멀티미디어 센서 네트워크를 위한 에너지 효율적인 데이터 압축 및 전송 기법 :

박준호

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자료유형: 학위논문

저자정보: 박준호 (충북대학교, 충북대학교 대학원)

지도교수: 유재수

발행연도: 2014

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이 논문의 연구 히스토리 (5)

2014

멀티미디어 센서 네트워크를 위한 에너지 효율적인 데이터 압축 및 전송 기법

박준호 정보통신공학과(원) 2014.01 학위논문

2013

무선 멀티미디어 센서 네트워크에서 에너지 효율적인 동적 영역 압축 기법

박준호 , 류은경 , 손인국 외 1명 한국콘텐츠학회논문지 2013.12 학술저널

무선 멀티미디어 센서 네트워크에서 비트-평면 삭제를 통한 고효율 데이터 압축 기법

박준호 , 류은경 , 손인국 외 1명 한국콘텐츠학회논문지 2013.10 학술저널

무선 멀티미디어 센서 네트워크에서 에너지 효율적인 동적 영역 압축 기법

박준호 , 류은경 , 손인국 외 1명 한국정보과학회 학술발표논문집 2013.06 학술대회자료

무선 멀티미디어 센서 네트워크에서 고효율 데이터 압축 기법

박준호 , 류은경 , 손인국 외 1명 한국콘텐츠학회 종합학술대회 논문집 2013.05 학술대회자료

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무선 멀티미디어 센서 네트워크를 이용한 가장 직관적인 데이터 수집 및 전송 방법은 소스 노드에서 멀티미디어 데이터를 주기적으로 수집하여 원본 데이터를 최단 경로를 통해 기지국으로 전송하는 기법이다. 그러나 이러한 방식은 대용량의 멀티미디어 센서 데이터를 전송함에 따라 특정 센서 노드 간의 대량의 무선 통신을 발생시킴으로써 센서 노드의 배터리 수명을 단축시키게 되고, 결과적으로 센서 네트워크의 수명이 감소한다. 또한, 대용량 데이터의 전송 과정에서의 채널 점유 시간 증가로 인한 혼잡 상황이 빈번하게 발생하고, 이는 궁극적으로 데이터 전송 실패에 따른 모니터링 품질 저하로 이어진다. 따라서 최근 연구는 인-네트워크 미들웨어의 데이터 처리를 통해 소스 노드에서 수집되는 데이터의 전송 이전에 센서 노드 수준에서 분석 및 압축을 미리 수행하고, 압축 데이터를 다중 경로를 활용하여 전송함으로써 단일 노드에서의 송수신 데이터의 크기를 크게 감소시킨다. 그 동안의 데이터 압축 기법 및 다중 경로 기반 전송 기법에 대한 연구가 활발하게 이루어졌다. 그러나 이러한 기존의 압축 알고리즘은 무선 멀티미디어 센서 네트워크의 특성 및 환경을 고려하여 연구된 기법이 아니므로 실제 센서 노드에 직접 적용하는 것은 불가능하다. 그러므로 무선 멀티미디어 센서 네트워크의 특성을 고려한 압축 및 전송 기법의 필요성이 증가하고 있다. 본 논문에서는 무선 멀티미디어 센서 네트워크의 특성을 분석하고, 특성을 고려한 에너지 효율적인 데이터 압축 및 전송 기법을 제안한다. 첫 번째, 센서 네트워크의 한정적인 자원 및 제한성을 고려하여 기존의 멀티미디어 데이터 압축 기법을 대체하는 중국인의 나머지 정리(chinese remainder theorem) 기반 멀티미디어 센서 데이터 압축 기법을 제안한다. 제안하는 기법에서는 기본 사칙 연산의 범주에 속하는 나머지 연산을 기반으로 수행되는 중국인의 나머지 정리 기반 압축 기법을 최초로 적용한다. 뿐만 아니라, 압축 효율의 극대화를 위해 압축 기법의 수행 전에 동적 영역 추출과 비트-평면 삭제로 구성된 전-처리 알고리즘을 활용한다. 이를 통해, 원본 멀티미디어 센서 데이터를 전송하는 대신에 나머지 데이터를 전송함으로써 데이터 압축 연산 감소 및 압축률을 향상시키며, 데이터 전송 과정에서 발생하는 에너지 소모를 최소화한다. 또한, 압축 과정에서 다중 패킷으로의 분할을 통해 다중 경로 기반 전송의 활용에 용이하다. 두 번째, 멀티미디어 센서 데이터 전송 기법에서는 기존의 전송 기법에서 발생하는 경로 및 노드 중첩을 최소화하기 위한 비-중첩 다중 경로 설정 알고리즘 기반의 전송 기법을 제안한다. 제안하는 기법에서는 소스 노드에서 원본 멀티미디어 데이터의 압축 및 분할 수행 시에 활용 가능하도록 사전에 비-중첩 가용 다중 경로를 설정하고, 분할된 압축 데이터를 설정된 경로를 통해 분산 전송함으로써, 특정 경로에 집중되는 에너지 소비를 완화시키고 네트워크의 수명을 증가시킨다. 제안하는 압축 및 전송 기법의 우수성을 보이기 위해 기존 기법들과의 시뮬레이션을 통해 성능을 비교 평가하였다. 그 결과 기존 기법들에 비해 압축 연산은 감소시키면서도 압축률을 향상시켰으며, 데이터 통신비용의 감소를 통해 네트워크 수명이 향상되었다.

The most intuitive data gathering and transmission method using wireless multimedia sensor networks collects multimedia data from source nodes and transmits the original data to the base station through the shortest route. However, since this method generates massive wireless traffic between specific sensor nodes by transmitting large amount of multimedia sensor data, it consumes the batteries of the sensor nodes and reduces a sensor network lifetime. In addition, as the channel occupation time increases, it causes congestions frequently Eventually, it degrades monitoring qualities due to data transmission failure. Therefore, the recent studies considerably reduce the size of transmission and reception data in a specific node by carrying out analysis and compression in advance in source nodes through the data processing of in-network middleware before data transmission and by sending the compressed data using multiple paths. There have been active studies on data compression schemes and multi-path transmission schemes. However, as the existing compression schemes do not consider the characteristics and environments of the wireless multimedia sensor network, it is impossible to directly apply them to the actual sensor nodes. Therefore, compression and transmission schemes that consider the characteristics of the wireless multimedia sensor networks are required.
This dissertation analyzes the characteristics of the wireless multimedia sensor networks and proposes energy efficient data compression and transmission schemes considering the characteristics. First, this dissertation proposes a multimedia sensor data compression scheme based on the Chinese Remainder Theorem by considering the limited resources and restriction of the sensor networks. The proposed scheme utilizes the Chinese Remainder Theorem that is performed based on the mod operation in a category of basic arithmetic operation for data compression. Moreover, for the maximization of compression efficiency, it utilizes a pre-processing algorithm that consists of dynamic area extraction and bit-plane deletion before conducting compression scheme. By doing so, the proposed scheme reduces data compression operation, improves compression ratio, and minimizes energy consumption generated from data transmission by transmitting the remaining data instead of original multimedia sensor data. In addition, it is easy to utilize multi-paths based transmission through the division of multiple packets during compression. Second, this dissertation proposes a transmission scheme based on a non-overlapping multi-path setting algorithm to minimize the overlapping of paths and nodes occurred in the existing transmission schemes. The proposed scheme relieves energy consumption concentrated on a specific path and increases network lifespan by establishing available non-overlapping multi-paths to be utilized on compression and division of the original multimedia data on source nodes and by transmitting the divided compression data through the established paths. In order to show the superiority of our proposed schemes, we compare them with the existing schemes through performance evaluation. As a result, it is shown that they increases compression ratio while reducing the compression operations, reduce data communication costs, and improve network lifetime over the existing schemes.

Ⅰ. 서 론 1
1.1. 연구 배경 1
1.2. 연구 내용 및 목적 6
1.3. 논문의 구성 10
Ⅱ. 관련연구 11
2.1. 멀티미디어 데이터 압축 기법 11
2.1.1 JPEG 13
2.1.2 웨이블릿 변환 이론 16
2.1.3 JPEG2000 24
2.1.4 SPIHT 29
2.2. 센서 네트워크에서의 다중 경로 전송 기법 34
2.2.1 SMR 35
2.2.2 AOMDV 36
2.2.3 AODVM 38
Ⅲ. 멀티미디어 센서 데이터 압축 기법 40
3.1. 중국인의 나머지 정리 기반 멀티미디어 센서 데이터 압축 기법 41
3.2. 고효율 압축을 위한 전-처리 알고리즘 48
3.2.1 1차 전-처리 알고리즘 - 동적 영역 추출 48
3.2.2 2차 전-처리 알고리즘 - 비트-평면 데이터 삭제 57
Ⅳ. 멀티미디어 센서 데이터 전송 기법 63
4.1. 비-중첩 다중 경로 설정 알고리즘 64
4.2. 분할 패킷 수신 및 복원 69
4.3. 경로 평가 및 재설정 71
Ⅴ. 멀티미디어 센서 데이터 압축 성능 평가 74
5.1. 실험 환경 74
5.2. 영상 압축률 및 연산량 80
5.3. 복원 영상의 품질 94
5.4. 성능 평가 분석 및 고찰 99
Ⅵ. 멀티미디어 센서 데이터 전송 성능 평가 101
5.1. 실험 환경 101
5.2. 네트워크 설정 비용 104
5.3. 데이터 전송률 105
5.4. 네트워크 생존 시간 107
5.5. 성능 평가 분석 및 고찰 109
Ⅶ. 결 론 111
참고문헌 113

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