周立鵬， 傅江濤， 鄭國強

（河南科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，河南 洛陽 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)點構(gòu)成，能感知豐富的音頻、視頻、圖像等多媒體信息，實現(xiàn)細(xì)粒度、精準(zhǔn)信息的環(huán)境監(jiān)測，可廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)場可視化監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、交通監(jiān)控、智能家居和醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域[1,2]，因此引起了各國政府和學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注。從 2003年起，美國計算機協(xié)會專門組織國際視頻監(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)等美國多所著名學(xué)府都開始了 WMSN的研究工作。中國高校和研究機構(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于多媒體信息更加重要。設(shè)計適合多媒體業(yè)務(wù)的傳輸控制協(xié)議直接決定著整個網(wǎng)絡(luò)的性能，是保證網(wǎng)絡(luò)正常運行的重要技術(shù)。

針對 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，本文總結(jié)了當(dāng)前傳輸控制協(xié)議設(shè)計的特點與挑戰(zhàn)，對現(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)議對實時多媒體應(yīng)用的支持能力，最后探討了今后傳輸控制協(xié)議設(shè)計時亟待研究解決的問題。

1 WMSN傳輸控制協(xié)議特點及挑戰(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(xié)議是個較新的研究課題，目前專門針對 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)點部署，節(jié)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(yè)務(wù)傳輸和處理任務(wù)復(fù)雜，在提供QoS保障的同時必須考慮如何高效應(yīng)用這些資源;

②QoS保障。QoS敏感是WMSN的一個重要特征，具體體現(xiàn)在音視頻質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)時延、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，同時可能存在文本信息，不同的應(yīng)用對QoS的不同參數(shù)關(guān)注程度不同。例如在設(shè)計時需要考慮對時延約束的應(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)定的時間內(nèi)成功完成傳輸，而不是所有節(jié)點數(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制。目前傳輸層主要通過檢測、通告和速率調(diào)整機制進(jìn)行擁塞控制。從信源節(jié)點到 Sink的傳輸路徑上，由節(jié)點或 Sink執(zhí)行擁塞監(jiān)測。一旦出現(xiàn)擁塞，監(jiān)測節(jié)點將向信源發(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。該控制方法給每個傳感器節(jié)點即將發(fā)送的分組報文頭中預(yù)置擁塞位。當(dāng)一個傳感器節(jié)點接收到源于父節(jié)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(zhì)的廣播特性，每次傳輸都向所有的鄰節(jié)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(fā)送速率。

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

MAC優(yōu)先訪問機制。該機制采用載波偵聽多址訪問CSMA技術(shù)，以每個節(jié)點的隨機回退值作為本地?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。這樣，節(jié)點擁塞越嚴(yán)重，表明需要發(fā)送的數(shù)據(jù)也就越多，將更容易獲得爭用周期，進(jìn)而釋放隊列。通過這種機制增大了擁塞控制信息在鄰居節(jié)點間傳播的可能性。

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)?，并沒有研究擁塞避免機制；速率控制方案通常基于所有節(jié)點數(shù)據(jù)流量相同的假設(shè)，當(dāng)采用分布式信源編碼時，發(fā)送伴隨信息的節(jié)點通常數(shù)據(jù)量較大，而其它傳輸本征信息的節(jié)點數(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，研究了擁塞避免機制，但其簡化了的公平性定義不適合于多優(yōu)先級業(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)測信道負(fù)載以及緩沖區(qū)占用率來檢測擁塞，該方案由三種機制構(gòu)成：基于接收端的信道采樣擁塞檢測；開環(huán) hop-by-hop的后壓機制；閉環(huán)多源調(diào)節(jié)機制。由于 CODA只從單個數(shù)據(jù)源出發(fā)控制擁塞，然而實際的流量分布是多個數(shù)據(jù)源共同作用的結(jié)果，因此需要從全網(wǎng)規(guī)劃才有實際意義。

Wang等人[7]提出了基于節(jié)點優(yōu)先級的擁塞控制協(xié)議PCCP。該協(xié)議主要思想是通過賦予每個節(jié)點的優(yōu)先級來表征該節(jié)點業(yè)務(wù)的重要性并根據(jù)擁塞度參數(shù)進(jìn)行擁塞檢測。擁塞度定義為節(jié)點數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)平均持續(xù)時間與數(shù)據(jù)到達(dá)平均時間的比值。鄰居節(jié)點根據(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的時間，并且不支持多優(yōu)先級。此外，這些協(xié)議均采用了簡化的公平性概念，對多優(yōu)先級多媒體業(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分組重建機制。Zhang等人[8]的RBC機制是在hop-by-hop重建機制的基礎(chǔ)上的改進(jìn)。該機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，因此彌補了 hop-by-hop重建機制不足。從仿真結(jié)果來看，該方案對單節(jié)點的突發(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，同時實時性要求難以保障。

Stann和Heidemann[9]針對定向擴(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)計基礎(chǔ)上，RMST結(jié)合MAC層的重發(fā)機制、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。然而對于多對一的數(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(xié)議

STCP[10]和 ESRT[11]協(xié)議同時提供了擁塞控制和可靠傳輸兩項功能。STCP協(xié)議支持多種應(yīng)用，具有多等級可靠性、擁塞檢測及避免功能。該協(xié)議基于會話機制[12]，信源節(jié)點在發(fā)送信息時首先發(fā)送會話啟動信息。不管啟動信息類型如何，當(dāng)基站獲取啟動信息后就會向信源節(jié)點回復(fù)應(yīng)答信息 ACK。當(dāng)信源節(jié)點接收到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]機制進(jìn)行擁塞控制。當(dāng)中繼節(jié)點檢測到擁塞時，就會向基站發(fā)送隱式擁塞通告?；疽坏┇@知擁塞通告，將以顯示擁塞通告方式通知信源節(jié)點。

對于大規(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)點獲知擁塞通告通常需要較長的時間。高速率的多媒體數(shù)據(jù)在這個較長的時延內(nèi)足以導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)重?fù)砣?。另外，ACK應(yīng)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(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表示觀察時間間隔，參數(shù)R為可靠性事件監(jiān)測必需達(dá)到的信息量。在時間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)議以單位時間內(nèi)感知事件鄰域節(jié)點發(fā)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(xié)議的這種自配置特性使其對于隨機、動態(tài)拓?fù)涞腤SN具備了魯棒性。對于多媒體業(yè)務(wù)傳輸?shù)膮f(xié)議需要從這幾個方面進(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)先級設(shè)置的高于其它分組，有利于可靠性事件檢測；ESRT不區(qū)分具體事件，強調(diào)的是事件到Sink的所有數(shù)據(jù)流，并不針對單節(jié)點進(jìn)行流量控制。考慮到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)特點和傳輸流量及抖動引起的擁塞需要研究。

3 結(jié)語

在傳輸層，目前沒有任何專門針對實時多媒體業(yè)務(wù)的WMSN傳輸控制協(xié)議。本文重點分析和總結(jié)了當(dāng)前幾種典型的傳輸控制協(xié)議，并討論了其對實時多媒體應(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)率和抖動處理能力、事件驅(qū)動決議建立與維護(hù)機制也是今后重要的研究方向。

[1] 馬華東，陶 丹.多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)及其進(jìn)展[J].軟件學(xué)報，2006，17(09):2013-2028.

[2] Paradiso J，Starner T.Energy Scavenging for Mobile and Wireless Electronics[J].IEEE Perv. Comput,2005,4(01):18-27.

[3] 李瑞芳，李仁發(fā).無線多媒體傳感器網(wǎng)MAC協(xié)議研究綜述[J].通信學(xué)報,2008,29(08):111-113.

[4] Hull B,Jamieson K,Balakrishnan H.Mitigating Congestion in Wireless Sensor Networks[C]∥In Proc. of the 2nd ACM Conf. on Embedded Networked Sensor Systems (SenSys).Baltimore:ACM,2004:134-147.

[5] Ruzena B, Tien E C.Congestion Control and Fairness for Many-to-One Routing in Sensor Networks[C]∥In Proc. of the 2nd ACM Conf. on Embedded Networked Sensor Systems (SenSys).Baltimore:ACM, 2004:148-161.

[6] Wan C, Eisenman S, Campbell A.CODA:Congestion Detection and Avoidance in Sensor Networks[J]. In Proc. of the 1st Int'l Conf.on Embedded Networked Sensor Systems. Los Angeles: ACM,2003:266-279.

[7] Wang C G, Sohraby K, Lawrence V. Priority-Based Congestion Control in Wireless Sensor Networks [J]. In Proc. of the IEEE Int'l Conf. on Sensor Networks, Ubiquitous, and Trustworthy Computing (SUTC). Taichung:IEEE,2006:22-31.

[8] Zhang H W,Arora A, Choi Y R, et al. Reliable Bursty Convergecast in Wireless Sensor Networks[J]. In Proc. of the 6th ACM Symp.on Mobile Ad Hoc Networking and Computing (MobiHoc).Urbana-Champaign: ACM,2005:266-276.

[9] Heidemann S F. RMST: Reliable Data Transport in Sensor Networks[J].In Proc. of the 1st Int'l Workshop on Sensor Net Portocols and Applications (SNPA).Anchorage:IEEE,2003:102-112.

[10] Iyer Y,Gandham S,Venkatesan S.STCP: A Generic Transport Layer Protocol for Wireless Sensor Networks[C]//In Proceedings of the 14th International Conference on Computer Communications and Networks (ICCCN),[s.l.]:ICCCN,2005:17-19.

[11] Sankarasubramaniam Y, Akan O B, Akyildiz I.ESRT: Event-tosink Reliable Transport in Wireless Sensor Networks[C]∥In Proc. 4th ACM Symp. on Mobile Ad Hoc Networking &Computing.Annapolis:ACM,2003:177-188.

[12] Tanenbaum A. Computer Networks[M]. 3 Edition. NewYork:Prentice Hall,2000.

[13] Floyd S,Jacobson V.Random Early Detection Gateways for Congestion Avoidance[J].IEEE/ACM Transactions on Networking,1993,1(04):397-413.