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無(wú)線(xiàn)多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò )MAC協(xié)議研究
作者：
時(shí)間：2010-03-15
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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0 引 言
無(wú)線(xiàn)多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò )(WMSN)是在傳統無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(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(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)的傳感器節點(diǎn)構成，能感知豐富的音頻、視頻、圖像等多媒體信息，實(shí)現紐粒度、精準信息的環(huán)境監測，可廣泛應用于戰場(chǎng)可視化監控、環(huán)境監測、交通監控、智能家居和醫療衛生等領(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(huì )專(zhuān)門(mén)組織國際視頻監控與傳感器網(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(zhù)名學(xué)府都開(kāi)始了WMSN的研究工作。我國高校和研究機構也開(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。
在WMSN中，媒體訪(fǎng)問(wèn)控制(Medium AccessControl，MAC)協(xié)議處于無(wú)線(xiàn)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點(diǎn)之間分配有限的無(wú)線(xiàn)信道資源，決定著(zhù)無(wú)線(xiàn)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)復雜等特點(diǎn)，本文總結了當前MAC協(xié)議設計的特點(diǎn)與挑戰，對現有協(xié)議按照信道接入方式進(jìn)行了分類(lèi)，著(zhù)重分析了幾種典型協(xié)議，并詳細討論了這些協(xié)議對實(shí)時(shí)多媒體應用的支持能力，最后探討了今后MAC協(xié)議設計時(shí)亟待研究解決的問(wèn)題。
1 WMSN媒體訪(fǎng)問(wèn)控制協(xié)議特點(diǎn)及挑戰
傳統的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )MAC協(xié)議設計主要考慮以下三方面內容：節省能量；節點(diǎn)部署和網(wǎng)絡(luò )拓撲結構要具有可擴展性；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(gè)較新的研究課題，在設計時(shí)除了兼顧上述無(wú)線(xiàn)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)議設計面臨如下技術(shù)挑戰：
(1)硬件資源有限。由于大量采用微型化傳感器節點(diǎn)部署，節點(diǎn)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)議設計必須以節能為前提。對于WMSN，由于業(yè)務(wù)傳輸和處理任務(wù)復雜，在提供QoS保障的同時(shí)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(gè)重要特征，具體體現在音視頻質(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WSN相比，MAC協(xié)議設計需要更多的關(guān)注服務(wù)質(zhì)量。
(3)區分服務(wù)。WMSN存在音頻、視頻信息，同時(shí)可能存在文本信息，不同的應用對QoS的不同參數關(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(wù)提供區分服務(wù)，同時(shí)在全網(wǎng)范圍內實(shí)現資源的有效利用。
(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(gè)性能的表現更重要。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(gè)重要問(wèn)題。
(5)復雜度與優(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)議設計得過(guò)于復雜。傳感器節點(diǎn)本身能量、存儲和計算能力有限，不能夠進(jìn)行過(guò)多的計算，所以協(xié)議要設計的盡可能簡(jiǎn)單高效。
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