JP5101380B2

JP5101380B2 - 無線ネットワークにおけるビデオ伝送方法及び装置

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Publication number: JP5101380B2
Application number: JP2008108118A
Authority: JP
Inventors: 曉利王; 大慶顧
Original assignee: NTT Docomo Inc
Current assignee: NTT Docomo Inc
Priority date: 2007-04-19
Filing date: 2008-04-17
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2028-04-17
Also published as: CN101291430A; CN101291430B; JP2008271558A

Description

本発明は、無線ネットワークにおける通信方法に関し、特に、クラスタリング構造の無線センサーネットワークにおけるビデオ伝送方法に関し、この方法は中継ノードのキュー情報及び異なるビデオサブストリームの重要性を利用し、応用層駆動によってビデオサブストリームに対する自己適応協調中継転送を実現する。

無線センサーネットワーク（WSN）とは、多くのセンサーノードが無線通信技術により自己組織化して構成されるネットワークである。WSNは、データの採取量子化、処理融合及び伝送応用を実現することができる。これらの応用は、一般的に広い帯域幅を必要としないが、電力消費に対する要求が高くなり、大部分の時間において低い電力消費を保持しなければならない。

無線センサーネットワーク（WSN）は、一般的な受動ネットワークと異なり、情報を取得する能力を有しており、ノード同士の自己組織化のネットワークを介して相互接続され、情報統合処理能力を有するセンサーネットワークを構成したものなので、主動ネットワークと呼ばれる。近年、センサーノードのコストの低減に伴い、WSNは環境監視、医療看護、軍事、交通等の分野での応用が始めている。現在検討している多くのセンサーノードは低速データ（温度、湿度、距離、移動速度等）のみを処理すればよいが、マイクロプロセッサーのコストの低減に伴い、ビデオ情報を伝送するセンサーネットワークはますます注目されている。このようなセンサーネットワークはビデオセンサーネットワーク（Video WSN）と呼ばれる。将来、多くの応用、例えば、遠隔医療、智能交通、緊急イベント管理、智能ビル等は、Video WSNに基づくものとなっている。

ビデオWSNは、安全且つ便利な生活方式をもたらす。しかしながら、ビデオWSNも独特な特徴を有している。まず、ビデオ情報の情報量が多いので、WSN中のセンサーノードが比較的に大きな計算能力及び処理能力を有するとともに、ネットワークが比較的に大きな伝送能力を有することとが必要である。次に、ビデオ情報は、遅延の要求に対して比較的に敏感である。したがって、効果的な伝送方案を希望している。

また、ビデオの伝送に消費されるエネルギーが低速データの伝送に消費されるエネルギーよりもはるかに大きいが、センサーネットワークについて、1つのキーポイントの設計目標はエネルギーを節約して、そのライフサイクル（life cycle）を延長することである。したがって、ビデオWSNは、確実、高効率、省エネルギー且つハードウェアの複雑度が低下の伝送方案を必要とする。

ネットワーク構造については、クラスタリングのセンサーネットワークがビデオストリームの伝送により適する。クラスタ型構造においては、1つの大きなセンサーネットワークがいくつのクラスタに分割され、1つのクラスタがクラスタヘッダー（CH）ノード及び通常ノードからなり、通常、クラスタヘッダーが通常ノードよりも強い処理能力を有するため、クラスタヘッダーノードによってクラスタ内の通信及びクラスタ間の情報伝送を管理する。

このようなクラスタ型構造がビデオWSNに適する原因は、主に下記の二つがある。まず、階層化の構造でネットワークを構築することで、周波数スペクトル、帯域幅及び電力等のような稀少な資源を効果的に利用することができる。次に、隣接ノードが収集したビデオ情報が高い相関性を有しているので、クラスタヘッダーは、これらの相関する情報を融合圧縮することで、冗長情報の伝送を回避することができる。

図1はクラスタリングのセンサーネットワークの模式図を示す。図1において、灰色の楕円形状丸は信号源ノードを示し、灰色の長方形はクラスタヘッダー（CH）ノードを示し、黒色の楕円形状丸は協調ノードを示し、空白の楕円形状丸は通常ノードを示し、黒色の長方形はシンクノードを示す。図1に示すように、ビデオWSNはいくつのクラスタに分割され、1つのクラスタにおいて、信号源はビデオ情報を採集した後、クラスタヘッダー（CH）ノードに伝送し、クラスタヘッダーノードによってデータを融合し、相関する冗長情報を削除し符号化した後、次のクラスタヘッダーノード又はシンク（sink）ノードに伝達する。クラスタヘッダーノードでは、比較的低い情報源速度と比較的良好な画像品質を得るために、符号化方式として階層化又は等級化可能のコードを採用する。

従来、クラスタ型ネットワーク構造において、クラスタヘッダーが頻繁に情報を伝送することによって、クラスタヘッダーのエネルギー消費が通常ノードよりもはるかに多くなる。また、クラスタヘッダー間の通信は距離、受信バッファ、キュー待機遅延等の影響によって、確実な伝送を保証することができなくなる。上記のような一連の問題を解決するために、WSNに対して協調ダイバーシティ又は協調多入力・多出力（MIMO）技術と呼ばれるものを導入し、以降、C_DIV（Cooperative Diversity：協調ダイバーシティ）と称する。協調中継の最も基本的思想は、いくつの通常ノードを中継ノードとして選択し、これらの中継ノードを仮想のアンテナアレーとしてみなし、分散方式によって時空間符号化を実現することによって、ダイバーシティゲインを取得し、検出の信頼性を向上させる。

しかしながら、このような方法は、周波数帯域の利用率を犠牲することを代価とするものである。WSNが高速ビデオストリームを伝送する場合、このような動作方式の欠陥はより顕著である。これは、各中継ノードがクラスタヘッダーから送信された全ての情報を検出して転送することによって、各中継ノードのハードウェアの複雑度に対する要求が比較的高くなるからである。その上、中継ノードが大量のビデオ情報を転送する場合、エネルギーの消費も非常に大きくなる。このような協調ダイバーシティの有効性低下との問題を解決するために、Sang Wu Kimが発表したテーマが「Cooperative Relaying Architecture for Wireless Video Sensor Networks」の文章（2005 ICWCM，pp993-998を参照）と、Michael Katz及びShlomo Shamaiが発表したテーマが「Transmitting to Colocated Users in Wireless Ad Hoc and Sensor Networks」の文章（IEEE Trans. On Inf. theory, Vol.51, No.10, Cot. 2005，pp 3540-3560を参照）とにおいて、協調空間多重化（C_SM: Cooperative spatial multiplex）の中継方式を提出した。

このような方式によれば、各中継ノード（RN）は、一部のクラスタヘッダーノードの情報のみを検出して転送すればよい。ビデオストリームの伝送について、クラスタヘッダーノードが階層化又は等級化可能のビデオ符号化方式を採用すれば、各RNは1つのビデオサブストリームのみを検出して転送すればよい。宛先ノードでは、マルチアンテナによって受信し、ソート、サイドローブ（side lobe）消去及び干渉除去を順次に実行して、複数の中継ノードから送信された異なる情報を検出する。このような空間多重化の伝送構成は、C_DIVに比して周波数スペクトルの伝送効率を向上させることができる。その上、各中継ノードが1つのビデオサブストリームのデータを検出して転送するだけで済むので、中継ノードのハードウェアの複雑度を下げ、エネルギーを節約することができる。しかし、空間多重化の中継方式は、実際のビデオコードの幾つの特徴を考慮しておらず、異なる中継ノードのチャネル状況を利用しておれず、最適化の解決方案とは言えない。等級化可能なビデオコードについては、簡単に1つのビデオストリームをいくつのサブストリームに分解することだけではなく、変換、量子化及び利用可能帯域幅によってコードストリームを切断し、各サブストリーム毎に異なる重要性が付けられる。異なる中継ノードについては、宛先ノードとの間のチャネル状況がリアルタイムに変化するものであり、これは各中継ノードのキュー状況がある程度異なることを招来する。

例えば、MPEG符号化方法を採用する場合、その中のベース層は最も重要な層であり、第2の層はベース層に比して重要性が相対的に低い。つまり、各層は異なる重要性を有しており、C_SM方法は各層に対して同じ処理を実行する、即ち、このような処理はランダムなものである。例えば、中継ノード1はいずれか1つのデータ層をランダムに伝送することができる。実際には、このような処理方法は最適化の処理方法とは言えない。異なる中継ノードのチャネル状況が相違である。例えば、中継ノード1は現在のチャネル状況が最も良好なにもかかわらず、異なるサブ層に対する伝送のランダム性に鑑みると、現在状況が最も良好な中継ノードは最も重要なサブ層を伝送していない可能性が高い。

そこで、従来の技術では、異なる中継ノードのチャネル状況及び画像サブストリームの異なる重要性を総合的に考慮してビデオ伝送の品質を向上させることはない。したがって、重要なビデオストリームのパケットロスと遅延を効果的に減少させることができない。

本発明は、中継ノードのキュー情報及び異なるビデオサブストリームの重要性とを結合し、マルチキャリア変調に基づいて、異なるビデオサブストリームをパラレル伝送し、チャネル条件に基づいて、異なるビデオサブストリームを異なる中継ノードにマッピングする、無線センサーネットワークにおいて応用層駆動による自己適応協調中継（AACR-Adaptive Application-driven Cooperative Relay）の方法及び装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面によると、無線ネットワークにおける自己適応協調中継マッピング方法であって、クラスタヘッダーノードが異なるデータサブストリームを複数の異なる中継ノードへランダムに割り当てるステップと、クラスタヘッダーノードがビデオストリームを異なる中継ノードにブロードキャストするステップと、前記複数の中継ノードが時間周期Tにて自身の転送性能パラメータを記録し、チャネル状況パラメータを推算し、推算したチャネル状況パラメータをクラスタヘッダーノードにフィードバックするステップと、クラスタヘッダーノードが、最適化目標及び前記複数の中継ノードがフィードバックしたチャネル状況パラメータに基づいて、データサブストリームを前記複数の異なる中継ノードにマッピングする方案を更新するステップと、クラスタヘッダーノードが、更新されたデータサブストリームマッピング順序に従って、データサブストリームを前記複数の異なる中継ノードに割り当てるステップと、を含むことを特徴とする方法を提供する。

本発明の他の側面によると、無線ネットワークにおける自己適応協調中継マッピング装置であって、入力されたデータストリームを符号化してデータサブストリームを形成するためのビデオ符号化部と、異なるビデオサブストリームを異なる中継ノードに割り当て、最適化目標及び複数の中継ノードがフィードバックしたチャネル状況パラメータに基づいて、データサブストリームを前記複数の異なる中継ノードにマッピングする方案を更新し、且つ、更新されたデータサブストリームマッピング方案に基づいて、データサブストリームを前記複数の異なる中継ノードに割り当てるためのマッピング部と、中継ノードに送信すべきビデオサブストリームを変調して、マルチキャリア変調シンボルを形成するためのマルチキャリアユニットと、を含み、前記マッピング部が、最も重要なデータサブストリームをチャネル状況が最も良好な中継ノードにマッピングし、2番目に重要なデータサブストリームをチャネル状況が2番目に良好な中継ノードにマッピングし、このように類推することを特徴とする装置を提供する。

本発明のさらに他の側面によると、データを採取し、採取したデータをクラスタヘッダーノードに伝送するための複数の通常ノードと、前記複数の通常ノードが採取したデータを融合処理し、前記データをデータサブストリームに符号化し、データサブストリームの重要性及び中継ノードのチャネル状況に応じて、データサブストリームを異なる中継ノードにマッピングし、中継ノードに対し該当する中継ノードに割り当てられたサブストリーム情報を通知するための、少なくとも1つのクラスタヘッダーノードと、自身のチャネル状況情報を前記クラスタヘッドノードにフィードバックするための、少なくとも1つの中継ノードと、を含み、前記クラスタヘッダーノードは、最も重要なデータサブストリームをチャネル状況が最も良好な中継ノードにマッピングし、2番目に重要なデータサブストリームをチャネル状況が2番目に良好な中継ノードにマッピングし、このように類推することを特徴とする無線センサーネットワークを提供する。

本発明によれば、中継ノードのキュー情報及び異なるビデオサブストリームの重要性を利用しており、中継ノードのキュー情報及びビデオサブストリームの重要性に応じて、中継ノードにマッピングするビデオサブストリームを順序付けることによって、無線センサーネットワークにてビデオ信号を伝送する。一方、重要なビデオストリームのパケットロス及び遅延を効果的に減少させることができるので、ビデオストリーム全体のピーク信号対雑音比を高める一方、アルゴリズムの複雑度を増加することもなく、エンジニアリング実現に適する。

以下の実施形態と図面を結合した説明を通じて本発明の前記並びにその他の目的と特徴、メリットを更に明らかであろう。

以下、本発明の実施例について、図面を参照して詳細に説明する。本発明に対する理解を混淆しないため、説明には本発明にとって必要ではない細部と機能を省略する。

簡単にするために、本発明の実施例についてクラスタ型構造の無線センサーネットワークを例として説明する。図1に示すように、WSNにおける信号源ノード（source node）たる、カメラ等のようなビデオデータ採集機器は、ビデオデータを収集した後、収集したビデオデータをクラスタヘッダーノードに送信する。クラスタヘッダーノードは受信したビデオデータを処理し、異なる層のビデオデータを異なる中継ノード（図示せず）にマッピングする。なお、本発明において、源ノードはビデオデータを収集することに限らなく、温度、湿度、距離、移動速度等のような他のデータを収集してもよい。

本発明によれば、クラスタヘッダーノードは異なる中継ノードの動作状況に応じて、異なる層のビデオデータを異なる中継ノードにマッピングする。そこで、本発明によれば、中継ノードは極めて簡単に自身のキュー情報をクラスタヘッダーノードへフィードバックすることができ、クラスタヘッダーノードが中継ノードからフィードバックされたキュー情報に基づいて異なるビデオ層のマッピング方法を処理する。その後、クラスタヘッダーノードはビデオストリームを中継ノードにブロードキャストする。次に、中継ノードは、クラスタヘッダーノードによって割り当てられ、自身に送信されたサブストリームを検出し、該当するサブストリームを次のクラスタヘッダーノードに転送する。

本発明において、クラスタヘッダーノードの複雑度が比較的高くなり、複数のアンテナを装着すればよい。通常ノードと中継ノードは、1つのアンテナを装着すればよい。また、1つのクラスタヘッダーとその隣接のクラスタヘッダーノードとの通信は、中継ノードの提携を必要とする。

本実施例において、クラスタヘッダーノードはデータを通常ノードに送信する場合に、発信ダイバーシティを採用しているが、クラスタヘッダーノードはデータを受信する場合に、空間ダイバーシティ方式を採用して中継ノードから転送されたデータを受信する。

図2は、本発明の実施例に係る無線センサーネットワークにおいて応用層駆動による自己適応協調中継装置の構成模式図を示す。本発明の無線センサーネットワークにおける自己適応協調中継装置は、ビデオ入力部21、ビデオ符号化部22、マッピング部23及び無線チャネルモデリング部24を含む。ここで、マッピング部23は、パラレルサブストリーム伝送ユニット231、サブストリームマッピングユニット232及びマルチキャリアユニット233を含む。

無線センサーネットワークにおいて、通常ノードはビデオ情報を採集した後、まず、クラスタヘッダーノード（CH）へ伝送する。クラスタヘッダーノードは、ビデオ入力部21として通常ノードにより採集されたビデオ情報を融合処理して、ビデオ符号化部22に供給する。ビデオ符号化部22は、等級化可能の符号化方式を採用して、いくつのビデオサブストリームを形成しマッピング部23に入力してもよい。無線チャネルモデリング部24は、各中継ノードのキュー情報等のようなチャネル状況情報を、マッピング部23にフィードバックする。マッピング部23において、サブストリームマッピングユニット232はフィードバックされた各中継ノードのキュー情報に基づいて、パラレルサブストリーム伝送ユニット231からのビデオサブストリームを重要性（重要程度）に応じて中継ノードへのマッピングを実行する。つまり、中継ノードのチャネル状況に基づいて、最も重要なデータサブストリームをチャネル状況が最も良好な中継ノードにマッピングし、2番目に重要なデータサブストリームをチャネル状況が2番目に良好な中継ノードにマッピングし、このように類推する。このようにして、チャネルによる重要データサブストリームの遅延又はバケットロスを減少させ、伝送遅延又はパケットロスによって後続サブストリームを復号化できないという問題を回避することができる。最後、各サブストリームはパラレル伝送ユニット（図示せず）に入り、マルチキャリアユニット233の変調によって、マルチキャリア変調のシンボルを形成し、クラスタヘッダーノードがマッピング結果を中継ノード（RN）に送信し、該当する中継ノードに割り当てられたサブストリーム情報を中継ノードに通知する。

多層のサブストリーム情報を含む変調シンボルが複数の中継ノードで受信された後、各中継ノードは、転送直前に通知された当該中継ノードにより処理すべきサブストリームのみを検出する。なお、これらの中継ノードは、それぞれに割り当てられたサブストリームを宛先ノードに同時に送信すべきである。宛先ノードにおいて、マルチアンテナによって異なるRNsからの情報を処理し、ソート、副ローブ消去及び干渉除去を実行した後、最終の結果を取得する。

次に、各部及びユニットのアルゴリズム、並びに実現方式について、詳細に説明する。

図3は、パラレル伝送ユニットの伝送構成の模式図を示す。本発明の実施例によれば、パラレル伝送ユニットは、Haitao Zheng等が発表したテーマが「Robust Image and Video Transmission over Spectrally Shaped Channels Using Multicarrier Modulation」の文章（IEEE Trans on Multimedia. Mar. 1999, pp.88-102を参照）に開示された内容を採用してもよい。

パラレル伝送ユニットは、マルチキャリア変調及び情報源の階層化符号化を結合することによって、複数のビデオサブストリームの情報が同時に送信されることができるようにする。送信側において、1つのサブストリームが占用するサブチャネル数は、トータルスループット及びいずれかのサブストリームのデータ量によって決定されてもよい。異なるサブストリームからの情報ビットは、変調によって直交振幅変調（QAM）シンボルを形成する。そして、いくつのサブストリームからなる複数のQAMシンボルは、反高速フーリエ変換（IFFT）ユニット（図示せず）に送られ、シリアル／パラレル変換を介して送信される。図3では、異なるパターンが異なる層のデータを示す。

以下、図2に示す無線チャネルモデリング部24を説明する。

従来の協調中継伝送方案において、通常、物理チャネルの情報、例えば、信号対雑音比（SNR）だけを考慮して伝送方案を決定する。しかしながら、リンクレベルのQoSサポート、例えば、遅延及びキューパケットロス等のような保証を提供しようとすれば、物理層の情報だけで中継ノードの伝送に対する制御に充分ではなく、中継ノードでのキュー情報を分析する必要がある。そこで、本発明で提出した方案において、従来の無線リンクモデル（例えば、レイリー（Rayleigh）やライス（Rice）モデル）を採用しておらず、リンクレベルのチャネルモデル、即ち、有効容量モデル（ECモデル）を採用する。

従来のチャネルモデルは、無線信号の振幅変動を直接に表徴しており、「物理層のチャネルモデル」と呼ばれる。これによって本発明に使用される「リンク層チャネルモデル」と区別する。物理チャネルモデルによって無線通信システムにおける物理層の表現、例えば、一定の信号対雑音比の条件でのシンボル誤り確率等を推定することができる。しかしながら、このモデルからは、リンク層のサービス品質（QoS）表現（例えば、遅延及びパケットロス確率）を容易に得られない。これは、リンク層のキュー分析と結合する必要があるからである。そこで、QoSをサポートする幾つのメカニズム（例えば、制御受け付け及び資源保留）において、このような物理層のチャネルモデルの直接使用は難しい。この問題を解決するために、D. WuとR. Negiが発表したテーマが「Effective capacity: A wireless link model for support of quality of service」の文章（IEEE Trans. Wireless Com., Vol.12, July 2003, pp.630-643を参照）では、図4に示すように、チャネルモデルを物理層からリンク層に高めている。

ECリンクモデルは、有効帯域幅理論を修正して得られたものである。これは、2つのEC関数
を用いてリンクモデルを定義し、無線リンクの特徴を表徴する。但し、
は情報源のキューに入る速度を表し、
はノードでのキューが空でない確率を表し、
は接続のQoS指数を表す。これら2つのEC関数によって、リンクレベルのQoS表現が得られる。D.WuとR. Negiが発表したテーマが「Effective capacity: A wireless link model for support of quality of service」の文章（IEEE Trans. Wireless Comun., vol.2, July 2003，pp.630-643を参照）では、これら2つのEC関数とQoS表現との関係が下記の数式(1)及び(2)に示すようになると記載されている。

数式（1）は遅延D(t)が上限D_maxを超える確率、即ち、遅延違約確率を表す。数式（2）は、キュー長B(t)が上限B_maxを超える確率、即ち、キューのオーバーフローパケットロス確率を表す。

D.WuとR.Negiの文章は、キュー分析の角度から、数式（3）及び（4）に示すように、これら2つのパラメータを推定する簡単な方法を記載している。
上記の数式（4）中の
は、各パケットの残りサービス時間を表し、
は情報源到着速度を表し、E[Q(t)]はキュー平均長を表す。

実際の測定において、ECリンクモデル中の2つのパラメータ
は、1つの時間長T内のN個のサンプリング値に基づき推定して得られる。第ｎのサンプリング時刻にて、当該パケットがサービスされているかを指示する
と、サンプリング時刻にキュー中のビット数を表すQ_nと、サービスを受けるパケットの残りサービス時間を表すT_nとを記録すべきである。これらサンプリング時刻に記録された値に基づいて、数式（5）中の
それぞれ数式（6）及び（7）に示すように得られる。
上記の数式（4）によれば、
は、数式（8）に示すように得られる。
そこで、一定の時間内にS_n、Q_n、T_nの値を統計することで、リンク層チャネルモデルを記述する
が得られる。

図2において、マッチング部23の基本機能は、中継ノードによって異なるビデオサブストリームを割り当てるということである。これらのビデオサブストリームの情報源速度が異なっており、重要性も異なる。代表的な階層化符号化方式であるMPEG-4を例としてマッピングユニットのアルゴリズムを説明してもよい。なお、本発明のマッピング部23のアルゴリズムはこれに限らなく、他の符号化アルゴリズムを採用してもよい。

図5にMPEG-4のGOP（Group Of Pictures）の構成図を示す。1つのGOPにおいて、N個のフレームがあり、M個のサブストリームに分けられた。このような各サブストリームが互いに依頼する符号化方式において、GOP中のある部分の紛失によって、他の部分も正確に復号化されないことがある。ベース層（Base layer）にあるフレームは、より高い等級の重要性を有しており、当該フレームの紛失によって、それに依頼するエンハンスメント層がいずれも正確に復号化されることができないことになり、ビデオの歪みが比較的に顕著となる。通常、パケットロスは2つの原因による。その1つは、バッファのフールによってキューのオーバーフローを招来してパケットロスとなり、もう1つは、伝送遅延違約によるパケットロスである。本実施例によれば、マッチング部23がデータストリームを異なる中継ノードにマッピングするのは、ユーザのQoS（サービス品質）を最大限向上させること、即ち、データパケットロスによるビデオの歪みを最小にすることを目標とする。
がN個のビデオサブストリームからK個の中継ノードにマッピングすることを表すとしてもよい。ここで、
は、中継ノードのIDを表す。m_j=kであると、j番目のビデオストリムがk番目の中継ノードを介して転送すべきであると表す。N個のビデオサブストリームとK個の中継ノードを考慮すれば、合計K^N種のマッピング方式がある。そうすると、ある方式によるマッピングを行った後に、ビデオストリームの最終の歪みは、下記の数式（9）によって示される。
ここで、
例えば、ビデオサブストリームが合計3つあるとすると、ビデオの歪みは、下記の数式（10）によって示される。
ここで、D₀は何らのデータパケットが正確に受信されなかった場合に発生した歪みを表し、
は第jの層のデータが正確に受信された後に減少された歪みを表す。
は、第j層のビデオストリームが正確に受信された確率を表す。なお、第j層のビデオストリームが正確に受信されることは、第j層が依頼する下位層のビデオストリームが正確に受信されることを前提とする。ここで、
は、バッファのフールによるキューのオーバーフロー及び遅延違約によるパケットロス確率を表す。上述のECリンクモデルに対する説明から分かるように、2つのEC関数を取得すれば、下記の数式（11）に示すように、これら2種のパケットロスの確率を算出することができる。
ここで、P_joはキューのオーバーフローによるパケットロス確率を表し、P_jtは遅延違約の確率を表し、それぞれ下記の数式（12）及び（13）によって計算される。
本発明によれば、マッピングの目標は、K^N種のマッピング方法から最適のマッピング方法を選定することによって、ビデオストリームの歪みを最小にし、即ち、
とすることである。

本発明によれば、実際の応用において、チャネル条件は1つのGOPにて変化しないとしてもよい。例えば、1つのGOPが36フレームであり、ビデオストリームの再生速度が24フレーム／秒であるとすれば、チャネル条件は36／24＝1.5秒の間に変化しないと見られ、したがって、1.5秒毎にマッピングアルゴリズムを一回実行する。

図6は、本発明の実施例に係るビデオストリームをクラスタヘッダーノードから中継ノードにマッピングするフローチャートを示す。まず、ステップS601において、クラスタヘッダーノードは、ビデオストリームを異なる中継ノードにランダムに割り当てる。その後、ステップS602において、クラスタヘッダーノードはビデオストリームを異なる中継ノードへブロードキャストする。次に、ステップS603において、中継ノードは時間周期Tにて自身のキューパラメータ（S_n，Q_n，T_n）を記録し、上記の数式（5）〜（8）に従ってパラメータ
を推算する。その後、中継ノードは無線チャネルモデリング部24を介して、推算されたパラメータをクラスタヘッダーノードのサブストリームマッピングユニット232へフィードバックする。

そして、ステップS604において、クラスタヘッダーノードは中継ノードからフィードバックされたキュー情報を受信し、サブストリームマッピングユニット232が上記の数式に従って算出した最適化対象及び中継ノードからフィードバックされたキュー情報に基づいて、ビデオサブストリームを異なる中継ノードにマッピングする方案を更新する。つまり、最も重要なデータサブストリームをチャネル状況が最も良好な中継ノードにマッピングし、2番目に重要なデータサブストリームをチャネル状況が2番目に良好な中継ノードにマッピングし、このように類推する。ステップS605において、マッピング部23は更新されたビデオサブストリームのマッピング順序に従って、ビデオサブストリームを異なる中継ノードに割り当てる。

図7〜図11は、本発明に係る方法を採用してビデオサブストリームを伝送する場合の伝送性能と、従来の技術を採用した伝送性能とのシミュレーション結果の模式図を示す。

シミュレーションプロセスでは、バッファのサイズが40000ビットであり、ビデオサブストリーム数が4であり、中継ノード数が3であり、クラスタヘッダーノード数が2であり、電力が0.001Wであり、帯域幅が500kHzであることとする。

図7は、本発明の応用層駆動による自己適応協調中継（AACR）を採用した方法とC_SM方法とに対して、ベース層の遅延の比較結果を示す模式図である。図8は、本発明の応用層駆動による適応協調中継を採用した方法とC_SM方法とに対して、ベース層のオーバーフローパケットロスの比較結果を示す模式図である。図7及び図8から分かるように、応用層駆動による自己適応協調中継の伝送構成を介し、ビデオストリームベース層における遅延とキューのオーバーフローパケットロスは、いずれも従来のC_SM構造より大きく改善された。

もちろん、ベース層が表現した改善は、エンハンスメント層性能の劣化を代価とする。図9は、第3のエンハンスメント層のC_SM構造及びAACR構造における遅延の比較を示す。その結果、エンハンスメント層の遅延の表現がある程度下がっている。さらに、受信側のスループットの状況を比較すると、図10に示すように、C_SM構造とAACR構造の表現に差異が少ないことが分かる。これは、本発明のマッピング策略は、スループットを向上させることではなく、ビデオの歪みを減少させることを最適化目標とするからである。

図11は、最も重要なシミュレーション結果を示しており、その結果から分かるように、AACR構造を採用する場合、ビデオのPSNR値を従来のC_SM構造より2〜3dbだけ高めることができる。これは、最適のマッピング方式によって、重要ではないビデオサブストリームを犠牲することを代価とし、重要なビデオサブストリームのパケットロスを減少させ、重要なビデオサブストリームの画像品質に対する寄与がより大きくなるので、最終的に、ビデオストリームのPSNR値を高める。

なお、本発明の方法と装置は、ビデオサブストリームを伝送する無線センサーネットワークだけでなく、オーディオ、温度、湿度等のような他のデータサブストリームを出力する無線センサーネットワークに適用されることもできる。また、本発明の基本的思想は、無線センサーネットワークだけでなく、他の無線ネットワークに拡張されることもできる。

ここまで、本発明について好ましい実施例を合わせて説明した。当業者であれば本発明の精神及び範囲から逸脱しない限り、様々な変更、交換及び追加を行ってもよいことが理解されるはずである。そこで、本発明の範囲は前記特定の実施例に限られるものと理解してはならず、添付した請求の範囲によって限定されるものである。

図1は、クラスタ型構造の無線センサーネットワークの構成の模式図である。図2は、本発明の実施例に係る無線センサーネットワークにおいて応用層駆動を利用して自己適応協調中継を実現する装置の構成の模式図である。図3は、ビデオサブストリームのパラレル伝送を示す模式図である。図4は、リンク層のチャネルモデルを示す模式図である。図5は、採用されたMPEG-4コードのGOP（Group Of Pictures）を示す構成の模式図である。図6は、本発明の実施例に係るクラスタヘッダーノードからビデオストリームを中継ノードにマッピングするフローチャートである。図7は、本発明の適応協調中継（AACR）を採用した方法とC_SM方法とに対して、ビデオサブストリームのベース層における遅延比較結果を示す模式図である。図8は、本発明の適応協調中継を採用した方法とC_SM方法とに対して、ビデオサブストリームのベース層におけるオーバーフローパケットロスの比較結果を示す模式図である。図9は、第3のエンハンスメント層のC_SM構造及びAACR構造における遅延の比較結果を示す模式図である。図10は、C_SM構造とAACR構造とに対して、データスループットの比較結果を示す模式図である。図11は、AACR構造を採用して、ビデオのPSNR値を従来のC_SM構造より向上させる比較結果を示す模式図である。

Claims

無線ネットワークにおける自己適応協調中継マッピング方法であって、
クラスタヘッダーノードが異なるデータサブストリームを複数の異なる中継ノードへランダムに割り当てるステップと、
クラスタヘッダーノードがビデオストリームを異なる中継ノードにブロードキャストするステップと、
前記複数の中継ノードが時間周期Tにて自身の転送性能パラメータを記録し、チャネル状況パラメータを推算し、推算したチャネル状況パラメータをクラスタヘッダーノードにフィードバックするステップと、
クラスタヘッダーノードが、最適化目標及び前記複数の中継ノードがフィードバックしたチャネル状況パラメータに基づいて、データサブストリームを前記複数の異なる中継ノードにマッピングする方案を更新するステップと、
クラスタヘッダーノードが、更新されたデータサブストリームマッピング順序に従って、データサブストリームを前記複数の異なる中継ノードに割り当てるステップと、を含むことを特徴とする方法。
前記無線ネットワークが無線センサーネットワークであることを特徴とする請求項1に記載の方法。
前記複数の中継ノードが記録するその転送性能パラメータは、当該データサブストリームがサービスされているかを指示するパラメータと、サンプリング時刻におけるキュー中のビッド数と、サービスを受けているパケットの残りサービス時間と、を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。
前記チャネル状況パラメータを推算するステップは、前記複数の中継ノードでのキューが空でない確率と、接続のサービス品質を表す指数と、を推算することを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。
下記の数式を利用して、中継ノードでのキューが空でない確率
と、接続のサービス品質を表す指数
を計算し、
ここで、
は、各パケットの残りサービス時間を表し、
は情報源到着速度を表し、E[Q(t)]はキューの平均長を表すことを特徴とする請求項4に記載の方法。
データサブストリームを前記複数の中継ノードにマッピングする順序を更新するステップは、最も重要なデータサブストリームをチャネル状況が最も良好な中継ノードにマッピングし、2番目に重要なデータサブストリームをチャネル状況が2番目に良好な中継ノードにマッピングし、このように類推することを含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。
各データサブストリームをマルチキャリア変調して、マルチキャリア変調のシンボルを形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。
前記複数の中継ノードは多層のデータサブストリームの変調シンボルを受信した後、直前に前記中継ノードに通知した前記中継ノードが処理すべきデータサブストリームのみを検出して転送するステップをさらに含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。
前記データサブストリームが、ビデオサブストリームであることを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。
無線ネットワークにおける自己適応協調中継マッピング装置であって、
入力されたデータストリームを符号化してデータサブストリームを形成するためのビデオ符号化部と、
異なるビデオサブストリームを異なる中継ノードに割り当て、最適化目標及び複数の中継ノードがフィードバックしたチャネル状況パラメータに基づいて、データサブストリームを前記複数の異なる中継ノードにマッピングする方案を更新し、且つ、更新されたデータサブストリームマッピング方案に基づいて、データサブストリームを前記複数の異なる中継ノードに割り当てるためのマッピング部と、
中継ノードに送信すべきビデオサブストリームを変調して、マルチキャリア変調シンボルを形成するためのマルチキャリアユニットと、を含み、
前記マッピング部が、最も重要なデータサブストリームをチャネル状況が最も良好な中継ノードにマッピングし、2番目に重要なデータサブストリームをチャネル状況が2番目に良好な中継ノードにマッピングし、このように類推することを特徴とする装置。
各中継ノードのチャネル状況情報を前記マッピング部にフィードバックするための無線チャネルモデリング部をさらに含むことを特徴とする請求項10に記載の装置。
前記マッピング部は、複数のデータサブストリームをパラレル伝送するためのパラレルサブストリーム伝送ユニットを含むことを特徴とする請求項10に記載の装置。
前記マッピング部は、フィードバックされた各中継ノードのチャネル状況情報に基づいて、データサブストリームをその重要性に応じて異なる中継ノードにマッピングするためのサブストリームマッピングユニットを含むことを特徴とする請求項10に記載の装置。
前記サブストリームマッピングユニットが、中継ノードのチャネル状況に基づいて、最も重要なデータサブストリームをチャネル状況が最も良好な中継ノードにマッピングし、2番目に重要なデータサブストリームをチャネル状況が2番目に良好な中継ノードにマッピングし、このように類推することによって、チャネルによる重要データサブストリームの遅延又はパケットロスを減少させることを特徴とする請求項13に記載の装置。
前記無線ネットワークが無線センサーネットワークであることを特徴とする請求項10乃至14のいずれかに記載の装置。
前記データサブストリームがビデオサブストリームであることを特徴とする請求項10乃至14のいずれかに記載の装置。
データを採取し、採取したデータをクラスタヘッダーノードに伝送するための複数の通常ノードと、
前記複数の通常ノードが採取したデータを融合処理し、前記データをデータサブストリームに符号化し、データサブストリームの重要性及び中継ノードのチャネル状況に応じて、データサブストリームを異なる中継ノードにマッピングし、中継ノードに対し該当する中継ノードに割り当てられたサブストリーム情報を通知するための、少なくとも1つのクラスタヘッダーノードと、
自身のチャネル状況情報を前記クラスタヘッドノードにフィードバックするための、少なくとも1つの中継ノードと、を含み、
前記クラスタヘッダーノードは、最も重要なデータサブストリームをチャネル状況が最も良好な中継ノードにマッピングし、2番目に重要なデータサブストリームをチャネル状況が2番目に良好な中継ノードにマッピングし、このように類推することを特徴とする無線センサーネットワーク。
前記データサブストリームがビデオサブストリームであることを特徴とする請求項17に記載の無線センサーネットワーク。