無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)導(dǎo)論 第八章 無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò),1,課程目錄,8.1,8.2,從傳感網(wǎng)到多媒體傳感網(wǎng),無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu),覆蓋優(yōu)化,8.3,8.4,8.5,視頻編碼,視頻傳輸,2,8.1,從傳感網(wǎng)到多媒體傳感網(wǎng),無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)是在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)只能采集簡單的數(shù)據(jù)，如壓力、濕度、溫度等的基礎(chǔ)上引入多媒體信息處理技術(shù)的一種網(wǎng)絡(luò)，這里的多媒體信息處理包括聲音、圖像、視頻等信息的采集、加工、壓縮、傳送等。由于多媒體信息的引入，無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠帶給用戶更為直觀的體驗。,3,8.1,從傳感網(wǎng)到多媒體傳感網(wǎng),無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)在繼承無線傳感網(wǎng)特性下，又有新的特點：,節(jié)點功能強(qiáng)大,控制管理困難,能量受限嚴(yán)重,4,課程目錄,8.1,8.2,從傳感網(wǎng)到多媒體傳感網(wǎng),無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu),覆蓋優(yōu)化,8.3,8.4,8.5,視頻編碼,視頻傳輸,5,8.2,無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu),8.2.1 網(wǎng)絡(luò)組成,6,8.2,無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu),8.2.2 通信協(xié)議架構(gòu),7,8.2,無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu),（1）物理層 常見的傳輸介質(zhì)包括無線、光介質(zhì)或者紅外等。在普通的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)較為簡單，因此對帶寬的要求不高。而在無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量巨大，因此超寬帶技術(shù)成為主要的研究熱點，尤以基于時間跳的脈沖無線超寬帶技術(shù)為代表。 （2）媒介訪問控制層 MAC層主要負(fù)責(zé)無線信道的接入，完成通信中點到點的連接。它直接控制著數(shù)據(jù)報文和控制報文對無線介質(zhì)的訪問，并為相互競爭的傳感器節(jié)點分配有限的無線信道資源。受資源的限制與外部環(huán)境的影響，設(shè)計MAC協(xié)議時需要綜合考慮能量效率、資源分配、業(yè)務(wù)類別等因素。根據(jù)信道使用方法的差異，MAC協(xié)議一般可分為三類：調(diào)度式、競爭式和混合式。調(diào)度式是指節(jié)點按照一定的規(guī)則依次使用無線信道，競爭式是指節(jié)點通過競爭的方式來使用無線信道，混合式則是這兩種方法的結(jié)合。從設(shè)計難度上來看，混合式最為復(fù)雜，但有研究人員認(rèn)為它能夠較好的滿足無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的需求。另外，在網(wǎng)絡(luò)中混合使用多種MAC協(xié)議也是值得研究的方向。,8,8.2,無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu),（3）網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層的任務(wù)是尋找恰當(dāng)?shù)穆窂?，把信息發(fā)送給目標(biāo)節(jié)點，如把命令發(fā)送給采集節(jié)點、把結(jié)果發(fā)送給匯聚節(jié)點等。在普通的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，路由設(shè)計的出發(fā)點主要以提高能量效率為目標(biāo)。但對于多媒體業(yè)務(wù)而言，提供特定的服務(wù)質(zhì)量保障（Quality of Service，QoS）是必須要考慮的重要問題，常見的QoS要求包括帶寬、時延、差錯率、抖動等。此外，路由算法的能量效率、可擴(kuò)展性和快速收斂性也是常見的要求。由于業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)的種類繁多，因此并不存在通用的路由機(jī)制與算法。在設(shè)計路由協(xié)議時，需要結(jié)合具體的應(yīng)用，對多個參數(shù)與要求進(jìn)行取舍與折中。在設(shè)計無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議時，目前常見的技術(shù)手段包括多徑路由、跨層協(xié)作和區(qū)分服務(wù)等。另外，在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時結(jié)合一定的數(shù)據(jù)融合處理也是常用的方法之一。,9,8.2,無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu),（4）傳輸層 傳輸層的主要作用是提供端到端的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。在普通的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳輸層通常沿用無線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)的傳輸協(xié)議。傳輸層的研究也并不是很多，主要是對經(jīng)典傳輸協(xié)議進(jìn)行一些修改。在無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中，出于提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的需要，研究人員對業(yè)務(wù)的實時性保障和關(guān)鍵數(shù)據(jù)的可靠性保障研究較多，并已有了一些研究成果發(fā)表。 （5）應(yīng)用層 應(yīng)用層通常與具體的應(yīng)用相結(jié)合，以滿足用戶的需求。常見的一些需求包括數(shù)據(jù)查詢、事件告警、實時監(jiān)控等。在無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中，多媒體業(yè)務(wù)的編解碼是當(dāng)前研究的重點，比較有前景的技術(shù)是分布式編碼。另外，智能查詢、網(wǎng)絡(luò)編碼、數(shù)據(jù)分析也是研究的熱點方向。,10,課程目錄,8.1,8.2,從傳感網(wǎng)到多媒體傳感網(wǎng),無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu),覆蓋優(yōu)化,8.3,8.4,8.5,視頻編碼,視頻傳輸,11,8.3,覆蓋優(yōu)化,8.3.1 覆蓋優(yōu)化簡介,對于監(jiān)控區(qū)域中的某個點而言，如果它至少能被一個傳感器節(jié)點觀察到，就稱這個點被網(wǎng)絡(luò)覆蓋了。 節(jié)點的監(jiān)控模型,普通傳感器網(wǎng)絡(luò)：,無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)：,12,8.3,覆蓋優(yōu)化,8.3.1 覆蓋優(yōu)化簡介,在部署網(wǎng)絡(luò)時應(yīng)進(jìn)行仔細(xì)設(shè)計，使得節(jié)點之間的重疊越少越好。但由于部署方式和監(jiān)控環(huán)境的限制，往往部署時并不能做到這一點。針對這種情況，我們可以采取一些措施，減少節(jié)點的覆蓋重疊，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控范圍，這個處理過程就稱為覆蓋增強(qiáng)或覆蓋優(yōu)化。,13,8.3,覆蓋優(yōu)化,三種實現(xiàn)監(jiān)控范圍擴(kuò)大的方法：,調(diào)節(jié)節(jié)點的攝像頭方向,調(diào)整節(jié)點的位置,同時改變節(jié)點的位置與方向,8.3.1 覆蓋優(yōu)化簡介,其中，調(diào)整攝像頭角度的方法最為經(jīng)濟(jì)和實用。,14,8.3,覆蓋優(yōu)化,8.3.1 覆蓋優(yōu)化簡介,15,8.3,覆蓋優(yōu)化,8.3.2 覆蓋優(yōu)化問題,調(diào)整前覆蓋的點的集合Ps，調(diào)整后覆蓋的點的集合Ps， 監(jiān)控區(qū)域中所有點的集合P。,網(wǎng)絡(luò)覆蓋率的增加,16,8.3,覆蓋優(yōu)化,8.3.3 覆蓋優(yōu)化方法,（1）虛擬力方法,17,8.3,覆蓋優(yōu)化,8.3.3 覆蓋優(yōu)化方法,（2）演化計算方法,主要過程：,對問題進(jìn)行編碼 使用演化算法來查找最優(yōu)解，最優(yōu)解的判定通過公式來完成 根據(jù)求出的最優(yōu)解調(diào)整各節(jié)點的轉(zhuǎn)動方向,18,8.3,覆蓋優(yōu)化,8.3.3 覆蓋優(yōu)化方法,19,課程目錄,8.1,8.2,從傳感網(wǎng)到多媒體傳感網(wǎng),無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu),覆蓋優(yōu)化,8.3,8.4,8.5,視頻編碼,視頻傳輸,20,8.4,視頻編碼,8.4.1 視頻編碼簡介,21,8.4,視頻編碼,8.4.1 視頻編碼簡介,壓縮編碼技術(shù)應(yīng)用的前提是視頻數(shù)據(jù)中存在大量的冗余,空間上的冗余,時間上的冗余,編碼冗余,心理視覺冗余,22,8.4,視頻編碼,8.4.2 經(jīng)典的視頻編碼方法,MEPG-1 MEPG-2 MEPG-4 MEPG-7,H.261 H.263 H.264,23,8.4,視頻編碼,8.4.3 分布式視頻編碼,24,8.4,視頻編碼,8.4.3 分布式視頻編碼,25,課程目錄,8.1,8.2,從傳感網(wǎng)到多媒體傳感網(wǎng),無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu),覆蓋優(yōu)化,8.3,8.4,8.5,視頻編碼,視頻傳輸,26,8.5,視頻傳輸,8.5.1 視頻傳輸簡介,服務(wù)質(zhì)量要求多,數(shù)據(jù)量大,業(yè)務(wù)種類多,傳輸視頻數(shù)據(jù)有以下幾個難點,27,8.5,視頻傳輸,8.5.1 視頻傳輸簡介,從現(xiàn)有研究來看，在無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中解決視頻傳輸問題的思路可以分為兩大類。第一類使用分層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議架構(gòu)，在各層協(xié)議中分別進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化，以提高視頻的傳輸質(zhì)量。第二類使用跨層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議架構(gòu)，通過對多層協(xié)議進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計和優(yōu)化來提高網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)水平。 第一類方法的優(yōu)點是協(xié)議的邏輯功能清晰，各層協(xié)議相對對立，設(shè)計比較簡單。第二類方法的優(yōu)點是有利于層間信息的交流與共享，能夠?qū)崿F(xiàn)多個層次的聯(lián)合優(yōu)化。,28,8.5,視頻傳輸,8.5.2 基于分層協(xié)議的視頻傳輸,網(wǎng)絡(luò)層,應(yīng)用層,物理層,在分層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中，每一層協(xié)議都有研究與視頻傳輸相關(guān)。,傳輸層,MAC層,29,8.5,視頻傳輸,8.5.3 基于跨層協(xié)作的視頻傳輸,在無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議架構(gòu)中，層與層之間存在著較強(qiáng)的相互影響。使用分層設(shè)計雖然可以實現(xiàn)設(shè)計上的簡化，但這樣會導(dǎo)致各層之間存在著較多的信息冗余。另外，各層的設(shè)計目標(biāo)不一定相同，各自獨立優(yōu)化時有可能造成互相沖突的行為發(fā)生，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)整體性能的下降。因此，把協(xié)議的多層聯(lián)合起來進(jìn)行考慮和設(shè)計不失為一條改善網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的有效途徑。一般而言，跨層設(shè)計的方法有聯(lián)合優(yōu)化、信息共享和相鄰層融合三種。 本章將完整地介紹一種面向無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的視頻傳輸方案。該方案稱為CMVT（Cross-layer and Multipath based Video Transmission scheme），它的主要思路是：在網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層與網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計。在應(yīng)用層對視頻中的不同幀進(jìn)行區(qū)分，在網(wǎng)絡(luò)層對這些幀使用不同的路徑傳輸，優(yōu)先確保重要幀的發(fā)送。,30,8.5,視頻傳輸,8.5.3 基于跨層協(xié)作的視頻傳輸,31,THANKS,32,