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基于IEEE 802.15.4和ZigBee网络传输图像

Georgiy Pekhteryev，Zafer Sahinoglu，Philip Orlik，Ghulam Bhatti

2005年12月 TR2005-030

摘要： 开发了一种图像传感器网络平台，用于测试支持多跳的ZigBee网络上的图像传输。ZigBee是一种用于短距离通信的低速率和低功率网络技术，目前使用IEEE 802.15.4 MAC和PHY层。ZigBee网络（NWK）和IEEE 802.15.4 MAC层协议都在单个M16C微处理器上实现。由于ZigBee NWK没有支持碎片，因此在应用层执行传输层功能，例如碎片和重组。多址方案是CSMA / CA，因此只测试JPEG和JPEG-2000图像的尽力多跳传输;提出了观察结果和结果统计数据，并讨论了未决问题。

关键词：ZigBee，IEEE 802.15.4，JPEG，JPEG-2000，多跳，传感器网络

1 介绍

直到最近，大多数无线通信标准都集中在高速和长距离上，并已成功应用于蜂窝和局域数据网络。ZigBee联盟（www.zigbee.org）是一个由90多家公司组成的联盟，正在为商业和住宅控制和自动化应用开发无线网络标准。该联盟最近发布了低数据速率无线网络规范。网络的设计目标是由小型简单控制分组和传感器数据的机器到机器通信的需求以及将无线收发器的成本保持在低限度的需求所驱动的。此外，该网络具有自组织功能，因此几乎不需要网络设置。理想情况下，单个节点应采用电池供电，使用寿命长，而且成本非常低。这种网络的应用很多，包括：库存管理，产品质量监控，工厂过程监控，灾区监控，生物识别监控和监督。

ZigBee网络类似于Ad-hoc网络，因为网络很大程度上依赖于Ad-hoc研究社区开发的自组织和路由技术。但是，ZigBee网络的主要设计目标是降低每个节点的成本。对于许多上述应用，无线启用所需的成本设备不到一美元。

虽然联盟的既定目标不是支持通过网络传输图像，但它显然是一种理想的功能，尤其对于监控系统而言。此外，随着ZigBee标准的发行，预计会出现这种情况兼容的收发器将变得容易获得。本文探讨了ZigBee网络在图像传输中的应用。本文的结构如下：第二部分简要概述了ZigBee的主要特性。第三节讨论了ZigBee网络上图像传输的一些特定问题。第四节描述了一个在MERL上构建的实验系统，用于测试ZigBee网络上的应用程序以及支持图像传输所需的修改。第五节讨论了图像传输测试的结果，并报告了诸如延迟和吞吐量等性能指标。我们在文章中总结了对ZigBee标准未来版本的观察和建议。

通过参考用于分层通信系统的7层OSI模型来最好地描述ZigBee。联盟指定底层三层（物理，数据链路和网络），以及应用程序编程接口（API），允许最终开发人员设计使用较低层提供的服务的自定义应用程序。图1显示了联盟采用的分层协议架构。应该注意的是，ZigBee联盟选择使用现有的数据链路和物理层规范。这些是最近发布的用于低速率个人区域网络的IEEE 802.15.4标准。我们在下面描述每个层的关键特征。有关ZigBee中使用的协议的完整描述可以在^[3][4][5]中找到。

图1 ZigBee堆栈的图示

A．PHY层功能

IEEE 802.15.4标准^[3]定义了三个工作频段：868MHz，916MHz和2.4GHZ频段。我们将专注于2.4GHz频段，因为它们是最多的目前常用的产品，此外该频段在物理层提供250Kbps的最高可实现数据速率。2450 MHz PHY采用16进制准正交调制技术。在每个数据符号周期期间，使用四个信息比特来选择要发送的16个几乎正交的伪随机噪声（PN）序列之一。连续连续数据符号的PN序列，并使用偏移正交相移键控（O-QPSK）将聚合码片序列调制到载波上。本质上，这种调制格式可以被认为是编码的O-QPSK，并且通常用表查找来实现，用于生成降低收发器成本的信道符号。

已经报告了典型的传输距离，其在室内非视线环境中的30米到视线环境中的80米以上的范围内。我们在此注意到，如果应用程序需要在网络设备之间传输大量数据，则比特率显然是一个限制因素。

B．数据链路层功能

IEEE 802.15.4是一种基于CSMA（信道感知多路访问）的轻量级简单协议。其职责还可包括发送信标帧，同步和提供可靠的传输机制。数据链路层的一个关键方面是每个数据包都被确认，从而提供链路级传送保证。但是，没有服务质量保证或支持网络流量的优先级。从本质上讲，ZigBee仅提供单个数据包的尽力端到端传送。

C．网络层功能

ZigBee联盟内部发生的大部分新技术开发都是在创建网络层。ZigBee网络层的职责包括用于加入和离开网络以及将帧路由到其预期目的地的机制。当然，路由可以涉及在网络内使用多个中间中继设备。此外，设备之间的路由的发现和维护转移到网络层。此外，在网络层完成一跳邻居的发现和相关邻居信息的存储。

2 ZigBee上的图像传输

随着短距离无线通信系统的快速增长的市场，基于图像的传感器网络对于支持安全，监视和检查相关应用变得重要。然而，为了在无线传感器网络中设计有效的图像通信系统，仍然存在许多挑战。一些是由资源限制引起的，例如电源和处理能力，一些是由不利的无线信道条件和图像压缩方案的错误恢复能力引起的。

由于路径损耗，小而大的衰落，同频干扰和噪声干扰，无线信道的容量远低于有线信道，误码率（BER）要高得多^[1]。此外，由于无线信道的时变特性，吞吐量可能波动。

在本节中，我们讨论了ZigBee技术在图像传输方面的固有局限性。我们考虑两种图像类型：JPEG和JPEG-2000。讨论了ZigBee网络上每种图像格式的优缺点。

A．ZigBee的局限性

2.4GHz频段在IEEE 802.15.4 PHY规范中提供250Kbps的最高比特率。物理层仅支持传输限制为127字节的小型数据包。由于网络，MAC和物理层的开销，每个数据包可能包含不超过89个字节的应用程序数据。这导致比特流的碎片大于89字节。网络层不执行碎片。因此，应在应用程序层处理碎片和重组。还需要流控制机制来确认并请求重传网络层上方的丢失片段。

B．JPEG与JPEG-2000

JPEG和JPEG-2000在各个方面的不同之处在于压缩效率和复杂性以及可扩展性。JPEG-2000是基于二元多分辨率子带（小波）变换的静止图像压缩标准，并使用嵌入式算术块编码和优化截断算法^[2]，而JPEG是基于DCT并使用霍夫曼编码。JPEG-2000具有更高的源编码复杂度，但其压缩效率更高，并且它提供了分辨率和质量可扩展比特流。图2示出了JPEG-2000图像比特流内的质量层，分组和代码块的分层组织。

图2 JPEG-2000质量层渐进式比特流结构的说明

小波变换将每个图像分量分成几个分辨率等级，每个分辨率等级包含一系列子带。在量化之后，每个子带中的系数被划分为用于熵编码的规则的码块阵列。使用上下文自适应算术编码独立地对每个代码块进行熵编码。每个位平面用三遍进行编码，并且每次通过产生嵌入的比特流，称为编码通道，以向重建的图像提供可变质量的贡献。将所选择的编码通道打包成数据包，然后将数据包组装成最终的编码流。每个数据包由数据包标头和数据包主体组成。图3示出了对于压缩比为1：128的图像与原始图像尺寸为900KB的图像的两者的主观比较。在低比特率下，JPEG-2000可以提供更好的性能。

JPEG源代码的简单性使它更受欢迎在高度分布的传感器网络应用，其中每个节点都需要捕获镜头并将图像发送到中央控制器。另一方面，如果源编码的计算复杂性不是问题，则对比特错误和分组丢失的容忍可能有利于JPEG-2000。这适用于仅需要源和目的地端节点来编码和解码图像的网络，并且中间节点仅用于中继。船检是一个典型的例子。

图3 JPEG-2000（左）和JPEG（右）图像的主观质量比较图。

图像的原始大小为900KB，压缩比为1：128

3 实验装置

我们的实验性测试台设置包括4个符合Zigbee标准的设备，这些设备是根据当前版本的标准规范开发的。换句话说，NWK，数据链路和物理层的实现已经完成。为了支持图像传输，应用程序中添加了其他功能，可以对压缩的图像文件进行分段和重组。一个ZigBee设备通过RS-232连接连接到通用PC，并充当进入测试台无线部分的网关。网关允许从网络收集各种数据，例如网络拓扑，邻居表和路由信息。一个简单的应用程序在PC上运行，并从网络中的一个设备发出图像传输请求。在该系统中，图像已经预先存储在设备上，因此在成像传感器处不需要实际的图像压缩。数据包遍历的路由也可用于网关/ PC数据接收器。

图4 实验试验台的图示

4 结果

我们指定了两个性能指标：每个图像的错误接收字节数和接收图像的PSNR（峰值信噪比）。第一个直接对应于链路状态和链路层对手，后者依赖于图像压缩效率和可扩展性。假设位置(i，j)处的发送图像的像素值表示为T(i，j)，并且接收图像的像素值表示为R(i，j)。接收图像相对于发送的均方误差将是

其中M和N是图像的像素尺寸。然后，接收图像的PSNR计算为

在暴露于相同数量的字节错误的两个图像之间，具有可伸缩编码的图像将具有更大的容错性。我们通过1跳和2跳路由测试了JPEG和JPEG-2000图像的传输。JPEG-2000测试图像编码为4个质量层。在2跳情况下，每跳的距离保持与1跳情况相同，并且在中间节点处不执行图像重建或纠错。因此，每个4KB的图像比特流被划分为80字节的有效载荷。然后将每个有效载荷插入ZigBee分组中。在服务器上执行接收分组的重组，服务器通过RS232链路连接到ZigBee协调器。图5给出了在1跳和2跳场景中100个JPEG和JPEG-2000图像传输中的每一个的错误接收的字节数的直方图。由于不受控制的环境对传输的不利影响，无法完成JPEG-2000图像的2跳方案。在单跳JPEG图像传输中，73个无差错接收的图像和2个图像是不可解码的；在2跳情况下，接收到54张没有字节错误的JPEG图像，但14张图像无法恢复。这些图像被认为是完全错误的。在测试JPEG-2000图像时，接收到8个2质量层编码图像而没有任何字节错误，而75个4质量层编码图像到达时没有字节错误。2层和4后传输的字节错误性能的差异可归因于测试环境附近的其他不可控制的IEEE 802.15.4和IEEE 802.11设备的干扰。1跳JPEG和JPEG-2000传输的字节错误直方图的比较表明链路层特性在测试期间是相似的。因此，PSNR比较可以被认为是公平的。

图5 具有80字节应用程序有效负载大小的两种不同路由情况下的字节错误直方图

a)JPEG 2跳传输，b)JPEG 1跳传输

c)2质量层JPEG-2000 1跳传输，d)4质量层JPEG-2000跳

图6a-b给出了所接收的JPEG图像的PSNR的直方图。由于在2跳情况下，中间节点在中继之前不对接收的图像执行任何纠错或图像重建，因此发生更多的端到端字节错误。因此，预计PSNR表现会变差。另一方面，由于JPEG-2000图像被编码成多个质量层流，因此2000图像显示出更好的PSNR性能，如图6c-d所示。

图6 接收图像的PSNR分布

a)JPEG 1跳传输，b)JPEG 2跳传输

c)4质量层JPEG- 2000 1跳传输，d)2质量层JPEG-2000 1跳

5 结论

通过ZigBee网络无线传输100张JPEG和100张JPEG-2000图像。结果表明，编码成多个质量层的JPEG-2000图像具有更高的错误恢复能力，并且可以保持高PSNR。因此，在低速率图像传感器网络应用中，它是更合适的图像压缩格式。遗憾的是，由于受到不受控制的IEEE干扰的不利环境，JPEG-2000图像的多跳传输没有完成IEEE 802.15.4和IEEE 802.11无线设备。

参考文献：

[1] W. C. Jakes, Microwave mobile communications, Ed., New York, John Wiley and Sons, 1974.

[2] D. Taubman, “High performance scalable image compression with EBCOT,rsquo; IEEE Trans. IEEE Transactions on Image Processing, vol. 9,no. 7, pp. 11581170, 2000.

[3] IEEE Standard for Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications for Low Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs), 2003.

[4] ZigBee Alliance Document 02130: Network Layer Specification, July 2004.

[5] ZigBee

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