shí)構(gòu)建的。采用嚴(yán)格分層設(shè)計(jì)方法缺乏適應(yīng)性和靈活性，不符合動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)。為滿足AdHoc網(wǎng)絡(luò)的特殊要求，需要采取一種嶄新的跨層設(shè)計(jì)方法：針對(duì)AdHoc網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)多變和資源受限的特點(diǎn)，在充分考慮協(xié)議棧各層次關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)上，跨越協(xié)議棧各層實(shí)施聯(lián)合設(shè)計(jì)和優(yōu)化以提高資源使用效率和系統(tǒng)整體性能。

跨層設(shè)計(jì)的概念和特征

跨層設(shè)計(jì)并不摒棄分層，也不是各層功能的簡(jiǎn)單組合，而是打破嚴(yán)格分層約束的同時(shí)保持分層結(jié)構(gòu)，通過跨層交互協(xié)調(diào)各層的行為，以高效利用有限資源來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)跨層設(shè)計(jì)是一種綜合考慮協(xié)議棧不同層次，并允許任意層次和功能模塊之間交互信息以優(yōu)化系統(tǒng)性能的方法

推薦在原有的分層協(xié)議棧上集成跨層設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法，并將這種支持跨層交互的協(xié)議棧稱為跨層協(xié)議棧各層在對(duì)網(wǎng)絡(luò)變化做出自適應(yīng)調(diào)節(jié)的時(shí)候與其他層次相協(xié)調(diào)，通過利用層間共享的信息來采取適當(dāng)?shù)男袆?dòng)，從而使協(xié)議棧各層做出合理的反應(yīng)，以此來優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)

跨層設(shè)計(jì)方法的優(yōu)勢(shì)

考慮AdHoc網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)特性，提高資源使用效率

基于變化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和應(yīng)用需求，跨越協(xié)議棧各層進(jìn)行協(xié)調(diào)才能獲得最優(yōu)系統(tǒng)配置

方便支持新業(yè)務(wù)，尤其是對(duì)網(wǎng)絡(luò)條件變化敏感的業(yè)務(wù)

協(xié)調(diào)本地和全局行為，促使各層協(xié)議行動(dòng)一致，消除冗余功能，充分發(fā)揮各層協(xié)議的效用鼓勵(lì)各層協(xié)議及功能模塊的協(xié)同合作，不同層可及時(shí)共享信息，有助于消除冗余，減少開銷；可以匹配應(yīng)用需求和網(wǎng)絡(luò)條件，通過跨層聯(lián)合優(yōu)化來改善系統(tǒng)性能和提高用戶滿意度：

跨層設(shè)計(jì)的策略

跨層設(shè)計(jì)采用一種綜合協(xié)調(diào)的方法來適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性，每層可以對(duì)本地的變化和其他層反饋的信息做出合理反應(yīng)

不孤立地對(duì)每層進(jìn)行設(shè)計(jì)，而是利用它們的相關(guān)性將各層協(xié)議集成到一個(gè)跨層體系結(jié)構(gòu)中。相關(guān)性涉及各層的自適應(yīng)性，系統(tǒng)約束條件以及應(yīng)用的需求。此外，上層協(xié)議應(yīng)避免執(zhí)行下層協(xié)議已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的功能來減少開銷

在跨層協(xié)議棧中，每層的自適應(yīng)機(jī)制應(yīng)基于該層變化的時(shí)間粒度來適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化

每層的自適應(yīng)機(jī)制應(yīng)首先補(bǔ)償本層出現(xiàn)的變化，如果不能解決問題，則需要同其他層交互信息來共同適應(yīng)這種變化

跨層設(shè)計(jì)的方法不同方法各有優(yōu)勢(shì)，在實(shí)施跨層設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)合控制層間傳遞的信息和確定跨層交互的程度

一是在優(yōu)化某一層協(xié)議時(shí)考慮其他協(xié)議層的相關(guān)參數(shù)，如路由算法將信道質(zhì)量和鏈路層擁塞信息作為選路依據(jù)

二是將關(guān)聯(lián)密切的協(xié)議進(jìn)行統(tǒng)一優(yōu)化設(shè)計(jì)，例如INORA就是一種將資源預(yù)約協(xié)議和路由協(xié)議集成在一起的信令機(jī)制

不同方法的區(qū)別主要在于層間耦合的程度，既可利用簡(jiǎn)單的事件通知機(jī)制（如鏈路層將鏈路狀況定期上報(bào)給網(wǎng)絡(luò)層），也可支持任意層次間的信息交流

跨層設(shè)計(jì)的形式應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層鏈路層物理層跨層協(xié)調(diào)器（a）應(yīng)用層

中間件傳輸層網(wǎng)絡(luò)層鏈路層（b）物理層（跨層協(xié)調(diào)器）跨層協(xié)調(diào)器應(yīng)用系統(tǒng)資源底層硬件網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（c）

圖(a)和(b)均從網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的角度來實(shí)施跨層設(shè)計(jì)，層間交互清晰。前者允許任意層之間交互信息，跨層協(xié)調(diào)器相對(duì)獨(dú)立，對(duì)現(xiàn)有協(xié)議棧改動(dòng)很少；后者需要借助于中間件層來實(shí)現(xiàn)上層應(yīng)用和傳輸層以下各層的交互，沒有考慮傳輸層以下各層的跨層聯(lián)系，靈活性不夠。

圖(c)從系統(tǒng)的觀點(diǎn)來實(shí)施跨層設(shè)計(jì)，考慮影響系統(tǒng)性能的各種因素，但它沒有沒有明確層間交互方式，不便于實(shí)現(xiàn)。

跨層自適應(yīng)

跨層自適應(yīng)調(diào)節(jié)是動(dòng)態(tài)的層間聯(lián)合優(yōu)化，即層間自適應(yīng)，打破原有的分層思想，在一個(gè)分層框架內(nèi)，利用層與層的相互聯(lián)系進(jìn)行自適應(yīng)的優(yōu)化應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層鏈路層物理層跨層自適應(yīng)系統(tǒng)約束條件優(yōu)化目標(biāo)自適應(yīng)跨層協(xié)議棧

跨層信息交互從跨層信息流動(dòng)的方向可分為上層到下層的跨層調(diào)節(jié)和下層到上層的跨層反饋?zhàn)赃m應(yīng)跨層協(xié)議棧各層可供交互的信息BER、節(jié)點(diǎn)位置、運(yùn)動(dòng)模式、SNR、發(fā)送功率物理層幀長(zhǎng)、鄰居信息、節(jié)點(diǎn)密度、鏈路帶寬、接口隊(duì)列長(zhǎng)度鏈路/MAC層網(wǎng)絡(luò)接口、路由穩(wěn)定性和質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜土髁烤W(wǎng)絡(luò)層RTT、擁塞窗口、重傳定時(shí)器、吞吐量、分組丟失率傳輸層QoS約束、業(yè)務(wù)特性、服務(wù)器位置應(yīng)用層可供交互的信息協(xié)議棧各層

跨層體系結(jié)構(gòu)AdHoc網(wǎng)絡(luò)需要一種能夠方便地將跨層優(yōu)化算法和現(xiàn)有分層協(xié)議棧無縫集成的跨層體系結(jié)構(gòu)?？鐚芋w系結(jié)構(gòu)對(duì)分層體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)充和增強(qiáng)，如創(chuàng)建可被各層訪問的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)庫(kù)，每層協(xié)議均可在此狀態(tài)庫(kù)讀取或?qū)懭胂嚓P(guān)信息，并由協(xié)調(diào)實(shí)體負(fù)責(zé)信息的組織和交互設(shè)計(jì)目標(biāo)：保留和現(xiàn)有協(xié)議棧的接口，盡量少改動(dòng)現(xiàn)有協(xié)議棧；便于跨層優(yōu)化算法的快速開發(fā)和應(yīng)用，減少跨層機(jī)制的開銷；可移植性好，適應(yīng)多種系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境；便于擴(kuò)展和升級(jí)，以滿足未來的需求。

通用跨層體系結(jié)構(gòu)跨層子系統(tǒng)負(fù)責(zé)跨層信息交互和跨層優(yōu)化，關(guān)鍵部件是跨層優(yōu)化器和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)庫(kù)。網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)庫(kù)提供一個(gè)全局可訪問的信息存儲(chǔ)庫(kù)，跨層優(yōu)化器利用網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)庫(kù)收集的各層信息，并根據(jù)各層協(xié)議當(dāng)前所處的狀態(tài)來調(diào)用優(yōu)化算法及采取必要的行動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是提高應(yīng)用性能和改善用戶滿意度，協(xié)議棧之上的用戶也應(yīng)參與系統(tǒng)優(yōu)化，提供額外的信息，甚至調(diào)控節(jié)點(diǎn)和應(yīng)用的行為。應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層鏈路層物理層安全需求服務(wù)質(zhì)量要求能量管理用戶/外部實(shí)體跨層優(yōu)化器網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)庫(kù)

事件通知

優(yōu)化行動(dòng)跨層子系統(tǒng)跨層信令機(jī)制

分組頭信令管道

跨層信令機(jī)制在不同層之間快速、高效傳遞信息以減少跨層優(yōu)化機(jī)制的開銷常用的層間信令機(jī)制

ICMP消息

本地配置信息庫(kù)跨層信令通路（CLSP）：允許在不同的層之間直接進(jìn)行雙向信令交互的機(jī)制，以便于各層的實(shí)時(shí)通信和協(xié)調(diào)。

缺點(diǎn)：逐層的信令傳遞引入較大的處理開銷和傳遞時(shí)延；信令消息格式不夠靈活和通用，不能滿足節(jié)點(diǎn)內(nèi)上下行信令交互及節(jié)點(diǎn)間消息傳遞的要求跨層信令通路（CLSP）基本思想：在協(xié)議棧中引入本地帶外信令通道允許非相鄰的層之間通過專用接口直接交互消息

其他措施：區(qū)別對(duì)待內(nèi)部/外部消息，盡量將信令維持在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部，只在節(jié)點(diǎn)之間傳遞必要的消息。實(shí)現(xiàn)方式：采用事件觸發(fā)方式執(zhí)行，提供了一種通用的跨層信令框架，具體實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用情景相關(guān)應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層鏈路層物理層概念模型動(dòng)機(jī)：目前，在協(xié)議棧各層次都提出了許多支持QoS的機(jī)制，但這些機(jī)制往往是孤立的，沒有考慮彼此的聯(lián)系。為此，可以采用跨層設(shè)計(jì)方法統(tǒng)籌考慮各層協(xié)議的耦合特性，利用層間關(guān)聯(lián)和信息交互來聯(lián)合優(yōu)化各層次的QoS保障機(jī)制，為用戶提供滿意的服務(wù)性能跨層QoS保障

方法：

應(yīng)用要適應(yīng)不可預(yù)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境并且通過監(jiān)視當(dāng)前傳遞的業(yè)務(wù)流量以決定當(dāng)前的資源要求

在跨層設(shè)計(jì)思想的指導(dǎo)下，協(xié)議棧各層可以進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)來優(yōu)化業(yè)務(wù)的性能

通過組合調(diào)節(jié)發(fā)送功率、數(shù)據(jù)速率、重傳定時(shí)器、幀長(zhǎng)、編碼和調(diào)制來適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀況的變化，并通過區(qū)分分組優(yōu)先級(jí)以滿足高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的QoS要求

跨層QoS模型跨層QoS模型需要考慮如何對(duì)上層應(yīng)用，信道接入機(jī)制、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)與優(yōu)化?？鐚観oS模型需要確定合適的QoS指標(biāo)，并且需要明確這些指標(biāo)的重要性和相互關(guān)系跨層QoS模型應(yīng)將不同層的QoS指標(biāo)區(qū)分開來并分別進(jìn)行匹配應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)層MAC層應(yīng)用層指標(biāo)（時(shí)延、吞吐量）網(wǎng)絡(luò)層指標(biāo)（緩存、電量、穩(wěn)定性）MAC層指標(biāo)（鏈路SNR與BER）協(xié)議棧QoS指標(biāo)跨層設(shè)計(jì)面臨的問題

當(dāng)前存在的問題：

大都僅考慮兩層聯(lián)合優(yōu)化，很少考慮三層以上的跨層優(yōu)化

缺乏系統(tǒng)級(jí)的協(xié)調(diào)，很少考慮算法間的聯(lián)系和可能的沖突

缺乏相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，跨層系統(tǒng)難以維護(hù)和升級(jí)代價(jià)：

降低了設(shè)計(jì)抽象和模塊化，增加協(xié)議設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性

難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)層間交互的結(jié)果，并可能與現(xiàn)存的協(xié)議不匹配

通用性較低，同時(shí)實(shí)施多種跨層優(yōu)化還可能會(huì)造成沖突因此，跨層設(shè)計(jì)不是摒棄分層體系結(jié)構(gòu)本身，而是在其基礎(chǔ)上針對(duì)特殊應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的