شبکه های حسگر بی سیم چند رسانه ای (مقاله ترجمه شده)

چکیده

در سال‌های اخیر، رشد علاقه به شبکه حسگر بی‌سیم (WSN) در هزاران برنامه کاربردی تخصصی نتیجه شده است. بیشتر این پژوهش‌ها به شبکه‌های حسگر اسکالر مربوط هستند که پدیده فیزیکی، مانند دما، فشار، رطوبت، موقعیت اشیا که می‌تواند از طریق پهنای باند کم و جریان داده مقاوم نسبت به خطا انتقال داده شود، را می‌سنجند. اخیرآ، تمرکز به سمت بازبینی پارادایم شبکه‌های حسگر به منظور توانمندسازی ارائه محتوای چند رسانه‌ای در آن‌ها؛ مانند جریان صدا و تصویر و تصاویر ساکن، و به همین ترتیب داده اسکالر سوق داده شده است. این تلاش در سیستم‌های توزیع شده، شبکه شده نتیجه می‌دهد، که در این مقاله تحت عنوان شبکه‌های حسگر بی‌سیم چندرسانه‌ای (WMSN) اشاره شده‌اند. این مقاله برروی چالش‌های پژوهشی و به‌ روز ترین معماری، الگوریتم، و پروتکل‌ها برای شبکه‌های حسگر بی‌سیم چندرسانه‌ای بحث می‌کند. راه حل‌های موجود در لایه‌های فیزیکی، پیوند، شبکه، انتقال و کاربردی پشته پروتکل ارتباطی بررسی شده است. سرانجام، مسائل پژوهشی بینیادین باز بحث شده‌اند، پژوهش‌های بیشتر در این زمینه مطرح شده‌اند.

مقدمه

در سال‌های اخیر، رشد علاقه به شبکه حسگر بی‌سیم (WSN) در هزاران برنامه کاربردی تخصصی نتیجه شده است. نتایج مهم در این زمینه بسیاری از کاربردهای نظامی و غیر نظامی را توانمند ساخت و چندین شرکت بزرگ بر مقدار قابل توجهی از منابع سرمایه‌گذاری کردند. بیشتر شبکه‌های حسگر بی‌سیم مستقر شده پدیده‌های فیزیکی اسکالر، مانند دما، فشار، رطوبت یا موقعیت اشیا را می‌سنجند. به طور کلی، شبکه‌های حسگر برای کاربردهای تحمل پذیر نسبت به خطای فقط داده با یک درخواست پهنای باند کم طراحی شده‌اند.

ادغام تکنولوژی‌های شبکه‌های بی سیم توان پایین با سخت افزارهای ارزان مانند میکروفن‌ها و دوربین‌های مکمل اکسید فلز نیمه هادی (CMOS) در حال حاضر توسعات سیستم‌های شبکه توزیع شده را ممکن می‌سازد که تحت عنوان شبکه‌های حسگر بی‌سیم چند رسانه‌ای (WMSN) به آن اشاره می‌کنیم، به همین ترتیب، شبکه‌های بی‌سیم، دستگاه‌های هوشمند با ارتباطات داخلی بازیابی جریان ویدیو و صدا، و همچنین عکس ثابت و داده‌های حسگر اسکالر را انتقال می‌دهند. به عنوان مثال، ماژول استنباطی و سایکلوپ عکس برداری [1]، برای تصویربرداری بسیار سبک طراحی شده اند، می‌توانند با یک میزبان مانند MICA2 یا MICAz مواجهه شود، بنابراین یک دستگاه عکس برداری با قابلیت‌های پردازش و انتقال بوجود می‌آورد. WMSN بازیابی جریان چند رسانه‌ای را ممکن می‌سازد و داده‌ چند رسانه‌ای اتخاذ شده از منابع ناهمگن را ذخیره می‌کند، به صورت بلادرنگ پردازش می‌کند، ارتباط برقرار می‌کند و انتشار می‌دهد. تصور می‌کنیم که کاربران قادر به جمع آوری اطلاعات در مورد محیط فیزیکی با ارسال پرس و جوهای متنی ساده هستند، بنابراین با دسترسی به WMSN راه‌ دور متعدد، از طریق دروازه سطح کاربرد به اینترنت وصل می‌شویم.

کاربردهای شبکه‌ های حسگر بی‌ سیم چند رسانه‌ ای

شبکه‌‌های حسگر چند رسانه‌ای بی سیم پتانسیلی برای ایجاد کردن کاربردهای جدید دارد. این کاربردهای جدید می‌تواند به این شرح دسته بندی شود:

شبکه‌های حسگر نظارتی چند رسانه‌ای. شبکه‌های حسگر نظارتی چند رسانه‌ای برای ارتقا و تکمیل سیستم‌های نظارتی موجود برای پیشگیری از جرم و جنایت و حملات تروریستی استفاده می‌شود. محتوای چند رسانه‌ای، مانند جریان ویدیویی و عکس، و به همین ترتیب تکنیک‌های بصری کامپیوتری، می‌تواند برای موقعیت یابی افراد گم شده، شناسایی مجرم و تروریست، یا استنباط و ضبط فعالیت‌های دیگر به طور بالقوه (سرقت، تصادف ماشین، نقض ترافیک) استفاده شود.

معماری شبکه

در شکل 1 معماری مرجعی را برای WMSN نشان دادیم، در این معماری کاربران به اینترنت متصل می‌شوند و پرس و جوهایی را برای شبکه حسگر مستقر شده ارسال می‌کنند. قابلیت عملکردی اجزای مختلف شبکه‌های در روش پایین به بالا در زیر توضیح داده شده است:

حسگرهای ویدیو و صدای استاندارد

این حسگرها صدا، یا تصاویر متحرک از رخدادهای حس شده را اتخاذ می‌کنند و به نوعی دارای رزولوشن پایین می‌باشند (از نظر پیکسل/اینچ برای حسگرهای ویدیویی و در dBبرای حسگرهای صدا). آن‌ها می‌توانند در شبکه تک لایه، همانطور که در اولین ابر شکل (شکل1) نشان داده شده، یا در یک روش سلسله مراتبی مانند ابر سوم نشان داده شده، آرایش یابند.

فاکتورهای تاثیرگذار بر طراحی شبکه‌ های حسگر چند رسانه‌ ای

یک دستگاه حسگر چند رسانه‌ای ممکن است از چندین مولفه پایه، مانند شکل 2 تشکیل شده باشد: یک واحد حسگر، یک واحد پردازشی (CPU)، یک زیرسیستم ارتباطی، یک زیرسیستم هماهنگی، یک واحد ذخیره سازی (حافظه)، و یک واحد بکاراندازی/ تحریک. واحد حسگر – حس کردن معمولآ از دو زیر واحد تشکیل شده است: حسگرها (دوربین ها، میکروفن‌ها، و/یا حسگرهای اسکالر) و مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال (ADCs). سیگنال‌های آنالوگ تولید شده توسط حسگرها، براساس پدیده‌های مشاهده شده، توسط ADC به سیگنال‌هایی دیجیتالی تبدیل می‌شود و سپس به یک واحد پردازشی خورانده می‌شوند. واحد پردازشی نرم افزار سیستمی که مسئول هماهنگی سنجش‌ها و وظایف ارتباطی است را اجرا می‌کند و با یک واحد ذخیره سازی در ارتباط است. یک زیر سیستم ارتباطی واسطی برای ارتباط دستگاه به شبکه است و از یک واحد فرستنده و گیرنده و نرم افزار ارتباطی تشکیل شده است. مورد دوم شامل پشته پروتکل ارتباطی و نرم‌افزارهای سیستمی، مانند میان افزارها، سیستم عامل‌ها، ماشین‌های مجازی و غیره است. یک زیرسیستم هماهنگی مسئول هماهنگی عملیات دستگاه‌های مختلف شبکه، با اجرای عملیاتی مانند مدیریت موقعیت و همگام سازی شبکه است. یک واحد بکارانداختن/تحریک می‌تواند حرکت یا دستکاری داده را ممکن شود. سرانجام، کل سیستم توسط واحد برق تامین می‌شود که ممکن است با یک واحد تنظیف انرژی، مانند سلول‌های خورشیدی نیز پشتیبانی شود.

فاکتورهای زیر برروی طراحی WMSNتاثیر می‌گذارند:

محدودیت منابع. دستگاه‌های حسگر از نظر باتری، حافظه، قابلیت‌های پردازشی، و نرخ داده دردسترس محدود هستند.

لایه فیزیکی

در میان دیگر تکنولوژی‌های امیدوارکننده، تکنولوژی UWB [5] پتانسیلی برای توانمندسازی مصرف توان پایین، بالا، نرخ داده ارتباطی در ده‌ها متر دارد. چندین گونه UWB وجود دارد. پرش زمانی رادیویی UWB (TH-IR-UWB) براساس ارسال پالس‌های بسیار کوتاه ( صدم پیکو ثانیه) برای پوشش اطلاعات است. زمان به فریم‌هایی تقسیم می‌شود، هر فریم شامل چندین تراشه بسیار کوتاه برد است. هر ارسال کننده یک پالس را در یک تراشه به ازای هر فریم ارسال می‌کند، و دسترس چند کاربره با زمان دنباله پرش زمانی (THS) شبه تصادفی ارائه می‌شود که تعیین می‌کند که در کدام کاربر باید از طریق کدام تراشه انتقال را انجام دهد. سیستم‌های TH-IR-UWBساده می‌توانند برای ساخت بسیار هزینه بر باشند. TH-IR-UWB به طور ویژه برای WMSN به چند دلیل جذاب است.

لایه MAC

دو عملکرد اصلی لایه MAC داوری کانال و فراهم نمودن کنترل خطا و الگوی بازیابی است. چندین رویکرد برای تنظیم دسترسی به کانال براساس رقابت وجود دارد، و ما برای WMSN خواستار استفاده از پروتکل‌های مستنثی از رقابت هستیم. همچنین به عوامل موثر تاثیرگذار برروی انتخاب الگوی تصحیح خطای رو به جلو (FEC)در مقابل درخواست تکرار خودکار (ARQ) در این بخش می‌پردازیم.

سیاست دسترسی به کانال

براساس ماهیت دسترسی به کانال، یکسری از پروتکل‌های MAC توان عملیاتی بالا در سطح لینک، کاهش تاخیر، یا تضمین QoS با توجه نوع بسته داده شده را فراهم می‌کند. گروه اصلی این پروتکل‌ها در زیر لیست شده‌اند،. ویژگی کلیدی آن‌ها این است که برای WMSNسودمند هستند که در ادامه بحث شده است.

پروتکل‌های کانال منفرد بدون رقابت. دسترسی چندگانه با تقسیم زمانی (TDMA) یک پروتکل از این کلاس است. معمولآ، فریم با دوره رزرو کوچک (RP) سازمان دهی می‌شود که معمولآ مبتنی بر رقابت است، بعد از آن دوره بدون رقابت است که به اندازه طول یک فریم است. این RPمی‌تواند در هر فریم یا در هر بازه از پیش تصمیم گرفته شده برای تخصیص اسلات به گره فعال رخ دهد، و ملاحظات نیازمندی‌های QoS جریان داده آن را در نظر بگیرد. طول متغییر فریم TDMA (V-TDMA) و فرکانس بازه RP پارامترهای طراحی هستند که می‌توانند در زمان طراحی یک سیستم چند رسانه‌ای بدست آیند. بااین حال، شبکه‌های حسگر مبتنی بر TDMA معمولآ مقیاس پذیری محدود شده و زمان بندی شبکه‌های پیچیده گسترده را، جدا از مسئله انحراف ساعت و مسائل هماهنگ سازی مربوطه ارائه می‌دهد.

کنترل خطای لایه پیوند

غیرقابل اعتماد بودن کانال‌های بی سیم، توام با نیازمندی نرخ گم شدن بسته در مرتبه پایین 10-2 برای ویدیو با کیفیت خوب، چالش‌هایی را در WMSN ایجاد می‌کند. دو کلاس اصلی مکانیزم سنتی برای مبارزه با عدم قطعیت کانال‌های بی سیم در لایه پیوند داده و فیزیکی است، که اصطلاحآ تصحیح خطای ارسالی رو به جلو (FEC) و درخواست تکرار خودکار (ARQ) می گویند، همراه با الگوهای ترکیبی و با بکاربردن درجات متفاوت FECبرای بخش‌های متفاوت جریان ویدیویی، وابسته به اهمیت نسبی (حفاظت نابرابر) سربار‌های مختلف در بسته‌های انتقال داده شده نیاز است. مکانیزم ARQ، از طرفی دیگر، از پهنای باند موثر با هزینه تاخیر اضافه شامل فرآیند انتقال مجدد استفاده می‌کند. مقایسات اخیر بین ARQ و FECنشان داده است که برای کد بلاک FEC (BCH) اصلی، مسیر طولانی‌تر مصرف انرژی و تاخیر انتها به انتها، مشروط به یک نرخ خطای بسته هدف در مقایسه با ARQ را کاهش می‌دهد [9]. بنابراین، کدهای FEC یک کاندید مهم برای ترافیک حساس به تاخیر در WMSN هستند.

لایه شبکه

چند طراحی متعدد مسیریابی WSN، مانند بهینه سازی انرژی، کیفیت پیوند، و چند مسیری و تحمل خطا، در میان دیگر موارد برای WMSN‌ها قابل اجرا می‌باشند [10]. بااین حال، ما برروی قابلیت‌های عملکرد لایه شبکه اولیه مسیریابی چند رسانه‌ای تمرکز می‌کنیم. بیشتر بر این اساس آن‌ها را طبقه بندی می‌کنیم:

• ویژگی‌های فضایی و معماری

• پشتیبانی بلادرنگ

مسیریابی با معماری سلسله مراتبی و رابطه‌ ها

از شکل 1، دیدیم که WMSN سلسله مراتبی می‌تواند با انواع متفاوت حسگر با قابلیت‌های متنوع اجرا شود. بنابراین، ممکن است دو مجموعه مسیر وجود داشته باشد، برای مثال، حسگرها تصویر با گرانولیته پایین یک مجموعه را تشکیل می‌دهند، و همپوشانی حسگرهای ویدیویی با رزولوشن بالا مورد دیگر را تشکیل می‌دهند. هردو الگوها مسیریابی نیازمند تعاملات نزدیک هستند، به طوری که می‌توانند بسته هایی را حمل کنند که دارای یک رخداد می‌باشند.همچنین، فید از انواع حسگرهای متفاوت ممکن است نیاز باشد که به صورت دوره‌ای منتشر شود، بنابراین نیازمند گره هایی در طول هر دو مسیر است. از این رو، باور داریم که در میان الگوریتم‌های مسیریابی عمل کننده در لایه‌های متفاوت مسیر سلسله مراتبی باید یک رویکرد همکاری وجود داشته باشد.

پروتکل‌ های مبتنی بر UDP

UDPمعمولآ به TCP در کاربردهای چند رسانه‌ای مانند کاربردهای به‌هنگام (timeliness) ترجیح داده می‌شود و بزرگترین نگرانی آن‌ها قابلیت اعتماد است. ویژگی‌های انتخاب شده استانداردهای موجود برای اینترنت، مانند پروتکل انتقال بلادرنگ (RTP)ممکن است در زمینه WMSN پذیرفته شود. RTPاز یک جریان کنترلی مجزا به نام پروتکل کنترل انتقال بلادرنگ‌ (RTCP) استفاده می‌کند که سازگاری پویا با شرایط شبکه را اجازه می‌دهد. RTP برروی UDPاجرا می‌شود، اما پشتیبانی برای انبوهی از عملکردها ارائه می‌دهد، مانند مقیاس بندی پهنای باند و ادغام تصاویر در یک ترکیب واحد. علاوه براین، فریم بندی سطح کاربرد (ALF) دستکاری سرآیند را باتوجه به نیازمندی‌های خاص کاربرد اجازه می‌دهد. از طریق ALF، دستورالعمل‌های خاص می‌توانند در سرآیندی که برای کاربرد WMSNمعمول هستند کد شوند، در حالی که قابلیت اعتماد را با ذخیره سازی مبتنی بر IPو نظارت بر شبکه تضمین می‌کند.

الگوی TCP و TCP دوست برای WMSN

معمولآ، بسته‌های ارسال شده به حفره در مبدا با تنها زیرمجموعه‌ای از انتقال گره که داده‌های غیر افزونه دارند، فشرده می‌شوند. استانداردهای فشرده سازی مانند JPEG2000 و MPEG ویژگی‌هایی مانند ناحیه مورد نظر (ROI) و I-frame را به ترتیب معرفی می‌کند. این بسته‌های ویژه محتوای اصلی را که نمی‌تواند از درون یابیبازیابی شوند را حمل می‌کنند. از این رو، حذف بدون تفکیک وبدون هدف بسته ها، مانند UDP، ممکن است منجر به اختلال قابل تشخیص در محتوای چند رسانه‌ای شود. بنابراین، استدلال می‌کنیم که یکسری از فرم‌های قابلیت اعتماد انتخابی، مانند آنچه توسط TCP ارائه شده است، باید برای این بسته‌ها در WMSNمعرفی شود.

تکنیک کدگذاری چند رسانه‌ای

هدف اصلی طراحی کدگذار برای WMSN به این شرح است:

• بهره وری فشرده سازی بالا. بدست آوردن نرخ بالایی از فشرده سازی برای پهنای باند محدود موثر و مصرف انرژی اجباری است.

• پیچیدگی پایین. کدگذارهای چند رسانه‌ای در دستگاه‌های حسگر تعبیه شده‌اند. از این رو، آن‌ها باید برای کاهش هزینه و تشکیل فاکتورها و قدرت پایین برای طولانی کردن عمر گره‌های حسگر، پیچیدگی پایین داشته باشند.

• خطای انعطاف‌پذیری: کدگذار مبدا باید کدگذاری قدرتمند و انعطاف پذیری نسبت به خطای داده مبدا را ارائه دهد.

پارادایم همه پخشی سنتی، در جایی که ویدیو یکباره ار کد گذار و کد گشا چندین بار فشرده می‌شود، تحت سلطه تکنیک پیش‌بینی کدگذاری است. این، در گستره وسیعی از الگوهای ISO MPEG یا توصیه‌های اتحادیه بین المللی مخاربرات (ITU-T) H.263 و H.264 ( به عنوان AVC یا MPEG-4 بخش 10 هم شناخته می‌شود)، نرخ بیت تولید شده توسط کد گذار مبدا را با بهره‌برداری آمارهای مبدا کاهش می‌دهد. بدلیل اینکه پیچیدگی محاسباتی تحت سلطه قابلیت تخمین حرکت است، این تکنیک نیازمند کدگذار پیچیده، الگوریتم پردازشی قدرتمند، و مستلزم مصرف انرژی بالا است، در حالی که، کدگشا ساده‌تر است و با یک بار پردازشی کمتر بارگذاری شده است. برای پیاده سازی‌های معمولی به روزترین استانداردهای فشرده سازی ویدیو، مانند MPEG یا H.263 و H.264، کد گذار پنج تا ده برابر کدگشا پیچیده‌تر است [2]. برعکس، برای تحقق هزینه کم، توسعه کدگذار ساده‌تر اجباری است اما هنوز مزایای استفاده از بهره وری فشرده سازی بالا باقی مانده است.

پردازش‌ های مشترک در شبکه

با توجه به یک مبدا داده (برای مثال جریان ویدیویی)، کاربردهای متفاوت ممکن است نیازمند اطلاعات متفاوت باشند (برای مثال، جریان ویدیوی خام در برابر اطلاعات باینری یا اسکالر ساده استنتاج شده توسط پردازش جریان ویدیویی). این با عنوان پردازش و پرس و جوی برنامه کاربردی خاص مورد اشاره قرار می‌گیرد. از این رو، توسعه زبان پرس و جوی رسا و کارآمد و فیلترینگ توزیع شده و معماری پردازش‌های داخل شبکه، برای توانمندسازی بازیابی بلادرنگ اطلاعات سودمند ضروری است.

نتیجه گیری

ما برروی به روزترین پژوهش‌ها برروی WMSNبحث کردیم و چالش‌های پژوهشی اصلی را نشان دادیم. برروی راه حل‌های موجود و مسائل پژوهشی باز در لایه‌های فیزیکی، پیوند، شبکه، انتقال، و کاربرد پشته ارتباطی بحث کردیم. به طور ویژه باور داریم که کارهای اخیر انجام شده در کدگذاری Wyner-Ziv در لایه کاربرد، اعمال نفوذ از جنبه‌های زمانی فضایی سنجش چند رسانه‌ای در شرایط راه حل لایه انتقال و مسیریابی، پروتکل‌های MAC که مرزهای تاخیر لینک را ارائه می‌دهد، و تکنولوژی UWB، در میان سایرین، به نظر می‌رسد که امیدوارکننده ترین جهت پژوهشی در عملیات در حال توسعه WMSN است.

این مقاله ISI در سال 2007 در نشریه آی تریپل ای و در مجله ارتباطات بی سیم، توسط گروه موسسه فناوری جورجیا منتشر شده و در سایت ای ترجمه جهت دانلود ارائه شده است. در صورت نیاز به دانلود رایگان اصل مقاله انگلیسی و ترجمه آن می توانید به پست دانلود ترجمه مقاله شبکه های حسگر بی سیم چند رسانه ای در سایت ای ترجمه مراجعه نمایید.