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0 引 言 無(wú)線(xiàn)多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò )(WMSN)是在傳統無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(WSN)基礎上引入了音視頻和圖像等多媒體信息感知功能的一種新型傳感器網(wǎng)絡(luò )。如圖1所示，WMSN通常有大量裝備有CMOS攝像頭和微型麥克風(fēng)的傳感器節點(diǎn)構成，能感知豐富的音頻、視頻、圖像等多媒體信息，實(shí)現紐粒度、精準信息的環(huán)境監測，可廣泛應用于戰場(chǎng)可視化監控、環(huán)境監測、交通監控、智能家居和醫療衛生等領(lǐng)域，因此引起了各國政府和學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注。從 2003年起，美國計算機協(xié)會(huì )專(zhuān)門(mén)組織國際視頻監控與傳感器網(wǎng)絡(luò )研討交流相關(guān)研究成果，加州大學(xué)和斯坦福大學(xué)等美國多所著(zhù)名學(xué)府都開(kāi)始了WMSN的研究工作。我國高校和研究機構也開(kāi)始了該領(lǐng)域的探索，但研究成果尚處于起步階段，距離實(shí)際需求還相差甚遠。 
在WMSN中，媒體訪(fǎng)問(wèn)控制(Medium AccessControl，MAC)協(xié)議處于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧的底層，主要功能是在相互競爭的傳感器節點(diǎn)之間分配有限的無(wú)線(xiàn)信道資源，決定著(zhù)無(wú)線(xiàn)信道的使用方式和網(wǎng)絡(luò )性能，是保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò )正常運行的重要技術(shù)。 針對WMSN硬件資源受限、音視頻媒體信息豐富以及處理任務(wù)復雜等特點(diǎn)，本文總結了當前MAC協(xié)議設計的特點(diǎn)與挑戰，對現有協(xié)議按照信道接入方式進(jìn)行了分類(lèi)，著(zhù)重分析了幾種典型協(xié)議，并詳細討論了這些協(xié)議對實(shí)時(shí)多媒體應用的支持能力，最后探討了今后MAC協(xié)議設計時(shí)亟待研究解決的問(wèn)題。 1 WMSN媒體訪(fǎng)問(wèn)控制協(xié)議特點(diǎn)及挑戰 傳統的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )MAC協(xié)議設計主要考慮以下三方面內容：節省能量；節點(diǎn)部署和網(wǎng)絡(luò )拓撲結構要具有可擴展性；網(wǎng)絡(luò )效率，主要包括公平性、吞吐率和帶寬利用率等。目前傳感器網(wǎng)絡(luò )MAC協(xié)議基本上不支持QoS，不能提供多媒體業(yè)務(wù)傳輸服務(wù)。 WMSN的MAC協(xié)議是個(gè)較新的研究課題，在設計時(shí)除了兼顧上述無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )MAC協(xié)議考慮外，多媒體業(yè)務(wù)決定了WMSN的MAC協(xié)議設計面臨如下技術(shù)挑戰： (1)硬件資源有限。由于大量采用微型化傳感器節點(diǎn)部署，節點(diǎn)在能量供給、計算能力和存儲空間等硬件資源非常有限，決定了MAC協(xié)議設計必須以節能為前提。對于WMSN，由于業(yè)務(wù)傳輸和處理任務(wù)復雜，在提供QoS保障的同時(shí)必須考慮如何高效應用這些資源。 (2)QoS保障。QoS敏感是WMSN的一個(gè)重要特征，具體體現在音視頻質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò )時(shí)延、網(wǎng)絡(luò )能耗和媒體信息處理等方面。WMSN與傳統WSN相比，MAC協(xié)議設計需要更多的關(guān)注服務(wù)質(zhì)量。 (3)區分服務(wù)。 WMSN存在音頻、視頻信息，同時(shí)可能存在文本信息，不同的應用對QoS的不同參數關(guān)注程度不同。因此，MAC協(xié)議設計要能夠針對上述不同業(yè)務(wù)提供區分服務(wù)，同時(shí)在全網(wǎng)范圍內實(shí)現資源的有效利用。 (4)性能權衡。MAC協(xié)議設計需要在各種性能間取得平衡，各性能間的平衡往往比單個(gè)性能的表現更重要。多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò )MAC如何在QoS、網(wǎng)絡(luò )效率、可擴展性、能耗等方面取得平衡，也是一個(gè)重要問(wèn)題。 (5)復雜度與優(yōu)化性能的折衷問(wèn)題。MAC協(xié)議要盡量使WMSN性能得到優(yōu)化，但往往將協(xié)議設計得過(guò)于復雜。傳感器節點(diǎn)本身能量、存儲和計算能力有限，不能夠進(jìn)行過(guò)多的計算，所以協(xié)議要設計的盡可能簡(jiǎn)單高效。 2 WMSN媒體訪(fǎng)問(wèn)控制協(xié)議 在WMSN中，MAC協(xié)議處于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧的底層，在相互競爭的傳感器節點(diǎn)之間進(jìn)行無(wú)線(xiàn)信道資源分配，決定著(zhù)無(wú)線(xiàn)信道的使用方式和網(wǎng)絡(luò )性能。根據信道接入機制，這些協(xié)議可以分為三類(lèi)：非競爭占用、競爭占用和混合占用方案，如圖2所示。下面詳細討論各類(lèi)MAC協(xié)議對實(shí)時(shí)多媒體應用的支持能力。
2.1 非競爭占用方案 非競爭MAC協(xié)議通常以TDMA方式為主，也可采用FDMA或CDMA的信道訪(fǎng)問(wèn)方式。Sohrabi等人提出的SMACS是一種基于TDMA的分布式MAC協(xié)議。在無(wú)全網(wǎng)同步情況下，SMACS能夠發(fā)現鄰居節點(diǎn)，建立發(fā)送／接收鏈路，并對鄰節點(diǎn)發(fā)現和信道分配進(jìn)行了合并。通信鏈路由一對隨機選擇在固定頻率(或跳頻序列)上的通信節點(diǎn)構成。在鏈接建立時(shí)通過(guò)隨機喚醒，而在空閑時(shí)槽內關(guān)閉發(fā)射的機制有效減小了能量損耗。然而該方案有兩個(gè)缺點(diǎn)：鄰居節點(diǎn)的時(shí)槽數固定不變，并需要時(shí)間同步機制；固定時(shí)槽實(shí)現不夠靈活，很難支持更高的帶寬。另外，基于TDMA的方案均需要相鄰節點(diǎn)間的時(shí)間同步工作。 在EDF調度算法基礎上，Caccamo等人提出了一種基于FDMA的MAC協(xié)議。整個(gè)網(wǎng)絡(luò )被分割成許多簇，相鄰簇間以FDM方式使用不同的頻率進(jìn)行通信，而在簇內節點(diǎn)間采用 TDMA方式通信。對應的，消息分為簇內信息交換和簇間信息交換兩種。該方案保障了實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)的傳輸、帶寬以及時(shí)延限制，但是在現有的無(wú)線(xiàn)傳感器硬件平臺上實(shí)現多種頻率比較困難，且簇內節點(diǎn)周期性信息調度加快了能量消耗。 Liu等人提出了一種基于CDMA的MAC協(xié)議以支持無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)。他們認為采用CDMA方案可提供多簇間帶寬資源的靈活配置、安全性更好和業(yè)務(wù)吞吐量更大，同時(shí)允許進(jìn)行時(shí)、空域多域聯(lián)合通信。在全等正六邊形簇結構上采用不同CDMA編碼序列取代了多種頻率。在發(fā)送信息時(shí)，每個(gè)節點(diǎn)擁有1個(gè)發(fā)射模塊和6個(gè)接收模塊，而在偵聽(tīng)／接收時(shí)擁有7個(gè)接收模塊。與 TDMA和FDMA方式相比，CDMA方式減小了內部通道間干擾，有效提高了帶寬利用率，但缺點(diǎn)是需要特殊的傳感器硬件支持，實(shí)現代價(jià)較大。 從本質(zhì)上講，非競爭占用方案有效地減小了分組信息碰撞，增加了網(wǎng)絡(luò )吞吐量，降低了延遲并保障了實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)傳輸，尤其在支持流媒體應用方面具有很強的競爭力。但缺點(diǎn)是，這種方案結構比較復雜，并且需要集中控制，在實(shí)際部署中很難調整幀長(cháng)度和時(shí)隙，無(wú)法有效應對節點(diǎn)失效和網(wǎng)絡(luò )拓撲結構的變化，并需要多信道通信，對傳感器節點(diǎn)硬件要求很高。 2.2 競爭占用方案 針對無(wú)線(xiàn)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )，文獻[9-12]提出幾種基于競爭占用和載波監聽(tīng)的MAC協(xié)議。由于無(wú)線(xiàn)介質(zhì)的相似性，這些算法也能夠適用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。IEEE 802.11e對MAC層區分業(yè)務(wù)等級做出了規定，是競爭占用方案設計的主要依據。在這些方案中，根據分組優(yōu)先級，區分業(yè)務(wù)可以通過(guò)改變對應的IFS持續時(shí)間和CW大小實(shí)現。例如，Veres對分布式算法進(jìn)行了研究，通過(guò)改進(jìn)的IEEE 802.11 DCF實(shí)現區分業(yè)務(wù)。首先，算法根據分組優(yōu)先級確定競爭窗范圍CWmin和CWmax，然后根據其值決定退避時(shí)間。這樣就可以將高優(yōu)先級分組的CWmin 和CWmax值設置得低于低優(yōu)先級分組，縮短了退避時(shí)間。 Lu等人綜合考慮了距離和時(shí)間限制，提出了RAP分組調度策略。采用RAP的 MAC協(xié)議對IEEE802.11進(jìn)行了改進(jìn)。與IEEE 802.11e類(lèi)似，它采用基于優(yōu)先級的幀間值和退避窗值。仿真結果表明這種策略適合于節點(diǎn)實(shí)時(shí)監控的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的通信調度。其他基于IEEE 802.11的方案也都遵循這樣的原則。 一般來(lái)說(shuō)，競爭占用方案使用方便、擴展性好，適合于處理多種業(yè)務(wù)流，不同于需要準確估計業(yè)務(wù)量的非競爭占用方案。但缺點(diǎn)是，無(wú)法像非競爭占用方案那樣對業(yè)務(wù)提供實(shí)時(shí)性保障。因此，這類(lèi)協(xié)議比較適用于對預見(jiàn)性要求不高的網(wǎng)絡(luò )，如果要在多媒體無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中成功運用，這些方案需要對接入業(yè)務(wù)提供概率保障。 2.3 混合方案 MAC混合方案有效結合了非競爭占用和競爭占用方案的優(yōu)點(diǎn)。該方案將傳輸周期分為預約(競爭)周期和發(fā)送(非競爭)周期兩個(gè)子周期。在預約周期內，傳感器鄰節點(diǎn)根據業(yè)務(wù)量競爭發(fā)送機會(huì )和發(fā)送周期。一旦獲取發(fā)送時(shí)隙，發(fā)射機和接收機間就會(huì )進(jìn)行通信。Adamout等人提出的靜態(tài)Ad Hoc／WSN就是這種混合方案的典范。Adamout將整個(gè)網(wǎng)絡(luò )分成若干網(wǎng)格，同一網(wǎng)格中的節點(diǎn)問(wèn)可以相互通信，同時(shí)將時(shí)間分成預約周期和發(fā)送周期的固定幀，在預約周期內，網(wǎng)格節點(diǎn)通過(guò)交換三條信息進(jìn)行發(fā)送／接收數據的時(shí)隙預約，一旦預約成功，該節點(diǎn)將在非競爭周期發(fā)送／接收數據。如果在允許的時(shí)延范圍內成功完成了預約和數據傳輸，那么實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的時(shí)延要求就得到了保障。 混合方案優(yōu)點(diǎn)是擴展性好，控制開(kāi)銷(xiāo)和沖突開(kāi)銷(xiāo)較小，能夠有效節省網(wǎng)絡(luò )資源。但缺點(diǎn)是，為了成功預約，鄰節點(diǎn)需要進(jìn)行同步。因此，與競爭占用方案相比，混合方案需要大量節點(diǎn)間通信開(kāi)銷(xiāo)。 3 結 語(yǔ) WMSN 作為傳感器網(wǎng)絡(luò )新的研究方向，在軍事和民用等諸多領(lǐng)域中顯示出廣闊的應用前景。在保障多媒體業(yè)務(wù)傳輸前提下，如何設計高效節能的MAC協(xié)議是保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò )正常運行的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文重點(diǎn)分析了當前幾種典型的MAC協(xié)議，并討論了其對實(shí)時(shí)多媒體應用的支持能力。通過(guò)分析可知，混合方案更適合于支持WMSN 實(shí)時(shí)通信。因為混合方案不僅提供了實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)保障，同時(shí)提高了能耗效率和帶寬利用率，并具有良好的擴展性。 但是，上述MAC協(xié)議仍存在許多需要解決的開(kāi)放問(wèn)題。例如，協(xié)議沒(méi)有考慮到數據冗余、能耗延遲均衡折衷等問(wèn)題，同時(shí)在設計中大多忽略了無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )端到端分組延遲、信道質(zhì)量、功率控制和節點(diǎn)異構等其他問(wèn)題。高效節能的MAC協(xié)議應該在區分業(yè)務(wù)保障復雜度和資源高效應用兩方面取得平衡。這些都是今后無(wú)線(xiàn)多媒體傳感器MAC協(xié)議設計時(shí)需要考慮的問(wèn)題，希望能夠對國內今后的研究工作起到一定的推動(dòng)作用。 作者：周立鵬，傅江濤，鄭國強 (河南科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院 河南 洛陽(yáng) 471003) 來(lái)源：中電網(wǎng) 2010-03-15 |
