無線多媒體傳感器網絡傳輸控制協議研究

周立鵬， 傅江濤， 鄭國強

（河南科技大學電子信息工程學院，河南 洛陽 471003）

0 引言

無線多媒體傳感器網絡（WMSN）是在傳統無線傳感器網絡（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通信網絡。WMSN通常由大量配置CMOS攝像頭和微型麥克風的傳感器節點構成，能感知豐富的音頻、視頻、圖像等多媒體信息，實現細粒度、精準信息的環境監測，可廣泛應用于戰場可視化監控、環境監測、交通監控、智能家居和醫療衛生等領域[1,2]，因此引起了各國政府和學術界的極大關注。從 2003年起，美國計算機協會專門組織國際視頻監控與傳感器網絡研討交流相關研究成果，加州大學和斯坦福大學等美國多所著名學府都開始了 WMSN的研究工作。中國高校和研究機構也開始了該領域的探索，但研究成果尚處于起步階段，距離實際需求還相差甚遠。

WMSN傳輸層主要負責網絡穩定的數據傳輸和擁塞控制。與無線傳感器網絡的端到端分組可靠性相比，端到端的事件可靠性對于多媒體信息更加重要。設計適合多媒體業務的傳輸控制協議直接決定著整個網絡的性能，是保證網絡正常運行的重要技術。

針對 WMSN硬件資源受限、音視頻媒體信息豐富以及處理任務復雜等特點，本文總結了當前傳輸控制協議設計的特點與挑戰，對現有的傳輸控制協議進行了分類，著重分析和總結了當前幾種典型協議，并詳細討論了這些協議對實時多媒體應用的支持能力，最后探討了今后傳輸控制協議設計時亟待研究解決的問題。

1 WMSN傳輸控制協議特點及挑戰

音視頻等多媒體信息傳輸需要提供一定的服務質量 QoS保障。然而傳統WSN研究的重點放在能量受限問題上，對于帶寬、時延和時延抖動很少涉及。WMSN傳輸控制協議是個較新的研究課題，目前專門針對 WMSN流媒體業務的傳輸協議文獻資料寥寥無幾。因此，設計適合多媒體業務的傳輸控制協議面臨巨大的挑戰[3]：

①硬件資源有限。由于大量采用微型化傳感器節點部署，節點在能量供給、計算能力和存儲空間等硬件資源非常有限。對于 WMSN，由于業務傳輸和處理任務復雜，在提供QoS保障的同時必須考慮如何高效應用這些資源;

②QoS保障。QoS敏感是WMSN的一個重要特征，具體體現在音視頻質量、網絡時延、網絡能耗和媒體信息處理等方面。WMSN與傳統WSN相比，傳輸控制協議設計需要更多的關注服務質量;

③區分服務。WMSN存在音頻、視頻信息，同時可能存在文本信息，不同的應用對QoS的不同參數關注程度不同。例如在設計時需要考慮對時延約束的應用、具有丟失率約束和不同丟失率約束的應用提供不同的QoS保障。

2 WMSN傳輸控制協議

在整個傳感器網絡中，傳輸層主要負責網絡穩定的數據傳輸和擁塞控制。相同區域的所有節點在監控同一事件，因此將產生大量相關的數據信息。與WSN端到端分組可靠性相比，端到端的事件可靠性對于多媒體信息更加重要。事件可靠性要求從事件發生位置到 Sink在規定的時間內成功完成傳輸，而不是所有節點數據分組的成功傳輸。目前，傳輸控制協議研究主要包括擁塞控制協議、可靠傳輸協議和混合式協議3類，如圖1所示。

圖1 傳輸控制協議分類

2.1 擁塞控制協議

在 WMSN中傳輸海量多媒體數據信息極易引起擁塞，迫切需要適當的擁塞控制機制。目前傳輸層主要通過檢測、通告和速率調整機制進行擁塞控制。從信源節點到 Sink的傳輸路徑上，由節點或 Sink執行擁塞監測。一旦出現擁塞，監測節點將向信源發送擁塞通告。信源一旦收到通告，將通過調整發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]。該策略根據效率、平衡性和公平性3個度量指標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。該控制方法給每個傳感器節點即將發送的分組報文頭中預置擁塞位。當一個傳感器節點接收到源于父節點的分組，且擁塞位為1時，就會降低分組傳輸速率。利用無線介質的廣播特性，每次傳輸都向所有的鄰節點提供了擁塞反饋信息。信源最終將獲知擁塞狀況，并降低其發送速率。

標記桶式速率控制。該控制方法實施的前提是假設所有節點提供相同的通信負載且路由樹比較均衡。每個節點通過監聽父節點（向基站進行前向數據傳輸的節點）通信量來估測 N值（通過該父節點進行路由轉發的源節點總數）。然后采用標記桶模式規定每個節點的發送速率。每當節點監聽到父節點發送了N個分組，就相應地把標記累計加1，直到標記最大值。節點只有在標記數非零時，才允許發送數據。這種解決方案限制了節點的速率。

MAC優先訪問機制。該機制采用載波偵聽多址訪問CSMA技術，以每個節點的隨機回退值作為本地擁塞狀態的函數，并通過狀態函數來規定MAC優先級。這樣，節點擁塞越嚴重，表明需要發送的數據也就越多，將更容易獲得爭用周期，進而釋放隊列。通過這種機制增大了擁塞控制信息在鄰居節點間傳播的可能性。

然而 Fusion策略在多媒體業務支持方面可能存在一些缺陷。Fusion工作只是基于樹型路由拓撲，并沒有研究擁塞避免機制；速率控制方案通常基于所有節點數據流量相同的假設，當采用分布式信源編碼時，發送伴隨信息的節點通常數據量較大，而其它傳輸本征信息的節點數據量通常較少，因此并不符合標記桶速率控制的假設條件。Bajcsy等人[5]提出了同時具有擁塞控制和網絡公平功能的CCF方案，研究了擁塞避免機制，但其簡化了的公平性定義不適合于多優先級業務。因此，本方案需要進一步改進，才能有效支持多優先級和不同帶寬需求的多媒體業務。

CODA是由Wan等人[6]提出的一種能源有效的擁塞控制方案，通過周期性地監測信道負載以及緩沖區占用率來檢測擁塞，該方案由三種機制構成：基于接收端的信道采樣擁塞檢測；開環 hop-by-hop的后壓機制；閉環多源調節機制。由于 CODA只從單個數據源出發控制擁塞，然而實際的流量分布是多個數據源共同作用的結果，因此需要從全網規劃才有實際意義。

Wang等人[7]提出了基于節點優先級的擁塞控制協議PCCP。該協議主要思想是通過賦予每個節點的優先級來表征該節點業務的重要性并根據擁塞度參數進行擁塞檢測。擁塞度定義為節點數據業務平均持續時間與數據到達平均時間的比值。鄰居節點根據擁塞度是否大于1來判斷網絡擁塞狀況。

總之，上述擁塞控制協議都有相似的缺陷。這些協議均采用了開銷較小的隱式通告，但擁塞控制需要較長的時間，并且不支持多優先級。此外，這些協議均采用了簡化的公平性概念，對多優先級多媒體業務的公平性概念沒有深入研究。

2.2 可靠傳輸協議

可靠傳輸協議主要用于確保信息由信源到基站的準確無誤傳輸。為了節能，WSN可靠傳輸協議多數采用hop-by-hop分組重建機制。Zhang等人[8]的RBC機制是在hop-by-hop重建機制的基礎上的改進。該機制有效增加了信道利用率并降低了確認過程中的丟棄率，因此彌補了 hop-by-hop重建機制不足。從仿真結果來看，該方案對單節點的突發業務非常有效。但是，RBC如果應用于高帶寬的多媒體業務，容易產生抖動，同時實時性要求難以保障。

Stann和Heidemann[9]針對定向擴散的可靠傳輸協議提出了 RMST方案。在匯聚網絡層路由算法設計基礎上，RMST結合MAC層的重發機制、高速緩存模式以及應用層冗余信息保證了所有信源到 Sink的數據無誤傳輸。然而對于多對一的數據傳輸而言，網絡沒有進行冗余信息的融合而對所有信息提供可靠性保障浪費了資源。因此，一般來說 RMST不是支持多媒體信息流的最佳方案。

2.3 混合式協議

STCP[10]和 ESRT[11]協議同時提供了擁塞控制和可靠傳輸兩項功能。STCP協議支持多種應用，具有多等級可靠性、擁塞檢測及避免功能。該協議基于會話機制[12]，信源節點在發送信息時首先發送會話啟動信息。不管啟動信息類型如何，當基站獲取啟動信息后就會向信源節點回復應答信息 ACK。當信源節點接收到ACK后，進行數據信息發送。STCP協議采用改進的 RED[13]機制進行擁塞控制。當中繼節點檢測到擁塞時，就會向基站發送隱式擁塞通告。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點。

對于大規模部署的WSN來說，STCP協議不能夠擴展應用。在大規模部署的網絡中，從擁塞產生到信源節點獲知擁塞通告通常需要較長的時間。高速率的多媒體數據在這個較長的時延內足以導致網絡嚴重擁塞。另外，ACK應答機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。該協議通過控制網絡中 Sink的數據采集頻率來避免擁塞發生。假設ti表示觀察時間間隔，參數R為可靠性事件監測必需達到的信息量。在時間ti內，Sink根據接收的信息數量ri和R的大小關系進行是否可靠傳輸的判決。ESRT協議以單位時間內感知事件鄰域節點發送的信息量作為報告率f，通過選擇f值可以獲取理想的R值。

ESRT協議的這種自配置特性使其對于隨機、動態拓撲的WSN具備了魯棒性。對于多媒體業務傳輸的協議需要從這幾個方面進行深入研究：根據所用的數據編碼方案，將某些分組優先級設置的高于其它分組，有利于可靠性事件檢測；ESRT不區分具體事件，強調的是事件到Sink的所有數據流，并不針對單節點進行流量控制。考慮到Sink以收到的完整事件取代分組信息數量，相應地需要修改可靠性定義；此外，由于多媒體業務特點和傳輸流量及抖動引起的擁塞需要研究。

3 結語

在傳輸層，目前沒有任何專門針對實時多媒體業務的WMSN傳輸控制協議。本文重點分析和總結了當前幾種典型的傳輸控制協議，并討論了其對實時多媒體應用的支持能力。從分析中可以看出擁塞控制和可靠傳輸相結合的混合式協議STCP和ESRT比較適合于WMSN多媒體業務。但這兩種協議對于多路由支持、數據稀釋和精確重組等均沒有涉及，并且擁塞控制機制方面還需要完善，因此具有很大的研究空間。另外，在傳輸層的多媒體應用需求的分布式協議上，多優先級處理能力、通過信源快速警告執行快速擁塞控制、高速數據率和抖動處理能力、事件驅動決議建立與維護機制也是今后重要的研究方向。

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