無線傳感器網(wǎng)絡中能源高效的視頻信號壓縮關鍵技術研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(WSNs)作為一個新興學科與傳統(tǒng)學科交叉的領域,有著極強的應用背景和實用價值,受到世界各國學者的重視。國內(nèi)將WSNs研究提高到一個戰(zhàn)略高度始于中國科學院1999年發(fā)表的《知識創(chuàng)新工程試點領域方向研究》信息與自動化領域研究報告,將其作為信息與自動化領域的幾個重點突破方向之一。
　　 能量問題是WSNs最核心的問題之一。傳統(tǒng)WSNs傳感器節(jié)點獲取的數(shù)據(jù)相對簡單,故節(jié)點能量模型中數(shù)據(jù)處理能耗常被忽略,而數(shù)據(jù)傳輸能耗占整

2、個節(jié)點能耗的絕大部分。因此目前WSNs研究主要針對數(shù)據(jù)傳輸所涉及到的一系列問題,包括流量控制,擁塞控制,路由協(xié)議以及相應的能量控制等方面,以解決數(shù)據(jù)傳輸過程中能量受限條件下的性能優(yōu)化問題。
　　 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)之前必須進行有效壓縮,否則需求的網(wǎng)絡帶寬和傳輸功耗都會很大。然而,由于視頻壓縮需要進行復雜計算,其消耗了WSNs節(jié)點總能量的大部分,完全顛覆了傳統(tǒng)WSNs節(jié)點能量

3、模型。為了降低WSNs節(jié)點整體能耗,除了傳統(tǒng)能量控制策略以外,還必須采取恰當措施來降低節(jié)點計算能耗,即降低壓縮復雜度?，F(xiàn)有的視頻編碼標準都面向廣播應用,其視頻壓縮具有很高的復雜度,不適合于WSNs能量控制。一種方法是將WSNs節(jié)點的編碼復雜度轉移到解碼端,從而降低WSNs節(jié)點的壓縮計算能耗。分布式信源編碼從理論上證明將編碼復雜度轉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上降低視頻壓

4、縮能耗的問題進行了深入研究。在詳細探討了國內(nèi)外WSNs研究及WSNs中分布式視頻編碼研究(Distributed Video Coding,DVC)現(xiàn)狀的基礎上,對WSNs及分布式視頻編碼研究當前面臨的關鍵問題進行了分析。針對這些問題展開研究,以下是主要研究內(nèi)容及取得的成果:
　　 1)基于無比率(Rateless)思想,設計了一種低編碼能耗的分布式視頻壓縮機制,提出了相應的置信傳播譯碼算法,并對其編碼計算復雜度進行了詳細測試,

5、對編碼器能耗進行了估計。首先對目前分布式視頻編碼中廣為使用的固定碼率LDPC的局限性進行討論,提出了一種基于無比率LDPC的碼率自適應機制,設計了相應的編碼碼率控制(ERC)和混合碼率控制(HRC)機制,并有針對的改進了相應的置信傳播(BP)譯碼算法,提高其解碼性能。最后將設計的方案與現(xiàn)有的編碼標準的PSNR性能和能耗進行了比較和分析。實驗結果表明,提出的無比率分布式視頻壓縮機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、碼計算能耗要降低大約5％-40％；相對于幀問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比率分布式視頻編碼能耗的50-60倍。
　　 2)為了進一步提高WSNs節(jié)點視頻信號傳輸?shù)聂敯粜?將數(shù)字噴泉技術用于分布式視頻編碼。在簡要分析噴泉碼技術的基本特點后,重點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際不符的無記憶的相關信道模型,提出將信源-邊信息的統(tǒng)計相關建模為有記憶的隱式馬爾科夫模型,

7、并采用聯(lián)合信源-信道設計方法,將Raptor用于分布式視頻編碼設計,設計了相應的BP譯碼算法。實驗結果表明,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,且隨著丟包率的提高,PSNR性能優(yōu)勢更加明顯。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,設計了一種能源高效的

8、分布式視頻壓縮機制。首先基于交互式編解碼機制,建立統(tǒng)一的有記憶的有限狀態(tài)信道模型。隨后實現(xiàn)了一種基于LDPC碼的線性交互式編解碼算法,并設計了信源-邊信息對建模為有限狀態(tài)模型的BP解碼算法。實驗結果表明提出的基于交互式編解碼機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)搭建實際無線通信系統(tǒng),并將