无线多媒体传感器网络MAC协议研究

0 引 言无线多媒体传感器网络(WMSN)是在传统无线传感器网络(WSN)基础上引入了音视频和图像等多媒体信息感知功能的一种新型传感器网络。如图1所示，WMSN通常有大量装备有CMOS摄像头和微型麦克风的传感器节点构成，能感知丰富的音频、视频、图像等多媒体信息，实现纽粒度、精准信息的环境监测，可广泛应用于战场可视化监控、环境监测、交通监控、智能家居和医疗卫生等领域，因此引起了各国政府和学术界的极大关注。从2003年起，美国计算机协会专门组织国际视频监控与传感器网络研讨交流相关研究成果，加州大学和斯坦福大学等美国多所著名学府都开始了WMSN的研究工作。我国高校和研究机构也开始了该领域的探索，但研究成果尚处于起步阶段，距离实际需求还相差甚远。在WMSN中，媒体访问控制(Medium AccessControl，MAC)协议处于无线传感器网络协议栈的底层，主要功能是在相互竞争的传感器节点之间分配有限的无线信道资源，决定着无线信道的使用方式和网络性能，是保证整个网络正常运行的重要技术。针对WMSN硬件资源受限、音视频媒体信息丰富以及处理任务复杂等特点，本文总结了当前MAC协议设计的特点与挑战，对现有协议按照信道接入方式进行了分类，着重分析了几种典型协议，并详细讨论了这些协议对实时多媒体应用的支持能力，最后探讨了今后MAC协议设计时亟待研究解决的问题。1 WMSN媒体访问控制协议特点及挑战传统的无线传感器网络MAC协议设计主要考虑以下三方面内容：节省能量；节点部署和网络拓扑结构要具有可扩展性；网络效率，主要包括公平性、吞吐率和带宽利用率等。目前传感器网络MAC协议基本上不支持QoS，不能提供多媒体业务传输服务。WMSN的MAC协议是个较新的研究课题，在设计时除了兼顾上述无线传感器网络MAC协议考虑外，多媒体业务决定了WMSN的MAC协议设计面临如下技术挑战：(1)硬件资源有限。由于大量采用微型化传感器节点部署，节点在能量供给、计算能力和存储空间等硬件资源非常有限，决定了MAC协议设计必须以节能为前提。对于WMSN，由于业务传输和处理任务复杂，在提供QoS保障的同时必须考虑如何高效应用这些资源。(2)QoS保障。QoS敏感是WMSN的一个重要特征，具体体现在音视频质量、网络时延、网络能耗和媒体信息处理等方面。WMSN与传统WSN相比，MAC协议设计需要更多的关注服务质量。(3)区分服务。WMSN存在音频、视频信息，同时可能存在文本信息，不同的应用对QoS的不同参数关注程度不同。因此，MAC协议设计要能够针对上述不同业务提供区分服务，同时在全网范围内实现资源的有效利用。(4)性能权衡。MAC协议设计需要在各种性能间取得平衡，各性能间的平衡往往比单个性能的表现更重要。多媒体传感器网络MAC如何在QoS、网络效率、可扩展性、能耗等方面取得平衡，也是一个重要问题。(5)复杂度与优化性能的折衷问题。MAC协议要尽量使WMSN性能得到优化，但往往将协议设计得过于复杂。传感器节点本身能量、存储和计算能力有限，不能够进行过多的计算，所以协议要设计的尽可能简单高效。

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