異構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層協(xié)議研究現(xiàn)狀

范 菁，謝建斌，陶芝芹，樊 強(qiáng)

(1．云南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，云南 昆明650031 2．云南大學(xué)城市建設(shè)與管理學(xué)院，云南 昆明650091)

當(dāng)前，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，泛在式異構(gòu)一體化綜合網(wǎng)絡(luò)［1］已成為各種通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)目標(biāo)．無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)、Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)以及UMB、WiFi等各種新興無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也由于各自不同的特性和應(yīng)用而受到重視與發(fā)展．

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)［2］(Wireless Sensor Networks，WSN)是由一組傳感器以Ad Hoc方式構(gòu)成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，能協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，具有覆蓋區(qū)域大、可遠(yuǎn)程監(jiān)控、監(jiān)測(cè)精度高、部署速度快等優(yōu)點(diǎn)，但存在電源能量、通信能力、節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力與特定應(yīng)用相關(guān)等局限．無(wú) 線 網(wǎng) 狀 網(wǎng) 絡(luò)［3］(Wireless Mesh Networks，WMN)又被稱為無(wú)線網(wǎng)格網(wǎng)，是一種新型的寬帶接入網(wǎng)絡(luò)，也是一種動(dòng)態(tài)的自組織、自配置的多跳(Multi－Hop)網(wǎng)絡(luò)．WMN的目的是組成一個(gè)異構(gòu)大型網(wǎng)絡(luò)，核心指導(dǎo)思想是讓網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(luò)覆蓋，具有任意拓?fù)?，組網(wǎng)靈活、迅速，自穩(wěn)定，隨需擴(kuò)展，頻譜效率高、覆蓋范圍廣、可靠性強(qiáng)，非常適合有線不方便場(chǎng)合，可與WSN互補(bǔ)等特點(diǎn)，有明顯的分布式自組織特征．當(dāng)前空間復(fù)用度、多信道、路由度量、負(fù)載均衡、功率控制、跨層設(shè)計(jì)等方面的研究［3］是無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的研究重點(diǎn)．根據(jù)WSN和WMN特點(diǎn)，將無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)作為異構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入的骨干網(wǎng)絡(luò)，并將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為泛在網(wǎng)絡(luò)的接入網(wǎng)絡(luò)，可形成基于無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的由多種不同類型傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的異構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)［4－5］(Heterogeneous Wireless Sensor Network，HWSN)．異構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)特性體現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)異構(gòu)性(包括感知能力、計(jì)算能力、通信能力和能量等)、鏈路異構(gòu)性和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議異構(gòu)性等方面．目前關(guān)于基于無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)研究?jī)?nèi)容涉及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信、基礎(chǔ)設(shè)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信、基礎(chǔ)設(shè)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(shè)計(jì)關(guān)系密切且跨層設(shè)計(jì)又關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)整體性能，因此跨層設(shè)計(jì)已成為目前HWSN研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)．

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(luò)資源，研究基于無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的HWSN層間通信機(jī)制并進(jìn)行相應(yīng)的跨層設(shè)計(jì)是關(guān)鍵．HWSN跨層設(shè)計(jì)是相對(duì)分層結(jié)構(gòu)而言所設(shè)計(jì)的一種算法或協(xié)議，跨層設(shè)計(jì)是一種可實(shí)現(xiàn)一系列層間相互交互的結(jié)構(gòu)，跨層設(shè)計(jì)中的層間交互可提供高于分層結(jié)構(gòu)接口標(biāo)準(zhǔn)的超集鏈路．自2005年Srivastava和Motani第1次提出跨層［8］概念以來(lái)，眾多研究者開(kāi)展了大量的HWSN網(wǎng)絡(luò)跨層研究工作．針對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)性能要求，基于傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分層架構(gòu)，采用松散耦合跨層設(shè)計(jì)、緊耦合跨層設(shè)計(jì)方法以及不同的HWSN跨層設(shè)計(jì)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(guān)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(cè)試平臺(tái)及應(yīng)用于實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的跨層協(xié)議［9］尚未實(shí)現(xiàn)．

本文通過(guò)分析HWSN跨層設(shè)計(jì)目的、設(shè)計(jì)方法，比較研究當(dāng)前相關(guān)跨層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，旨在探討未來(lái)HWSN跨層設(shè)計(jì)的發(fā)展方向，為相關(guān)研究工作提供一定的參考和借鑒．

1 異構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計(jì)方法

相關(guān)研究表明［10－15］，在分層架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧各層間只能通過(guò)預(yù)定義的接口通信，分層思想使各層協(xié)議開(kāi)發(fā)相對(duì)簡(jiǎn)單．但嚴(yán)格分層結(jié)構(gòu)對(duì)WSN及HWSN中并不適用．不適用的主要原因是：①WSN及HWSN中拓?fù)湎鄬?duì)動(dòng)態(tài)且鏈路質(zhì)量不穩(wěn)定特點(diǎn)使分層思想嚴(yán)重影響了WSN和HWSN最優(yōu)系統(tǒng)性能的實(shí)現(xiàn);②WSN及HWSN各層間存在依賴性．因此，為實(shí)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(fù)或改變，而利用跨層設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)WSN和HWSN中各層協(xié)議協(xié)同工作以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)動(dòng)態(tài)變化，從而優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)整體性能．

研究表明，目前跨層設(shè)計(jì)［16－26］主要有松散耦合跨層設(shè)計(jì)和緊耦合跨層設(shè)計(jì)2種執(zhí)行方法．當(dāng)采用松散耦合跨層設(shè)計(jì)時(shí)，僅針對(duì)單個(gè)協(xié)議層的性能進(jìn)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(jì)算．松散耦合跨層設(shè)計(jì)方法中，在其他協(xié)議層參與本層的計(jì)算時(shí)，通常參數(shù)是由低一級(jí)協(xié)議層向高一級(jí)協(xié)議層次傳遞．如松散耦合跨層設(shè)計(jì)時(shí)，在MAC層數(shù)據(jù)包丟失率或物理層信道狀態(tài)報(bào)告給運(yùn)輸層后，TCP協(xié)議便可區(qū)分?jǐn)?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(gè)額外性能度量報(bào)告給路由協(xié)議從而可作為路由計(jì)算依據(jù)．而當(dāng)采用緊耦合跨層設(shè)計(jì)時(shí)，僅靠層與層間的信息共享是不夠的．事實(shí)上，緊耦合跨層設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)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(gè)協(xié)同優(yōu)化問(wèn)題．如對(duì)多通道TDMA的無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)MAC和路由協(xié)議，相應(yīng)的時(shí)隙、信道和路由路徑可由單一個(gè)算法獲取和管理，并可利用緊耦合跨層設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出性能優(yōu)于采用松散耦合跨層設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的協(xié)議．

2 異構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各層次的跨層設(shè)計(jì)

鑒于協(xié)議棧跨層設(shè)計(jì)可在任何兩層執(zhí)行，因此WSN及HWSN跨層設(shè)計(jì)可在網(wǎng)絡(luò)任意兩層或多層次間進(jìn)行．研究表明，當(dāng)前異構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的跨層設(shè)計(jì)主要包含了應(yīng)用層跨層協(xié)議、傳輸層跨層協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)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(píng)價(jià)跨層設(shè)計(jì)優(yōu)劣的主要方法是通過(guò)評(píng)價(jià)使用跨層設(shè)計(jì)方案后網(wǎng)絡(luò)能耗、吞吐量、效率、延時(shí)、健壯性、公平性等性能指標(biāo)是否優(yōu)化．

2．1 應(yīng)用層跨層協(xié)議

HWSN應(yīng)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)等服務(wù)以及實(shí)現(xiàn)密鑰管理和泛洪攻擊檢測(cè)等安全支持．目前HWSN應(yīng)用層的跨層設(shè)計(jì)主要為視頻、數(shù)據(jù)融合和安全支持服務(wù)．

2．1．1 視頻服務(wù)跨層協(xié)議

目前，WSN和HWSN應(yīng)用層的跨層設(shè)計(jì)大多是為視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的．文獻(xiàn)［10］證明了IEEE 802．15．3技術(shù)不適合動(dòng)態(tài)比特率編碼(VBR)視頻傳輸，并提出了能量區(qū)分應(yīng)用感知調(diào)度(EDAS)的跨層設(shè)計(jì)方法．文獻(xiàn)［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(guò)采用不同路徑匯流傳輸以避免能量在單個(gè)路徑中的損耗．文獻(xiàn)［12］提出了一種基于CDMA的跨層實(shí)時(shí)多視頻流設(shè)計(jì)框架．該設(shè)計(jì)框架通過(guò)調(diào)整信源編碼率和每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(duì)偶分解方案證明上述問(wèn)題收斂且有全局最優(yōu)解．文獻(xiàn)［13］提出基于地理轉(zhuǎn)發(fā)的無(wú)線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)(VSN)兩跨層間可靠的視頻傳輸解決方案，其中負(fù)載均衡方案轉(zhuǎn)發(fā)(LBRF)可根據(jù)本地負(fù)載均衡情況動(dòng)態(tài)決定下一跳;而定向負(fù)載平衡擴(kuò)散(DLBS)可結(jié)合當(dāng)?shù)睾头较蛐?空間)的負(fù)載均衡情況提供可靠快捷的視頻傳輸．文獻(xiàn)［14］關(guān)于視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)的跨層設(shè)計(jì)兼顧了視頻質(zhì)量和視頻流的公平性．文獻(xiàn)［15］引入了支持視頻點(diǎn)播的多跳WiMax網(wǎng)狀網(wǎng)服務(wù)的跨層框架，并提出了針對(duì)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(shè)計(jì)了一個(gè)基于組播樹(shù)的高效、輕量級(jí)多播路由協(xié)議．此外，該聯(lián)合方案應(yīng)用層中采用了修補(bǔ)技術(shù)以提高視頻服務(wù)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(dá)率下的WiMax視頻點(diǎn)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(yīng)用層另一主要服務(wù)．WSN和HWSN應(yīng)用層的數(shù)據(jù)融合機(jī)制是：當(dāng)發(fā)送方獲知路徑中某些鏈路擁塞時(shí)，發(fā)送方會(huì)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(xiàn)［16］提出了GRASS數(shù)據(jù)融合算法，該算法通過(guò)形成簇群，并由簇頭對(duì)來(lái)自簇內(nèi)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，然后由簇頭負(fù)責(zé)尋求最大化網(wǎng)絡(luò)壽命的路徑．文獻(xiàn)［16］研究表明，GRASS數(shù)據(jù)融合算法可避免網(wǎng)絡(luò)壽命受限于簇頭壽命，可節(jié)省網(wǎng)絡(luò)壽命．文獻(xiàn)［17］針對(duì)單跳分簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一個(gè)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(diǎn)以傳送當(dāng)?shù)匦畔?，從而有效延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命．文獻(xiàn)［18］提出了一個(gè)新的超時(shí)控制計(jì)劃．在該計(jì)劃中，數(shù)據(jù)聚合過(guò)程通過(guò)深入分析當(dāng)前積累數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)總延遲以權(quán)衡網(wǎng)絡(luò)能耗與效率，進(jìn)一步提高了網(wǎng)絡(luò)能量有效性．

2．1．3 應(yīng)用層其他服務(wù)跨層協(xié)議

WSN和HWSN應(yīng)用層的其他服務(wù)有泛洪攻擊檢測(cè)、數(shù)據(jù)質(zhì)量和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)．文獻(xiàn)［19］設(shè)計(jì)了一種跨層的泛洪攻擊檢測(cè)算法(RCFDAT)，進(jìn)一步擴(kuò)大檢出率，減少錯(cuò)誤報(bào)警率．文獻(xiàn)［19］研究結(jié)果表明，RCFDAT可通過(guò)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(jì)算費(fèi)用、帶寬消耗等資源利用情況，從而更準(zhǔn)確地報(bào)告攻擊類型和程度．文獻(xiàn)［20］采用跨層方法提高了數(shù)據(jù)質(zhì)量．文獻(xiàn)［21］研究了提高跨層實(shí)驗(yàn)平臺(tái)工作性能的相關(guān)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(diǎn)連接提供可靠傳輸、差錯(cuò)控制、流量控制以及QoS等服務(wù)．HWSN傳輸層流量及擁塞控制是傳輸層協(xié)議的關(guān)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(duì)HWSN傳輸層擁塞控制的相關(guān)研究并不多．已有的HWSN傳輸層擁塞控制跨層設(shè)計(jì)主要有基于擁塞優(yōu)先級(jí)的跨層設(shè)計(jì)和基于多通道分布式擁塞控制的跨層設(shè)計(jì)．文獻(xiàn)［22］研究并提出了基于擁塞優(yōu)先級(jí)的跨層控制協(xié)議(PCCP)，PCCP從網(wǎng)絡(luò)層角度考慮了傳輸擁塞控制．PCCP包括2個(gè)位于網(wǎng)絡(luò)層和MAC層間的隊(duì)列，其中一個(gè)隊(duì)列是節(jié)點(diǎn)自身產(chǎn)生的流隊(duì)列，另一個(gè)隊(duì)列是通過(guò)節(jié)點(diǎn)流隊(duì)列．PCCP能通過(guò)計(jì)算隊(duì)列中交互到達(dá)包的時(shí)間來(lái)檢測(cè)擁塞，用擁塞通知機(jī)制(ICN)告知其他節(jié)點(diǎn)目前網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)，然后通過(guò)在每個(gè)節(jié)點(diǎn)減少網(wǎng)絡(luò)注入流量來(lái)控制網(wǎng)絡(luò)擁塞程度．試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)采用PCCP時(shí)，HWSN的吞吐量比普通網(wǎng)絡(luò)提高了90%，且網(wǎng)絡(luò)流量間調(diào)度公平．文獻(xiàn)［23］提出了一種多通道無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)(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(duì)延遲、丟包率和積累長(zhǎng)度差別，每個(gè)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行本地搜索，并引入干擾頻率矩陣，以實(shí)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(xiàn)［23］仿真結(jié)果表明，DCACA算法提高了網(wǎng)絡(luò)總吞吐量;與采用3個(gè)非重疊信道的 IEEE 802．11b相比，當(dāng)采用DCACA的所有11個(gè)信道部分重疊時(shí)，網(wǎng)絡(luò)總體吞吐量可提高25%，平均往返時(shí)間可縮短一半以上．

2．3 網(wǎng)絡(luò)層跨層協(xié)議

HWSN網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是發(fā)現(xiàn)和維護(hù)路由．當(dāng)前，為提升HWSN網(wǎng)絡(luò)性能，常通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)層選擇合理的路由以保證網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑經(jīng)歷最少跳數(shù)．通常一個(gè)自適應(yīng)跨層路由協(xié)議可基于物理鏈路的信息來(lái)選擇路由，也可基于MAC層的調(diào)度策略來(lái)選擇路由．目前HWSN網(wǎng)絡(luò)層的跨層路由設(shè)計(jì)主要有分簇節(jié)能跨層設(shè)計(jì)、樹(shù)狀跨層設(shè)計(jì)、地理位置跨層設(shè)計(jì)以及基于先進(jìn)技術(shù)的跨層路由設(shè)計(jì)．

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(luò)結(jié)構(gòu)，并通過(guò)跨層的主動(dòng)能量管理阻止網(wǎng)絡(luò)連通性下降，實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期的路由協(xié)議．

當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的一個(gè)分簇節(jié)能路由協(xié)議是LEACH［24］(低能量自適應(yīng)分簇路由協(xié)議)．在LEACH協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)被分為簇，每個(gè)循環(huán)輪次中簇內(nèi)隨機(jī)選擇簇頭且簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)都有機(jī)會(huì)成為簇頭，因此所有節(jié)點(diǎn)都會(huì)分享能量．當(dāng)前，基于LEACH算法的分簇節(jié)能跨層路由協(xié)議設(shè)計(jì)已成為HWSN網(wǎng)絡(luò)層跨層研究的重要研究方向，并有相關(guān)影響力的研究成果．文獻(xiàn)［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(kuò)展LEACH為多跳路由．當(dāng)采用文獻(xiàn)［25］跨層路由協(xié)議時(shí)，路由表包括1個(gè)或多個(gè)可從鄰居節(jié)點(diǎn)得到的能量水平變量，路由時(shí)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(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)．文獻(xiàn)［26］提出了一個(gè)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(luò)分為時(shí)區(qū)，采用組播上行流和下行流方法來(lái)傳遞數(shù)據(jù)，同時(shí)由同步ACK和否認(rèn)ACK來(lái)有效避免接收和傳輸錯(cuò)誤．文獻(xiàn)［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(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命．

2．3．2 樹(shù)狀跨層路由協(xié)議

樹(shù)狀跨層路由協(xié)議是基于樹(shù)狀拓?fù)?，?lián)合MAC層或物理層相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)最小能耗或能耗均衡的路由算法．

文獻(xiàn)［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(xiàn)［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(luò)壽命40%．文獻(xiàn)［28］探討了由無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)客戶端和Mesh路由器組成網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化路由和自適應(yīng)調(diào)度的方法，發(fā)展了瞬時(shí)容量區(qū)的概念，并構(gòu)建了與瞬時(shí)容量區(qū)有關(guān)的多跳路由和傳輸調(diào)度，保障了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和公平性．文獻(xiàn)［28］還采用了Lyapunov數(shù)學(xué)方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)路由進(jìn)行優(yōu)化，相關(guān)研究對(duì)網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)路由的發(fā)現(xiàn)、維護(hù)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(gè)網(wǎng)絡(luò)的洪泛，減少路由協(xié)議的控制開(kāi)銷，優(yōu)化路徑選擇，通過(guò)利用節(jié)點(diǎn)位置信息構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，易于進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的全局優(yōu)化．

文獻(xiàn)［29］采用地理轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)控制流以及跳到跳的QoS請(qǐng)求，并提出了可提供QoS服務(wù)的跨層控制單元(XLCU)．其中，XLCU可控制調(diào)度和估計(jì)UWB的時(shí)間分配、避免沖撞閑置監(jiān)聽(tīng)．文獻(xiàn)［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(jìn)物理層技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)層跨層路由協(xié)議

針對(duì)HWSN網(wǎng)絡(luò)層的跨層路由設(shè)計(jì)，除了分簇節(jié)能跨層設(shè)計(jì)、樹(shù)狀跨層設(shè)計(jì)、地理位置跨層設(shè)計(jì)以外，跨層路由協(xié)議設(shè)計(jì)也涉及了很多先進(jìn)的物理層技術(shù)．文獻(xiàn)［30］考慮了數(shù)據(jù)流動(dòng)態(tài)性和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)改變特性，并引入了在FDMA信道模型下的M點(diǎn)聯(lián)合路由算法．文獻(xiàn)［31］基于路由和MAC的天線平臺(tái)(APRMAC)設(shè)計(jì)了跨層協(xié)議．在文獻(xiàn)［31］的跨層協(xié)議中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需通過(guò)發(fā)送hello包來(lái)發(fā)現(xiàn)該節(jié)點(diǎn)的一跳鄰居節(jié)點(diǎn)，然后將信息發(fā)送至天線節(jié)點(diǎn)，天線平臺(tái)通過(guò)計(jì)算所有節(jié)點(diǎn)與其最近sink節(jié)點(diǎn)的路徑后，可為節(jié)點(diǎn)調(diào)度相應(yīng)的接入時(shí)間．因此采用文獻(xiàn)［31］的跨層協(xié)議時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可知何時(shí)傳輸、何時(shí)偵聽(tīng)、何時(shí)休眠，并可以節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能耗．文獻(xiàn)［32］以LEACH協(xié)議為多簇路由基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)跨層協(xié)議時(shí)考慮了MIMO通信．在文獻(xiàn)［32］的網(wǎng)絡(luò)層跨層協(xié)議中，為實(shí)現(xiàn)接收包的最小錯(cuò)誤概率，簇頭負(fù)責(zé)選擇與參加下一簇頭MIMO通信的節(jié)點(diǎn)，以避免包重傳，減少了能量損耗．文獻(xiàn)［33］提出了最大化生成樹(shù)搜索機(jī)制(MASTS)來(lái)創(chuàng)建虛擬MIMO鏈路的跨層設(shè)計(jì)，并通過(guò)連接路由選擇最佳節(jié)點(diǎn)集合形成通信路徑．此外，網(wǎng)絡(luò)層跨層路由協(xié)議設(shè)計(jì)還引入了部分最新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)．文獻(xiàn)［34］提出了路由和鏈路調(diào)度復(fù)用算法，旨在提高無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的吞吐能力．文獻(xiàn)［35］提出了一個(gè)跨層認(rèn)知路由協(xié)議，針對(duì)動(dòng)態(tài)CRNs提供機(jī)會(huì)主義差別服務(wù)路由協(xié)議(OSDRP)．文獻(xiàn)［35］的OSDRP通過(guò)可用機(jī)會(huì)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(luò)切換時(shí)延，還考慮了主要用戶網(wǎng)絡(luò)排隊(duì)動(dòng)態(tài)時(shí)延 CRNs．此外，OSDRP的服務(wù)區(qū)分可由傳輸功率控制和機(jī)會(huì)主義路由結(jié)合獲取．仿真結(jié)果表明，采用文獻(xiàn)［35］的OSDRP，網(wǎng)絡(luò)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(luò)吞吐量、降低網(wǎng)絡(luò)延時(shí)．跨層的MAC協(xié)議設(shè)計(jì)是HWSN的研究熱點(diǎn)之一．HWSN中MAC層的跨層設(shè)計(jì)既可在物理層與MAC層間進(jìn)行，也可在MAC層和網(wǎng)絡(luò)層間進(jìn)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(dāng)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(shù))、ALOHA媒體訪問(wèn)和分布式排隊(duì)等方法．文獻(xiàn)［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(shù)．在文獻(xiàn)［36］中，網(wǎng)絡(luò)傳感器的占空比可保障事件感知的一定可靠性，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳感器的占空比根據(jù)物理層測(cè)量的包丟失率，包沖撞概率，包阻塞概率以及MAC層測(cè)量的時(shí)間概率分配情況計(jì)算．文獻(xiàn)［36］考慮了分布和集中2種情況．集中情況下，先由網(wǎng)絡(luò)Sink節(jié)點(diǎn)決定占空比然后傳輸?shù)狡渌?jié)點(diǎn)，可靠性高，但更快消耗同等節(jié)點(diǎn)的能量;分布情況下，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)只發(fā)送活躍的節(jié)點(diǎn)數(shù)給傳感器，傳感器自己計(jì)算占空比以保持可靠性，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)能耗少，但網(wǎng)絡(luò)感知事件的可靠性與集中情況相當(dāng)．文獻(xiàn)［37］考慮了CSMA－CD(帶沖撞檢測(cè)的載波偵聽(tīng)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(dāng)采用CAEM協(xié)議時(shí)，網(wǎng)絡(luò)所有傳感器持續(xù)感知信道狀態(tài)，若網(wǎng)絡(luò)中一節(jié)點(diǎn)需傳輸包，則在信道狀態(tài)好時(shí)傳輸;當(dāng)信道狀態(tài)不好時(shí)，包就被緩沖，傳感器進(jìn)入睡眠模式．CAEM協(xié)議公平調(diào)度和隊(duì)列機(jī)制避免了信道狀態(tài)長(zhǎng)時(shí)間不好時(shí)的浪費(fèi)．因此，與不采用CAEM協(xié)議相比，網(wǎng)絡(luò)壽命可增加到40%．文獻(xiàn)［38］提出了SS－Trees(感知休眠樹(shù))，并根據(jù)SS－tree優(yōu)化對(duì)傳感器休眠進(jìn)行調(diào)度，并采用CSMA接入信道，通過(guò)區(qū)分上游和下游階段減少包的沖撞次數(shù)，在偵聽(tīng)請(qǐng)求時(shí)減少能量耗損．基于ALOHA媒體訪問(wèn)，文獻(xiàn)［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(wèn)干擾情況下可計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)最佳接收能量，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能．文獻(xiàn)［40］采用ALOHA媒體訪問(wèn)方法進(jìn)行了跨層協(xié)議設(shè)計(jì)．在文獻(xiàn)［40］中，為導(dǎo)出多信道隨機(jī)訪問(wèn)的分散優(yōu)化公式，將節(jié)點(diǎn)間的相互干擾全部納入從而進(jìn)一步減少了網(wǎng)絡(luò)整體干擾、提高了網(wǎng)絡(luò)利用率并實(shí)現(xiàn)了傳輸?shù)南鄬?duì)公平性．文獻(xiàn)［41］提出了分布式排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)(DQBAN)的跨層解決方案，并基于包QoS限制和當(dāng)前流量的模糊準(zhǔn)則來(lái)調(diào)度包的傳輸．采用文獻(xiàn)［41］的解決方案時(shí)，若網(wǎng)絡(luò)流量少，通過(guò)分段ALOHA媒體訪問(wèn)來(lái)傳輸包;若流量大，可使用預(yù)留協(xié)議;若延遲限制不能承擔(dān)沖撞，使用查詢方案．文獻(xiàn)［41］的跨層協(xié)議現(xiàn)實(shí)了節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能耗的目的．文獻(xiàn)［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(xiàn)［42］中，首先建立期望的感知可靠性，然后采用多簇WSN的動(dòng)態(tài)占空比調(diào)度，避免了擁塞且實(shí)現(xiàn)了最小感知可靠性．文獻(xiàn)［42］仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的算法可靠性水平穩(wěn)定、網(wǎng)絡(luò)包丟失率減少且可節(jié)省網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)［43］考慮TDMA提出了跨層協(xié)議，并通過(guò)聯(lián)合PSO(粒子群算法)和HA(混合算法)2種機(jī)制列出了優(yōu)化方法中相應(yīng)可能的傳輸方法．文獻(xiàn)［43］研究結(jié)果表明，聯(lián)合2種機(jī)制的算法減少了網(wǎng)絡(luò)能耗．文獻(xiàn)［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(diǎn)傳輸?shù)姆椒?，并采用跨層方法?jì)算最佳路徑來(lái)平衡TDMA網(wǎng)絡(luò)負(fù)載從而形成最佳時(shí)隙調(diào)度．文獻(xiàn)［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(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)壽命．文獻(xiàn)［45］針對(duì)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(shí)，盡可能讓節(jié)點(diǎn)保持傳輸最長(zhǎng)的時(shí)間．此外，文獻(xiàn)［45］提出的根據(jù)信道隨時(shí)間變化的自適應(yīng)模型有效地減少了包的丟失率．文獻(xiàn)［36］采用TD-MA為媒體訪問(wèn)提供服務(wù)，提出跨層非線性優(yōu)化模型．在文獻(xiàn)［46］中，采用數(shù)學(xué)框架收集流量加載信息、重傳、調(diào)制方案和比特錯(cuò)誤率以計(jì)算最優(yōu)化傳輸能量和每條鏈路的流量，并通過(guò)對(duì)最優(yōu)化模型計(jì)算趨勢(shì)的分析提出了最小延遲調(diào)度算法．文獻(xiàn)［46］同時(shí)還驗(yàn)證了該算法在線性、網(wǎng)格、隨機(jī)拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)中是能量有效的．文獻(xiàn)［47］在MAC層考慮了TDMA方法，提出了跨層路由、自動(dòng)重復(fù)請(qǐng)求(ARQ)的能量控制協(xié)議．文獻(xiàn)［48］使用TDMA為媒體訪問(wèn)提高服務(wù)，提出了以節(jié)點(diǎn)加入和能量耗損減少為目的MAC層跨層設(shè)計(jì)方法，并采用MILP(混合整數(shù)線性規(guī)劃)方法保證節(jié)點(diǎn)接入時(shí)網(wǎng)絡(luò)壽命的最大化．文獻(xiàn)［49］提出了基于 TDMA的 MAC協(xié)議，在文獻(xiàn)［49］中，能量控制、鏈路接入和路由都被考慮用來(lái)滿足Karish－Kuhn－Tucker(KKT)優(yōu)化條件．文獻(xiàn)［49］導(dǎo)出的公式提供了網(wǎng)絡(luò)生命的上限范圍．文獻(xiàn)［50］針對(duì)無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中合成了基于空間TDMA的最佳跨層路由設(shè)計(jì)，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(jī)制，實(shí)現(xiàn)了端到端的延時(shí)最小化．此外，文獻(xiàn)［50］還基于拓?fù)涓淖儠r(shí)網(wǎng)絡(luò)連通性，研究了一定無(wú)線信道和包傳輸成功概率下端到端的平均時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)情況．文獻(xiàn)［51］提出了2種(分散式和集中式)具有OLSR意識(shí)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(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)信道分配以保證網(wǎng)絡(luò)吞吐量．文獻(xiàn)［51］的算法進(jìn)一步強(qiáng)化了基于STDMA的跨層設(shè)計(jì)．

2．4．3混合型跨多層MAC層跨層協(xié)議

當(dāng)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(wèn)控制跨層設(shè)計(jì)、新的跨層媒體訪問(wèn)控制、跨層延時(shí)能量最小化媒體訪問(wèn)協(xié)議．文獻(xiàn)［52］研究并提出了混合TDMA/CDMA媒體訪問(wèn)控制跨層設(shè)計(jì)．在該跨層設(shè)計(jì)中，通過(guò)在簇間采用TDMA方式分配不同超級(jí)幀來(lái)干擾簇從而避免簇間干擾，并根據(jù)能量和時(shí)間控制將CDMA調(diào)度應(yīng)用于簇內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)集合以減少簇內(nèi)能量耗損．文獻(xiàn)［52］研究結(jié)果表明，采用該跨層設(shè)計(jì)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)壽命增加．文獻(xiàn)［53］提出了一種可實(shí)現(xiàn)跨層媒體訪問(wèn)控制、吞吐量最大化的MAC協(xié)議(TM－MAC)．為實(shí)現(xiàn)最佳調(diào)度和傳輸率計(jì)算的最小干擾，該協(xié)議將網(wǎng)絡(luò)劃分為超寬帶微網(wǎng)．文獻(xiàn)［53］研究結(jié)果表明，與IEEE 802．15．3網(wǎng)絡(luò)相比，網(wǎng)絡(luò)吞吐量增加、延時(shí)減?。墨I(xiàn)［54］聯(lián)合突發(fā)流量WSN的最佳路由，提出了跨層延時(shí)能量最小化媒體訪問(wèn)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(xiàn)［54］研究結(jié)果表明，采用LEMMA協(xié)議時(shí)，網(wǎng)絡(luò)傳輸干擾可減少，網(wǎng)絡(luò)性能可大幅提升．文獻(xiàn)［55］設(shè)計(jì)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(tīng)和睡眠方案導(dǎo)致的端到端延遲增加、網(wǎng)絡(luò)吞吐量降低以及節(jié)點(diǎn)數(shù)目過(guò)大導(dǎo)致的sink節(jié)點(diǎn)附近擁塞問(wèn)題．在TC－MAC協(xié)議中，監(jiān)聽(tīng)時(shí)段被預(yù)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(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)信道，由流量監(jiān)測(cè)器監(jiān)控?fù)砣麪顩r以保證相對(duì)公平．研究結(jié)果表明，當(dāng)采用TC－MAC協(xié)議時(shí)，網(wǎng)絡(luò)能耗可大大減少．文獻(xiàn)［56］提出了一種用于超寬帶(UWB)的跨層鏈路自適應(yīng)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(luò)能耗，并使用了多址作為UWB多跳信令結(jié)構(gòu)，進(jìn)而優(yōu)化了多跳路由的能耗．文獻(xiàn)［57］提出了一個(gè)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(luò)的地理轉(zhuǎn)發(fā)．在MACRO中，通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)觸發(fā)選擇下一個(gè)最好中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息轉(zhuǎn)發(fā)，其中競(jìng)爭(zhēng)基于每個(gè)單位發(fā)射功率到達(dá)目的地進(jìn)展估算．文獻(xiàn)［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(shí)網(wǎng)絡(luò)性能更優(yōu)．文獻(xiàn)［58］設(shè)計(jì)了一個(gè)信道分配和快速M(fèi)AC架構(gòu)(CAFMA)．CAFMA有效地利用了多頻多信道的優(yōu)越性．在CAFMA跨層架構(gòu)中，提供了多渠道協(xié)調(diào)和基于多跳中繼拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的快速數(shù)據(jù)通信機(jī)制以及與路由協(xié)議聯(lián)合的分布式信道分配方案．文獻(xiàn)［59］提出了一種新型自適應(yīng)天線的電控定向MAC協(xié)議(PCDMAC)．PCD－MAC使用標(biāo)準(zhǔn)RTS－CTS－DATAACK交換過(guò)程，其中傳輸過(guò)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(xiàn)［59］還進(jìn)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(jì)算多重路由．研究結(jié)果表明，文獻(xiàn)［59］所提出的PCD－MAC和DDR協(xié)議均都增加網(wǎng)絡(luò)總流量并保證網(wǎng)絡(luò)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(guān)參數(shù)，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)組件進(jìn)行功率控制，或映射到網(wǎng)絡(luò)層、MAC層進(jìn)行協(xié)議調(diào)整．當(dāng)前主要的物理層跨層設(shè)計(jì)有基于超寬帶(UWB)的跨層方案、自適應(yīng)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(wù)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(jiān)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(xiàn)［56］提出了基于超寬帶(UWB)的跨層協(xié)議．文獻(xiàn)［60］提出了跨層自適應(yīng)編碼位置調(diào)制方案(ACPM)．在ACPM中，通過(guò)定義一個(gè)新層(包調(diào)度層)來(lái)計(jì)算延遲請(qǐng)求和包丟失率，針對(duì)延遲請(qǐng)求使用優(yōu)化調(diào)制方案，并由物理層決定包傳輸時(shí)最大的BER的方法解決包丟失率問(wèn)題，傳輸功率可根據(jù)要求由調(diào)制方案實(shí)時(shí)調(diào)整．文獻(xiàn)［61］基于兩物理層重要參數(shù)可被MAC協(xié)議所用的實(shí)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(jìn)行調(diào)度傳輸．文獻(xiàn)［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(luò)能耗．文獻(xiàn)［62］提出了多跳任務(wù)映象調(diào)度機(jī)制(MTMS)．MTMS的目的是為每個(gè)節(jié)點(diǎn)尋找最好任務(wù)映象;基本思想是遵守延遲限制條件，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電壓，以最小功率方式進(jìn)行任務(wù)調(diào)度．文獻(xiàn)［62］研究結(jié)果表明，與其它分布式結(jié)構(gòu)算法相比，使用MTMS后，網(wǎng)絡(luò)能耗減少50%．文獻(xiàn)［63］根據(jù)信噪比建立了一個(gè)信息質(zhì)量指標(biāo)參量，并基于信息質(zhì)量指標(biāo)參量設(shè)計(jì)了一種具有質(zhì)量意識(shí)的調(diào)度系統(tǒng)(QSS)．在QSS中，跨層控制節(jié)點(diǎn)有效探測(cè)并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)控制傳感器的頻率和階段．文獻(xiàn)［63］研究結(jié)果表明，QSS可提高網(wǎng)絡(luò)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(luò)性能是不必要的，文獻(xiàn)［64］提出了一個(gè)帶寬和元素分配聯(lián)合調(diào)度的跨層設(shè)計(jì)方案．該方案在滿足帶寬優(yōu)化分配的同時(shí)，采用代價(jià)意識(shí)的元素分配技術(shù)以減小總的天線元素，并通過(guò)一流量意識(shí)流控制鏈路分配機(jī)制來(lái)分配調(diào)度網(wǎng)絡(luò)帶寬．文獻(xiàn)［64］研究表明，帶寬和元素分配聯(lián)合調(diào)度的跨層設(shè)計(jì)方案不僅可節(jié)約總體天線元素而且可優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能．

3 結(jié)語(yǔ)

縱觀HWSN跨層設(shè)計(jì)方法和HWSN中各層次的跨層設(shè)計(jì)，當(dāng)前HWSN跨層設(shè)計(jì)的一個(gè)主要缺點(diǎn)是缺少協(xié)議互動(dòng)性．研究表明，在進(jìn)行HWSN跨層設(shè)計(jì)時(shí)，考慮HWSN中網(wǎng)絡(luò)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(guò)共享協(xié)議棧定義后由協(xié)議根據(jù)規(guī)則進(jìn)行交互，從而實(shí)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(fù)雜性也增加．因此，權(quán)衡HWSN跨層開(kāi)銷和優(yōu)化程度將是HWSN跨層設(shè)計(jì)重要的研究?jī)?nèi)容．

在目前HWSN跨層設(shè)計(jì)中僅有少量跨層協(xié)議考慮了傳感器移動(dòng)特性．事實(shí)上，傳感器具有移動(dòng)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(dòng)性將大大增加跨層協(xié)議的復(fù)雜性．目前雖然可采用流量感知解決低速移動(dòng)問(wèn)題，但是解決高速移動(dòng)的方案則是跨層設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)．

視頻服務(wù)是HWSN應(yīng)用層的一項(xiàng)主要服務(wù)，HWSN應(yīng)用層的視頻傳輸不僅要適合IEEE 802.15.3，更要適合其他技術(shù)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(gè)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(yīng)用層的主要服務(wù)，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(yīng)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?jī)r(jià)值．

當(dāng)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(diǎn)，在HWSN網(wǎng)絡(luò)層和MAC層間考慮了網(wǎng)絡(luò)擁塞控制，但僅在HWSN網(wǎng)絡(luò)層和MAC層間考慮網(wǎng)絡(luò)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(duì)HWSN大突發(fā)數(shù)據(jù)流量的HWSN跨層設(shè)計(jì)仍是今后研究的方向之一．

通常新的HWSN網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議比較難建立．目前HWSN網(wǎng)絡(luò)層跨層路由協(xié)議大都是在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層跨層路由協(xié)議上擴(kuò)展改進(jìn)的，但目前改進(jìn)的相關(guān)HWSN網(wǎng)絡(luò)層跨層路由協(xié)議尚不夠全面．其中，普通的路由度量會(huì)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(huì)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(shè)計(jì)將是研究重點(diǎn)．

針對(duì)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(lái)提高UWB的網(wǎng)絡(luò)性能．此外，由于HWSN能量和大小受限，在節(jié)點(diǎn)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(diǎn)動(dòng)態(tài)適應(yīng)信道質(zhì)量以節(jié)省能量，因此隨著先進(jìn)物理層技術(shù)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(diǎn)．

HWSN網(wǎng)絡(luò)能耗制約著HWSN發(fā)展，節(jié)能成為HWSN網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重點(diǎn)．研究表明，睡眠監(jiān)聽(tīng)和傳輸時(shí)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(wèn)方法是CSMA和TDMA，但目前跨層方案提出的相關(guān)方法各有所長(zhǎng)．因此，權(quán)衡網(wǎng)絡(luò)資源和公平性，以確保網(wǎng)絡(luò)各項(xiàng)指標(biāo)綜合利益的HWSN跨層研究將是一個(gè)重要方向．

［1］ KURAN M S，TUGCU T．A survey on emerging broadband wireless access technology［J］． ComputerNetworks，2007，51 ：3 013－3 046．

［2］ YICK J，MUKHERJEE B，GHOSAL D．Wireless sensor network survey［J］．Computer Networks，2008，52(12) ：2 292－2 330．

［3］ AKYILDIZ I F，WANG Xudong，WANG Weilin．Wireless mesh networks：a survey［J］．Computer Networks，2005，47：445－487．

［4］ZHOU Haibo，WU Yuanming，HU Yanqi，et al．A novel stable selection and reliable transmission protocol for clustered heterogeneous wireless sensor networks［J］．Computer Communications，2010，33 ：1 843 －1 849．

［5］ ANTONIO C，MATTEO C，DANILO D D，et at．Deploying multiple interconnected gateways in heterogeneous wireless sensor networks：An optimization approach［J］．Computer Communications，2010，33：1 151 －1 161．

［6］ EVREN G，NECATI A，KUBAN A，et al．Efficient integer programming formulations for optimum sink location and routing in heterogeneous wireless sensor networks［J］，Computer Networks，2010，54：1 805 －1 822．

［7］FOK C L，ROMAN G C，LU Chenyang．A flexible service provisioning middleware for heterogeneous sensor networks［J］．Science of Computer Programming，2010(11)：133－135．

［8］ SRIVASTAVA V，MOTANI M．Cross－layer design：a survey and the road ahead［J］．IEEE Communications Magazine，2005，43(12)：112 －9．

［9］MISRA S，REISSLEIN M，XUE G．A survey of multimedia streaming in wireless sensor networks［J］．IEEE Communications Surveys＆ Tutorials，2008，10(4) ：18－39．

［10］ CHEN X，XIAO Y，CAI Y，et al．An energy diffserv and application－aware MAC scheduling for VBR streaming video in the IEEE 802．15．3 high － rate wireless personal area networks［J］．Computer Communications，2006，29(17)：3516 －26．

［11］ CHEN M，LEUNG V，MAO S，et al．Directional geographical routing for real－time video communications in wireless sensor networks［J］．Computer Communications，2007，30(17)：3 368 －3383．

［12］ CHENG Peng，ZHANG Zhaoyang，CHEN Hsiao － hwa，et al．A framework of cross － layer design for multiple video streams in wireless mesh networks［J］．Computer Communications，2008，3(8)：1 529－1 539．

［13］ ISIK S，DONMEZ M Y，ERSOY C．Cross layer load balanced forwarding schemes for video sensor networks［J］．Ad Hoc Networks，2011，9(3)：265 －284．

［14］PUDLEWSKI S，MELODIA T．A distortion－minimizing rate controller for wireless multimedia sensor networks［J］．Computer Communications，2010，33(12)：1 380 －1 390．

［15］XIE Fei，HUA K A，JIANG Ning．A cross－layer framework for video－on－demand service in multi－h(huán)op WiMax mesh networks［J］．Computer Communications，2008，31(8)：1 615 －1 626．

［16］ AL－KARAKI J，UL－MUSTAFA R，KAMAL A．Data aggregation and routing in wireless sensor networks：optimal and heuristic algorithms［J］．Computer Networks，2009，53(7)：945 －60．

［17］ LIANG Q，YUAN D，WANG Y，et al．A cross－ layer transmission scheduling scheme for wireless sensor networks［J］．Computer Communications，2007，30(14 －15)：2 987 －2 994．

［18］ KWON S，KO J H，KIM J，et al．Dynamic timeout for data aggregation in wireless sensor networks［J］．Computer Networks，2011，55(3)：650－664．

［19］ KHAN S，LOO K K．Real－time cross－layer design for a large－scale flood detection and attack trace－back mechanism in IEEE 802．11 wireless mesh networks［J］．Network Security，2009(5)：9 －16．

［20］SHA K，SHI W．Consistency－driven data quality management of networked sensor systems［J］．Journal of Parallel and Distributed Computing，2008，68(9)：1 207－1 221．

［21］ LIU Chungui，SHU Yantai，ZHANG Lianfang，et al．A multi－layer experimental study of multimedia and QoS communication in wireless mesh networks［J］．Pervasive and Mobile Computing，2009，5(1)：19 －36．

［22］ WANG C，LI B，SOHRABY K，et al．Upstream congestion control in wireless sensor networks through crosslayer optimization［J］．IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2007，25(4)：786 －795．

［23］ RAD A，HAMED M，VINCENT W S．Congestion－aware channel assignment for multi－channel wireless mesh networks［J］．Computer Networks，2009，53(14) ：2 502 －2 516．

［24］ HEINZELMAN W B，CHANDRAKASAN A P，BALAKRISHNAN H．An application－speci?c protocol architecture for wireless microsensor networks［J］．IEEE Transactions on Wireless Communications，2002，1(4)：660－670．

［25］ CHOI J Y，KIM H S，BAEK I，et al．Cell based energy density aware routing：a new protocol for improving the lifetime of wireless sensor networks［J］．Computer Communications，2005，28(11)：1 293 －302．

［26］ RUZZELLI A G，GREGORY M P．JURDAK R，et al．MERLIN：Cross－layer integration of MAC and routing for low duty － cycle sensor networks［J］．Ad Hoc Networks，2008，6(8) ：1 238 －1 257．

［27］CHENG M，GONG X，CAI L．Joint routing and link rate allocation under bandwidth and energy constraints in sensor networks［J］．IEEE Transactions on Wireless Communications，2009，8(7)：3 770 －3 379．

［28］ NEELY M J，URGAONKAR R．Cross－ layer adaptive control for wireless mesh networks［J］．Ad Hoc Networks，2007，5(6)：719 －743．

［29］MELODIA T，AKYILDIZ I F．Cross－layer QoS－aware communication for ultra wide band wireless multimedia sensor networks［J］．IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2010，28(5)：653 －663．

［30］ LU Gang，KRISHNAMACHARI B．Minimum latency joint scheduling and routing in wireless sensor networks［J］．Ad Hoc Networks，2007，5(6)：832 －843．

［31］ MITCHELL P D，QIU J，LI H，et al．Use of aerial platforms for energy efficient medium access control in wireless sensor networks［J］．Computer Communications，2010，33(4)：500 －512．

［32］YUAN Y，HE Z，CHEN M．Virtual MIMO－based cross－ layer design for wireless sensor networks［J］．IEEE Transactions on Vehicular Technology，2006，55(3)：856－864．

［33］ LIANG J，LIANG Q．Channel selection in virtual MIMO wireless sensor networks［J］．IEEE Transactions on Vehicular Technology，2009，58(5)：2 249 －2 257．

［34］AUGUSTO C H P，CARVALHO C B，MARCEL W R S．REUSE：A combined routing and link scheduling mechanism for wireless mesh networks［J］．Computer Communication，2011(01)：50 －55．

［35］HOW K C，MA M，QIN Yang．Routing and QoS provisioning in cognitive radio networks［J］．Computer Networks，2011，55(1)：330 －334．

［36］ MISIC J，SHA S，MISIC V B．Cross－layer activity management in an 802．15．4 sensor network［J］．IEEE Communications Magazine，2006，44(1)：131 －136．

［37］ LIN X H，KWOK Y K．CAEM：a channel adaptive approach to energy management for wireless sensor networks［J］．Computer Communications，2006，29(17)：3 343－3 353．

［38］HA R W，HO P H，SHEN X S．Cross－layer application－specific wireless sensor network design with singlechannel CSMA MAC over sense － sleep trees［J］．Computer Communications，2006，29(17)：3 425 －3344．

［39］ MESSIER G，HARTWELL J，DAVIES R．A sensor network cross－layer power control algorithm that incorporates multiple－ access interference［J］．IEEE Transactions on Wireless Communications，2008，7(8)：2 877 －2 883．

［40］MIAO G，LI GY，SWAMI A．Decentralized optimization for multichannel random access［J］．IEEE Transactions on Communications，2009，57(10)：3 012 －3023．

［41］OTAL B，ALONSO L，VERIKOUKIS C．Highly reliable energy－saving MAC for wireless body sensor networks in healthcare systems［J］．IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2009，27(4)：553 －565．

［42］ MISIC J，REDDY G R，MISIC V B．Activity scheduling based on cross－layer information in Bluetooth sensor networks［J］．Computer Communications，2006，29(17)：3 385－3 396．

［43］ MAO J，WU Z，WU X．A TDMA scheduling scheme for many－to－one communications in wireless sensor networks［J］．Computer Communications，2007，30(4)：863－872．

［44］ MADAN R，CUI S，LAL S，et al．Cross－ layer design for lifetime maximization in interference－limited wireless sensor networks［J］．IEEE Transactions on Wireless Communications，2006，5(11)：3 142 －3 152．

［45］ SU H，ZHANG X．Battery－dynamics driven TDMA MAC protocols for wireless body－area monitoring networks in healthcare applications［J］．IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2009，27(4)：424－434．

［46］ SHI L，F(xiàn)APOJUWO A O．TDMA scheduling with optimized energy efficiency and minimum delay in clustered wireless sensor networks［J］．IEEE Transactions on Mobile Computing，2010，9(7)：927 －940．

［47］ KWON H，KIM TH，CHOI S，et al．A cross－ layer strategy for energy－efficient reliable delivery in wireless sensor networks［J］．IEEE Transactions on Wireless Communications，2006，5(12)：3 689 －3 699．

［48］PHAN KT，F(xiàn)AN R，JIANG H，et al．Network life time maximization with node admission in wireless multimedia sensor networks［J］．IEEE Transactions on Vehicular Technology，2009，58(7)：3 640 －3 646．

［49］WANG H，YANG Y．Network life time maximization with cross － layer design in wireless sensor networks［J］．IEEE Transactions on Wireless Communications，2008，7(10)：3 759 －3 768．

［50］IMAM A W，ELHAKEEM A K．Cross layer design using adaptive spatial TDMA and optimum routing for wireless mesh networks［J］．AEU － International Journal of E-lectronics and Communications，2011，65(1)：44－52．

［51］ KAS M，KORPEOGLU I，KARASAN E．OLSR －aware channel access scheduling in wireless mesh networks［J］．Journal of Parallel and Distributed Computing，2010(11)：78 －85．

［52］SHU T，KRUNZ M．Energy－efficient power/rate control and scheduling in hybrid TDMA/CDMA wireless sensor networks［J］．Computer Networks，2009，53(9)：1 395－1 408．

［53］REN Q，LIANG Q．Throughput and energy－efficiencyaware protocol for ultra wide－band communication in wireless sensor networks：a cross － layer approach［J］．IEEE Transactions on Mobile Computing，2008，7(6)：805－816．

［54］MACEDO M，GRILO A，NUNES M．Distributed latency－energy minimization and Interference avoidance in TDMA wireless sensor networks［J］．Computer Networks，2009，53(5)：569 －582．

［55］ KIM J，PARK KH．An energy － efficient，transportcontrolled MAC protocol for wireless sensor networks［J］．Computer Networks，2009，53(11)：1 879 －1 902．

［56］CHEHRI A，F(xiàn)ORTIER P，TARDIF P M．Cross－layer link adaptation design for UWB－based sensor networks［J］．Computer Communications，2009，32(13)：568－1575．

［57］GALLUCCIO L，LEONARDI A，MORABITO G，et al．A MAC/Routing cross－layer approach to geographic forwarding in wireless sensor networks［J］．Ad Hoc Networks，2007，5(6)：872 －884．

［58］ BONONI L，F(xiàn)ELICE M D，MOLINARO A，et al．Enhancing multi－h(huán)op communication over multi－radio multi－channel wireless mesh networks：A crosslayer approach［J］．Computer Communication，2010(2)：11－18．

［59］ CAPONE A，MARTIGNON F，F(xiàn)RATTA L．Directional MAC and routing schemes for power controlled wireless mesh networks with adaptive antennas［J］．Ad Hoc Networks，2008，6(6)：936－952．

［60］ YUAN Y，YANG Z，HE J．An adaptive code position modulation scheme for wireless sensor networks［J］．IEEE Communication Letters，2005，9(6)：481 －483．

［61］CHEN Y，ZHAO Q．An integrated approach to energyaware medium access for wireless sensor networks［J］．IEEE Transactions on Signal Processing，2007，55(7)：3 429－3 944．

［62］ CUI S，MADAN R，GOLDSMITH A J，et al．Cross －layer energy and delay optimization in small－scale sensor networks［J］．IEEE Transactions on Wireless Communications，2007，6(10)：3 688 －3 699．

［63］ WENG Ning，LI I H，VESPA L．Information quality model and optimization for 802．15．4 － based wireless sensor networks［J］．Journal of Network and Computer Applications，2010(12)：85 －99．

［64］ WANG Jun，DU Peng，JIA Weijia，et al．Joint bandwidth allocation，element assignment and scheduling for wireless mesh networks with MIMO links［J］．Computer Communications，2008，31(7)：1 372 －1 384．