Resource aware adaptive binary quantizer design for target tracking in wireless sensor networks

Abstract

Bu tezde, hareketli bir hedefin takibi için bir Telsiz Duyarga Ağı (TDA)'nda kaynak duyarlıuyarlanır nicemleme tasarlanmıştır. Düğüm enerjisi ya da haberleşme bant genişliği gibikısıtlı kaynaklar nedeniyle duyargalar analog iletim yapmak yerine, öncelikle ölçümleriniön işlemden geçirirler ve sonra da ikili nicemlenmiş biçimlerini ya doğrudan (tek-atlamalıiletim) ya da küme başı elemanları yardımıyla (iki-atlamalı iletim) son istatiksel çıkarım içinTümleştirme Merkezi (TM)'ne göndermektedirler. İlk olarak duyargaların yerel karar eşikleri,her hedef takibi adımında tanımlanan Çok-amaçlı Eniyileme Problemi (ÇEP) sayesinde eniyive devingen bir şekilde elde edilmektedir. Dikkate alınan ÇEP yöntemi kestirim hatasınıve merkeze veri gönderen duyarga sayısını tek-atlamalı bağlantılar altında müşterek olarakazaltmaktadır. İkinci olarak, ÇEP yöntemi aynı zamanda veri iletimi sırasında duyargadevrelerinde oluşan enerji tüketimi dikkate alınarak TDA'daki toplam enerji tüketimini tek-atlamalıve 2-atlamalı bağlantılar altında en aza indirgemek için de formüle edilmiştir. ÇEP'inyanı sıra duyarga ölçümlerinin en az enerji gerektiren bağlantı yolunu, tek-atlamalı ya da2-atlamalı, takip ederek TM'ye ulaşmasını sağlayan En düşük İletim Enerjisi Yolu tabanlı veriiletimi tercih edilmektedir. Sayısal sonuçlar eniyiye yakın takip başarımı sağlamakla birliktehem TDA'da harcanan toplam enerji oranında hem de veri iletimi yapan duyarga sayısındaönemli ölçüde tasarruf edildiğini göstermektedir. Son olarak, kablosuz kanaldaki bozulmalardikkate alınarak tek-atlamalı kanallar altında her bir duyargaya ikili kararlarını TM'yeiletmesi için tahsis edilen sürenin kendi ölçümü ile orantılı olduğu oransal Zaman BölmeliÇoklu Erişim tabanlı MAC yaklaşımı önerilmektedir. Benzetim sonuçları, duyargalara oransalzaman tahsisi sağlanmasının, eşit zaman tahsisine göre daha iyi kestirim başarımı sağladığınıgöstermektedir.

In this thesis, we design a resource aware adaptive binary quantizer for tracking a movingtarget in a Wireless Sensor Network (WSN). Due to stringent WSN resources, such as nodeenergy or communication bandwidth, rather than transmitting the analog sensor measurements,sensors first preprocess their measurements and then send binary quantized versions oftheir measurements either directly (Single-hop transmission) or via cluster heads (2-hoptransmission) to the Fusion Center (FC). Firstly, at each time step of tracking, the local decisionthresholds of sensors are obtained optimally and dynamically as a result of a MultiobjectiveOptimization Problem (MOP). The considered MOP jointly minimizes the estimation errorand number of sensor transmitting to FC under Single-hop links. Secondly, while consideringenergy depletion in hardware of sensors during transmission, we also formulate MOP tominimize the total energy consumption of the WSN under Single-hop and 2-hop links. Aswell as MOP, we also prefer Minimum Transmission Energy Path (MTEP) based transmissionwhere sensors' observations follow less energy required path which can be either Single-hopor 2-hop path to reach the FC. Numerical results show that significant savings in both totalenergy consumption of WSN and the average number of sensors transmitting to the FC areprovided while keeping good target tracking performance. Finally, we propose a proportionalTime Division Multiple Access (TDMA) based medium access control (MAC) approachwhere the time allocated to each sensor to transmit its binary decision to the FC becomesrelated with the value of its measurement while considering wireless channel impairmentsunder Single-hop links. Numerical results show that proportional time allocation providesbetter estimation performance as compared to equal time allocation.