Page 187 - 《软件学报》2020年第12期

李燕君 等:射频供能传感网面向融合检测的部署调度方法 3853

传统的由电池供电的无线传感网由于电池容量的限制,通常只具有有限的生命周期.对于部署在恶劣无人
值守环境的传感网系统来说,更换电池代价太大甚至无法实施.近年来,射频(radio frequency,简称 RF)供能技术
的突破 [1−6] ,为低功耗传感节点提供了一种全新的能量接续的可行方案.通过这种技术,节点能将接收到的射频
信号能量转化为电能.捕获能量的功率不等,取决于能量源的发射功率和节点与能量源的距离.尽管射频供能技
术所能提供的能量功率较小,远不及太阳能、风能等传统的能量捕获技术,但是它不受日照强度及天气等不稳
定因素影响,利用专门部署的射频能量源,能够向具有射频能量转化器的低功耗传感节点提供相对稳定和可预
[7]
测的能量.目前已设计开发的射频供能系统包括 Intel 公司和华盛顿大学开发的无线识别感知平台 WISP 、
[8]
[9]
Ossia 公司的 Cota 系统 、Powercast 公司的 Powercaster 能量源和射频能量采集芯等 .以 WISP 为例,WISP 标
签可集成包括温度传感器、光照传感器、加速度计、红外传感器以及低功耗摄像头 WISPcam [10] 等在内的多种
传感模块,它可以从商用 RFID 阅读器捕获能量,存储于电容以支持传感和计算,通过后向散射通信技术 [11] ,将感
知数据传输给阅读器,其典型应用包括环境监测、动作检测、仪表读数以及安全监控等.
当传感网用于目标检测应用时,通常需要最大化或确保一定的系统检测质量.在传统的由电池供电的传感
网中,许多文献研究了通过优化传感节点的部署位置来最大化或确保检测质量 [12−14] .然而,对于射频供能节点来
说,传感和充电不能同时进行,充电会导致检测的中断.以 WISP 为例,一个带有 100μF 电容的 WISP 标签在距离
阅读器 10m 时,需要充电 155s 才能达到其工作电压阈值,以驱动传感、计算和通信 [15] .因此,当射频供能传感网
用于检测应用时,不但需要考虑节点部署位置的优化,还需要协调各个节点的充电/感知调度,以保证持续的系
统检测性能.当我们通过传感节点的量测数据来判定系统检测性能时,存在一个重要问题,即噪声对传感器量测
信号的干扰会造成系统检测性能的不确定性.很多文献采用的 0-1 检测模型是一种确定性模型,无法刻画噪声
带来的检测或然性,并且这种确定性模型也未能考虑传感节点间协同检测的情况.为此,一些文献提出多传感器
融合检测,用于对抗噪声和提高检测质量 [12−14] .实际上,这种方法已经在基于传感网的很多应用,如目标检测、跟
踪和识别中采纳.然而,在射频供能传感网中采用融合检测会增大计算开销.单个目标的检测率将取决于目标周
围处于工作状态的节点的量测值,而系统检测性能与整个网络中传感节点与监测点的位置分布、目标本身的特
性、噪声的特性及传感节点的充电/感知调度存在复杂的关联.在面向融合检测的射频供能传感网中,同时优化
节点的部署和充电/感知调度以达到较高的系统检测质量,非常具有挑战.
本文考虑的问题是给定射频能量源位置和一定个数的射频供能节点,如何确定节点的部署和充电/感知调
度,以最大化系统检测质量.本文的主要贡献和创新在于:(1) 在射频供能传感网中,首次采用更接近实际的融合
检测模型,归纳了使系统检测质量最大化的传感节点部署调度联合优化问题,证明了该问题是一个 NP 完全问
题;(2) 分析了融合检测半径对于检测结果的影响,为防止采样信噪比过低的节点参与融合检测,推导了保证检
测质量单调递增性的融合半径取值上限;(3) 基于该融合半径上限设计了节点部署与调度联合优化贪婪算法,
该算法由于同时考虑检测率和能量捕获功率,可保证每次新增节点都能最大程度地提升系统检测质量;(4) 通
过在小规模网络、大规模网络及基于真实数据集的仿真,将该算法分别与全局最优解,分阶段优化贪婪算法进
行了性能比较,验证了本文所提算法的优越性.

1 相关工作

传感节点的部署和调度问题在传统的由电池供电的传感网中已有大量研究,其中大部分工作将部署和调
度视为两个不同的问题.文献[12]采用融合检测模型,基于聚类算法和模拟退火算法提出了节点部署策略,能够
在满足给定的检测率及虚警率阈值的前提下,最小化节点部署成本.文献[13]提出了基于 Dempter-Shafer 理论的
融合检测方法,基于遗传算法设计了满足检测率要求的节点部署方案.文献[14]研究了在数据中心如何部署节
点检测过热服务器的问题,基于融合检测框架提出了两类优化问题,即:给定节点个数,研究如何部署使得检测
率最大;和给定检测率要求,如何部署使得所需节点个数最少.在电池供电的传感网中,研究节点调度问题主要
是为了延长网络寿命.文献[16]设计了一种传感节点调度算法,在每个时隙动态选择节点子集保证检测率大于
设定阈值,最大程度地延长网络寿命.文献[17]提出一种基于自动学习机的节点睡眠调度方法,目标是每次唤醒