Мультимедийные сенсорные сети на основе сверхширокополосных хаотических радиоимпульсов

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

419

ВВЕДЕНИЕ

Беспроводные сенсорные сети (БСС) можно рас�сматривать как часть парадигмы, называемой Ин�тернетом вещей (ИВ, Internet of Things – IoT) [1, 2].Основная идея этой парадигмы заключается втом, что объекты или вещи взаимодействуют икооперируются друг с другом через адресную бес�проводную связь для достижения общих целей.Этими объектами могут быть радиоидентифика�ционные метки, сенсоры, актуаторы, мобильныетелефоны.

Беспроводные мультимедийные сенсорныесети ((БМСС), Wireless Multimedia Sensor Net�works (WMSN)) представляют собой класс БСС,узлы которых снабжены мультимедийными сен�сорными устройствами, такими как видеокамерыи микрофоны, и способны извлекать из окружаю�щей среды видео� и акустические потоки, а такжеизображения наряду со скалярными сенсорнымиданными, извлекаемыми обычными БСС.

Возможности БМСС привлекают значитель�ное внимание как исследователей, так и предста�вителей промышленности [3–5]. Они имеютширокую потенциальную область гражданских ивоенных приложений там, где требуется получениеакустической и видеоинформации. Примерами мо�гут служить сенсорные сети наблюдения, мони�торинг промышленных объектов и окружающейсреды, интеллектуальное управление движениемтранспорта, персональные медицинские сенсор�ные средства, мультимедийные цифровые раз�влечения. В этих приложениях мультимедийноесодержание позволяет поднять качественныйуровень собираемой информации по сравнению сизмерениями только скалярных данных.

В процессе разработки и использованияБМСС возникают проблемы в дополнение к тем,которые имеются в обычных БСС. Они связаны сприродой мультимедийных данных: необходимо�стью передачи информации в реальном времени,высокими требованиями к пропускной способ�ности каналов связи, допустимыми временамизадержки и потерей качества передаваемой ин�формации от источника к потребителю. Эти про�блемы должны быть решены при жестких ограни�чениях на потребляемую энергию, объем памятии возможности обработки данных.

В данной работе проводится анализ самогонижнего уровня протокола коммуникационногостека – физического уровня. Физический уро�вень очень важен именно для мультимедийныхсенсорных сетей, так как объемы получаемых ипередаваемых данных в них могут значительнопревышать объемы данных, циркулирующих вобычных БСС. Однако его обычно подробно необсуждают, поскольку большинство разработокбазируется на технологии беспроводной связиZigBee, которая доминирует на рынке сенсорныхсетей. Так, осенью 2013 г. компании предлагали бо�лее 50 моделей беспроводных сенсорных узлов [6],в основном в них используются средства беспро�

водной связи на основе стандарта IEEE 802.15.4.1

Скорость передачи/приема такими узламиданных в режиме “точка–точка” не превышает250 Кбит/с, (в сетевых условиях она еще в не�

1 В 2012 г. объем продаж чипов ZigBee составил более110 млн шт. и возрос в два раза с 2010 г. В 2013–2017 гг. так�же ожидается ежегодный рост производства и продаж ZigBeeчипов на 50–60%.

МУЛЬТИМЕДИЙНЫЕ СЕНСОРНЫЕ СЕТИ НА ОСНОВЕ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ ХАОТИЧЕСКИХ РАДИОИМПУЛЬСОВ

© 2015 г. А. С. Дмитриев, Е. В. Ефремова, М. Ю. ГерасимовИнститут радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН,

Российская Федерация, 125009, Москва, ул. Моховая, д. 11, корп. 7E(mail: [email protected]

Поступила в редакцию 30.12.2013 г.

Рассмотрены требования, предъявляемые к приемопередающим устройствам для передачи мульти�медийных данных в беспроводных сенсорных сетях, и характеристики существующих систем. Про�анализированы перспективы использования в мультимедийных сенсорных сетях сверхширокопо�лосных беспроводных систем на основе прямохаотической передачи данных. Приведены результа�ты экспериментальных исследований по передаче потоковых видеоданных в режиме “точка–точка” при использовании ретрансляции и через стену.

DOI: 10.7868/S0033849415040051

УДК 004.7,621.37

ДИНАМИЧЕСКИЙ ХАОСВ РАДИОФИЗИКЕ И ЭЛЕКТРОНИКЕ

420

РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА том 60 № 4 2015

ДМИТРИЕВ и др.

сколько раз ниже), что существенно ограничива�ет возможности создаваемых на их основе муль�тимедийных сетей. Другие распространенные ра�диотехнологии (WiFi, Bluetooth) имеют своипринципиальные ограничения, препятствующиеиспользованию их в БМСС.

Для решения проблемы создания эффектив�ного радиоканала с существенно большей про�пускной способностью, чем у ZigBee, в даннойработе предлагается использовать прямохаотиче�ские сверхширокополосные средства связи [7–10].

Структура статьи следующая.В первом разделе кратко обсуждается состоя�

ние вопроса в области разработки и использованияБМСС, во втором – существующие платформыдля узлов БМСС. В третьем разделе проводитсяанализ требований к БМСС, рассматриваются то�пологии БМСС, актуальные для приложений,оцениваются требования к пропускной способ�ности каналов связи, их устойчивости в условиях,характерных для применения БСС. В четвертомразделе обсуждаются сверхширокополосные пря�мохаотические средства связи и перспективы ихприменения в БМСС. В пятом разделе описываетсямакет разработанного беспроводного мультиме�дийного сенсорного узла, содержащего прямохао�тический приемопередатчик и видеомодуль, рас�сматриваются принципы его работы и характери�стики. Шестой раздел посвящен экспериментам ссозданным макетом (режим “точка–точка”, режимс ретрансляцией, передача через стену) и их анализу.

1. МУЛЬТИМЕДИЙНЫЕ СЕНСОРНЫЕСЕТИ И ИХ НАЗНАЧЕНИЕ

Итак, по определению БМСС представляютсобой класс БСС, узлы которых снабжены мульти�медийными сенсорными устройствами, такимикак видеокамеры и микрофоны, и способны из�влекать из окружающей среды видео� и акустические

потоки, а также изображения, наряду со скалярнымисенсорными данными, извлекаемыми БСС. Крометого, БМСС должны быть способны записывать,обрабатывать в реальном времени, проводитькорреляцию и совмещение мультимедийных дан�ных, возникающих из разнородных источников.БМСС не только расширяют существующие при�ложения сенсорных сетей, таких как трекинг, до�машняя автоматизация, и мониторинг окружаю�щей среды, но и создают условия для появленияновых применений [5, 11]:

Сенсорные сети мультимедийного наблюдения.Видео� и аудиосенсоры могут быть использованыдля укрепления и дополнения существующих си�стем наблюдения, используемых против крими�нальных и террористических атак. Крупномас�штабные сети видеодатчиков позволят расширитьвозможности правоохранительных органов поконтролю территорий, общественных событий,частной собственности и границ.

Системы борьбы с пробками на дорогах. Такиесистемы предназначены для мониторинга авто�мобильного движения в больших городах или ма�гистралях и оказания услуг, которые позволят датьрекомендации, как избежать пробок на дорогах.Автоматическая помощь на парковках – еще одновозможное применение БМСС в этой области.

Расширение предоставления медицинских услуг.Телемедицинские сенсорные сети могут быть ин�тегрированы с мультимедийными сетями для ор�ганизации повсеместных медицинских услуг. Па�циенты будут носить медицинские датчики длямониторинга таких параметров, как температуратела, давление, пульс, ЭЭГ, дыхательная деятель�ность. Точно так же средства мониторинга будутоказывать помощь в предоставлении своевремен�ной и необходимой поддержки пожилым людям исемьям с детьми.

Управление промышленными процессами. Муль�тимедийный контент, такой как изображения,температура и давление, может быть использовандля критичного по времени управления техноло�гическими процессами. Интеграция систем ма�шинного зрения с БМСС может упростить и сде�лать более гибкими системы визуального контро�ля и автоматизированных действий там, гдетребуется высокая скорость, высокое разрешениеи 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 платфор�мой узла, как правило, понимается узел без дат�

БО ПП

Д БУ

Рис. 1. Блок схема узла беспроводной мультимедий�ной сенсорной сети. Д – датчик, БО – блок обработ�ки, БУ – блок управления, ПП – приемопередатчик.


МУЛЬТИМЕДИЙНЫЕ СЕНСОРНЫЕ СЕТИ 421

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

1) платформы легкого класса: устройства этойкатегории создавали первоначально для снятияскалярных данных, таких как температура, свет,влажность; и главным требованием к ним былопотребление как можно меньшей энергии. По�этому эти устройства имеют низкую вычисли�тельную мощность и небольшой объем памяти. Вбольшинстве из них используют приемопередат�чики в диапазоне частот 2.40–2.48 ГГц с физиче�ским уровнем, стандарта IEEE802.15.4, реализо�ванным на микросхеме CC2420 [12] и ее модифика�циях. Микросхема CC2420 потребляет ток 17.4 мАпри работе на передачу и 19.7 мА при работе наприем. Приемопередатчики имеют максималь�ную мощность излучения 0 дБм при скорости пе�редачи данных 250 Кбит/с. В таблице представле�ны характеристики типовых мультимедийныхсенсорных узлов. К беспроводным узлам легкогокласса относятся узлы MicaZ [13] и FireFly [14];

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

по обработке информации и большой объем памя�ти по сравнению с устройствами легкого класса.Однако они также оборудованы узкополоснымиприемопередающими модулями с низкой скоро�стью передачи, т.е. в них используется тот же фи�зический уровень, что и в устройствах легкогокласса. Примерами платформ среднего класса яв�ляются Tmote Sky [15] и TelosB [16];

3) платформы тяжелого класса: устройства этогокласса являются наиболее мощными по производи�тельности и вычислительным возможностям и со�зданы для быстрой и эффективной обработки муль�тимедийной информации. В них можно использо�вать различные операционные системы (например,Linux, TinyOs, run Java applications и .NET microframeworks) и радиосредства с различными техно�логиями физического уровня (например, IEEE802.15.4, IEEE 802.11 и Bluetooth). Однако такиеплатформы потребляют относительно большуюмощность (>0.5 Вт). Примерами платформ тяже�лого класса являются Stargate и Imote2 (таблица).В плате блока обработки Stargate [17] используетсямощный процессор с большим объемом памяти,

Характеристики типовых мультимедийных сенсорных узлов

Беспроводной узел Микроконтроллер

Память

Радиомодуль Скорость

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 MSP430 F1611 (16 бит)8 МГц

10 КБ 48 КБ СС2420 250 Кбит/c

TelosB TI MSP430 (16 бит)8 МГц

10 КБ 1 MБ СС2420 250 Кбит/c

Imote2 PXA271 XScale (32 бит)13–416 МГц

256 КБ + 32 МБ SDRAM

32 MБ СС2420 250 Кбит/c

Stargate PXA255 XScale (32 бит)400 МГц

64 МБ 32 MБ СС2420 Bluetooth

IEEE 802.11

250 Кбит/c1–3 Мбит/c

1–11 Мбит/c

422



она работает под операционной системой Linux иможет быть сопряжена с узлами Mica2 или MicaZдля беспроводной связи по стандарту IEEE802.15.4, а также с беспроводными модулямиIEEE 802.11 или Bluetooth. Устройство Imote2 [18]представляет собой платформу, состоящую изблока обработки и приемопередатчика. В плат�форме можно использовать различные операци�онные системы (таблица). Платформа Imote2 бы�ла использована в работе [19] для передачи изоб�ражений по БСС. Она потребляет ток 66 мА вактивном режиме с включенным приемопередат�чиком при тактовой частоте процессора 104 МГц.Размеры платы платформы 36 × 48 × 9 мм.

Анализ состояния разработок и различныхпрототипов беспроводных сенсорных узлов и се�тей на их основе показывает, что в них применя�ются два подхода:

а) основная обработка получаемых сенсорныхданных осуществляется в самом сенсорном узле,а ее результаты в виде коротких сообщений переда�ются по сети к корневому узлу (центру обработки),

б) узел проводит первичную обработку инфор�мации, например сжатие, и по сети передает су�щественно меньшие объемы информации, чемисходно получаемые от датчиков. Однако этиобъемы больше (возможно, значительно больше)потоков, характерных для сенсорных сетей, пере�дающих скалярные данные.

В первом случае, если суммарный поток дан�ных, передаваемый в сеть узлами, не превышаетнескольких десятков Кбит/с, достаточно эффек�тивно могут быть использованы беспроводныеприемопередатчики на основе технологии ZigBee.

Во втором случае, когда потоки данных со�ставляют сотни Кбит/с и больше, нужны другиебеспроводные решения.

Этот вывод сделан по принципу – решает ком�муникационная технология задачу или нет. Ноесть другая проблема – какова цена решения за�дачи? Есть беспроводной сенсорный узел, кото�рый потребляет энергию для сжатия данных, ихобработки и передачи по беспроводному каналу свя�зи. Здесь вопрос уже ставится так: как эффективноиспользовать энергию, имеющуюся в батареях узла,для достижения максимальной длительности ав�тономной работы путем ее распределения междупроцессором, обрабатывающим данные, и прие�мопередатчиком, передающим обработанныеданные? Чем глубже обработка данных, тем боль�ше энергии потребляет блок обработки. В то жевремя чем больше сжата информация, тем меньшепоток передаваемых данных и, соответственно,энергия, потребляемая приемопередатчиком.

Примером сенсорного узла с эффективнымсочетанием возможности сжатия и скорости пе�редачи изображений может служить узел, опи�санный в [20, 21]. В своем устройстве авторы ис�пользуют приемопередатчик, обеспечивающийскорость передачи данных до 1 Мбит/с.

3. ТРЕБОВАНИЯ К МУЛЬТИМЕДИЙНЫМ СЕНСОРНЫМ СЕТЯМ

Главной особенностью БМСС по сравнению склассическими БСС являются большие объемывходных данных, получаемых узлами сети черезсенсоры. Это относится как к видео�, так и к аудио�датчикам. В случае использования видеодатчиковвходные объемы данных могут варьироваться от де�сятков килобайт в секунду при периодическом по�лучении изображений низкого разрешения до сотенмегабайт в секунду для видеокамер высокого разре�шения с частотой 60 кадров в секунду и выше. Дляакустических датчиков скорость входного потокаоцифрованных данных может меняться от 10 КБ/с(голос человека) до 100 КБ/с (музыкальный звуквысокого качества).

Для получаемых от датчиков данных требуетсяобработка непосредственно в сенсорном узле, длятого чтобы резко уменьшить передаваемые по сетиобъемы информации. Целью этой обработки мо�жет быть как сжатие данных (обычно с потерями)для последующего восстановления изображенийили звука в корневом узле, так и извлечение извходных данных существенных черт, напримерфиксация определенных событий.

В качестве примера для оценки требований поскорости передачи в сети рассмотрим узел с ви�деокамерой, имеющей разрешение VGA (640 ×

× 480 элементов) и два байта для описания каждогопиксела. Такой кадр содержит примерно 0.6 МБданных. Если использовать покадровое сжатие, на�пример, с помощью алгоритма JPEG, то объем дан�ных, которые нужно передавать для одного кадра,уменьшится в 20–30 раз и составит 20–30 КБ (160–240 Кбит). Таким образом, при пропускной способ�ности канала ~1 Мбит/с теоретически можно пере�давать 4–6 кадров в секунду. Если же использоватькадры с разрешением QVGA (320 × 240), то при тойже степени сжатия и физической скорости переда�чи число кадров, передаваемых в секунду, можетбыть увеличено до 16–24.

Эти данные верны для сети, состоящей из пере�датчика и приемника (топология “точка–точка”).При более сложных топологиях мультимедийнойсенсорной сети максимально возможные объемыданных, передаваемых от одного узла (при егофиксированной физической скорости), будутзначительно ниже.



Рассмотрим два простых, но принципиальныхпримера топологий.

Топология “звезда”. В этом случае сеть содер�жит корневой узел и n видеосенсоров, которыепередают ему информацию. Пусть приемопере�датчики сенсорных узлов и корневого узла имеютфизическую скорость передачи данных C. Тогдакаждый из сенсорных узлов имеет возможность (всреднем) передавать корневому узлу данные соскоростью не более чем Сср = С/n.

Сеть с ретранслятором. В этом случае сеть со�держит корневой узел, сенсорный узел и ретранс�лятор. Пусть приемопередатчики всех узлов име�ют физическую скорость C. С какой реальнойскоростью может передавать сенсорный узел дан�ные? Передав первый пакет длительностью Тп, ондолжен ждать время, требуемое ретрансляторудля обработки пакета (интервал времени приемапакета ретранслятором практически совпадает синтервалом времени передачи пакета сенсорнымузлом) и передачи его корневому узлу. Посколькувремя передачи сенсорным узлом и ретранслято�ром одинаковое, общее время передачи пакета посети Тпс составит

Тпс = 2Тп + Тоб,

где Тоб – время обработки принятого пакета ре�транслятором. Оно может составлять (0.5–1.0)Тп.Это означает, что реальная скорость передачи всети с такой топологией Cс равна

Cс = (0.3–0.4)C.

Таким образом, в сети с любой топологией,кроме топологии “точка–точка”, реальная ско�рость передачи данных значительно ниже, чемфизическая скорость. Поскольку для передачинескольких кадров невысокого разрешения в се�кунду в топологии “точка–точка” уже требуетсяскорость передачи, как минимум, 100–200 Кбит/с,низкоскоростные средства беспроводной переда�чи информации типа ZigBee не могут быть ис�пользованы. Минимально приемлемой физиче�ской скоростью для решения задач передачи в сетяхвидеоинформации является скорость C > 1 Мбит/с.

4. ПРЯМОХАОТИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Прямохаотическая схема связи [7–10], в ко�торой используются хаотические импульсыкак носитель информации, была предложена вИРЭ РАН в 2000 г. По предложению ИРЭим. В.А. Котельникова РАН и компании Samsungв 2007 г. технология включена в качестве опцио�нального решения в стандарт беспроводной пер�сональной связи IEEE 802.15.4a [22]. В начале2012 г. вышел новый стандарт IEEE 802.15.6 для

беспроводных нательных сетей (wireless body areanetworks) [23]. В нем также используется беспро�водная прямохаотическая передача информации,теперь уже в качестве одного из основных решений.

Для организации беспроводных сверхшироко�полосных мультимедийных сетей прямохаотиче�ская технология связи имеет следующие преиму�щества:

1) использование нового нелицензируемого ча�стотного ресурса (частоты от 3.1 до 10.6 ГГц [24], вРоссии от 2.85 до 10.6 ГГц),

2) высокую для БСС пропускную способностьканала связи. Существующие на сегодняшнийдень прямохаотические приемопередатчики име�ют физическую скорость передачи данных междуузлами до 6 Мбит/с. Она может быть увеличена до24 Мбит/c,

3) высокую энергетическую эффективность,

4) устойчивость к замираниям в многолучевыхканалах связи.

Для изучения практических вопросов исполь�зования прямохаотических приемопередатчиковв мультимедийных сенсорных сетях и количе�ственной оценки их эффективности был разрабо�тан экспериментальный беспроводной видеосен�сорный узел и проведено его исследование в составесетей простейших конфигураций.

5. ВИДЕОСЕНСОРНЫЙ УЗЕЛ

Разработанный видеосенсорный узел имеетструктуру, показанную на рис. 1. В качестве дат�чика в видеосенсоре используется VGA CMOSмодульная камера ADCM – 2700 [25]. Она можетобеспечивать видеосъемку с разрешением от 60 ×× 40 до 640 × 480 элементов при частоте кадров от1 до 60 в секунду и 1–3 байтов на глубину цвета вкаждом элементе. Сжатия информации камера неосуществляет, поэтому объем потока данных отдатчика определяется как произведение числаэлементов на число байтов глубины цвета и числокадров в секунду. Энергопотребление камеры со�ставляет 24 мА при размере кадра 176 × 144 и10 кадрах в секунду. В разработанном модуле ис�пользован кадр с разрешением 176 × 144 пикселяи глубиной цвета 2 байта. При таких параметрахсъемки для передачи одного кадра необходимооколо 50 КБ полезной информации.

Взаимодействие между видеокамерой и прие�мопередатчиком осуществляет специально со�зданный блок обработки на основе микрокон�троллера STM32 [26], подключаемый в качествеплаты�расширения к приемопередатчику. Внеш�ний вид модуля приведен на рис. 2.

424



Для передачи данных от видеокамеры к блокуобработки используется стандарт BT.656 [27], адля конфигурирования блока обработки (установ�ки разрешения получаемого изображения, глуби�ны цвета, формата вывода изображения и т.д.) ис�пользуется шина I2C.

В качестве приемопередатчика в видеосенсо�ре (рис. 2) используется прямохаотический при�емопередатчик ППС�43, работающий в полосе3–5 ГГц [10]. Максимальная физическая ско�рость передачи данных, которая может быть реа�лизована в этом устройстве, равна 6 Мбит/c.Дальность действия приемопередатчика до 25 м.Общее управление работой узла и сетевые взаи�модействия (блок управления) осуществляетмикроконтроллер передатчика.

Центр сбора информации в сети содержиткомпьютер и прямохаотический приемопередат�чик ППС�42 с интерфейсом USB 2.0 [28], исполь�зуемый в качестве базовой станции. Физическаяскорость передачи данных устройством ППС�42по эфиру может достигать 24 Мбит/с, скоростьобмена данными с компьютером – 240 Мбит/с.

В экспериментах по передаче видеоданных ис�пользовалась физическая скорость передачи, рав�ная 3 Мбит/с. Реальная (фактическая) скоростьпередачи данных определяется частотой посылкипакетов.

6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

В процессе исследований проведены четырегруппы экспериментов:

1) на дальности 2–3 м в режиме “точка–точка”,2) при изменении дальности от 1 до 25 м,3) измерения в режиме с ретрансляцией сигна�

ла (топология “цепочка”),

4) эксперименты по проверке работоспособ�ности системы при наличии препятствий (пере�дача через стену).

Задачи первой группы экспериментов заклю�чались в проверке работоспособности созданногоустройства, предложенных алгоритмов, оценкекачества изображения и скорости обновлениякадров.

Передавался поток данных, поступающих свидеомодуля. Для передачи по радиоканалу каж�дый видеокадр разбивали на фрагменты размером128 байт и вставляли в виде блока данных в пакет.Структура используемого пакета данных показа�на на рис. 3. Частота следования кадров была рав�

П Р Д Н НД

Рис. 3. Структура информационного пакета: П – пи�лотное поле; Р – поле размера пакета; Д – поле дан�ных; Н – поле порядкового номера пакета, отсчиты�ваемого от пакета начала кадра.

(а)

(б)

Рис. 2. Видеокамера и блок обработки (а), сенсорныйузел с видеомодулем (б).



на двум, что соответствовало фактической (реаль�ной) скорости передачи данных около 800 Кбит/c.

В ходе экспериментов была отлажена аппара�тура и продемонстрирован устойчивый приемснимаемой и передаваемой по эфиру видеоин�формации.

Вторую группу экспериментов проводили вкоридоре кирпичного здания. Длина коридорасоставляла 45 м, ширина – 4 м, высота – 5 м. Цельисследований – определение максимальной даль�ности связи и характера деградации изображения напредельных дальностях. Первый приемопередатчикс подключенным к нему видеомодулем располагалсяв фиксированной точке коридора. Второй приемо�передатчик, подключенный к ноутбуку и выпол�няющий роль базовой станции сбора данных,перемещался по коридору и постепенно отдалял�ся от передатчика. Результаты измерений фикси�ровались через каждый метр увеличения расстоя�ния между сенсором и базовой станцией.

Изображения, переданные по эфиру и принятыев ходе эксперимента при различных расстоянияхмежду передатчиком и приемником, показаны нарис. 4. При расстоянии между передатчиками, непревышающем 15 м (рис. 4а), наблюдается устой�чивая четкая картинка с редкими ошибками в ви�де испорченных пикселей, которые почти не вли�яют на восприятие изображения и распознаваниеобъектов. Вероятность ошибки на бит составляетне более 10–6.

При дальнейшем увеличении расстояния каче�ство принимаемого сигнала постепенно ухудшает�ся. На кадре появляются полосы, искажающиеизображение, но объекты на картинке по�преж�нему узнаваемы (рис. 4б). На расстоянии 25 мчисло ошибок возрастает, вероятность ошибки набит достигает 10–4 и качество изображения резкопадает (рис. 4в).

В третьей группе экспериментов исследова�лась возможность работы видеосенсора в сети. Вкачестве примера использована сеть, состоящаяиз беспроводного узла видеосенсора, узла ре�транслятора и базовой станции.

Как и во второй группе экспериментов, пер�вый приемопередатчик с подключенным к немувидеомодулем располагался в фиксированнойточке коридора. Второй приемопередатчик – ре�транслятор – располагался на расстоянии 5 м.Третий приемопередатчик, подключенный к но�утбуку и выполняющий роль базовой станциисбора данных, перемещался по коридору и посте�пенно отдалялся от второго передатчика. В преде�лах изменения расстояния между базовой стан�цией и ретранслятором от 3 до 15 м наблюдался

(а)

(б)

(в)

Рис. 4. Кадр видеоданных, воспроизведенный наприемном конце. Расстояние между передатчиком иприемником составляет 15 м (а), 20 м (б), 25 м (в).

7

426



устойчивый прием кадров с незначительным чис�лом искажений.

В четвертой группе экспериментов исследова�лась возможность передачи видеосигнала сквозьстену. Для этого передатчик с сенсором распола�гался на расстояния 50 см от кирпичной стенытолщиной 1 м, а приемник (базовая станция) – подругую сторону стены на расстоянии 2 м от нее.

Полученные изображения представлены нарис. 5. На экране компьютера наблюдается четкоеустойчивое изображение.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По сравнению с классическими беспроводны�ми сенсорными сетями, мультимедийные работа�ют с датчиками, собирающими из окружающейсреды значительно бо�льшие объемы информа�ции.

По своим возможностям платформы длямультимедийных (видео) сенсорных узлов мож�но условно разделить на три группы: платформылегкого класса, платформы среднего класса иплатформы тяжелого класса.

Платформы легкого класса имеют минималь�ные вычислительные возможности и скоростьпередачи данных. Они оснащены датчиками собъемом снимаемой информации до несколькихдесятков Кбит/с, которая без обработки переда�ется по низкоскоростному радиоканалу. Стан�дартным радиоканалом для них можно считатьканал на основе ZigBee с максимальной физиче�ской скоростью передачи 250 Кбит/с в топологии“точка–точка”. Эти платформы характеризуютсянизким потреблением энергии (до 50–100 мВт).

Платформы среднего класса имеют болеемощные по сравнению с платформами легкогокласса вычислительные средства и память, ис�

Рис. 5. Кадр видеоданных, воспроизведенный на приемном конце при передаче сигнала через стену.



пользуемые для локальной обработки собираемыхдатчиками данных, но, как и платформы легкогокласса, используют низкоскоростные радиоканалы.Энергопотребление сенсорных узлов среднегокласса выше, чем у сенсорных узлов легкого клас�са (несколько сотен мВт).

Платформы тяжелого класса имеют большиевычислительные возможности и способны рабо�тать с каналами класса WiFi (потребляемая мощ�ность порядка 1 Вт и больше).

Серьезной проблемой при построении муль�тимедийных сетей с длительным сроком авто�номной работы (платформы легкого и среднегокласса) является низкая пропускная способность ра�диоканала при приемлемом потреблении энергии.

Для решения этой проблемы в данной работепредложено использовать беспроводные сенсор�ные узлы на основе сверхширокополосных прямо�хаотических приемопередатчиков. Физическаяскорость передачи между такими узлами составляетнесколько Мбит/с, что значительно превышает ми�нимальные требования к скорости передачи в1 Мбит/с (разд. 3).

Предварительные оценки показали, что ис�пользование приемопередатчиков на основесверхширокополосных хаотических радиоим�пульсов дает возможность передавать мультиме�дийную информацию в беспроводных сенсорныхсетях с различными топологиями и со значительноболее низким энергопотреблением, чем в существу�ющих решениях на базе узкополосных систем.

Для экспериментальной проверки получен�ных оценок был создан беспроводной сенсорныйузел с видеомодулем и проведены экспериментыс ним. В процессе экспериментов были проде�монстрированы реальная скорость передачивидеоданных в топологии “точка–точка” до800 Кбит/сек при физической скорости пере�дачи данных 3 Мбит/с и такая же скорость пере�дачи данных в сети с ретранслятором, что соот�ветствует реальной скорости передачи данных втопологии “точка–точка” 1600 Кбит/с.

Энергопотребление приемопередатчика приработе в режиме передачи составляет около 12 мА,а в режиме ретрансляции – около 27 мА.

Таким образом, полученные результаты пока�зывают, что использование сверхширокополос�ных хаотических радиоимпульсов в качестве но�сителей информации позволяет в несколько разповысить скорость передачи данных в мультиме�дийных сенсорных сетях легкого и среднего классаи тем самым существенно расширить спектр ре�шаемых ими задач.

Работа выполнена при частичной финансовойподдержке Российского фонда фундаментальныхисследований (грант 12�07�33106 мол_а_вед).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Rosário D., Machado K., Abelém A. et al. Mobile Multi�media – User and Technology Perspective / Ed. byTjondronegoro D. Rijeka: InTech, 2012. P. 75.http://www.intechopen.com/books/mobile�multimedia�user�and�technology�perspectives/recent�advances�and�challenges�in�wireless�multimidia�sensor�networks

2. Atzori L., Iera A., Morabito G. // Computer Networks.2010. V. 54. № 15. P. 2787.

3. Gürses E., Akan O.B. // Annales des Télécommunica�tions. 2005. V.60. № 7–8. P. 872.

4. Almalkawi I.T., Zapata M.G., Al(Karaki J. N., Morillo(Pozo J. // Sensors. 2010. V. 10. № 7. P. 6662.

5. Akyildiz I.F., Melodia T., Chowdhury K.R. // ComputerNetworks. 2007. V. 51. № 4. P. 921.

6. http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_wireless_sen�sor_nodes

7. Дмитриев А.С., Кяргинский Б.Е., Панас А.И., Стар(ков С.О. // РЭ. 2001. Т. 46. № 2. С. 224.

8. Дмитриев А.С., Панас А.И. Динамический хаос:новые носители информации для систем связи.М.: Физматлит, 2002.

9. Дмитриев А.С., Ефремова Е.В., Клецов А.В. и др. //РЭ. 2008. Т. 53. № 10. С. 1278.

10. Дмитриев А.С., Ефремова Е.В., Лазарев В.А., Гера(симов М.Ю.// Успехи современ. радиоэлектрон.2013. № 3. C. 19.

11. Sharif A., Potdar V., Chang E. // Proc. 7th IEEE Int.Conf. on Industrial Informatics (INDIN 2009).Cardiff. 23–26 Jun. 2009. N.Y.: IEEE, 2009. P. 606.

12. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/cc2420.pdf

13. Hill J.L., Culler D.E. // IEEE Micro. 2002. V. 22 . № 6.P. 12.

14. Mangharam R., Rowe A., Rajkumar R. // Real�TimeSystems. 2007. V. 37. № 3. P. 183.

15. http://www.eecs.harvard.edu/~konrad/projects/shim�mer/references/tmote�sky�datasheet.pdf

16. http://www.willow.co.uk/TelosB_Datasheet.pdf.

17. http://www.cse.nd.edu/~cpoellab/teaching/cse40815/Stargate_Manual_7430�0317�13_B.pdf

18. http://cps.cse.wustl.edu/images/c/cb/Imote2�ds�rev2_2.pdf

19. Xie D., Yan T., Ganesan D., Hanson A. // Proc. 7th Int.Symp. on Information Processing in Sensor Networks(IPSN’08). Washington. 22–24 Apr. 2008. N.Y.: IEEE,2008. P. 469.

20. Park C., Chou P.H. // Proc. Int. Workshop on Wearableand Implantable Body Sensor Networks (BSN 2006).Cambridge MA. 3–6 Apr. 2006. N.Y.: IEEE, 2006.P. 165.

21. Park C., Chou P.H. // Proc. 4th Int. Conf. on Embed�ded Networked Sensor Systems (SenSys’06). Boulder.

7*

428



01–03 Nov. 2006. N.Y.: Association for ComputingMachinery, 2006. P. 359.

22. 802.15.4a�2007. IEEE Standard for Information Tech�nology. Pt. 15.4. N.Y.: IEEE, 2007. http://iee�ex�plore.ieee.org/servlet/opac?punumber = 4299494.

23. IEEE P802.15.6/D01. 2010. Specifications for WirelessPersonal Area Network’s (WPANs). Used in or aroundBody. N.Y.: IEEE, 2010.

24. Federal Communications Commission (FCC) NewsRelease. Washington: FCC, 14 Feb. 2002. http://www.fcc.gov/headlines2002.html

25. Agilent ADCM�2700 VGA CMOS Camera ModuleTechnical Reference Manual. Santa Clara: AgilentTechnologies Inc.

26. http://www.st.com/internet/mcu/product/164485.jsp

27. http://www.itu.int/rec/R�REC�BT.656/

28. Лазарев В.А. Коллективное поведение взаимодей�ствующих беспроводных сверхширокополосныхприемопередающих систем. Диc. … канд. физ.�мат. наук. М.: ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН,2013. 126 с.

Science

Мультимедийные сенсорные сети на основе сверхширокополосных хаотических радиоимпульсов