[发明专利]基于无线多媒体传感器网络EDCA机制的动态BI设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线多媒体传感器网络的技术领域，具体涉及一种运作在无线多媒体传感器网络中给予EDCA机制的动态BI设计方法。

背景技术

无线多媒体传感器网络(Wireless Multimedia Sensor Networks，WMSNs)作为一种新型的衍生网络，逐渐成为了现代社会中一种重要的新技术。最近几年，很多科学家加大了对无线多媒体传感器网络的关注和研究力度。

随着硬件技术的飞速发展及其微型化趋势，无线多媒体传感器网络的传感器节点可以装备COMS摄像机，麦克风和其它许多种类的传感器。这使得无线多媒体传感器网络可以在一个更综合、复杂的监控环境中获得各个方面的精细、准确的信息数据。它们可以获取周围环境的各种媒介信息，同时在多媒体信息获取和处理中表现出优异的性能。例如，单个传感器设备可以装备音频采集设备和视频采集设备。这不仅可以加强现有传感器网络的应用，同时可以获得多种新型的应用，例如多媒体监控传感器网络，高级健康护理，工业工序控制等等。

然而，无线多媒体传感器网络是对能量敏感的网络，这是因为在无线多媒体传感器网络中，各种传感器节点都是采用电池供电。同时，由于无线多媒体传感器网络很多时候传输的是视频和音频数据，这对能量的消耗比较大。因此，降低无线多媒体传感器网络的功耗迫在眉睫。但是，使用一般的无线传感器网络降低功耗的方案并不适合无线多媒体传感器网络，这有可能会导致网络时延的增大，使得网络吞吐率严重下降，因为多媒体数据是对时延敏感的数据。这就提出了在降低网络系统功耗的同时，保障网络传输能力的要求，即在提供QoS保障的情况下，降低系统功耗。

在IEEE 802.11e标准中提出了支持QoS保障的EDCA和HCCA机制，这使得在无线多媒体传感器网络使用IEEE 802.11e协议可以有效的保障音频、视频等多媒体数据流的传输。同时，考虑到系统能耗的问题，IEEE 802.11e标准中提出了基于两种不同机制的节能方法。一种是基于EDCA机制的U-APSD方案和S-APSD方案，另一种是基于HCCA的S-APSD方案。同时IEEE802.11无线网络有两种不同的组网模式，其中一种是Ad-hoc模式的无线局域网络(Ad-hoc WLAN)，另一种为基础设施模式的无线局域网络(Infrastructure WLAN)。在Ad-hoc网络中，节点间可以直接进行通信，而无需通过AP转发。因为这种类型的网络不是事先规划好的，而是只有在需要的时候才安排的。

图1为在Ad-hoc模式的无线局域网中U-APSD模式的运行示意图。其中，每个节点会在同一时周期性的唤醒，并保持一段时间的处于唤醒状态，这段时间我们称之为ATIM窗口。为了保持各个节点之间同步工作，在每一个ATIM窗口中开始时刻，每个节点都会和其它发送节点竞争发送信标帧(Beacon Frame)，其中第一个成功传输了信标帧的节点将会抑制其它节点发送信标帧。在发送完信标帧之后，如果有节点需要发送数据，则节点必须在ATIM窗口期间内成功发送一个ATIM帧给目的节点，并接收到目的节点应答的ACK帧。在成功完成了两次握手之后，源节点和目的节点在剩下的信标间隔中必须保持唤醒状态，直到接收完所有缓存的数据帧，或者直到信标间隔(BI)到期。其中，发送节点和接收节点的信标间隔(BI)相等。在ATIM窗口结束后，发送节点将使用EDCA机制传输数据。

U-APSD机制之所以能降低功耗，是因为它使得当节点没有数据需要收发时，它会使这些节点进入休眠模式。然而，没有数据收发的节点仍然需要在ATIM窗口的保持活跃状态，这依旧是能量的浪费。如果增大BI，而ATIM窗口大小不变，则整个BI中ATIM窗口比重降低，因此将会降低系统功耗。但是，如果为了降低功耗而单独增大BI，会造成以下两个问题：

1)时延增大，每个数据包在一个BI期间只能进行一跳操作，因此一味增大BI，将会使得需要多跳的数据包时延成倍数增长。从而，有可能使得网络时延过大。

2)吞吐量降低，当ATIM窗口过大则发送数据的时间则会很短，这会降低网络吞吐量，若ATIM窗口过小则接收ATIM帧的时间过短，同样会降低网络吞吐量。当ATIM窗口长度约为BI长度的1/4时，网络的吞吐量较大。较大或较小的BI都会降低网络吞吐量。