دانلود رایگان مقاله شبکه های حسگر بی سیم چند رسانه ای

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. 

        ویژگی یک WMSN تفاوت هموار از پاردایم شبکه‌های سنتی، مانند اینترنت و حتی از شبکه‌های حسگر اسکالر است. بیشتر کاربردهای بالقوه یک WMSN نیازمند پارادایم شبکه‌های حسگر برای بررسی ارائه مکانیزم برای تحویل محتوای چند رسانه‌ای با یک سطح از پیش تعیین شده کیفیت خدمات (QoS) است. در حالی که حداقل سازی مصرف انرژی هدف اصلی پژوهش‌ها در شبکه‌های حسگر است، برای مکانیزم ارائه اثربخش QoS سطح کاربرد و برای نگاشت این نیازمندی‌ها به متریک‌های لایه شبکه، زمان تاخیر و جیتر، نگرانی اولیه نیستند. تحویل محتوای چند رسانه‌ای در شبکه‌های حسگر فعلی، چالش‌های طراحی سیستم را مشخص می‌کنند، که هدف این مقاله است. 

       ما برروی بالاترین سطح تکنولوژی و چالش‌های پژوهشی اصلی برای توسعات WMSN تمرکز می‌کنیم. با بحثی برروی تشریح کاربردهای اصلی که با WMSN ممکن شدند و با معرفی معماری مرجع آغاز می‌کنیم. سپس به فاکتورهای اصلی تاثیرگذار برروی طراحی WMSN اشاره می‌کنیم. سپس، برروی راه حل‌های موجود و مسائل پژوهشی باز در لایه کاربرد، انتقال، شبکه، پیوند، و فیزیکی پشته ارتباطی، به ترتیب بحث می‌کنیم. سرانجام، نتیجه گیری کلی مقاله بیان می‌شود. 

کاربردهای شبکه‌های حسگر بی‌سیم چندرسانه‌ای 

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. 

        سیستم‌های کنترل، اجرا و اجتناب از ترافیک. نظارت بر ترافیک ماشین در شهرهای بزرگ یا بزرگراه‌ها ممکن شد و سرویس‌های مستقر شده خدمات مسیریابی را برای اجتناب از ازدحام یا شناسایی موارد نقض قانون ارائه می‌دهند. علاوه براین، سیستم‌های دستگاه‌های پارکبان هوشمند براساس WMSN فضای پارکینگ موجود را شناسایی می‌کنند و به رانندگان توصیه می‌کنند که در کجا پارک کنند. 

        ارائه خدمات بهداشتی پیشرفته. شبکه‌های حسگر از راه دور می‌تواند با شبکه‌های سلولی نسل سوم و چهارم (3G/4G) برای ارائه خدمات مراقبت‌های بهداشتی همه جا حاضر و فراگیر ترکیب شوند. بیماران حسگرهای پزشکی را برای نظارت بر پارامترهایی چون دما، فشار خون، پالس اکسیمتری، ECG، فعالیت‌های تنفسی با خود حمل می‌کنند. مرکز پزشکی از راه دور شرایط بیماران را برای استنتاج شرایط اورژانسی نظارت می‌کنند. 

        نظارت ساختاری و محیطی. آرایه‌ای از حسگرهای ویدیویی در حال حاضر توسط اقیانوس شناسان برای تعیین تکامل سدهای شنی بااستفاده از تکنیک‌های پردازش تصویر استفاده شده است. همچنین حسگرهای ویدیویی و عکس‌برداری برای نظارت بر سلامت ساختاری پل‌ها یا دیگر ساختارهای شهری استفاده می‌شوند.

ABSTRACT

        In recent years, the growing interest in the wireless sensor network (WSN) has resulted in thousands of peer-reviewed publications. Most of this research is concerned with scalar sensor networks that measure physical phenomena, such as temperature, pressure, humidity, or location of objects that can be conveyed through low-bandwidth and delay-tolerant data streams. Recently, the focus is shifting toward research aimed at revisiting the sensor network paradigm to enable delivery of multimedia content, such as audio and video streams and still images, as well as scalar data. This effort will result in distributed, networked systems, referred to in this paper as wireless multimedia sensor networks (WMSNs). This article discusses the state of the art and the major research challenges in architectures, algorithms, and protocols for wireless multimedia sensor networks. Existing solutions at the physical, link, network, transport, and application layers of the communication protocol stack are investigated. Finally, fundamental open research issues are discussed, and future research trends in this area are outlined.

INTRODUCTION

       In recent years, the growing interest in the wireless sensor network (WSN) has resulted in thousands of peer-reviewed publications. Significant results in this area have enabled many civilian and military applications, and several start-up companies and large corporations are investing considerable amounts of resources in this technology. Most deployed wireless sensor networks measure scalar physical phenomena, such as temperature, pressure, humidity, or location of objects. In general, sensor networks are designed for data-only delay-tolerant applications with low bandwidth demands.

       The integration of low-power wireless networking technologies with inexpensive hardware such as complementary metal–oxide semiconductor (CMOS) cameras and microphones is now enabling the development of distributed,networked systems that we refer to as wireless multimedia sensor networks (WMSNs), that is, networks of wireless, interconnected smart devices that enable retrieving video and audio streams, still images, and scalar sensor data. As an example, the Cyclops image-capturing and inference module [1], designed for extremely lightweight imaging, can be interfaced with a host mote such as Crossbow’s MICA2 or MICAz, thus realizing an imaging device with processing and transmission capabilities. WMSNs will enable the retrieval of multimedia streams and will store, process in real-time, correlate, and fuse multimedia content captured by heterogeneous sources. We envision that users will be able to gather information about the physical environment by issuing simple textual queries, thus accessing multiple remote WMSNs connected to the Internet through application level gateways.

       The characteristics of a WMSN diverge consistently from traditional network paradigms, such as the Internet and even from scalar sensor networks. Most potential applications of a WMSN require the sensor network paradigm to be rethought to provide mechanisms to deliver multimedia content with a predetermined level of quality of service (QoS). Whereas minimizing energy consumption has been the main objective in sensor network research, mechanisms to efficiently deliver application-level QoS and to map these requirements to network-layer metrics, such as latency and jitter, have not been primary concerns. Delivery of multimedia content in sensor networks presents new, specific system design challenges, which are the object of this article.

        We discuss the state of the art and the main research challenges for the development of WMSNs. We begin the discussion by describing the main applications enabled by WMSNs and by introducing a reference architecture. Then, we point out the major factors influencing the design of WMSNs. Next, we discuss existing solutions and open research issues at the application, transport, network, link, and physical layers of the communication stack, respectively. Finally, we conclude the article.

APPLICATIONS OF WIRELESS MULTIMEDIA SENSOR NETWORKS

Wireless multimedia sensor networks have the potential to enable many new applications. These can be classified as follows:

       Multimedia Surveillance Sensor Networks.Surveillance sensor networks will be used to enhance and complement existing surveillance systems to prevent crime and terrorist attacks. Multimedia content, such as video streams and still images, as well as computer vision techniques, can be used to locate missing persons, identify criminals or terrorists, or infer and record other potentially relevant activities (thefts, car accidents, traffic violations).

       Traffic Avoidance, Enforcement, and Control Systems. It will be possible to monitor car traffic in big cities or on highways and deploy services that offer traffic routing advice to avoid congestion or identify violations. In addition, smartparking advice systems based on WMSNs will detect available parking spaces and provide drivers with automated parking advice.

       Advanced Health Care Delivery. Telemedicine sensor networks can be integrated with third and fourth generation (3G/4G) cellular networks to provide ubiquitous health care services. Patients will carry medical sensors to monitor parameters such as body temperature, blood pressure, pulse oximetry, ECG, and breathing activity. Remote medical centers will monitor the condition of their patients to infer emergency situations.

       Environmental and Structural Monitoring. Arrays of video sensors already are used by oceanographers to determine the evolution of sandbars using image processing techniques. Video and imaging sensors also are used to monitor the structural health of bridges or other civil structures.

چکیده

مقدمه 

کاربردهای شبکه‌های حسگر بی‌سیم چندرسانه‌ای 

معماری شبکه 

فاکتورهای تاثیرگذار بر طراحی شبکه‌های حسگر چند رسانه‌ای 

لایه فیزیکی 

لایه MAC

سیاست دسترسی به کانال 

کنترل خطای لایه پیوند 

لایه شبکه 

مسیریابی با معماری سلسله مراتبی و رابطه‌ها 

پروتکل مسیریابی بلادرنگ 

پروتکل‌های لایه انتقال 

پروتکل‌های مبتنی بر UDP

الگوی TCP و TCP دوست برای WMSN 

لایه کاربرد 

تکنیک کدگذاری چند رسانه‌ای 

پردازش‌های مشترک در شبکه 

نتیجه گیری 

ABSTRACT

INTRODUCTION

APPLICATIONS OF WIRELESS MULTIMEDIA SENSOR NETWORKS

NETWORK ARCHITECTURE

FACTORS INFLUENCING THE DESIGN OF MULTIMEDIA SENSOR NETWORKS

PHYSICAL LAYER

MAC LAYER

CHANNEL ACCESS POLICIES

LINK-LAYER ERROR CONTROL

NETWORK LAYER

ROUTING WITH HIERARCHICAL ARCHITECTURES AND CORRELATION

REAL TIME ROUTING PROTOCOLS

TRANSPORT LAYER PROTOCOLS

UDP BASED PROTOCOLS

TCP AND TCP FRIENDLY SCHEMES FOR WMSNS

APPLICATION LAYER

MULTIMEDIA ENCODING TECHNIQUES

COLLABORATIVE IN-NETWORK PROCESSING

CONCLUSIONS