無線多媒體傳感器網絡MAC協議研究

0 引  言

    無線多媒體傳感器網絡(WMSN)是在傳統無線傳感器網絡(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點構成，能感知豐富的音頻、視頻、圖像等多媒體信息，實現紐粒度、精準信息的環境監測，可廣泛應用於戰場可視化監控、環境監測、交通監控、智能家居和醫療衛生等領域，因此引起了各國政府和學術界的極大關注。從2003年起，美國計算機協會專門組織國際視頻監控與傳感器網絡研討交流相關研究成果，加州大學和史丹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，但研究成果尚處於起步階段，距離實際需求還相差甚遠。

    在WMSN中，媒體訪問控制(Medium AccessControl，MAC)協議處於無線傳感器網絡協議棧的底層，主要功能是在相互競爭的傳感器節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絡性能，是保證整個網絡正常運行的重要技術。

    針對WMSN硬體資源受限、音視頻媒體信息豐富以及處理任務複雜等特點，本文總結了當前MAC協議設計的特點與挑戰，對現有協議按照信道接入方式進行了分類，著重分析了幾種典型協議，並詳細討論了這些協議對實時多媒體應用的支持能力，最後探討了今後MAC協議設計時亟待研究解決的問題。

1 WMSN媒體訪問控制協議特點及挑戰

    傳統的無線傳感器網絡MAC協議設計主要考慮以下三方面內容：節省能量；節點部署和網絡拓撲結構要具有可擴展性；網絡效率，主要包括公平性、吞吐率和帶寬利用率等。目前傳感器網絡MAC協議基本上不支持QoS，不能提供多媒體業務傳輸服務。

    WMSN的MAC協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絡MAC協議考慮外，多媒體業務決定了WMSN的MAC協議設計面臨如下技術挑戰：

    (1)硬體資源有限。由於大量採用微型化傳感器節點部署，節點在能量供給、計算能力和存儲空間等硬體資源非常有限，決定了MAC協議設計必須以節能為前提。對於WMSN，由於業務傳輸和處理任務複雜，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的一個重要特徵，具體體現在音視頻質量、網絡時延、網絡能耗和媒體信息處理等方面。WMSN與傳統WSN相比，MAC協議設計需要更多的關注服務質量。

    (3)區分服務。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的不同參數關注程度不同。因此，MAC協議設計要能夠針對上述不同業務提供區分服務，同時在全網範圍內實現資源的有效利用。

    (4)性能權衡。MAC協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更重要。多媒體傳感器網絡MAC如何在QoS、網絡效率、可擴展性、能耗等方面取得平衡，也是一個重要問題。

    (5)複雜度與優化性能的折衷問題。MAC協議要儘量使WMSN性能得到優化，但往往將協議設計得過於複雜。傳感器節點本身能量、存儲和計算能力有限，不能夠進行過多的計算，所以協議要設計的儘可能簡單高效。

2 WMSN媒體訪問控制協議   

    在WMSN中，MAC協議處於無線傳感器網絡協議棧的底層，在相互競爭的傳感器節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絡性能。根據信道接入機制，這些協議可以分為三類：非競爭佔用、競爭佔用和混合佔用方案，如圖2所示。下面詳細討論各類MAC協議對實時多媒體應用的支持能力。

2.1 非競爭佔用方案

    非競爭MAC協議通常以TDMA方式為主，也可採用FDMA或CDMA的信道訪問方式。Sohrabi等人提出的SMACS是一種基於TDMA的分布式MAC協議。在無全網同步情況下，SMACS能夠發現鄰居節點，建立發送／接收鏈路，並對鄰節點發現和信道分配進行了合併。通信鏈路由一對隨機選擇在固定頻率(或跳頻序列)上的通信節點構成。在連結建立時通過隨機喚醒，而在空閒時槽內關閉發射的機制有效減小了能量損耗。然而該方案有兩個缺點：鄰居節點的時槽數固定不變，並需要時間同步機制；固定時槽實現不夠靈活，很難支持更高的帶寬。另外，基於TDMA的方案均需要相鄰節點間的時間同步工作。

    在EDF調度算法基礎上，Caccamo等人提出了一種基於FDMA的MAC協議。整個網絡被分割成許多簇，相鄰簇間以FDM方式使用不同的頻率進行通信，而在簇內節點間採用TDMA方式通信。對應的，消息分為簇內信息交換和簇間信息交換兩種。該方案保障了實時性業務的傳輸、帶寬以及時延限制，但是在現有的無線傳感器硬體平臺上實現多種頻率比較困難，且簇內節點周期性信息調度加快了能量消耗。

    Liu等人提出了一種基於CDMA的MAC協議以支持無線傳感器網絡的實時業務。他們認為採用CDMA方案可提供多簇間帶寬資源的靈活配置、安全性更好和業務吞吐量更大，同時允許進行時、空域多域聯合通信。在全等正六邊形簇結構上採用不同CDMA編碼序列取代了多種頻率。在發送信息時，每個節點擁有1個發射模塊和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方式減小了內部通道間幹擾，有效提高了帶寬利用率，但缺點是需要特殊的傳感器硬體支持，實現代價較大。    

    從本質上講，非競爭佔用方案有效地減小了分組信息碰撞，增加了網絡吞吐量，降低了延遲並保障了實時性業務傳輸，尤其在支持流媒體應用方面具有很強的競爭力。但缺點是，這種方案結構比較複雜，並且需要集中控制，在實際部署中很難調整幀長度和時隙，無法有效應對節點失效和網絡拓撲結構的變化，並需要多信道通信，對傳感器節點硬體要求很高。

2.2 競爭佔用方案

    針對無線Ad Hoc網絡，文獻[9-12]提出幾種基於競爭佔用和載波監聽的MAC協議。由於無線介質的相似性，這些算法也能夠適用於無線傳感器網絡。IEEE 802.11e對MAC層區分業務等級做出了規定，是競爭佔用方案設計的主要依據。在這些方案中，根據分組優先級，區分業務可以通過改變對應的IFS持續時間和CW大小實現。例如，Veres對分布式算法進行了研究，通過改進的IEEE 802.11 DCF實現區分業務。首先，算法根據分組優先級確定競爭窗範圍CWmin和CWmax，然後根據其值決定退避時間。這樣就可以將高優先級分組的CWmin和CWmax值設置得低於低優先級分組，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分組調度策略。採用RAP的MAC協議對IEEE802.11進行了改進。與IEEE 802.11e類似，它採用基於優先級的幀間值和退避窗值。仿真結果表明這種策略適合於節點實時監控的無線傳感器網絡的通信調度。其他基於IEEE 802.11的方案也都遵循這樣的原則。

    一般來說，競爭佔用方案使用方便、擴展性好，適合於處理多種業務流，不同於需要準確估計業務量的非競爭佔用方案。但缺點是，無法像非競爭佔用方案那樣對業務提供實時性保障。因此，這類協議比較適用於對預見性要求不高的網絡，如果要在多媒體無線傳感器網絡中成功運用，這些方案需要對接入業務提供概率保障。

2.3 混合方案

    MAC混合方案有效結合了非競爭佔用和競爭佔用方案的優點。該方案將傳輸周期分為預約(競爭)周期和發送(非競爭)周期兩個子周期。在預約周期內，傳感器鄰節點根據業務量競爭發送機會和發送周期。一旦獲取發送時隙，發射機和接收機間就會進行通信。Adamout等人提出的靜態Ad Hoc／WSN就是這種混合方案的典範。Adamout將整個網絡分成若干網格，同一網格中的節點問可以相互通信，同時將時間分成預約周期和發送周期的固定幀，在預約周期內，網格節點通過交換三條信息進行發送／接收數據的時隙預約，一旦預約成功，該節點將在非競爭周期發送／接收數據。如果在允許的時延範圍內成功完成了預約和數據傳輸，那麼實時業務的時延要求就得到了保障。

    混合方案優點是擴展性好，控制開銷和衝突開銷較小，能夠有效節省網絡資源。但缺點是，為了成功預約，鄰節點需要進行同步。因此，與競爭佔用方案相比，混合方案需要大量節點間通信開銷。 

3 結  語

    WMSN作為傳感器網絡新的研究方向，在軍事和民用等諸多領域中顯示出廣闊的應用前景。在保障多媒體業務傳輸前提下，如何設計高效節能的MAC協議是保證整個網絡正常運行的關鍵技術之一。本文重點分析了當前幾種典型的MAC協議，並討論了其對實時多媒體應用的支持能力。通過分析可知，混合方案更適合於支持WMSN實時通信。因為混合方案不僅提供了實時性業務保障，同時提高了能耗效率和帶寬利用率，並具有良好的擴展性。

    但是，上述MAC協議仍存在許多需要解決的開放問題。例如，協議沒有考慮到數據冗餘、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絡端到端分組延遲、信道質量、功率控制和節點異構等其他問題。高效節能的MAC協議應該在區分業務保障複雜度和資源高效應用兩方面取得平衡。這些都是今後無線多媒體傳感器MAC協議設計時需要考慮的問題，希望能夠對國內今後的研究工作起到一定的推動作用.