專利名稱：分布式無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)生存周期最大化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是分布式無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)生存周期的建模和優(yōu)化，是通過研究 視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)中各部分功率消耗，建立網(wǎng)絡(luò)生存周期優(yōu)化模型，合理地分配有限的網(wǎng)絡(luò) 資源，利用分布式算法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)生存周期最大化。
背景技術(shù)：
目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究主要集中在對簡單數(shù)據(jù)信息(如溫度、濕度、光強(qiáng)等) 的采集、傳輸與處理。隨著監(jiān)測環(huán)境的日趨復(fù)雜多變，由這些傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)所獲取的簡單 數(shù)據(jù)愈來愈不能滿足人們對環(huán)境監(jiān)測的全面需求。較之于傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)，視頻傳感器網(wǎng) 絡(luò)能夠感知信息量豐富的視頻、圖像等多媒體信息，提供更加豐富的服務(wù)種類，可廣泛應(yīng)用 于戰(zhàn)場可視化監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、交通監(jiān)控、智能家居、醫(yī)療健康等諸多領(lǐng)域。傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于感知數(shù)據(jù)類型簡單，其采集和處理能耗通常是忽略 不計的，因而傳感器節(jié)點(diǎn)能量消耗主要集中在數(shù)據(jù)的傳輸過程。在視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感 器節(jié)點(diǎn)需要對采集的視頻信息進(jìn)行處理，包括壓縮編碼、信息融合等。處理視頻信息需要的 能量往往與傳輸過程消耗的能量相當(dāng)，因此在規(guī)劃視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期時，視頻信息 獲取處理和傳輸?shù)哪芎亩急仨氂枰钥紤]。如何保證視頻傳輸質(zhì)量也是視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)研究 中的關(guān)鍵點(diǎn)。在信源端，編碼碼率越高，視頻質(zhì)量越好，同時編碼能耗也越大；另一方面，傳 輸速率越大，視頻質(zhì)量提高，傳輸能耗越大。本發(fā)明研究的主要內(nèi)容正是在保證視頻質(zhì)量的 前提下，提高資源利用率，最大限度延長網(wǎng)絡(luò)生存期。通過對數(shù)據(jù)采集編碼和傳輸進(jìn)行聯(lián)合 規(guī)劃，建立基本編碼功率、鏈路速率以及多徑路由的最優(yōu)化規(guī)劃模型。另外，無線網(wǎng)絡(luò)自身受時變和突發(fā)錯誤的影響，網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性一直制約著無線 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。自動重傳請求(ARQ)和前向糾錯(FEC)是兩種常見的傳輸糾錯方式。ARQ是 采用反饋重傳機(jī)制，并不能適應(yīng)視頻這類時間敏感性強(qiáng)的數(shù)據(jù)傳輸，而FEC則被運(yùn)用在鏈 路上，需要每個中繼節(jié)點(diǎn)來完成視頻數(shù)據(jù)的解碼和編碼，這種功率消耗很大，不能被應(yīng)用到 大規(guī)模的無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)中。隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼被證明可以應(yīng)用于有線和無線網(wǎng)絡(luò)來提高 網(wǎng)絡(luò)的可靠性，結(jié)合多路徑傳輸后其主要優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)為1)可以應(yīng)用于分布式網(wǎng)絡(luò)，不需要網(wǎng) 絡(luò)的集中式規(guī)劃；2)可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)鏈路的條件，調(diào)整發(fā)送的編碼包個數(shù)而現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)的無差 錯傳輸；3)不同于以往數(shù)據(jù)包簡單復(fù)制后傳輸，線性組合的數(shù)據(jù)包可以避免數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜?余，從而減少網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)。不同于之前只關(guān)注于網(wǎng)絡(luò)編碼應(yīng)用領(lǐng)域和編解碼方式的研 究，本發(fā)明中將建立一個通用的網(wǎng)絡(luò)編碼功耗模型以更好地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的合理分配。本發(fā)明在無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)組播通信中加入節(jié)點(diǎn)采集處理視頻的功率消耗，運(yùn) 用隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)提高通信的可靠性，建立最大化網(wǎng)絡(luò)生存周期為目標(biāo)的最優(yōu)化模 型，通過拉格朗日對偶和梯度迭代方法實(shí)現(xiàn)分布式求解得到最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)生存時間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對目前眾多無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期最大化方案往往忽略視頻數(shù)據(jù)采集、壓縮處理的功耗問題，提供一種分布式無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)生存期最大化 方法。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是針對無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)不同于傳統(tǒng)傳感器 網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，加入視頻采集節(jié)點(diǎn)的壓縮編碼功率消耗，建立傳感器節(jié)點(diǎn)耗能模型，在既定的 功率條件下進(jìn)行有效地資源分配實(shí)現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)生存周期最大化。另外，將網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)應(yīng) 用到數(shù)據(jù)傳輸糾錯，并首次提出一種通用的網(wǎng)絡(luò)編碼功率消耗模型，以準(zhǔn)確計算網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 各部分功率消耗。給出了一種分布式優(yōu)化模型來來實(shí)現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)生存期最優(yōu)，并利用拉格 朗日對偶和次梯度算法進(jìn)行分布式求解。根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種分布式的無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)生存期最大化方法，其特征在于采用下述步驟實(shí) 現(xiàn)第一，在傳感器功率消耗中引入用于視頻壓縮編碼功率消耗；第二，建立網(wǎng)絡(luò)編碼所耗 功率模型，并傳感器節(jié)點(diǎn)之間傳輸中采用隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)保證無線網(wǎng)絡(luò)的正確傳輸；第 三，通過聯(lián)合優(yōu)化傳感器節(jié)點(diǎn)功率分配、流量控制和視頻失真，建立無線網(wǎng)絡(luò)生存周期最大 化的優(yōu)化模型；第四，針對建立的優(yōu)化分配模型，采用凸優(yōu)化理論使用拉格朗日對偶方法進(jìn) 行求解，提出了一種分布式迭代求解算法，以應(yīng)用于無中心節(jié)點(diǎn)控制的分布式無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建中。具體說明如下 (1)無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)模型 將無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)抽象為有向圖
，其中廠是節(jié)點(diǎn)的集合，λ·是鏈路的集合。節(jié)點(diǎn)集合F分為傳感器節(jié)點(diǎn)集合J和接 收視頻數(shù)據(jù)的匯聚節(jié)點(diǎn)集合τ,￡是節(jié)點(diǎn)之間鏈路的集合。無線網(wǎng)絡(luò)中的視頻傳感器節(jié)點(diǎn) 負(fù)責(zé)視頻數(shù)據(jù)的采集，壓縮編碼和數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹欣^路由；匯聚節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)中的目的節(jié)點(diǎn)， 用于視頻數(shù)據(jù)的接受匯聚。這里假設(shè)一個傳感器節(jié)點(diǎn)只將視頻數(shù)據(jù)傳到一個目的節(jié)點(diǎn)中。 網(wǎng)絡(luò)中所有的傳感器節(jié)點(diǎn)都有一個最大通信范圍如果兩個節(jié)點(diǎn)間的距離不超過這個最 大通信范圍，則認(rèn)為這兩個節(jié)點(diǎn)之間存在一條通信鏈路，否則認(rèn)為這兩個傳感器節(jié)點(diǎn)之間 不能通信。對于任意一個傳感器節(jié)點(diǎn)ν定義T為節(jié)點(diǎn) '的生存周期，則整個網(wǎng)絡(luò)的生存周 期T1ih = mm, Τ,。定義為傳感器節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)間的路徑集合，矩陣/P則反映節(jié)點(diǎn) s的各條路徑與網(wǎng)絡(luò)中鏈路的關(guān)系若(O)被節(jié)點(diǎn)s的第in條路徑所占用則均Γ = 1 ；否則 = (其中 W € ./(,、'))。對于傳感器節(jié)點(diǎn)y (S e S),定義記為節(jié)點(diǎn)S的發(fā)送速率。對于鏈路(i./) e E (其 中^ ,/ e ν)，定義為節(jié)點(diǎn)s鏈路(？. j)上的信息流量。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流平衡條件，可以得 到
權(quán)利要求
1.一種分布式無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)生存期最大化方法，其特征在于采用下述步驟實(shí)現(xiàn) 無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中傳感器生存期的最大化第一，在傳感器節(jié)點(diǎn)功率消耗中引入用于視頻壓 縮編碼功率消耗；第二，建立網(wǎng)絡(luò)編碼所耗功率模型，并傳感器節(jié)點(diǎn)之間傳輸中采用隨機(jī)網(wǎng) 絡(luò)編碼技術(shù)保證無線網(wǎng)絡(luò)的正確傳輸；第三，通過聯(lián)合優(yōu)化傳感器節(jié)點(diǎn)功率分配、流量控制 和視頻失真，建立無線網(wǎng)絡(luò)生存周期最大化的優(yōu)化模型；第四，針對建立的優(yōu)化分配模型， 采用凸優(yōu)化理論使用拉格朗日對偶方法進(jìn)行求解，提出了一種分布式迭代求解算法，以應(yīng) 用于無中心節(jié)點(diǎn)控制的分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)生存最大化方法，其特征在于所 述第一步驟在傳感器節(jié)點(diǎn)功率消耗中引入用于視頻壓縮編碼的功率消耗，所述傳感器節(jié)點(diǎn) 功率消耗/丨就包括三部分視頻壓縮編碼功率消耗巧、數(shù)據(jù)傳輸功率消耗巧和網(wǎng)絡(luò)編碼所耗功率P"；所述視頻壓縮編碼功率消耗尸，由率失真函數(shù)尸 二得至IJ， 其中，〒)是傳感器節(jié)點(diǎn) 的發(fā)送視頻速率為rf和視頻壓縮編碼功率消耗為巧下的視 頻失真,O2是輸入視頻的方差，2是與編碼效率相關(guān)的模型系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)生存最大化方法，其特征在于 所述第二步驟建立網(wǎng)絡(luò)編碼所耗功率模型，即網(wǎng)絡(luò)編碼所耗功率Zf1的計算方法如下將 一個節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)大小為字節(jié)的視頻數(shù)據(jù)劃分成多個塊，每個塊包含ft個原始數(shù)據(jù) 包，表示為選擇GT(P)為編碼域，則每個原始數(shù)據(jù)包可以看成為￡+/</個 符號的向量，對每個塊的原始數(shù)據(jù)包進(jìn)行域上的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼，編碼得到一個新 的編碼數(shù)據(jù)包ι)需要完成Α ‘ 次乘法和⑦—ι) · α+/ν)次加法運(yùn)算；其中一次加法需 要f次異或門運(yùn)算，一次乘法需要匈2次異或門運(yùn)算或和匆2次與門運(yùn)算，定義-d為每 比特乘法所消耗的能量和夂■ 為每比特加法所消耗的能量，則一個編碼數(shù)據(jù)包K·所消耗 的能量為彳二 “ · / · h ■ (Ljq)十’ q ■ {h — 1) - (L/q)；相應(yīng)地，每比特編碼的能耗為'f = [^-r ‘ Λ + ■ (/' — I)]；則節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)編碼功率消耗ιγη為單位時間內(nèi)需要編碼的數(shù)據(jù)比特數(shù)與單位比特編碼能耗的乘積。
4.根據(jù)權(quán)利要求ι所述的分布式無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)生存最大化方法，其特征在于所 述第三步驟通過聯(lián)合優(yōu)化傳感器節(jié)點(diǎn)功率分配、流量控制和視頻失真，建立最大化無線視 頻傳感器網(wǎng)絡(luò)生存期的優(yōu)化模型，具體方法如下(ι)生存周期的定義定義整個網(wǎng)絡(luò)的生存周期為網(wǎng)絡(luò)中生存周期最短的節(jié)點(diǎn)的存在時間，= 1IlI5T, 其中不為傳感器節(jié)點(diǎn)⑷e ν)的生命期，r_表示網(wǎng)絡(luò)的生存期； (2)建立優(yōu)化模型以最大化無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)生存期為目標(biāo)建立整個優(yōu)化模型以及網(wǎng)絡(luò)中各部分能 耗約束模型，包括由率失真模型得到視頻傳感器節(jié)點(diǎn)壓縮編碼功率消耗模型；網(wǎng)絡(luò)視頻 傳輸?shù)牧髌胶饧s束和網(wǎng)絡(luò)編碼進(jìn)行糾錯的流約束條件；無線信道傳輸時的鏈路競爭影響約 束；以及網(wǎng)絡(luò)編碼功率消耗模型和網(wǎng)絡(luò)傳輸功率模型；優(yōu)化問題 P1 lliaxi,llizc' 1^s 丁；.約束 其中，是鏈路( .；/)傳輸功率消耗因子，C是接收數(shù)據(jù)的功率消耗因子，·是網(wǎng)絡(luò)編碼功率消耗 因子；所建立的優(yōu)化方程，其目標(biāo)為最大化無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)生存期；其約束條件如下 約束1)對應(yīng)于各個節(jié)點(diǎn)的流量平衡限制條件，O"表示節(jié)點(diǎn).S第《 條路中鏈路(ij)上 的信息傳輸速率,/ 為節(jié)點(diǎn)在鏈路( .Λ上的物理傳輸速率，『為節(jié)點(diǎn)s的信息傳輸速率，每個傳感器節(jié)點(diǎn)i的初始能量為松若(M)被節(jié)點(diǎn)s的第m條路徑所占用則巧丨“=1 ；否則 H"'" = 0 ·iJ>約束2)對應(yīng)于在有損的無線信道傳輸中，信息流量和鏈路上的物理流量之間的關(guān)系， 為鏈路( ../)上的丟包率；該條件是為了確保網(wǎng)絡(luò)編碼后所收的數(shù)據(jù)包個數(shù)能實(shí)現(xiàn)正確解碼； 約束3)對應(yīng)于無線鏈路干擾和鏈路帶寬限制條件，定義Φ ι./)為鏈路^J)的干擾集 合，C為最大鏈路帶寬；約束4)對應(yīng)于各傳感器節(jié)點(diǎn)能量、功耗和生命期的關(guān)系，假設(shè)每個傳感器節(jié)點(diǎn) 的初 始會旨量為*^ ；約束5)表示在給定的視頻失真率條件下，編碼功率和編碼速率的約束條件。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的分布式無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)生存最大化方法，其特征在于所 述第四步驟中的優(yōu)化問題采用凸優(yōu)化理論使用拉格朗日對偶方法和分布式迭代求解算法 如下(1)拉格朗日對偶利用拉格朗日偶對和梯度迭代方法對所述優(yōu)化問題Pi進(jìn)行分布式求解鑒于所述約束條件4)是非凸函數(shù)，這里將引入一個新的變量 , 二 i/ ),將所述約束條件4)做等式變換 UA = 可以看做是一個節(jié)點(diǎn)在一定能量￡,·下的歸一化功率消耗變量；因此優(yōu)化目標(biāo) 相應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)樽钚』W(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)最大規(guī)范化功率消耗，并用fe次模來近似最大值函數(shù)用，可以得到
全文摘要
本發(fā)明涉及一種分布式無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)生存期最大化方法。本方法采用下述步驟實(shí)現(xiàn)第一，在傳感器節(jié)點(diǎn)功率消耗中引入用于視頻壓縮編碼功率消耗，第二，建立網(wǎng)絡(luò)編碼所耗功率模型，第三，通過聯(lián)合優(yōu)化傳感器節(jié)點(diǎn)功率分配、流量控制和視頻失真，建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生存周期最優(yōu)化模型，第四，利用拉格朗日對偶和次梯度算法提出了一種分布式算法來實(shí)現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)生存期最大化。本發(fā)明可以更為準(zhǔn)確地計算無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)中各部分的功率消耗，得到傳感器網(wǎng)絡(luò)的最佳生存周期，可廣泛應(yīng)用于分布式無線視頻網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的生存周期計算。
文檔編號H04L1/00GK102143566SQ201110040339
公開日2011年8月3日 申請日期2011年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月18日
發(fā)明者汪敏, 譚沖, 鄒君妮 申請人:上海大學(xué)