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多媒体传感器网络
苏敏
2012050252
多媒体传感器网络的发展
随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟,具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始出现,并且引起了人们的极大关注。这种传感器网络能够协调地感知、采集和处理网络覆盖区域内的各种环境或监测对象信息,,深刻地改变了人与自然的交互方式;可以广泛地应用于军事、工农业控制、生物医疗、环境监测等诸多领域。
目前,传感器网络研究的一个重要方面是在能量严重受限的微型节点上如何实现简单的环境数据(如温度、湿度、光强等)采集、传输与处理。然而,随着监测环境的日趋复杂多变,由这些传统传感器网络所获取的简单数据愈加不能满足人们对环境监测的全面需求,迫切需要将信息量丰富的图像、音频、视频等媒体引入到以传感器网络为基础的环境监测活动中来,实现细粒度、精准信息的环境监测。由此,多媒体传感器网络应运而生。
传感器网络的概念
传感器网络是由大量部署在观测环境中的微型廉价低功耗的传感器节点通过多跳通信方式形成的网络系统。传感器节点具有数据采集、处理、无线通信和自组织的能力,协作地完成大规模复杂的监测任务,网络中通常只有少量的汇聚(sink)节点负责发布命令和收集数据,的通信。
传感器网络的特点
资源受限。节点由于受成本、体积及功耗的限制,其计算能力、程序空问和内存空问比普通的计算机功能要弱小很多。节点由电池供电,在使用过程中经常是一次性的,不能更换电池和随意充电。
大规模使用。为实现区域监测任务,往往有成千上万的传感器节点密集部署在目标区域,利用节点之问的高度连通性来保证系统的容错性和抗毁性。
自组织结构。网络的布设和展开无须依赖于任何预设的网络设施,节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为,快速组成一个独立的网络。
多跳通信。无线网络中节点通信距离有限,节点只能与其邻居直接通信。若希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信,则需要通过中间节点进行路由转发。
动态性强。网络中节点可能因电池能量耗尽或其他故障而退出网络运行,也可能因任务需要移动节点或添加新的节点到网络中,这些都会带来网络拓扑结构的变化。
安全可靠。传感器网络适于恶劣环境或安全敏感区域实施监测任务,要求传感器网络具有防止监测数据被盗取、识别伪造监测信息的能力。
应用相关性。不同的传感器网络应用所关注的物理量不尽相同,针对每个具体应用的特点来研究传感器网络技术,这是传感器网络设计不同于传统网络设计的显著特征。
以数据为中心。传感器网络是任务型的网络,其核心是感知环境数据。
多媒体传感器网络的特点
作为传感器网络的一种,多媒体传感器网络除了具有其共性特点以外,还具有显著的个性特点。具体表现为以下几个方面:
网络能力增强。由于大数据量音频、视频、图像等媒体的引入,多媒体传感器节点及网络能力(采集、处理、存储、收发、能量供应等方面)都有显著增强。节点处理能力由原来Mica系列的6MHz提高至数十甚至数百兆,存储能力也由KB量级增至MB量级。为更好地满足网络中多媒体传输需求,网络带宽资源也相应增加。
感知媒体丰富。音频、视频、图像、数值、文本以及控制信号在内的多种类型数据共存于多媒体传感器网络中。另外,媒体格式多样,既包含单值信息,又包含流媒体信息。这些媒体信息共同服务于监测任务,实现更为全面、准确的场景监测。
处理任务复杂。传统传感器网络采集的数据格式单一、信息量少,因而处理简单,只需经过加、减、乘、除、求和、求平均值等运算,人们通过这些数值结果很难对监测环境形成全面认知。而多媒体传感器网络采集的音频、视频、图像信息丰富且格式复杂,我们可利用压缩、识别、融合等多种处理以满足多样化应用需求。
另外,由感知多种媒体类型的传感器节点构成的多媒体传感器网络,其监测能力远远大于几种感知单一媒体类型的传感器网络的简单叠加。多类型传感数据从不同角度描述物理世界,对同一场景多类型数据进行融合,我们可以得到对环境更为全面而有效的感知。
多媒体传感器网络面临的挑战
多媒体传感器网络作为全新的研究领域,在基础理论和实现技术两个层面提出了大量的挑战性研究课题。这些问题的解决,是加快多媒体传感器网络实用的基础。具体问题表现在下述几个方面:
低功耗硬件平台设计。传统的传感器网络节点主要传感的物理量局限于声、光、热、湿度、磁力和加速度等方面;而多媒体传感器网络能够感知大数据量的图像、音频、视频等媒体,并对其进行处理。这就要对传感平台功能进行扩展,但平台设计以不能显著增加功耗为前提。
节能控制策略。由于多媒体传感器应用的环境条件复杂且大多不允许对“失效”节点进行电池更换,其能耗也明显大于传统传感器。因此,如何节约各节点有限的电池能量并