原创 v目标检测传感器网络参数设计

 2009-9-22 20:00  1798 6 6 分类: EDA/ IP/ 设计与制造


作者：胡　宁，张德运时间：2006-12-22 来源:

摘要: 通过理论分析，给出了目标穿越无线传感器网络防线时的被检测概率与传感器网络设计参数之间的关系，建立了传感器网络目标检测问题的数学模型。传感器网络所有节点均采用基于时间片的休眠/ 唤醒节能策略，使得节点在每个时间片以一定的激活概率进入活动状态。推导目标检测概率的计算公式表明，检测概率与传感器节点的密度以及节点激活概率均成正比。因此，在满足所需要的目标检测概率条件下，可以采用降低节点密度或者减小节点激活概率的方法来减少系统能耗。此外，建立了节点工作时间片大小与传感器网络能耗之间的关系式。由该关系式得出，在其他参数确定的条件下，存在一个目标运动速率的临界值。当目标速率小于此临界值时，网络能耗随时间片的增加而增大;当目标速率大于此临界值时，网络能耗随时间片的增加而减小。关键词：无线传感器网络；目标检测；节能策略　　无线传感网络是一项新兴的网络技术，在国防军事、环境监测、交通管理、医疗卫生等领域有着广泛的应用前景。大量密集的、低成本的传感器节点经自组织方式构成网络，具有很强的容错能力，非常适合应用于军事侦察、战场监控等恶劣环境。采用无线传感器网络所构建的目标检测系统，其主要问题是目标检测区域的覆盖度和传感器网络的能耗。文献提出了覆盖度的概念，用于度量目标穿越传感器网络时的可检测性。文献讨论了达到完全覆盖所需要的临界密度问题。文献中提出了一个计算有效检测半径的方法，从而可以计算传感器网络在完全覆盖条件下的临界节点密度。前述的研究工作主要从几何学的角度讨论传感器网络覆盖问题，没有结合节点能量策略和应用特性给出传感器网络参数设计的建议。本文在节点采用随机唤醒节能策略条件下，从理论上分析了检测区域的节点密度以及节点唤醒概率等参数与目标检测概率的关系，讨论了其工作周期的选择对整个传感器网络能耗的影响，从节能角度给出了节点工作周期的选择建议。单节点目标检测概率为节约能量，延长整个传感器网络的生命周期，传感器节点普遍采用休眠/ 唤醒机制。其中，一种可行的方式如下所述:将整个传感器节点的生命周期分为若干等长时间片，在每个时间片的开始进行决策，让节点以小概率α在此时间片进入活动状态，如果决定激活此节点，则在整个时间片内节点处于激活状态;否则，处于睡眠状态。设t 为目标穿越某个传感器节点的传感区域时所经历的时间， T 为节点工作时间片的长度，则目标穿越节点传感区域时经历了t/T( t/T可能为非整数) 个时间片。令k =[ t/T]，表示其中包含的完整时间片的个数，则一定有k ≤ t/T< k + 1。如图1 所示，阴影部分表示k 个完整的时间片， o 点表示某一个时间片的开始，穿越时间t1 = t2 = t。如果目标在o 点之后进入节点传感范围，它将在k + 1 个时间片中出现，概率为P_{k + 1} = k + 1 – t/T，而当其在o 点之前进入节点传感范围，它必然在k + 2 个时间片中出现，概率为P_{k + 2} = t/T- k。令节点检测到目标的事件为D ，未检测到目标的事件为D ，则在目标穿越某传感器节点i 的传感区域过程中，被检测到的概率　　如图2 所示，假定传感器节点的探测范围为盘状，且目标沿直线穿越传感器节点的传感区域轨迹线与节点距离为x ，传感器的传感半径为R ，目标运动速率为v ，则穿越时间　　将式( 2) 代入式( 1) ，并利用Taylor 展开式(1 - α) x≈1 - αx (α很小) ，可得这是一个与目标到传感器节点的距离有关的量，以下计算单个节点检测到目标概率的均值为便于积分，再次应用Taylor 公式　　可见，单个传感器节点检测到目标的概率与目标运动速度、时间片长度以及节点唤醒概率均有关系。传感器网络目标检测概率目标穿越传感器网络构成的探测防线时，将通过若干传感器节点的探测范围。为讨论方便，给出一些合理假设: ①传感器网络防线呈带状; ②传感器在防线内均匀分布。考察目标垂直穿越防线，以最短路径经过传感器网络检测区域的情况，显然此时被检测到的概率最小，因此计算较为保守。如图3 所示，目标箭头方向穿超防线，其轨迹两侧R 范围内的活动传感器节点均可检测到此目标。设防线宽度为H ，传感器节点密度为ρ，可感知目标的区域包含传感节点的个数n = 2 R Hρ，则防线内节点均未检测到目标的概率目标穿越防线时，节点检测到目标的概率为　　由式(7) 可以看出，目标检测概率与传感器节点密度ρ以及节点激活概率α成正比，在节点探测范围、时间片长度以及目标运动速率确定的情况下，增加节点密度，提高激活概率均可增加检测到目标的可能性。节点工作周期的选择节点工作时间片T 也是一个很重要的参数，和节点激活概率α一样都将影响整个传感器网络的生命期。从节点的自身特性考虑，节点从睡眠态转换到工作态需要一定的启动时间T_st，以及消耗一定的能量Est ，并且E_st> W_onT_st(W_on为节点正常工作时的平均功率) 。因此，从能耗角度，并非T 越小越好。假设节点一直工作可以维持的时间为T_max ，存在Tst ≤T ≤T_max 。传感器节点i 在一个时间片内消耗的平均能量E T 由两部分构成: ①节点平稳工作时消耗的能量; ②节点从睡眠态转换到工作态需要消耗的启动能量(仅当节点在上一个时间片处于睡眠态(概率为(1 - α) ) ，而当前时间片需要转换到工作态(概率为α) 时，才需要消耗启动能量) 。因此，ET =αTW_on+ (1 - α)αE_st ，其平均功率为　　假设防线长度为L ，防线内所有传感器的个数N = HLρ，则传感器防线的功率为考察时间片长度T 的选择对传感器网络功率的影响，式(12) 两边对时间片T 求导当v >πR/(1 - α) A时，W_bar 单调减，故取T →T_max ，使得Wbar较小;当v <πR/(1 - α) A时，W_bar单调增，取T →T_st，使得W_bar较小。　　图4 展示了不同目标运动速率条件下，时间片长度T 对传感器网络能耗的影响。其中，参数P{ D}= 0。99 ， A = 3 s ， L = 100 m ，α= 0。01 ， R = 5 m。可以看到:当速率小于5 m/ s 时，能耗随时间片的增加而增大;当速率大于5 m/ s 时，能耗随时间片的增加而减小。结束语本文通过理论分析给出了无线传感器网络目标检测概率与传感器网络设计参数之间的关系，建立了计算整个传感器网络目标检测概率的数学模型。讨论了传感器节点工作周期的选择对整个传感器网络能耗的影响，从节能角度给出了节点工作周期的选择建议，可在不降低目标检测概率的条件下，减少网络能耗。本文的分析结果能够为应用于目标检测领域的传感器网络设计提供理论指导。