無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸控制協(xié)議研究

周立鵬， 傅江濤， 鄭國(guó)強(qiáng)

（河南科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003）

0 引言

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通信網(wǎng)絡(luò)。WMSN通常由大量配置CMOS攝像頭和微型麥克風(fēng)的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，能感知豐富的音頻、視頻、圖像等多媒體信息，實(shí)現(xiàn)細(xì)粒度、精準(zhǔn)信息的環(huán)境監(jiān)測(cè)，可廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)場(chǎng)可視化監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通監(jiān)控、智能家居和醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域[1,2]，因此引起了各國(guó)政府和學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注。從 2003年起，美國(guó)計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)專門組織國(guó)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(guó)多所著名學(xué)府都開始了 WMSN的研究工作。中國(guó)高校和研究機(jī)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(shí)際需求還相差甚遠(yuǎn)。

WMSN傳輸層主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸和擁塞控制。與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的端到端分組可靠性相比，端到端的事件可靠性對(duì)于多媒體信息更加重要。設(shè)計(jì)適合多媒體業(yè)務(wù)的傳輸控制協(xié)議直接決定著整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能，是保證網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行的重要技術(shù)。

針對(duì) 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(diǎn)，本文總結(jié)了當(dāng)前傳輸控制協(xié)議設(shè)計(jì)的特點(diǎn)與挑戰(zhàn)，對(duì)現(xiàn)有的傳輸控制協(xié)議進(jìn)行了分類，著重分析和總結(jié)了當(dāng)前幾種典型協(xié)議，并詳細(xì)討論了這些協(xié)議對(duì)實(shí)時(shí)多媒體應(yīng)用的支持能力，最后探討了今后傳輸控制協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)亟待研究解決的問題。

1 WMSN傳輸控制協(xié)議特點(diǎn)及挑戰(zhàn)

音視頻等多媒體信息傳輸需要提供一定的服務(wù)質(zhì)量 QoS保障。然而傳統(tǒng)WSN研究的重點(diǎn)放在能量受限問題上，對(duì)于帶寬、時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)很少涉及。WMSN傳輸控制協(xié)議是個(gè)較新的研究課題，目前專門針對(duì) WMSN流媒體業(yè)務(wù)的傳輸協(xié)議文獻(xiàn)資料寥寥無幾。因此，設(shè)計(jì)適合多媒體業(yè)務(wù)的傳輸控制協(xié)議面臨巨大的挑戰(zhàn)[3]：

①硬件資源有限。由于大量采用微型化傳感器節(jié)點(diǎn)部署，節(jié)點(diǎn)在能量供給、計(jì)算能力和存儲(chǔ)空間等硬件資源非常有限。對(duì)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(shí)必須考慮如何高效應(yīng)用這些資源;

②QoS保障。QoS敏感是WMSN的一個(gè)重要特征，具體體現(xiàn)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(tǒng)WSN相比，傳輸控制協(xié)議設(shè)計(jì)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(shí)可能存在文本信息，不同的應(yīng)用對(duì)QoS的不同參數(shù)關(guān)注程度不同。例如在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮對(duì)時(shí)延約束的應(yīng)用、具有丟失率約束和不同丟失率約束的應(yīng)用提供不同的QoS保障。

2 WMSN傳輸控制協(xié)議

在整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳輸層主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸和擁塞控制。相同區(qū)域的所有節(jié)點(diǎn)在監(jiān)控同一事件，因此將產(chǎn)生大量相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。與WSN端到端分組可靠性相比，端到端的事件可靠性對(duì)于多媒體信息更加重要。事件可靠性要求從事件發(fā)生位置到 Sink在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)成功完成傳輸，而不是所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)分組的成功傳輸。目前，傳輸控制協(xié)議研究主要包括擁塞控制協(xié)議、可靠傳輸協(xié)議和混合式協(xié)議3類，如圖1所示。

圖1 傳輸控制協(xié)議分類

2.1 擁塞控制協(xié)議

在 WMSN中傳輸海量多媒體數(shù)據(jù)信息極易引起擁塞，迫切需要適當(dāng)?shù)膿砣刂茩C(jī)制。目前傳輸層主要通過檢測(cè)、通告和速率調(diào)整機(jī)制進(jìn)行擁塞控制。從信源節(jié)點(diǎn)到 Sink的傳輸路徑上，由節(jié)點(diǎn)或 Sink執(zhí)行擁塞監(jiān)測(cè)。一旦出現(xiàn)擁塞，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)將向信源發(fā)送擁塞通告。信源一旦收到通告，將通過調(diào)整發(fā)送速率來避免擁塞惡化。

Hull等人研究了各種擁塞控制策略的相互影響和合成效果，提出了擁塞控制策略Fusion[4]。該策略根據(jù)效率、平衡性和公平性3個(gè)度量指標(biāo)來衡量擁塞控制效果。具體擁塞控制算法如下。

hop-by-hop流控制。該控制方法給每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)即將發(fā)送的分組報(bào)文頭中預(yù)置擁塞位。當(dāng)一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)接收到源于父節(jié)點(diǎn)的分組，且擁塞位為1時(shí)，就會(huì)降低分組傳輸速率。利用無線介質(zhì)的廣播特性，每次傳輸都向所有的鄰節(jié)點(diǎn)提供了擁塞反饋信息。信源最終將獲知擁塞狀況，并降低其發(fā)送速率。

標(biāo)記桶式速率控制。該控制方法實(shí)施的前提是假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)提供相同的通信負(fù)載且路由樹比較均衡。每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過監(jiān)聽父節(jié)點(diǎn)（向基站進(jìn)行前向數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)）通信量來估測(cè) N值（通過該父節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)的源節(jié)點(diǎn)總數(shù)）。然后采用標(biāo)記桶模式規(guī)定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送速率。每當(dāng)節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽到父節(jié)點(diǎn)發(fā)送了N個(gè)分組，就相應(yīng)地把標(biāo)記累計(jì)加1，直到標(biāo)記最大值。節(jié)點(diǎn)只有在標(biāo)記數(shù)非零時(shí)，才允許發(fā)送數(shù)據(jù)。這種解決方案限制了節(jié)點(diǎn)的速率。

MAC優(yōu)先訪問機(jī)制。該機(jī)制采用載波偵聽多址訪問CSMA技術(shù)，以每個(gè)節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)回退值作為本地?fù)砣麪顟B(tài)的函數(shù)，并通過狀態(tài)函數(shù)來規(guī)定MAC優(yōu)先級(jí)。這樣，節(jié)點(diǎn)擁塞越嚴(yán)重，表明需要發(fā)送的數(shù)據(jù)也就越多，將更容易獲得爭(zhēng)用周期，進(jìn)而釋放隊(duì)列。通過這種機(jī)制增大了擁塞控制信息在鄰居節(jié)點(diǎn)間傳播的可能性。

然而 Fusion策略在多媒體業(yè)務(wù)支持方面可能存在一些缺陷。Fusion工作只是基于樹型路由拓?fù)洌]有研究擁塞避免機(jī)制；速率控制方案通常基于所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)流量相同的假設(shè)，當(dāng)采用分布式信源編碼時(shí)，發(fā)送伴隨信息的節(jié)點(diǎn)通常數(shù)據(jù)量較大，而其它傳輸本征信息的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)量通常較少，因此并不符合標(biāo)記桶速率控制的假設(shè)條件。Bajcsy等人[5]提出了同時(shí)具有擁塞控制和網(wǎng)絡(luò)公平功能的CCF方案，研究了擁塞避免機(jī)制，但其簡(jiǎn)化了的公平性定義不適合于多優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)。因此，本方案需要進(jìn)一步改進(jìn)，才能有效支持多優(yōu)先級(jí)和不同帶寬需求的多媒體業(yè)務(wù)。

CODA是由Wan等人[6]提出的一種能源有效的擁塞控制方案，通過周期性地監(jiān)測(cè)信道負(fù)載以及緩沖區(qū)占用率來檢測(cè)擁塞，該方案由三種機(jī)制構(gòu)成：基于接收端的信道采樣擁塞檢測(cè)；開環(huán) hop-by-hop的后壓機(jī)制；閉環(huán)多源調(diào)節(jié)機(jī)制。由于 CODA只從單個(gè)數(shù)據(jù)源出發(fā)控制擁塞，然而實(shí)際的流量分布是多個(gè)數(shù)據(jù)源共同作用的結(jié)果，因此需要從全網(wǎng)規(guī)劃才有實(shí)際意義。

Wang等人[7]提出了基于節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)的擁塞控制協(xié)議PCCP。該協(xié)議主要思想是通過賦予每個(gè)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)來表征該節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)的重要性并根據(jù)擁塞度參數(shù)進(jìn)行擁塞檢測(cè)。擁塞度定義為節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)平均持續(xù)時(shí)間與數(shù)據(jù)到達(dá)平均時(shí)間的比值。鄰居節(jié)點(diǎn)根據(jù)擁塞度是否大于1來判斷網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況。

總之，上述擁塞控制協(xié)議都有相似的缺陷。這些協(xié)議均采用了開銷較小的隱式通告，但擁塞控制需要較長(zhǎng)的時(shí)間，并且不支持多優(yōu)先級(jí)。此外，這些協(xié)議均采用了簡(jiǎn)化的公平性概念，對(duì)多優(yōu)先級(jí)多媒體業(yè)務(wù)的公平性概念沒有深入研究。

2.2 可靠傳輸協(xié)議

可靠傳輸協(xié)議主要用于確保信息由信源到基站的準(zhǔn)確無誤傳輸。為了節(jié)能，WSN可靠傳輸協(xié)議多數(shù)采用hop-by-hop分組重建機(jī)制。Zhang等人[8]的RBC機(jī)制是在hop-by-hop重建機(jī)制的基礎(chǔ)上的改進(jìn)。該機(jī)制有效增加了信道利用率并降低了確認(rèn)過程中的丟棄率，因此彌補(bǔ)了 hop-by-hop重建機(jī)制不足。從仿真結(jié)果來看，該方案對(duì)單節(jié)點(diǎn)的突發(fā)業(yè)務(wù)非常有效。但是，RBC如果應(yīng)用于高帶寬的多媒體業(yè)務(wù)，容易產(chǎn)生抖動(dòng)，同時(shí)實(shí)時(shí)性要求難以保障。

Stann和Heidemann[9]針對(duì)定向擴(kuò)散的可靠傳輸協(xié)議提出了 RMST方案。在匯聚網(wǎng)絡(luò)層路由算法設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，RMST結(jié)合MAC層的重發(fā)機(jī)制、高速緩存模式以及應(yīng)用層冗余信息保證了所有信源到 Sink的數(shù)據(jù)無誤傳輸。然而對(duì)于多對(duì)一的數(shù)據(jù)傳輸而言，網(wǎng)絡(luò)沒有進(jìn)行冗余信息的融合而對(duì)所有信息提供可靠性保障浪費(fèi)了資源。因此，一般來說 RMST不是支持多媒體信息流的最佳方案。

2.3 混合式協(xié)議

STCP[10]和 ESRT[11]協(xié)議同時(shí)提供了擁塞控制和可靠傳輸兩項(xiàng)功能。STCP協(xié)議支持多種應(yīng)用，具有多等級(jí)可靠性、擁塞檢測(cè)及避免功能。該協(xié)議基于會(huì)話機(jī)制[12]，信源節(jié)點(diǎn)在發(fā)送信息時(shí)首先發(fā)送會(huì)話啟動(dòng)信息。不管啟動(dòng)信息類型如何，當(dāng)基站獲取啟動(dòng)信息后就會(huì)向信源節(jié)點(diǎn)回復(fù)應(yīng)答信息 ACK。當(dāng)信源節(jié)點(diǎn)接收到ACK后，進(jìn)行數(shù)據(jù)信息發(fā)送。STCP協(xié)議采用改進(jìn)的 RED[13]機(jī)制進(jìn)行擁塞控制。當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到擁塞時(shí)，就會(huì)向基站發(fā)送隱式擁塞通告。基站一旦獲知擁塞通告，將以顯示擁塞通告方式通知信源節(jié)點(diǎn)。

對(duì)于大規(guī)模部署的WSN來說，STCP協(xié)議不能夠擴(kuò)展應(yīng)用。在大規(guī)模部署的網(wǎng)絡(luò)中，從擁塞產(chǎn)生到信源節(jié)點(diǎn)獲知擁塞通告通常需要較長(zhǎng)的時(shí)間。高速率的多媒體數(shù)據(jù)在這個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)延內(nèi)足以導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)重?fù)砣?。另外，ACK應(yīng)答機(jī)制需要消耗大量能量和帶寬資源。

由Sankarasubramanian等人提出的ESRT是一種基于事件粗粒度的擁塞控制方法。該協(xié)議通過控制網(wǎng)絡(luò)中 Sink的數(shù)據(jù)采集頻率來避免擁塞發(fā)生。假設(shè)ti表示觀察時(shí)間間隔，參數(shù)R為可靠性事件監(jiān)測(cè)必需達(dá)到的信息量。在時(shí)間ti內(nèi)，Sink根據(jù)接收的信息數(shù)量ri和R的大小關(guān)系進(jìn)行是否可靠傳輸?shù)呐袥Q。ESRT協(xié)議以單位時(shí)間內(nèi)感知事件鄰域節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息量作為報(bào)告率f，通過選擇f值可以獲取理想的R值。

ESRT協(xié)議的這種自配置特性使其對(duì)于隨機(jī)、動(dòng)態(tài)拓?fù)涞腤SN具備了魯棒性。對(duì)于多媒體業(yè)務(wù)傳輸?shù)膮f(xié)議需要從這幾個(gè)方面進(jìn)行深入研究：根據(jù)所用的數(shù)據(jù)編碼方案，將某些分組優(yōu)先級(jí)設(shè)置的高于其它分組，有利于可靠性事件檢測(cè)；ESRT不區(qū)分具體事件，強(qiáng)調(diào)的是事件到Sink的所有數(shù)據(jù)流，并不針對(duì)單節(jié)點(diǎn)進(jìn)行流量控制?？紤]到Sink以收到的完整事件取代分組信息數(shù)量，相應(yīng)地需要修改可靠性定義；此外，由于多媒體業(yè)務(wù)特點(diǎn)和傳輸流量及抖動(dòng)引起的擁塞需要研究。

3 結(jié)語(yǔ)

在傳輸層，目前沒有任何專門針對(duì)實(shí)時(shí)多媒體業(yè)務(wù)的WMSN傳輸控制協(xié)議。本文重點(diǎn)分析和總結(jié)了當(dāng)前幾種典型的傳輸控制協(xié)議，并討論了其對(duì)實(shí)時(shí)多媒體應(yīng)用的支持能力。從分析中可以看出擁塞控制和可靠傳輸相結(jié)合的混合式協(xié)議STCP和ESRT比較適合于WMSN多媒體業(yè)務(wù)。但這兩種協(xié)議對(duì)于多路由支持、數(shù)據(jù)稀釋和精確重組等均沒有涉及，并且擁塞控制機(jī)制方面還需要完善，因此具有很大的研究空間。另外，在傳輸層的多媒體應(yīng)用需求的分布式協(xié)議上，多優(yōu)先級(jí)處理能力、通過信源快速警告執(zhí)行快速擁塞控制、高速數(shù)據(jù)率和抖動(dòng)處理能力、事件驅(qū)動(dòng)決議建立與維護(hù)機(jī)制也是今后重要的研究方向。

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