無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議研究
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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(mén)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(lèi)，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。
評(píng)論