بهینه¬سازی جایگذاری گره¬ها در محیط¬های مختلف برای شبکه¬های حسگر فراپهن¬باند مکان¬یاب

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
پایان نامه کارشناسی ارشد در رشته مهندسی برق (مخابرات سیستم)
بهینهسازی جایگذاری گرهها در محیطهای مختلف برای شبکههای حسگر فراپهنباند مکانیاب
به‌وسیله
ابوالفضل تاجمیرریاحی
استاد راهنما
دکتر علیرضا کشاورز حداد
اساتید مشاور
دکتر شاپور گلبهار حقیقی
دکتر عباس علیقنبری
شهریور 1390
236855847090
به‌نام خدا
اظهارنامه
اینجانب ابوالفضل تاجمیرریاحی (870876) دانشجوی رشته‌ی برق- مخابرات گرایش سیستم دانشکده‌ی برق و کامپیوتر اظهار می‌دارم این پایان‌نامه حاصل پژوهش اینجانب بوده و در مواردی که از منابع دیگران استفاده نمودهام، نشانی دقیق و مشخصات کامل آن را ثبت کردهام. همچنین اظهار می‌دارم که پایان‌نامه و موضوع آن تکراری نیست و تعهد می‌نمایم که بدون مجوز دانشگاه دستاوردهای آن را منتشر ننمایم و در اختیار غیر قرار ندهم. کلیه‌ی حقوق این اثر مطابق با آیین‌نامه‌ی مالکیت فکری و معنوی، متعلق به دانشگاه شیراز است.
ابوالفضل تاجمیرریاحی
به نام خدا
بهینهسازی جایگذاری گرهها در محیطهای مختلف برای شبکههای حسگر فراپهن
باند مکانیاب
به کوشش
ابوالفضل تاجمیرریاحی
پایان نامه
ارایه شده به تحصیلات تکمیلی دانشگاه شیراز به عنوان بخشی
از فعالیت‌های تحصیلی لازم برای اخذ درجه کارشناسی ارشد
در رشته‌ی:
مهندسی برق و کامپیوتر-مخابرات سیستم
از دانشگاه شیراز
جمهوری اسلامی ایران
ارزیابی کمیته‌ی پایان نامه، با درجه‌ی: ……………………….
دکتر (رئیس کمیته )……………..
دکتر……………….
دکتر……………….
سپاسگزاری
اکنون که این پایان نامه به پایان رسیده است بر خود لازم می‌دانم که از استاد ارجمندم آقایان دکتر علیرضا کشاورز حداد به خاطر زحمات بی‌بدیل و راهنمایی‌های گران‌قدرشان که همیشه پرفایده و راه‌گشا بوده است تشکر و قدردانی به عمل آورم.
از اساتید مشاور آقایان دکتر عباس علیقنبری و دکتر شاپور گلبهار حقیقی نیز به خاطر نظرات ارزندهشان سپاسگزارم.
چکیده
بهینهسازی جایگذاری گرهها در محیطهای مختلف برای شبکههای حسگرفراپهنباند مکانیاب
به‌وسیله
ابوالفضل تاجمیرریاحی
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 و سیستمهای مکانیاب نظامی روسیه، سیستم مکانیاب شهروندی اروپا 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.
فهرست مطالب
عنوان صفحهTOC \o “1-3” \h \z \uفصل 1: مقدمه PAGEREF _Ref310974767 \h 1فصل 2: سیستمهایفراپهنباند…………………………………………………………………………………………………… PAGEREF _Ref310974822 \h 5
2-1- مقدمه PAGEREF _Ref310974822 \h 52-2- خواص سیگنالهای فراپهنباند PAGEREF _Ref310974839 \h 72-3- استانداردها درسیستمهای فراپهنباند PAGEREF _Ref310974850 \h 92-4- مدولاسیون در سیستمهای فراپهنباند PAGEREF _Ref310974859 \h 102-5- دسترسی چندگانه درسیستمهای فراپهنباند PAGEREF _Ref310974867 \h 11فصل 3: شبکههایاقتضاییبیسیم…………………………………………………………………………………………… PAGEREF _Ref313030725 \h 21
3-1- مقدمه……PAGEREF _Toc303445919 \h223-2- دستهبندی سیستمهای مکانیاب PAGEREF _Ref310975152 \h 223-3- دستهبندی الگوریتمهای مکانیاب در شبکههای حسگر…………………………………………………………………………. PAGEREF _Ref310974917 \h 163-4- انواع روشهای فاصلهیابی…………………………………………………………………………………………………………………………. PAGEREF _Ref310975732 \h 30
3-4-1- مکانیابی بر اساس قدرت سیگنال……………………………………………………………………………………………………… PAGEREF _Ref313030468 \h 31
3-3-2- مکانیابی براساس زاویه رسیدن سیگنال……………………………………………………………………………………………… PAGEREF _Ref310975945 \h 32
3-3-3- مکانیابی بر اساس زمان رسیدن سیگنال….. ………………………………………………………………………………………. PAGEREF _Ref310976020 \h 35
3- 5- استراتژیهای تشخیص پیک برای سیستمهای مکانیاب زمانی……………………………………………………………. PAGEREF _Ref310976152 \h 39
3 – 6- مشکلات مکانیابی براساس زمان………………………………………………………………………………………………………….. PAGEREF _Ref310976229 \h 40
3-7- تکنیکهای تخمین مکان………………………………………………………………………………………………………………………….. PAGEREF _Ref310976314 \h 42
3-8- فناوریهای در دسترس برای سیستمهای مکانیاب………………………………………………………………………………… PAGEREF _Ref310976447 \h 45
HYPERLINK \l “_Toc303445924″فصل 4: استفاده از فناوری فراپهنباند برای سیستمهای مکانیاب………………………………………….. PAGEREF _Ref310976795 \h 47

4-1- استفاده از سیگنالهای فراپهنباند برای مکانیابی………………………………………………………………………………….. PAGEREF _Ref313030510 \h 474-2- آشکارسازی سیگنالهای فراپهنباند و بررسی مدل کانال در استاندارد 802.15.4a PAGEREF _Ref310977129 \h 654-3- باندهای تشخیص خطا PAGEREF _Ref313029570 \h 564-4- مدل کردن اندازهگیریها PAGEREF _Ref310977000 \h 594-5- باند خطای مکانی PAGEREF _Ref303250008 \h 614-6- فاصلهیابی بر اساس استاندارد 802.15.4a PAGEREF _Ref310977129 \h 65فصل 5: بهینهسازی سیستمهای مکانیاب مبتنی بر فناوری فراپهنباند………………………………… PAGEREF _Ref310977261 \h 675-1- استراتژیهای طراحی شبکههای مکانیاب665-2- دستهبندی توپولوژی شبکههای حسگر برای مکانیابی675-3- اثر چگالی گرهها در محیط برروی دقت مکانیابی695-4- هدف تحقیق PAGEREF _Ref310977843 \h 735-5- پیادهسازی و شبیهسازی طرح الگوریتم بهینه PAGEREF _Ref313025642 \h 735-5-1- موضوع طرح……………………………………………………………………………………………………………………………….. PAGEREF _Ref313025567 \h 78
5-5-2- بررسی اثر فاصله روی باند خطای مکانی…………………………………………………………………………………… PAGEREF _Ref313025625 \h 81
5-5-3- تشریح الگوریتم………………………………………………………………………………………………………………………….. PAGEREF _Ref313025714 \h 82
5-5-4- تست و شبیهسازی الگوریتم برای محیطهای ساده………………………………………………………………… PAGEREF _Ref313024600 \h 91
5-5-5- الگوریتم بر مبنای تعداد گره مرجع………………………………………………………………………………………….. PAGEREF _Ref313024600 \h 91
5-5-6- مقایسه توزیع تصادفی گرهها با جایگذاری بهینهی آنها…………………………………………………………. PAGEREF _Ref313024953 \h 97
5-5-7- الگوریتم بهینهیاب بر مبنای دقت دلخواه…………………………………………………………………………………. PAGEREF _Ref313024997 \h 99
فصل 6: نتیجهگیری وپیشنهادات PAGEREF _Ref310977809 \h 102مراجع : PAGEREF _Ref311842675 \h 105
فهرست جدولها
عنوان صفحه
جدول1-1: کاربرد و دقت مورد استفاده برای انواع مکانیابی……………………………………………………………………………..3
جدول2-1: پارامترهای مدل کانال IEEE UWB………………………………………………………………………………………….20
جدول3-1: مقایسه روشهای مکانیابی رایج…………………………………………………………………………………………………….46
جدول4-1: مقدار بایاس و انحراف استاندارد برای پرکاربردترین موانع……………………………………………………………..54
فهرست شکلها
عنوانصفحه
TOC \h \z \c “شکل”
شکل1-2: توان تشعشعی ایزوتروپیک موثر مجاز به ازای باندهای فرکانسی مختلف………………………………………….7
شکل 2-2: روشهای مدولاسیون در سیستمهای فراپهنباند……………………………………………………………………………11
شکل3-2: روشهای مدولاسیون در سیستمهای فراپهنباند……………………………………………………………………………..13
شکل2-4: معماری لایهها در شبکههای اقتضایی……………………………………………………………………………………………….15
شکل2-5: (a) پاسخ ضربهی مدل کانال برای IEEE 802.15.3a CH3 محور عمودی دامنهی کانال میباشد، (b) تابع خودهمبستگی پاسخ ضربهی کانال ……………………………………………..18
شکل3-SEQ شکل \* ARABIC \s 11: استفاده از سه گره برای مکانیابی…………………………………………………………………………………………………….31
شکل3-SEQ شکل \* ARABIC \s 12: منحنی تغییرات دقت بر حسب فاصله در روش RSSI………………………………………………………………….32
شکل3-3: رسیدن جبهه موج به آرایهای از آنتنها…………………………………………………………………………………………..33
شکل3-4: مکانیابی با استفاده از زاویه رسیدن سیگنال…………………………………………………………………………………33
شکل3-5: مینیمم انحراف استاندارد بر حسب نسبت سیگنال به نویز با استفاده از زمان رسیدن سیگنال با پهنای پالس متفاوت…………………………………………………………………………………………………………………………………………..34
شکل3-6: منحنی تغییرات کمینه خطای فاصلهیابی با استفاده از زمان رسیدن سیگنال بر حسب نسبت سیگنال……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….37
شکل 3-7: مکانیابی با استفاده از تفاضل زمان رسیدن سیگنال…………………………………………………………………….38
شکل3- 8: پروفایل تاخیر زمانی کانال……………………………………………………………………………………………………………..41
شکل3-9: پروفایل تاخیر زمانی کانال در عدم وجود دید مستقیم…………………………………………………………………..42
شکل 4- 1: منحنی تغییرات باند پایین دقت مکانیابی بر حسب نوع سیگنالهای مختلفTOA……………….48
شکل4-2 : منحنی تغییرات مینیمم دقت مکانیابی با استفاده از روش TOA …………………………………………..50
شکل 4-3: تاثیر دیوار بر روی سیگنال…………………………………………………………………………………………………………….52
شکل4-4:تاثیر سیگنال بر روی دیوار……………………………………………………………………………………………………………..54
شکل4-5: سیگنال دریافتی در محلهای مختلف محیط تحت مراقبت………………………………………………………..55
شکل4-6: محیط آزمایشی تحت مراقبت……………………………………………………………………………………………………………56
شکل 4-7: تغییرات باند پایین خطا زیو- زاکای و کرامر – رور به ازای تغییرات نسبت سیگنال به نویز………….58
شکل 4-8: باند پایین خطا زیو- زاکای و کرامر – رور به ازای تغییرات نسبت سیگنال به نویز در مدل کانال مختلف………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….59
شکل 4-9: تابع توزیع چگالی با وجود بایاس با توزیع یکنواخت………………………………………………………………………..61
شکل4-10: منحنی تغییرات ضرایب اهمیت بر حسب مقادیر بایاس متفاوت……………………………………………………64
شکل 4-11: باند خطای مکانی بر حسب تغییرات مقدار بایاس…………………………………………………………………………65
شکل4-12: ساختار بستهی اطلاعاتی پروتکل فاصلهیاب در استاندارد IEEE.802.15.4a…………………………..66
شکل 5- SEQ شکل_4. \* ARABIC 1: توزیع منظم گرهها و توزیع نامنظم گرهها……………………………………………………………………………………….71
شکل 5-2: تغییرات دقت بر حسب چگالی گرههای مرجع…………………………………………………………………………………72
شکل 5-3: اثر چگالی گرههای مرجع برروی دقت………………………………………………………………………………………………73
شکل5-4: چیدمان گرههای مرجع برای هدف در مرکز دایره…………………………………………………………………………….75
شکل5-5: ضرایب اهمیت متفاوت برای موانع مختلف………………………………………………………………………………………..76
شکل5-6: محاسبه ضرایب اهمیت متفاوت برای موانع مختلف………………………………………………………………………….77
شکل5-7: اثر فاصله بر باند پایین خطای مکانی…………………………………………………………………………………………………82
شکل5-8: جایگذاری گرههای مرجع در محیط ساده به صورت بهینه………………………………………………………………90
شکل5-9: جایگذاری گرههای مرجع در محیط باند شده به صورت بهینه………………………………………………………..94
شکل5-10: جایگذاری گرههای مرجع در محیط دارای مانع به صورت بهینه……………………………………………………96
شکل5-11: جایگذاری گرههای مرجع در محیط دارای چاله به صورت بهینه……………………………………………………98
شکل5-12: باند پایین خطای مکانی متوسط بر حسب تعداد گره مرجع با استفاده از الگوریتم بهینه (ب) و مقایسه آن با توزیع تصادفی آنها (الف)………………………………………………………………………………………………………………..99
شکل 5-13: مکان بهینه نودهای مرجع در محیط ساده با الگوریتم بر مبنای دقت……………………………………….102
فهرست نشانه‏های اختصاری
AOA Angle Of Receive
CRB Cramer Rao Bound
EIRP Equivalent isotropically –iated power
GPS General Positioning Sys–
FCC Federal Communications Commission
LOS Line Of Side
MAC Medium Access Control
MDS Multidimentional Scaling
NLOS None Line Of Side
PS Power Save
PEB Position Error Bound
RSS Received Signal Strength
SDP Semi Define Programming
SNR Signal to Noise Ratio
TDOA Time Different of Arrival
TOA Time Of Arrival
UWB Ultra-Wideand
WLAN Wireless Local area Networks
WPAN Wireless Personal Area Networks
ZZB Ziv-Zakai Bound
فصل اول:
مقدمه 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 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، 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 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] .
کاربرد 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.
فصل دوم:
سیستمهای فراپهنباند سیستمهای فراپهنباند
1.2 مقدمهنیاز 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، 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:
حداقل پهنای باندی معادل 500 مگاهرتز داشته باشد.
رابطهی زیر برای سیگنال فراپهنباند صدق کند.

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(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]
خواص سیگنالهای فراپهنباندهمانطورکه بیان شد سیگنالهای فراپهنباند انتخاب مناسبی برای ارتباطات پر سرعت بی سیم نیز میباشند.
بنا بر تئوری شانون در یک کانال AWGN 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
مقاوم بودن نسبت به پدیدهی چند مسیره
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 سیگنالهای فراپهنباند بررسی میگردد[4] . یکی از کاربردهای تجاری مهم سیگنالهای فراپهنباند در شبکههای اقتضایی بیسیم میباشد.
3.2 استاندارد ها در سیستمهای فراپهنباندارسال 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 فراپهنباندپارامترهای مهمی در انتخاب مناسب مدولاسیون برای سیگنالهای فراپهن باند نقش دارند، که میتوان به نرخ اطلاعات، پیچیدگی گیرنده و فرستنده، خواص طیفی سیگنال، مقاومت در برابر تداخل سیگنالهای باریکباند، تداخل بین سمبلی، وضعیت خطا و غیره اشاره کرد. در سیستمهای فراپهنباند پالسی مدولاسیونهای PAM، OOK و PPM معمولا استفاده میشوند. در PPM باینری بیت ‘1’ با یک پالس بدون تاخیر و بیت ‘0’ توسط یک پالس با تاخیر نسبت به مرجع زمانی تعیین میگردند. در این مدولاسیون میتوان از جابجاییهای مختلف پالس برای مشخص کردن سمبلهای مختلف استفاده کرد. رایجترین روش PPM، استفاده از روش سیگنالینگ متعامد میباشد، که در آن هر سیگنال بر سیگنال شیفت یافتهاش عمود میباشد. در PAM بیتهای ‘1’ و ‘0’ با یک سیگنال و تغییر فاز داده شدهی آن به اندازه 180 درجه نشان داده میشوند. در OOK با ارسال و عدم ارسال پالس، بیتهای ‘1’ و ‘0’ را مشخص میشود [4] .

شکل2-2: روشهای مدولاسیون در سیستمهای فراپهنباند [3] 5.2 دسترسی چندگانه در سیستمهای فراپهنباندروشهای جهش زمانی(TH) و دنبالهی مستقیم(DS) دو روش رایج برای دسترسی چندگانه در سیستمهای فراپهنباند میباشند.
در TH-PPM سیگنال ارسالی () برای کاربر ام بصورت زیر نشان داده میشود:

که در آن دورهی سمبل، دادهی ارسال شدهی ام (برای دادههای باینری ) برای امین کاربر، اندیس مدولاسیون میباشند و گسترده شده پالس اولیه میباشد که به صورت زیر تعریف میشود:

کد گستردهای است که برای هر کاربر یکتا میباشد و دسترسی چندگانه را برای کاربران میسر میسازد (این کد همانند کدهای استفاده شده در CDMA میباشد، ولی طول آن بسیار کمتر است)، شیفت زمانی برای و تعداد پالسها () در یک دورهی سمبل میباشد. هر پالس (در CDMA به آن چیپ گفته میشود) بازهی زمانی را اشغال میکند، بنابراین:

از آنجاییکه ساخت پالس گوسی و مشتقات آن بسیار آسان است، شکل پالس استفاده شده برای PPM معمولا مشتق مرتبهی اول و یا مشتقات بالاتر تابع گوسی میباشد. از آنجاییکه آنتنها مقادیر DC سیگنال را انتقال نمیدهند، معمولا از مشتقات پالس گوسی که دارای مولفهی DC صفر میباشند، استفاده میشود. مشتق مرتبهی اول تابع گوسی را میتوان به صورت زیر نشان داد:

که در آن و به ترتیب دامنه و گستردگی (پهنای) پالس و پارامتر شیفت زمانی میباشند. مشتق مرتبهی اول پالس گوسی در حوزهی زمان و فرکانس در شکل 2-1 نشان داده شده که در آن و است. همانطور که در شکل 2-1 نشات داده شده، این پالس در حوزه فرکانس، دارای پهنای بسیار بالایی میباشد و دارای مولفهی DC صفر و فرکانس پایین کمی است که آن را برای استفاده در مخابرات فراپهنباند مناسب میسازد [5] .

شکل2-3: روشهای مدولاسیون در سیستمهای فراپهنباند [1]
شکل پالسهای دیگری همانند پالسهای هرمیتی، لژاندری و غیره نیز در مخابرات فراپهنباند استفاده میشوند، که هریک مزایای مخصوص به خود را دارند [3] .
6.2 ساختار لایهها در شبکههای اقتضاییهمانطور که در شکل 3-1 نشان داده شده است، همانند هر شبکهی دیگری، شبکههای اقتضایی نیز از لایههایی تشکیل شدهاند. هر شبکه اقتضایی به 5 لایهی فیزیکی، پیوند داده، شبکه، انتقال و کاربرد تقسیمبندی میشود. لایهی فیزیکی انتقال بیتها از طریق کانال مخابراتی را به عهده دارد. لایهی پیوند داده که زیر لایهی MAC نیز جزیی از آن میباشد، وظایف زیر را بهعهده دارد:
رفع خطاهای فیزیکی
کنترل دسترسی به کانال مشترک (MAC)
فریمبندی دادهها
انتقال مطمئن داده از طریق محیط انتقال
هماهنگی بین سرعت گیرنده و فرستنده (سنکرون کردن گیرنده و فرستنده)
بعد از آن لایه شبکه میباشد که از جمله وظایف آن میتوان به کنترل عملکرد زیر شبکهها، مسیریابی، کنترل گلوگاهها، کیفیت سرویسدهی اشاره کرد. در لایهی انتقال، دادهها برای استفاده در لایههای پایینتر شکسته شده و همچنین یک کنترل خطا در این لایه بر روی دادهها اعمال میشود. در بالاترین لایه که لایهی کاربرد است، مجموعهی از پروتکلها و برنامهها، طرح ریزی و پیادهسازی میشوند [6] .

شکل24: معماری لایهها در شبکههای اقتضایی[6]
لایهی شبکه در این نوع تقریبا عملکرد مشابهی با شبکههای دیگر دارد، بنابراین سعی میشود به بررسی لایهی پیوند پرداخته شود.
تبادل اطلاعات در مورد همسایهها و توپولوژی اطراف هر گره در لایهی پیوند داده و مسیریابی در لایهی شبکه انجام میپذیرد. کنترل دسترسی به کانال مشترک در زیر لایهی MAC از لایه پیوند داده انجام میشود. با توجه به اهمیت زیر لایهی MAC (در برخی موارد آن را لایهی MAC نیز مینامند)، به صورت مجزا به بررسی آن در شبکههای اقتضایی فراپهنباند پرداخته میشود.
زیر لایهی M A C در شبکههای بیسیم اقتضایی فراپهنباندگروه IEEE TG802.15.3a دو طرح برای لایهی MAC شبکههای اقتضایی بیسیم فراپهنباند پیشنهاد میدهد، که عبارتند از DS-UWB (که پیشگامان آن شرکتهای موتورولا و فریاسکیل میباشند) و MBOA (با پیشگامی شرکت اینتل). تفاوت این دو طرح در پشتیبانی از بعضی سرعتها میباشد.
DS-UWB برای مخابراهی دادهها در سرعتهای 28، 55، 110، 220، 500، 660 و 1320 مگابیت در ثانیه و MBOA برای مخابرهی دادهها در سرعتهای 55، 110، 200، 400 و 480 مگابیت در ثانیه طراحی شدهاند[1] .
طرح پیشنهادی توسط MBOA برپایهی MB-OFDM میباشد. در MB-OFDM پهنایباند مورد استفاده در سیگنالهای فراپهنباند (3.1-10.6 GHz) به 13 باند 528 مگاهرتزی تقسیم میشود. این باندها نیز در چهار گروه مختلف تقسیم میشوند که عبارتند از: گروه A (باند 3-1) ، گروه B (باند 5-4) ، گروه C(باند 9-6) و گروه D (باند 13-10)[3] .
برای استفاده از منابع، باید طراحی لایهی MAC به گونهای باشد که از خواص منحصربفرد سیگنالهای فراپهنباند استفاده کند و بتواند محدودیتهای زیر را در طراحی خود لحاظ کند:
توان ارسال پایین برای رعایت کردن توان تشعشعی ایزوتروپیک موثر مجاز تعیین شده توسط FCC و افزایش طول عمر باتری دستگاهها.
بنابراین باید مکانیزمی برای کارا کردن توان مصرفی در لایهی MAC وجود داشته باشد.
مدت زمانی که تاثیر سیگنال فراپهنباند در کانال باقی میماند و آن را میتوان از کانال استخراج کرد (زمان اکتساب) بسیار بیشتر از سیگنالهای باریکباند باشد.
پس هنگامیکه نرخ ارسال اطلاعات زیاد باشد، ممکن است بخش عمدهای از زمانیکه گیرنده صرف دریافت اطلاعات میکند به زمان اکتساب اختصاص داده شود که باعث کاهش بازده سیستم فراپهنباند میشود. در شکل 3-2 پاسخ ضربهی کانال به یک پالس فراپهنباند نشان داده شدهاست. همانطور که در شکل مشخص است، اثر پالس تقریبا به اندازهی 150 ns باقی ماندهاست در حالیکه عرض پالس در حدود چند نانوثانیه بیشتر نمیباشد.
به دلیل قابلیت مکانیابی دقیق سیستمهای فراپهنباند با استفاده از اطلاعات بدست آمده از مکانیابی، لایهی MAC باید بتواند مسیریابی و کنترل توان را بهبود بخشد.

شکل2 5: (a) پاسخ ضربهی مدل کانال برای IEEE 802.15.3a CH3 محور عمودی دامنهی کانال میباشد، (b) تابع خودهمبستگی پاسخ ضربهی کانال [3] مدل کانال IEEE UWB
در گروه IEEE 802.15.3a مدل کانال چند مسیرهای برای سیگنالهای فراپهنباند ارایه دادهاند. در این مدل المانهای چند مسیره در گروههایی بنام خوشه با توزیع پوآسون وارد گیرنده میشوند. هر مسیر در هر خوشه نیز خود به صورت توزیع پوآسون وارد گیرنده میشود. پاسخ ضربهی کانال به شکل زیر تعریف میگردد [7]و[8]:

شکل 2- 5 :پروفایل تاخیر زمانی مدل کانال در استاندارد 802.15.4a [9]
که در آن تعداد خوشهها، تعداد مسیرها در یک خوشه و گین چندمسیرهی، مسیر ام و خوشهی ام میباشد. تاخیر خوشهی ام و تاخیر زمانی امین مسیر از خوشهی ام میباشند. دامنهی تضعیفشدگی به صورت زیر تعریف میشود:

که درآن علامت دامنهی تضعیفشدگی میباشد و مقادیر را با احتمال مساوی میپذیرد و برای در نظر گرفتن وارونه شدن سیگنال در اثر انعکاس، بکار گرفته میشود. تضعیفشدگی متناظر با خوشهی ام و تضعیفشدگی متناظر با مسیر ام خوشهی ام میباشند. پوش دامنهی تضعیفشدگی (مثلا ) دارای توزیع لگاریتمی نرمال با میانگین و واریانس میباشد که از مدل زیر برای نشان دادن آن استفاده میشود:

میانگین توان مسیر اول خوشهی اول میباشد. پارامترهای و به ترتیب ثابتهای تضعیف خوشه و مسیر میباشند. با توجه به این مدل، میانگین تضعیفشدگی کانال به صورت زیر بدست میآید:

که درآن میباشد. از آنجاییکه خوشهها و مسیرها با یک توزیع پوآسون به گیرنده میرسند، رسیدن بین خوشهها و مسیرها از توزیع نمایی زیر پیروی میکند [7] :

Unit CM3 CM1 Model Parameter
– NLOS LOS LOS/NLOS
M 4-10 0-4 TX-RX Separation
1/ns 0.0667 0.0233
1/ns 2.1 2.5
ns 14 7.1
ns 7.9 4.3
dB 3.3941 3.3941
dB 3.3941 3.3941
جدول2-1: پارامترهای مدل کانال IEEE UWBفصل سوم:شبکههای حسگر مکانیاب
مقدمهبه طور ساده و اصولی کلیه روشهای تشخیص و تخمین مکان هدف در فضاهای دو بعدی و سه بعدی مکانیابی نامیده میشوند.
دستهبندی سیستمهای مکانیاب:دستهبندی فناوریهای مکانیابی بر چندین اساس مختلف انجام میگردد. اولین و مهمترین نوع دستهبندی که معمولا از آن استفاده میشود، دستهبندی سیستمهای مکانیابی از نوع فاصلهیابی میباشد.
دستهی اول، سیستمهایی هستند که فاصلهیابی آنها بر اساس سیگنالهای رادیویی انجام میگیرد که به آنها سیستمهای مکانیاب بر پایهی فاصلهیابی گفته میشود.
دستهی دوم، سیستمهایی هستند که فاصلهیابی آنها با استفاده از نقشههای از پیش ثبت شده انجام میگیرد. این روشها شامل دو مرحله میباشند:
مرحلهی اول: ایجاد یک نقشه از محیط مورد نظر و ثبت مشخصات سیگنال در نقطه به نقطهی محیط تحت نظارت.
مرحلهی دوم: در این مرحله مکانیابی واقعی انجام شده و در هر نقطه از هدف با توجه به دریافت سیگنال براساس نقشه ثبتی موقعیت را تشخیص میدهد.
از جمله مشکلات استفاده از این روش ثبت اطلاعات با حجم بالا و پیچیدگی قدرت پردازش میباشد که عملا استفاده از این نوع سیستمها را در مناطق وسیع با دقت مناسب غیر ممکن میسازد.
از پرکاربردترین روشهایی که از این فناوری استفاده میکنند، روشهایی مبنی بر ثبت قدرت سیگنال و روشهایی مبتنی بر متوسط توان دریافتی سیگنال و متوسط تاخیر ناشی از پروفایل تاخیر میباشد.
به دلیل معایب عنوان شده، برای سیستمهای مبتنی بر ثبت مشخصات سیگنال و همچنین تنوع سیستمهای مکانیاب مبتنی بر فاصلهیابی از طریق سیگنالهای رادیویی، اینگونه سیستمها دارای کاربرد بیشتری هستند.
اینگونه سیستمهای مکانیاب مبتنی بر سیگنال، دارای چند نوع دستهبندی بوده و در ادامه فقط به این سیستمها پرداخته میشود که به اختصار منظور از سیستمهای مکانیاب، مکانیابهای مبتنی بر فاصلهیابی از طریق سیگنالهای رادیویی میباشد.
به لحاظ روش اندازهگیری فاصله برای مکانیابی، دستهبندی زیر انجام میگردد:
الف: استفاده از تاخیر زمان بین سیگنال ارسالی و دریافتی.
ب: استفاده از تاخیر زمان بین دو سیگنال ارسالی از یک گره مرجع زمانی وسایر گرههای مرجع.
ج: استفاده از زاویه رسیدن سیگنال.
د: استفاده از سیگنالهای گردشی.
جهت محاسبهی زمان رفت و برگشت سیگنال بین یک فرستنده و گیرنده به لحاظ نوع سیگنال فاصلهیاب دستهبندی زیر انجام میشود:
به دلیل عبور از موانع و نیز گذراندن مسافتهای طولانی بهترین و معمولترین سیگنالها که برای این هدف مناسب هستند، سیگنالهای رادیویی میباشند. سیگنالهای مادون قرمز ارتباطی ارزان و با توان پایین، نمونهای از این سیگنالها هستند. این سیگنالها بر خلاف سیگنالهای رادیویی قابلیت عبور از موانع را ندارند.
سیگنالهای نوری دارای توان مصرفی پایین بوده و نیاز به دید مستقیم دارند و همچنین در مقابل نورهای محیطی محافظت نشدهاند.
در میان انواع سیگنالها اعم از رادیویی و غیره، سیگنالهای فراپهنباند از جمله فناوریهای مناسب برای مکانیابی میباشند که در فصل دوم به آنها اشاره شد.
از دیگر معیارهای دستهبندی، تکنیکهای مکانیابی باز بودن یا بسته بودن فضای محل حضور گره هدف میباشد.
براساس این معیار، فضاهای باز میتوانند از سایر فناوریهای مکانیابی چون GPS نیز استفاده نمایند اما این در صورتی است که در فضاهای بسته این فناوریها کارآمد نبوده و نیاز به مکانیابهای دقیقتر احساس شود.
از دیگر معیارهای دستهبندی تکنیکهای مکانیاب میتوان به مرکزگرا بودن یا فعال و غیرفعال بودن تکنیکها اشاره نمود.
شبکههای حسگرتوزیع شبکههای حسگر نزدیک به 30 سال است که مطرح شده است. اما با پیشرفت ادوات نیمه هادی و ساخت ابزارهایی با مصرف توان کم، قدرت پردازش مناسب و هزینهی نسبتا” پایین تحقیقات در این زمینه رونقی تازه یافته است.
با توجه به پیشرفتهای اخیر اجزا الکترونیک، کاربردهای زیادی برای شبکههای حسگری تعریف شده است. این گونه کاربردها بر مبنای اهدافی چون شناسایی، مراقبت و کنترل بنا نهاده میشوند.
شبکههای حسگری مکانیاب مکان برخی حسگرها را که دارای موقعیت مشخصی نیستند بوسیله برخی حسگرها با مختصات معلوم تخمین می زنند که بر اساس یکی از روشهای اندازهگیری پارامترهای سیگنال دریافتی مانند توان یا زمان رسیدن سیگنال دریافتی صورت میگیرد. حسگرهایی که دارای مختصات معلوم در شبکه هستند، حسگرهای مرجع یا گرههای مرجع نامیده میشوند.
گرههای مرجع مختصات خود را معمولا با استفاده از سیستمهای GPS مییابند. در محیطهای بسته میتوان برای آنها مختصات تعریف نمود یا حسگرها را در مختصات معینی نصب کرد. البته محدودیتهای مصرف توان و سایر حسگرها نیز ممکن است اجازهی استفاده از GPS را در گرههای مرجع ندهد.
حسگرهایی که دارای مختصات مجهول هستند و باید بوسیلهی الگوریتمهای مکانیاب مکان آنها تخمین زده شود، گره های هدف میباشند. البته در بسیاری از کاربردها نیازی به داشتن گرههای مرجع نیست و مهم تعیین موقعیت حسگرها نسبت به یکدیگر است.
اولین مسئله در شبکههای مکانیاب اندازهگیری سیگنال رسیده از گرههای دیگر و استخراج پارامتر مربوط به فاصله است. مکان حسگر هدف بر مبنای یکی از روشهای اندازهگیری فاصله (در این کاربرد TOA ) به صورت زیر تخمین زده می شود:
y=hx+e
که y فاصله استخراج شده از سیگنال دریافتی و x مکان واقعی حسگر وe خطای حاصل از نویز است.
با استفاده از maximum likelihood که یک روش تخمین است سعی در مینیمم کردن خطا با داشتن توزیع آماری e میشود.
دستهبندی الگوریتمهای مکانیاب در شبکههای حسگر:بر اساس دیدگاه پردازش پارامترهای اندازهگیری شده بالا دو نوع الگوریتم وجود دارد. الگوریتمهای مرکزگرا و الگوریتمهای توزیع [10].
در الگوریتمهای مرکزگرا، تمام اطلاعات و پارامترهای اندازهگیری شده بوسیلهی حسگرها به یک مرکز با هستهی محاسباتی قوی ارسال میشوند. با توجه به اینکه در الگوریتمهای توزیع، گروهی از حسگرها موقعیت خود را مییابند[10] .
رویکرد اصلی در الگوریتمهای مرکزگرا به MDC ها، بهینهسازی آماری و برنامهریزیهای خطی منجر میشود. رویکرد اصلی الگوریتمهای توزیع شامل DV_HOP و DV_Distance ها میشود. این دو نوع الگوریتم میتوانند از جهات متفاوت مقایسه شوند.
دقت، پیچیدگی محاسباتی، بازدهی انرژی و پوشش از جمله معیارهای انتخاب یک الگوریتم است. الگوریتمهای توزیع از لحاظ پیچیدگی سادهتر و از لحاظ مصرف انرژی مناسبترند اما برای داشتن مانیتورینگ خوب نیاز به الگوریتمهای مرکزگرا میباشند. بنابراین این الگوریتمها در اکثر کاربردها مفیدترند.
احتمال خطا در انتشار، مشکل دیگری است که الگوریتمهای توزیع دارند و برای مقابله با آن باید از ارسال مکرر استفاده کنند که باعث تاخیر زیاد در این سیستمها میشود.
از طرفی طراحی الگوریتم مناسب از لحاظ دقت، برای این سیستمها به دلیل کمبود امکانات پردازشی مشکل است.
مهمترین نوع الگوریتمهای مرکزگرا الگوریتمهای MDS میباشند که بنا به کاربردهای مختلف دارای نسخههای متفاوتی هستند.
الگوریتم MDS
به طورکلی، تمام الگوریتمهای MDS ابتدا شامل کوتاهترین مسیر بین تمام گرههای شبکه به صورت دو به دو میباشند. بنابراین با داشتن کمترین پرشها بین دو گره به ازای تمام گرهها میتوان فاصله هر دو گره را پیدا کرد [10] .
در این صورت موقعیت گرهها با توجه به داشتن مکان گرههای مرجع با تکنیکهای تخمین تعیین میشود. این الگوریتم در مکانهایی که توزیع گرهها مرتب است مناسب میباشد. زیرا اگر چگالی گرهها مناسب باشد طول واقعی بین گرهها نزدیک به حاصلضرب تعداد پرشها در فاصلهی متوسط بین گرههاست.
الگوریتمهای زیادی بر مبنای هدف خاصی ارایه شدهاند. هیچ الگوریتمی به صورت خاص وجود ندارد که در همه دستهبندیها دارای کارایی بالا باشد.
هرکدام از این الگوریتمها بر مبنای هدف خاصی بکار گرفته میشوند. از این رو انتخاب الگوریتم مناسب برای کاربرد خاص از روی تجربه زیاد و البته هنر حاصل میشود. در میان الگوریتم مرکزگرا، الگوریتمهایی بر پایههای دقت، هزینه، توان مصرفی و پوشش در این تحقیق بکارگرفته میشوند.
به بیان دیگر، در این رویکردها باید نوعی مصالحه بین معیارها برقرار شود. مثلا افزایش دقت در برخی عملکردها منجر به افزایش تعداد حسگر و افزایش هزینه است. هدف اصلی این تکنیکها ایجاد یک پیکربندی فضایی در یک بعد، دو بعد یا سه بعد از نقاط میباشد.
در ابتدا کوتاهترین مسیر بین هر جفت حسگر در شبکه بدست میآید و از داشتن این تعداد پرشها میتوان فاصلهی هر دو حسگر را تخمین زد.
بنابراین یک ماتریس ساخته میشود که کلیه آرایههای آن متناظر مینیمم پرش یا مینیمم فاصله بین دو گره متناظر است.
الگوریتم MDS-MAP این الگوریتم نیز یکی از الگوریتمهای مرکزگرا و سادهترین الگوریتم در میان الگوریتمهای MDS میباشد [11] . مفهوم طراحی این الگوریتم ساده است. فرض شود قرار است n نقطه در یک حجم قرار داده شود و هیچ اطلاعاتی راجع به این نقاط وجود ندارد، غیر از اینکه بین هر جفت این نقاط فاصله معلوم است.
این الگوریتم با استفاده از قانون کسینوسها و جبر خطی این نقاط را بر مبنای فاصلههای داده شده در این حجم قرار میدهد.
این الگوریتم شامل چند مرحله است. درابتدا ماتریس فاصلهها تشکیل میشود. سپس به فرم استاندارد برای استفاده از الگوریتم در میآید و در نهایت نتیجه این الگوریتم به صورت مختصات در میآید.
البته این الگوریتم برای RSSI مناسب عمل میکند. به طور کلی این الگوریتم در کاربردهایی که تعداد حسگرهای همسایه از یازده بیشتر باشند مناسب است.
این الگوریتم از اندازهگیری فاصله با گرههای مرجع خوب استفاده نمیکند. بنابراین از نظر چگالی گرههای مرجع مناسبی نیست.
الگوریتم SDP
بسیاری از مکانیابیها براساس فاصله یا بر اساس ارتباط میتوانند به صورت یک مسئلهی بهینهسازی عنوان شده و با استفاده از روشهای برنامههای خطی یا simidefine حل شوند [12] .
Simidefine ها به طور کلی به شکل:
FX=F0+F1×X1+…+FN×XX
و مینیمم کردن CTX بر اساس محدودیتهای ماتریسی:
AX<B
FKT=FK
میباشند.
که در آن X=[X1,X2,X3,…XK] معرف مکان گرهها در دو بعد [x1,x2]=Xi میباشد.
در این الگوریتم محدودیتهای جغرافیایی بر روی حسگرها به شکل نامعادلههای ماتریسهای خطی برروی حسگرها اعمال میشوند.
متاسفانه تمام محدودیتهای جغرافیایی را نمیتوان به صورت ماتریسهای خطی بدست آورد.
تنها محدودیتهای هندسی که به فرم محدب هستند را میتوان با این ماتریسهای خطی نمایش داد. مثلا زاویه سیگنال رسیده از حسگرها را میتوان به شکل مثلثها یا وجود یک رابطه رادیویی را به شکل دایره مدل کرد.
ویژگی واقعی این الگوریتمها ظرافت آنهاست. به ازای مجموع محدودههای هندسی داده شده، SDP نقاط تقاطع آنها را به سادگی مییابد.
انواع روشهای فاصلهیابی
در سیستمهای مدرن مکانیابی همچنان از اطلاعات بدست آمده در رابطه با زمان رسیدن سیگنالها، اختلاف زمان رسیدن سیگنالها و زاویه رسیدن سیگنالها استفاده میشود. در ادامه به بررسی دقیق این روشها پرداخته میشود.
اگر یگ گیرنده بتواند سیگنال ارسالی یک فرستنده با مختصات معلوم را دریافت کند، از طریق استخراج پارامترهایی چون توان سیگنال دریافتی میتواند فاصله خود تا فرستنده را تخمین بزند.
به عبارت دیگر کلیه گیرندههای روی محیط دایره با مرکز فرستنده توان تقریبا یکسان دریافت میکنند زیرا فاصله آنها تا فرستنده یکسان است.
در شرایط ایدهآل که تمام اندازهگیریها بدون خطا انجام میشود، با تقاطع سه دایره حاصل از سه اندازهگیری، مکان هدف دقیقا نقطهی تقاطع سه دایره میشود.
البته در مورد زمان رسیدن سیگنال به گیرندههای همفاصله نیز میتوان به همین شکل در نظر گرفت.
به همین دلیل برای یافتن بدون ابهام مکان یک حسگر هدف، حداقل به سه حسگر با مختصات معین نیاز است.

شکل3SEQ شکل \* ARABIC \s 11:استفاده از سه گره برای مکانیابی
مکانیابی بر اساس قدرت سیگنال:
بنابراین مثلا در روش اندازهگیری فاصله با استفاده از قدرت دریافتی سیگنال توان سیگنال دریافتی به شکل زیر محاسبه میشود:
RSS=1/T0T⃓ r(t)⃓2
مینیمم دقتی که میتوان از این روش انتظار داشت در شکل زیر نشان داده شده است [13]. دقت شود، در شکل هر دو حالت اینکه دید مستقیم وجود دارد یا خیر نیز در نظر گرفته شده است.

شکل3SEQ شکل \* ARABIC \s 12 : منحنی تغییرات دقت بر حسب فاصله در روش RSSI
همانطور که در شکل نیز مشخص است با افزایش فاصله مینیمم، دقت نیز بیشتر میشود یا به عبارتی دقت بدتر میشود.
مکانیابی بر اساس زاویه رسیدن سیگنال:در مکانیابی با استفاده از زاویه رسیدن سیگنال رسیده همانطور که نشان داده شده است با استفاده از تاخیرهای متفاوتی که به هر آرایه آنتن میرسد زاویه محاسبه میشود.

شکل3-3: رسیدن جبهه موج به آرایهای از آنتنها
τi≈dc+lisinφ c
همانگونه که در شکل زیر مشخص است میتوان با حداقل دو گره این روش را پیاده سازی نمود.

شکل34: مکانیابی با استفاده از زاویه رسیدن سیگنال
باند پایین دقت برای استفاده از این روش به صورت زیر محاسبه میشود [14] :
σAOA>=c2N∆fcsinθSNR همانگونه که مشخص است باند پایین خطا به صورت معکوس با تعداد آرایه (N)، فرکانس(fc) ، سیگنال به نویز (SNR) وفاصله بین آرایهها (∆) متناسب است.
در شکل زیر منحنی تغییرات، مینیمم انحراف استاندارد این نوع اندازهگیریها نسبت به سیگنال به نویز به ازای مقادیر مختلف پهنای پالس نشان داده میشود. در این شکل که بر اساس تئوری رسم شده است فرض میشود چهار عدد آنتن آرایهای با توزیع یکنواخت با فاصلهی 5 سانتیمتر از یکدیگر قرار گرفتهاند. سیگنالینگ مورد استفاده فراپهنباند میباشد [15] .

شکل35: مینیمم انحراف استاندارد بر حسب نسبت سیگنال به نویز با استفاده از زمان رسیدن سیگنال با پهنای پالس متفاوت
مکانیابی بر اساس زمان رسیدن سیگنال:
روش دیگر بر اساس زمان رسیدن سیگنال در گیرنده کار میکند. به طوری که اگر همزمانی، بین گرههای مرجع و گره هدف وجود داشته باشد میتوان زمان پرواز سیگنال را پیدا کرده و با توجه به سرعت انتشار موج در آن محیط فاصله را استخراج نمود.
با پیشرفتهای اخیر، سیستمهای فراپهنباند هم از لحاظ سیگنالینگ و هم از لحاظ سخت افزار، دارای پتانسیلهای کافی برای استفاده در سیستمهای مکانیاب زمانی هستند [14] .
درحالت ساده برای تخمین زمان رسیدن فرض میشود که تنها منبع نویز، نویز گوسی بوده و سایر منابع ایجاد خطا مانند چند مسیره شدن سیگنال و غیره با شرط وجود همزمانی بین فرستنده و گیرنده وجود ندارد. بنابراین:
اگر سیگنال ارسالی p(t) باشد، سیگنال دریافتی با فرض کانال با نویز سفید گوسی به صورت زیر در میآید:
rt=Erpt-τ+nt
مسئله، پیداکردن بهترین تخمین از مقدارτ بر اساس سیگنال مشاهده شده است.
گیرنده و آشکارساز برای این سیستم با استفاده از تخمینگر ML به صورت زیر پیادهسازی میگردد.
مینیمم انحراف استاندارد در این نوع روش اندازهگیری نسبت به سیگنال به


بهینه¬سازی جایگذاری گره¬ها در محیط¬های مختلف برای شبکه¬های حسگر فراپهن¬باند مکان¬یاب پایان نامه ها
قیمت: 11200 تومان

این نوشته در پایان نامه ها ارسال شده است. افزودن پیوند یکتا به علاقه‌مندی‌ها.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *