научная статья по теме МУЛЬТИМЕДИЙНЫЕ СЕНСОРНЫЕ СЕТИ НА ОСНОВЕ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ ХАОТИЧЕСКИХ РАДИОИМПУЛЬСОВ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «МУЛЬТИМЕДИЙНЫЕ СЕНСОРНЫЕ СЕТИ НА ОСНОВЕ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ ХАОТИЧЕСКИХ РАДИОИМПУЛЬСОВ»

РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 60, № 4, с. 419-428

ДИНАМИЧЕСКИЙ ХАОС В РАДИОФИЗИКЕ И ЭЛЕКТРОНИКЕ

УДК 004.7,621.37

МУЛЬТИМЕДИЙНЫЕ СЕНСОРНЫЕ СЕТИ НА ОСНОВЕ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ ХАОТИЧЕСКИХ РАДИОИМПУЛЬСОВ

© 2015 г. А. С. Дмитриев, Е. В. Ефремова, М. Ю. Герасимов

Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, Российская Федерация, 125009, Москва, ул. Моховая, д. 11, корп. 7 E-mail: chaos@cplire.ru Поступила в редакцию 30.12.2013 г.

Рассмотрены требования, предъявляемые к приемопередающим устройствам для передачи мультимедийных данных в беспроводных сенсорных сетях, и характеристики существующих систем. Проанализированы перспективы использования в мультимедийных сенсорных сетях сверхширокополосных беспроводных систем на основе прямохаотической передачи данных. Приведены результаты экспериментальных исследований по передаче потоковых видеоданных в режиме "точка-точка" при использовании ретрансляции и через стену.

DOI: 10.7868/S0033849415040051

ВВЕДЕНИЕ

Беспроводные сенсорные сети (БСС) можно рассматривать как часть парадигмы, называемой Интернетом вещей (ИВ, Internet of Things — IoT) [1, 2]. Основная идея этой парадигмы заключается в том, что объекты или вещи взаимодействуют и кооперируются друг с другом через адресную беспроводную связь для достижения общих целей. Этими объектами могут быть радиоидентификационные метки, сенсоры, актуаторы, мобильные телефоны.

Беспроводные мультимедийные сенсорные сети ((БМСС), Wireless Multimedia Sensor Networks (WMSN)) представляют собой класс БСС, узлы которых снабжены мультимедийными сенсорными устройствами, такими как видеокамеры и микрофоны, и способны извлекать из окружающей среды видео- и акустические потоки, а также изображения наряду со скалярными сенсорными данными, извлекаемыми обычными БСС.

Возможности БМСС привлекают значительное внимание как исследователей, так и представителей промышленности [3—5]. Они имеют широкую потенциальную область гражданских и военных приложений там, где требуется получение акустической и видеоинформации. Примерами могут служить сенсорные сети наблюдения, мониторинг промышленных объектов и окружающей среды, интеллектуальное управление движением транспорта, персональные медицинские сенсорные средства, мультимедийные цифровые развлечения. В этих приложениях мультимедийное содержание позволяет поднять качественный уровень собираемой информации по сравнению с измерениями только скалярных данных.

В процессе разработки и использования БМСС возникают проблемы в дополнение к тем, которые имеются в обычных БСС. Они связаны с природой мультимедийных данных: необходимостью передачи информации в реальном времени, высокими требованиями к пропускной способности каналов связи, допустимыми временами задержки и потерей качества передаваемой информации от источника к потребителю. Эти проблемы должны быть решены при жестких ограничениях на потребляемую энергию, объем памяти и возможности обработки данных.

В данной работе проводится анализ самого нижнего уровня протокола коммуникационного стека — физического уровня. Физический уровень очень важен именно для мультимедийных сенсорных сетей, так как объемы получаемых и передаваемых данных в них могут значительно превышать объемы данных, циркулирующих в обычных БСС. Однако его обычно подробно не обсуждают, поскольку большинство разработок базируется на технологии беспроводной связи ZigBee, которая доминирует на рынке сенсорных сетей. Так, осенью 2013 г. компании предлагали более 50 моделей беспроводных сенсорных узлов [6], в основном в них используются средства беспро-

1

водной связи на основе стандарта IEEE 802.15.4.

Скорость передачи/приема такими узлами данных в режиме "точка—точка" не превышает 250 Кбит/с, (в сетевых условиях она еще в не-

1В 2012 г. объем продаж чипов ZigBee составил более 110 млн шт. и возрос в два раза с 2010 г. В 2013—2017 гг. также ожидается ежегодный рост производства и продаж ZigBee чипов на 50—60%.

Рис. 1. Блок схема узла беспроводной мультимедийной сенсорной сети. Д — датчик, БО — блок обработки, БУ — блок управления, ПП — приемопередатчик.

сколько раз ниже), что существенно ограничивает возможности создаваемых на их основе мультимедийных сетей. Другие распространенные радиотехнологии (WiFi, Bluetooth) имеют свои принципиальные ограничения, препятствующие использованию их в БМСС.

Для решения проблемы создания эффективного радиоканала с существенно большей пропускной способностью, чем у ZigBee, в данной работе предлагается использовать прямохаотиче-ские сверхширокополосные средства связи [7—10]. Структура статьи следующая. В первом разделе кратко обсуждается состояние вопроса в области разработки и использования БМСС, во втором — существующие платформы для узлов БМСС. В третьем разделе проводится анализ требований к БМСС, рассматриваются топологии БМСС, актуальные для приложений, оцениваются требования к пропускной способности каналов связи, их устойчивости в условиях, характерных для применения БСС. В четвертом разделе обсуждаются сверхширокополосные пря-мохаотические средства связи и перспективы их применения в БМСС. В пятом разделе описывается макет разработанного беспроводного мультимедийного сенсорного узла, содержащего прямохао-тический приемопередатчик и видеомодуль, рассматриваются принципы его работы и характеристики. Шестой раздел посвящен экспериментам с созданным макетом (режим "точка—точка", режим с ретрансляцией, передача через стену) и их анализу.

1. МУЛЬТИМЕДИЙНЫЕ СЕНСОРНЫЕ СЕТИ И ИХ НАЗНАЧЕНИЕ

Итак, по определению БМСС представляют собой класс БСС, узлы которых снабжены мультимедийными сенсорными устройствами, такими как видеокамеры и микрофоны, и способны извлекать из окружающей среды видео- и акустические

потоки, а также изображения, наряду со скалярными сенсорными данными, извлекаемыми БСС. Кроме того, БМСС должны быть способны записывать, обрабатывать в реальном времени, проводить корреляцию и совмещение мультимедийных данных, возникающих из разнородных источников. БМСС не только расширяют существующие приложения сенсорных сетей, таких как трекинг, домашняя автоматизация, и мониторинг окружающей среды, но и создают условия для появления новых применений [5, 11]:

Сенсорные сети мультимедийного наблюдения. Видео- и аудиосенсоры могут быть использованы для укрепления и дополнения существующих систем наблюдения, используемых против криминальных и террористических атак. Крупномасштабные сети видеодатчиков позволят расширить возможности правоохранительных органов по контролю территорий, общественных событий, частной собственности и границ.

Системы борьбы с пробками на дорогах. Такие системы предназначены для мониторинга автомобильного движения в больших городах или магистралях и оказания услуг, которые позволят дать рекомендации, как избежать пробок на дорогах. Автоматическая помощь на парковках — еще одно возможное применение БМСС в этой области.

Расширение предоставления медицинских услуг. Телемедицинские сенсорные сети могут быть интегрированы с мультимедийными сетями для организации повсеместных медицинских услуг. Пациенты будут носить медицинские датчики для мониторинга таких параметров, как температура тела, давление, пульс, ЭЭГ, дыхательная деятельность. Точно так же средства мониторинга будут оказывать помощь в предоставлении своевременной и необходимой поддержки пожилым людям и семьям с детьми.

Управление промышленными процессами. Мультимедийный контент, такой как изображения, температура и давление, может быть использован для критичного по времени управления технологическими процессами. Интеграция систем машинного зрения с БМСС может упростить и сделать более гибкими системы визуального контроля и автоматизированных действий там, где требуется высокая скорость, высокое разрешение и непрерывное действие.

2. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

Типичный узел БМСС состоит из датчика (Д) (например, видео, аудио), блока обработки (БО), блока управления (БУ) и приемопередатчика (ПП). Блок-схема узла показана на рис. 1. Под платформой узла, как правило, понимается узел без дат-

Характеристики типовых мультимедийных сенсорных узлов

Беспроводной Микроконтроллер Память Радиомодуль Скорость

узел RAM Flash

Mica2 ATmega128L (8 бит) 7.37 МГц 4 КБ 512 КБ СС1000 38.4 Кбит/c

MicaZ ATmega128L (8 бит) 7.37 МГц 4 КБ 512 КБ СС2420 250 Кбит/c

FireFly ATmega1281 (8 бит) 8 МГц 8 КБ 128 КБ СС2420 250 Кбит/c

Tmote Sky М$Р430 Р1611 (16 бит) 8 МГц 10 КБ 48 КБ СС2420 250 Кбит/c

TelosB Т1 М8Р430 (16 бит) 8 МГц 10 КБ 1 MБ СС2420 250 Кбит/c

Imote2 РХА271 ХБсаЬ (32 бит) 13-416 МГц 256 КБ + 32 МБ SDRAM 32 MБ СС2420 250 Кбит/c

Stargate РХА255 ХБсаЬ (32 бит) 400 МГц 64 МБ 32 MБ СС2420 Bluetooth IEEE 802.11 250 Кбит/c 1-3 Мбит/c 1-11 Мбит/c

чика. Условно существующие платформы для узлов БМСС можно разделить на три класса [4]:

1) платформы легкого класса: устройства этой категории создавали первоначально для снятия скалярных данных, таких как температура, свет, влажность; и главным требованием к ним было потребление как можно меньшей энергии. Поэтому эти устройства имеют низкую вычислительную мощность и небольшой объем памяти. В большинстве из них используют приемопередатчики в диапазоне частот 2.40—2.48 ГГц с физическим уровнем, стандарта 1ЕЕЕ802.15.4, реализованным на микросхеме СС2420 [12] и ее модификациях. Микросхема СС2420 потребляет ток 17.4 мА при работе на передачу и 19.7 мА при работе на прием. Приемопередатчики имеют максимальную мощность излучения 0 дБм при скорости передачи данных 250 Кбит/с. В таблице представлены характеристики типовых мультимедийных сенсорных узлов. К беспроводным узлам легкого класса относятся узлы MicaZ [13] и FireFly [14];

2) платформы узлов среднего класса: устройства в этой группе имеют более высокие возможности

по обработке информации и большой объем памяти по сравнению с устройствами легкого класса. Однако они также оборудованы узкополосными приемопередающими модулями с низкой скоростью передачи, т.е. в них используется тот же физический уровень, что и в устройствах легкого класса. Примерами платформ среднего

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком