TELKOM NIKA , Vol. 11, No. 8, August 2013, pp. 43 3 5 ~4 343   e-ISSN: 2087 -278X           4335      Re cei v ed Fe brua ry 17, 20 13; Re vised  Ma y 11, 20 13 ; Accepte d  May 20, 20 13   Power Optimization between Sensing and Signaling for  Distributed Detection      X i a n gy a n g  LI U* 1 , Peisheng ZHU 2 , Do nghong XIE 1   1 Departme n t of informatio n  transmissio n , Xi’a n Co mmu nicati ons Institute, Xi’an S haa n x i, C h in a   2 Chin a Institute of Acoustics, Chin es e Aca d e m y  of Scie nces , Beijin g,Chi n a   *Corres p onding author, e-mail: liux i an gy angdr@gmail.com * , zhups_ioa@126.com       A b st r a ct   T he p o w e r of  each s ens or n ode  in w i re less  sensor  netw o r ks for sig nal  d e tection  ap plic ations  i s   scarce  an d l i m ite d . T hus,  the  all o cati on   of pow er   re sou r ce   o f  a nod e  sh ou l d   m a ke  th e de te ctio perfor m a n ce o f  the w hole netw o rk maximu m, w h ich is  compl e x due to  the detection  proba bil i ty of  th e   whole system   cannot be ex pressed  ex plicitly. The ant colony optim i z a tion algor ithm  is good at solv ing  m u ltidimens ional optim i z a tion prob lem .  Consequently, continuous an t colony system  (CACS) and ACO R   prop osed  i n  l i terature  are  a dopte d  to  opti m i z e  th e a lloc a tion  of n o d e s pow er  betw een  sens in g a n d   communic a tio n s . Simul a tio n  show  that they can le ad  to a g ood p o w e r allo cation. Mea n w h ile, the i dentic a l   pow er all o cati o n  sche m e (IPAS) that all se ns or no des  h a ve  ide n tical  pow er  assign ment ca n achi eve  near l y   the sa me d e te ction  perfor m a n ce  as that  ach i eve d  by  the  be st sche m e  sear ched  by  CACS  an d ACO R . As   result, particularly for  a  lar g e num ber  of identical sens ors, IPAS can be   employed to  achiev e near ly t h best detecti on  perfor m a n ce.      Ke y w ords : po w e r allocati on, sign al det ectio n , cross- layer  opti m i z at ion, w i reless s ensor  netw o rk      Copy right  ©  2013 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       1. Introduc tion  Distri buted d e tection (D D) system s with  a set of ge og raphi cally sep a rated se nsors  have   been inve stig ated sin c e 1 980 s. In the detection  p r oblem, one  core obje c tive of the system  desi gn i s  to  disting u ish  betwe en two  hypothe se s,  su ch a s  th e ab sen c (Hypothe si s 0 )  or  presence  (Hypothesi s  1) of a  certai n target. Such detection  ability is crucial for vari ous  appli c ation s . As an exampl e, in a battlefield su rve illan c e, the prese n ce o r  ab se n c e of a targ et is  usu a lly determined b e fore  its attribute s ,  su ch a s  it p o sition  or vel o city, are  esti mated. With t h e   developm ent  of wirele ss sen s o r  net works  (WSNs), many a u thors have  analyse d  the  perfo rman ce  of these DD systems in whi c h tran sm i s si ons fro m  sen s ors to the fusion  centre (F C)  are subje c t to cha nnel fa ding and n o i s e [1-5], whi c h may re nd er the re ceiv ed de cisio n s of  sen s o r at th e fusio n  centre unreliabl e. One p r omi n e n t feature  of a ca noni cal  WSN, h o wev e r, is  its limited nod e energy, whi c h po se s ma ny challe nge s to network d e sig n  and ma nagem ent.   The problem  of optimizin g detectio n  p e rfor m a n c with su ch im perfe ct com m unication  bring s  a  ne w chall eng e to  distrib u ted d e tection. Z h a ng et al. [6]  con s id ere d  the pe rform a n c optimizatio with individ u a l  and total tra n smitte r po wer con s trai nts  on  the se nsors.  T he power  allocation sch e me obtai ned  strikes  a tra de-off bet wee n  the co mmu nicatio n  ch an nel quality an d   the local de cision  quality. Con s id erin g the sce n a r io of  usin di stributed rada r-l ike sen s o r to   detect the prese n ce of an  object thro u gh active  sen s ing, Yang et  al. [7]  formul ated the pro b l em  of  ene rgy-effi cient routing  for  si gnal det ection  und er the  Neym an-Pearson  crite r ion. Mo re over,  they propo se d a distrib u te d and en ergy -efficient fra m ewo r k that is scala b le wit h  respe c t to the  netwo rk  size, and is abl e  to redu ce g r eatly  the de pend en ce on  the central fusion  centre Masa za de et  al. [8] evaluated the  sen s or thre sh old s  of di stribut ed si gnal  det ection  syste m  by  formulatin g a nd solving a  multiobje c tive opt imi z atio n problem.  Unfortu nately ,  although t he  literature on  energy-effici e n t comm unication or  sign al detectio n  i n  WSNs i s  a bund ant, there is  much le ss re sea r ch on th e power allo cation betwe e n  sign al dete c tion an d co mmuni cation,  le alone the  con s ide r ation of their joint opti m ization.    Obviou sly, the energy co nsum ption of  the  whole system can b e  lowe red b y  jointly  optimizin th si gnal   dete c tion of sen s or nod a nd  t he sign aling  betwe en se n s or n ode an d  the   FC. In anoth e r wo rd, for a  given node’ s powe r  budg et, we can fin d  a powe r  all o catio n  sche me   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               e-ISSN: 2 087-278X   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 8, August 2013:  4335 –  4343   4336 that strike s a  trade-off betwee n  the co mmuni cation  cha nnel qu ali t y and the detection qualit y o f   local  sen s o r s with  the  obj ective  of  the optim um det ection pe rformance at the FC. In general,   there  are m a ny algo rithm s  to  solve th power allo cat i on p r obl em.   Ho weve r, th e difficulty i s  t hat  the p r ob ability of dete c tio n  of  DD sy stem  ca nnot  be exp r e s sed  explicitly, e s peci a lly with   the  probl em in thi s  pap er.    In the 9 0 of 20th  ce ntury Italian schol ar M Dorigo  put fo rward the  an t colo ny  optimizatio n algorith m  (ACO ) [9]. Thereafter,  ACO  algorithm s h a ve been stu d ied and utili zed   extensively. Artificial ants  move ran d o m ly instead  o f  determini stically. Therefo r e, it allows t hem  to sea r ch  wid e  variety of p o ssible  sol u tions  of a p r o b lem in depe n dently and  in  parallel. In t he  same  way, ACO  ba sed  so lutions are g ood  at pr odu cing  a  good   sub optimal  solution in  a v e ry  s h or t p e r i o d .  T h es e   c h ara c te r i s t ics   ha ve  in sp ir ed u s  to   d e s i gn  a  jo in t pow e r  as s i gn me n t   algorithm for distributed detection,  with the obj ective of maximizing the overall probability  of  detectio n  at the FC.   The  rem a ind e of this pa per are o r g a n ize d  a s  foll ows. In Se cti on 2, t he  problem  of  distrib u ted de tection in pa rallel fusio n  n e tworks  with  noisy chan ne l, sensi ng mo del, link mo d e l,  and fu sio n  ru le are fo rmul ated, re sp ecti vely. T he po wer allo catio n  proble m  an d its  optimiza t ion  by ACO  solut i ons are give n in S e ction   3 an d Se ct io 4, re spe c tively.  The num erical re sults are  given in Secti on 5. Finally, Section 6 con c lud e s the p a per.       2. Problem Formulation   2.1. Distribu ted detection   Con s id er a  scena rio, wh ere  N  sen s o r s are scattered over a n   are a   to  d e tect  the   p r es e n c e  ( t he s i gn a l  p l us   no is e H y po th es is 1 H or ab se n c (the  noi se -only Hyp o the s is 0 H ) of  an   object, for ex ample  people, vehicles, or military  targets, using  radar-lik e sensors that em anate  spe c ific el ect r oma gneti c  si gnal s into th e regi on of intere st. For t he active  se nsin g appli c a t ion,  the monito re d sp ace is ty pically divid e d  into  ma ny range  re soluti on cells. Ea ch ra nge  cell  could   be p r ob ed  se quentially in  turn to  dete r m i ne the  pres e n ce  of a ta rg et by  u s ing  radar pul se s t hat  are po ssibly laun che d  by dire ctional  a n tenna s. Assume the po sition of  k - t h  s e ns or  n o de is (, ) kk x y . Each sen s o r  gathe rs info rmation p e rt a i ning to a target in the po sition of  (, ) tt x y  and  make s a d e ci sion  (for d e ci ding the p r e s ence of t he target a nd oth e rwi s e )  an d send s its bin a ry  deci s io n to a fusion  cent re  throug h an u n relia ble com m unication chann el. In a word, the parallel  fusion mo del  is ado pted. The po sition of  fusion centre  is assume d to be (, ) fc fc x y .     2.2. Sensing Model   Acco rdi ng to the free-sp ace rada r equ a t ion,  the power of the ech oes fro m  the target  with RCS   at rang k R  to the rada r can be  expre s sed a s    3 22 4 4 rt k PP G R                ( 1 )     whe r t P  is the radiate d  transmitted p o w er,  G  is the gain of rad a r anten na,   is the   wavele ngth, and  k R  is the range bet wee n  the  k -th ra dar an d the target. For  ra dar with n o ise  figure  F  and ba ndwi d th B , the  output sig nal-to-noi se ratio  () o SNR  of its receiver is:       3 22 4 4 te k o SN R P G k T B FL R         ( 2 )     Whe r k  is B o ltzman n’s  co nstant,  e T  is the  effective noise temperature,  L  is the syst em loss,    is  the pul se duratio n.  The   minimum de tectable sig n a min S  an d the  minimum  out put sig nal -to- noise ratio  () min o SN R  of a rada r re cei v er is rel a ted  by:    mi n mi n e o Sk T B F S N R                       ( 3 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   e-ISSN:  2087 -278X       Powe r Optim i zation b e twe en Sensi ng a nd Signalin for Dis t ributed Detec t io n (Xi ang yan g  LIU)  4337 The sig nal re ceived by the   k -th sen s or i s  assu med to  be:    1 0 rk k k Pn H y nH                             (4)    Assu me that  the  k -t h lo cal  sen s o r  ma ke s a bin a ry  de cisi on {1 , 1 } k u  , with fals e alarm  rate 0 [1 | ] lfk k PP u H  and d e tection  proba bility 1 [1 | ] ldk k PP u H , resp ect i vely. Theref ore, the   deci s io n rule  of the  k -th se nso r  is:      1, 1, kk k kk y u y                              (5)    Whe r k  is decisi on thre sh old determi n ed by the false ala r m rate   lfk P . When  k n  is Gau ssi an  white n o ise  with ze ro m ean  and va rian ce 2 k , the retu rn f r om the S w e r li ng 0 ta rg et is  con s tant. In  this  c a s e , the ldk P and lfk P  can be  calcul ated a s  followin g ,     2 22 11 2 e rfc , e rf c , e r fc ( ) 22 22 kr t k ld k l f k x kk P PP x e d t            (6)      2.3. Link Model   Let co m tk P den ote th e ra diated transmitted  po wer of com m unication  si gnal at the  k -th   sen s o r . Con s iderin g the  pa th loss in cu rred du rin g  tra n smi ssi on, th e po we r of  si gnal  re ceived  by  the FC and from the  k -th sensor  is    () k fc c o m rk tk k k PP d                                (7)    Whe r k is a consta nt determined by  the antenn ch aracteri stics,  k is path loss exp onent, an d   k d  is the rang from the  k - t h   s e ns or  to  th e F C . Ea ch  loc a l de c i s i o n   k u is tran smitted  throug h a   fading Raylei gh ch ann el a nd the output  of the chann el for the  k -th  sen s o r  is giv en by Equati o n   (8).     fc kr k k k k rP h u w                                   (8)    W h er k w   is zer o   mea n  Gau ssi an noi se wit h   v a ri an ce   2 k w , and   k h is  the  gain of  a re al  value d   Rayleig h  fading ch ann el wi th the PDF given by 2 () 2 , 0 k h kk k fh h e h   2.4. Fusion Rule   Based  on the  kno w led ge o f  chann el stat istics and lo cal detectio n  p e rform a n c e i ndexe s the LRT - CS (l ikelih ood ratio test based  on ch ann el st atistics) [1] ca n be refo rmul ated as:     12 1 12 2 0 2 22 21 e r f e x p 1 2 (, , , | ) lo g l o g (, , , | ) 22 2e r f e x p 1 2 1 2 2 fc fc fc r k rk rk ldk k k k k k k fc fc fc rk rk rk kk k k k N tot N lf k k PP P Pa r r a a r PP P a fr r r H fr r r rr a a r H P                           1 N k      (9)     whe r e  22 1/ 2 kk fc rw k kw P a   and   2 0 2 erf x t x ed t Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               e-ISSN: 2 087-278X   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 8, August 2013:  4335 –  4343   4338 Whe n  usi ng  the fusion rul e  above, the  global proba bility of false alarm  ft ot P  and th e   global p r ob ab ility of detection  dt o t P  are dete r mined by Equ a tion (10 )  an d (11 ) , re spe c tively.       0 PH ft o t t o t PT                                (10)     1 PH dt ot t o t PT                            (11)    In the equatio ns ab ove,  T is the dete c tion thre shol d at the FC.       3. Optimizati on of No de’s  Po w e Alloc a tion Schem e s   3.1. Po w e Consumptio n of Sensor  Node   In general, the powe r  consumption of se nso r  nod e ca n be divided into two kind s,  range - related p o we r con s u m ptio n and ra nge -free po we consumption.  Here, con s id er two ki nd s o f   rang e-relate d  powe r  con s u m ption. One i s  co nsume d  by target se n s ing, de noted  by  se n s in g k P and  is relate d to the drain ef ficien cy of powe r  amplifie r and ante n n a  gain s . Assuming the to tal  energy efficie n cy is  se n s i n g k the con s um ed p o we se n s in g kt o t P and the  radiated  sig nal po wer  se n s in g k P   has the follo wing relatio n    1 s e ns i n g s e n si ng s e ns i n g kt o t k k PP          ( 1 2 )     For rada se nso r , the la rger the  se n s in g k P is  t he strong er t he targ et’s  return s a r e a n d   corre s p ondin g ly the high er lo cal sen s or’ s  det ecti on ca pability .  Therefo r e,  sen s o r ’s ta rget  detectio n  perf o rma n ce ca n be adju s ted b y  adjusting se n s in g k P Another  kin d  of range -related p o wer co nsumpt ion is that  con s ume d  by th e   comm uni cati on between  sen s o r  no de  and the FC.  Assumin g  that the power of the sig nal   radiate d  into  wirele ss  ch annel  by sen s or  k  is de not ed by  co m k P and to tal efficien cy of po wer  amplifier an antenn a i s  d e noted  by  co m k then the  po we r used fo ra diating  sign al  co m kt o t P  can  be   denote d  by:     1 co m c o m c o m kt o t k k PP          ( 1 3 )     Except for the rang e-relat ed po wer  co nsum ption, the other p o w er  con s u m ption, for   example fro m  low noi se  amplifier, A/D co nver te r, D/A convert e r and  so o n , is ran ge-f r ee.   Furthe rmo r e,  it can  be  con s ide r ed  fixed  or  ca nnot be controlled   fre e ly.  Beside s, for  mai n tainin g   the normal f unction of  sensor  network, sensor no de will  consume some  energy, which  may  fluctuate. The r efore, the po wer al l o cation  of sensor n o de, con s id ere d  in this pap e r , is a pro b le about h o w to sh are the  adju s table   power  bud ge t by the target se nsi ng  power  se n s in g kt ot P and   sign aling po wer co m kt o t P . Assume t hat the total powe r  bud get is s e ns ing+c o m k P   and then:    se nsing s e n s i ng+c o m ktot k co m kt o t PP P                                                               (14)    For  optimum  syste m  p e rf orma nce, the   match b e tween th com m unication  capability  and the dete c tion pe rform ance index  of local se nsor  node is n eed ed. That is to say, the target  sen s in g power  se n s in g kop t P and the si gnalin g powe r   co m kopt P  maximize the detection  capability of the   whol e system . At  this time there is:     se nsing c om se nsing+c o m kt o t k t o t k PP P                                                                    (15)      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   e-ISSN:  2087 -278X       Powe r Optim i zation b e twe en Sensi ng a nd Signalin for Dis t ributed Detec t io n (Xi ang yan g  LIU)  4339 3.2. Objectiv e Functio n   For given ad missi ble maxi mum  fal s e al arm rate the  obje c tive of  system  optim ization  is equivale nt to finding th e sch eme of  determinin g  sensi ng po wer  s en si n g kt ot P and co m m unication  power  s e n s ing+c o m co m s en si n g kk t tt o t ko PP P  so  as to m a ximize the  gl obal p r ob abil i ty of detection dt ot P expre s sed a s  the function  of the decisi on thre shol k  of  k -th sen s or, sen s in g p o we r se n s in g kt o t P comm uni cati on po wer co m kt o t P , and the deci s io n threshold  T  at the FC, as shown in:       s e ns i n g s e n s i ng se nsi n g 11 1 1 Pr H , , , , , , , , co m c om c o m d t o t to t D to t t o t k k to t k to t N to t k to t PT P P P P P T P P    . (16)    The optimi z tion pro b lem  can be expressed a s :     se nsing s e n sing se nsing 1 ,, ,, sens i n g s ensi ng+com s e ns i n g . . 0 , 0, 0, , ma x Nt ot tot kt o t dt ot PPP co m c o m k k to t k to t fto t k to t k k t o t P st P P P P P P           (17 )     Whe r ft ot P is the global p r ob ab ility of  false al arm.       4. Optim i zati on Metho d   4.1. The Iden tical Po w e Allocation S c heme (IPAS )    In gene ral, p e rform a n c e i ndexe s  (p rob abilitie s of fa lse ala r m a n d  dete c tion)  of local   sen s o r  a r e n o t equal fo r the sy stem wi th maximu m detectio n   pe rforma nce.  Ho wever, whe n  the  numbe r of sensors app ro ach e s infi nity, the system with identical local dete c tors will ha ve  asymptotic  o p timum pe rfo r man c e [1 0]. Therefor e,  we a s sume  that every sensor n ode  has  identical sen s ing   an d co mmuni cation   perfo rma n ce  an thei r power su ppli e s have  i d e n tical   power. F u rth e rmo r e, a s su me the  po we r bu dget  th at ca n be  di stri buted b e twe en  sen s ing  a nd  comm uni cati on is s e ns ing+c o m k P A simple met hod can be u s ed to find a  good all o cation method. A c cordi ng to the total  power b udg e t s e ns ing+c o m k P determin e   a suffici ent small po we r i n crea se  P with the relation o f s e ns ing+c o m k PL P  . Let sensi ng po wer s en si n g kt ot P  be P 2 P , L P  s u ccess ively and let  comm uni cati on po wer  s e ns in g+c o m s e n s i n g k co m kt ot kt o t PP P  . Next, c o mpute dt ot P acco rdin g to Equation (16).  Record all the  dt ot P s obtai ned  and find the l a rge s t on e a m ong them.  The sen s ing  powe r s en s i n g kt o t P with the larg est  dt ot P is the b e s t one. In this metho d , all the node s h a ve the ident ical po we r   allocation scheme. So, the method can  be denoted by IPAS in abbreviation.    4.2. Ant Colon y  Optimization   Although ACO wa s propo sed fo r com b i natorial p r o b l e ms, re se archers sta r ted t o  adapt it  to continu o u s  optimization  proble m s. T he simp l e st  approa ch for applying ACO to continu ous  probl em s wo uld be  to di screti ze th e re al-value d do main of the   variable s . Thi s  ap proa ch h a been  succe s sfully follo we d when  ap pl ying ACO  to  the  protei n– ligand  do ckin g p r obl em [1 1].  Re cently, Socha an d Do ri go [12] has  pr op osed an  ACO algorit hms, name d  as ACO R  , that  handl e contin uou s pa ram e ters natively, whe r e th e pr obability de nsity functions that are impli c itly  built by the pheromo ne  model a r e ex plicitly re p r e s ented by Ga ussian  ke rnel  function s. T heir  approa ch ha s also be en ex tended to mixed-va riable p r oblem s [13].   Ants ge ne rall y start o u t m o ving at  ran d o m. Ho wev e r ,  whe n  they  e n co unter a  previously  laid trail, they can decide to follow it , thus  rei n forcing th e trail  with their  o w n p heromo ne  sub s tan c e. T h is colle ctive behaviou r  is a form of  au tocatalytic p r oce s s. In this case, the more  ants follo w a  trail; the mo re attra c tive t hat trail b e co mes to  be fo llowe d by future  ants. T h i s   pro c e ss i s  th us exp r e s sed  as a po sitive  feedba ck lo o p , whe r e the  prob ability with whi c h an  a n sele ct a path  incre a ses  wi th the numb e r of ant s th at previou s ly sele cted the  same path [ 2 ].  Hence, artificial ants probabilisti cally develop  a sol u tion iteratively by considering pheromone   trails o r /and l o cal h euri s tic  informatio n a s  well.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               e-ISSN: 2 087-278X   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 8, August 2013:  4335 –  4343   4340 Here, we a d o p t a  model  ,, QS f  o f  continuo us  optimizatio n probl em, wh e r S is a   sea r ch spa c e defined  o v er a finite set of co ntinuou s de ci si on varia b le s; is the set o f   con s trai nts  a m ong th e variable s : fS is  an  obje c tive fun c tion to  be m i nimize d. Accordin to the statem ent above,     se ns i n g c om se ns i n g s e n si ng 11 1 2 2 sens n g 2 i ,, , , , , , , ,, , , 1 , 2 , , , co m c o m t o t t o t t o t t ot Nt ot N t ot co m kt o t k t o N k t T PP P P PP PT N Pk    Ss           (18 )       se nsi n g s e n s i ng se ns i n g 11 1 ,, , , , , ,, com c o m co m d t o t D t ot t o t k k t ot k t ot Nt ot k t ot fP P P P P P T P P   s                    (19)    The  CACS  al gorithm  was first  pro p o s ed  in  [14].  It  u s es a contin uo us phe rom o n e   mod e con s i s ting of  a Gau s sian  pdf ce ntre on the b e st  solutio n  foun d so fa r. Th e  best  solutio n  at  pre s ent  is mo dified a c cordi ng to  a  wei g h t ed ave r age   of the  distan ce bet wee n  e a ch i ndividu al i n   the popul atio n and the be st solution fou nd so fa r, as  sho w n in Equ a tion (20 ) .      1 2 11 mi n 11 ant ant NN jj j k opt kk k ko p t s s ff ff                                             ( 2 0 )     W h er an t N is th e nu mbe r  of  ants d e fine d in  the  alg o rithm,  2 j is th e vari an ce  o f  the  j -th  dimen s ion,  opt s is the best sol u tion at pre s ent and the sup e rscript  j  denote the  j -t h dimen s ion   variable of th e solutio n   s The mai n  adv antage s of th e CACS  are t hat it  requi re s the setting  of just on e pa rameter  (the  numb e of ants in  the  pop ulation )   and  present s a ve ry  simpl e  me ch ani sm  to g ene rate   the   ants of the n e xt generatio n. On t he other han d, a cl ear d r a w ba ck is that it only investigate s  one   promi s in g re g i on of the pro b lem at a tim e , which  mea n s that the al gorithm ten d s to con c ent rat e   the Gau ssi an  pdf aroun d lo cal optima ve ry quick ly, thus leadi ng to a  prematu r e converg e n c e.   The A C O R    al gorithm   [12] consi s ts  of an archive  th at h o lds the  k be st  solution s fo und  so   far. In con c e p tual term s,  each solution  co rre sp ond s to the  centre of a diffe re nt Gau s sian  pdf.  More over, thi s  a r chive i s  u s ed  to calcul ate the va ria n ce  of ea ch   distrib u tion,  so that the  wh ole   pro c e s s can  be de scrib ed  as follo ws. Initially, the  wh ole archive  is stocha st icall y  cre a ted (usi ng   a unifo rm di st ribution ) , a n d  the g ene rate d individu als  are  so rted  in  desce nding  o r de r of fitne s s.  Then, the m a in iteratio start s   by first  assigni ng a  solutio n  of  th e archive to  each ant of t h e   probl em, with  proba bility proportio nal to the wei ght  k of the  k -th archiv solutio n k s   2 22 1( 1 ) exp 2 2 k an t an t k qN qN                                                                 (21)    Whe r an t N  is the  numbe r of a n ts,  k  i s  the  rank  of the sol u tion on th e a r chive, a nd  q   is a vari able  calle d locality of the search p r o c e ss a nd used  to b a lan c e exploi tation and e x ploration. T h e   mean  of ea ch Ga ussian  i s  the n  defin e d  a s  bei ng t he  corre s po n dent a r chive  solutio n , and  its   varian ce is gi ven by:     di m 1 ,1 , , 1 an t ii N kl i l k an t ss iN N                                            (22)    Whe r e cont rol s  the spee of conve r ge n c e to dete r mi ne ho w fast t he sol u tion of the archive   will converge,  s  is a solutio n  belongi ng to  the archive, and  dim N is the di mensi on of th e sea r ch  spa c e. Finally this Gau ssi a n   di stributio n with  m ean  an d varia n ce d e f ined a s   de scribed  ab ove i s   use d  to gene rate a ne w solution to the  proble m . After ea ch ant h a s built a ca ndidate  soluti on,  these  candi d a te solution are  inserte d  i n to the  archiv e an d a r e  sorted ag ain. T h e alg o rithm  th en   iteratively re moves the worst  solution s until t he arch ive return s to its origin al si ze.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   e-ISSN:  2087 -278X       Powe r Optim i zation b e twe en Sensi ng a nd Signalin for Dis t ributed Detec t io n (Xi ang yan g  LIU)  4341 5. Numerical  Simulation  5.1. Simulation Condi tions   In our simul a tions, we u s e  the WSN co nfigur atio n d e scrib ed in Section 2. Co n s ide r  a   WSN  with eig h t rada r-li k e sensor no de s and a F C All units of coo r dinate are m e ters. Th e F C  is  with  coo r din a t e (0,3 00).  Assume  that th e  Y-axis co o r di nates of all  th e sen s o r s are  ze ro  an d thei r   X-axis coordi nates a r e gi ven in Table  1. Also , assume the ta rget to be d e tected i s  wi th   coo r din a te (2 0,-150 ).       Table 1. X-ax is Co ordi nate s  of Sensor Node Sensor’s No.  X-axis  coordinat e -180   -120  -60   0 60 100  160 220      Assu me the f a lse  alarm  rat e   of the FC i s  0.001. Each  sen s o r  ha s o peratin g freq uen cy  9375M Hz, pu lse w idth  10n s, an se n s i n g k =0.18.  Assume  a  n o ise  figure F   = 8  dB, effective noise  temperature 0 290 TK , antenn a gai n   28 d B G and total  re ceiver lo ss  L  =  4 dB. Also,  a s sume   that, for targets following the Swerling I I  fluctuat ions with  average RCS  of  5 m2,  a probability o f   detectio n  0.5   and  rad a r return s’  power o f  -93 d Bm  a r e   requi re d at  m a ximum  rang e of 1 5 0  mete rs  with false ala r m rate 0.01  or b e tter. Assume   that  co mmuni cation system ope rates  at 2.4G Hz  and ad opts th e followin g  pa th loss m odel  given by Shellhamme r [15].    10 10 40. 2 2 0 l og ( ) 8 () 58. 5 3 3 l o g 8 8 dd m pl d d dm                                   (23)    Assu me that  the sig nal-to - noise lo ss  of t he practi cal  comm uni cati on re ceive r   compa r ed  with the  ide a l  one  is 5dB.  Also, a s sume  that, fo r bina ry  symm etric Rayleig h   fadi ng cha nnel, a   bit  error rate  0.0 01 i s   req u ire d  at  re ceiver  sen s it ivity of -95dBm  at m a ximum  rang e of 1 0 2  met e rs  with tran smitted power 5  dBm. Let the drain e fficie n cy of powe r  amplifier of comm uni cati on   module i s  0.1 7 Monte  Ca rlo  simulatio n  i s   use d  to fin d  t he th re shold s   k ( 1, 2 , , kN ) an d T , as  sh own   in the following. For positive  integer  n, generate I.I.D. sampl e 1 x , 2 x ,…, n x , eac h   with the same  distrib u tion a s   the ra ndom   variabl X . Sort 1 x , 2 x ,…, n x  in asce nding  order a nd de note th em b y   (1 ) ( 2 ) ( ) n x xx   . Let () k Tx  and then the co rre spondi ng mea n   1 m   and stan dard d e viatio n   1  of the fal s e  alarm rate  of the d e tect or a r e  given  in Equ a tion  (24 )   and E quation  (2 5),   r e spec tively.      1( ) 1 EP r 1 k nk mX x n                            (24)       1( ) 1( 1 ) st d P r 12 k kn k Xx nn                   ( 2 5 )     In the simul a tion of this pape r, the param et ers to estimate de tection thre shold are  7 51 0 1 n  and 7 5 1 0 5 000 0 k  . Therefo r e,  1 0.001 m and 4 2.0 1 0  . The probability  of  detectio n  wa s estimated by   5 31 0 experime n ts.     5.2 Simulation results   Whe n   s e ns ing+c o m k P  =6 0m W a nd  all th e sen s ors ha ve identi c al  sensi ng  po wer, the plot  of  probability of  detection  at FC  versus sensi ng  power are  giv en in Figure 1.   Obviously  sens i n g ktot 41 .9 P  mW will maximize the dt o t P . T he maximum  value obtain ed is 0.87 8. A bad power  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               e-ISSN: 2 087-278X   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 8, August 2013:  4335 –  4343   4342 allocation, fo r exampl sensi n g ktot 5 P m W  an co m kt o t P =55  mW, will m a ke the  system’s detection   perfo rman ce l e ss than 0.1. Ther efore, a reasona ble all o catio n   of no de’s p o wer is  necessa ry.          Figure 1. Probability of Detection versus  Sensin g Power und er Po wer Budg et of 60mW  Figure 2. Local Optimum P r oba bility Obtained  durin g Iteratio n     Table 2. Power Allocation  Schem e Obta ined by ACO R     No. of iteration   1 2 3 4 5 6 7  8 9  10  11  12  se n s in g kt o t P   (m w )   48.71  13.72   8.64  32.41  33.69  26.55  35.70   42.98  41.95  41.95  47.28  36.70   53.22  37.40  43.22  56.07  44.51  46.65  42.05   45.00  44.38  44.38  45.30  45.61   38.20  44.22  37.73  41.77  43.56  41.52  43.92   43.61  46.27  46.27  43.86  44.91   28.94  39.51  33.73  35.25  34.62  36.71  37.93   37.42  37.73  37.73  37.90  37.65   35.46  44.89  36.13  39.95  39.45  40.92   42.1 1   41.01  40.73  40.73  40.34  40.51   46.21   49.  44.81  43.26  40.85  43.25  43.15   41.41  43.30  43.30  44.04  42.54   31.75  37.66  40.48  39.97  44.28  38.77  42.96   42.30  44.41  44.41  45.17  44.94   55.31  19.41  47.35  18.89  20.56  44.19  43.98   49.46  34.52  34.52  38.66  46.71   P dtot   0.850  0.866  0.869  0.873  0.876  0.880  0.882   0.883  0.886  0.886  0.887  0.888       Whe n  u s ing t he ant  colony  optimizatio algor ith m , the  numbe r of a n ts is  assum ed 10 0.  The time s of iteration s  are  20. The lo cal  best p r ob abili ty of detection of eac h iteration is give n  in   Figure 2. The  best  sen s ing  power of e a ch se nsor  sea r che d  by ACO R  at ea ch ite r ation are give in Table 2. The re sults ob tained by CA CS are given  in Table 3, whe r e  k   stan ds for the No . of  local sen s o r   and  se n s in g kt o t P  is the se nsin g po wer  of the  k -th se nso r     Table 3. Power Allocation  Schem e Obta ined by CACS    No. of iteration   1 2 3 4 5 6 7  8 9  10  11  12  se n s in g kt o t P   (m w )   27.24  32.08  33.89  36.69  38.75  40.07  40.07   40.47  40.47  40.47  40.47  40.07   34.54  35.67  39.25  43.89  48.17  48.92  48.92   50.24  50.24  50.24  50.24  48.92   35.04  42.89  44.54  44.92  45.49  45.61  45.61   46.24  46.24  46.24  46.24  45.61   36.62  40.09  41.30  42.70  42.91  43.16  43.16   43.42  43.42  43.42  43.42  43.16   31.31  32.79  34.33  34.48  35.38   36.1 1   36.1 1   36.30  36.30  36.30  36.30   36.1 1   28.42  35.32  41.63  44.32  44.79  44.97  44.97   45.66  45.66  45.66  45.66  44.97   28.75  31.22  34.19  38.06  42.73  47.49  47.49   50.91  50.91  50.91  50.91  47.49   32.42  34.01  38.24  38.64  41.92  42.26  42.26   44.13  44.13  44.13  44.13  42.26   P dtot   0.850  0.821  0.857  0.872  0.878  0.880  0.880   0.880  0.881  0.881  0.881  0.881       From  the s result s a bove,  we  can fin d  that  the  CA CS  conve r ge rapidly to  t he b e st  solutio n . Mo reover, th e b e st  solutio n s found  by A C O R   outpe rfo r m that  by  CACS sli ghtly  and  there i s  a  de tection p r o b a b ility differen c e of  0. 008.  Comp ared  wi th the be st  solution fou n d  by  IPAS, both A C O a nd  CACS ca n obtai n better  solu tions. However, the dete c tion pro babili ty   differen c e b e t ween the m  i s  sm all and i s  not mo re t han 0.01.  Co nsid erin g the  simpli city and   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   e-ISSN:  2087 -278X       Powe r Optim i zation b e twe en Sensi ng a nd Signalin for Dis t ributed Detec t io n (Xi ang yan g  LIU)  4343 robus t ness  of  the IPAS, the IPAS is  a f eas ible  s u boptimum  optimiz ati on  sc heme for the WSN   with identi c al  node s.       6. Conclusio n   Con s id erin g the scen ario  of using di stri but ed ra da r-li k e sen s ors to  detect the prese n ce  of a target, we formul ate the proble m  o f  powe r  allo cation bet wee n  se nsi ng an d com m uni ca tion   for si gnal  det ection  und er the Neyman -Pearso cr it erion. T he  p o we r allo cati on sch e me  h a s   been o p timized by mean s of IPAS, CACS and ACO R , respe c tivel y . Results  sh ow that they can  lead to a goo d power allo cation. Among  them, the ACO R  can obt ain the be st solutio n  and t he  CACS has t he second best perform a nce. Alt hough the IPAS is the  worst  among them,  i t   achi eves  nea rly the same  detectio n  pe rf orma nce  a s  compa r ed  with  that achieve d  by CA CS a nd  ACO R . The r ef ore, fo r the  WSN with  ide n tical  node s, a n  ide n tical  po wer allo catio n  schem e fo r a ll  sen s o r can  be employe d  to achieve n e a rly the best  power allo cati on schem e.      Ackn o w l e dg ements   The  China  National Sci e n c e F ound atio n und er  Gra n t No s. 611 0 2160  and  61 1790 02  and the proje c t for po stgra duate s  of military  sci ence (2010 JY04 23 -241)  sup p o r t this wo rk.       Referen ces   [1]  Niu R, C h e n   B, Varshne PK. F u sion of  decis ions  tran smi tte d  o v e r   R a y l ei gh  fa di ng  ch an ne l s  i n   w i rel e ss sens o r  net w o rks .   IEEE Transactions  on Signal Proc essing . 200 6; 54(3): 101 8-1 0 2 7 [2]  Che n  B, T ong L, Varshn e y   PK. Chan ne l-a w a r distrib u te d detecti on i n   w i rel e ss se ns or net w o rks .   IEEE Signal Pr ocessi ng Mag a z i n e . 20 06; 23( 4): 16-26.   [3]  Kanch u marth y  VR,Vis w a nat han  R, Ma dis hett y  M.  Impa ct o f  Ch a nne l  Erro rs on   D e cen t ra l i z ed  Detectio n Perf ormanc e of W i r e less S ens or N e t w o r ks:  A Stu d y  of Bi nar y M odu latio n s, R a yl eig h -F ad i n g   and  No nfadi ng  Cha n n e ls, a n d  F u sio n -C ombin e r.  IEEE Transactions  on  Signal Pr ocessing . 20 08;  56(5): 17 61- 17 69.   [4]  W u  JY, W u  C W , W ang  T Y Cha nne l-A w ar e Decis i on F u sion W i th U n k n o w Loc al Se nsor Detecti o n   Proba bil i t y .   IEEE Transactions on Signal Processing . 20 10 ; 58(3): 145 7-1 463.   [5]  Lai  KC, Y ang   YL, Jia  JJ. F u s i on  of D e cis i on s T r ansmitted  Over F l at F a d i ng  Cha n n e ls V i a M a ximizi n g   the Deflecti on  Coeffici ent .   IEEE Transactio n s on Veh i cu la r Technol ogy . 201 0; 59(7): 36 34 - 364 0   [6]  Z hang   X, Poo r  HV, Ch ian g  M. Optimal  Po w e r A l l o cati on for  Distrib uted D e tectio n  Over MIMO   Cha nne ls i n  W i reless  Sens or  Net w orks .   IEE E  T r ansactio n s  on Si gn al Pro c essin g .  20 08;  56(9): 4 1 2 4 - 414 0.  [7]  Yang Y, Blum  RS, Sadler BM. Energ y -Effi cient  Ro uting  for Signa l Det e ction i n  W i rel e ss Senso r   Net w orks .   IEEE Transactions  on Signal Proc essing.  200 9; 57(6): 205 0-2 0 6 3 [8]  Masaza de E,  Raja go pal an  R ,  Varshne PK , et al.  A multi obj ective  optim izatio n a ppro a c h to o b tai n   decisi o n  thres hol ds for  distri buted  d e tectio n i n   w i rel e ss  sensor  n e t w or ks . IEEE Transactions  o n   Systems, Man,  and Cyb e rn et i cs, Part B: Cybernetics.  20 10;  40(2): 444- 45 7.  [9]  Dorig o  M, Stützle T .  Ant Co lo n y  Optimiz a tio n , United State s  of America: MIT  Press. 2004.  [10]  S w a m i A,  et al.  eds. W i rel e ss  sensor  net w o r ks :  sign al  proc essin g  a nd c o mmunicati ons  persp ectives.   200 7, John W i l e y  & So ns Inc. : Hoboke n . NJ. USA.  [11]  Korb O, Stützle T ,  Exner T E An ant colony  optimi z a t i on a ppro a ch to flex ible  protei n–l ig and d o ckin g .   S w a rm Intell ig ence. 20 07; 1( 2): 115-1 34.   [12]  Socha  K, Dori g o  M. Ant col o n y   optimiz atio n for conti n u ous  doma i ns .   Eu rop e a n  Jou r n a l  of Op e r a t i onal  Research . 20 0 8 ; 185(3): 1 155 -117 3.  [13]  Socha K. Ant colo n y   optimiz at ion for mi xe d-varia b l e  opti m izatio prob l e ms, PhD thesis, Universit´e   Libr e de Bru x el les: Brussels,  Belg ium. 20 07.   [14]  Pourtakd oust  SH, Nob ahar i  H. An e x ten s ion  of  ant c o lo n y  s y stem  to  contin uo u s  optimiz ation   prob lems.  Lect u re Notes i n  C o mputer Sci e n c e . 2004; 3 172 : 294-30 1.  [15] Shel lhamm e SJ.  Esti ma ti o n   o f  Pa cke t Erro r R a te Ca u s ed   b y  In te rfe r en ce u s in g An al yti c  Te ch ni qu es  A Coexiste nce  Assuranc e Method olo g y.  IEEE 802. 20 05; 1 9 -05/0 0 2 8 r1.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.