Telsiz Çoklu Ortam Duyarga Ağlarında Dayanıklı İmge İletimi

Abstract

Telsiz haberleşmesi ve mikro-elektromekanik sistem (MEMS) teknolojisindeki son gelişmeler telsiz çoklu ortam duyarga ağları (WMSN) diye isimlendirilen yeni bir haberleşme ağı teknolojisini beraberinde getirmi¸stir. WMSN, ortamlardan çoklu ortam veri toplama yanında, toplanan veriyi işleme yetenegine de sahip, karmasık nitelikleri olan duyarga dügümlerini içerir. WMSN toplanılan çoklu ortam verilerinin (imge, video, ses vb.), etkin bir ¸sekilde merkez dügüme ulastırılmasından sorumludur. Bu sayede bütünleyici metal oksit yarıiletken (CMOS) kameralar ile birlikte insanların giremedigi alanlarda çoklu ortam veri algılaması gerektiren bir çok yeni uygulama alanlarına olanak vermektedirler. Askeri amaçlı sınır güvenligi, hedef takibi, çevre denetleme ve boru hattı izlenmesi gibi kritik uygulamalar bunların arasında yeralır. Çoklu ortam tabanlı uygulamaların ihtiyaç duydukları servis kalitesi (QoS), bant genisligi, çoklu ortam kodlama teknikleri gibi faktörlere baglıdır. Fakat enerji, bellek, islem gücü, iletim hızı gibi kısıtları olan telsiz duyarga dügümleri üzerinde çoklu ortam verilerinin uygulama gereksinimlerini karsılamak oldukça zor bir görevdir. Bu tez özellikle kayıplı ve yüksek hata olasılıklı WMSN üzerinden uygulamanın ihtiyaç duydugu servis kalitesini saglayan imge iletimine odaklanmaktadır. Uygulamanın ihtiyaç duydugu servis kalitesini elde etmek için, imgenin niteliklerini de gözönüne alan özkaynakları en etkin sekilde kullanan yeni algoritmalarla donatılmıs, servis kalite destegi veren protokoller önerilmektedir. Bu amaçla, telsiz ortamın imge haberlesmesi üzerindeki etkisi incelenmistir. İletim kanalında karsılasılan sorunlar, tıkanıklık, tampon tasmaları ve duyargaların yazılım/donanım yetersizlikleri nedeniyle olusan veri kayıpları, iletilen imgenin kalite düzeyinin hedef uygulamanın Kabul edebilecegi imge kalitesinin altına düsmesine neden olmaktadır. Bu nedenle, otomatik yineleme istegi (ARQ), anında hata düzeltme (FEC) ve perdelemeli hata düzeltme (EC) gibi tekniklerin imge kalitesinin arttırımına etkileri derinlemesine incelenmistir. Hata düzeltme ve çoklu-yol yöntemleri birlestirilerek uygulamanın talep ettigi daha güvenilir ve yüksek debili veri iletimi saglanmaktadır. Bu baglamda, önerilen iletim tekniklerinin kanal hata oranına baglı olarak, paket kayıp analizi yapılmıstır. Basarım sonuçları EC metodunun çoklu-yol yöntemleriyle birlestirilmesinin en iyi imge görüntü kalitesiyle sonuçlandı˘gını göstermektedir. Bu nedenle, EC metodlu çoklu-yol yöntemlerinin farklı çıkıs gücü ve uzaklık gibi fiziksel katman parametleriyle davranıslarının, imge iletim performansı üzerinde etkileri incelenmistir. Önerilen tekniklerin kısıtlı kaynaklı WMSN üzerinde kullanılabilirligini göstermek amacıyla, enerji tüketim degerleri analiz edilmistir. Enerji tüketimleri ve kazanılan görüntü kalitesi arasındaki ili¸ski, yeni önerilen bir metrik olan Enerji-Kalite-Indeksi (EQI) aracılıgıyla da verilmistir. QoS temelli WMSN uygulamalarının gereksinimlerini temin edebilmek için, imge karakteristiklerinin, duyarga agları haberlesme protokollerine entegre edilmeleri gereklidir. Bu baglamda kanal hata ve dügüm ölümlerine baglı olarak iki imge kalite degerlendirme ve kestirim teknigi önerilmistir. Bu teknikler, uygulama katmanı servis gereksinimlerinin daha alt haberlesme katmanlarındaki sistem parametrelerinin belirlenmesine olanak vermektedir. Örnegin, uygulama katmanında ki istenilen imge kalitesinden, veri bagı katmanında ki yeniden iletim sayısı veya ag katmanında kullanılan yol sayısı belirlenebilir. Yapılan bütün performans degerlendirmeleri ve önerilen yeni imge kalite kestirim tekniklerinin vasıtasıyla, etkin bir imge aktarım sistemi önerilmistir. Önerilen system imge kalitesini ve aktarım için harcanılan enerjiyi optimize etmektedir. Sistemde uygulama katmanı tarafından istenilen imge kalite degeri, doruk sinyal gürültü oranı (PSNR) cinsinden verilir. Sistem bu oranı gözeterek imgenin vakitlice hedefe iletilmesini saglar. Ayrıca imge iletimi sırasında uygulama katmanının bekledigi kaliteye göre yollar belirlenir. Bu amaçla iletilecek imgenin içerigine baglı olarak paketler kaynakta önceliklendirilir. Ayrıca iletimde kullanılacak yollara karar verilmesinde imge kalite farkındalıgını saglayan bir yönlendirme algoritması (IQAR) önerilmistir. IQAR algoritması imgenin istenilen kalite ile iletilmesini saglarken, aynı zamanda agdaki duyarga dügümlerinin enerji tüketimini de dengeleyerek agın ömrünün uzamasına neden olmaktadır.

With the recent advances in Micro Electro-Mechanical Systems (MEMS), imaging sensors, and cameras, wireless multimedia sensor networks (WMSN) have been proposed and drawn the immediate attention of the research community. A Wireless Multimedia Sensor Network (WMSN) is a next generation WSN which is especially designed to retrieve and transmit multimedia content such as video and audio streams, still images, and scalar sensor data from erroneous environments. These networks enable several new complex applications, such as target tracking, multimedia surveillance, image acquisition and classification, environmental monitoring, and disaster prevention. However, multimedia based applications are influenced by several factors such as application-specific Quality of Service (QoS) requirements, high bandwidth demand, and multimedia-coding techniques. Due to limited power resources, storage, computation, and communication capability of the sensor nodes, multimedia communication fulfilling the application layer QoS requirements over lossy wireless links is a challenging task. This thesis specifically focuses on the robust delivery of image data over lossy and error prone WMSN. In order to satisfy the QoS requirements of the application in terms of image perceptual quality and timeliness, we propose a bulk of new approaches and protocols considering the characteristics of the image data. The impact of the wireless environment on image communication performance is analyzed so as to propose more accurate solutions. Due to transmission distortions induced by channel problems, congestion, buffer overflows, energy, software/hardware malfunctions, image communication performance may not be acceptable for QoS based WMSN applications. Hence, a comprehensive analysis of the error correction techniques including Forward Error Correction, Automatic Repeat Request (ARQ) and watermarking based error concealment (EC) is done to compensate the image distortions at the expense of incurring additional energy consumption and/or wasting bandwidth resources. Their integration with several multipath techniques are also given to achieve the QoS requirements such as reliability and high data rate along error prone and bandwidth constrained wireless channels. A general packet loss model of the transmission techniques is analyzed depending on the channel error rate. This model provides to convey the benefit that is gained using multipath transmission. The performance results expose that multipath techniques with EC method are greatly capable of restoring corrupted images. Hence, these techniques are comprehensively investigated in terms of output power and distance which leads to a deeper understanding of the impact of physical layer parameters on the image communication performance. Additionally, in order to verify the usability of the proposed techniques in resource constrained WMSN, their energy consumption are intensely analyzed. Moreover, the energy costs for gaining robustness are presented in terms of a metric proposed in this work naming Energy Quality Index (EQI). This metric considers trade-off between image quality and energy consumption. To satisfy the QoS based WMSN applications, the characteristics of the multimedia data are integrated with the communication architecture of the sensor networks. Two novel image quality evaluation metrics have been proposed to obtain the predicted quality of the image depending on the channel errors and node failures, which provide the accurate mapping from the application layer QoS requirements to the lower layer system parameters. These metrics are used for the identification of the following system parameters: image quality requirement at the application layer, the number of retransmission at the link layer and the number of paths at the network layer. Eventually, a novel image transmission framework is proposed to optimize both perceptual quality and energy expenditure for WMSNs. We consider that when the delay parameter is within an acceptable threshold, the perceptual image quality can be seen as the packet loss and resulting Peak Signal to Noise Ratio (PSNR) reductions experienced at the sink. Hence, our framework aims to provide acceptable perceptual quality at the end-user by using an empirical distortion prediction model that is able to predict the image distortion resulting from any given error pattern. The innovation of the proposed scheme lies in the combined use of a content aware packet prioritization with an energy and quality aware routing protocol; named as IQAR. Additionally, the algorithm not only provides the transmitted image reliability but also balances the load in terms of power dissipation.