無線多媒體傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議研究

周立鵬，傅江濤，鄭國強

(河南科技大學電子信息工程學院? 河南洛陽? 471003)

0引? 言

無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(WMSN)是在傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(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。如圖1所示，WMSN通常有大量裝備有CMOS攝像頭和微型麥克風的傳感器節(jié)點構(gòu)成，能感知豐富的音頻、視頻、圖像等多媒體信息，實現(xiàn)紐粒度、精準信息的環(huán)境監(jiān)測，可廣泛應用于戰(zhàn)場可視化監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、交通監(jiān)控、智能家居和醫(yī)療衛(wèi)生等領域，因此引起了各國政府和學術(shù)界的極大關(guān)注。從2003年起，美國計算機協(xié)會專門組織國際視頻監(jiān)控與傳感器網(wǎng)絡研討交流相關(guān)研究成果，加州大學和斯坦福大學等美國多所著名學府都開始了WMSN的研究工作。我國高校和研究機構(gòu)也開始了該領域的探索，但研究成果尚處于起步階段，距離實際需求還相差甚遠。

在WMSN中，媒體訪問控制(Medium AccessControl，MAC)協(xié)議處于無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧的底層，主要功能是在相互競爭的傳感器節(jié)點之間分配有限的無線信道資源，決定著無線信道的使用方式和網(wǎng)絡性能，是保證整個網(wǎng)絡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復雜等特點，本文總結(jié)了當前MAC協(xié)議設計的特點與挑戰(zhàn)，對現(xiàn)有協(xié)議按照信道接入方式進行了分類，著重分析了幾種典型協(xié)議，并詳細討論了這些協(xié)議對實時多媒體應用的支持能力，最后探討了今后MAC協(xié)議設計時亟待研究解決的問題。

1 WMSN媒體訪問控制協(xié)議特點及挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議設計主要考慮以下三方面內(nèi)容：節(jié)省能量；節(jié)點部署和網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)要具有可擴展性；網(wǎng)絡效率，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MAC協(xié)議基本上不支持QoS，不能提供多媒體業(yè)務傳輸服務。

WMSN的MAC協(xié)議是個較新的研究課題，在設計時除了兼顧上述無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議考慮外，多媒體業(yè)務決定了WMSN的MAC協(xié)議設計面臨如下技術(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)點部署，節(jié)點在能量供給、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(jié)能為前提。對于WMSN，由于業(yè)務傳輸和處理任務復雜，在提供QoS保障的同時必須考慮如何高效應用這些資源。

(2)QoS保障。QoS敏感是WMSN的一個重要特征，具體體現(xiàn)在音視頻質(zhì)量、網(wǎng)絡時延、網(wǎng)絡能耗和媒體信息處理等方面。WMSN與傳統(tǒng)WSN相比，MAC協(xié)議設計需要更多的關(guān)注服務質(zhì)量。

(3)區(qū)分服務。WMSN存在音頻、視頻信息，同時可能存在文本信息，不同的應用對QoS的不同參數(shù)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)務提供區(qū)分服務，同時在全網(wǎng)范圍內(nèi)實現(xiàn)資源的有效利用。

(4)性能權(quán)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性能的表現(xiàn)更重要。多媒體傳感器網(wǎng)絡MAC如何在QoS、網(wǎng)絡效率、可擴展性、能耗等方面取得平衡，也是一個重要問題。

(5)復雜度與優(yōu)化性能的折衷問題。MAC協(xié)議要盡量使WMSN性能得到優(yōu)化，但往往將協(xié)議設計得過于復雜。傳感器節(jié)點本身能量、存儲和計算能力有限，不能夠進行過多的計算，所以協(xié)議要設計的盡可能簡單高效。

2 WMSN媒體訪問控制協(xié)議???

在WMSN中，MAC協(xié)議處于無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧的底層，在相互競爭的傳感器節(jié)點之間進行無線信道資源分配，決定著無線信道的使用方式和網(wǎng)絡性能。根據(jù)信道接入機制，這些協(xié)議可以分為三類：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MAC協(xié)議對實時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的信道訪問方式。Sohrabi等人提出的SMACS是一種基于TDMA的分布式MAC協(xié)議。在無全網(wǎng)同步情況下，SMACS能夠發(fā)現(xiàn)鄰居節(jié)點，建立發(fā)送／接收鏈路，并對鄰節(jié)點發(fā)現(xiàn)和信道分配進行了合并。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(jié)點構(gòu)成。在鏈接建立時通過隨機喚醒，而在空閑時槽內(nèi)關(guān)閉發(fā)射的機制有效減小了能量損耗。然而該方案有兩個缺點：鄰居節(jié)點的時槽數(shù)固定不變，并需要時間同步機制；固定時槽實現(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)點間的時間同步工作。

在EDF調(diào)度算法基礎上，Caccamo等人提出了一種基于FDMA的MAC協(xié)議。整個網(wǎng)絡被分割成許多簇，相鄰簇間以FDM方式使用不同的頻率進行通信，而在簇內(nèi)節(jié)點間采用TDMA方式通信。對應的，消息分為簇內(nèi)信息交換和簇間信息交換兩種。該方案保障了實時性業(yè)務的傳輸、帶寬以及時延限制，但是在現(xiàn)有的無線傳感器硬件平臺上實現(xiàn)多種頻率比較困難，且簇內(nèi)節(jié)點周期性信息調(diào)度加快了能量消耗。

Liu等人提出了一種基于CDMA的MAC協(xié)議以支持無線傳感器網(wǎng)絡的實時業(yè)務。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)務吞吐量更大，同時允許進行時、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，每個節(jié)點擁有1個發(fā)射模塊和6個接收模塊，而在偵聽／接收時擁有7個接收模塊。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，但缺點是需要特殊的傳感器硬件支持，實現(xiàn)代價較大。???

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)絡吞吐量，降低了延遲并保障了實時性業(yè)務傳輸，尤其在支持流媒體應用方面具有很強的競爭力。但缺點是，這種方案結(jié)構(gòu)比較復雜，并且需要集中控制，在實際部署中很難調(diào)整幀長度和時隙，無法有效應對節(jié)點失效和網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的變化，并需要多信道通信，對傳感器節(jié)點硬件要求很高。

2.2? 競爭占用方案

針對無線Ad Hoc網(wǎng)絡，文獻[9-12]提出幾種基于競爭占用和載波監(jiān)聽的MAC協(xié)議。由于無線介質(zhì)的相似性，這些算法也能夠適用于無線傳感器網(wǎng)絡。IEEE 802.11e對MAC層區(qū)分業(yè)務等級做出了規(guī)定，是競爭占用方案設計的主要依據(jù)。在這些方案中，根據(jù)分組優(yōu)先級，區(qū)分業(yè)務可以通過改變對應的IFS持續(xù)時間和CW大小實現(xiàn)。例如，Veres對分布式算法進行了研究，通過改進的IEEE 802.11 DCF實現(xiàn)區(qū)分業(yè)務。首先，算法根據(jù)分組優(yōu)先級確定競爭窗范圍CWmin和CWmax，然后根據(jù)其值決定退避時間。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，縮短了退避時間。

Lu等人綜合考慮了距離和時間限制，提出了RAP分組調(diào)度策略。采用RAP的MAC協(xié)議對IEEE802.11進行了改進。與IEEE 802.11e類似，它采用基于優(yōu)先級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)點實時監(jiān)控的無線傳感器網(wǎng)絡的通信調(diào)度。其他基于IEEE 802.11的方案也都遵循這樣的原則。

一般來說，競爭占用方案使用方便、擴展性好，適合于處理多種業(yè)務流，不同于需要準確估計業(yè)務量的非競爭占用方案。但缺點是，無法像非競爭占用方案那樣對業(yè)務提供實時性保障。因此，這類協(xié)議比較適用于對預見性要求不高的網(wǎng)絡，如果要在多媒體無線傳感器網(wǎng)絡中成功運用，這些方案需要對接入業(yè)務提供概率保障。

2.3? 混合方案

MAC混合方案有效結(jié)合了非競爭占用和競爭占用方案的優(yōu)點。該方案將傳輸周期分為預約(競爭)周期和發(fā)送(非競爭)周期兩個子周期。在預約周期內(nèi)，傳感器鄰節(jié)點根據(jù)業(yè)務量競爭發(fā)送機會和發(fā)送周期。一旦獲取發(fā)送時隙，發(fā)射機和接收機間就會進行通信。Adamout等人提出的靜態(tài)Ad Hoc／WSN就是這種混合方案的典范。Adamout將整個網(wǎng)絡分成若干網(wǎng)格，同一網(wǎng)格中的節(jié)點問可以相互通信，同時將時間分成預約周期和發(fā)送周期的固定幀，在預約周期內(nèi)，網(wǎng)格節(jié)點通過交換三條信息進行發(fā)送／接收數(shù)據(jù)的時隙預約，一旦預約成功，該節(jié)點將在非競爭周期發(fā)送／接收數(shù)據(jù)。如果在允許的時延范圍內(nèi)成功完成了預約和數(shù)據(jù)傳輸，那么實時業(yè)務的時延要求就得到了保障。

混合方案優(yōu)點是擴展性好，控制開銷和沖突開銷較小，能夠有效節(jié)省網(wǎng)絡資源。但缺點是，為了成功預約，鄰節(jié)點需要進行同步。因此，與競爭占用方案相比，混合方案需要大量節(jié)點間通信開銷。?

3? 結(jié)? 語

WMSN作為傳感器網(wǎng)絡新的研究方向，在軍事和民用等諸多領域中顯示出廣闊的應用前景。在保障多媒體業(yè)務傳輸前提下，如何設計高效節(jié)能的MAC協(xié)議是保證整個網(wǎng)絡正常運行的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文重點分析了當前幾種典型的MAC協(xié)議，并討論了其對實時多媒體應用的支持能力。通過分析可知，混合方案更適合于支持WMSN實時通信。因為混合方案不僅提供了實時性業(yè)務保障，同時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放問題。例如，協(xié)議沒有考慮到數(shù)據(jù)冗余、能耗延遲均衡折衷等問題，同時在設計中大多忽略了無線網(wǎng)絡端到端分組延遲、信道質(zhì)量、功率控制和節(jié)點異構(gòu)等其他問題。高效節(jié)能的MAC協(xié)議應該在區(qū)分業(yè)務保障復雜度和資源高效應用兩方面取得平衡。這些都是今后無線多媒體傳感器MAC協(xié)議設計時需要考慮的問題，希望能夠?qū)鴥?nèi)今后的研究工作起到一定的推動作用。