A Survey on Multisensor Fusion and Consensus Filtering for Sensor Networks

Multisensor fusion and consensus filtering are two fascinating subjects in the research of sensor networks. In this survey, we will cover both classic results and recent advances developed in these two topics. First, we recall some important results in the development ofmultisensor fusion technology. Particularly, we pay great attention to the fusion with unknown correlations, which ubiquitously exist in most of distributed filtering problems. Next, we give a systematic review on several widely used consensus filtering approaches. Furthermore, some latest progress on multisensor fusion and consensus filtering is also presented. Finally, conclusions are drawn and several potential future research directions are outlined.the Royal Society of the UK, the National Natural Science Foundation of China under Grants 61329301, 61374039, 61304010, 11301118, and 61573246, the Hujiang Foundation of China under Grants C14002 and D15009, the Alexander von Humboldt Foundation of Germany, and the Innovation Fund Project for Graduate Student of Shanghai under Grant JWCXSL140

Bibliographic Review on Distributed Kalman Filtering

In recent years, a compelling need has arisen to understand the effects of distributed information structures on estimation and filtering. In this paper, a bibliographical review on distributed Kalman filtering (DKF) is provided.\ud The paper contains a classification of different approaches and methods involved to DKF. The applications of DKF are also discussed and explained separately. A comparison of different approaches is briefly carried out. Focuses on the contemporary research are also addressed with emphasis on the practical applications of the techniques. An exhaustive list of publications, linked directly or indirectly to DKF in the open literature, is compiled to provide an overall picture of different developing aspects of this area

Recent advances on recursive filtering and sliding mode design for networked nonlinear stochastic systems: A survey

Copyright © 2013 Jun Hu et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.Some recent advances on the recursive filtering and sliding mode design problems for nonlinear stochastic systems with network-induced phenomena are surveyed. The network-induced phenomena under consideration mainly include missing measurements, fading measurements, signal quantization, probabilistic sensor delays, sensor saturations, randomly occurring nonlinearities, and randomly occurring uncertainties. With respect to these network-induced phenomena, the developments on filtering and sliding mode design problems are systematically reviewed. In particular, concerning the network-induced phenomena, some recent results on the recursive filtering for time-varying nonlinear stochastic systems and sliding mode design for time-invariant nonlinear stochastic systems are given, respectively. Finally, conclusions are proposed and some potential future research works are pointed out.This work was supported in part by the National Natural Science Foundation of China under Grant nos. 61134009, 61329301, 61333012, 61374127 and 11301118, the Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) of the UK under Grant no. GR/S27658/01, the Royal Society of the UK, and the Alexander von Humboldt Foundation of Germany

Information fusion algorithms for state estimation in multi-sensor systems with correlated missing measurements

In this paper, centralized and distributed fusion estimation problems in linear discrete-time stochastic systems with missing observations coming from multiple sensors are addressed. At each sensor, the Bernoulli random variables describing the phenomenon of missing observations are assumed to be correlated at instants that differ m units of time. By using an innovation approach, recursive linear filtering and fixed-point smoothing algorithms for the centralized fusion problem are derived in the least-squares sense. The distributed fusion estimation problem is addressed based on the distributed fusion criterion weighted by matrices in the linear minimum variance sense. For each sensor subsystem, local least-squares linear filtering and fixed-point smoothing estimators are given and the estimation error cross-covariance matrices between any two sensors are derived to obtain the distributed fusion estimators. The performance of the proposed estimators is illustrated by numerical simulation examples where scalar and two-dimensional signals are estimated from missing observations coming from two sensors, and the estimation accuracy is analyzed for different missing probabilities and different values of m.Ministerio de Ciencia e Innovación (Programa FPU and Grant No. MTM2011-24718

Covariance-Based Estimation for Clustered Sensor Networks Subject to Random Deception Attacks

In this paper, a cluster-based approach is used to address the distributed fusion estimation problem (filtering and fixed-point smoothing) for discrete-time stochastic signals in the presence of random deception attacks. At each sampling time, measured outputs of the signal are provided by a networked system, whose sensors are grouped into clusters. Each cluster is connected to a local processor which gathers the measured outputs of its sensors and, in turn, the local processors of all clusters are connected with a global fusion center. The proposed cluster-based fusion estimation structure involves two stages. First, every single sensor in a cluster transmits its observations to the corresponding local processor, where least-squares local estimators are designed by an innovation approach. During this transmission, deception attacks to the sensor measurements may be randomly launched by an adversary, with known probabilities of success that may be different at each sensor. In the second stage, the local estimators are sent to the fusion center, where they are combined to generate the proposed fusion estimators. The covariance-based design of the distributed fusion filtering and fixed-point smoothing algorithms does not require full knowledge of the signal evolution model, but only the first and second order moments of the processes involved in the observation model. Simulations are provided to illustrate the theoretical results and analyze the effect of the attack success probability on the estimation performance.This research is supported by Ministerio de Economía, Industria y Competitividad, Agencia Estatal de Investigación and Fondo Europeo de Desarrollo Regional FEDER (grant no. MTM2017-84199-P)

Networked fusion estimation with multiple uncertainties and time-correlated channel noise

This paper is concerned with the fusion filtering and fixed-point smoothing problems for a class of networked systems with multiple random uncertainties in both the sensor outputs and the transmission connections. To deal with this kind of systems, random parameter matrices are considered in the mathematical models of both the sensor measurements and the data available after transmission. The additive noise in the transmission channel from each sensor is assumed to be sequentially time-correlated. By using the time-differencing approach, the available measurements are transformed into an equivalent set of observations that do not depend on the timecorrelated noise. The innovation approach is then applied to obtain recursive distributed and centralized fusion estimation algorithms for the filtering and fixed-point smoothing estimators of the signal based on the transformed measurements, which are equal to the estimators based on the original ones. The derivation of the algorithms does not require the knowledge of the signal evolution model, but only the mean and covariance functions of the processes involved (covariance information). A simulation example illustrates the utility and effectiveness of the proposed fusion estimation algorithms, as well as the applicability of the current model to deal with different network-induced random phenomena.This research is supported by Ministerio de Economía, Industria y Competitividad, Agencia Estatal de Investigación and Fondo Europeo de Desarrollo Regional FEDER (grant no. MTM2017-84199-P)

Distributed estimation over a low-cost sensor network: a review of state-of-the-art

Proliferation of low-cost, lightweight, and power efficient sensors and advances in networked systems enable the employment of multiple sensors. Distributed estimation provides a scalable and fault-robust fusion framework with a peer-to-peer communication architecture. For this reason, there seems to be a real need for a critical review of existing and, more importantly, recent advances in the domain of distributed estimation over a low-cost sensor network. This paper presents a comprehensive review of the state-of-the-art solutions in this research area, exploring their characteristics, advantages, and challenging issues. Additionally, several open problems and future avenues of research are highlighted

Optimal linear filter design for systems with correlation in the measurement matrices and noises: recursive algorithm and applications

This paper addresses the optimal least-squares linear estimation problem for a class of discrete-time stochastic systems with random parameter matrices and correlated additive noises. The system presents the following main features: (1) one-step correlated and cross-correlated random parameter matrices in the observation equation are assumed; (2) the process and measurement noises are one-step autocorrelated and two-step cross-correlated. Using an innovation approach and these correlation assumptions, a recursive algorithm with a simple computational procedure is derived for the optimal linear filter. As a significant application of the proposed results, the optimal recursive filtering problem in multi-sensor systems with missing measurements and random delays can be addressed. Numerical simulation examples are used to demonstrate the feasibility of the proposed filtering algorithm, which is also compared with other filters that have been proposed.Ministerio de Ciencia e Innovación [FPU programme] [grant number MTM2011-24718

Fusion Estimation from Multisensor Observations with Multiplicative Noises and Correlated Random Delays in Transmission

In this paper, the information fusion estimation problem is investigated for a class of multisensor linear systems affected by different kinds of stochastic uncertainties, using both the distributed and the centralized fusion methodologies. It is assumed that the measured outputs are perturbed by one-step autocorrelated and cross-correlated additive noises, and also stochastic uncertainties caused by multiplicative noises and randomly missing measurements in the sensor outputs are considered. At each sampling time, every sensor output is sent to a local processor and, due to some kind of transmission failures, one-step correlated random delays may occur. Using only covariance information, without requiring the evolution model of the signal process, a local least-squares (LS) filter based on the measurements received from each sensor is designed by an innovation approach. All these local filters are then fused to generate an optimal distributed fusion filter by a matrix-weighted linear combination, using the LS optimality criterion. Moreover, a recursive algorithm for the centralized fusion filter is also proposed and the accuracy of the proposed estimators, which is measured by the estimation error covariances, is analyzed by a simulation example.This research is supported by Ministerio de Economía y Competitividad and Fondo Europeo de Desarrollo Regional FEDER (grant No. MTM2014-52291-P)

Distributed Estimation Using Partial Knowledge about Correlated Estimation Errors

Sensornetzwerke werden in vielen verschiedenen Anwendungen, z. B. zur Überwachung des Flugraumes oder zur Lokalisierung in Innenräumen eingesetzt. Dabei werden Sensoren häufig räumlich verteilt, um eine möglichst gute Abdeckung des zu beobachtenden Prozesses zu ermöglichen. Sowohl der Prozess als auch die Sensormessungen unterliegen stochastischem Rauschen. Daher wird oftmals eine Zustandsschätzung, z. B. durch ein Kalmanfilter durchgeführt, welcher die Unsicherheiten aus dem Prozess- und Messmodel systematisch berücksichtigt. Die Kooperation der individuellen Sensorknoten erlaubt eine verbesserte Schätzung des Systemzustandes des beobachteten Prozesses. Durch die lokale Verarbeitung der Sensordaten direkt in den Sensorknoten können Sensornetzwerke flexibel und modular entworfen werden und skalieren auch bei steigender Anzahl der Einzelkomponenten gut. Zusätzlich werden Sensornetzwerke dadurch robuster, da die Funktionsfähigkeit des Systems nicht von einem einzigen zentralen Knoten abhängt, der alle Sensordaten sammelt und verarbeitet. Ein Nachteil der verteilten Schätzung ist jedoch die Entstehung von korrelierten Schätzfehlern durch die lokale Verarbeitung in den Filtern. Diese Korrelationen müssen systematisch berücksichtigt werden, um genau und zuverlässig den Systemzustand zu schätzen. Dabei muss oftmals ein Kompromiss zwischen Schätzgenauigkeit und den begrenzt verfügbaren Ressourcen wie Bandbreite, Speicher und Energie gefunden werden. Eine zusätzliche Herausforderung sind unterschiedliche Netzwerktopologien sowie die Heterogenität lokaler Informationen und Filter, welche das Nachvollziehen der individuellen Verarbeitungsschritte innerhalb der Sensorknoten und der korrelierten Schätzfehler erschweren. Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Fusion von Zustandsschätzungen verteilter Sensorknoten. Speziell wird betrachtet, wie korrelierte Schätzfehler entweder vollständig oder teilweise gelernt werden können, um eine präzisere und weniger unsichere fusionierte Zustandsschätzung zu erhalten. Um Wissen über korrelierte Schätzfehler zu erhalten, werden in dieser Arbeit sowohl analytische als auch simulations-basierte Ansätze verfolgt. Eine analytische Berechnung der Korrelationen zwischen Zustandsschätzungen ist möglich, wenn alle Verarbeitungsschritte und Parameter der lokalen Filter bekannt sind. Dadurch kann z. B. ein zentraler Fusionsknoten die die Korrelation zwischen den Schätzfehlern rekonstruieren. Dieses zentralisierte Vorgehen ist jedoch oft sehr aufwendig und benötigt entweder eine hohe Kommunikationsrate oder Vorwissen über die lokale Verarbeitungsschritte und Filterparameter. Daher wurden in den letzten Jahren zunehmend dezentrale Methoden zur Rekonstruktion von Korrelationen zwischen Zustandsschätzungen erforscht. In dieser Arbeit werden Methoden zur dezentralen Nachverfolgung und Rekonstruktion von korrelierten Schätzfehlern diskutiert und weiterentwickelt. Dabei basiert der erste Ansatz auf der Verwendung deterministischer Samples und der zweite auf der Wurzelzerlegung korrelierter Rauschkovarianzen. Um die Verwendbarkeit dieser Methoden zu steigern, werden mehrere wichtige Erweiterungen erarbeitet. Zum Einen schätzen verteilte Sensorknoten häufig den Zustand desselben Systems. Jedoch unterscheiden sie sich in ihrer lokalen Berechnung, indem sie unterschiedliche Zustandsraummodelle nutzen. Ein Beitrag dieser Arbeit ist daher die Verallgemeinerung dezentraler Methoden zur Nachverfolgung in unterschiedlichen (heterogenen) Zustandsräumen gleicher oder geringerer Dimension, die durch lineare Transformationen entstehen. Des Weiteren ist die Rekonstruktion begrenzt auf Systeme mit einem einzigen zentralen Fusionsknoten. Allerdings stellt die Abhängigkeit des Sensornetzwerkes von einem solchen zentralen Knoten einen Schwachpunkt dar, der im Fehlerfall zum vollständigen Ausfall des Netzes führen kann. Zudem verfügen viele Sensornetzwerke über komplexe und variierende Netzwerktopologien ohne zentralen Fusionsknoten. Daher ist eine weitere wichtige Errungenschaft dieser Dissertation die Erweiterung der Methodik auf die Rekonstruktion korrelierter Schätzfehler unabhängig von der genutzten Netzwerkstruktur. Ein Nachteil der erarbeiteten Algorithmen sind die wachsenden Anforderungen an Speicherung, Verarbeitung und Kommunikation der zusätzlichen Informationen, welche für die vollständige Rekonstruktion notwendig sind. Um diesen Mehraufwand zu begrenzen, wird ein Ansatz zur teilweisen Rekonstruktion korrelierter Schätzfehler erarbeitet. Das resultierende partielle Wissen über korrelierte Schätzfehler benötigt eine konservative Abschätzung der Unsicherheit, um genaue und zuverlässige Zustandsschätzungen zu erhalten. Es gibt jedoch Fälle, in denen keine Rekonstruktion der Korrelationen möglich ist oder es eine Menge an möglichen Korrelationen gibt. Dies ist zum Einen der Fall, wenn mehrere Systemmodelle möglich sind. Dies führt dann zu einer Menge möglicher korrelierter Schätzfehler, beispielsweise wenn die Anzahl der lokalen Verarbeitungsschritte bis zur Fusion ungewiss ist. Auf der anderen Seite ist eine Rekonstruktion auch nicht möglich, wenn die Systemparameter nicht bekannt sind oder die Rekonstruktion aufgrund von begrenzter Rechenleistung nicht ausgeführt werden kann. In diesem Fall kann ein Simulationsansatz verwendet werden, um die Korrelationen zu schätzen. In dieser Arbeit werden Ansätze zur Schätzung von Korrelationen zwischen Schätzfehlern basierend auf der Simulation des gesamten Systems erarbeitet. Des Weiteren werden Ansätze zur vollständigen und teilweisen Rekonstruktion einer Menge korrelierter Schätzfehler für mehrere mögliche Systemkonfigurationen entwickelt. Diese Mengen an Korrelationen benötigen entsprechende Berücksichtigung bei der Fusion der Zustandsschätzungen. Daher werden mehrere Ansätze zur konservativen Fusion analysiert und angewendet. Zuletzt wird ein Verfahren basierend auf Gaußmischdichten weiterentwickelt, dass die direkte Verwendung von Mengen an Korrelationen ermöglicht. Die in dieser Dissertation erforschten Methoden bieten sowohl Nutzern als auch Herstellern von verteilten Schätzsystemen einen Baukasten an möglichen Lösungen zur systematischen Behandlung von korrelierten Schätzfehlern. Abhängig von der Art und den Umfang des Wissens über Korrelationen, der Kommunikationsbandbreite sowie der gewünschten Qualität der fusionierten Schätzung kann eine Methode passgenau aus den beschriebenen Methoden zusammengesetzt und angewendet werden. Die somit geschlossene Lücke in der Literatur eröffnet neue Möglichkeiten für verteilte Sensorsysteme in verschiedenen Anwendungsgebieten