无线传感器网络视频传输技术研究

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1、无线传感器网络视频传输技术研究DOI:10.3969/j.issn.1001-3824.2012.01.013无线传感器网络视频传输技术研究王晶,郭剑(1.江苏省邮电规划设计院有限责任公司,南京210006;2.南京邮电大学计算机学院,南京210003)摘要:对无线传感器网络中的视频传输问题进行了研究.无线传感器网络中传输视频数据的难点,在于如何在节点资源有限的网络中确保视频业务的质量.分析并比较了基于单层协议的视频传输技术和基于多层设计的视频传输技术2类视频传输技术,得出结论:2者各有优缺点,单层协议设计与优化简单

2、,扩展性强,但整体性能不一定最佳;跨层优化设计难度较大,但设计得当,性能优于单层协议.关键词:无线传感器网络;视频传输;单层协议;跨层设计;分布式编码0引言无线传感器网络(wirelesssensornetworks,WSNs)是物联网(intemetofthings,IoT)的支撑技术之一.它由一组传感器节点组成,这些节点配备有特定类型的传感器,并能够以无线通信的方式交互和组网.在部署传感器网络时,人们将这些节点部署于目标环境和监控区域中,并根据应用需求对一些环境数据进行采集和传输,如温度,压力和湿度等.无线传感器

3、网络的示意图.如图1所示.图1无线传感器网络示意图在无线传感器网络发展的早期,它只能收集简单的数据,应用范围并不广泛,后来研究人员将相机,摄像头等设备引入了传感器节点,从而扩展了无线传感器网络的信息采集范围.由于多媒体内容能够使用户更直观和更深刻地理解目标对象,因收稿日期:2011.11—11此无线传感器网络应用的广度和深度均得到了很大程度的提高.目前,在智能交通,环境监控,野外科考等领域,已出现了一些类似的应用示范.但是,另一方面,将多媒体处理引入无线传感器网络并非易事,由于硬件设备与工作环境的限制,在无线传感器网

4、络中处理多媒体内容还存在着较多的困难,主要体现在如下几个方面.1)节点功能弱.在无线传感器网络中,节点的数量通常较多,且很多情况下节点为一次性使用,不需要回收,这就决定了节点的成本不会很高.因此,受成本的控制,节点的尺寸通常不会很大,功能也较弱,只具备有限的计算能力与通信能力,存储容量也较小.2)能量不充足.由于是一次性使用,且需要适应野外环境,传感器节点通常使用电池供电,且电池的更换与充电麻烦.因此,节点的电能供应很有限,在传感器节点上一般不能执行很复杂的计算与处理任务,否则很容易导致节点断电,失效.3)信道冲突多

5、.无线传感器网络使用无线信道作为通信的媒介,且所有节点通常共用一个无线信道.当某一事件发生时,附近区域的多个节点都会观测到它并通过无线信道来提交数据,这样就会导致严重的通信冲突;另外,控制报文与转发的数据报文也都会增加节点的负担,并使信道冲突问题更为严重.一55—4)业务要求高.在无线传感器网络中,所有的业务都应当能得到一定的服务保障,如丢包率,时延,网络工作时间等.在这些业务中,多媒体业务的服务要求相对更高.除了上述基本的指标外,多媒体业务一般还会有时延抖动率,声音质量和图像质量等多方面的服务要求.这些指标对于无线

6、传感器网络而言是一个很大的技术挑战.由于上述因素的限制,多媒体业务在无线传感器网络中还存在较多的困难与问题.本文主要针对视频业务的传输进行探讨.选择视频业务的原因是:第一,它是典型的多媒体业务,业务的指标多,而且要求较高;第二,视频业务的数据量比图像业务与音频业务要大得多,对于无线传感器网络来说,传输大量的数据会受到节点能量的约束.1无线传感器网络的协议架构一般认为,无线传感器网络的通信协议架构与传统无线网络的结构类似,都包括应用层,传输层,网络层,MAC层和物理层共5层.在无线传感器网络的通信协议架构中,视频业务的

7、处理在各层均有研究.物理层主要致力于提供更高的可用带宽,因而对超宽带技术研究较多,如基于时间跳的脉冲无线UWB等;MAC层主要集中于信道接入控制技术,主要研究如何为多媒体业务提高更多的时隙;网络层的研究包括可靠路由,多径路由等;传输层的研究主要集中在UDP与TCP协议的改进方面;应用层的研究通常要结合具体的应用要求展开,在这一层中,目前研究较多的是视频编解码.上述的研究主要着眼于单层协议的设计与优化.在无线传感器网络中,另一种设计思路是将协议的多层联合起来进行设计和优化,比如将传输层和物理层联合起来优化,应用层和网络

8、层联合起来设计等.下面对一些视频传输的热点技术进行具体介绍.2视频传输技术2.1基于单层协议的视频传输技术1)分布式视频编解码.视频编解码主要在应用层完成.它的主要任务是:在发送端对原始的视频文件进行编码,在接收端对收到的数据进行解码,恢复出原始的视频.由于视频数据存在着大量一56一DIGITALCOMMUNICATION/2012.02的冗余