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クロスレイヤー最適化は、層間に事実上厳密な境界を持つOSI通信モデルの純粋なウォーターフォール型の概念からの脱却です。クロスレイヤーアプローチは、層境界を介してフィードバックを動的に伝達し、過負荷、遅延、または要件とリソースのその他の不一致を、検出された欠陥によって直接影響を受ける別の層への任意の制御入力によって補償できるようにします。[ 1 ] [ 2 ]
元の OSI ネットワーク モデルでは、レイヤー間に厳密な境界が設けられており、データは特定のレイヤー内に厳密に保持されます。クロスレイヤー最適化では、このような厳密な境界を取り除き、あるレイヤーが別のレイヤーのデータにアクセスして情報を交換し、相互作用を可能にすることで、レイヤー間の通信を可能にします。たとえば、現在の物理状態を把握することで、MAC レイヤーにおけるチャネル割り当て方式や自動再送要求 (ARQ) 戦略がトレードオフを最適化し、スループットを最大化するのに役立ちます。[ 3 ]
特に、限られたチャネル容量に対する同時需要がある情報ルーティングにおいては、例えば、明瞭な音声伝送のニーズと十分に動的な制御コマンドのニーズとのバランスを取るための介入の概念が必要になる場合がある。リソースを固定的に割り当てると、特定の運用条件下では不一致が生じる。リソース割り当てを非常に動的に変更すると、音声の明瞭度やビデオの安定性に影響を与える可能性がある。しかし、他の最適化戦略と同様に、このアルゴリズムも時間を消費する。[ 4 ]
クロスレイヤー設計には、遵守すべき原則があります。
従来のアーキテクチャ設計アプローチでは、設計者はプロトコルスタックの残りの部分を気にすることなく単一の問題に集中できますが、このアプローチでは、システムの他の部分に意図しない影響が出ないように注意する必要があります。依存関係グラフは、クロスレイヤー設計を使用して発生する適応ループに役立ちます。[ 5 ]
クロスレイヤー最適化は、
その利点としては、無線センサーネットワークにおける高い適応性と、より広い最適化空間が挙げられる。[ 5 ]
クロスレイヤ最適化は、さまざまな運用条件下でのサービス品質の向上に貢献する。このような適応型サービス品質管理は、現在、例えば[ 8 ]のように、さまざまな特許出願の対象となっている 。クロスレイヤ制御メカニズムは、制御パラメータの適応的設定のために、同時品質情報に関するフィードバックを提供する。制御スキームは、
品質面は、クロスレイヤー最適化戦略を調整するための唯一のアプローチではありません。限られたリソースの利用可能性に合わせて制御を調整することは、少なくとも最低限の品質レベルを達成するための最初の必須ステップです。関連する研究は既に実施されており、今後も継続されます。[ 9 ]
非定常的な背景雑音や干渉のある媒体上で動作する必要のある通信システムは、MAC層（送信のスケジューリングを担当）とPHY層（媒体上でのデータの実際の送信と受信を管理）との緊密な連携によってメリットを得られる可能性がある。[ 10 ] [ 11 ]
一部の通信チャネル（例えば、電力線）では、ノイズや干渉が非定常であり、50 Hz または 60 Hzの交流サイクルと同期して変化する可能性があります。このようなシナリオでは、MAC が PHY からノイズや干渉レベルがいつどのように変化するかに関する情報を取得できれば、ノイズや干渉レベルが低い期間に送信をスケジュールできるため、システム全体のパフォーマンスを向上させることができます。[ 11 ]
このようなクロスレイヤー最適化を可能にする通信システムの一例として、 ITU-T G.hn規格が挙げられる。この規格は、既存の家庭用配線（電力線、電話線、同軸ケーブル）上で高速なローカルエリアネットワークを提供する。
クロスレイヤ設計と最適化では、[ 12 ] [ 13 ]で説明されているように、望ましくない影響が生じることで問題が発生する場合があります。現代の異種無線環境におけるモバイルデバイスの最適化された動作を可能にするクロスレイヤ設計ソリューションについては、[ 14 ]で説明されており、クロスレイヤ設計研究分野における主要な未解決の技術的課題も指摘されています。
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