基于无线传感器网络的随机场分布式估计算法

The developments in micro-electro-mechanical systems technology, wireless communications and digital electronics have made the deployment of low-cost wireless sensor networks (WSNs) in large scale with small size sensor nodes possible。Therefore, the use of WSNs to moniter the physical phenomenon becomes more and more important. Due to the limited energy for the sensor nodes in WSNs, the traditional centralized methods are not suitable for large scale WSNs. This project studies the distributed estimation for random field in WSNs. Integrating the basic idea and advanced results in estimation theory and distributed coordination control theory, a novel distributed estimation method is proposed for the random field estimation in WSNs. Furthermore, the optimal sensor deployment method for random field estimation problem in WSNs is also discussed. Utilize the advanced results in optimization theory, the approximation algorithm for the correspoding optimization problem is developed and the approximation bound is analyzed. According to the characteristics of WSNs,the distributed implementation of the approximation algorithm is also proposed.The project will not only help to develop the estimation theory and distributed coordination control the theory, and also provide a theoretical research for the application of WSNs.

随着大规模无线传感器网络在实际应用中的实现，利用无线传感器网络对空间中的物理现象（随机场）的观测监控具有重要意义。由于无线传感器中的网络节点能量有限，传统的中心式处理方法已不能满足需要。本项目研究基于无线传感器网络的随机场分布式估计算法。本项目融合估计理论和分布式协调控制理论的基本思想和先进结果，提出基于无线传感器网络的随机场分布式估计的新方法。此外，对于无线传感器网络中随机场估计的节点最优布置问题，利用最优化理论的先进结果，给出求解相应优化问题的逼近算法以及逼近最优解得界。并根据无线传感器网络的特点设计出这种逼近算法在网络中的分布式实现方案。申请人对以上问题已有较好的前期研究基础。本项目不但有助于估计理论和分布式协调控制理论的发展，也为无线传感器网络的应用提供理论基础。

近年来，随着微传感器技术和现代通信技术的飞速发展，使得我们在给定区域中大量布置廉价的无线传感器节点成为可能。这种由大量的自治传感器节点形成的网络系统可以相互协作地监测区域中的物理现象或者环境指标，比如实时监控农田中的土壤湿度，大楼内部各个位置的温度，大面积水域中的PH值以及海洋中的盐分浓度等等。一般来说，在给定区域中发生的物理现象或者环境指标可以用随机场来进行描述，而分布在区域中的传感器节点得到的观测数据可以视为对随机场的采样。人们往往希望通过分布在区域中的传感器节点的观测数据对整个区域内的物理现象或者环境指标有所了解，这实际上是对随机场的估计问题，这个估计过程也称为随机场的重构。由于无线传感器中的网络节点能量有限，传统的中心式处理方法已不能满足需要。本项目研究基于无线传感器网络的随机场分布式估计算法。本项目融合估计理论和分布式协调控制理论的基本思想和先进结果，提出基于无线传感器网络的随机场分布式估计的新方法。在分布式的估计算法中，借鉴平均趋同控制算法在网络系统中的研究，我们给出了以平均趋同控制算法为基础设计的参数的分布式估计算法。对于随机场的估计是需要整个网络对整个空间中点的估计，这是一个全局概念，而分布式估计算法要求信息只在邻居节点间交换。我们提出的算法重点研究的是设计合理的邻居节点间的通信协议，使得各个节点在只和邻居节点交换信息的条件下完成对于整个随机场的重构。本项目不但有助于估计理论和分布式协调控制理论的发展，也为无线传感器网络的应用提供理论基础。