无线多传感器网络高效节能的MAC协议怎么实现？

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。

曾艳

2019-9-30 14:58:16

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***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。

李昕羿

2019-9-30 14:58:27

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。

王静

2019-9-30 14:58:29

2 WMSN媒体访问控制协议

在WMSN中，MAC协议处于无线传感器网络协议栈的底层，在相互竞争的传感器节点之间进行无线信道资源分配，决定着无线信道的使用方式和网络性能。根据信道接入机制，这些协议可以分为三类：非竞争占用、竞争占用和混合占用方案，如图2所示。下面详细讨论各类MAC协议对实时多媒体应用的支持能力。

2.1 非竞争占用方案

非竞争MAC协议通常以TDMA方式为主，也可采用FDMA或CDMA的信道访问方式。Sohrabi等人提出的SMACS是一种基于TDMA的分布式MAC协议。在无全网同步情况下，SMACS能够发现邻居节点，建立发送／接收链路，并对邻节点发现和信道分配进行了合并。通信链路由一对随机选择在固定频率(或跳频序列)上的通信节点构成。在链接建立时通过随机唤醒，而在空闲时槽内关闭发射的机制有效减小了能量损耗。然而该方案有两个缺点：邻居节点的时槽数固定不变，并需要时间同步机制；固定时槽实现不够灵活，很难支持更高的带宽。另外，基于TDMA的方案均需要相邻节点间的时间同步工作。

在EDF调度算法基础上，Caccamo等人提出了一种基于FDMA的MAC协议。整个网络被分割成许多簇，相邻簇间以FDM方式使用不同的频率进行通信，而在簇内节点间采用TDMA方式通信。对应的，消息分为簇内信息交换和簇间信息交换两种。该方案保障了实时性业务的传输、带宽以及时延限制，但是在现有的无线传感器硬件平台上实现多种频率比较困难，且簇内节点周期性信息调度加快了能量消耗。

Liu等人提出了一种基于CDMA的MAC协议以支持无线传感器网络的实时业务。他们认为采用CDMA方案可提供多簇间带宽资源的灵活配置、安全性更好和业务吞吐量更大，同时允许进行时、空域多域联合通信。在全等正六边形簇结构上采用不同CDMA编码序列取代了多种频率。在发送信息时，每个节点拥有1个发射模块和6个接收模块，而在侦听／接收时拥有7个接收模块。与TDMA和FDMA方式相比，CDMA方式减小了内部通道间干扰，有效提高了带宽利用率，但缺点是需要特殊的传感器硬件支持，实现代价较大。

从本质上讲，非竞争占用方案有效地减小了分组信息碰撞，增加了网络吞吐量，降低了延迟并保障了实时性业务传输，尤其在支持流媒体应用方面具有很强的竞争力。但缺点是，这种方案结构比较复杂，并且需要集中控制，在实际部署中很难调整帧长度和时隙，无法有效应对节点失效和网络拓扑结构的变化，并需要多信道通信，对传感器节点硬件要求很高。

2.2 竞争占用方案

针对无线Ad Hoc网络，文献[9-12]提出几种基于竞争占用和载波监听的MAC协议。由于无线介质的相似性，这些算法也能够适用于无线传感器网络。IEEE 802.11e对MAC层区分业务等级做出了规定，是竞争占用方案设计的主要依据。在这些方案中，根据分组优先级，区分业务可以通过改变对应的IFS持续时间和CW大小实现。例如，Veres对分布式算法进行了研究，通过改进的IEEE 802.11 DCF实现区分业务。首先，算法根据分组优先级确定竞争窗范围CWmin和CWmax，然后根据其值决定退避时间。这样就可以将高优先级分组的CWmin和CWmax值设置得低于低优先级分组，缩短了退避时间。

Lu等人综合考虑了距离和时间限制，提出了RAP分组调度策略。采用RAP的MAC协议对IEEE802.11进行了改进。与IEEE 802.11e类似，它采用基于优先级的帧间值和退避窗值。仿真结果表明这种策略适合于节点实时监控的无线传感器网络的通信调度。其他基于IEEE 802.11的方案也都遵循这样的原则。

一般来说，竞争占用方案使用方便、扩展性好，适合于处理多种业务流，不同于需要准确估计业务量的非竞争占用方案。但缺点是，无法像非竞争占用方案那样对业务提供实时性保障。因此，这类协议比较适用于对预见性要求不高的网络，如果要在多媒体无线传感器网络中成功运用，这些方案需要对接入业务提供概率保障。

2.3 混合方案

MAC混合方案有效结合了非竞争占用和竞争占用方案的优点。该方案将传输周期分为预约(竞争)周期和发送(非竞争)周期两个子周期。在预约周期内，传感器邻节点根据业务量竞争发送机会和发送周期。一旦获取发送时隙，发射机和接收机间就会进行通信。Adamout等人提出的静态Ad Hoc／WSN就是这种混合方案的典范。Adamout将整个网络分成若干网格，同一网格中的节点问可以相互通信，同时将时间分成预约周期和发送周期的固定帧，在预约周期内，网格节点通过交换三条信息进行发送／接收数据的时隙预约，一旦预约成功，该节点将在非竞争周期发送／接收数据。如果在允许的时延范围内成功完成了预约和数据传输，那么实时业务的时延要求就得到了保障。

混合方案优点是扩展性好，控制开销和冲突开销较小，能够有效节省网络资源。但缺点是，为了成功预约，邻节点需要进行同步。因此，与竞争占用方案相比，混合方案需要大量节点间通信开销。

3 结语

WMSN作为传感器网络新的研究方向，在军事和民用等诸多领域中显示出广阔的应用前景。在保障多媒体业务传输前提下，如何设计高效节能的MAC协议是保证整个网络正常运行的关键技术之一。本文重点分析了当前几种典型的MAC协议，并讨论了其对实时多媒体应用的支持能力。通过分析可知，混合方案更适合于支持WMSN实时通信。因为混合方案不仅提供了实时性业务保障，同时提高了能耗效率和带宽利用率，并具有良好的扩展性。

但是，上述MAC协议仍存在许多需要解决的开放问题。例如，协议没有考虑到数据冗余、能耗延迟均衡折衷等问题，同时在设计中大多忽略了无线网络端到端分组延迟、信道质量、功率控制和节点异构等其他问题。高效节能的MAC协议应该在区分业务保障复杂度和资源高效应用两方面取得平衡。这些都是今后无线多媒体传感器MAC协议设计时需要考虑的问题，希望能够对国内今后的研究工作起到一定的推动作用。

2 WMSN媒体访问控制协议

在WMSN中，MAC协议处于无线传感器网络协议栈的底层，在相互竞争的传感器节点之间进行无线信道资源分配，决定着无线信道的使用方式和网络性能。根据信道接入机制，这些协议可以分为三类：非竞争占用、竞争占用和混合占用方案，如图2所示。下面详细讨论各类MAC协议对实时多媒体应用的支持能力。

2.1 非竞争占用方案

非竞争MAC协议通常以TDMA方式为主，也可采用FDMA或CDMA的信道访问方式。Sohrabi等人提出的SMACS是一种基于TDMA的分布式MAC协议。在无全网同步情况下，SMACS能够发现邻居节点，建立发送／接收链路，并对邻节点发现和信道分配进行了合并。通信链路由一对随机选择在固定频率(或跳频序列)上的通信节点构成。在链接建立时通过随机唤醒，而在空闲时槽内关闭发射的机制有效减小了能量损耗。然而该方案有两个缺点：邻居节点的时槽数固定不变，并需要时间同步机制；固定时槽实现不够灵活，很难支持更高的带宽。另外，基于TDMA的方案均需要相邻节点间的时间同步工作。

在EDF调度算法基础上，Caccamo等人提出了一种基于FDMA的MAC协议。整个网络被分割成许多簇，相邻簇间以FDM方式使用不同的频率进行通信，而在簇内节点间采用TDMA方式通信。对应的，消息分为簇内信息交换和簇间信息交换两种。该方案保障了实时性业务的传输、带宽以及时延限制，但是在现有的无线传感器硬件平台上实现多种频率比较困难，且簇内节点周期性信息调度加快了能量消耗。

Liu等人提出了一种基于CDMA的MAC协议以支持无线传感器网络的实时业务。他们认为采用CDMA方案可提供多簇间带宽资源的灵活配置、安全性更好和业务吞吐量更大，同时允许进行时、空域多域联合通信。在全等正六边形簇结构上采用不同CDMA编码序列取代了多种频率。在发送信息时，每个节点拥有1个发射模块和6个接收模块，而在侦听／接收时拥有7个接收模块。与TDMA和FDMA方式相比，CDMA方式减小了内部通道间干扰，有效提高了带宽利用率，但缺点是需要特殊的传感器硬件支持，实现代价较大。

从本质上讲，非竞争占用方案有效地减小了分组信息碰撞，增加了网络吞吐量，降低了延迟并保障了实时性业务传输，尤其在支持流媒体应用方面具有很强的竞争力。但缺点是，这种方案结构比较复杂，并且需要集中控制，在实际部署中很难调整帧长度和时隙，无法有效应对节点失效和网络拓扑结构的变化，并需要多信道通信，对传感器节点硬件要求很高。

2.2 竞争占用方案

针对无线Ad Hoc网络，文献[9-12]提出几种基于竞争占用和载波监听的MAC协议。由于无线介质的相似性，这些算法也能够适用于无线传感器网络。IEEE 802.11e对MAC层区分业务等级做出了规定，是竞争占用方案设计的主要依据。在这些方案中，根据分组优先级，区分业务可以通过改变对应的IFS持续时间和CW大小实现。例如，Veres对分布式算法进行了研究，通过改进的IEEE 802.11 DCF实现区分业务。首先，算法根据分组优先级确定竞争窗范围CWmin和CWmax，然后根据其值决定退避时间。这样就可以将高优先级分组的CWmin和CWmax值设置得低于低优先级分组，缩短了退避时间。

Lu等人综合考虑了距离和时间限制，提出了RAP分组调度策略。采用RAP的MAC协议对IEEE802.11进行了改进。与IEEE 802.11e类似，它采用基于优先级的帧间值和退避窗值。仿真结果表明这种策略适合于节点实时监控的无线传感器网络的通信调度。其他基于IEEE 802.11的方案也都遵循这样的原则。

一般来说，竞争占用方案使用方便、扩展性好，适合于处理多种业务流，不同于需要准确估计业务量的非竞争占用方案。但缺点是，无法像非竞争占用方案那样对业务提供实时性保障。因此，这类协议比较适用于对预见性要求不高的网络，如果要在多媒体无线传感器网络中成功运用，这些方案需要对接入业务提供概率保障。

2.3 混合方案

MAC混合方案有效结合了非竞争占用和竞争占用方案的优点。该方案将传输周期分为预约(竞争)周期和发送(非竞争)周期两个子周期。在预约周期内，传感器邻节点根据业务量竞争发送机会和发送周期。一旦获取发送时隙，发射机和接收机间就会进行通信。Adamout等人提出的静态Ad Hoc／WSN就是这种混合方案的典范。Adamout将整个网络分成若干网格，同一网格中的节点问可以相互通信，同时将时间分成预约周期和发送周期的固定帧，在预约周期内，网格节点通过交换三条信息进行发送／接收数据的时隙预约，一旦预约成功，该节点将在非竞争周期发送／接收数据。如果在允许的时延范围内成功完成了预约和数据传输，那么实时业务的时延要求就得到了保障。

混合方案优点是扩展性好，控制开销和冲突开销较小，能够有效节省网络资源。但缺点是，为了成功预约，邻节点需要进行同步。因此，与竞争占用方案相比，混合方案需要大量节点间通信开销。

3 结语

WMSN作为传感器网络新的研究方向，在军事和民用等诸多领域中显示出广阔的应用前景。在保障多媒体业务传输前提下，如何设计高效节能的MAC协议是保证整个网络正常运行的关键技术之一。本文重点分析了当前几种典型的MAC协议，并讨论了其对实时多媒体应用的支持能力。通过分析可知，混合方案更适合于支持WMSN实时通信。因为混合方案不仅提供了实时性业务保障，同时提高了能耗效率和带宽利用率，并具有良好的扩展性。

但是，上述MAC协议仍存在许多需要解决的开放问题。例如，协议没有考虑到数据冗余、能耗延迟均衡折衷等问题，同时在设计中大多忽略了无线网络端到端分组延迟、信道质量、功率控制和节点异构等其他问题。高效节能的MAC协议应该在区分业务保障复杂度和资源高效应用两方面取得平衡。这些都是今后无线多媒体传感器MAC协议设计时需要考虑的问题，希望能够对国内今后的研究工作起到一定的推动作用。

郭霞

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曾艳

李昕羿

王静

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