無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中能源高效的視頻信號(hào)壓縮關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)作為一個(gè)新興學(xué)科與傳統(tǒng)學(xué)科交叉的領(lǐng)域,有著極強(qiáng)的應(yīng)用背景和實(shí)用價(jià)值,受到世界各國(guó)學(xué)者的重視。國(guó)內(nèi)將WSNs研究提高到一個(gè)戰(zhàn)略高度始于中國(guó)科學(xué)院1999年發(fā)表的《知識(shí)創(chuàng)新工程試點(diǎn)領(lǐng)域方向研究》信息與自動(dòng)化領(lǐng)域研究報(bào)告,將其作為信息與自動(dòng)化領(lǐng)域的幾個(gè)重點(diǎn)突破方向之一。
　　 能量問(wèn)題是WSNs最核心的問(wèn)題之一。傳統(tǒng)WSNs傳感器節(jié)點(diǎn)獲取的數(shù)據(jù)相對(duì)簡(jiǎn)單,故節(jié)點(diǎn)能量模型中數(shù)據(jù)處理能耗常被忽略,而數(shù)據(jù)傳輸能耗占整

2、個(gè)節(jié)點(diǎn)能耗的絕大部分。因此目前WSNs研究主要針對(duì)數(shù)據(jù)傳輸所涉及到的一系列問(wèn)題,包括流量控制,擁塞控制,路由協(xié)議以及相應(yīng)的能量控制等方面,以解決數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中能量受限條件下的性能優(yōu)化問(wèn)題。
　　 隨著多媒體傳感器加入到WSNs中,傳感器獲取的數(shù)據(jù)量大大增加。傳輸這些數(shù)據(jù)之前必須進(jìn)行有效壓縮,否則需求的網(wǎng)絡(luò)帶寬和傳輸功耗都會(huì)很大。然而,由于視頻壓縮需要進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算,其消耗了WSNs節(jié)點(diǎn)總能量的大部分,完全顛覆了傳統(tǒng)WSNs節(jié)點(diǎn)能量

3、模型。為了降低WSNs節(jié)點(diǎn)整體能耗,除了傳統(tǒng)能量控制策略以外,還必須采取恰當(dāng)措施來(lái)降低節(jié)點(diǎn)計(jì)算能耗,即降低壓縮復(fù)雜度。現(xiàn)有的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)都面向廣播應(yīng)用,其視頻壓縮具有很高的復(fù)雜度,不適合于WSNs能量控制。一種方法是將WSNs節(jié)點(diǎn)的編碼復(fù)雜度轉(zhuǎn)移到解碼端,從而降低WSNs節(jié)點(diǎn)的壓縮計(jì)算能耗。分布式信源編碼從理論上證明將編碼復(fù)雜度轉(zhuǎn)移到解碼端是可行的。
　　 本文基于分布式信源編碼理論,圍繞保證視頻編碼率失真性能的基礎(chǔ)上降低視頻壓

4、縮能耗的問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。在詳細(xì)探討了國(guó)內(nèi)外WSNs研究及WSNs中分布式視頻編碼研究(Distributed Video Coding,DVC)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,對(duì)WSNs及分布式視頻編碼研究當(dāng)前面臨的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了分析。針對(duì)這些問(wèn)題展開(kāi)研究,以下是主要研究?jī)?nèi)容及取得的成果:
　　 1)基于無(wú)比率(Rateless)思想,設(shè)計(jì)了一種低編碼能耗的分布式視頻壓縮機(jī)制,提出了相應(yīng)的置信傳播譯碼算法,并對(duì)其編碼計(jì)算復(fù)雜度進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)試,

5、對(duì)編碼器能耗進(jìn)行了估計(jì)。首先對(duì)目前分布式視頻編碼中廣為使用的固定碼率LDPC的局限性進(jìn)行討論,提出了一種基于無(wú)比率LDPC的碼率自適應(yīng)機(jī)制,設(shè)計(jì)了相應(yīng)的編碼碼率控制(ERC)和混合碼率控制(HRC)機(jī)制,并有針對(duì)的改進(jìn)了相應(yīng)的置信傳播(BP)譯碼算法,提高其解碼性能。最后將設(shè)計(jì)的方案與現(xiàn)有的編碼標(biāo)準(zhǔn)的PSNR性能和能耗進(jìn)行了比較和分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,提出的無(wú)比率分布式視頻壓縮機(jī)制相比較其它幾種幀內(nèi)編碼的率失真性能有1-2dB的提升,而編

6、碼計(jì)算能耗要降低大約5％-40％；相對(duì)于幀問(wèn)編碼其率失真性能還有2dB的差距,但幀間編碼能耗是提出的無(wú)比率分布式視頻編碼能耗的50-60倍。
　　 2)為了進(jìn)一步提高WSNs節(jié)點(diǎn)視頻信號(hào)傳輸?shù)聂敯粜?將數(shù)字噴泉技術(shù)用于分布式視頻編碼。在簡(jiǎn)要分析噴泉碼技術(shù)的基本特點(diǎn)后,重點(diǎn)討論了性能比較好的Raptor碼。由于目前分布式視頻編碼中大都采用與實(shí)際不符的無(wú)記憶的相關(guān)信道模型,提出將信源-邊信息的統(tǒng)計(jì)相關(guān)建模為有記憶的隱式馬爾科夫模型,

7、并采用聯(lián)合信源-信道設(shè)計(jì)方法,將Raptor用于分布式視頻編碼設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)了相應(yīng)的BP譯碼算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在相同丟包率條件下,提出的分布式視頻編碼系統(tǒng)相比LDPCA以及H.26L FGS編碼的PSNR性能有1 dB左右的優(yōu)勢(shì),且隨著丟包率的提高,PSNR性能優(yōu)勢(shì)更加明顯。提出系統(tǒng)的編碼能耗較H.264幀內(nèi)編碼要低30％左右。而H.264幀間編碼能耗是提出系統(tǒng)能耗的50—60倍。
　　 3)基于交互式編解碼,設(shè)計(jì)了一種能源高效的

8、分布式視頻壓縮機(jī)制。首先基于交互式編解碼機(jī)制,建立統(tǒng)一的有記憶的有限狀態(tài)信道模型。隨后實(shí)現(xiàn)了一種基于LDPC碼的線性交互式編解碼算法,并設(shè)計(jì)了信源-邊信息對(duì)建模為有限狀態(tài)模型的BP解碼算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明提出的基于交互式編解碼機(jī)制的分布式視頻編碼系統(tǒng)的率失真性能較傳統(tǒng)H.264幀內(nèi)編碼PSNR性能提升1-3dB,編碼功耗較H.264幀內(nèi)編碼降低20％左右,而幀間編碼能耗是提出系統(tǒng)的50倍左右。
　　 4)搭建實(shí)際無(wú)線通信系統(tǒng),并將