Redes de Sensores Sem Fios de Multimédia
Arquitectura Típica da Rede
O desenho duma arquitectura de redes de sensores deve atender aos factores que vão influenciar, num futuro próximo, a capacidade desta escalar e se tornar cada vez mais autónoma. Muitas das propostas referenciadas por diversos autores baseiam-se numa arquitectura homogénea, i.e., todos os sensores são iguais e programados para correr exactamente as mesmas tarefas, inter-operando somente com os sensores que lhes são adjacentes. No entanto, há que atender a vários outros factores que potenciam as WMSN. Topologias demasiado horizontais que atendem unicamente à escalabilidade ou à autonomia não são, por vezes, as mais adequadas na gestão de informação produzida por aplicações multimédia.
Introduz-se, na Fig. 1, a arquitectura das WMSN que se toma como referência neste artigo, cuja topologia é constituída por três sub-redes de sensores com características diferentes. Na sub-rede (a), podem-se observar sensores de vídeo agregados numa única camada homogénea; na (b), novamente uma única camada, um cluster heterogéneo de sensores e, na sub-rede (c), à direita, são representados três clusters (heterogéneos) de sensores hierarquizados em três camadas distintas, em que cada camada é responsável por um determinado subset de funcionalidades. Quer-se com o referido demonstrar que, na realidade, tanto é possível desenhar uma arquitectura em que exista um conjunto de redes constituídas unicamente por uma camada homogénea de sensores, como optar por um desenho mais sofisticado em que se hierarquiza a arquitectura em multi-camadas heterogéneas de sensores, tendo sido já demonstrado em [1] que esta última solução é, de facto, a melhor no que diz respeito à aquisição e ao processamento de conteúdo multimédia (especificamente, em aplicações de videovigilância). É argumentado e demonstrado que tal arquitectura tem vantagens consideráveis em termos de escalabilidade, custo, cobertura, funcionalidade e fiabilidade.
Figura 1 – Arquitectura de referência de uma rede de sensores multimédia sem-fios. [2]
Principais Componentes
Os vários componentes de uma WMSN (e suas funcionalidades) são apresentados na lista que se segue, começando na extremidade mais inferior da arquitectura, onde é realizada a aquisição, e acabando na extremidade oposta, nos utilizadores, que remotamente, através da Internet, podem aceder à rede, gerir e consultar a informação proveniente dos sensores.
Sensores de Áudio e Vídeo. Estes sensores são os responsáveis pela aquisição de som, imagens e/ou vídeo, tipicamente, de baixa resolução.
Sensores escalares. Estes sensores têm como função a aquisição de informação acerca de atributos físicos ambientais, tais como a temperatura, a pressão, e a humidade.
Hubs de processamento multimédia . Estes dispositivos, em comparação com os dois tipos anteriores, têm maior capacidade computacional e destinam-se a agregar informação proveniente dos sensores áudio e vídeo de forma a reduzir substancialmente o volume de informação a enviar para o sink e/ou hubs de armazenamento.
Hubs de armazenamento . O conteúdo multimédia é disponibilizado a determinadas aplicações em tempo-real e a outras após um pré-processamento dos dados adquiridos (ou até somente por consulta). Estes dispositivos permitem reter a informação que não é requerida em tempo-real, podendo ser consultada e processada localmente (antes de ser enviada) para identificar características importantes da informação adquirida.
Sink . Este dispositivo é responsável pela tradução das consultas feitas por utilizadores com acesso à rede, em directivas específicas da rede e pela transmissão do resultado proveniente dessas mesmas directivas de volta ao utilizador.
Gateway . Este é o único dispositivo que tem endereço IP e representa a porta de acesso à Internet. Mapeia, geograficamente, uma estimativa da área da WMSN pertencente à plataforma a ser acedida pelo exterior, alocando as diferentes directivas aos sinks apropriados.
Utilizadores. São tipicamente caracterizados pela sua capacidade de acesso à rede de sensores e identificam-se pelos seus endereços IP. Comunicam com a rede através de aplicações que emitem directivas e recebem dados provenientes da WMSN.
Factores de Desenho
Uma rede de sensores multimédia sem-fios é constituída por sensores em que os seus componentes básicos de aquisição são apresentados na Fig. 2. Normalmente, e como a sua composição não é de todo normalizada, as unidades responsáveis pelas diversas funções do sensor variam de fabricante para fabricante. No entanto, é tomada esta arquitectura como referência.
Figura 2 - Arquitectura de um sensor multimédia. [2]
Os sinais analógicos produzidos pelas unidades de aquisição dos sensores, são convertidos para o domínio digital
e transmitidos à unidade de processamento multimédia do cluster (ver Fig.1). Esta, por sua vez, executa o
software do seu sistema, responsável pela coordenação dos diversos sensores e pelas tarefas de comunicação com
a interface da unidade de armazenamento da rede. O sub-sistema de comunicação do sensor é constituído por uma
pequena antena e software responsável por efectuar a comunicação da informação adquirida dentro e fora do sensor
(protocolos de comunicação,
Apresentam-se, seguidamente, os factores mais importantes que influenciam o desenho de uma WMSN:
Recursos limitados. Os sensores são dispositivos limitados em termos de energia, memória, capacidade computacional e taxa de débito.
Capacidade variável do canal. A capacidade do canal varia de acordo com a interferência que existe no meio em que se estabelece a transmissão. Ora, como em redes sem-fios o canal é o ar e a interferência neste meio de transmissão é, tipicamente, significativa, a capacidade da ligação e o atraso dependem da localização da rede, dificultando assim, o aprovisionamento de qualidade de serviço.
Largura de banda. No âmbito das WMSN, existem aplicações que requerem uma largura de banda significativamente grande (para redes deste tipo), tais como o streaming de conteúdo multimédia. Logo, do ponto de vista da transmissão, há que usar tecnologias e técnicas que permitam atingir débitos elevados, consumindo pouca energia. Ver-se-á mais à frente que a tecnologia de transmissão UWB (UltraWide-Band) é promissora neste contexto.
Técnicas de codificação. Os típicos codificadores de vídeo baseiam-se em técnicas de compressão que permitem explorar a redundância espacial, em cada imagem a ser codificada, assim como a redundância temporal entre imagens (codificação preditiva com estimação de movimento). No entanto, para que a compressão seja bastante eficiente, estes codificadores precisam de ser algo complexos, implicando um elevado consumo de energia, o que, por vezes, uma rede de sensores sem-fios multimédia de baixo consumo não está disposta a pagar. Técnicas que permitissem alocar, de certa forma, a complexidade do codificador em dispositivos mais capazes, em termos computacionais e de energia, seria, de facto, o ideal.
Processamento multimédia na rede. O processamento e a distribuição do conteúdo multimédia são dois mecanismos inter-dependentes, em que a sua própria interacção pode ter um impacto importante na qualidade de serviço. Esta depende de uma boa combinação entre a optimização do processo comunicativo e de partilha do meio de transmissão e o processamento do conteúdo multimédia que ocorre na rede e que tem em vista, por exemplo, a aquisição de múltiplas vistas (vários sensores a adquirir de perspectivas diferentes) e a agregação das mesmas num único stream a enviar para o sink. Logo, é necessário o desenvolvimento de arquitecturas que são independentes à aplicação e que se organizem autonomamente, para que, com alguma flexibilidade, a rede possa processar conteúdo multimédia.
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