Two Compensation Strategies for Optimal Estimation in Sensor Networks with Random Matrices, Time-Correlated Noises, Deception Attacks and Packet Losses

Due to its great importance in several applied and theoretical fields, the signal estimation problem in multisensor systems has grown into a significant research area. Networked systems are known to suffer random flaws, which, if not appropriately addressed, can deteriorate the performance of the estimators substantially. Thus, the development of estimation algorithms accounting for these random phenomena has received a lot of research attention. In this paper, the centralized fusion linear estimation problem is discussed under the assumption that the sensor measurements are affected by random parameter matrices, perturbed by time-correlated additive noises, exposed to random deception attacks and subject to random packet dropouts during transmission. A covariance-based methodology and two compensation strategies based on measurement prediction are used to design recursive filtering and fixed-point smoothing algorithms. The measurement differencing method— typically used to deal with the measurement noise time-correlation—is unsuccessful for these kinds of systems with packet losses because some sensor measurements are randomly lost and, consequently, cannot be processed. Therefore, we adopt an alternative approach based on the direct estimation of the measurement noises and the innovation technique. The two proposed compensation scenarios are contrasted through a simulation example, in which the effect of the different uncertainties on the estimation accuracy is also evaluated.Ministerio de Ciencia e Innovacion, Agencia Estatal de InvestigacionEuropean Commission PID2021-124486NB-I0

Intelligent Sensor Networks

In the last decade, wireless or wired sensor networks have attracted much attention. However, most designs target general sensor network issues including protocol stack (routing, MAC, etc.) and security issues. This book focuses on the close integration of sensing, networking, and smart signal processing via machine learning. Based on their world-class research, the authors present the fundamentals of intelligent sensor networks. They cover sensing and sampling, distributed signal processing, and intelligent signal learning. In addition, they present cutting-edge research results from leading experts

A distributed architecture for unmanned aerial systems based on publish/subscribe messaging and simultaneous localisation and mapping (SLAM) testbed

A dissertation submitted in fulfilment for the degree of Master of Science. School of Computational and Applied Mathematics, University of the Witwatersrand, Johannesburg, South Africa, November 2017The increased capabilities and lower cost of Micro Aerial Vehicles (MAVs) unveil big opportunities for a rapidly growing number of civilian and commercial applications. Some missions require direct control using a receiver in a point-to-point connection, involving one or very few MAVs. An alternative class of mission is remotely controlled, with the control of the drone automated to a certain extent using mission planning software and autopilot systems. For most emerging missions, there is a need for more autonomous, cooperative control of MAVs, as well as more complex data processing from sensors like cameras and laser scanners. In the last decade, this has given rise to an extensive research from both academia and industry. This research direction applies robotics and computer vision concepts to Unmanned Aerial Systems (UASs). However, UASs are often designed for specific hardware and software, thus providing limited integration, interoperability and re-usability across different missions. In addition, there are numerous open issues related to UAS command, control and communication(C3), and multi-MAVs. We argue and elaborate throughout this dissertation that some of the recent standardbased publish/subscribe communication protocols can solve many of these challenges and meet the non-functional requirements of MAV robotics applications. This dissertation assesses the MQTT, DDS and TCPROS protocols in a distributed architecture of a UAS control system and Ground Control Station software. While TCPROS has been the leading robotics communication transport for ROS applications, MQTT and DDS are lightweight enough to be used for data exchange between distributed systems of aerial robots. Furthermore, MQTT and DDS are based on industry standards to foster communication interoperability of “things”. Both protocols have been extensively presented to address many of today’s needs related to networks based on the internet of things (IoT). For example, MQTT has been used to exchange data with space probes, whereas DDS was employed for aerospace defence and applications of smart cities. We designed and implemented a distributed UAS architecture based on each publish/subscribe protocol TCPROS, MQTT and DDS. The proposed communication systems were tested with a vision-based Simultaneous Localisation and Mapping (SLAM) system involving three Parrot AR Drone2 MAVs. Within the context of this study, MQTT and DDS messaging frameworks serve the purpose of abstracting UAS complexity and heterogeneity. Additionally, these protocols are expected to provide low-latency communication and scale up to meet the requirements of real-time remote sensing applications. The most important contribution of this work is the implementation of a complete distributed communication architecture for multi-MAVs. Furthermore, we assess the viability of this architecture and benchmark the performance of the protocols in relation to an autonomous quadcopter navigation testbed composed of a SLAM algorithm, an extended Kalman filter and a PID controller.XL201

Distributed synchronization algorithms for wireless sensor networks

The ability to distribute time and frequency among a large population of interacting agents is of interest for diverse disciplines, inasmuch as it enables to carry out complex cooperative tasks. In a wireless sensor network (WSN), time/frequency synchronization allows the implementation of distributed signal processing and coding techniques, and the realization of coordinated access to the shared wireless medium. Large multi-hop WSN\u27s constitute a new regime for network synchronization, as they call for the development of scalable, fully distributed synchronization algorithms. While most of previous research focused on synchronization at the application layer, this thesis considers synchronization at the lowest layers of the communication protocol stack of a WSN, namely the physical and the medium access control (MAC) layer. At the physical layer, the focus is on the compensation of carrier frequency offsets (CFO), while time synchronization is studied for application at the MAC layer. In both cases, the problem of realizing network-wide synchronization is approached by employing distributed clock control algorithms based on the classical concept of coupled phase and frequency locked loops (PLL and FLL). The analysis takes into account communication, signaling and energy consumption constraints arising in the novel context of multi-hop WSN\u27s. In particular, the robustness of the algorithms is checked against packet collision events, infrequent sync updates, and errors introduced by different noise sources, such as transmission delays and clock frequency instabilities. By observing that WSN\u27s allow for greater flexibility in the design of the synchronization network architecture, this work examines also the relative merits of both peer-to-peer (mutually coupled - MC) and hierarchical (master-slave - MS) architectures. With both MC and MS architectures, synchronization accuracy degrades smoothly with the network size, provided that loop parameters are conveniently chosen. In particular, MS topologies guarantee faster synchronization, but they are hindered by higher noise accumulation, while MC topologies allow for an almost uniform error distribution at the price of much slower convergence. For all the considered cases, synchronization algorithms based on adaptive PLL and FLL designs are shown to provide robust and scalable network-wide time and frequency distribution in a WSN

Cooperative Localization in Mobile Underwater Acoustic Sensor Networks

Die großflächige Erkundung und Überwachung von Tiefseegebieten gewinnt mehr und mehr an Bedeutung für Industrie und Wissenschaft. Diese schwer zugänglichen Areale in der Tiefsee können nur mittels Teams unbemannter Tauchbote effizient erkundet werden. Aufgrund der hohen Kosten, war bisher ein Einsatz von mehreren autonomen Unterwasserfahrzeugen (AUV) wirtschaftlich undenkbar, wodurch AUV-Teams nur in Simulationen erforscht werden konnten. In den letzten Jahren konnte jedoch eine Entwicklung hin zu günstigeren und robusteren AUVs beobachtet werden. Somit wird der Einsatz von AUV-Teams in Zukunft zu einer realen Option. Die wachsende Nachfrage nach Technologien zur Unterwasseraufklärung und Überwachung konnte diese Entwicklung noch zusätzlich beschleunigen. Eine der größten technischen Hürden für tief tauchende AUVs ist die Unterwasserlokalisierug. Satelitengestützte Navigation ist in der Tiefe nicht möglich, da Radiowellen bereits nach wenigen Metern im Wasser stark an Intensität verlieren. Daher müssen neue Ansätze für die Unterwasserlokalisierung entwickelt werden die sich auch für Fahrzeugenverbände skalieren lassen. Der Einsatz von AUV-Teams ermöglicht nicht nur völlig neue Möglichkeiten der Kooperation, sondern erlaubt auch jedem einzelnen AUV von den Navigationsdaten der anderen Fahrzeuge im Verband zu profitieren, um die eigene Lokalisierung zu verbessern. In dieser Arbeit wird ein kooperativer Lokalisierungsansatz vorgestellt, welcher auf dem Nachrichtenaustausch durch akustische Ultra-Short Base-Line (USBL) Modems basiert. Ein akustisches Modem ermöglicht die Übertragung von Datenpaketen im Wasser, wärend ein USBL-Sensor die Richtung einer akustischen Quelle bestimmen kann. Durch die Kombination von Modem und Sensor entsteht ein wichtiges Messinstrument für die Unterwasserlokalisierung. Wenn ein Fahrzeug ein Datenpaket mit seiner eignen Position aussendet, können andere Fahrzeuge mit einem USBL-Modem diese Nachricht empfangen. In Verbindung mit der Richtungsmessung zur Quelle, können diese Daten von einem Empfangenden AUV verwendet werden, um seine eigene Positionsschatzung zu verbessern. Diese Arbeit schlägt einen Ansatz zur Fusionierung der empfangenen Nachricht mit der Richtungsmessung vor, welcher auch die jeweiligen Messungenauigkeiten berücksichtigt. Um die Messungenauigkeit des komplexen USBL-Sensors bestimmen zu können, wurde zudem ein detailliertes Sensormodell entwickelt. Zunächst wurden existierende Ansätze zur kooperativen Lokalisierung (CL) untersucht, um daraus eine Liste von erwünschten Eigenschaften für eine CL abzuleiten. Darauf aufbauend wurde der Deep-Sea Network Lokalisation (DNL) Ansatz entwickelt. Bei DNL handelt es sich um eine CL Methode, bei der die Skalierbarkeit sowie die praktische Anwendbarkeit im Fokus stehen. DNL ist als eine Zwischenschicht konzipiert, welche USBL-Modem und Navigationssystem miteinander verbindet. Es werden dabei Messwerte und Kommunikationsdaten des USBL zu einer Standortbestimmung inklusive Richtungsschätzung fusioniert und an das Navigationssystem weiter geleitet, ähnlich einem GPS-Sensor. Die Funktionalität von USBL-Modell und DNL konnten evaluiert werden anhand von Messdaten aus Seeerprobungen in der Ostsee sowie im Mittelatlantik. Die Qualität einer CL hangt häufig von vielen unterschiedlichen Faktoren ab. Die Netzwerktopologie muss genauso berücksichtig werden wie die Lokalisierungsfähigkeiten jedes einzelnen Teilnehmers. Auch das Kommunikationsverhalten der einzelnen Teilnehmer bestimmt, welche Informationen im Netzwerk vorhanden sind und hat somit einen starken Einfluss auf die CL. Um diese Einflussfaktoren zu untersuchen, wurden eine Reihe von Szenarien simuliert, in denen Kommunikationsverhalten und Netzwerktopologie für eine Gruppe von AUVs variiert wurden. In diesen Experimenten wurden die AUVs durch ein Oberflächenfahrzeug unterstützt, welches seine geo-referenzierte Position über DNL an die getauchten Fahrzeuge weiter leitete. Anhand der untersuchten Topologie können die Experimente eingeteilt werden in Single-Hop und Multi-Hop. Single-Hop bedeutet, dass jedes AUV sich in der Sendereichweite des Oberflächenfahrzeugs befindet und dessen Positionsdaten auf direktem Wege erhält. Wie die Ergebnisse der Single-Hop Experimente zeigen, kann der Lokalisierungsfehler der AUVs eingegrenzt werden, wenn man DNL verwendet. Dabei korreliert der Lokalisierungsfehler mit der kombinierten Ungenauigkeit von USBL-Messung und Oberflächenfahrzeugposition. Bei den Multi-Hop Experimenten wurde die Topologie so geändert, dass sich nur eines der AUVs in direkter Sendereichweite des Oberflächenfahrzeugs befindet. Dieses AUV verbessert seine Position mit den empfangen Daten des Oberflächenfahrzeugs und sendet wiederum seine verbesserte Position an die anderen AUVs. Auch hier konnte gezeigt werden, dass sich der Lokalisierungfehler der Gruppe mit DNL einschränken lässt. Ändert man nun das Schema der Kommunikation so, dass alle AUVs zyklisch ihre Position senden, zeigte sich eine Verschlechterung der Lokalisierungsqualität der Gruppe. Dieses unerwartet Ergebnis konnte auf einen Teil des DNL-Algorithmus zurück geführt werden. Da die verwendete USBL-Klasse nur die Richtung eines Signals misst, nicht jedoch die Entfernung zum Sender, wird in der DNL-Schicht eine Entfernungsschatzung vorgenommen. Wenn die Kommunikation nicht streng unidirektional ist, entsteht eine Ruckkopplungsschleife, was zu fehlerhaften Entfernungsschatzungen führt. Im letzten Experiment wird gezeigt wie sich dieses Problem vermeiden lasst, mithilfe einer relativ neue USBL-Klasse, die sowohl Richtung als auch Entfernung zum Sender misst. Die zwei wesentlichen Beiträge dieser Arbeit sind das USBL-Model zum einen und zum Anderen, der neue kooperative Lokalisierungsansatz DNL. Mithilfe des Sensormodels lassen sich nicht nur Messabweichungen einer USBL-Messung bestimmen, es kann auch dazu genutzt werden, einige Fehlereinflüsse zu korrigieren. Mit DNL wurde eine skalierbare CL-Methode entwickelt, die sich gut für den den Einsatz bei mobilen Unterwassersensornetzwerken eignet. Durch das Konzept als Zwischenschicht, lasst sich DNL einfach in bestehende Navigationslösungen integrieren, um die Langzeitstabilität der Navigation für große Verbände von tiefgetauchten Fahrzeugen zu gewährleisten. Sowohl USBL-Model als auch DNL sind dabei so ressourcenschonend, dass sie auf dem Computer eines Standard USBL laufen können, ohne die ursprüngliche Funktionalität einzuschränken, was den praktischen Einsatz zusätzlich vereinfacht

Messhu-gata musen nettowaku ni okeru supekutoramu kenchi to MAC-so purotokoru ni kansuru kenkyu

制度:新 ; 報告番号:甲3458号 ; 学位の種類:博士(国際情報通信学) ; 授与年月日:2011/11/16 ; 早大学位記番号:新578