خلاصه پایان نامه بهینه سازی جایگذاری گره ها در محیط های مختلف برای شبکه های حسگر فراپهن باند مکان یاب
پایان نامه کارشناسی ارشد در رشته مهندسی برق (مخابرات سیستم)
چکیده
بهینهسازی جایگذاری گرهها در محیطهای مختلف برای شبکههای حسگرفراپهنباند مکانیاب
سیستمهای مکانیاب به سیستمهایی گفته میشود که بتوانند مکان یک جسم را در یک فضا تشخیص دهند. اینگونه سیستمها معمولا با استفاده از ارتباطات رادیویی، فاصله دو جسم را تشخیص داده و بعد از چندین اندازهگیری از گرههای مختلف، مکان جسم را در منطقه مشخص میکند. از مهمترین سیستمهای جهانی مکانیاب میتوان به سیستمهای مکانیاب جهانی[1] و سیستمهای مکانیاب نظامی روسیه[2]، سیستم مکانیاب شهروندی اروپا[3] اشاره نمود.
با توجه به نیاز مکانیابها با دقت بالا و همچنین مکانیابی درون فضاهای بسته استفاده از این سیستمها را کم اهمیت کرده و سیستمهایی با سیگنالهای دقیقتر دارای اهمیت بیشتری گشتهاند. از جمله این سیستمها استفاده از سیگنالهای فراپهنباند است که دارای پالسهای بسیار باریک و پهنای باند وسیع بوده و میتوانند تفکیکپذیری زمانی خوبی داشته باشند.
از اینرو این سیستمها به عنوان پیشنهادی مناسب برای مکانیابهای دقیق فضاهای بسته مطرح میشوند.
کلیه سیستمهای مکانیاب دارای گرههای مرجع بوده که هر کدام فاصله مشخصی تا جسم گیرنده دارند و از اندازهگیری این فاصلهها میتوان مکان گرهها را پیدا کرد. از مهمترین عوامل اثبات شده در دقت سیستمهای مکانیاب محل قرارگیری گرههای مرجع میباشد. در دهههای اخیر اهمیت این موضوع بررسی شده و راهکارهای مناسبی برای آن پیشنهاد شده است.
در برخی کاربردها میتوان خصوصیات رفتاری هدف را نیز مد نظر قرار داد. مثلا اینکه موقعیت هدف در اکثر زمانها در چه محدودهای از فضا باشد، در کاهش تعداد حسگر موثر است.
اگر بتوان تابع توزیع احتمال هدف در مختصات (x,y) را معلوم فرض کرد بنابراین میتوان از این تابع استفاده کرده و جایگذاری را به شکلی انجام داد که متوسط خطا مقدار دلخواه باشد. برای رسیدن به تابع توزیع هدف میتوان از فرض ارگادیک بودن فرآیند مکان هدف در زمان استفاده کرد و به نوعی به توزیع احتمالی آن نسبت داد. بنابراین با مطالعه بر روی تحقیقات انجام شده و استخراج معیارها برای مقایسه و دقت فاصلهیابی مناسب با استفاده از سیگنالهای فراپهن باند امید است با کاهش تعداد گرههای مرجع و استفاده از خصوصیات رفتاری هدف در شبکه بتوان به دقت مناسب رسید. اینگونه گرهها باید دارای مکان مشخصی باشند تا بتوانند مکان گره هدف را تخمین بزنند. در این متن با فرض اینکه گرههای مرجع در هر نقطه که قرار گیرند دارای مکان معلومی باشند سعی میشود این گرهها در مکانی قرار گیرند که بتوانند دو شرط زیر را برآورد نمایند:
اول: در کل منطقهی تحت مراقب مکان گره هدف را بتوانند تخمین بزند.
دوم: متوسط خطای تخمین مکان گره هدف نیز در کل منطقه حداقل باشد.
از جمله عواملی که میتواند در دقت مکانیابی موثر باشد محل قرارگیری گرههای مرجع در محیط تحت مراقبت میباشد. اما موردی که فقدان آن در اکثر تحقیقات انجام شده مشهود است آنست که چنانچه گره مرجع سیار باشد جایگذاری مناسبی برای گرههای مرجع پیشنهاد نشده است. در این تحقیق علاوه بر آنکه راهکار مناسبی برای بهینه کردن محل گرههای مرجع ارایه شده است در چند محیط هم از آن استفاده شده و نتایج آن مشاهده گردیده است.
در آخر، مقایسهای بین توزیع گرههای مرجع به صورت تصادفی مانند سایر تحقیقات و روش پیشنهاد شده انجام گرفته و مشخص شده است که میتوان با استفاده از این روش برای دستیابی به دقت مطلوب از تعداد گرهی مرجع کمتری استفاده نمود.
از اینرو در این متن هدف آن است که بتوان با استفاده از سیستمهای مکانیاب فراپهنباند برای رسیدن به دقت دلخواه، مکان گرههای مرجع را به صورت بهینه بدست آورد.
[1] GPS
[2] GLONASS
[3] Galileo
امروزه استفاده از شبکههای حسگر بسیار رایج و کاربردی شده است. شبکههای حسگر مجموعهای از ادوات حسگر است که با چیدمان مخصوص در محیطی قرار گرفته و با سعی در پوشش کل محیط، هدف خاصی را دنبال میکند. هدف در شبکههای حسگری ممکن است حس کردن دما برای محیطهای خاص، حس کردن دود برای جلوگیری از آتش گرفتن یا حس کردن نوعی گاز خاص باشد. اما از مهمترین کمیتهای قابل تشخیص بوسیله حسگرها مکان و زمان است که بسیار کاربردی است. با توجه به افزایش کاراییهای مکانیابی در کاربردهای مختلف نیاز به اینگونه سیستمها روز به روز افزایش مییابد. گسترش اینگونه سیستمها مورد توجه محققان و شرکتهای سازنده قرارگرفته است.
به عنوان مثال مکان اتومبیلها در مناطق تحت کنترل و نظامی و بررسی ترافیکها در نقاط مختلف و کنترل ناوگان مسافربری از جمله کاربردهای اخیر مکانیابی است که از سیستمهای مکانیابی GPS استفاده میکند.
اما مکانیابی اشخاص در انبارهای تجهیزات، بیمارستانهای بزرگ، مکانهای امنیتی در فضاهای داخلی با استفاده از سیستمهایGPS امکانپذیر نیست. زیرا این سیستمها دارای ارتباط ماهوارهای بوده و نیاز به خط دید مستقیم با گیرنده دارند و گیرنده باید همزمان با چهار گره مرجع ماهوارهای در تماس باشد. این گونه محدودیتها استفاده از این سیستمها را در فضای داخلی تقریبا غیرممکن میسازد. به علاوه این سیستمها در ماژول مکانیاب نیاز به توان ارسالی بالا برای تبادل اطلاعات با گرههای مرجع[1] وجود دارد و استفاده از این ماژولها را با استفاده از تغذیه باتری با مشکل روبرو میکند. یکی از مشکلات مهم دیگر این سیستمها، دقت نسبتا" پایین آنها در حدود چندین متر است [1] .
در کاربردهای دقیقتر مانند رباتهای متحرک[2]، رباتهای فوتبالیست و مکانیابی اشخاص در فضاهای بسته امنیتی بیمارستانهای بزرگ استفاده از سیستمهای GPS مقدور نبوده و سیستمهای ساخته شده از شبکههای حسگری استفاده میشود. بنا براین شبکههای بیسیم محلی[3] برای فضاهای داخلی استفاده میگردد. اما اینگونه سیستمها نیز از لحاظ دقت کارآمد نیستند. در مکانیابیهای دقیق، سیگنالینگ فراپهنباند پیشنهاد میشود. در جدول زیرکاربردهای مختلف مکانیابی با دقتهای مورد نیاز مشاهده میگردد[2] .
دقت مورد نیاز
مراقبت داخلی
1 سانتی متر
مکانیابی ابزاری
1 سانتی متر
راهنمای ربات داخلی
8 سانتی متر
راهنمای عابر پیاده
1 متر
سرویسهای مکانیابی
3 متر
اطلاعات قطار- اتوبوس- هواپیما
30 متر
مکانیابی حوادث
1 متر
درههای شهری
50 سانتی متر
جدول1-1: کاربرد و دقت مورد استفاده برای انواع مکانیابی
همانطور که در این جدول دیده میشود اکثر کاربردهای مهم مکانیابی نیاز به دقتهای سانتیمتر تا حداکثر متر دارند.
از ویژگیهای سیگنالهای فراپهنباند، قابلیت تفکیک سیگنالها از مسیرهای مختلف به دلیل باریک بودن پالسها است. قابلیت دیگر نفوذ و عبور از دیوارهها و البته انتقال داده با نرخهای بالا به دلیل پهنای باند وسیع است.
سیستمهای فراپهنباند
1.2 مقدمه
نیاز به یک مخابرات با قابلیت ارسال اطلاعات با نرخ بیت هر روز در حال افزایش است. یکی از روشهایی که میتوان با استفاده از آن به این مهم دست یافت، استفاده از سیگنالهای فراپهنباند است. اساس مخابرات فراپهنباند برپایهی ارسال اطلاعات توسط پالسهای بسیار باریک (در حوزهی زمان) که سطح انرژی پایینی دارند، میباشد. بنابر ضوابط وضع شده توسط سازمان تنظیم مقررات رادیویی آمریکا[4]، سیستمهای مخابراتی فراپهنباند میتوانند در باند فرکانسی 3.1 الی 10.6 گیگاهرتز (البته این رنج فرکانسی مخصوص کشور آمریکا میباشد و در اروپا پایینترین فرکانس برای سیستمهای مخابراتی فراپهنباند 2.4 گیگاهرتز میباشد) کار کنند. برای اینکه یک سیگنال فراپهنباند نامیده شود، حداقل یکی از خواص زیر را باید دارا باشد:
که درآن پهنای باند، فرکانس مرکزی، مینیمم و ماکزیمم فرکانس سیگنال ارسالی میباشند.
استفاده از این فناوری در زمینههای مخابرات بیسیم روز به روز درحال افزایش است. برای پیشگیری از ایجاد تداخل با سیستمهای مخابرات موجود، سازمان تنظیم مقررات رادیویی آمریکا، توان تشعشعی ایزوتروپیک موثر مجاز[5](EIRP) را برای هر باند فرکانسی مشخص کرده است. با توجه به اینکه این باند بسیار وسیع است، این پهنای باندها برای کاربردهایی چون WSN و غیره اختصاص داده شده است. بنابراین استفاده از باند دارای محدودیتهای توانی برای کاربردهای فراپهنباند است. البته مرکز تنظیم مقررات در باندهایی در این محدوده که برای کاربردهای خاص دیگر اختصاص داده شده و توسط شرکتهای سازنده ادوات خریداری شده نسبت به کاربران فراپهنباند سختگیرانهتر عمل کرده است.
شکل2-1: توان تشعشعی ایزوتروپیک موثر مجاز بهازای باندهای فرکانسی مختلف [3]
2.2 خواص سیگنالهای فراپهنباند
همانطورکه بیان شد سیگنالهای فراپهنباند انتخاب مناسبی برای ارتباطات پر سرعت بی سیم نیز میباشند.
بنا بر تئوری شانون در یک کانال AWGN [6] میتوان ماکزیمم نرخ ارسال داده را به صورت تابعی از پهنای باند B و نسبت سیگنال به نویز S/N نوشت.
در سیگنالینگهای فراپهنباند سیگنال به نویز، بسیار پایین است و به صورت خطی میتوان ماکزیمم نرخ ارسال داده را متناسب با پهنای باند B دانست.
از طرفی به دلیل ارتباط معکوسی که بین زمان و فرکانس وجود دارد، طول زمانی سیگنالهای فراپهنباند بسیار کوتاه و پالسهای ارسالی بسیار باریک هستند و از مرتبههای نانو ثانیهاند. این ویژگیهای سیگنالهای فراپهنباند میتواند خصوصیات زیر را برای این نوع سیگنالها در نظر گرفت.
خواص اصلی سیگنالهای فراپهنباند عبارتند از:
پهنای باند بسیار زیاد
قابلیت ارسال اطلاعات با توان کم توسط آنها
توانایی ارسال اطلاعات با نرخ بیت بالا توسط آنها
مقاوم بودن نسبت به تضعیفشدگی[7]
مقاوم بودن نسبت به پدیدهی چند مسیره[8]
ارزان بودن گیرنده و فرستنده
قابلیت مکانیابی دقیق (با دقت سانتیمتر) توسط این سیگنالها
این خواص موجب شدهاند سیگنالهای فراپهنباند در زمینههای مختلفی استفاده شوند، مثلا در زمینهی رادارهای نظامی. ولی دراینجا بیشتر کاربردهای تجاری[9] سیگنالهای فراپهنباند بررسی میگردد[4] . یکی از کاربردهای تجاری مهم سیگنالهای فراپهنباند در شبکههای اقتضایی بیسیم[10] میباشد.
3.2 استاندارد ها در سیستمهای فراپهنباند
ارسال اطلاعات با نرخ بالا (استاندارد IEEE 802.15.3a): در این کاربرد دو دستگاه میتوانند با استفاده از سیگنالهای فراپهنباند به تبادل اطلاعات با نرخ 100 Kbps (مثلا برای موسهای بیسیم) تا 480 Mbps (برای پخش مستقیم ویدیو و عکس و غیره از طریق بیسیم) بپردازند. همچنین این فناوری کاربردهای چندرسانهای همانند اتصال مانیتورها به صورت بیسیم نیز دارد، که توسط استانداردهای موجود همانند 802.11 و بلوتوس قابل پیادهسازی نیستند.
ارسال اطلاعات با نرخ پایین (استاندارد IEEE 802.15.4a): در شبکههای حسگر که نیاز به نرخ ارسال بالایی ندارند (50 kbps تا 1 Mbps) استفاده میشود. برد ارسال در اینگونه شبکهها در حدود 100 متر میباشد. از آنجایی که یکی از قابلیتهای اساسی سیگنالهای فراپهنباند، دقت زیاد آنها در مکانیابی (در حدود سانتیمتر) میباشد، در این کاربرد بیشتر روی مکانیابی تمرکز میشود. قیمت ارزان دستگاههای مورد استفاده در این کاربرد باعث رشد روز افزون آن در حوزههای مختلف مانند امداد و نجات، پیشگیری از آتشسوزی جنگلها، کاربردهای امنیتی و غیره شدهاست [4].
4.2 مدولاسیون در سیستمهای فراپهنباند
فهرست پایان نامه بهینه سازی جایگذاری گره ها در محیط های مختلف برای شبکه های حسگر فراپهن باند مکان یاب
فهرست:
عنوان صفحه
فصل 1: مقدمه. 1
فصل 2: سیستمهایفراپهنباند..................................................................................................................5
2-1- مقدمه. 5
2-2- خواص سیگنالهای فراپهنباند. 7
2-3- استانداردها درسیستمهای فراپهنباند. 9
2-4- مدولاسیون در سیستمهای فراپهنباند. 10
2-5- دسترسی چندگانه درسیستمهای فراپهنباند. 11
فصل 3: شبکههایاقتضاییبیسیم.........................................................................................................21
3-1- مقدمه. ......22
3-2- دستهبندی سیستمهای مکانیاب.. 22
-3- دستهبندی الگوریتمهای مکانیاب در شبکههای حسگر.....................................................................................16
انواع روشهای فاصلهیابی...........................................................................................................................................30
3-4-1- مکانیابی بر اساس قدرت سیگنال..................................................................................................................... 31
3-3-2- مکانیابی براساس زاویه رسیدن سیگنال............................................................................................................32
3-3-3- مکانیابی بر اساس زمان رسیدن سیگنال..... ....................................................................................................35
3- 5- استراتژیهای تشخیص پیک برای سیستمهای مکانیاب زمانی......................................................................39
3 - 6- مشکلات مکانیابی براساس زمان..........................................................................................................................40
3-7- تکنیکهای تخمین مکان............................................................................................................................................42
3-8- فناوریهای در دسترس برای سیستمهای مکانیاب.............................................................................................45
فصل 4: استفاده از فناوری فراپهنباند برای سیستمهای مکانیاب..................................................47
4-1- استفاده از سیگنالهای فراپهنباند برای مکانیابی...............................................................................................47
4-2- آشکارسازی سیگنالهای فراپهنباند و بررسی مدل کانال در استاندارد 802.15.4a 65
4-3- باندهای تشخیص خطا 56
4-4- مدل کردن اندازهگیریها 59
4-5- باند خطای مکانی.. 61
4-6- فاصلهیابی بر اساس استاندارد 802.15.4a 65
فصل 5: بهینهسازی سیستمهای مکانیاب مبتنی بر فناوری فراپهنباند....................................... 67
5-1- استراتژیهای طراحی شبکههای مکانیاب... 66
5-2- دستهبندی توپولوژی شبکههای حسگر برای مکانیابی... 67
5-3- اثر چگالی گرهها در محیط برروی دقت مکانیابی... 69
5-4- هدف تحقیق.. 73
5-5- پیادهسازی و شبیهسازی طرح الگوریتم بهینه 73
5-5-1- موضوع طرح..................................................................................................................................................78
5-5-2- بررسی اثر فاصله روی باند خطای مکانی................................................................................................81
5-5-3- تشریح الگوریتم............................................................................................................................................82
5-5-4- تست و شبیهسازی الگوریتم برای محیطهای ساده...........................................................................91
5-5-5- الگوریتم بر مبنای تعداد گره مرجع........................................................................................................91
5-5-6- مقایسه توزیع تصادفی گرهها با جایگذاری بهینهی آنها...................................................................97
5-5-7- الگوریتم بهینهیاب بر مبنای دقت دلخواه..............................................................................................99
فصل 6: نتیجهگیری وپیشنهادات... 102
مراجع : 105
منبع:
J. Hightower and G. Borriello, "Location systems for ubiquitous computing", IEEE Computer,34:8, 2001.
S. J. Ingram, D. Harmer and M. Quinlan," Ultra-wideband indoor positioning systems and their use in emergencies", In Proc. IEEE Position Location and Navigation Symp, 2004.
Stojmenovic and J. Wu, "Broadcasting and Activity-Scheduling in Ad Hoc Networks", 2007.
M. Ghavami, L.B. Michael and R. Kohno, "Ultra Wideband Signals and Systems in Communications Engineering", Wiley, 2004.
H. Nikookar and R. Prasad, "Introduction to Ultra Wideband for Wireless Communications," Springer, 2009.
M. barbeau and E. kranakis, "Principles of Ad Hoc Networking," Wiley, 2007.
R.J. Foerster, "Channel modeling sub-committee report",Technical report, P802.15-02/490rl-SG3a, IEEE 802.15 Working group for Wireless Personal Area Networks, February 2003.
A. F. Molisch, K. Balakrishnan, C. C. Chong, et al., IEEE 802.15.4a channel model – final report. Sep. 2004. [Online].
A. Alvarez, G. Valera, M. Lobeira, R. Torres and J. L. Garcia, "New channel impulse response model for UWB indoor system simulations", In Proc. IEEE Veh. Technol. Conf. (VTC), May 2003, pp. 1–5.
H. V. Poor," An Introduction to Signal Detection and Estimation", New York: Springer-Verlag, 1994.
Baris Fidanand Guoqiaung Mao, "Localization Algorithm and Strategies for Wireless Sensor Networks",information science efrence.New York , 2009.
.L. Doherty, L. El Ghaoui, and K. S. J. Pister." Convex position estimation in wireless sensor networks", In Proceedings of Infocom 2001, April 2001.
. Y. Qi, "Wireless geolocation in a non-line-of-sight environment", Ph.D. Dissertation, PrincetonUniversity, Dec. 2004.
J. J. Caffery, "Wireless Location in CDMA Cellular Radio Systems", Boston: Kluwer Academic Publishers, 2000.
G. L. Turin, “An introduction to matched filters,” IRE Trans. Information Theory, vol. IT-6, no. 3, pp. 311–329, June 1960.
Li, X"Super-Resolution TOA Estimation with Diversity Techniques for Indoor Geolocation Applications", PhD Thesis, WPI.
Heidari, M., Akgul, F. O., & Pahlavan, K"Identification of the Absence of Direct Path in Indoor Localization System", IEEE PIMRC 2007 (pp. 1-6).
Y. Qi,"Wireless geolocation in a non-line-of-sight environment", Ph.D. Dissertation, Princeton University, Dec. 2004.
Savvides, A., Garber, W. L., Moses, R. L., & Srivastava, M. B. " An analysis of error inducing parameters in multihop sensor node localization", IEEE Transactions on Mobile Computing, 4(6), 567-577.
G. L. Turin, “An introduction to matched filters,” IRE Trans. Information Theory, vol. IT-6, no. 3, pp. 311–329, June 1960.
Lanzisera, S., Lin, D., & Pister, K," RF Time of Flight Ranging for Wireless Sensor Network Localization", Proceedings of the IEEE Workshop on Intelligent Solutions in Embedded Systems, 2006.
H.V. Poor, "An Introduction to Signal Detection and Estimation", Springer-Verlag, NewYork,1994
T. Kaiser, Ed., UWB Communications Systems: A Comprehensive Overview,EURASIP Series on Signal Processing and Communications, Hindawi Publishing,New York, 2005.
. A. Catovic and Z. Sahinoglu, “The Cramer-Rao bounds of hybrid TOA/RSS and TDOA/RSS location estimation schemes,” IEEECommun. Lett., vol. 8, pp. 626–628, Oct. 2004.
D.B. Jourdan, D. Dardari, and Moe Z.Win, ”Position Error Bound for UWB Localization in Dense Cluttered Environments”, IEEE Communication Society, IEEEICC 2006.
Kanaan M., Akgul, F. O., Alavi, B. and Pahlavan.,"A Study of the Effects of Reference Point Densityon TOA-Based UWB Indoor Positioning Systems" , In the 17th Annual IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, 2005.
R. Verdone, D. Dardari, G. Mazzini, A. Conti ,"Wireless Sensors an Actuator Networks": Technologies, Analysis and Design, Elsevier, 2008.
H. Zhan , Jean-Yves L. Boudec, J.Ayadi1 and John Farserotu, "Ziv-Zakai Lower Bound for Impulse Radio Ultra-WideBand Ranging Error Based on Geometry of Indoor Environments":Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique, 2007.
EURASIP Journal on Advances in Signal Processing, Special Issue on Cooperative Localizationin Wireless Ad Hoc and Sensor Networks, 2008.
D.B. Jourdan and N. Roy, ”Optimal sensor placement for Agent localization“, proceeding IEEE/ION PLANS,pages 128-139, April 2006.
Priyatha, N. B, Balakrishnan, H., Demaine, E.,and Teller, S" Anchor-Free Distributed Localizationin Sensor Network," LCS Tech. Report #892, MIT, USA, 2005 .
Shang, Ruml, Zhang, and Fromherz" Localization from mere connectivity In MobiHoc", 2003.