Αλγοριθμικές τεχνικές εντοπισμού και παρακολούθησης πολλαπλών πηγών από ασύρματα δίκτυα αισθητήρων

Abstract

Technology advances in microelectronics and wireless communications have enabled the development of small-scale devices that integrate sensing, processing and short-range radio capabilities. The deployment of a large number of such devices, referred to as sensor nodes, over a territory of interest, defines the so-called wireless sensor network. Wireless sensor networks have attracted considerable attention in recent years and have motivated many new challenges, most of which require the synergy of many disciplines, including signal processing, networking and distributed algorithms. Among many other applications, source localization and tracking has been widely viewed as a canonical problem of wireless sensor networks. Furthermore, it constitutes an easily perceived problem that can be used as a vehicle to study more involved information processing and organization problems. Most of the source localization methods that have appeared in the literature can be classified into two broad categories, according to the physical variable they utilize. The algorithms of the first category utilize “time delay of arrival”(TDOA) measurements, and the algorithms of the second category use “direction of arrival” (DOA) measurements. DOA estimates are particularly useful for locating sources emitting narrowband signals, while TDOA measurements offer the increased capability of localizing sources emitting broadband signals. However, the methods of both categories impose two major requirements that render them inappropriate to be used in wireless sensor networks: (a) the analog signals at the outputs of the spatially distributed sensors should be sampled in a synchronized fashion, and (b) the sampling rate used should be high enough so as to capture the features of interest. These requirements, in turn, imply that accurate distributed synchronization methods should be implemented so as to keep the remote sensor nodes synchronized and that high frequency electronics as well as increased bandwidth are needed to transmit the acquired measurements. Due to the aforementioned limitations, source localization methods that rely upon received signal strength (RSS) measurements - originally explored for locating electromagnetic sources - have recently received revived attention. In this Thesis, we begin our study by considering the localization of an isotropic acoustic source using energy measurements from distributed sensors, in the case where the energy decays according to an inverse square law with respect to the distance. While most acoustic source localization algorithms require that distance estimates between the sensors and the source of interest are available, we propose a linear least squares criterion that does not make such an assumption. The new criterion can yield the location of the source and its transmit power in closed form. A weighted least squares cost function is also considered, and distributed implementation of the proposed estimators is studied. Numerical results indicate significant performance improvement as compared to a linear least squares based approach that utilizes energy ratios, and comparable performance to other estimators of higher computational complexity. In the sequel, we turn our attention to the case where the energy decay model is not known. For solving the localization problem in this case, we first make the assumption that the locations of the nodes near the source can be well described by a uniform distribution. Using this assumption, we derive distance estimates that are independent of both the energy decay model and the transmit power of the source. Numerical results show that these estimates lead to improved localization accuracy as compared to other model-independent approaches. In the sequel, we consider the more general case where the assumption about the uniform deployment of the sensors is not required. For this case, an optimization problem that does not require knowledge of the underlying energy decay model is proposed, and a condition under which the optimal solution can be computed is given. This condition employs a new geometric construct, called the sorted order-K Voronoi diagram. We give centralized and distributed algorithms for source localization in this setting. Finally, analytical results and simulations are used to verify the performance of the developed algorithms. The next problem we consider is the estimation of the locations of multiple acoustic sources by a network of distributed energy measuring sensors. The maximum likelihood (ML) solution to this problem is related to the optimization of a non-convex function of, usually, many variables. Thus, search-based methods of high complexity are required in order to yield an accurate solution. In order to reduce the computational complexity of the multiple source localization problem, we propose two methods. The first method proposes a sequential estimation algorithm, in which each source is localized, its contribution is cancelled, and the next source is considered. The second method makes use of an alternating projection (AP) algorithm that decomposes the original problem into a number of simpler, yet also non-convex, optimization steps. The particular form of the derived cost functions of each such optimization step indicates that, in some cases, an approximate form of these cost functions can be used. These approximate cost functions can be evaluated using considerably lower computational complexity. Thus, a low-complexity version of the AP algorithm is proposed. Extensive simulation results demonstrate that the proposed algorithm offers a performance close to that of the exact AP implementation, and in some cases, similar performance to that of the ML estimator.

Οι πρόσφατες εξελίξεις στις ασύρματες επικοινωνίες και στα ηλεκτρονικά κυκλώματα έχουν επιτρέψει την ανάπτυξη υπολογιστικών διατάξεων χαμηλού κόστους και χαμηλής κατανάλωσης ισχύος, οι οποίες ενσωματώνουν δυνατότητες μέτρησης (sensing), επεξεργασίας και ασύρματης επικοινωνίας. Οι διατάξεις αυτές, οι οποίες έχουν ιδιαίτερα μικρό μέγεθος, καλούνται κόμβοι αισθητήρες. Ένα ασύρματο δίκτυο κόμβων αισθητήρων αποτελείται από ένα πλήθος κόμβων οι οποίοι έχουν αναπτυχθεί σε κάποια περιοχή ενδιαφέροντος προκειμένου να μετρούν κάποια μεταβλητή του περιβάλλοντος. Ανάμεσα σε πολλές εφαρμογές, ο εντοπισμός και η παρακολούθηση των θέσεων πηγών οι οποίες εκπέμπουν κάποιο σήμα (π.χ. ακουστικό, ηλεκτρομαγνητικό) αποτελεί ένα πολύ ενδιαφέρον θέμα, το οποίο μάλιστα μπορεί να χρησιμοποιηθεί και ως βάση για τη μελέτη άλλων προβλημάτων τα οποία εμφανίζονται στα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων. Οι περισσότερες από τις υπάρχουσες τεχνικές εντοπισμού θέσης μιας πηγής από μια συστοιχία αισθητήρων μπορούν να ταξινομηθούν σε δυο κατηγορίες: (α) Τις τεχνικές οι οποίες χρησιμοποιούν μετρήσεις διεύθυνσης άφιξης (Direction of Arrival, DOA) και (β) τις τεχνικές οι οποίες χρησιμοποιούν μετρήσεις διαφοράς χρόνων άφιξης (Time Difference of Arrival, TDOA). Ωστόσο, οι τεχνικές αυτές απαιτούν υψηλό ρυθμό δειγματοληψίας και ακριβή συγχρονισμό των κόμβων και δε συνάδουν έτσι με τις περιορισμένες ικανότητες των κόμβων αισθητήρων. Για τους λόγους αυτούς, το ενδιαφέρον έχει στραφεί σε μια τρίτη κατηγορία τεχνικών οι οποίες χρησιμοποιούν μετρήσεις ισχύος (Received Signal Strength, RSS). Το πρόβλημα του εντοπισμού θέσης χρησιμοποιώντας μετρήσεις ισχύος είναι ένα πρόβλημα εκτίμησης, όπου οι μετρήσεις συνδέονται με τις προς εκτίμηση παραμέτρους με μη-γραμμικό τρόπο. Στα πλαίσια της Διδακτορικής Διατριβής ασχολούμαστε αρχικά με την περίπτωση όπου επιθυμούμε να εκτιμήσουμε τη θέση και την ισχύ μιας πηγής χρησιμοποιώντας μετρήσεις ισχύος οι οποίες φθίνουν με βάση το αντίστροφο του τετραγώνου της απόστασης ανάμεσα στην πηγή και το σημείο μέτρησης. Για το πρόβλημα αυτό, προτείνουμε έναν εκτιμητή ο οποίος δίνει τις παραμέτρους της πηγής ως λύση ενός γραμμικού προβλήματος ελαχίστων τετραγώνων. Στη συνέχεια, υπολογίζουμε κατάλληλα βάρη και προτείνουμε έναν εκτιμητή ο οποίος δίνει τις παραμέτρους της πηγής ως λύση ενός προβλήματος ελαχίστων τετραγώνων με βάρη. Ακόμα, τροποποιούμε κατάλληλα τον τελευταίο εκτιμητή έτσι ώστε να είναι δυνατή η κατανεμημένη υλοποίησή του μέσω των προσαρμοστικών αλγορίθμων Least Mean Square (LMS) και Recursive Least Squares (RLS). Στη συνέχεια, εξετάζουμε την περίπτωση όπου ενδιαφερόμαστε να εκτιμήσουμε τη θέση μιας πηγής αλλά δεν έχουμε καμιά πληροφορία σχετικά με το μοντέλο εξασθένισης της ισχύος. Έτσι, υποθέτουμε πως αυτό περιγράφεται από μια άγνωστη γνησίως φθίνουσα συνάρτηση της απόστασης. Αρχικά, προσεγγίζουμε το πρόβλημα εκτίμησης κάνοντας την υπόθεση πως οι θέσεις των κόμβων αποτελούν τυχαία σημεία ομοιόμορφα κατανεμημένα στο επίπεδο. Χρησιμοποιώντας την υπόθεση αυτή, υπολογίζουμε εκτιμήσεις για τις αποστάσεις ανάμεσα στους κόμβους και την πηγή, και αναπτύσσουμε έναν αλγόριθμο εκτίμησης της θέσης της πηγής. Στη συνέχεια, προσεγγίζουμε το πρόβλημα εκτίμησης χωρίς την υπόθεση περί ομοιόμορφης κατανομής των θέσεων των κόμβων στο επίπεδο. Προτείνουμε μια κατάλληλη συνάρτηση κόστους για την περίπτωση αυτή, και δείχνουμε την ύπαρξη μιας συνθήκης υπό την οποία η βέλτιστη λύση μπορεί να υπολογιστεί. Η λύση αυτή είναι εσωτερικό σημείο ενός κυρτού πολυγώνου, το οποίο ονομάζουμε ταξινομημένο τάξης-K κελί Voronoi. Έτσι, δίνουμε αλγορίθμους υπολογισμού της λύσης αυτής, καθώς και κατανεμημένους αλγορίθμους οι οποίοι βασίζονται σε προβολές σε κυρτά σύνολα. Ακόμα, ασχολούμαστε με τις ιδιότητες των κελιών αυτών στην περίπτωση όπου οι θέσεις των κόμβων αισθητήρων είναι ομοιόμορφα κατανεμημένες στο επίπεδο και υπολογίζουμε κάποια φράγματα για το εμβαδόν τους. Τέλος, ασχολούμαστε με την περίπτωση όπου ενδιαφερόμαστε να εκτιμήσουμε τις θέσεις πολλαπλών πηγών με γνωστό μοντέλο εξασθένισης της ισχύος. Για το πρόβλημα αυτό, αρχικά προτείνουμε έναν αλγόριθμο διαδοχικής εκτίμησης και ακύρωσης της συνεισφοράς κάθε πηγής, προκειμένου να υπολογιστούν σταδιακά οι θέσεις όλων των πηγών. Ο αλγόριθμος αυτός, αποτελείται από τρία βήματα κατά τα οποία πρώτα υπολογίζεται μια προσεγγιστική θέση για την πηγή, στη συνέχεια εκτιμάται ένα σύνολο κόμβων το οποίο δέχεται μικρής έντασης παρεμβολή από τις υπόλοιπες πηγές, και τέλος επιχειρείται μια λεπτομερέστερη εκτίμηση της θέσης κάθε πηγής. Στη συνέχεια, επεκτείνοντας την τεχνική αυτή, προτείνουμε έναν επαναληπτικό αλγόριθμο εκτίμησης ο οποίος βασίζεται στον αλγόριθμο εναλλασσόμενων προβολών (Alternating Projections). Εξετάζουμε επίσης μεθόδους οι οποίες οδηγούν στη μείωση της υπολογιστικής πολυπλοκότητας του αλγορίθμου αυτού.