无线多媒体传感器网络的关键技术研究进展

陈长英 ，杨秀红 ，付勇 ，郑晓势，杜龙安

(1.山东省科学院情报研究所，山东 济南 250014;2.山东省计算中心，山东 济南250014 3.山东省济南泉城中学，山东 济南 250013)

无线传感器网络技术作为多学科、多种技术交叉融合的产物，经历了从产生、发展到日渐成熟的过程。该技术之所以能够发展、壮大，并成为当前物联网技术的关键组成部分，在很大程度上得益于其低功耗、低成本和低速率等特点［1-4］。

然而，随着无线传感器网络技术应用范围的不断拓展，许多新的问题也逐渐显露出来。其中，多媒体信息采集应用场景对无线传感器网络技术的要求是一个主要的方面［5］。因为采用以前传统的无线传感器网络技术无法传输音视频等多媒体信息，比如:智能家居行业对家庭周围环境的视频监控［6-7］、机器人对视觉采集信息的收集［8］、安防行业的视频监控［9-10］、环境监测［11］、医疗卫生行业的视频监控［12-13］以及交通监控［14］等等。

应用的需求促进了多媒体无线传感器网络技术的研究和发展，国际学术界对此高度重视［15-24］，在IEEE系列会议(如MASS、ICIP、WirelessCOM 等)、ACM 多媒体和传感器网络相关学术会议(ACM Multimedia、ACM MOBICOM、ACM WSNA 等)上发表了一些重要的研究成果。从2003年起，ACM 还专门组织国际视频监控与传感器网络研讨会(ACM International Workshop on Video Surveillance ＆ Sensor Networks)交流相关研究成果。美国加利福尼亚大学、卡耐基-梅隆大学、马萨诸塞大学［10］和波特兰州立大学［25］等学府也开始了多媒体传感器网络方面的研究工作，纷纷建立了视频传感器网络族并启动了相应的科研计划。我国学者也非常重视多媒体传感器网络方面的研究，北京邮电大学智能通信软件与多媒体北京市重点实验室［26］、中国科学院计算技术研究所、哈尔滨工业大学也已经开始了该领域的研究和探索，但这些成果距离实际要求还相差较远。

据此，本文在介绍多媒体传感器网络的总体架构的基础上，分析了其网络节点的硬件结构和网络协议栈架构，然后就多媒体传感器网络走向实用化需要解决的主要问题，展望了今后的发展趋势。

1 总体架构

多媒体无线传感器网络的总体架构和传统的无线传感器网络相似，主要区别在于网络终端节点连接的传感器类型不同。传统的无线传感器网络的传感器主要用来采集监控现场的各种数据，比如温度、压力和湿度等(见图1)。而多媒体无线传感器网络采用的传感器类型比较单一，只有摄像头、麦克等视频和音频采集设备(见图2)。

从图1 和图2 可以看出，无论是传统的无线传感器网络还是多媒体无线传感器网络，一般只有一个中心节点，而且网络都是自组织式的(无网络基础设施)，终端节点到中心节点一般都是通过无线多跳方式通信。

2 硬件结构

无线多媒体传感器网络的硬件结构主要体现在网络节点的硬件结构上，由于要传输的是音视频等多媒体信息，信息量大，而且要求的处理延时很短，因此对节点的硬件配置要求比传统的无线传感器网络更高。

由于传统无线传感器网络节点采用简单的8 位单片机，已经满足不了多媒体业务的处理能力要求，必须采用多核或者众核处理器。多媒体传感器网络的节点硬件一般由通信处理模块和传感器模块两部分组成。传感器模块由摄像头和麦克等多媒体信息采集设备组成，通信处理模块是整个节点的核心，与传统的无线传感器网络一样也是由基带信号处理单元和射频收发单元组成。不同之处在于，基带信号处理单元使用的处理器处理能力更强，而且存储器的容量更大，射频收发单元采用的无线通信技术也不同。Feng 等人［13］设计的视频传感器节点见图3，Kulkarni 等人［10］设计的视频传感器节点见图4 和图5。

3 协议栈架构

多媒体传感器网络的协议栈可以分为两种:一种是单一的协议栈架构，这种架构对于网络中不同的节点都采用同一种协议栈架构［11］，采用这种协议栈架构的网络一般是单层的网络结构，见图6;另一种是混合协议栈架构，这种架构对于网络中不同的节点采用不用的协议栈架构［27］，采用这种协议栈架构的网络一般是多层网络，即处于同一层网络的节点采用相同的协议栈，处于不同层网络的节点采用不同的协议栈，例如带有簇头(cluster)的网络可以采用这种协议栈架构，如图7 所示，簇头间的通信可以采用一种协议栈(如IEEE802.11)，簇头内部的节点可以采用另一种协议栈(如IEEE802.15.4)。

4 核心问题和面临的挑战

4.1 核心问题

由于多媒体传感网要在成本、传输带宽、能量受限的传感器网络中传输音视频等多媒体信息，因此用传统的无线传感网是无法实现的。必须针对音视频等多媒体信息的实际特点和多媒体信息对网络服务质量(QoS)的要求来设计能够满足多媒体信息传输要求的网络。如果一个传感器网络能够承载音视频等多媒体信息，必须解决如下两个网络设计最核心的问题:

(1)低能耗网络的设计。因为音视频等多媒体信息传送的是信息流，因此需要传输的信息量比传统的无线传感网要大得多，所以消耗的网络能量也更大，而传感网的节点一般都是采用电池供电，所以如何降低网络的能耗从而提高网络节点的使用寿命成为多媒体传感网急待解决的问题之一。

(2)低延时网络的设计。因为音视频等多媒体信息对网络传输的平均时延要求非常苛刻(≤25 ms)，如果设计的网络平均传输时延太长，会造成中心节点接收的多媒体信息流出现滞卡等不流畅现象，从而降低网络的服务质量。而无线Ad-hoc 网络本身的网络平均延时就很大，这样的网络平均传输延时与网络的覆盖范围有关，网络的覆盖范围又与网络多跳的跳数紧密联系。因此，设计覆盖范围相对较大的多跳低延时的多媒体传感器网络是多媒体网络设计需要考虑的又一个核心问题。

4.2 面临的主要技术挑战

根据以上分析，在设计多媒体传感网时，需要首先考虑网络的能耗和传输延时等问题。

4.2.1 低能耗网络设计

多媒体网络的低能耗设计主要体现在节点的低能耗设计上，节点的低能耗设计又分为硬件低能耗设计和软件低能耗设计两个方面。硬件低能耗设计主要考虑处理器和射频单元的影响，因为这两个部分是节点耗能最大的部件。由于多媒体传感器网络(尤其是视频业务)的信息量非常大，因此对节点的处理能力要求高，传统无线传感网采用的单片机处理器无法完成这样的工作任务，必须采用处理能力强的多核或者众核处理器，但是这样的处理器能耗又很高，所以既要保证节点能够完成大数据量的处理任务，又要考虑尽量降低处理器的能耗，才能提高节点的使用寿命，否则只片面考虑其中一项的要求没有实际意义。射频单元中发射单元的能耗是重点考虑的方面，为了降低节点的发射功耗，除了将发射功率分成若干等级外，还可以进一步考虑在每个发射功率等级内将发射功率进一步细调，这样可以将节点射频单元部分的能耗降到较低值。

软件降低节点能耗的设计方案主要是电源管理方案的设计，包括优化了的休眠/唤醒机制的设计，有同步唤醒和异步唤醒两种方案可供选择。采用同步唤醒方案建立路由的时间短，有助于多媒体信息流的实时传输，但是需要节点间保持很好的时钟同步，因此只适用于跳数少的多媒体传感器网络，很难做到大范围覆盖。如果采用异步唤醒方案，则不需要保持节点间很好的时钟同步，因此网络包括的跳数可以增加，可以提高网络的覆盖范围，但是建立路由的时间长，很难做到多媒体信息流的实时低延时传输。

4.2.2 低延时网络设计

网络传输延时主要受MAC 层和网络层协议设计的影响。在MAC 层，有竞争型、非竞争型和混合型3 种类型的协议［28］。采用竞争型MAC 协议的网络，节点硬件配置简单，可以降低节点的硬件成本，但是当竞争信道的节点数量较多时，多媒体信息流的接入延时就会加大，进而增加网络的传输延时。如果采用非竞争型MAC 协议，由于相邻节点间存在一定的协作关系，多媒体信息流不用在接入信道时做等待，所以在MAC 层的接入等待延时就不存在了，进而多媒体信息流的网络传输延时就降低了;但是由于相邻节点间的协作关系靠同步来完成，因此这样的节点的硬件成本就会提高，同时管理起来也更加复杂。混合型是将几种不同的MAC 层接入协议方案结合起来使用，这样可以将不同接入协议方案的优点实现互补。

在网络层实现多媒体信息流的低延时传输，需要解决的主要问题如下:

(1)快速的路由建立方法

为了节约能量，不传输多媒体信息流的节点平时是处于休眠状态的。如果使得这些休眠的节点参与到传输信息流的任务中去，需要先将它们唤醒，然后节点间实现时钟同步，再建立新的路由表。因此，研究快速的路由建立方法需要解决休眠节点快速唤醒机制，以及快速时钟同步的建立问题，同时也要解决快速寻路算法问题。

(2)大的网络通过量(throughput)的数据传输方法

为减少多媒体信息流的网络传输延时，就要提高网络的数据通过量，但同时还要兼顾网络能耗，而大的网络通过量和网络能耗的增加又是紧密联系的，所以既要保持大的网络通过量又要兼顾网络能耗指标具有极大的技术挑战性。

(3)低网络拥塞机制的设计

因为多媒体传感器网络流经的数据量非常大，因此在网络中极易出现局部的网络拥塞现象，进而引起多媒体信息流的网络传输延时迅速增加。因此，高效率的降低网络拥塞发生机制的设计又是一个极具挑战性的研究方向。

5 发展趋势

多媒体传感器网络作为一个新兴的无线传感器网络的重要发展分支，在实际应用的需求推动下产生并发展，但是多媒体传感器网络要真正走向实用，需要解决很多极具挑战性的技术问题。未来需要在几个重要的发展方向上实现突破:低延时的实时MAC 技术;低延时、低能耗的路由关键技术;多媒体信息安全技术;面向多核和众核的多媒体终端设备的研制和多模态软件构件技术的研究;高压缩比的多媒体信息流压缩编码技术等。

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