無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議研究

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)紐粒度、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，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 AccessControl，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)。

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)：

(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。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。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。

在EDF調(diào)度算法基礎(chǔ)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(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)。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，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，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，提出了RAP分組調(diào)度策略。采用RAP的MAC協(xié)議對(duì)IEEE802.11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。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(jié)點(diǎn)問(wèn)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。