無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議研究

摘 要:作為一種具有感知、計(jì)算和通信能力的新型通信網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)(WMSN)在軍事和民用等諸多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，已經(jīng)引起了學(xué)術(shù)界和各國(guó)政府的高度重視。MAC協(xié)議是無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。首先介紹了無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)與MAC協(xié)議設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)，然后對(duì)現(xiàn)有的協(xié)議進(jìn)行了分類，并著重分析了幾種典型協(xié)議和算法，最后探討了今后研究的方向。

關(guān)鍵詞:無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò);感知;MAC協(xié)議;QoS

中圖分類號(hào):TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)03-065-03

Study on MAC Protocol in Wireless Multimedia Sensor Network

ZHOU Lipeng，F(xiàn)U Jiangtao，ZHENG Guoqiang

(College of Electronic and Information Engineering，Henan University of Science and Technology，Luoyang，471003，China)

Abstract:As a novel kind of communication network with the ability of sensing，computation and communication，the Wireless Multimedia Sensors Network(WMSN) has profound prospects in many fields for example military and civil application，and has received wide attention of academia and governments both domestic and abroad.MAC protocol is one of the key issues of WMSN.Firstly，the characteristics of WMSN and the technical challenges of MAC protocol are introduced.Then the existing protocols are categorized and several typical protocols and algorithms are discussed in detail.Finally，the direction in future study are listed.

Keywords:wireless multimedia sensor network;sensing;MAC protocol;QoS

0 引 言

無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)(WMSN)是在傳統(tǒng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)基礎(chǔ)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(jié)點(diǎn)構(gòu)成，能感知豐富的音頻、視頻、圖像等多媒體信息，實(shí)現(xiàn)細(xì)粒度、精準(zhǔn)信息的環(huán)境監(jiān)測(cè)，可廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)場(chǎng)可視化監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通監(jiān)控、智能家居和醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域[1，2]，因此引起了各國(guó)政府和學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注。從2003年起，美國(guó)計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)專門組織國(guó)際視頻監(jiān)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(guó)多所著名學(xué)府都開(kāi)始了WMSN的研究工作。我國(guó)高校和研究機(jī)構(gòu)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(yuǎn)。

在WMSN中，媒體訪問(wèn)控制(Medium Access Control，MAC)協(xié)議處于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的底層，主要功能是在相互競(jìng)爭(zhēng)的傳感器節(jié)點(diǎn)之間分配有限的無(wú)線信道資源，決定著無(wú)線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(yùn)行的重要技術(shù)。

圖1 無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

針對(duì)WMSN硬件資源受限、音視頻媒體信息豐富以及處理任務(wù)復(fù)雜等特點(diǎn)，本文總結(jié)了當(dāng)前MAC協(xié)議設(shè)計(jì)的特點(diǎn)與挑戰(zhàn)，對(duì)現(xiàn)有協(xié)議按照信道接入方式進(jìn)行了分類，著重分析了幾種典型協(xié)議，并詳細(xì)討論了這些協(xié)議對(duì)實(shí)時(shí)多媒體應(yīng)用的支持能力，最后探討了今后MAC協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)亟待研究解決的問(wèn)題。

1 WMSN媒體訪問(wèn)控制協(xié)議特點(diǎn)及挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)主要考慮以下三方面內(nèi)容:節(jié)省能量;節(jié)點(diǎn)部署和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要具有可擴(kuò)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(shè)計(jì)時(shí)除了兼顧上述無(wú)線傳感器網(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(shè)計(jì)面臨如下技術(shù)挑戰(zhàn)[3]:

(1) 硬件資源有限。由于大量采用微型化傳感器節(jié)點(diǎn)部署，節(jié)點(diǎn)在能量供給、計(jì)算能力和存儲(chǔ)空間等硬件資源非常有限，決定了MAC協(xié)議設(shè)計(jì)必須以節(jié)能為前提。對(duì)于WMSN，由于業(yè)務(wù)傳輸和處理任務(wù)復(fù)雜，在提供QoS保障的同時(shí)必須考慮如何高效應(yīng)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(xiàn)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(tǒng)WSN相比，MAC協(xié)議設(shè)計(jì)需要更多的關(guān)注服務(wù)質(zhì)量。

(3) 區(qū)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(yīng)用對(duì)QoS的不同參數(shù)關(guān)注程度不同。因此，MAC協(xié)議設(shè)計(jì)要能夠針對(duì)上述不同業(yè)務(wù)提供區(qū)分服務(wù)，同時(shí)在全網(wǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)資源的有效利用。

(4) 性能權(quán)衡。MAC協(xié)議設(shè)計(jì)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(xiàn)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(kuò)展性、能耗等方面取得平衡，也是一個(gè)重要問(wèn)題。

(5) 復(fù)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(shè)計(jì)得過(guò)于復(fù)雜。傳感器節(jié)點(diǎn)本身能量、存儲(chǔ)和計(jì)算能力有限，不能夠進(jìn)行過(guò)多的計(jì)算，所以協(xié)議要設(shè)計(jì)的盡可能簡(jiǎn)單高效。

2 WMSN媒體訪問(wèn)控制協(xié)議

在WMSN中，MAC協(xié)議處于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的底層，在相互競(jìng)爭(zhēng)的傳感器節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行無(wú)線信道資源分配，決定著無(wú)線信道的使用方式和網(wǎng)絡(luò)性能。根據(jù)信道接入機(jī)制，這些協(xié)議可以分為三類:非競(jìng)爭(zhēng)占用、競(jìng)爭(zhēng)占用和混合占用方案，如圖2所示[4]。下面詳細(xì)討論各類MAC協(xié)議對(duì)實(shí)時(shí)多媒體應(yīng)用的支持能力。

2.1 非競(jìng)爭(zhēng)占用方案

非競(jìng)爭(zhēng)MAC協(xié)議通常以TDMA方式為主，也可采用FDMA或CDMA的信道訪問(wèn)方式。Sohrabi 等人提出的SMACS是一種基于TDMA的分布式MAC協(xié)議[5]。在無(wú)全網(wǎng)同步情況下，SMACS能夠發(fā)現(xiàn)鄰居節(jié)點(diǎn)，建立發(fā)送/接收鏈路，并對(duì)鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)和信道分配進(jìn)行了合并。通信鏈路由一對(duì)隨機(jī)選擇在固定頻率(或跳頻序列)上的通信節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。在鏈接建立時(shí)通過(guò)隨機(jī)喚醒，而在空閑時(shí)槽內(nèi)關(guān)閉發(fā)射的機(jī)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(jié)點(diǎn)的時(shí)槽數(shù)固定不變，并需要時(shí)間同步機(jī)制;固定時(shí)槽實(shí)現(xiàn)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(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步工作。

圖2 MAC協(xié)議分類

在EDF調(diào)度算法[6]基礎(chǔ)上，Caccamo等人提出了一種基于FDMA的MAC協(xié)議[7]。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(nèi)節(jié)點(diǎn)間采用TDMA方式通信。對(duì)應(yīng)的，消息分為簇內(nèi)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(xiàn)有的無(wú)線傳感器硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)多種頻率比較困難，且簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)周期性信息調(diào)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)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)[8]。他們認(rèn)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(jié)構(gòu)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(jié)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(nèi)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(xiàn)代價(jià)較大。

從本質(zhì)上講，非競(jìng)爭(zhēng)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(yīng)用方面具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。但缺點(diǎn)是，這種方案結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，并且需要集中控制，在實(shí)際部署中很難調(diào)整幀長(zhǎng)度和時(shí)隙，無(wú)法有效應(yīng)對(duì)節(jié)點(diǎn)失效和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，并需要多信道通信，對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)硬件要求很高。

2.2 競(jìng)爭(zhēng)占用方案

針對(duì)無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，文獻(xiàn)[9-12]提出幾種基于競(jìng)爭(zhēng)占用和載波監(jiān)聽(tīng)的MAC協(xié)議。由于無(wú)線介質(zhì)的相似性，這些算法也能夠適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。IEEE 802.11e對(duì)MAC層區(qū)分業(yè)務(wù)等級(jí)做出了規(guī)定[13]，是競(jìng)爭(zhēng)占用方案設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。在這些方案中，根據(jù)分組優(yōu)先級(jí)，區(qū)分業(yè)務(wù)可以通過(guò)改變對(duì)應(yīng)的IFS持續(xù)時(shí)間和CW大小實(shí)現(xiàn)。例如，Veres對(duì)分布式算法進(jìn)行了研究[11]，通過(guò)改進(jìn)的IEEE 802.11 DCF實(shí)現(xiàn)區(qū)分業(yè)務(wù)。首先，算法根據(jù)分組優(yōu)先級(jí)確定競(jìng)爭(zhēng)窗范圍CWmin和CWmax，然后根據(jù)其值決定退避時(shí)間。這樣就可以將高優(yōu)先級(jí)分組的CWmin和CWmax值設(shè)置得低于低優(yōu)先級(jí)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[9]，提出了RAP分組調(diào)度策略。采用RAP的MAC協(xié)議對(duì)IEEE 802.11進(jìn)行了改進(jìn)。與IEEE 802.11e類似，它采用基于優(yōu)先級(jí)的幀間值和退避窗值。仿真結(jié)果表明這種策略適合于節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信調(diào)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(jìng)爭(zhēng)占用方案使用方便、擴(kuò)展性好，適合于處理多種業(yè)務(wù)流，不同于需要準(zhǔn)確估計(jì)業(yè)務(wù)量的非競(jìng)爭(zhēng)占用方案。但缺點(diǎn)是，無(wú)法像非競(jìng)爭(zhēng)占用方案那樣對(duì)業(yè)務(wù)提供實(shí)時(shí)性保障。因此，這類協(xié)議比較適用于對(duì)預(yù)見(jiàn)性要求不高的網(wǎng)絡(luò)，如果要在多媒體無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中成功運(yùn)用，這些方案需要對(duì)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(jié)合了非競(jìng)爭(zhēng)占用和競(jìng)爭(zhēng)占用方案的優(yōu)點(diǎn)。該方案將傳輸周期分為預(yù)約(競(jìng)爭(zhēng))周期和發(fā)送(非競(jìng)爭(zhēng))周期兩個(gè)子周期。在預(yù)約周期內(nèi)，傳感器鄰節(jié)點(diǎn)根據(jù)業(yè)務(wù)量競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送機(jī)會(huì)和發(fā)送周期。一旦獲取發(fā)送時(shí)隙，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)間就會(huì)進(jìn)行通信[14，15]。Adamout等人提出的靜態(tài)Ad Hoc/WSN就是這種混合方案的典范[14]。Adamout將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分成若干網(wǎng)格，同一網(wǎng)格中的節(jié)點(diǎn)間可以相互通信，同時(shí)將時(shí)間分成預(yù)約周期和發(fā)送周期的固定幀，在預(yù)約周期內(nèi)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)通過(guò)交換三條信息進(jìn)行發(fā)送/接收數(shù)據(jù)的時(shí)隙預(yù)約，一旦預(yù)約成功，該節(jié)點(diǎn)將在非競(jìng)爭(zhēng)周期發(fā)送/接收數(shù)據(jù)。如果在允許的時(shí)延范圍內(nèi)成功完成了預(yù)約和數(shù)據(jù)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(kuò)展性好，控制開(kāi)銷和沖突開(kāi)銷較小，能夠有效節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源。但缺點(diǎn)是，為了成功預(yù)約，鄰節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行同步。因此，與競(jìng)爭(zhēng)占用方案相比，混合方案需要大量節(jié)點(diǎn)間通信開(kāi)銷。

3 結(jié) 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(yīng)用前景。在保障多媒體業(yè)務(wù)傳輸前提下，如何設(shè)計(jì)高效節(jié)能的MAC協(xié)議是保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文重點(diǎn)分析了當(dāng)前幾種典型的MAC協(xié)議，并討論了其對(duì)實(shí)時(shí)多媒體應(yīng)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?yàn)榛旌戏桨覆粌H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(kuò)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(shù)據(jù)冗余、能耗延遲均衡折衷等問(wèn)題，同時(shí)在設(shè)計(jì)中大多忽略了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)端到端分組延遲、信道質(zhì)量、功率控制和節(jié)點(diǎn)異構(gòu)等其他問(wèn)題。高效節(jié)能的MAC協(xié)議應(yīng)該在區(qū)分業(yè)務(wù)保障復(fù)雜度和資源高效應(yīng)用兩方面取得平衡。這些都是今后無(wú)線多媒體傳感器MAC協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的問(wèn)題，希望能夠?qū)?guó)內(nèi)今后的研究工作起到一定的推動(dòng)作用。

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