Дмитриев А.С., Ефремова Е.В., Герасимов М.Ю. «Мультимедийные сенсорные сети на основе сверхширокополосных хаотических радиоимпульсов», Радиотехника и электроника, 2015, т. 60, №4, стр. 1-9.

1. 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 в
том, что объекты или вещи взаимодействуют и
кооперируются друг с другом через адресную бес
проводную связь для достижения общих целей.
Этими объектами могут быть радиоидентифика
ционные метки, сенсоры, актуаторы, мобильные
телефоны.
Беспроводные мультимедийные сенсорные
сети ((БМСС), Wireless Multimedia Sensor Net
works (WMSN)) представляют собой класс БСС,
узлы которых снабжены мультимедийными сен
сорными устройствами, такими как видеокамеры
и микрофоны, и способны извлекать из окружаю
щей среды видео и акустические потоки, а также
изображения наряду со скалярными сенсорными
данными, извлекаемыми обычными БСС.
Возможности БМСС привлекают значитель
ное внимание как исследователей, так и предста
вителей промышленности [3–5]. Они имеют
широкую потенциальную область гражданских и
военных приложений там, где требуется получение
акустической и видеоинформации. Примерами мо
гут служить сенсорные сети наблюдения, мони
торинг промышленных объектов и окружающей
среды, интеллектуальное управление движением
транспорта, персональные медицинские сенсор
ные средства, мультимедийные цифровые раз
влечения. В этих приложениях мультимедийное
содержание позволяет поднять качественный
уровень собираемой информации по сравнению с
измерениями только скалярных данных.
В процессе разработки и использования
БМСС возникают проблемы в дополнение к тем,
которые имеются в обычных БСС. Они связаны с
природой мультимедийных данных: необходимо
стью передачи информации в реальном времени,
высокими требованиями к пропускной способ
ности каналов связи, допустимыми временами
задержки и потерей качества передаваемой ин
формации от источника к потребителю. Эти про
блемы должны быть решены при жестких ограни
чениях на потребляемую энергию, объем памяти
и возможности обработки данных.
В данной работе проводится анализ самого
нижнего уровня протокола коммуникационного
стека – физического уровня. Физический уро
вень очень важен именно для мультимедийных
сенсорных сетей, так как объемы получаемых и
передаваемых данных в них могут значительно
превышать объемы данных, циркулирующих в
обычных БСС. Однако его обычно подробно не
обсуждают, поскольку большинство разработок
базируется на технологии беспроводной связи
ZigBee, которая доминирует на рынке сенсорных
сетей. 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 узлами
данных в режиме “точка–точка” не превышает
250 Кбит/с, (в сетевых условиях она еще в не
1 В 2012 г. объем продаж чипов ZigBee составил более
110 млн шт. и возрос в два раза с 2010 г. В 2013–2017 гг. так
же ожидается ежегодный рост производства и продаж ZigBee
чипов на 50–60%.
МУЛЬТИМЕДИЙНЫЕ СЕНСОРНЫЕ СЕТИ НА ОСНОВЕ
СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ ХАОТИЧЕСКИХ РАДИОИМПУЛЬСОВ
© 2015 г. А. С. Дмитриев, Е. В. Ефремова, М. Ю. Герасимов
Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН,
Российская Федерация, 125009, Москва, ул. Моховая, д. 11, корп. 7
E mail: chaos@cplire.ru
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 ХАОС
В РАДИОФИЗИКЕ И ЭЛЕКТРОНИКЕ

2. 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 свои
принципиальные ограничения, препятствующие
использованию их в БМСС.
Для решения проблемы создания эффектив
ного радиоканала с существенно большей про
пускной способностью, чем у ZigBee, в данной
работе предлагается использовать прямохаотиче
скиесверхширокополосныесредствасвязи[7–10].
Структура статьи следующая.
В первом разделе кратко обсуждается состоя
ние вопроса в области разработки и использования
БМСС, во втором – существующие платформы
для узлов БМСС. В третьем разделе проводится
анализ 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 четвертом
разделе обсуждаются сверхширокополосные пря
мохаотические средства связи и перспективы их
применения в БМСС. В пятом разделе описывается
макет разработанного беспроводного мультиме
дийного сенсорного узла, содержащего прямохао
тический приемопередатчик и видеомодуль, рас
сматриваются принципы его работы и характери
стики. Шестой раздел посвящен экспериментам с
созданным макетом (режим “точка–точка”, режим
сретрансляцией,передачачерезстену)ииханализу.
1. МУЛЬТИМЕДИЙНЫЕ СЕНСОРНЫЕ
СЕТИ И ИХ НАЗНАЧЕНИЕ
Итак, по определению БМСС представляют
собой класс БСС, узлы которых снабжены мульти
медийными сенсорными устройствами, такими
как видеокамеры и микрофоны, и способны из
влекатьизокружающейсредывидео иакустические
потоки,атакжеизображения,нарядусоскалярными
сенсорными данными, извлекаемыми БСС. Кроме
того, БМСС должны быть способны записывать,
обрабатывать в реальном времени, проводить
корреляцию 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 появления
новых применений [5, 11]:
Сенсорные сети мультимедийного наблюдения.
Видео и аудиосенсоры могут быть использованы
для укрепления и дополнения существующих си
стем наблюдения, используемых против крими
нальных и террористических атак. Крупномас
штабные сети видеодатчиков позволят расширить
возможности правоохранительных органов по
контролю территорий, общественных событий,
частной собственности и границ.
Системы борьбы с пробками на дорогах. Такие
системы предназначены для мониторинга авто
мобильного движения в больших городах или ма
гистралях и оказания услуг, которые позволят дать
рекомендации, как избежать пробок на дорогах.
Автоматическая помощь на парковках – еще одно
возможное 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 для
мониторинга таких параметров, как температура
тела, давление, пульс, ЭЭГ, дыхательная деятель
ность. Точно так же средства мониторинга будут
оказывать помощь в предоставлении своевремен
ной и необходимой поддержки пожилым людям и
семьям с детьми.
Управление промышленными процессами. Муль
тимедийный контент, такой как изображения,
температура и давление, может быть использован
для 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, где
требуется высокая скорость, высокое разрешение
и 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.

3. РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА том 60 № 4 2015
МУЛЬТИМЕДИЙНЫЕ СЕНСОРНЫЕ СЕТИ 421
чика. Условно существующие платформы для уз
лов БМСС можно разделить на три класса [4]:
1) платформы легкого класса: устройства этой
категории создавали первоначально для снятия
скалярных данных, таких как температура, свет,
влажность; и главным требованием к ним было
потребление как можно меньшей энергии. По
этому эти устройства имеют низкую вычисли
тельную мощность и небольшой объем памяти. В
большинстве 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 мА
при работе на передачу и 19.7 мА при работе на
прием. Приемопередатчики имеют максималь
ную мощность излучения 0 дБм при скорости пе
редачи данных 250 Кбит/с. В таблице представле
ны характеристики типовых мультимедийных
сенсорных узлов. К беспроводным узлам легкого
класса относятся узлы MicaZ [13] и FireFly [14];
2) платформы узлов среднего класса: устройства
в этой группе имеют более высокие возможности
по обработке информации и большой объем памя
ти по сравнению с устройствами легкого класса.
Однако они также оборудованы узкополосными
приемопередающими модулями с низкой скоро
стью передачи, т.е. в них используется тот же фи
зический уровень, что и в устройствах легкого
класса. Примерами платформ среднего класса яв
ляются Tmote Sky [15] и TelosB [16];
3) платформы тяжелого класса: устройства этого
классаявляютсянаиболеемощнымипопроизводи
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 micro
frameworks) и радиосредства с различными техно
логиями физического уровня (например, IEEE
802.15.4, IEEE 802.11 и Bluetooth). Однако такие
платформы потребляют относительно большую
мощность (>0.5 Вт). Примерами платформ тяже
лого класса являются Stargate и Imote2 (таблица).
В плате блока обработки Stargate [17] используется
мощный 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/c
1–3 Мбит/c
1–11 Мбит/c

4. 422
РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА том 60 № 4 2015
ДМИТРИЕВ и др.
она работает под операционной системой Linux и
может быть сопряжена с узлами Mica2 или MicaZ
для беспроводной связи по стандарту IEEE
802.15.4, а также с беспроводными модулями
IEEE 802.11 или Bluetooth. Устройство Imote2 [18]
представляет собой платформу, состоящую из
блока 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 в
активном режиме с включенным приемопередат
чиком при тактовой частоте процессора 104 МГц.
Размеры платы платформы 36 × 48 × 9 мм.
Анализ состояния разработок и различных
прототипов беспроводных сенсорных узлов и се
тей на их основе показывает, что в них применя
ются два подхода:
а) основная обработка получаемых сенсорных
данных 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, чем
исходно получаемые от датчиков. Однако эти
объемы 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 превышает
нескольких десятков Кбит/с, достаточно эффек
тивно могут быть использованы беспроводные
приемопередатчики на основе технологии ZigBee.
Во втором случае, когда потоки данных со
ставляют сотни Кбит/с и больше, нужны другие
беспроводные решения.
Этот вывод сделан по принципу – решает ком
муникационная технология задачу или нет. Но
есть другая проблема – какова цена решения за
дачи? Есть беспроводной сенсорный узел, кото
рый потребляет энергию для сжатия данных, их
обработкиипередачипобеспроводномуканалусвя
зи. Здесь вопрос уже ставится так: как эффективно
использовать энергию, имеющуюся в батареях узла,
для достижения максимальной длительности ав
тономной работы путем ее распределения между
процессором, обрабатывающим данные, и прие
мопередатчиком, передающим обработанные
данные? Чем глубже обработка данных, тем боль
ше энергии потребляет блок обработки. В то же
время чем больше сжата информация, тем меньше
поток передаваемых данных и, соответственно,
энергия, потребляемая приемопередатчиком.
Примером сенсорного узла с эффективным
сочетанием возможности сжатия и скорости пе
редачи изображений может служить узел, опи
санный в [20, 21]. В своем устройстве авторы ис
пользуют приемопередатчик, обеспечивающий
скорость передачи данных до 1 Мбит/с.
3. ТРЕБОВАНИЯ К МУЛЬТИМЕДИЙНЫМ
СЕНСОРНЫМ СЕТЯМ
Главной особенностью БМСС по сравнению с
классическими БСС являются большие объемы
входных данных, получаемых узлами сети через
сенсоры. Это относится как к видео , так и к аудио
датчикам. В случае использования видеодатчиков
входные объемы данных могут варьироваться от де
сятков килобайт в секунду при периодическом по
лученииизображенийнизкогоразрешениядосотен
мегабайт в секунду для видеокамер высокого разре
шения с частотой 60 кадров в секунду и выше. Для
акустических датчиков скорость входного потока
оцифрованных данных может меняться от 10 КБ/с
(голос человека) до 100 КБ/с (музыкальный звук
высокого качества).
Для получаемых от датчиков данных требуется
обработка непосредственно в сенсорном узле, для
того чтобы резко уменьшить передаваемые по сети
объемы информации. Целью этой обработки мо
жет быть как сжатие данных (обычно с потерями)
для последующего восстановления изображений
или звука в корневом узле, так и извлечение из
входных данных существенных черт, например
фиксация определенных событий.
В качестве примера для оценки требований по
скорости передачи в сети рассмотрим узел с ви
деокамерой, имеющей разрешение VGA (640 ×
× 480 элементов) и два байта для описания каждого
пиксела. Такой кадр содержит примерно 0.6 МБ
данных. 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 использовать
кадры с разрешением QVGA (320 × 240), то при той
же степени сжатия и физической скорости переда
чи число кадров, передаваемых в секунду, может
быть увеличено до 16–24.
Эти данные верны для сети, состоящей из пере
датчика и приемника (топология “точка–точка”).
При более сложных топологиях мультимедийной
сенсорной сети максимально возможные объемы
данных, передаваемых от одного узла (при его
фиксированной физической скорости), будут
значительно ниже.

5. РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА том 60 № 4 2015
МУЛЬТИМЕДИЙНЫЕ СЕНСОРНЫЕ СЕТИ 423
Рассмотрим два простых, но принципиальных
примера топологий.
Топология “звезда”. В этом случае сеть содер
жит корневой узел и n видеосенсоров, которые
передают ему информацию. Пусть приемопере
датчики сенсорных узлов и корневого узла имеют
физическую скорость передачи данных C. Тогда
каждый из сенсорных узлов имеет возможность (в
среднем) передавать корневому узлу данные со
скоростью 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 реальной
скоростью может передавать сенсорный узел дан
ные? Передав первый пакет длительностью Тп, он
должен ждать время, требуемое ретранслятору
для обработки пакета (интервал времени приема
пакета ретранслятором практически совпадает с
интервалом времени передачи пакета сенсорным
узлом) и передачи его корневому узлу. Поскольку
время передачи сенсорным узлом и ретранслято
ром одинаковое, общее время передачи пакета по
сети 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 в
сети 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, чем
физическая скорость. Поскольку для передачи
нескольких кадров невысокого разрешения в се
кунду в топологии “точка–точка” уже требуется
скорость 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 сетях
видеоинформации является скорость C > 1 Мбит/с.
4. ПРЯМОХАОТИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
Прямохаотическая схема связи [7–10], в ко
торой используются хаотические импульсы
как носитель информации, была предложена в
ИРЭ РАН в 2000 г. По предложению ИРЭ
им. В.А. Котельникова РАН и компании Samsung
в 2007 г. технология включена в качестве опцио
нального решения в стандарт беспроводной пер
сональной связи IEEE 802.15.4a [22]. В начале
2012 г. вышел новый стандарт IEEE 802.15.6 для
беспроводных нательных сетей (wireless body area
networks) [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], в
России от 2.85 до 10.6 ГГц),
2) высокую для БСС пропускную способность
канала связи. Существующие на сегодняшний
день прямохаотические приемопередатчики име
ют физическую скорость передачи данных между
узлами до 6 Мбит/с. Она может быть увеличена до
24 Мбит/c,
3) высокую энергетическую эффективность,
4) устойчивость к замираниям в многолучевых
каналах связи.
Для изучения практических вопросов исполь
зования прямохаотических приемопередатчиков
в мультимедийных сенсорных сетях и количе
ственной оценки их эффективности был разрабо
тан экспериментальный беспроводной видеосен
сорныйузелипроведеноегоисследованиевсоставе
сетей простейших конфигураций.
5. ВИДЕОСЕНСОРНЫЙ УЗЕЛ
Разработанный видеосенсорный узел имеет
структуру, показанную на рис. 1. В качестве дат
чика в видеосенсоре используется VGA CMOS
модульная камера ADCM – 2700 [25]. Она может
обеспечивать видеосъемку с разрешением от 60 ×
× 40 до 640 × 480 элементов при частоте кадров от
1 до 60 в секунду и 1–3 байтов на глубину цвета в
каждом элементе. Сжатия информации камера не
осуществляет, поэтому объем потока данных от
датчика определяется как произведение числа
элементов на число байтов глубины цвета и число
кадров в секунду. Энергопотребление камеры со
ставляет 24 мА при размере кадра 176 × 144 и
10 кадрах в секунду. В разработанном модуле ис
пользован кадр с разрешением 176 × 144 пикселя
и глубиной цвета 2 байта. При таких параметрах
съемки для передачи одного кадра необходимо
около 50 КБ полезной информации.
Взаимодействие между видеокамерой и прие
мопередатчиком осуществляет специально со
зданный блок обработки на основе микрокон
троллера STM32 [26], подключаемый в качестве
платы расширения к приемопередатчику. Внеш
ний вид модуля приведен на рис. 2.

6. 424
РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА том 60 № 4 2015
ДМИТРИЕВ и др.
Для передачи данных от видеокамеры к блоку
обработки используется стандарт BT.656 [27], а
для 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 полосе
3–5 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) осуществляет
микроконтроллер передатчика.
Центр сбора информации в сети содержит
компьютер и прямохаотический приемопередат
чик ППС 42 с интерфейсом USB 2.0 [28], исполь
зуемый в качестве базовой станции. Физическая
скорость передачи данных устройством ППС 42
по эфиру может достигать 24 Мбит/с, скорость
обмена данными с компьютером – 240 Мбит/с.
В экспериментах по передаче видеоданных ис
пользовалась физическая скорость передачи, рав
ная 3 Мбит/с. Реальная (фактическая) скорость
передачи данных определяется частотой посылки
пакетов.
6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ
ИССЛЕДОВАНИЯ
В процессе исследований проведены четыре
группы 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 созданного
устройства, предложенных алгоритмов, оценке
качества изображения и скорости обновления
кадров.
Передавался поток данных, поступающих с
видеомодуля. Для передачи по радиоканалу каж
дый видеокадр разбивали на фрагменты размером
128 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), сенсорный
узел с видеомодулем (б).

7. РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА том 60 № 4 2015
МУЛЬТИМЕДИЙНЫЕ СЕНСОРНЫЕ СЕТИ 425
на двум, что соответствовало фактической (реаль
ной) скорости передачи данных около 800 Кбит/c.
В ходе экспериментов была отлажена аппара
тура и продемонстрирован устойчивый прием
снимаемой и передаваемой по эфиру видеоин
формации.
Вторую группу экспериментов проводили в
коридоре кирпичного здания. Длина коридора
составляла 45 м, ширина – 4 м, высота – 5 м. Цель
исследований – определение максимальной даль
ностисвязиихарактерадеградацииизображенияна
предельных дальностях. Первый приемопередатчик
с подключенным к нему видеомодулем располагался
в 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 принятые
в ходе эксперимента при различных расстояниях
между передатчиком и приемником, показаны на
рис. 4. При расстоянии между передатчиками, не
превышающем 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 распознавание
объектов. Вероятность ошибки на бит составляет
не более 10–6
.
При дальнейшем увеличении расстояния каче
ство принимаемого сигнала постепенно ухудшает
ся. На кадре появляются полосы, искажающие
изображение, но объекты на картинке по преж
нему узнаваемы (рис. 4б). На расстоянии 25 м
число ошибок возрастает, вероятность ошибки на
бит достигает 10–4
и качество изображения резко
падает (рис. 4в).
В третьей группе экспериментов исследова
лась возможность работы видеосенсора в сети. В
качестве примера использована сеть, состоящая
из беспроводного узла видеосенсора, узла ре
транслятора и базовой станции.
Как и во второй группе экспериментов, пер
вый приемопередатчик с подключенным к нему
видеомодулем располагался в фиксированной
точке коридора. Второй приемопередатчик – ре
транслятор – располагался на расстоянии 5 м.
Третий приемопередатчик, подключенный к но
утбуку и выполняющий роль базовой станции
сбора 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 на
приемном конце. Расстояние между передатчиком и
приемником составляет 15 м (а), 20 м (б), 25 м (в).
7

8. 426
РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА том 60 № 4 2015
ДМИТРИЕВ и др.
устойчивый прием кадров с незначительным чис
лом искажений.
В четвертой группе экспериментов исследова
лась возможность передачи видеосигнала сквозь
стену. Для этого передатчик с сенсором распола
гался на расстояния 50 см от кирпичной стены
толщиной 1 м, а приемник (базовая станция) – по
другую сторону стены на расстоянии 2 м от нее.
Полученные изображения представлены на
рис. 5. На экране компьютера наблюдается четкое
устойчивое изображение.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
По сравнению с классическими беспроводны
ми сенсорными сетями, мультимедийные работа
ют с датчиками, собирающими из окружающей
среды значительно большие объемы информа
ции.
По своим возможностям платформы для
мультимедийных (видео) сенсорных узлов мож
но условно разделить на три группы: платформы
легкого класса, платформы среднего класса и
платформы тяжелого класса.
Платформы легкого класса имеют минималь
ные вычислительные возможности и скорость
передачи данных. Они оснащены датчиками с
объемом снимаемой информации до нескольких
десятков Кбит/с, которая без обработки переда
ется по низкоскоростному радиоканалу. Стан
дартным радиоканалом для них можно считать
канал на основе ZigBee с максимальной физиче
ской скоростью передачи 250 Кбит/с в топологии
“точка–точка”. Эти платформы характеризуются
низким потреблением энергии (до 50–100 мВт).
Платформы среднего класса имеют более
мощные по сравнению с платформами легкого
класса вычислительные средства и память, ис
Рис. 5. Кадр видеоданных, воспроизведенный на приемном конце при передаче сигнала через стену.

9. РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА том 60 № 4 2015
МУЛЬТИМЕДИЙНЫЕ СЕНСОРНЫЕ СЕТИ 427
пользуемые для локальной обработки собираемых
датчиками данных, но, как и платформы легкого
класса,используютнизкоскоростныерадиоканалы.
Энергопотребление сенсорных узлов среднего
класса выше, чем у сенсорных узлов легкого клас
са (несколько сотен мВт).
Платформы тяжелого класса имеют большие
вычислительные 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 среднего
класса) является низкая пропускная способность ра
диоканала при приемлемом потреблении энергии.
Для решения этой проблемы в данной работе
предложено использовать беспроводные сенсор
ные узлы на основе сверхширокополосных прямо
хаотических приемопередатчиков. Физическая
скорость передачи между такими узлами составляет
несколько Мбит/с, что значительно превышает ми
нимальные требования к скорости передачи в
1 Мбит/с (разд. 3).
Предварительные оценки показали, что ис
пользование приемопередатчиков на основе
сверхширокополосных хаотических радиоим
пульсов дает возможность передавать мультиме
дийную информацию в беспроводных сенсорных
сетях с различными топологиями и со значительно
болеенизкимэнергопотреблением,чемвсуществу
ющих решениях на базе узкополосных систем.
Для экспериментальной проверки получен
ных оценок был создан беспроводной сенсорный
узел с видеомодулем и проведены эксперименты
с ним. В процессе экспериментов были проде
монстрированы реальная скорость передачи
видеоданных в топологии “точка–точка” до
800 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 в
топологии “точка–точка” 1600 Кбит/с.
Энергопотребление приемопередатчика при
работе 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 раз
повысить скорость передачи данных в мультиме
дийных сенсорных сетях легкого и среднего класса
и тем самым существенно расширить спектр ре
шаемых ими задач.
Работа выполнена при частичной финансовой
поддержке Российского фонда фундаментальных
исследований (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. by
Tjondronegoro 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. // Computer
Networks. 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 Time
Systems. 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 Wearable
and 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*

10. 428
РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА том 60 № 4 2015
ДМИТРИЕВ и др.
01–03 Nov. 2006. N.Y.: Association for Computing
Machinery, 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 Wireless
Personal Area Network’s (WPANs). Used in or around
Body. N.Y.: IEEE, 2010.
24. Federal Communications Commission (FCC) News
Release. Washington: FCC, 14 Feb. 2002. http://
www.fcc.gov/headlines2002.html
25. Agilent ADCM 2700 VGA CMOS Camera Module
Technical Reference Manual. Santa Clara: Agilent
Technologies 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 сверхширокополосных
приемопередающих систем. Диc. … канд. физ.
мат. наук. М.: ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН,
2013. 126 с.