無線多媒體傳感器網絡的關鍵技術研究進展

陳長英 ，楊秀紅 ，付勇 ，鄭曉勢，杜龍安

(1.山東省科學院情報研究所，山東 濟南 250014;2.山東省計算中心，山東 濟南250014 3.山東省濟南泉城中學，山東 濟南 250013)

無線傳感器網絡技術作為多學科、多種技術交叉融合的產物，經歷了從產生、發展到日漸成熟的過程。該技術之所以能夠發展、壯大，并成為當前物聯網技術的關鍵組成部分，在很大程度上得益于其低功耗、低成本和低速率等特點［1-4］。

然而，隨著無線傳感器網絡技術應用范圍的不斷拓展，許多新的問題也逐漸顯露出來。其中，多媒體信息采集應用場景對無線傳感器網絡技術的要求是一個主要的方面［5］。因為采用以前傳統的無線傳感器網絡技術無法傳輸音視頻等多媒體信息，比如:智能家居行業對家庭周圍環境的視頻監控［6-7］、機器人對視覺采集信息的收集［8］、安防行業的視頻監控［9-10］、環境監測［11］、醫療衛生行業的視頻監控［12-13］以及交通監控［14］等等。

應用的需求促進了多媒體無線傳感器網絡技術的研究和發展，國際學術界對此高度重視［15-24］，在IEEE系列會議(如MASS、ICIP、WirelessCOM 等)、ACM 多媒體和傳感器網絡相關學術會議(ACM Multimedia、ACM MOBICOM、ACM WSNA 等)上發表了一些重要的研究成果。從2003年起，ACM 還專門組織國際視頻監控與傳感器網絡研討會(ACM International Workshop on Video Surveillance ＆ Sensor Networks)交流相關研究成果。美國加利福尼亞大學、卡耐基-梅隆大學、馬薩諸塞大學［10］和波特蘭州立大學［25］等學府也開始了多媒體傳感器網絡方面的研究工作，紛紛建立了視頻傳感器網絡族并啟動了相應的科研計劃。我國學者也非常重視多媒體傳感器網絡方面的研究，北京郵電大學智能通信軟件與多媒體北京市重點實驗室［26］、中國科學院計算技術研究所、哈爾濱工業大學也已經開始了該領域的研究和探索，但這些成果距離實際要求還相差較遠。

據此，本文在介紹多媒體傳感器網絡的總體架構的基礎上，分析了其網絡節點的硬件結構和網絡協議棧架構，然后就多媒體傳感器網絡走向實用化需要解決的主要問題，展望了今后的發展趨勢。

1 總體架構

多媒體無線傳感器網絡的總體架構和傳統的無線傳感器網絡相似，主要區別在于網絡終端節點連接的傳感器類型不同。傳統的無線傳感器網絡的傳感器主要用來采集監控現場的各種數據，比如溫度、壓力和濕度等(見圖1)。而多媒體無線傳感器網絡采用的傳感器類型比較單一，只有攝像頭、麥克等視頻和音頻采集設備(見圖2)。

從圖1 和圖2 可以看出，無論是傳統的無線傳感器網絡還是多媒體無線傳感器網絡，一般只有一個中心節點，而且網絡都是自組織式的(無網絡基礎設施)，終端節點到中心節點一般都是通過無線多跳方式通信。

2 硬件結構

無線多媒體傳感器網絡的硬件結構主要體現在網絡節點的硬件結構上，由于要傳輸的是音視頻等多媒體信息，信息量大，而且要求的處理延時很短，因此對節點的硬件配置要求比傳統的無線傳感器網絡更高。

由于傳統無線傳感器網絡節點采用簡單的8 位單片機，已經滿足不了多媒體業務的處理能力要求，必須采用多核或者眾核處理器。多媒體傳感器網絡的節點硬件一般由通信處理模塊和傳感器模塊兩部分組成。傳感器模塊由攝像頭和麥克等多媒體信息采集設備組成，通信處理模塊是整個節點的核心，與傳統的無線傳感器網絡一樣也是由基帶信號處理單元和射頻收發單元組成。不同之處在于，基帶信號處理單元使用的處理器處理能力更強，而且存儲器的容量更大，射頻收發單元采用的無線通信技術也不同。Feng 等人［13］設計的視頻傳感器節點見圖3，Kulkarni 等人［10］設計的視頻傳感器節點見圖4 和圖5。

3 協議棧架構

多媒體傳感器網絡的協議棧可以分為兩種:一種是單一的協議棧架構，這種架構對于網絡中不同的節點都采用同一種協議棧架構［11］，采用這種協議棧架構的網絡一般是單層的網絡結構，見圖6;另一種是混合協議棧架構，這種架構對于網絡中不同的節點采用不用的協議棧架構［27］，采用這種協議棧架構的網絡一般是多層網絡，即處于同一層網絡的節點采用相同的協議棧，處于不同層網絡的節點采用不同的協議棧，例如帶有簇頭(cluster)的網絡可以采用這種協議棧架構，如圖7 所示，簇頭間的通信可以采用一種協議棧(如IEEE802.11)，簇頭內部的節點可以采用另一種協議棧(如IEEE802.15.4)。

4 核心問題和面臨的挑戰

4.1 核心問題

由于多媒體傳感網要在成本、傳輸帶寬、能量受限的傳感器網絡中傳輸音視頻等多媒體信息，因此用傳統的無線傳感網是無法實現的。必須針對音視頻等多媒體信息的實際特點和多媒體信息對網絡服務質量(QoS)的要求來設計能夠滿足多媒體信息傳輸要求的網絡。如果一個傳感器網絡能夠承載音視頻等多媒體信息，必須解決如下兩個網絡設計最核心的問題:

(1)低能耗網絡的設計。因為音視頻等多媒體信息傳送的是信息流，因此需要傳輸的信息量比傳統的無線傳感網要大得多，所以消耗的網絡能量也更大，而傳感網的節點一般都是采用電池供電，所以如何降低網絡的能耗從而提高網絡節點的使用壽命成為多媒體傳感網急待解決的問題之一。

(2)低延時網絡的設計。因為音視頻等多媒體信息對網絡傳輸的平均時延要求非常苛刻(≤25 ms)，如果設計的網絡平均傳輸時延太長，會造成中心節點接收的多媒體信息流出現滯卡等不流暢現象，從而降低網絡的服務質量。而無線Ad-hoc 網絡本身的網絡平均延時就很大，這樣的網絡平均傳輸延時與網絡的覆蓋范圍有關，網絡的覆蓋范圍又與網絡多跳的跳數緊密聯系。因此，設計覆蓋范圍相對較大的多跳低延時的多媒體傳感器網絡是多媒體網絡設計需要考慮的又一個核心問題。

4.2 面臨的主要技術挑戰

根據以上分析，在設計多媒體傳感網時，需要首先考慮網絡的能耗和傳輸延時等問題。

4.2.1 低能耗網絡設計

多媒體網絡的低能耗設計主要體現在節點的低能耗設計上，節點的低能耗設計又分為硬件低能耗設計和軟件低能耗設計兩個方面。硬件低能耗設計主要考慮處理器和射頻單元的影響，因為這兩個部分是節點耗能最大的部件。由于多媒體傳感器網絡(尤其是視頻業務)的信息量非常大，因此對節點的處理能力要求高，傳統無線傳感網采用的單片機處理器無法完成這樣的工作任務，必須采用處理能力強的多核或者眾核處理器，但是這樣的處理器能耗又很高，所以既要保證節點能夠完成大數據量的處理任務，又要考慮盡量降低處理器的能耗，才能提高節點的使用壽命，否則只片面考慮其中一項的要求沒有實際意義。射頻單元中發射單元的能耗是重點考慮的方面，為了降低節點的發射功耗，除了將發射功率分成若干等級外，還可以進一步考慮在每個發射功率等級內將發射功率進一步細調，這樣可以將節點射頻單元部分的能耗降到較低值。

軟件降低節點能耗的設計方案主要是電源管理方案的設計，包括優化了的休眠/喚醒機制的設計，有同步喚醒和異步喚醒兩種方案可供選擇。采用同步喚醒方案建立路由的時間短，有助于多媒體信息流的實時傳輸，但是需要節點間保持很好的時鐘同步，因此只適用于跳數少的多媒體傳感器網絡，很難做到大范圍覆蓋。如果采用異步喚醒方案，則不需要保持節點間很好的時鐘同步，因此網絡包括的跳數可以增加，可以提高網絡的覆蓋范圍，但是建立路由的時間長，很難做到多媒體信息流的實時低延時傳輸。

4.2.2 低延時網絡設計

網絡傳輸延時主要受MAC 層和網絡層協議設計的影響。在MAC 層，有競爭型、非競爭型和混合型3 種類型的協議［28］。采用競爭型MAC 協議的網絡，節點硬件配置簡單，可以降低節點的硬件成本，但是當競爭信道的節點數量較多時，多媒體信息流的接入延時就會加大，進而增加網絡的傳輸延時。如果采用非競爭型MAC 協議，由于相鄰節點間存在一定的協作關系，多媒體信息流不用在接入信道時做等待，所以在MAC 層的接入等待延時就不存在了，進而多媒體信息流的網絡傳輸延時就降低了;但是由于相鄰節點間的協作關系靠同步來完成，因此這樣的節點的硬件成本就會提高，同時管理起來也更加復雜。混合型是將幾種不同的MAC 層接入協議方案結合起來使用，這樣可以將不同接入協議方案的優點實現互補。

在網絡層實現多媒體信息流的低延時傳輸，需要解決的主要問題如下:

(1)快速的路由建立方法

為了節約能量，不傳輸多媒體信息流的節點平時是處于休眠狀態的。如果使得這些休眠的節點參與到傳輸信息流的任務中去，需要先將它們喚醒，然后節點間實現時鐘同步，再建立新的路由表。因此，研究快速的路由建立方法需要解決休眠節點快速喚醒機制，以及快速時鐘同步的建立問題，同時也要解決快速尋路算法問題。

(2)大的網絡通過量(throughput)的數據傳輸方法

為減少多媒體信息流的網絡傳輸延時，就要提高網絡的數據通過量，但同時還要兼顧網絡能耗，而大的網絡通過量和網絡能耗的增加又是緊密聯系的，所以既要保持大的網絡通過量又要兼顧網絡能耗指標具有極大的技術挑戰性。

(3)低網絡擁塞機制的設計

因為多媒體傳感器網絡流經的數據量非常大，因此在網絡中極易出現局部的網絡擁塞現象，進而引起多媒體信息流的網絡傳輸延時迅速增加。因此，高效率的降低網絡擁塞發生機制的設計又是一個極具挑戰性的研究方向。

5 發展趨勢

多媒體傳感器網絡作為一個新興的無線傳感器網絡的重要發展分支，在實際應用的需求推動下產生并發展，但是多媒體傳感器網絡要真正走向實用，需要解決很多極具挑戰性的技術問題。未來需要在幾個重要的發展方向上實現突破:低延時的實時MAC 技術;低延時、低能耗的路由關鍵技術;多媒體信息安全技術;面向多核和眾核的多媒體終端設備的研制和多模態軟件構件技術的研究;高壓縮比的多媒體信息流壓縮編碼技術等。

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