無線多媒體傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議研究
加入技術交流群
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界的極大關注。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。
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)絡拓撲結構要具有可擴展性；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。
評論