CHUYÊN đề 7 distributed signal processing in sensor networks

HỌC VIỆN KĨ THUẬT MẬT MÃ Khoa điện tử viễn thông CHUYÊN ĐỀ Distributed Signal Processing in Sensor Networks Thành viên : Mai Khắc Nguyên Lê Thị Huyền Nguyễn Văn Nam Nội dung • • • • Phần : Giới thiệu Phần : Phân tích phổ biến mạng cảm biến Phần : Các vấn đề nghịch đảo phân loại Phần : Ước tính phổ sử dụng phép chiếu tổng qt • Phần : Các thuật tốn phân tán để tính phép chiếu tổng quát • Phần : Kết Luận Phần : Giới thiệu 1.1 Giới thiệu • Hãy tưởng tượng hệ thống cảm biến nối mạng với hàng nghìn hàng triệu thành phần độc lập, tất có khả tạo giao tiếp liệu Một hệ thống cảm biến phức tạp dường tưởng tượng cách vài thập kỷ, ngày nay, trở thành khả năng, nhờ khả phổ biến rộng rãi xử lý nhúng giá rẻ mạng khơng dây dễ dàng truy cập • Kết nối mạng số lượng lớn thiết bị cảm biến tự trị công nghệ hứa hẹn khả giám sát từ vật lý chưa có thơng qua mạng phân tán không gian gồm thiết bị khơng dây nhỏ, rẻ tiền, có khả tự tổ chức mạng kết nối tốt Một loạt ứng dụng mạng cảm biến hình dung số lĩnh vực, bao gồm giám sát địa lý, quản lý hàng tồn kho, an ninh nội địa chăm sóc sức khỏe Phần : Giới thiệu 1.1 Giới thiệu • Các khối xây dựng mạng cảm biến, thường gọi “Motes”, máy tính chạy pin, độc lập để đo ánh sáng, âm thanh, nhiệt độ, độ ẩm biến số mơi trường khác (Hình.) Khơng thể tránh khỏi hạn chế tốc độ xử lý, dung lượng lưu trữ băng thơng giao tiếp Ngồi ra, tuổi thọ chúng xác định khả tiết kiệm điện • Về nguyên tắc, mạng lưới cảm biến phân tán có khả mở rộng cao, phù hợp với chi phí mạnh mẽ lỗi Mote riêng lẻ Tuy nhiên, có nhiều rào cản công nghệ cần phải vượt qua để mạng cảm biến trở nên khả thi Các bà mẹ chắn bị hạn chế trình xử lý tốc độ, dung lượng lưu trữ băng thông liên lạc Các thách thức thiết kế bổ sung bao gồm sức mạnh hạn chế mà Mote thu hoạch lưu trữ, khả chịu đựng điều kiện mơi trường khắc nghiệt, khả đối phó với lỗi nút, tính di động nút, cấu trúc liên kết mạng động hoạt động không cần giám sát Phần : Giới thiệu 1.1 Giới thiệu • Một số tiêu chuẩn phát triển cho mạng cảm biến khơng dây Một ví dụ ZigBee, tiêu chuẩn mạng lưới dành cho mục đích sử dụng điều khiển cơng nghiệp, cảm biến nhúng, thu thập liệu medical, tự động hóa tịa nhà ∗ Một tiêu chuẩn gần khác WirelessHART, phần mở rộng Giao thức HART dành cho tự động hóa cơng nghiệp • Từ quan điểm xử lý tín hiệu, thách thức kết hợp phân tán liệu cảm biến toàn mạng Điều nút cảm biến riêng lẻ thường cung cấp thông tin hữu ích tồn diện số lượng quan sát Hơn nữa, điều kiện môi trường thay đổi thiết bị cảm biến triển khai, người ta mong đợi phần nhỏ nút cảm biến bị trục trặc Do đó, thuật tốn phân tán phải mạnh mẽ lỗi thiết bị Phần : Giới thiệu 1.1 Giới thiệu Trong chương này, chúng tơi giới thiệu lớp thuật tốn tổng hợp thơng tin mạnh mẽ, dựa việc xây dựng toán tổng hợp cảm biến “bài toán khả thi lồi” Có lợi lớn để xây dựng vấn đề kết hợp mạng cảm biến xác suất khả thi lồi Ưu điểm giải pháp tìm thấy theo kiểu phân tán cách sử dụng loạt phép chiếu độc lập lên tập lồi độc lập Một ưu điểm khác phép chiếu riêng lẻ tính tốn, đáng tin cậy hiệu quả, sử dụng phương pháp tối ưu hóa mâu thuẫn Các phương pháp giải pháp đủ tin cậy để nhúng vào hệ thống thời gian thực Phần : Giới thiệu Nút cảm biến không dây Mote sản xuất Crossbow Technology, Inc San Jose, California.  Phần : Giới thiệu 1.2 Các đặc điểm mong muốn khác phương pháp tiếp cận tính khả thi lồi • Giải pháp tồn cầu ổn định theo nghĩa nhiễu loạn nhỏ liệu quan sát gây thay đổi nhỏ giải pháp •  Dạng hàm giải pháp phụ thuộc vào lựa chọn khoảng cách tổng quát sử dụng phép chiếu Do đó, thu dạng hàm dễ thao tác diễn giải cho ứng dụng cụ thể (ví dụ, hàm hợp lý) cách sử dụng khoảng cách tổng quát thích hợp Phần : Giới thiệu 1.2 Các đặc điểm mong muốn khác phương pháp tiếp cận tính khả thi lồi • Cơng thức áp dụng cho nhiều loại cấu trúc liên kết mạng Một số cấu trúc liên kết cho phép tính tốn hiệu nhất, số cho phép thiết lập mạnh mẽ cấu trúc khác dẫn đến mức độ thỏa hiệp khác thuộc tính mong muốn • Cơng thức có cấu trúc tốn học phong phú dựa kết gần lĩnh vực toán học ứng dụng several bao gồm phân tích lồi, tối ưu hóa song song lý thuyết quy Phần : Giới thiệu 1.3 Kí hiệu Các vectơ ký hiệu chữ in hoa Chữ in hoa in đậm sử dụng cho ma trận Các phần tử ma trận A gọi [A] i j Chúng ta biểu thị tập giá trị thực M RM sử dụng ký hiệu R + cho số thực dương Giá trị kỳ vọng biến ngẫu nhiên x ký hiệu E {x} Tốn tử tích chập tuyến tính ký hiệu ⋆ Khơng gian hàm đo lường Lebesgue biểu diễn L (a, b), L (a, b), v.v Phần cuối ví dụ biểu thị ký hiệu ♢ Phần 5: Các thuật tốn phân tán Hình 9.6 Biên độ đáp ứng tần số hàm truyền Phần 5: Các thuật tốn phân tán Hình 9.7Kết hội tụ thuật toán Phần 5: Các thuật toán phân tán Kết hội tụ Thuật tốn Ring: Trong hình, đường cong nét đứt thể phổ cơng suất thực tế tín hiệu nguồn đường cong liền ước tính thu Thuật tốn vịng, sau m vịng “Vịng” có nghĩa phép chiếu chuyển qua tất nút mạng Phần 5: Các thuật toán phân tán 5.2 Thuật toán  Thuật toán Star thuật toán phân bổ thay để kết hợp liệu cảm biến riêng lẻ Nó kết hợp phép chiếu liên tiếp lên với loại phép tốn trung bình để tạo chuỗi nghiệm P (m) Cuối dãy hội tụ nghiệm tồn nghiệm Thuật tốn Star hồn tồn hợp lí nhanh nhiều so với thuật tốn vịng Nó cung cấp số mức độ chắn cho thất bại nút Tuy nhiên, bao gồm bước tập trung, bước cần điều chỉnh phù hợp giao thức mạng hệ thống thiết kế Phần 5: Các thuật toán phân tán Các bước thực thuật toán Star Phần 5: Các thuật tốn phân tán   Ví dụ: Hãy xem xét mạng cảm biến đơn giản tương tự mạng hiển thị Hình Giả sử tỷ lệ lấy mẫu giảm Note Như vậy, lần nữa, N = N = N = N =4 Ngoài ra, giả sử hàm truyền (z) sang (z) liên quan đến đầu front-end Motes với tín hiệu nguồn ban đầu x(n) giống với tín hiệu giới thiệu Ví dụ Chúng tơi mơ Thuật tốn ngơi với L = số liệu Euclid làm hàm khoảng cách để ước tính phổ tín hiệu đầu vào Kết thể (Hình 9.9) Giống Thuật tốn Vịng, Thuật tốn Ngơi hội tụ giải pháp, gần giống với phổ đầu vào thực tế vịng Phần 5: Các thuật tốn phân tán Hình 9.8 Mơ tả thuật toán Phần 5: Các thuật toán phân tán Trong thực tế, nút cảm biến phải lặp lại chuỗi phép chiếu lấy trung bình nhiều lần trước chiếu thành cơng đầu vào nút trung tâm cung cấp vào giao điểm tập khả thi Kết phép chiếu, gọi gửi trở lại nút trung tâm Sau đó, nút trung tâm tính trung bình tất mà nhận tính trung bình chúng để tạo Điều gửi trở lại nút riêng lẻ trình lặp lại   Phần 5: Các thuật tốn phân tán Hình 9.9 Kết thuật toán star Phần 5: Các thuật toán phân tán Hình 9.9 (Tiếp) Phần 6: Kết luận Chúng em giới thiệu mơ hình chung để xây dựng giải lỗi xử lý tín hiệu phân tán mạng cảm biến Cốt lõi mơ hình hình thành vấn đề tốn khả thi lồi Dữ liệu thô nút cảm biến thu thập xử lý cục để định tập hợp khả thi lồi mà giải pháp toàn cục phải thuộc Mỗi nút cảm biến mạng định fea-sible riêng cập nhật thu thập liệu theo thời gian Hợp thông tin hiểu việc tìm giải pháp tồn cục ổn định giao điểm tập khả thi định tất nút Giải pháp tồn cục, tồn tại, tìm thấy cách sử dụng nhiều thuật tốn chiếu phân tán Chúng thảo luận chi tiết hai thuật toán chiếu dựa cấu trúc liên kết mạng RING STAR đơn giản Phần 6: Kết luận Tuy nhiên, cách khả thi mà thuật tốn chiếu sử dụng để giải toán khả thi lồi hệ thống phân tán Có thể thiết kế nhiều thuật toán chiếu phân tán khác dựa cấu trúc liên kết mạng phức tạp Hình Phân tích thiết kế thuật tốn tổng hợp thơng tin phân tán cho cấu trúc liên kết mạng khác lĩnh vực nghiên cứu mở Hy vọng kết ban đầu trình bày phần đóng góp nhóm đường hướng tới lý thuyết hồn chỉnh giúp định hình lĩnh vực xử lý cảm biến cho mạng cảm biến lên Phần 6: Kết luận • Hai cấu trúc liên kết mạng đơn giản sử dụng chương để chứng minh mơ hình khả thi lồi: • (a) cấu trúc liên kết hình (b) cấu trúc liên kết vòng Phần 6: Kết luận Các cấu trúc liên kết có khác cho hợp mạng cảm biến phân tán cách sử dụng mơ hình khả thi lồi: (a) cấu trúc liên kết đầy đủ (b) cấu trúc liên kết Chúng em cảm ơn thầy bạn lắng nghe ... tối ưu hóa song song lý thuyết quy Phần : Giới thiệu 1.3 Kí hiệu Các vectơ ký hiệu chữ in hoa Chữ in hoa in đậm sử dụng cho ma trận Các phần tử ma trận A gọi [A] i j Chúng ta biểu thị tập giá... Một ưu điểm khác phép chiếu riêng lẻ tính tốn, đáng tin cậy hiệu quả, sử dụng phương pháp tối ưu hóa mâu thuẫn Các phương pháp giải pháp đủ tin cậy để nhúng vào hệ thống thời gian thực Phần :... lý, quản lý hàng tồn kho, an ninh nội địa chăm sóc sức khỏe Phần : Giới thiệu 1.1 Giới thiệu • Các khối xây dựng mạng cảm biến, thường gọi “Motes”, máy tính chạy pin, độc lập để đo ánh sáng, âm