Aquisição

Existem no mercado inúmeras câmaras de alta resolução capazes de realizar um número significativo de funções que só as aplicações mais sofisticadas requerem. No âmbito destas aplicações, é possível desenhar uma arquitectura capaz de arcar com camadas destes dispositivos de aquisição de alta qualidade que gastam demasiada energia. No entanto, o objectivo deste artigo é o de divulgar a tecnologia de aquisição que tem em conta o trade-off entre o gasto de energia e a qualidade da aquisição mais apropriado às WMSN. Neste caso, e em muitos outros, é sabido que o vídeo é a componente do conteúdo multimédia que mais processamento requer e que mais pesa numa comunicação áudio-visual, sendo por isso que se dá aqui mais importância à aquisição desta componente.

Sensores de aquisição vídeo. A investigação na área da tecnologia de aquisição vídeo, disponibilizou recentemente a tecnologia CMOS imaging sensors [3] que permite a aquisição e o processamento de imagens num único chip, eliminando, desta forma, a necessidade da utilização da anterior tecnologia (CCD – Charged-Coupled Device) que requeria bastantes mais sensores e energia. Estes sensores CMOS começam a aparecer no mercado em força, sendo prova disso, a sua utilização em telemóveis, PDA's e outros produtos comerciais. Esta tecnologia permite integrar uma lente, um sensor de imagem e algoritmos de processamento de imagem, tudo integrado no mesmo chip. Em comparação com CCD, os sensores CMOS consomem menos energia, são menores e mais leves, tornando-se assim a tecnologia mais adequada na interface de aquisição de uma rede de sensores multimédia sem-fios.

Processamento Multimédia

O processamento multimédia duma WMSN é realizado ao nível da camada aplicacional do sistema. Como se pode observar na Fig. 2, parte do processamento ocorre localmente no sensor (na componente em que está embebido o software e o middleware) e a restante parte, de forma distribuída, onde os vários dispositivos da rede, principalmente os hubs de processamento multimédia, têm um papel determinante neste processamento colaborativo, como poderemos ver mais à frente. Subsiste alguma flexibilidade neste processamento uma vez que não existe uma norma que determine como este deve ser executado nas WMSN. Portanto, nesta subsecção apresentam-se as tecnologias da camada aplicacional mais relevantes no âmbito deste artigo (tendo sempre em conta as classes de tráfego típicas de uma WMSN – Tabela 1) e do desenho duma arquitectura de rede deste tipo.

Técnicas de Codificação Multimédia. Os principais objectivos de desenho de um codificador duma WMSN são:

• Eficiência na compressão. É extremamente importante existir uma elevada taxa de compressão da informação adquirida, pois a largura de banda para transmitir e a energia são recursos limitados.

• Baixa complexidade. . Uma vez que os codificadores de fonte estão embebidos nos sensores, se estes forem o menos complexos possível, fará reduzir o custo e o consumo de energia dos mesmos.

• Resiliência a erros. O codificador de fonte deve fornecer uma protecção robusta e resiliente a erros na codificação da informação adquirida.

Para as aplicações tipicamente tradicionais, o estado da arte no âmbito da compressão de vídeo implica o uso de codificadores que são cinco a dez vezes mais complexos que os descodificadores [4] com o intuito de reduzir drasticamente o débito gerado pelo codificador, explorando as características redundantes e irrelevantes da fonte. Neste paradigma, destacam-se as técnicas de codificação ISO MPEG e as ITU-T H.263 e H.264 em que a complexidade dos codificadores deve-se ao facto de existirem funcionalidades computacionalmente caras, tais como a codificação preditiva com estimação de movimento, que consomem grandes quantidades de energia. Ora, para desenvolver sensores multimédia sem-fios de baixo consumo e custo, seria importante continuar a usar-se uma tecnologia que mantivesse uma eficiência elevada na compressão de vídeo, mas usasse, efectivamente, codificadores simples.

Felizmente, Slepian & Wolf, na codificação lossless e Wyner & Ziv, na codificação lossy, realizaram importantes avanços na Teoria de Informação que lhes permitiu demonstrar que a mesma eficiência de compressão, do paradigma tradicional, poderia ser também atingido se o descodificador tivesse conhecimento das estatísticas do sinal da fonte. Desta forma, a complexidade que tipicamente se destacava como sendo característica do codificador, passa a estar presente no descodificador, simplificando a arquitectura do primeiro [4]. Técnicas que se baseiem nesta premissa são normalmente relacionadas com o conceito de codificação distribuída, em que uma entidade central, normalmente o sink, acopla o descodificador, responsável pela maior parte do processo de “codificação”.

Claramente, técnicas como esta são promissoras no contexto das WMSN. Porém, não se descarta a ideia de que as tecnologias evoluem e que a complexidade volte novamente aos codificadores, no entanto, a questão do consumo de energia colocar-se-á sempre que a autonomia estiver na senda do desenvolvimento de redes deste tipo e a tecnologia de armazenamento e consumo de energia não tiver evoluído o suficiente para acompanhar a computação.

Processamento multimédia colaborativo. Técnicas colaborativas de processamento multimédia são extremamente interessantes no âmbito das WMSN. É necessário o desenvolvimento de arquitecturas e algoritmos que permitam operar as funcionalidades da rede e ter um baixo consumo ao mesmo tempo. Deseja-se, com esta colaboração, limitar ao máximo o tempo de processamento e transmissão de grandes streams para o sink, uma vez que a rede é limitada no suporte e comunicação de informação. As WMSN, por natureza, requerem algoritmos de processamento que são computacionalmente complexos (por exemplo, detecção de intrusos e a sua localização num dado espaço) para extrair o máximo de informação útil e/ ou, apenas, para efectivar a compressão do sinal PCM. Fica por responder, portanto, se este processamento poderá vir a ser, num futuro próximo, realizado nos próprios sensores ou em hubs de processamento multimédia, como o que tomamos como referência na arquitectura da Fig.1.

Comunicação

Camada de Transporte. A camada de transporte assume um papel importante nas aplicações que usem uma alta taxa de transmissão de dados, devido ao facto de fornecerem uma comunicação ponto-a-ponto fiável e com mecanismos de controle de congestionamento.

Nas aplicações de multimédia há uma maior preocupação em diminuir o atraso do que garantir a fiabilidade na transmissão dos dados. Tal factor implica que o protocolo UDP seja mais requisitado para ser empregue neste tipo de interacções.

RTP (Real-time Protocol) é utilizado no contexto das redes de sensores de multimédia sem fio, sobre UDP de forma a fornecer várias funcionalidades tais como integração de imagens diferentes numa única imagem composta e largura de banda escalável. Nas redes de sensores de multimédia sem fios é expectável que os pacotes sejam bastante comprimidos na origem e que a redundância seja reduzida ao máximo devido à elevada sobrecarga de transmissão nos nós com energia limitada. Perante estas condições algumas características, tais como a heterogeneidade do tráfego e o efeito de perda de pacotes, deverão ter uma abordagem diferente perante as redes de sensores de multimédia sem fios. Alguma fiabilidade que só o TCP poderá fornecer poderá ser introduzida em alguns dos pacotes nestes tipo de redes de modo a evitar rupturas visualmente perceptíveis do conteúdo multimédia. Assim, o TCP ganha mais força para ser usado neste tipo de redes. Existem, já implementadas, soluções para transportar MPEG vídeo em TCP, numa forma não tão abrupta como o protocolo exige na sua integra, de forma a evitar as rupturas mencionadas.

Camada de Rede. A camada de rede tem como grande desafio fornecer garantias de QoS, dependendo se o fluxo transporta informação independente do tempo, tal como configurações ou inicialização de parâmetros, largura de banda elevada, etc. Por vezes, respeitar as condições que as transmissões em tempo real exigem e seguir as regras da fiabilidade nas transmissões podem parecer objectivos contraditórios. Todavia, reduzir o atraso em cada link e estabelecer algoritmos de encaminhamento com base nas condições do canal local pode ajudar a aliviar este problema. O protocolo MMSPEED (Multi-Path and Multi-Speed) fornece um bom equilíbrio entre os dois objectivos mencionados anteriormente e que é aplicável numa rede de sensores sem fios.

Já os protocolos baseados na contenção livre podem suportar de uma forma mais eficaz as transmissões de multimédia. O TDMA (Time Divison Multiple Access) é um representante desta classe de protocolos. Geralmente, no TDMA, o pacote é ordenado por um pequeno período de reserva (RP), baseado em métodos de contenção, seguido por um período de contenção livre que abrange o resto do pacote. Para a transmissão de vídeo em tempo real, os pacotes estão limitados em termos de tempo o que implica que políticas de escalonamento devam ser adoptadas.

Os nós sensores são muitas vezes limitados pela sua taxa máxima de transmissão de dados. A duração da transmissão pode ser variável dependendo da sua classe de tráfego de multimédia. Assim, quando na rede está presente um tráfego heterogéneo um sistema de TDMA variável (TDMA-V) deve ser o eleito para suportar de uma forma mais eficaz as transmissões de multimédia.

Ao contrário do TDMA, que se destina exclusivamente à reserva do canal com base no tempo, os sistemas de antena MIMO (Multiple Input Multiple Output) implementam técnicas de cancelamento de interferência, onde cada sensor pode funcionar como uma única antena, partilhando informação e, assim, simular o funcionamento de múltiplas antenas.

Transmissão

Camada MAC. As duas principais funções da camada MAC são o controlo do canal e o controlo de erro e sistemas de recuperação. Existem várias abordagens para a regulação do acesso ao canal baseadas na contenção que são regulamentadas por vários protocolos de contenção para as redes de multimédia sem fios. A maior parte deste tipo de protocolos, como o S-MAC, são limitados no ponto de vista da transmissão de multimédia, devido ao facto da principal preocupação destes protocolos ser a poupança de energia, o que provoca a latência e a degradação do throughput.

Camada Física. Neste tópico será conveniente discutir principalmente a implementação da técnica de transmissão UWB (Ultra Wide Band), por ser considerada a mais adequada para redes de sensores de multimédia. Tal contemplação deve-se ao facto desta tecnologia possibilitar o baixo consumo e energia e uma alta taxa de comunicação entre nós que estejam a uma distancia de dezenas de metros.

Existem duas principais variantes do UWB. A primeira, TH-IR-UWB (Time-Hopping Impulse Rádio UWB) é baseada no envio de pulsos de curta duração (na ordem das centenas de picosegundos) para transmitir informação. O tempo é dividido em janelas que são compostas por vários chips de pouca duração. Cada transmissor apenas envia um pulso num chip por cada janela e o acesso múltiplo é fornecido por sequências de saltos de tempo aleatório que determina em que chip cada utilizador deve transmitir.

Outra abordagem é o MC-UWB (Multi-Carrier UWB) que usa múltiplos portadores em simultâneo e é, geralmente, baseado em OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Esta variante é adequada para evitar interferência devido ao facto das suas frequências portadoras podem ser escolhidas de uma forma precisa de forma a evitar a interferência de sistemas de banda estreita. Embora a tecnologia de transmissão UWB esteja a sofrer uma evolução impetuosa, muitos desafios devem ser resolvidos para que os dispositivos de UWB das redes de múltiplos saltos sejam implementados. Apesar de alguns esforços recentes terem vindo a serem delineados nesta direcção, a forma de partilhar informação multimédia em redes de múltiplos saltos com a técnica de UWB continua a ser uma questão em aberto. É necessário reforçar a investigação no desenho da arquitectura para suportar QoS em redes sensores de multimédia sem fios.