能量收集无线传感器网络中的分布式信号检测关键技术研究

Energy Harvesting Wireless Sensor Networks have emerged due to their capabilities of energy self-sufficiency and virtually perpetual operation with network lifetimes limited by the hardware rather than the energy storage. However, the randomness of harvested energy challenges the design of distributed signal detection algorithm in wireless sensor networks，which should jointly process both energy uncertainty and the uncertainties introduced by sensing and communication. Firstly, the proposal studies the relation among communication rate, detection error exponent, and communication distortion, explores the performance bounds and the minimum communication traffic of a given distributed signal detection system so as to support the system design of distributed signal detection system under low communication traffic, lays the foundation for the universal distributed signal detection. Secondly, the proposal aims at the energy dependent quantizer design approach for local sensor with energy uncertainty. The last research goal is to establish the optimum transmission control policies for distributed signal detection with the full consideration of both signal observation and energy-harvesting features. The research will lay the foundation of theory and application for distributed detection system with energy self-sufficiency and enjoy promising future of wide applications.

为了实现能量的自给自足，减少碳排放，使系统能够在由硬件决定的网络生命周期内持续工作，具备环境能量收集功能的无线传感器网络应运而生。但是收集到的能量的随机性给基于无线传感器网络的分布式信号检测系统的设计带来了新的挑战，即不仅要考虑传感器观测的不确定性和信道的不确定性，还要考虑节点能量的不确定性。本项目首先从信息论的观点出发，研究分布式信号检测系统中通信速率、检测错误指数和通信失真之间关系问题，探究系统的检测性能界和所需的最小通信量的确定方法，为低通信量条件下分布式检测系统的设计提供理论支持，为构建统一的分布式信号检测理论奠定基础。之后，研究节点能量不确定条件下局部传感器的量化规则优化设计问题，建立反映信号检测特点和节点能量收集特性的面向目标检测的传输控制策略，解决环境能量收集条件下分布式信号检测系统设计的方法问题。项目将为设计能量自主供应的分布式检测系统应用奠定理论和技术基础，应用前景广阔

为了实现能量的自给自足，减少碳排放，使系统能够在由硬件决定的网络生命周期内持续工作，具备环境能量收集功能的无线传感器网络应运而生。但是收集到的能量的随机性给系统设计带来了新的挑战，即不仅要考虑传感器观测的不确定性和信道的不确定性，还要考虑节点能量的不确定性。.本项目首先从信息论的观点出发，研究分布式信号检测系统中通信速率、检测错误指数和通信失真之间关系问题，探究系统的检测性能界和所需的最小通信量的确定方法，为低通信量条件下分布式检测系统的设计提供理论支持，为构建统一的分布式信号检测理论奠定基础。之后，研究节点能量不确定条件下局部传感器的量化规则优化设计问题，建立反映信号检测特点和节点能量收集特性的面向目标检测的传输控制策略，解决环境能量收集条件下分布式信号检测系统设计的方法问题。.课题取得的重要成果有：.1.理论证明了，当传感器和融合中心之间的通信容量大于任意局部判决的熵时，存在一个将将局部判决无失真地传递给融合中心的方法，提出了一种渐近最优的传输速率确定方法。.2.针对并行分布式检测结构和二元对称信道，推导了传感器个数较小时速率-指数-失真区的求解方法。.3.在同时考虑节点能量不确定性、探测能量不确定性、通信能量不确定的前提下,提出了一种基于节点能量使用门限的能量管理策略，提高了节点能量利用效率。.4.当传感器和融合中心之间的通信链路存在误码时，提出了一种高效的通信速率确定方法，在保持系统检测性能基本不降低的前提下，显著降低了系统通信量，提高了系统的能量利用率。.5.给出了局部传感器之间存在信息共享时检测器的最佳结构。.6.以高寒山地地形条件下对低空/超低空目标的警戒任务为背景，构建了一个基于能量收集的分布式目标检测原型系统，为节点能量的自主管理和集中控制算法研究提供支撑。.项目将为设计能量自主供应的预警探测系统奠定理论和技术基础，在重点区域警卫、要地防卫和安保等领域应用前景广阔。