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

دانشكده مهندسي برق و كامپيوتر
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
دكتر شاپور گلبهار حقيقي
دكتر عباس عليقنبري
شهریور 1390
236855847090
به‌نام خدا
اظهارنامه
اينجانب ابوالفضل تاجمیرریاحی (870876) دانشجوي رشته‌ي برق- مخابرات گرايش سيستم دانشكده‌ي برق و كامپيوتر اظهار مي‌دارم اين پايان‌نامه حاصل پژوهش اینجانب بوده و در مواردی كه از منابع ديگران استفاده نمودهام، نشاني دقيق و مشخصات كامل آن را ثبت کردهام. همچنين اظهار مي‌دارم كه پايان‌نامه و موضوع آن تكراري نيست و تعهد مي‌نمايم كه بدون مجوز دانشگاه دستاوردهاي آن را منتشر ننمایم و در اختيار غير قرار ندهم. كليه‌ي حقوق اين اثر مطابق با آيين‌نامه‌ي مالكيت فكري و معنوي، متعلق به دانشگاه شيراز است.
ابوالفضل تاجمیرریاحی
به نام خدا
بهینهسازی جایگذاری گرهها در محیطهای مختلف برای شبکههای حسگر فراپهن
باند مکانیاب
به كوشش
ابوالفضل تاجمیرریاحی
پايان نامه
ارایه شده به تحصيلات تكميلي دانشگاه شيراز به عنوان بخشي
از فعاليت‌هاي تحصيلي لازم براي اخذ درجه كارشناسي ارشد
در رشته‌ي:
مهندسی برق و کامپیوتر-مخابرات سیستم
از دانشگاه شيراز
جمهوري اسلامي ايران
ارزيابي كميته‌ي پايان نامه، با درجه‌ي: ……………………….
دكتر (رئيس كميته )……………..
دكتر……………….
دكتر……………….
سپاسگزاری
اکنون که اين پایان نامه به پايان رسيده است بر خود لازم می‌دانم که از استاد ارجمندم آقایان دکتر علیرضا کشاورز حداد به خاطر زحمات بی‌بديل و راهنمايي‌های گران‌قدرشان که هميشه پرفايده 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: نتيجهگيري وپيشنهادات 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

Author:

دیدگاهتان را بنویسید

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