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无线传感器网络技术导论第八章无线多媒体传感器网络 1 课程目录 8 1 8 2 从传感网到多媒体传感网 无线多媒体传感器网络的体系结构 覆盖优化 8 3 8 4 8 5 视频编码 视频传输 2 8 1 从传感网到多媒体传感网 无线多媒体传感器网络是在无线传感器网络只能采集简单的数据 如压力 湿度 温度等的基础上引入多媒体信息处理技术的一种网络 这里的多媒体信息处理包括声音 图像 视频等信息的采集 加工 压缩 传送等 由于多媒体信息的引入 无线多媒体传感器网络能够带给用户更为直观的体验 3 8 1 从传感网到多媒体传感网 无线多媒体传感器网络在继承无线传感网特性下 又有新的特点 节点功能强大 控制管理困难 能量受限严重 4 课程目录 8 1 8 2 从传感网到多媒体传感网 无线多媒体传感器网络的体系结构 覆盖优化 8 3 8 4 8 5 视频编码 视频传输 5 8 2 无线多媒体传感器网络的体系结构 8 2 1网络组成 6 8 2 无线多媒体传感器网络的体系结构 8 2 2通信协议架构 7 8 2 无线多媒体传感器网络的体系结构 1 物理层常见的传输介质包括无线 光介质或者红外等 在普通的传感器网络中 由于业务数据较为简单 因此对带宽的要求不高 而在无线多媒体传感器网络中 业务数据量巨大 因此超宽带技术成为主要的研究热点 尤以基于时间跳的脉冲无线超宽带技术为代表 2 媒介访问控制层MAC层主要负责无线信道的接入 完成通信中点到点的连接 它直接控制着数据报文和控制报文对无线介质的访问 并为相互竞争的传感器节点分配有限的无线信道资源 受资源的限制与外部环境的影响 设计MAC协议时需要综合考虑能量效率 资源分配 业务类别等因素 根据信道使用方法的差异 MAC协议一般可分为三类 调度式 竞争式和混合式 调度式是指节点按照一定的规则依次使用无线信道 竞争式是指节点通过竞争的方式来使用无线信道 混合式则是这两种方法的结合 从设计难度上来看 混合式最为复杂 但有研究人员认为它能够较好的满足无线多媒体传感器网络的需求 另外 在网络中混合使用多种MAC协议也是值得研究的方向 8 8 2 无线多媒体传感器网络的体系结构 3 网络层网络层的任务是寻找恰当的路径 把信息发送给目标节点 如把命令发送给采集节点 把结果发送给汇聚节点等 在普通的传感器网络中 路由设计的出发点主要以提高能量效率为目标 但对于多媒体业务而言 提供特定的服务质量保障 QualityofService QoS 是必须要考虑的重要问题 常见的QoS要求包括带宽 时延 差错率 抖动等 此外 路由算法的能量效率 可扩展性和快速收敛性也是常见的要求 由于业务与数据的种类繁多 因此并不存在通用的路由机制与算法 在设计路由协议时 需要结合具体的应用 对多个参数与要求进行取舍与折中 在设计无线多媒体传感器网络路由协议时 目前常见的技术手段包括多径路由 跨层协作和区分服务等 另外 在转发数据时结合一定的数据融合处理也是常用的方法之一 9 8 2 无线多媒体传感器网络的体系结构 4 传输层传输层的主要作用是提供端到端的数据传输服务 在普通的传感器网络中 传输层通常沿用无线网络和有线网络的传输协议 传输层的研究也并不是很多 主要是对经典传输协议进行一些修改 在无线多媒体传感器网络中 出于提高网络服务质量的需要 研究人员对业务的实时性保障和关键数据的可靠性保障研究较多 并已有了一些研究成果发表 5 应用层应用层通常与具体的应用相结合 以满足用户的需求 常见的一些需求包括数据查询 事件告警 实时监控等 在无线多媒体传感器网络中 多媒体业务的编解码是当前研究的重点 比较有前景的技术是分布式编码 另外 智能查询 网络编码 数据分析也是研究的热点方向 10 课程目录 8 1 8 2 从传感网到多媒体传感网 无线多媒体传感器网络的体系结构 覆盖优化 8 3 8 4 8 5 视频编码 视频传输 11 8 3 覆盖优化 8 3 1覆盖优化简介 对于监控区域中的某个点而言 如果它至少能被一个传感器节点观察到 就称这个点被网络覆盖了 节点的监控模型 普通传感器网络 无线多媒体传感器网络 12 8 3 覆盖优化 8 3 1覆盖优化简介 在部署网络时应进行仔细设计 使得节点之间的重叠越少越好 但由于部署方式和监控环境的限制 往往部署时并不能做到这一点 针对这种情况 我们可以采取一些措施 减少节点的覆盖重叠 扩大网络的监控范围 这个处理过程就称为覆盖增强或覆盖优化 13 8 3 覆盖优化 三种实现监控范围扩大的方法 调节节点的摄像头方向 调整节点的位置 同时改变节点的位置与方向 8 3 1覆盖优化简介 其中 调整摄像头角度的方法最为经济和实用 14 8 3 覆盖优化 8 3 1覆盖优化简介 15 8 3 覆盖优化 8 3 2覆盖优化问题 调整前覆盖的点的集合Ps 调整后覆盖的点的集合Ps 监控区域中所有点的集合P 网络覆盖率的增加 16 8 3 覆盖优化 8 3 3覆盖优化方法 1 虚拟力方法 17 8 3 覆盖优化 8 3 3覆盖优化方法 2 演化计算方法 主要过程 对问题进行编码使用演化算法来查找最优解 最优解的判定通过公式来完成根据求出的最优解调整各节点的转动方向 18 8 3 覆盖优化 8 3 3覆盖优化方法 19 课程目录 8 1 8 2 从传感网到多媒体传感网 无线多媒体传感器网络的体系结构 覆盖优化 8 3 8 4 8 5 视频编码 视频传输 20 8 4 视频编码 8 4 1视频编码简介 21 8 4 视频编码 8 4 1视频编码简介 压缩编码技术应用的前提是视频数据中存在大量的冗余 空间上的冗余 时间上的冗余 编码冗余 心理视觉冗余 22 8 4 视频编码 8 4 2经典的视频编码方法 MEPG 1MEPG 2MEPG 4MEPG 7 H 261H 263H 264 23 8 4 视频编码 8 4 3分布式视频编码 24 8 4 视频编码 8 4 3分布式视频编码 25 课程目录 8 1 8 2 从传感网到多媒体传感网 无线多媒体传感器网络的体系结构 覆盖优化 8 3 8 4 8 5 视频编码 视频传输 26 8 5 视频传输 8 5 1视频传输简介 服务质量要求多 数据量大 业务种类多 传输视频数据有以下几个难点 27 8 5 视频传输 8 5 1视频传输简介 从现有研究来看 在无线多媒体传感器网络中解决视频传输问题的思路可以分为两大类 第一类使用分层的网络协议架构 在各层协议中分别进行设计和优化 以提高视频的传输质量 第二类使用跨层的网络协议架构 通过对多层协议进行联合设计和优化来提高网络的服务水平 第一类方法的优点是协议的逻辑功能清晰 各层协议相对对立 设计比较简单 第二类方法的优点是有利于层间信息的交流与共享 能够实现多个层次的联合优化 28 8 5 视频传输 8 5 2基于分层协议的视频传输 网络层 应用层 物理层 在分层网络协议中 每一层协议都有研究与视频传输相关 传输层 MAC层 29 8 5 视频传输 8 5 3基于跨层协作的视频传输 在无线多媒体传感器网络的协议架构中 层与层之间存在着较强的相互影响 使用分层设计虽然可以实现设计上的简化 但这样会导致各层之间存在着较多的信息冗余 另外 各层的设计目标不一定相同 各自独立优化时有可能造成互相冲突的行为发生 从而导致网络整体性能的下降 因此 把协议的多层联合起来进行考虑和设计不失为一条改善网络服务质量的有效途径 一般而言 跨层设计的方法有联合优化 信息共享和相邻层融合三种 本章将完整地介绍一种面向无线多媒体传感器网络的视频传输方案 该方案称为CMV