無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議研究
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無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)(WMSN)是在傳統(tǒng)無線傳感器網(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(yīng)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(lǐng)域，因此引起了各國政府和學(xué)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(luò)研討交流相關(guān)研究成果，加州大學(xué)和斯坦福大學(xué)等美國多所著名學(xué)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(lǐng)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(luò)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(luò)性能，是保證整個網(wǎng)絡(luò)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(wù)復(fù)雜等特點，本文總結(jié)了當前MAC協(xié)議設(shè)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(yīng)用的支持能力，最后探討了今后MAC協(xié)議設(shè)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(luò)MAC協(xié)議設(shè)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(luò)拓撲結(jié)構(gòu)要具有可擴展性；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)議是個較新的研究課題，在設(shè)計時除了兼顧上述無線傳感器網(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(shè)計必須以節(jié)能為前提。對于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的一個重要特征，具體體現(xiàn)在音視頻質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)時延、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，同時可能存在文本信息，不同的應(yīng)用對QoS的不同參數(shù)關(guān)注程度不同。因此，MAC協(xié)議設(shè)計要能夠針對上述不同業(yè)務(wù)提供區(qū)分服務(wù)，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(shè)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(luò)MAC如何在QoS、網(wǎng)絡(luò)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(fù)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(shè)計得過于復(fù)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(shè)計的盡可能簡單高效。
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