[發明專利]基于無線多媒體傳感器網絡EDCA機制的動態BI設計方法

有效

• 申請號: 201210008392.7
• 申請日: 2012-03-06
• 公開（公告）號: CN102594495A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發明（設計）人: 劉昊;徐平平;顧曉潔
• 申請（專利權）人: 蘇州博聯科技有限公司;東南大學蘇州研究院
• 主分類號: H04L1/00
• 分類號: H04L1/00;H04W52/02
• 代理公司: 蘇州創元專利商標事務所有限公司 32103
• 代理人: 范晴

技術領域

本發明涉及無線多媒體傳感器網絡的技術領域，具體涉及一種運作在無線多媒體傳感器網絡中給予EDCA機制的動態BI設計方法。

背景技術

無線多媒體傳感器網絡(Wireless?Multimedia?Sensor?Networks，WMSNs)作為一種新型的衍生網絡，逐漸成為了現代社會中一種重要的新技術。最近幾年，很多科學家加大了對無線多媒體傳感器網絡的關注和研究力度。

隨著硬件技術的飛速發展及其微型化趨勢，無線多媒體傳感器網絡的傳感器節點可以裝備COMS攝像機，麥克風和其它許多種類的傳感器。這使得無線多媒體傳感器網絡可以在一個更綜合、復雜的監控環境中獲得各個方面的精細、準確的信息數據。它們可以獲取周圍環境的各種媒介信息，同時在多媒體信息獲取和處理中表現出優異的性能。例如，單個傳感器設備可以裝備音頻采集設備和視頻采集設備。這不僅可以加強現有傳感器網絡的應用，同時可以獲得多種新型的應用，例如多媒體監控傳感器網絡，高級健康護理，工業工序控制等等。

然而，無線多媒體傳感器網絡是對能量敏感的網絡，這是因為在無線多媒體傳感器網絡中，各種傳感器節點都是采用電池供電。同時，由于無線多媒體傳感器網絡很多時候傳輸的是視頻和音頻數據，這對能量的消耗比較大。因此，降低無線多媒體傳感器網絡的功耗迫在眉睫。但是，使用一般的無線傳感器網絡降低功耗的方案并不適合無線多媒體傳感器網絡，這有可能會導致網絡時延的增大，使得網絡吞吐率嚴重下降，因為多媒體數據是對時延敏感的數據。這就提出了在降低網絡系統功耗的同時，保障網絡傳輸能力的要求，即在提供QoS保障的情況下，降低系統功耗。

在IEEE?802.11e標準中提出了支持QoS保障的EDCA和HCCA機制，這使得在無線多媒體傳感器網絡使用IEEE?802.11e協議可以有效的保障音頻、視頻等多媒體數據流的傳輸。同時，考慮到系統能耗的問題，IEEE?802.11e標準中提出了基于兩種不同機制的節能方法。一種是基于EDCA機制的U-APSD方案和S-APSD方案，另一種是基于HCCA的S-APSD方案。同時IEEE802.11無線網絡有兩種不同的組網模式，其中一種是Ad-hoc模式的無線局域網絡(Ad-hoc?WLAN)，另一種為基礎設施模式的無線局域網絡(Infrastructure?WLAN)。在Ad-hoc網絡中，節點間可以直接進行通信，而無需通過AP轉發。因為這種類型的網絡不是事先規劃好的，而是只有在需要的時候才安排的。

圖1為在Ad-hoc模式的無線局域網中U-APSD模式的運行示意圖。其中，每個節點會在同一時周期性的喚醒，并保持一段時間的處于喚醒狀態，這段時間我們稱之為ATIM窗口。為了保持各個節點之間同步工作，在每一個ATIM窗口中開始時刻，每個節點都會和其它發送節點競爭發送信標幀(Beacon?Frame)，其中第一個成功傳輸了信標幀的節點將會抑制其它節點發送信標幀。在發送完信標幀之后，如果有節點需要發送數據，則節點必須在ATIM窗口期間內成功發送一個ATIM幀給目的節點，并接收到目的節點應答的ACK幀。在成功完成了兩次握手之后，源節點和目的節點在剩下的信標間隔中必須保持喚醒狀態，直到接收完所有緩存的數據幀，或者直到信標間隔(BI)到期。其中，發送節點和接收節點的信標間隔(BI)相等。在ATIM窗口結束后，發送節點將使用EDCA機制傳輸數據。

U-APSD機制之所以能降低功耗，是因為它使得當節點沒有數據需要收發時，它會使這些節點進入休眠模式。然而，沒有數據收發的節點仍然需要在ATIM窗口的保持活躍狀態，這依舊是能量的浪費。如果增大BI，而ATIM窗口大小不變，則整個BI中ATIM窗口比重降低，因此將會降低系統功耗。但是，如果為了降低功耗而單獨增大BI，會造成以下兩個問題：

1)時延增大，每個數據包在一個BI期間只能進行一跳操作，因此一味增大BI，將會使得需要多跳的數據包時延成倍數增長。從而，有可能使得網絡時延過大。

2)吞吐量降低，當ATIM窗口過大則發送數據的時間則會很短，這會降低網絡吞吐量，若ATIM窗口過小則接收ATIM幀的時間過短，同樣會降低網絡吞吐量。當ATIM窗口長度約為BI長度的1/4時，網絡的吞吐量較大。較大或較小的BI都會降低網絡吞吐量。