基于分布式視頻編碼的WMSN節(jié)點能耗

劉曉文， 縱 鑫， 袁莎莎， 俞 嘯

(中國礦業(yè)大學(xué) 信電學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)(WMSN)目前已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到各監(jiān)控領(lǐng)域。WMSN中的節(jié)點應(yīng)該具備功耗低、體積小等特點，要求節(jié)點可以利用自備電池進行較長時間的工作。關(guān)于多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗問題，現(xiàn)階段在圖像壓縮算法和網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)上都開展了大量的研究工作[1-4]。

一般的WSN節(jié)點的能耗分布呈“聚集”態(tài)，能耗分布集中在無線數(shù)據(jù)收發(fā)過程中[5]。WMSN節(jié)點能耗分布呈“均勻”態(tài)，由于視頻、音頻、圖像等多媒體信息量大，消耗了較多的數(shù)據(jù)采集和處理的能量數(shù)據(jù)，所以采集、處理、存儲器訪問、無線通信方面的能耗大致一樣[6]。故研究視頻壓縮方法用于WMSN節(jié)點來降低節(jié)點的“無線傳輸”和“信息處理”能耗很有必要。

分布式視頻編碼DVC具有低復(fù)雜度、低存儲、低能耗等特點，非常適合于計算復(fù)雜度和能量受限的WMSN的需要[7]。文中首先對DISCOVER分布式視頻編碼方案和節(jié)點的能耗模型進行研究，然后進行實驗仿真，對比DISCOVER DVC方案與H.264幀內(nèi)編碼算法在節(jié)點的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸方面能耗，并對仿真結(jié)果進行了分析。

1 分布式視頻編碼框架

在2002年，一些研究組開始根據(jù)上世紀(jì)70年代提出的Slepian-Wolf定理和Wyner-Ziv定理這兩個信息理論，對視頻編碼的問題進行了研究[8-9]。目前，他們已經(jīng)研究出了幾種分布式視頻編碼(DVC)框架。

DISCOVER編碼器是目前已知效率最高的Wyner-Ziv編碼器之一[10-11]。圖1為DISCOVER Wyner-Ziv視頻編解碼框架圖[12]，是在早期斯坦福大學(xué)Wyner-Ziv視頻編解碼器結(jié)構(gòu)上的改進，使用了LDPC編碼和CRC校驗[13]。

圖1 DISCOVER Wyner-Ziv視頻編解碼框架圖

2 節(jié)點能耗分析

2.1 通信模塊能耗

在無線通信中，發(fā)射功率隨著傳輸距離的增大而呈指數(shù)衰減。選用自由空間(Free Space)信道模型和多路徑衰減(Multi-path Fading)信道模型進行建模[14]。當(dāng)傳輸距離d小于某個值d0時，發(fā)射功率呈d2衰減，采用自由空間模型；當(dāng)傳輸距離d大于等于某個值d0時，發(fā)射功率呈d4衰減采用多路徑衰減信道模型。在這種模型下，將k位數(shù)據(jù)傳送距離d的收發(fā)能耗可表示為：

發(fā)送能量：

ETx(k,d)=ETx-elec(k)+ETx-amp(k,d)=

(1)

接收能量

ERx(k)=ERx-elec(k)=kEelec

(2)

其中：Eelec是基于數(shù)字濾波器、編碼、模型等電路的收發(fā)器線路之間的能量消耗；放大器的能量消耗εfsd2和εmpd4在可接受的容錯率下，取決于傳輸?shù)木嚯x；一般情況下，Eelec=50 nJ/bit，εfs=10 pJ/bit/m2，εmp=0.001 3 pJ/(bit·m4)，d0=87 m。

2.2 處理器能耗模型

基于CMOS技術(shù)的處理器功耗主可分為：動態(tài)功耗Pd，由電容充放電導(dǎo)致；漏電功率Pleak，由漏電流導(dǎo)致[15]。

動態(tài)功耗的模型為

(3)

因為CPU功耗幾乎來源于動態(tài)功率，所以CPU工作狀態(tài)下的總功率Pact可近似為

(4)

若N為完成某個處理任務(wù)所占用的CPU時鐘周期數(shù)，則處理該任務(wù)所需能耗為

(5)

其中，CL=0.67 nF。

3 實驗仿真與分析

在無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中，多媒體傳感器節(jié)點能量有限，不適合進行過于復(fù)雜的運算，本實驗選擇H.264幀內(nèi)編碼方案與Discover小組的分布式視頻編碼方案進行對比實驗。選擇標(biāo)準(zhǔn)的視頻序列，在不同的PSNR條件下，對節(jié)點圖像處理能耗和數(shù)據(jù)傳輸能耗進行實驗仿真和對比分析。

3.1 實驗環(huán)境和步驟

實驗選擇標(biāo)準(zhǔn)視頻序列Container序列，視頻圖像尺寸為QCIF(176×144)，視頻幀率為15 f/s，硬件仿真環(huán)境：Intel 2.0 GHz處理器，512 MB內(nèi)存，軟件仿真環(huán)境：Vmware8.0，Red hat Enterprise Linux 6.0。

在Red hat Linux操作系統(tǒng)下關(guān)閉所有空閑應(yīng)用程序的條件下，分別運行H.264視頻編碼器和Discover WZ編碼器，配置H.264視頻編碼器進行幀內(nèi)編碼。統(tǒng)計這兩種編碼器在不同量化等級下的編碼時間、輸出碼率以及解碼后的圖像平均峰值信噪比。

3.2 仿真結(jié)果與分析

3.2.1視頻處理能耗

根據(jù)式(5)，視頻處理能耗主要取決于CPU的時間消耗上，編碼算法占用CPU的時間越少能量消耗就越低。這里取每一幀圖像的平均編碼時間來對比，兩種編碼方案消耗時間的仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 編碼方案消耗時間

根據(jù)仿真平臺的選擇，將編碼時間的仿真結(jié)果代入式(1)可以得到視頻處理的能耗，這里的供電電壓Udd=1.3 V,時鐘頻率f=2 GHz。兩種編碼方案的處理器能耗與PSNR的仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 處理器能耗

對圖3進行分析，在相同的PSNR的條件下，相比于H.264幀內(nèi)編碼方案，分布式視頻編碼方案編碼速度更快，可以節(jié)省更多的視頻處理能耗。

3.2.2視頻通信能耗

根據(jù)式(1)，視頻通信部分消耗的能量在實際應(yīng)用中通信部分的能耗是由通信距離和通信的數(shù)據(jù)量決定的。通信距離一定的條件下，節(jié)點通信部分消耗是由節(jié)點輸出碼率決定的。這里首先對兩種視頻編碼算法的編碼壓縮率進行仿真分析。仿真結(jié)果如圖4所示。

仿真結(jié)果表明，分布式視頻編碼算法比H.264幀內(nèi)編碼算法具有更好編碼效率，通信距離d=80 m時，將相應(yīng)碼率代入式(1)，結(jié)果如圖5所示。

圖4 壓縮后比特率曲線圖

圖5 傳輸能耗(d=80 m)

根據(jù)仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在視頻傳輸方面，分布式視頻編碼方案相比于H.264幀內(nèi)編碼方案，消耗的能量更少。

4 結(jié) 語

(1) 在編碼復(fù)雜度方面，DISCOVER DVC方案要優(yōu)于H.264幀內(nèi)編碼方案，DISCOVER DVC方案編碼一幀圖像所需要的時間是H.264幀內(nèi)編碼方案幾十分之一，所以在視頻數(shù)據(jù)處理方面，可以節(jié)省大量的CPU能耗。

(2) 在輸出碼率方面，DISCOVER DVC方案要優(yōu)于H.264幀內(nèi)編碼方案，DISCOVER DVC方案可以消除幀間圖像數(shù)據(jù)冗余信息，達到更高的壓縮效率，從而降低了節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸能耗。

綜上所述，在視頻傳感器節(jié)點中應(yīng)用DISCOVER DVC方案來實現(xiàn)視頻信號的編碼和傳輸可以實現(xiàn)節(jié)省能量消耗的目的。進一步對DISCOVER DVC方案在節(jié)點上的應(yīng)用進行設(shè)計和優(yōu)化，可達到更好的節(jié)能效果。

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