多媒體傳輸於無線感測網路相關文獻探討

本節將針對多媒體串流資訊於 Zigbee 網路中傳輸的相關研究進行探討，過去 數年來相關議題已有許多學者提出許多解決研究，並在不同應用情境、實驗平台 與網路拓樸中進行模擬或實作，並提出各種機制提升傳輸速率並且針對傳送後的 資料進行多媒體資訊品質的量測，以下將針對多媒體串流資訊以及多通道技術進 行文獻探討。

2.4.1 語音於無線感測網路傳輸

在無線感測網路中進行監測資訊的傳送不同於多媒體串流資訊的傳送，一般 資料在延遲、封包遺失的限制上沒有多媒體資訊來的嚴格。在過去有數個團隊進 行 Zigbee 網路傳輸語音實作研究[29][30][31]。另外更有研究[32]成功將製作出具 有的 Zigbee 傳輸模組耳機 Z-Phone，研究中其硬體運作於全雙工(Full duplex)機制 下可達 38kbps，在不理想的環境中傳輸速率僅剩 29kbps，此文獻主要探討 Zigbee 如何選擇語音壓縮技術作為研究所用，並使用語音處理晶片並結合 Zigbee 進行語 音傳輸，使嵌入式平台可與電腦端連線，達成 Zigbee 耳機目的。

在[33]的研究中，將 Zigbee 語音傳輸通訊技術應用於火場之緊急救難環境下，

在編碼技術上使用差異脈衝編碼調變(Adaptive differential pulse-code modulation，

ADPCM)的語音編碼器，並透過德州儀器 CC2430[34]通訊晶片進行多跳傳輸的效 能分析，但仍有長時間延遲等議題待解決。

在錯誤! 找不到參照來源。中針對語音品質與距離的關係進行實際量測，找 出在維持良好語音品質情況下硬體設備能夠支援的最遠距離，但此研究僅使用點 對點並未使用多點跳躍進行實驗，因此在傳輸距離上還是有所限制。

因 此 針 對 語 音 傳 輸 議 題 由 [36][37][38] 提 出 延 長 傳 輸 距 離 的 研 究 ， 其 中

[39][40][41]提到當節點數增加時，吞吐率即會與節點數成反比，節點數越多吞吐 率則越低，其原因包含了封包遺失與經中繼節點轉送過程的延遲等影響造成。由

[42]研究說明當使用 Zigbee 進行多跳傳輸過程將出現許多延遲，如頻道中裝置搜 尋、頻道連結與工作觸發、Zigbee 感測器發送端由應用層至實體層所需工作延遲，

若中間加入 Router 則需整合發送端與接收端兩項延遲。另外在[43][44]中亦提及 在多跳語音傳送上探討了吞吐率(throughput)與封包遺失率(Packet loss rate)等 QoS(Quality of Servers)議題。

2.4.2 影像於無線感測網路

隨著物聯網(Internet of Things，IOT)的發展，萬物皆可連網的情況下大眾將 各種事物加裝各種感測器進行監測，因此產生了多媒體串流於 WSN 的相關研究 議題，[45]提到在無線感測網路中傳送影像應用的領域以及會面臨到頻寬、延遲、

通道改變能力等挑戰。在文獻[46][47][48]利用環境中的節點進行影像傳輸，針對 窄頻進行大量多媒體資料的傳輸進行過程中造成網路訊號不穩或網路壅塞等問

得接收端可以穩定的得到多媒體資訊。[49]作者提到多媒體資訊的資料量是非常 的龐大，因此在無線感測網路中傳輸考驗硬體的處理能力，配合有效的流量控制 機制來確保影像的可靠性，作者使用 Intel 的 Imote2[50]結合 TI CC2420[51]在沒 有 AKC 的情況下最大傳輸率 160kbps，且針對影像品質進行 PSNR 評估，探討不 同解析度的影像可否於無線感測網路中進行傳輸，但並未使用較好的影像壓縮技 術，因此無法在多跳中進行即時影像傳輸。[52]中提出了一種動態路徑的演算法 的 QoS，雖然能夠有效的提升 QoS 但相對犧牲了網路能夠承載的串流資料量。在

[53]提出了一個排程演算法用於多路徑中傳送多媒體封包，根據封包的重要性(優 先權)選擇性的再傳送之前將封包丟棄，根據此方法可有效的降低接收後影像失真，

利用峰值訊噪比 (Peak Signal to Noise Ratio，PSNR)進行影像失真評估。

2.4.3 多通道機制於無線感測網路

近年來 WSN 已可應用於更複雜的操作上如目標追蹤到健康照護，也有團隊

[54]針對 2.4G 設計具低耗能的多通道接收器。多通道通訊具有高效的提升整體網 路的能力，並且能夠有效的減少無線傳輸的干擾以及競爭提升網路的通訊能力，

在[55]研究表示使用非重疊多通道機制相較於單通道能夠有效減少網路的干擾和 使 系 統 有 更 好 的 吞 吐 量 ， 研 究 團 隊 [56] 提 出 的 (Multichannel Mesh Routing Communication scheme, MMRC)也證明了使用多通道，吞吐量能有效的提升兩倍。

在 Zigbee 傳統應用 low data rate 即可滿需求，因此傳輸多媒體資訊使用多通道通

訊能夠有效提升吞吐量。在[57]研究團隊提出半動態通道分配的方式，在半動態 通道分配的方式上是必須嚴格的控制傳送端與接收端在同一時間於同一通道內，

才不會造成封包遺失。若僅有單一天線時進行通道切換需要微小的時間，在

CC2420 切換時間為 200us。文獻[58]描述影像在無線感測網路中利用多通道進行 轉傳的方法，利用市售的節點進行分析，傳統節點的天線為半雙工的介面，因此 利用多通道多路徑的方式來提升傳輸率。在[59]研究提出了(Channel

Multi-Path, MCMP)機制，為了傳輸龐大串流資料，利用 H.264 進行資料壓縮配合 MCMP 方式減少碰撞增加吞吐量，使用兩個階段的 QOS，在有限的傳輸率下維持其影像 傳輸品質。此外在無線感測網路還有研究學者利用多輸入多輸出技術(multiple-input multiple-output, MIMO)[60]於無線感測網路中進行資料的傳送，[61]中使用 MIMO 結合多通道的技術進行 MAC 協定的設計，將大量的感測節點分為數個不 同的群集，每個群集則使用不同的通道進行傳輸，如此一來不同通道的群集間即 可減少碰撞與衝突亦可有效增加網路吞吐量。

綜合上述多位學者與研究團隊於無線感測網路中傳送不同的多媒體資訊，且 利用不同的傳輸機制進行串流資料的傳送，其中大多數遭遇到瓶頸多為如何將低 封包遺失率、延遲時間；以及如何提升網路吞吐量(Throughput)、多媒體資料品質，

因此本論文在第三章將會詳細敘述如何利用硬體設計達到降低延遲提升吞吐量 以及設計有效排程機制進一步計算網路最大可能中繼(Relay)節點數量。