[论文解读] Dynamic Coverage of Mobile Sensor Networks

Benyuan Liu, Olivier Dousse+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2011

Energy Efficient Wireless Sensor Networks参考文献 31被引用 5

一句话总结

本文研究移动传感器网络中的动态覆盖问题，其中传感器持续移动，使原本未被覆盖的区域能够随时间被监测。论文提出了传感器移动性的随机模型，并推导出最优策略——表明传感器方向选择的均匀随机化可最小化对静止入侵者的检测时间，且与入侵者静止不动时形成纳什均衡，从而在稀疏网络中提升入侵检测性能。

ABSTRACT

In this paper we study the dynamic aspects of the coverage of a mobile sensor network resulting from continuous movement of sensors. As sensors move around, initially uncovered locations are likely to be covered at a later time. A larger area is covered as time continues, and intruders that might never be detected in a stationary sensor network can now be detected by moving sensors. However, this improvement in coverage is achieved at the cost that a location is covered only part of the time, alternating between covered and not covered. We characterize area coverage at specific time instants and during time intervals, as well as the time durations that a location is covered and uncovered. We further characterize the time it takes to detect a randomly located intruder. For mobile intruders, we take a game theoretic approach and derive optimal mobility strategies for both sensors and intruders. Our results show that sensor mobility brings about unique dynamic coverage properties not present in a stationary sensor network, and that mobility can be exploited to compensate for the lack of sensors to improve coverage.

研究动机与目标

• 理解连续传感器移动如何随时间改善移动传感器网络的区域覆盖。
• 描述随时间变化的覆盖度量，如某一时刻被覆盖区域的比例以及某位置保持被覆盖或未被覆盖的持续时间。
• 通过分析随机定位的静止入侵者的检测时间，评估入侵检测性能。
• 利用博弈论识别传感器和入侵者的最优移动策略，确保任一方无法通过单方面改变策略来改善检测时间。
• 研究感知时间要求对最优传感器速度的影响，表明过度移动可能降低检测性能。

提出的方法

• 将传感器移动建模为独立的连续时间随机游走，初始方向在均匀分布于[0, 2π)区间。
• 推导出在某一时刻及时间区间内预期被覆盖区域比例的解析表达式。
• 利用随机几何与首达时间分析方法，计算静止入侵者检测时间的分布。
• 应用博弈论建模移动传感器与入侵者之间的战略互动，识别纳什均衡策略。
• 将最优传感器移动策略表征为在[0, 2π)区间内均匀随机选择方向，以最小化对入侵者的信息泄露。
• 分析最小感知时间要求对检测性能的影响，表明传感器速度与检测性能之间存在非单调关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 连续传感器移动如何影响移动传感器网络的时变覆盖？
• RQ2 在传感器随机移动的移动传感器网络中，随机定位的静止入侵者的预期检测时间是多少？
• RQ3 传感器应采用何种最优移动策略以最小化对静止入侵者的检测时间？
• RQ4 当存在最小感知时间要求时，该要求如何影响入侵检测的最优传感器速度？
• RQ5 当传感器与入侵者的行动均为战略性的时，其最优移动策略是什么？这是否导致纳什均衡？

主要发现

• 在任意固定时刻，被覆盖区域的比例随时间保持恒定，但由于传感器移动，被覆盖过的总区域面积随时间增加。
• 某位置在被覆盖与未被覆盖状态之间交替变化，其预期覆盖时长与非覆盖时长取决于传感器速度与密度。
• 当传感器在[0, 2π)区间内均匀随机选择移动方向时，静止入侵者的预期检测时间最小化。
• 最优入侵者策略是保持静止，因为移动会增加相对速度，从而缩短检测时间。
• 存在一个纳什均衡，其中传感器采用均匀随机方向选择策略，入侵者保持静止，任一方单方面改变策略均无法获利。
• 当存在最小感知时间要求时，传感器速度超过某一最优阈值后，过度移动反而会降低入侵检测性能。