無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)研究進展

陳長英 ，楊秀紅 ，付勇 ，鄭曉勢，杜龍安

(1.山東省科學院情報研究所，山東 濟南 250014;2.山東省計算中心，山東 濟南250014 3.山東省濟南泉城中學，山東 濟南 250013)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為多學科、多種技術(shù)交叉融合的產(chǎn)物，經(jīng)歷了從產(chǎn)生、發(fā)展到日漸成熟的過程。該技術(shù)之所以能夠發(fā)展、壯大，并成為當前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵組成部分，在很大程度上得益于其低功耗、低成本和低速率等特點［1-4］。

然而，隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用范圍的不斷拓展，許多新的問題也逐漸顯露出來。其中，多媒體信息采集應(yīng)用場景對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的要求是一個主要的方面［5］。因為采用以前傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無法傳輸音視頻等多媒體信息，比如:智能家居行業(yè)對家庭周圍環(huán)境的視頻監(jiān)控［6-7］、機器人對視覺采集信息的收集［8］、安防行業(yè)的視頻監(jiān)控［9-10］、環(huán)境監(jiān)測［11］、醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)的視頻監(jiān)控［12-13］以及交通監(jiān)控［14］等等。

應(yīng)用的需求促進了多媒體無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究和發(fā)展，國際學術(shù)界對此高度重視［15-24］，在IEEE系列會議(如MASS、ICIP、WirelessCOM 等)、ACM 多媒體和傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)學術(shù)會議(ACM Multimedia、ACM MOBICOM、ACM WSNA 等)上發(fā)表了一些重要的研究成果。從2003年起，ACM 還專門組織國際視頻監(jiān)控與傳感器網(wǎng)絡(luò)研討會(ACM International Workshop on Video Surveillance ＆ Sensor Networks)交流相關(guān)研究成果。美國加利福尼亞大學、卡耐基-梅隆大學、馬薩諸塞大學［10］和波特蘭州立大學［25］等學府也開始了多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究工作，紛紛建立了視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)族并啟動了相應(yīng)的科研計劃。我國學者也非常重視多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究，北京郵電大學智能通信軟件與多媒體北京市重點實驗室［26］、中國科學院計算技術(shù)研究所、哈爾濱工業(yè)大學也已經(jīng)開始了該領(lǐng)域的研究和探索，但這些成果距離實際要求還相差較遠。

據(jù)此，本文在介紹多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的總體架構(gòu)的基礎(chǔ)上，分析了其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧架構(gòu)，然后就多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)走向?qū)嵱没枰鉀Q的主要問題，展望了今后的發(fā)展趨勢。

1 總體架構(gòu)

多媒體無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的總體架構(gòu)和傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相似，主要區(qū)別在于網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點連接的傳感器類型不同。傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器主要用來采集監(jiān)控現(xiàn)場的各種數(shù)據(jù)，比如溫度、壓力和濕度等(見圖1)。而多媒體無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的傳感器類型比較單一，只有攝像頭、麥克等視頻和音頻采集設(shè)備(見圖2)。

從圖1 和圖2 可以看出，無論是傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還是多媒體無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，一般只有一個中心節(jié)點，而且網(wǎng)絡(luò)都是自組織式的(無網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施)，終端節(jié)點到中心節(jié)點一般都是通過無線多跳方式通信。

2 硬件結(jié)構(gòu)

無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)上，由于要傳輸?shù)氖且粢曨l等多媒體信息，信息量大，而且要求的處理延時很短，因此對節(jié)點的硬件配置要求比傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)更高。

由于傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采用簡單的8 位單片機，已經(jīng)滿足不了多媒體業(yè)務(wù)的處理能力要求，必須采用多核或者眾核處理器。多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點硬件一般由通信處理模塊和傳感器模塊兩部分組成。傳感器模塊由攝像頭和麥克等多媒體信息采集設(shè)備組成，通信處理模塊是整個節(jié)點的核心，與傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一樣也是由基帶信號處理單元和射頻收發(fā)單元組成。不同之處在于，基帶信號處理單元使用的處理器處理能力更強，而且存儲器的容量更大，射頻收發(fā)單元采用的無線通信技術(shù)也不同。Feng 等人［13］設(shè)計的視頻傳感器節(jié)點見圖3，Kulkarni 等人［10］設(shè)計的視頻傳感器節(jié)點見圖4 和圖5。

3 協(xié)議棧架構(gòu)

多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議?？梢苑譃閮煞N:一種是單一的協(xié)議棧架構(gòu)，這種架構(gòu)對于網(wǎng)絡(luò)中不同的節(jié)點都采用同一種協(xié)議棧架構(gòu)［11］，采用這種協(xié)議棧架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)一般是單層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，見圖6;另一種是混合協(xié)議棧架構(gòu)，這種架構(gòu)對于網(wǎng)絡(luò)中不同的節(jié)點采用不用的協(xié)議棧架構(gòu)［27］，采用這種協(xié)議棧架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)一般是多層網(wǎng)絡(luò)，即處于同一層網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點采用相同的協(xié)議棧，處于不同層網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點采用不同的協(xié)議棧，例如帶有簇頭(cluster)的網(wǎng)絡(luò)可以采用這種協(xié)議棧架構(gòu)，如圖7 所示，簇頭間的通信可以采用一種協(xié)議棧(如IEEE802.11)，簇頭內(nèi)部的節(jié)點可以采用另一種協(xié)議棧(如IEEE802.15.4)。

4 核心問題和面臨的挑戰(zhàn)

4.1 核心問題

由于多媒體傳感網(wǎng)要在成本、傳輸帶寬、能量受限的傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳輸音視頻等多媒體信息，因此用傳統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)是無法實現(xiàn)的。必須針對音視頻等多媒體信息的實際特點和多媒體信息對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量(QoS)的要求來設(shè)計能夠滿足多媒體信息傳輸要求的網(wǎng)絡(luò)。如果一個傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠承載音視頻等多媒體信息，必須解決如下兩個網(wǎng)絡(luò)設(shè)計最核心的問題:

(1)低能耗網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。因為音視頻等多媒體信息傳送的是信息流，因此需要傳輸?shù)男畔⒘勘葌鹘y(tǒng)的無線傳感網(wǎng)要大得多，所以消耗的網(wǎng)絡(luò)能量也更大，而傳感網(wǎng)的節(jié)點一般都是采用電池供電，所以如何降低網(wǎng)絡(luò)的能耗從而提高網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的使用壽命成為多媒體傳感網(wǎng)急待解決的問題之一。

(2)低延時網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。因為音視頻等多媒體信息對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)钠骄鶗r延要求非?？量?≤25 ms)，如果設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)平均傳輸時延太長，會造成中心節(jié)點接收的多媒體信息流出現(xiàn)滯卡等不流暢現(xiàn)象，從而降低網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。而無線Ad-hoc 網(wǎng)絡(luò)本身的網(wǎng)絡(luò)平均延時就很大，這樣的網(wǎng)絡(luò)平均傳輸延時與網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍有關(guān)，網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍又與網(wǎng)絡(luò)多跳的跳數(shù)緊密聯(lián)系。因此，設(shè)計覆蓋范圍相對較大的多跳低延時的多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)是多媒體網(wǎng)絡(luò)設(shè)計需要考慮的又一個核心問題。

4.2 面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)

根據(jù)以上分析，在設(shè)計多媒體傳感網(wǎng)時，需要首先考慮網(wǎng)絡(luò)的能耗和傳輸延時等問題。

4.2.1 低能耗網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

多媒體網(wǎng)絡(luò)的低能耗設(shè)計主要體現(xiàn)在節(jié)點的低能耗設(shè)計上，節(jié)點的低能耗設(shè)計又分為硬件低能耗設(shè)計和軟件低能耗設(shè)計兩個方面。硬件低能耗設(shè)計主要考慮處理器和射頻單元的影響，因為這兩個部分是節(jié)點耗能最大的部件。由于多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)(尤其是視頻業(yè)務(wù))的信息量非常大，因此對節(jié)點的處理能力要求高，傳統(tǒng)無線傳感網(wǎng)采用的單片機處理器無法完成這樣的工作任務(wù)，必須采用處理能力強的多核或者眾核處理器，但是這樣的處理器能耗又很高，所以既要保證節(jié)點能夠完成大數(shù)據(jù)量的處理任務(wù)，又要考慮盡量降低處理器的能耗，才能提高節(jié)點的使用壽命，否則只片面考慮其中一項的要求沒有實際意義。射頻單元中發(fā)射單元的能耗是重點考慮的方面，為了降低節(jié)點的發(fā)射功耗，除了將發(fā)射功率分成若干等級外，還可以進一步考慮在每個發(fā)射功率等級內(nèi)將發(fā)射功率進一步細調(diào)，這樣可以將節(jié)點射頻單元部分的能耗降到較低值。

軟件降低節(jié)點能耗的設(shè)計方案主要是電源管理方案的設(shè)計，包括優(yōu)化了的休眠/喚醒機制的設(shè)計，有同步喚醒和異步喚醒兩種方案可供選擇。采用同步喚醒方案建立路由的時間短，有助于多媒體信息流的實時傳輸，但是需要節(jié)點間保持很好的時鐘同步，因此只適用于跳數(shù)少的多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)，很難做到大范圍覆蓋。如果采用異步喚醒方案，則不需要保持節(jié)點間很好的時鐘同步，因此網(wǎng)絡(luò)包括的跳數(shù)可以增加，可以提高網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，但是建立路由的時間長，很難做到多媒體信息流的實時低延時傳輸。

4.2.2 低延時網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)傳輸延時主要受MAC 層和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議設(shè)計的影響。在MAC 層，有競爭型、非競爭型和混合型3 種類型的協(xié)議［28］。采用競爭型MAC 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點硬件配置簡單，可以降低節(jié)點的硬件成本，但是當競爭信道的節(jié)點數(shù)量較多時，多媒體信息流的接入延時就會加大，進而增加網(wǎng)絡(luò)的傳輸延時。如果采用非競爭型MAC 協(xié)議，由于相鄰節(jié)點間存在一定的協(xié)作關(guān)系，多媒體信息流不用在接入信道時做等待，所以在MAC 層的接入等待延時就不存在了，進而多媒體信息流的網(wǎng)絡(luò)傳輸延時就降低了;但是由于相鄰節(jié)點間的協(xié)作關(guān)系靠同步來完成，因此這樣的節(jié)點的硬件成本就會提高，同時管理起來也更加復雜?；旌闲褪菍追N不同的MAC 層接入?yún)f(xié)議方案結(jié)合起來使用，這樣可以將不同接入?yún)f(xié)議方案的優(yōu)點實現(xiàn)互補。

在網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)多媒體信息流的低延時傳輸，需要解決的主要問題如下:

(1)快速的路由建立方法

為了節(jié)約能量，不傳輸多媒體信息流的節(jié)點平時是處于休眠狀態(tài)的。如果使得這些休眠的節(jié)點參與到傳輸信息流的任務(wù)中去，需要先將它們喚醒，然后節(jié)點間實現(xiàn)時鐘同步，再建立新的路由表。因此，研究快速的路由建立方法需要解決休眠節(jié)點快速喚醒機制，以及快速時鐘同步的建立問題，同時也要解決快速尋路算法問題。

(2)大的網(wǎng)絡(luò)通過量(throughput)的數(shù)據(jù)傳輸方法

為減少多媒體信息流的網(wǎng)絡(luò)傳輸延時，就要提高網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通過量，但同時還要兼顧網(wǎng)絡(luò)能耗，而大的網(wǎng)絡(luò)通過量和網(wǎng)絡(luò)能耗的增加又是緊密聯(lián)系的，所以既要保持大的網(wǎng)絡(luò)通過量又要兼顧網(wǎng)絡(luò)能耗指標具有極大的技術(shù)挑戰(zhàn)性。

(3)低網(wǎng)絡(luò)擁塞機制的設(shè)計

因為多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)流經(jīng)的數(shù)據(jù)量非常大，因此在網(wǎng)絡(luò)中極易出現(xiàn)局部的網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象，進而引起多媒體信息流的網(wǎng)絡(luò)傳輸延時迅速增加。因此，高效率的降低網(wǎng)絡(luò)擁塞發(fā)生機制的設(shè)計又是一個極具挑戰(zhàn)性的研究方向。

5 發(fā)展趨勢

多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一個新興的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要發(fā)展分支，在實際應(yīng)用的需求推動下產(chǎn)生并發(fā)展，但是多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)要真正走向?qū)嵱茫枰鉀Q很多極具挑戰(zhàn)性的技術(shù)問題。未來需要在幾個重要的發(fā)展方向上實現(xiàn)突破:低延時的實時MAC 技術(shù);低延時、低能耗的路由關(guān)鍵技術(shù);多媒體信息安全技術(shù);面向多核和眾核的多媒體終端設(shè)備的研制和多模態(tài)軟件構(gòu)件技術(shù)的研究;高壓縮比的多媒體信息流壓縮編碼技術(shù)等。

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