–38

دانشگاه صنعتی شیراز دانشکده مهندسی کامپیوتر و فناوری اطلاعات گروه فناوری اطلاعات
پایان نامه کارشناسی ارشددر رشته مهندسی فناوری اطلاعات گرایش شبکههای کامپیوتری
ارائه یک روش جدید برای مکانیابی و همزمانسازی توامان در شبکههای حسگر بیسیم زیر آب
نگارش:زهرا موسوی
استاد راهنما:دکتر رضا جاویدان
استاد مشاور:
مهندس محمدرفیع خوارزمی
دی 1393

بسمه تعالیارائه یک روش جدید برای مکانیابی و همزمانسازی توامان در شبکههای حسگر بیسیم زیر آب
پایان نامه ارائه شده به عنوان بخشی از فعالیتهای تحصیلینگارش: زهرا موسویبرای اخذ درجه کارشناسی ارشددانشکده مهندسی کامپیوتر و فناوری اطلاعاتدانشگاه صنعتی شیراز
ارزیابی پایان نامه توسط هیات داوران با درجه: عالیدکتر رضا جاویدان استادیار در رشته مهندسی فناوری اطلاعات (استاد راهنما )………………..
مهندس محمدرفیع خوارزمی مربی در رشته مهندسی فناوری اطلاعات (استاد مشاور)……..
دکتر منیژه کشتگری استادیار در رشته مهندسی فناوری اطلاعات (داور)……………………………
_____________________________________________________
مدیر امور آموزشی و تحصیلات تکمیلی دانشگاه:
-7048522161500
حق چاپ محفوظ و مخصوص به دانشگاه صنعتی شیراز است.
تأییدیه‌ی صحت و اصالت نتایجاینجانب زهرا موسوی دانشجوی رشته شبکههای کامپیوتری مقطع تحصیلی کارشناسی ارشد به شماره دانشجویی 91214005 تأیید می نماید کلیه نتایج این پایان نامه/رساله، بدون هیچگونه دخل و تصرف ، حاصل مستقیم پژوهش صورت گرفته توسط اینجانب است. در مورد اقتباس مستقیم و غیر مستقیم از سایر آثار علمی، اعم از کتاب، مقاله، پایان نامه با رعایت امانت و اخلاق علمی، مشخصات کامل منبع مذکور درج شده است.
در صورت اثبات خلاف مندرجات فوق، به تشخیص مقامات ذی صلاح دانشگاه صنعتی شیراز، مطابق قوانین و مقررات مربوط و آئین نامه های آموزشی، پژوهشی و انضباطی عمل خواهد شد و اینجانب حق هرگونه اعتراض و تجدیدنظر را، نسبت به رأی صادره، از خود ساقط می کند. همچنین، هرگونه مسئولیت ناشی از تخلف نسبت به صحت و اصالت نتایج مندرج در پایان نامه/رساله در برابر اشخاص ذی نفع (اعم از حقیقی و حقوقی) و مراجع ذی صلاح (اعم از اداری و قضایی) متوجه اینجانب خواهد بود و دانشگاه صنعتی شیراز هیچ گونه مسئولیتی دراین زمینه نخواهند داشت.
تبصره 1- کلیه حقوق مادی این اثر متعلق به دانشگاه صنعتی شیراز است.تبصره 2- اینجانب تعهد می نماید بدون اخذ مجوز از دانشگاه صنعتی شیراز دستاوردهای این پایان نامه/ رساله را منتشر نکند و یا در اختیار دیگران قرار ندهد.
نام و نام خانوادگی دانشجو تاریخ و امضاء
مجوز بهره‌برداری از پایان‌نامهکلیه حقوق مادی و معنوی مترتب بر نتایج پایان نامه متعلق به دانشگاه و انتشار نتایج نیز تابع مقرارت دانشگاهی است و با موافقت استاد راهنما به شرح زیر، بلامانع است:
بهره‌برداری از این پایان‌نامه/ رساله برای همگان بلامانع است.
بهره‌برداری از این پایان‌نامه/ رساله با اخذ مجوز از استاد راهنما، بلامانع است.
بهره‌برداری از این پایان‌نامه/ رساله تا تاریخ ……………………………… ممنوع است.
نام استاد یا اساتید راهنما:
دکتر رضا جاویدان
تاریخ:
امضا:
تشکر و قدردانی:اکنون که این رساله به پایان رسیده است برخود فرض می دانم که از استاد ارجمند جناب آقای دکتر رضا جاویدان که راهنمایی این پروژه را برعهده گرفتند و از هیچ همکاری دریغ نکردند و همچنین از جناب آقای مهندس کاووسی که راهنماییهای ارزشمند خود را از اینجانب دریغ نداشتند، صمیمانه تشکر نمایم. توفیق روزافزون این عزیزان را از خداوند متعال خواستارم.
چکیدهارائه یک روش جدید برای مکانیابی و همزمانسازی توامان در شبکههای حسگر بیسیم زیر آبنگارش:زهرا موسویمکانیابی و همزمانسازی از عناصر کلیدی در بسیاری از برنامههای کاربردی ارتباطی زیرآب هستند که علیرغم وابستگی بسیار، معمولا جدا از هم عمل میکنند. اما از آنجا که سرویسهای همزمانسازی پیشنیاز الگوریتمهای مکانیابی هستند و اطلاعات در رابطه با مکان حسگرها برای تخمین تاخیر انتشار مورد استفاده قرار میگیرند، مکانیابی و همزمانسازی را میتوان در کنار هم انجام داد. از مزایای این روش میتوان به صرفه جویی قابل توجه در مصرف انرژی که ناشی از کاهش تعداد مبادلات پیام میباشد اشاره کرد.
در این پایاننامه یک روش جدید ترتیبی شامل پنج فاز تعیین موقعیت اولیه، تدریجی کردن حرکت حسگر، تخمین انحراف ساعت و اریب زمانسنجی، جبران اثر لایهبندی و مکانیابی همراه با پالایش تکرار، برای انجام همزمانسازی و مکانیابی توامان در شبکههای حسگر بیسیم زیرآب ارائه شده است. در این روش علاوه بر در نظر گرفتن حرکت حسگرها، عدم حرکت امواج صوتی زیرآب در یک مسیر مستقیم و تغییرسرعت انتشار این امواج در عمقهای مختلف در نظر گرفته شده است. روش پیشنهادی در این پایان نامه با نرمافزار مطلب شبیه سازی شده و نتایج با یک روش معیار مناسب و همچنین مرز پایین کرامر رائو مقایسه شدهاند. نتایج نشان میدهند که روش ارائه شده دارای کارایی نزدیک به کران پایین کرامر رائو میباشد و نسبت به روش معیار، بهتر عمل میکند. قابل به ذکر است که روش پیشنهادی نسبت به روشهای پیشین بار محاسباتی بیشتری را به شبکه اعمال میکند و مناسب جهت کاربردهایی میباشد که به دست آوردن اطلاعات دقیق نسبت به مصرف انرژی از اهمیت بیشتری برخوردار باشد.
واژه‌های کلیدی: شبکههای حسگر بیسیم زیرآب، مکانیابی، همزمانسازی.
فهرست مطالبTOC o “1-3” h z u
1. فصل اول: کلیات PAGEREF _Toc412288884 h 11-1- مقدمه PAGEREF _Toc412288885 h 21-2- تعریف مساله، هدف و ضرورت اجرای طرح پایان نامه PAGEREF _Toc412288886 h 41-3- روش ها و فنون اجرایی طرح پایان نامه PAGEREF _Toc412288887 h 51-4- ساختار فصل بندی پایان نامه PAGEREF _Toc412288888 h 62. فصل دوم: مروری بر ادبیات تحقیق PAGEREF _Toc412288889 h 72-1- مقدمه PAGEREF _Toc412288890 h 82-2-آشنایی با شبکه های حسگر بی سیم زیرآب PAGEREF _Toc412288891 h 82-2-1- اجزای شبکه های حسگر بی سیم زیرآب PAGEREF _Toc412288892 h 102-2-2- معماری های مختلف شبکه های حسگر بی سیم زیرآب PAGEREF _Toc412288893 h 112-2-3- چالش های شبکه های حسگر بی سیم زیرآب PAGEREF _Toc412288894 h 142-2-4- همزمان سازی ساعت در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب PAGEREF _Toc412288895 h 152-2-5- مکان یابی در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب PAGEREF _Toc412288896 h 192-3- تخمینگر حداقل مربعات PAGEREF _Toc412288897 h 262-4- مرز پایین کرامر رائو PAGEREF _Toc412288898 h 283. فصل سوم: مروری بر تحقیقات اخیر انجام شده PAGEREF _Toc412288899 h 323-1- شبکه های حسگر بی سیم PAGEREF _Toc412288900 h 333-1-1- مکان یابی PAGEREF _Toc412288901 h 333-1-2- همزمان سازی PAGEREF _Toc412288902 h 343-1-3- مکان یابی و همزمان سازی به صورت همزمان PAGEREF _Toc412288903 h 353-2- شبکه های حسگر بی سیم زیرآب PAGEREF _Toc412288904 h 373-2-1- مکان یابی PAGEREF _Toc412288905 h 373-2-2- همزمان سازی PAGEREF _Toc412288906 h 393-2-3- مکان یابی و همزمان سازی به صورت همزمان PAGEREF _Toc412288907 h 404. فصل چهارم: روش پیشنهادی PAGEREF _Toc412288908 h 434-1- مقدمه PAGEREF _Toc412288909 h 444-2- روش پیشنهادی برای انجام همزمان سازی و مکان یابی توامان PAGEREF _Toc412288910 h 444- 2- 1- تنظیمات سیستم و فرضیات PAGEREF _Toc412288911 h 474-2-2- فاز اول: مکان یابی اولیه با استفاده از تکنیک TOA PAGEREF _Toc412288912 h 494-2-3- فاز دوم: تدریجی کردن حرکت حسگرها PAGEREF _Toc412288913 h 504-2-4- فاز سوم: تخمین اریب زمان سنجی و انحراف PAGEREF _Toc412288914 h 514-2-5- فاز چهارم: جبران اثر لایه بندی PAGEREF _Toc412288915 h 524-2-6- فاز پنجم: مکان یابی همراه با پالایش تکرار PAGEREF _Toc412288916 h 554-2-7- به کار گیری مرز پایین کرامر رائو برای روش پیشنهاد شده PAGEREF _Toc412288917 h 585. فصل پنجم: شبیه سازی و ارزیابی نتایج PAGEREF _Toc412288918 h 595-1- مقدمه PAGEREF _Toc412288919 h 605-2- پارامترها، متریک ها و روش تحلیل PAGEREF _Toc412288920 h 605-3- طراحی آزمایش PAGEREF _Toc412288921 h 615-4- شبیه سازی و تحلیل نتایج PAGEREF _Toc412288922 h 616. فصل ششم: خلاصه، نتیجه گیری و پیشنهادات آتی PAGEREF _Toc412288923 h 706-1- خلاصه PAGEREF _Toc412288924 h 716-2- نتیجه گیری PAGEREF _Toc412288925 h 736-3- نوآوری روش ارائه شده PAGEREF _Toc412288926 h 746-4- پیشنهادها PAGEREF _Toc412288927 h 74مراجع PAGEREF _Toc412288928 h 76پیوست ها PAGEREF _Toc412288930 h 80
فهرست شکل‌ها TOC f F t “زیرنویس شکل” c شکل 2-1 نمونهای از حسگرهای بیسیم زیرآب PAGEREF _Toc404981838 h 10
شکل 2-2 نمونههایی از AUV PAGEREF _Toc404981839 h 11
شکل 2-3 معماری دو بعدی در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب PAGEREF _Toc404981840 h 12
شکل 2-4 معماری سه بعدی در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب PAGEREF _Toc404981841 h 14
شکل 2-5 مبادله پیام یکطرفه جهت همزمانسازی ساعت PAGEREF _Toc404981842 h 18
شکل 2-6 مبادله پیام دو طرفه جهت همزمانسازی ساعت PAGEREF _Toc404981843 h 18
شکل 2-7 تخمین فاصله به روش TOA PAGEREF _Toc404981844 h 20
شکل 2-8 تخمین فاصله به روش TDOA PAGEREF _Toc404981845 h 21
شکل 2-9 محاسبه موقعیت به روش DV-Hop PAGEREF _Toc404981846 h 25
شکل 3-1 دستهبندی روشهای مکانیابی PAGEREF _Toc404981847 h 34
شکل 4-1 نمودار گردش کار الگوریتم پیشنهاد شده PAGEREF _Toc404981849 h 46
شکل 4-2 اثر لایهبندی در شبکههای حسگر بیسیم زیرآب PAGEREF _Toc404981850 h 54
شکل 5-1 Perr برای واریانس خطای TOA (1/σ2) PAGEREF _Toc404981851 h 64
شکل 5-2 میانگین مربعات خطای انحراف ساعت در برابر واریانس خطای TOA (1/σ² ) PAGEREF _Toc404981852 h 65
شکل 5-3 میانگین مربعات خطای اریب زمانسنجی در برابر واریانس خطای TOA (1/σ² ) PAGEREF _Toc404981853 h 67
شکل 5-4 Perrدر برابر تعداد نودهای مرجع با واریانس خطای TOA، db45 = 1/σ² PAGEREF _Toc404981854 h 67
شکل 5-5 Perrدر برابر تعداد تکرارهای شبیهسازی PAGEREF _Toc404981855 h 68

فهرست جدول‌ها TOC f T h z t “بالانویس جدول” c “جدول” جدول 5-1 بازه اطمینان 95 درصدی برای Perr PAGEREF _Toc404982108 h 65جدول 5-2 بازه اطمینان 95 درصدی برای انحراف ساعت PAGEREF _Toc404982109 h 66فهرست نشانه‌های اختصاریd˜i,iʹ خودبرآورد مربوط به مسافت بین موقعیت مکانی ji و jiʹ
ji مختصات دو بعدی مربوط به حسگر معمولی
L تعداد حسگر های مرجع
N تعداد بستههای انتقال یافته در مدت زمان پنجره مکانیابی
Ol انحراف
pi مختصات دو بعدی مربوط به Lمین حسگر مرجع
Ri زمان محلی دریافت iمین بسته ] ثانیه[
Sl اریب زمانسنجی حسگر معمولی در ارتباط با Lمین حسگر مرجع
Ti زمان محلی ارسال i مین بسته ] ثانیه[
tl ساعت محلی مربوط به مرجع L
Tpdi تاخیر انتشار مربوط به i مین بسته ] ثانیه[
W مدت زمان پنجره مکانیابی.
Δ حد آستانه برای تدریجی کردن موقعیت مکانی ]متر[
σ2 وا یانس مربوط به خطای اندازهگیری TOA
ςli نسبت بین Tpdi و تاخیر انتشار واقعی مربوط به بسته i
ѱ˜i,iʹ خودبرآورد مربوط به زاویه بین موقعیت مکانی ji و jiʹ ]رادیان[
فهرست کلمات اختصاری

ALS Area Localization Schema
AOA Angle Of Arrival
AUV Autonomous Underwater Vehicle
CRLB Cramer Rao Lower Bound
DV Distance Vector
FTSP Flooding Time Synchronization Protocol
GTLS Generalized Total Least Squares
IMM Interactive Multiple Model
LOS Line-Of-Sight
MAC Medium Access Control
ML Maximum Likelihood
MSE Mean Square Error
RMSE Root Mean Square Error
SVP Sound Velocity Profile
TDMA Time Division Multiple Access
TDOA Time Difference Of Arrivals
TLS Total Least Squares
TOA Time Of Arrival
UWSNs Underwater Wireless Sensor Networks

فصل اول: کلیات مقدمه با گسترش روزافزون ابزارهای هوشمند کوچک وبا همگرا شدن ارتباطات بیسیم با ابزارهای ریز، امکان پدید آمدن شبکههای کمهزینه و در ابعاد مختلف فراهم شده است، شبکههایی که بتوانند اطلاعات محیطی را برای انسان جمعآوری کنند، شبکههایی که بدون زیرساخت و به سرعت برقرار شده و بتوانند خود را سازماندهی کنند و نیازی به انرژی خارجی نداشته باشند. مهمترین این شبکهها، شبکههای حسگر بیسیم میباشند و هر روزه کاربردها و استفادههای جدیدی در زمینه امور نظامی و غیر نظامی برای این نوع از شبکهها ارائه میشوند و مورد استفاده قرار میگیرند.
شبکه های حسگر بیسیم زیرآب گونه ای از شبکه های حسگر هستند که در محیط زیر آب قرار میگیرند و توسط امواج صوتی با یکدیگر ارتباط دارند. شبکه های حسگر بیسیم در زیرآب برای مقاصدی چون جمع آوری داده های کف آب، نظارت بر آلودگی آبها، نظارت بر محیط ساحل، ناوبری و کاربردهای نظامی نظارت بر محیط به کار برده می شوند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Manjula</Author><Year>February, 2011</Year><RecNum>41</RecNum><DisplayText>[1]</DisplayText><record><rec-number>41</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2″>41</key></foreign-keys><ref-type name=”Journal Article”>17</ref-type><contributors><authors><author>R. Manjula</author><author>S. Manvi </author></authors></contributors><titles><title>Issues in underwater acoustic sensor networks</title><secondary-title>International Journal of Computer and Electrical Engineering</secondary-title></titles><periodical><full-title>International Journal of Computer and Electrical Engineering</full-title></periodical><volume>3, no.1</volume><dates><year>February, 2011</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[1].
از آنجا که که در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب، رسانه انتقال آب است، چالشها و مشکلات خاص خود را دارد که طراحی شبکه را تحت تاثیر قرار میدهند، از جمله این چالشها میتوان به تغییر سرعت صوت با توجه به عمق، دما و شوری آب، تحرک دائمی حسگرها، تاخیر انتشار طولانی و چندمسیری را نام برد. بنابراین پروتکلها و پروتکلها و الگوریتمهای لایههای شبکههای حسگر زمینی برای شبکههای حسگرزیر آب نامناسبند.
تاکنون پروتکلها و الگوریتمهای زیادی به خصوص در زمینه مسیریابی و در زمینه کنترل دسترسی به رسانه از جمله Slotted FAMA ,UWAN-MACو… مطرح شده است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Molins</Author><Year>May 2006</Year><RecNum>42</RecNum><DisplayText>[2]</DisplayText><record><rec-number>42</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2″>42</key></foreign-keys><ref-type name=”Conference Paper”>47</ref-type><contributors><authors><author>M. Molins</author><author>M. Stojanovic</author></authors></contributors><titles><title>FAMA: a MAC protocol for underwater acoustic networks</title><secondary-title>in Proceedings of the IEEE Oceans Conference</secondary-title></titles><dates><year>May 2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[2] ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Xie</Author><Year>Aug 2007</Year><RecNum>43</RecNum><DisplayText>[3]</DisplayText><record><rec-number>43</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2″>43</key></foreign-keys><ref-type name=”Conference Proceedings”>10</ref-type><contributors><authors><author>P. Xie</author><author>J.-H. Cui</author></authors></contributors><titles><title>R-MAC: An energy-efficient MAC protocol for underwater sensor networks</title><secondary-title>Proceedings of International Conference on Wireless Algorithms, Sys–s and Applications (WASA)</secondary-title></titles><pages>187-198</pages><dates><year>Aug 2007</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[3] ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Park</Author><Year>Jul 2007</Year><RecNum>44</RecNum><DisplayText>[4]</DisplayText><record><rec-number>44</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2″>44</key></foreign-keys><ref-type name=”Journal Article”>17</ref-type><contributors><authors><author>M. K. Park</author><author>V. Rodoplu</author></authors></contributors><titles><title>UWAN-MAC: An energy-efficient MAC protocol for underwater acoustic wireless sensor networks</title><secondary-title>IEEE Journal of Oceanic Engineering</secondary-title></titles><periodical><full-title>IEEE Journal of Oceanic Engineering</full-title></periodical><pages>710-720</pages><volume>32, no. 3</volume><dates><year>Jul 2007</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[4] که در همه آنها مساله مکانیابی و همزمانسازی حسگرها از اهمیت ویژهای برخوردار است، برای مثال دسترسی چندگانه به وسیله تقسیم زمان (TDMA) از مواردی است که بطور رایج در پروتکلهای دسترسی به رسانه(MAC) استفاده میشود که به همزمانی دقیق میان حسگرها نیازمند است. به عنوان مثالی دیگر از اهمیت همزمانسازی و مکانیابی میتوان به این نکته اشاره کرد که تعداد زیادی از الگوریتمهای مسیریابی به اطلاعات مکانی حسگرها وابسته هستند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>P. Xie</Author><Year>May 2006</Year><RecNum>4</RecNum><DisplayText>[5]</DisplayText><record><rec-number>4</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2″>4</key></foreign-keys><ref-type name=”Journal Article”>17</ref-type><contributors><authors><author>P. Xie</author><author>L. Lao</author><author>J.-H. Cui</author></authors></contributors><titles><title>VBF: vector-based forwarding protocol for underwater sensor networks,</title><secondary-title>in To appear in Proceedings of IFIP Networking</secondary-title></titles><periodical><full-title>in To appear in Proceedings of IFIP Networking</full-title></periodical><dates><year>May 2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[5] و ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>H. Yan</Author><Year>May 2008</Year><RecNum>5</RecNum><DisplayText>[6]</DisplayText><record><rec-number>5</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2″>5</key></foreign-keys><ref-type name=”Journal Article”>17</ref-type><contributors><authors><author>H. Yan</author><author> Z. Shi</author><author>J.-H. Cui</author></authors></contributors><titles><title>DBR: depth-based routing for underwater sensor networks</title><secondary-title>Proceedings of IFIP Networking</secondary-title></titles><periodical><full-title>Proceedings of IFIP Networking</full-title></periodical><dates><year>May 2008</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[6].
اگرچه سرویسهای همزمانسازی و مکانیابی به هم وابسته هستند، معمولا به صورت مستقل مورد مطالعه قرار گرفتهاند و این به این دلیل است که مکانیابی از نقطه نظر شبکههای رادیویی و پردازش سیگنال ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Patwari</Author><Year>Jul. 2005</Year><RecNum>9</RecNum><DisplayText>[7]</DisplayText><record><rec-number>9</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2″>9</key></foreign-keys><ref-type name=”Journal Article”>17</ref-type><contributors><authors><author>N. Patwari</author><author>A. O. Hero</author><author>III, J. Ash</author><author>R. L. Moses</author><author>S. Kyperountas</author><author>N. S. Correa</author></authors></contributors><titles><title>Locating the nodes: Cooperative localization in wireless sensor networks</title><secondary-title>IEEE Signal Process. Mag</secondary-title></titles><periodical><full-title>IEEE Signal Process. Mag</full-title></periodical><pages> 54–69</pages><volume>22, no. 4</volume><dates><year>Jul. 2005</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[7] و همزمانسازی از نقطهنظر طراحی پروتکل مورد بررسی قرار گرفته اند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Sundararaman</Author><Year>May 2005</Year><RecNum>8</RecNum><DisplayText>[8]</DisplayText><record><rec-number>8</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2″>8</key></foreign-keys><ref-type name=”Journal Article”>17</ref-type><contributors><authors><author>B. Sundararaman</author><author>U. Buy</author><author>A. Kshemkalyani</author></authors></contributors><titles><title>Clock synchroniza-tion for wireless sensor networks: A survey</title><secondary-title>Ad Hoc Netw</secondary-title></titles><periodical><full-title>Ad Hoc Netw</full-title></periodical><pages>281–323</pages><volume>3, no.3</volume><dates><year>May 2005</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[8]. در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب، مکانیابی بیشتر از طریق زمان دریافت (TOA) و زمان متفاوت دریافت (TDOA) انجام میشود که وابسته به سرویسهای همزمانسازی هستند و در واقع این سرویسها پیشنیاز الگوریتمهای مکانیابی هستند. از طرف دیگر اطلاعات در رابطه با مکان حسگرها چون برای تخمین تاخیر انتشار مورد استفاده قرار میگیرد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Teymorian</Author><Year>Dec 2009</Year><RecNum>47</RecNum><DisplayText>[9]</DisplayText><record><rec-number>47</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2″>47</key></foreign-keys><ref-type name=”Journal Article”>17</ref-type><contributors><authors><author>Teymorian, A.Y</author><author>Wei Cheng</author><author>Liran Ma</author><author>Xiuzhen Cheng</author></authors></contributors><titles><title>3D Underwater Sensor Network Localization</title><secondary-title>Mobile Computing, IEEE Transactions on </secondary-title></titles><periodical><full-title>Mobile Computing, IEEE Transactions on</full-title></periodical><pages>1610-1612</pages><volume>8</volume><number>12</number><dates><year>Dec 2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[9]، کمک فراوانی به همزمانسازی حسگرها میکند. با توجه به این ارتباطات، مکانیابی و همزمانسازی را میتوان در کنار هم انجام داد که انجام این کار دو مزیت بسیار مهم دارد:
در یک استراتژی توامان از آنجا تعداد کمتری مبادلات پیام لازم است، صرفه جویی قابل توجهی در مصرف انرژی که از موارد بسیار مهم در شبکههای حسگری زیر آب میباشد خواهیم داشت.
یک راهحل توامان میتواند به افزایش صحت در هر دو سرویس کمک کند.
پس با توجه به اهمیت مکانیابی و همزمانسازی که پیشنیاز اکثر پروتکلها و الگوریتمها میباشد و از نیازهای اساسی در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب است ضرورت دارد که به این دو موضوع پرداخته شود اما از آنجا که این دو سرویس به یکدیگر وابسته هستند، ارائه یک راهحل که این دو سرویس را با در نظر گرفتن چالشهای خاص محیط زیرآب، درکنار یکدیگر انجام دهد از اهمیت ویژهای برخوردار میباشد.
تعریف مساله، هدف و ضرورت اجرای طرح پایاننامهکاربردهای شبکههای حسگر زیر آب شامل مانیتورینگ اقیانوس و دریا، جستجوی معادن زیردریایی، کشف مواد شیمیایی و بیولوژیکی مضر، سیستمهای پدافند زیردریایی خودمختار، جمعآوری دادههای محیطی برای راهنمایی کشتیها و… میباشند که همه این کاربردها نیاز به دانستن موقعیت نودهای حسگر دارند، ولی به دلیل ماهیت متحرک بودن نودهای زیردریایی، نمیتوان از تکنیکهای مکانیابی موجود برای شبکههای حسگر زمینی استفاده نمود. لذا نیاز به تکنیکهایی است که بتوان تکنیکهای مکانیابی شبکههای حسگر زمینی را برای شبکههای حسگر زیردریایی توسعه داد.
همزمانسازی نیز یکی از نیازمندیهای اصلی برای سرویسهایی است که توسط شبکههای توزیع شده فراهم میشوند، تعداد زیادی از پروتکلهای همزمانی برای شبکههای حسگر بیسیم مطرح شدهاند، اما هیچ کدام از آنها نمیتوانند به صورت مستقیم برای شبکههای زیرآب به کار برده شوند، یک الگوریتم همزمانی باید فاکتورهای دیگری همچون مدت زمان تاخیر طولانی که ناشی از استفاده از ارتباطات صوتی میباشد و تحرک حسگرها را نیز در نظر بگیرد. این چالشها صحت رویه همزمانی را برای شبکههای حسگر بیسیم زیردریایی بحرانیتر میکند، بنابراین راهحلهای همزمانی مورد نیاز است که به طور خاص برای شبکههای بیسیم زیردریایی طراحی شده باشند تا بتوانند این نیازمندیها را برطرف سازند.
با توجه به موضوعات مطرح شده در بالا و ضرورت در نظر گرفتن آنها در شبکههای حسگر بیسیم زیردریایی و با توجه به درنظر گرفتن محیط زیرآب که دارای چالشهای خاص خود میباشد، هدف از انجام این پایاننامه، مطالعه جنبههای مختلف، ویژگیها و چالشهای محیط زیرآب و شبکههای حسگر بیسیم زیرآب و در نهایت، ارائه یک روش است که مکانیابی و همزمانسازی حسگرهای زیرآب را به صورت توامان انجام دهد و درعین حال محدودیتهای موجود در محیط زیرآب را مدنظر قرار دهد.
برای نشان دادن کارایی روش ارائه شده از شبیهساز مطلب استفاده خواهد شد و تکنیک ارائه شده با تکنیکهایی که قبلا ارائه شدهاند مقایسه میشود.
روشها و فنون اجرایی طرح پایاننامهدر این پایاننامه ابتدا مطالبی در رابطه با شبکههای حسگر بیسیم زیرآب مطرح خواهد شد و پروتکلهای مطرح شده درآن جمعآوری میشوند. سپس تکنیکهای مکانیابی و همزمانسازی در شبکههای حسگر مورد مطالعه و بررسی قرار خواهند گرفت و با در نظر گرفتن چالشهای موجود در محیط زیرآب که مهمترین آنها تحرک نودها و تاخیر انتشار طولانی ناشی از ارتباط از طریق صوت میباشد، روشی ارائه میشود که در کنار مکانیابی، همزمانی نودها را نیز انجام میدهد.
روش پیشنهادی به این صورت میباشد که در مرحله اول، یک رویه ترتیبی شامل پنج فاز مکانیابی اولیه با استفاده از تکنیک TOA، تدریجی کردن حرکت حسگرها، تخمین اریب زمانسنجی وانحراف ، جبران اثر لایهبندیو مکانیابی همراه با پالایش تکرار، به کار برده میشود که هدف از چهار فاز اول به دست آوردن تاخیر انتشار میباشد و سپس با استفاده از تکنیک حداقل مربعات در فاز پنجم، موقعیت مکانی حسگر تخمین زده میشود و در نهایت از محاسبه واریانس خطای موقعیت در تکرارهای مختلف استفاده میشود تا واریانس خطا به مقداری قابل قبول رسیده و نتایج حاصل از تعیین موقعیت قابل استناد باشد. در این روش، تحرک حسگر ها، چند مسیری بودن انتشار امواج صوتی، عدم انتشار امواج در خط مستقیم و تغیر سرعت صوت در عمقهای مختلف نیز در نظر گرفته میشود و علاوه براین فرض میشود که هیچکدام از حسگرها با یکدیگر همزمان نیستند. در نظر گرفتن این موارد باعث میشود تا روش ارائه شده در شرایط مختلف مانند اینکه حسگرها ثابت باشند یا تحرک داشته باشند، عمق آب کم باشد یا زیاد، کارایی داشته باشد.
در مرحله دوم پایاننامه کارایی روش ارائه شده بررسی خواهد شد، به این صورت که روش مطرح شده با در نظر گرفتن معیارهایی همچون خطای تعیین موقعیت، خطای انحراف زمانی، خطای اریب زمانسنجی، تعداد حسگرهای مرجع و تعداد تکرار، با آخرین الگوریتم ارائه شده تحت عنوان STSL که در سال 2013 مطرح شده است مقایسه میشود. همچنین خطای محاسبات با توجه به تعداد تکرارهای برنامه محاسبه و نشان داده میشود. روش مطرح شده بعد از تعداد اندکی تکرار به مقداری پایدار خواهد رسید. علاوه براین مرز پایین کرامر رائو (CRLB) برای شبکه های حسگر بی سیم زیرآب فرمولبندی خواهد شد. نتایج حاکی از آن است که روش مطرح شده از نظر کارایی بهتر از روش STSL و بسیار نزدیک به مرز پایین کرامر رائو میباشد. قابل به ذکر است که تمام شبیهسازیها در محیط نرمافزار مطلب انجام شده است.
ساختار فصلبندی پایاننامهاین پایاننامه شامل شش فصل میباشد. در فصل دوم شبکه های حسگر بی سیم زیرآب به صورت خلاصه معرفی خواهد شد، فصل سوم به مروری بر تحقیقات اخیر انجام شده اختصاص دارد که روشهایی که تا کنون به همزمانسازی و مکانیابی پرداختهاند مورد بررسی و مقایسه قرار میگیرند. در فصل چهارم به تشریح روش پیشنهادی پرداخته میشود. فصل پنجم اختصاص به شبیهسازی و ارزیابی نتایج آن دارد و در نهایت فصل ششم اختصاص به نتیجهگیری کلی و ارائه راهکارهای آتی دارد.
فصل دوم: مروری بر ادبیات تحقیق مقدمهتکنولوژی صوتی زیرآب و برقراری ارتباط در زیر آب از جمله شاخههای علمی میباشد که قدمتی در حدود پانصد سال دارد، در واقع کشف داوینچی نقطه آغازی در دانش صوتی میباشد. پس از آن تحقیقات زیادی توسط دانشمندان متعدد در این زمینه صورت گرفت. تا این که در اوایل قرن بیستم اولین کاربرد علمی صوتی زیرآب به کار گرفته شد. این کاربرد یک زنگ زیرآبی بود که توسط کشتیها برای دریانوردی ساحلی به کار گرفته میشد. چندی بعد شخصی به نام ریچاردسون روشی را برای فاصلهیابی در زیرآب با استفاده از امواج صوتی مطرح کرده است.
تحقیقات در این زمینه تا به امروز ادامه دارد و امروزه استفاده از ارتباطات صوتی زیرآب در کاربردهایی همچون فاصلهیابی در زیرآب، ناوبری، نظارت بر محیط زیرآب، نظامی و اکتشافات زیرآبی بسیار مرسوم است. در ادامه به طور مختصر شبکه های حسگر بی سیم زیرآب و امواج صوتی معرفی خواهند شد.
آشنایی با شبکه های حسگر بی سیم زیرآبشبکه های حسگر بی سیم زیرآب گونهای از شبکههای حسگر هستند که در محیط زیرآب قرار میگیرند و توسط امواج صوتی با یکدیگر ارتباط دارند. شبکه های حسگر بی سیم زیرآب برای مقاصدی چون جمع آوری دادههای کف آب، نظارت بر آلودگی آبها، نظارت بر محیط ساحل، ناوبری و کاربردهای نظامی نظارت بر محیط به کار برده میشوند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Manjula</Author><Year>February 2011</Year><RecNum>24</RecNum><DisplayText>[10]</DisplayText><record><rec-number>24</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2″>24</key></foreign-keys><ref-type name=”Journal Article”>17</ref-type><contributors><authors><author>R. Manjula</author><author>S. Manvi</author></authors></contributors><titles><title>Issues in underwater acoustic sensor networks</title><secondary-title>International Journal of Computer and Electrical Engineering</secondary-title></titles><periodical><full-title>International Journal of Computer and Electrical Engineering</full-title></periodical><volume>3</volume><dates><year>February 2011</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[10].
رسانه ارتباطی در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب، آب است و برای برقراری ارتباط مخابراتی در زیر آب به طور کلی دو روش وجود دارد، روش اول برقراری ارتباط به وسیله ارسال سیگنالهای الکترومغناطیس با استفاده از کابل است که این روش دارای محدودیتهایی است و فقط در مواردی خاص از این روش استفاده میشود، برخی از این محدودیتها به شرح زیر میباشند:
نیاز به کابل و تجهیزات خاص برای محیط زیرآب
امکان قطعی کابلها، به دلیل عبور کشتیها و زیردریاییها
حرکتناپذیر بودن وسایل مخابراتی
مدیریت و پیکربندی مشکل و قابلیت انعطاف پایین
به دلیل وجود محدودیتهای ذکر شده معمولا از این روش در محیط زیرآب استفاده نمیشود.
روش دوم که جایگزینی برای این روش است استقاده از ارتباطات بیسیم است. برقراری ارتباط بیسیم از سه راه امکانپذیر است:
امواج الکترومغناطیس
این امواج به شدت در محیط زیرآب جذب میشوند و به دلیل تضعیف بالا در صورت استفاده از این امواج در فرکانسهای بالا بردی در حد چند سانتیمتر خواهند داشت بنابراین برای ارسال به فواصل دور به آنتنهایی که طول آنها چندین هزار متر است نیاز میباشد. بنابراین استفاده از این امواج در محیط زیرآب فقط برای فواصل بسیار کوتاه توصیه میشود.
امواج نوری
این امواج دارای پهنای باند در حد چندین مگابیت در ثانیه در محیط زیرآب هستند ولی دارای پراکندگی و جذب بالا در آبهای غیر شفاف هستند، از طرفی در صورت استفاده از این امواج، فرستنده و گیرنده، نیازمند دقت بالا در تنظیم امواج باریک لیزر هستند و در صورتی که یکی از آنها قادر به تنظیم دقیق نباشند به صورت موفق ارسال و دریافت نخواهند داشت. لذا از این امواج جز در موارد خاص در محیط زیرآب استفاده نمیشود.
امواج صوتی
این امواج در آب قابلیت شنیده شدن را دارند و در واقع در آب بسیار موثرتر از هوا عمل میکند. امواج صوتی علیرغم داشتن برخی محدودیتها شامل سرعت انتشار، پهنای باند و باند فرکانسی بسیار پایینتر از امواج الکترومغناطیس و امواج نوری، نیازمند آنتنهای با طول کوتاه، به اندازه 0.1 متر میباشد و دارای برد موثر در حد چند کیلومتر است به همین علت، بهتر از امواج الکترومغناطیس و امواج نوری در ارتباطات زیرآب عمل میکند اما استفاده از این امواج، محدودیتها و چالشهایی را در طراحی پروتکلها و الگوریتمهای شبکههای زیرآب ایجاد میکند.
در ادامه به بررسی اجزای شبکه های حسگر بی سیم زیرآب میپردازیم.
اجزای شبکه های حسگر بی سیم زیرآبدر یک شبکه حسگر بیسیم زیرآب معمولا از تجهیزات زیر استفاده میشود:
گره حسگر بیسیم زیرآب: نوعی حسگر است که امواج صوتی را دریافت، پردازش و ارسال میکند، برای دریافت امواج صوتی از میکروفن زیرآب و برای ارسال از بلندگوی زیرآب استفاده میکند. عملیات تبدیل سیگنال صوتی به سیگنال الکتریکی و بالعکس را مودم صوتی زیرآب که در این حسگرها تعبیه شده است انجام میدهد. شکل 2-1 نمونهای از این حسگرها را نشان میدهد.

نمونهای از حسگرهای بیسیم زیرآب ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>رضا</Author><Year>1392</Year><RecNum>59</RecNum><DisplayText>[11]</DisplayText><record><rec-number>59</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2″>59</key></foreign-keys><ref-type name=”Book”>6</ref-type><contributors><authors><author><style face=”normal” font=”default” charset=”178″ size=”100%”>محمدی رضا</style></author><author><style face=”normal” font=”default” charset=”178″ size=”100%”>جاویدان رضا</style></author><author><style face=”normal” font=”default” charset=”178″ size=”100%”>کشتگری منیژه</style></author></authors></contributors><titles><title><style face=”normal” font=”default” charset=”178″ size=”100%”>اصول طراحی شبکه های حسگر بی سیم زیرآب</style></title></titles><section><style face=”normal” font=”default” charset=”178″ size=”100%”>217-206</style></section><dates><year><style face=”normal” font=”default” charset=”178″ size=”100%”>1392</style></year></dates><publisher><style face=”normal” font=”default” charset=”178″ size=”100%”>انشارات همارا</style></publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[11]
انتقالدهنده زیرآب مستقل (AUV): AUVها در زیرآب متحرک هستند و دادههای حسگرها را جمعآوری میکنند، البته این AUVها راه دور قابل کنترل هستند و میتوان آنها را به سوی مکانهایی که تراکم بیشتری دارند هدایت نمود. میتوان با استفاده از تکنیکهای هوش مصنوعی حرکت AUVها را هوشمند نمود تا بدون نیاز به دخالت و کنترل انسان به کار خود ادامه دهند. شکل 2-2 نمونهای از این AUV ها را نشان میدهد.

نمونههایی از AUV ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>رضا</Author><Year>1392</Year><RecNum>59</RecNum><DisplayText>[11]</DisplayText><record><rec-number>59</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2″>59</key></foreign-keys><ref-type name=”Book”>6</ref-type><contributors><authors><author><style face=”normal” font=”default” charset=”178″ size=”100%”>محمدی رضا</style></author><author><style face=”normal” font=”default” charset=”178″ size=”100%”>جاویدان رضا</style></author><author><style face=”normal” font=”default” charset=”178″ size=”100%”>کشتگری منیژه</style></author></authors></contributors><titles><title><style face=”normal” font=”default” charset=”178″ size=”100%”>اصول طراحی شبکه های حسگر بی سیم زیرآب</style></title></titles><section><style face=”normal” font=”default” charset=”178″ size=”100%”>217-206</style></section><dates><year><style face=”normal” font=”default” charset=”178″ size=”100%”>1392</style></year></dates><publisher><style face=”normal” font=”default” charset=”178″ size=”100%”>انشارات همارا</style></publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[11]
معماریهای مختلف شبکههای حسگر بیسیم زیرآبنحوه پیادهسازی و چگونگی ارتباط حسگرها در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب به صورت مستقیم بر کارایی این شبکهها تاثیر دارد. در این قسمت به این موضوع میپردازیم.
معماری دو بعدی
در این نوع از شبکهها مجموعهای از گرهها که معلق نیستند و به کف اقیانوس متصل هستند به صورت بیسیم با گذرگاههای زیرآب ارتباط دارند، این گذرگاهها که نقش گره سینک را بازی میکنند اطلاعات و دادههای کف اقیانوس را جمعآوری و به ایستگاه مستقر در سطح ارسال میکنند. برای انجام عمل دریافت از حسگرها و ارسال به گره مستقر در سطح، این گذرگاههای زیرآب مجهز به دو نوع گیرنده فرستنده صوتی هستند که گیرنده فرستنده عمودی/افقی نام دارد. از فرستنده صوتی افقی برای ارتباط با گرههای حسگر، جهت ارسال فرامین و دادههای پیکربندی به حسگرها و جمعآوری دادههای آنها استفاده میشود. فرستنده عمودی نیز برای ارسال اطلاعات و دریافت فرامین از ایستگاه مستقر در سطح آب به کار میرود. ایستگاه مستقر در سطح نیز مجهز به یک گیرنده فرستنده صوتی است که میتواند چندین ارتباط موازی را با گذرگاههای زیرآب داشته باشد. علاوه بر این ایستگاه مستقر در سطح، با داشتن گیرنده و فرستنده امواج رادیویی با ایستگاه ساحلی ارتباط دارد.
همانطور که در شکل 2-3 ملاحظه میشود به منظور مدیریت بهتر و مصرف انرژی بهینه و استفاده بهینه از پهنای باند، مجموعهای از چندین گره در یک خوشه قرار میگیرند. مزیت این نوع معماری، پیادهسازی و معماری ساده آن میباشد، اما بزرگترین مشکل این نوع از معماری این است که فقط قادر به درک اتفاقات کف اقیانوس و نزدیک به آن میباشد.

معماری دو بعدی در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>M.Ayaz</Author><Year>2009</Year><RecNum>26</RecNum><DisplayText>[12]</DisplayText><record><rec-number>26</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2″>26</key></foreign-keys><ref-type name=”Journal Article”>17</ref-type><contributors><authors><author>M.Ayaz</author><author>A. Abdullah</author></authors></contributors><titles><title>Underwater Wireless Sensor Networks: Routing Issues and Future Challenges</title><secondary-title>MoMM2009, Kuala Lumpur, Malaysia</secondary-title></titles><periodical><full-title>MoMM2009, Kuala Lumpur, Malaysia</full-title></periodical><pages>14–16</pages><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[12]
معماری سهبعدی
در این نوع توپولوژی گره ها در کف و یا سطح آب قرار نمیگیرند، بلکه در عمق خاصی از سطح آب قرار میگیرند و ضعفهای توپولوژی قبلی را تا حدی کاهش می دهند. گرههای حسگر به کف اقیانوس الصاق میشوند و توسط پمپهای خاصی در عمق مورد نظر قرار میگیرند. این پمپها گرهها را به سمت سطح آب هدایت میکنند. عمق مورد نظر توسط کابل متصل به حسگر و کف دریا تعیین میشود. ممکن است گرههای حسگر از سطح دریا آویزان شوند و در عمق مورد نظر قرار گیرند. اما در این روش ممکن است توسط کشتیها و شناورهای عبوری آسیب ببیند و یا این که تشخیص داده شوند.
در این نوع توپولوژی، دادههای جمعآوری شده توسط یک گره، به گره بعدی ارسال میشود تا به کمک مسیریابی چندگامی به گره مستقر در سطح آب برسد و از آنجا به ماهواره و یا ایستگاه ساحلی مخابره شود و در ساحل مورد پردازش قرار گیرد. مهمترین مزیت این نوع توپولوژی، امکان بررسی اشیاء در حال حرکت در آب است و نسبت به توپولوژی قبلی دادههای دقیقتری را در اختیار میگذارد. این توپولوژی نسبت به توپولوژی قبلی پیچیدگی مدیریتی بیشتری دارد و توان بیشتری نیز مصرف میکند. شکل 2-4 این معماری را نشان میدهد.
در هر دو توپولوژی اشاره شده، رسانه ارتباطی تا سطح دریا، آب است و داده ها تا سطح دریا توسط امواج صوتی منتقل میشوند. گره مستقر در سطح دریا توسط امواج الکترومغناطیس، داده ها را به ماهواره مخابره میکند.

معماری سه بعدی در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>M.Ayaz</Author><Year>2009</Year><RecNum>26</RecNum><DisplayText>[12]</DisplayText><record><rec-number>26</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2″>26</key></foreign-keys><ref-type name=”Journal Article”>17</ref-type><contributors><authors><author>M.Ayaz</author><author>A. Abdullah</author></authors></contributors><titles><title>Underwater Wireless Sensor Networks: Routing Issues and Future Challenges</title><secondary-title>MoMM2009, Kuala Lumpur, Malaysia</secondary-title></titles><periodical><full-title>MoMM2009, Kuala Lumpur, Malaysia</full-title></periodical><pages>14–16</pages><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[12]
چالشهای شبکه های حسگر بی سیم زیرآبشبکه های حسگر بی سیم زیرآب چالشها و مشکلات خاص خود را دارند که طراحی شبکه را تحت تاثیر قرار میدهند، مهمترین چالشهایی که در رابطه با طراحی شبکه های حسگر بی سیم زیر آب وجود دارند عبارتند از ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>J.H.Cui</Author><Year>2006</Year><RecNum>45</RecNum><DisplayText>[13]</DisplayText><record><rec-number>45</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2″>45</key></foreign-keys><ref-type name=”Journal Article”>17</ref-type><contributors><authors><author>J.H.Cui</author><author>J. Kong</author><author>M. Gerla</author><author>S. Zhou</author></authors></contributors><titles><title>Challenges: Building scalable mobile underwater wireless sensor networks for aquatic applications</title><secondary-title>IEEE Network, Special Issue on Wireless Sensor Networking</secondary-title></titles><periodical><full-title>IEEE Network, Special Issue on Wireless Sensor Networking</full-title></periodical><pages>12-18</pages><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[13] ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Akyildiz</Author><Year>2005</Year><RecNum>46</RecNum><DisplayText>[14]</DisplayText><record><rec-number>46</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2″>46</key></foreign-keys><ref-type name=”Journal Article”>17</ref-type><contributors><authors><author>I. F. Akyildiz</author><author>D. Pompili</author><author>T. Melodia</author></authors></contributors><titles><title>Underwater acoustic sensor networks: Research challenges</title><secondary-title>Ad Hoc Networks</secondary-title></titles><periodical><full-title>Ad Hoc Networks</full-title></periodical><pages>257-279</pages><dates><year>2005</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[14]:
سرعت انتشار پایین امواج صوتی که منجر به تاخیر انتشارهای طولانی در ارتباطات بین حسگرها میشود.
به علت استفاده از باتری، منبع تغذیه محدود است.
به علت قرار گرفتن در محیط زیر آب و وجود املاح در آب دریا، گره های حسگر به مرور فرسوده میشوند.
وجود نرخ خطای بیتی بالا که حاصل وجود نویز در محیط دریاست.
پهنای باند موجود محدود است و با افزایش فاصله بین دو گره، پهنای باند نیز کاهش مییابد.
به علت وجود پدیده های شکست و چند مسیری ارتباطات زیر آب در معرض خراب شدن قرار میگیرند.
گرههای حسگر زیرآب باید دارای خاصیت خود مدیریتی باشند و بتوانند با گره های دیگر هماهنگی و همکاری داشته باشند، علاوه بر این شبکه های حسگر بیسیم باید دارای این قابلیت باشند که در صورت خراب شدن و یا ورود یک گره جدید بتوانند خود را با شرایط پیش آمده وفق دهند.
به منظور افزایش طول عمر شبکه، هر گره باید مدیریت توان داشته باشد و بتواند توان مصرفی خود را به طور بهینه کنترل نماید ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Manjula</Author><Year>February 2011</Year><RecNum>24</RecNum><DisplayText>[10]</DisplayText><record><rec-number>24</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2″>24</key></foreign-keys><ref-type name=”Journal Article”>17</ref-type><contributors><authors><author>R. Manjula</author><author>S. Manvi</author></authors></contributors><titles><title>Issues in underwater acoustic sensor networks</title><secondary-title>International Journal of Computer and Electrical Engineering</secondary-title></titles><periodical><full-title>International Journal of Computer and Electrical Engineering</full-title></periodical><volume>3</volume><dates><year>February 2011</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[10].
گرهها باید از موقعیت فعلی خود آگاه باشند و بدانند که در چه فاصلهای از گرههای همسایه خود و گره مقصد قرار دارند. به این مکانیابی گفته میشود.
برای هماهنگی گرهها با یکدیگر و ارسال به موقع دادههای جمع آوری شده، گرههای بیسیم زیرآب میبایست از لحاظ زمانی با یکدیگر همزمان باشند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Manjula</Author><Year>February 2011</Year><RecNum>24</RecNum><DisplayText>[10]</DisplayText><record><rec-number>24</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2″>24</key></foreign-keys><ref-type name=”Journal Article”>17</ref-type><contributors><authors><author>R. Manjula</author><author>S. Manvi</author></authors></contributors><titles><title>Issues in underwater acoustic sensor networks</title><secondary-title>International Journal of Computer and Electrical Engineering</secondary-title></titles><periodical><full-title>International Journal of Computer and Electrical Engineering</full-title></periodical><volume>3</volume><dates><year>February 2011</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[10].
همزمانسازی ساعت در شبکههای حسگر بیسیم زیرآبدر سیستمهای توزیع شده نظیر شبکههای حسگر، هر گره دارای ساعت محلی خود میباشد. در شبکههای حسگر، همزمانسازی ساعت از مسائل مهمی است که جهت تشخیص و شناسایی رابطه علی رخدادهای جهان فیزیکی به کار میرود. همزمان بودن ساعت شبکههای حسگر به حذف دادههای جمعآوری شده زائد و افزونه و تسهیل در انجام وظایف گرهها کمک میکند. علاوه براین توانایی همزمانسازی گرهها در شبکههای حسگر عامل بسیار مهمی برای مصرف کارای انرژی و انتقال موفق دادههاست.
در ادامه این قسمت به بررسی مفهوم همزمانسازی و ضرورت آن در شبکههای حسگر بیسیم زیرآب پرداخته میشود.
ساعت و مساله همزمانسازی
ساعت یک شبکه حسگر بر پایه یک اسیلاتور سختافزاری عمل میکند. یک کلاک شامل یک اسیلاتور از جنس کوآرتز و یک شمارنده است که در هر نوسان کریستال کوارتز، مقدار آن یک واحد کاهش مییابد. هنگامی که شمارنده به صفر برسد یک وقفه تولید شده و مقدار اولیه، دوباره در شمارنده قرار میگیرد. هر وقفه تولید شده که به تیک کلاک معروف است، یک واحد به کلاک نرمافزاری که توسط سیستم عامل و یا سایر برنامهها مورد استفاده قرار میگیرد میافزاید. در واقع هنگامی که اشاره به زمان محلی یک گره حسگر میشود، مقصود همان کلاک یا ساعت نرمافزاری است. معمولا در رابطه با مفهوم ساعت و همزمانسازی تعاریف زیر مطرح میشوند:
انحراف ساعت: به اختلاف ساعت دو گره حسگر گفته میشود.
اریب زمانسنجی: به اختلاف در فرکانس دو کلاک گفته میشود. معمولا این اختلاف به صورت بخش در میلیون (ppm) بیان میشود.
اختلاف در ساعت گرهها از دو عامل ناشی میشود و بستگی به میزان انحراف کلاکها و میزان اریب زمانسنجی آنها دارد. اختلاف در انحراف کلاک گرهها به دلیل این است که همه گرهها در یک زمان شروع به کار نمیکنند و یا این که ممکن است گرهی به دلیل خرابی و بهبود مجدد از لحاظ انحراف کلاک با سایر گرهها تفاوت داشته باشد. اختلاف در میزان اریب زمانسنجی کلاکها نیز به دلیل وجود رطوبت، دما، و فشاری است که در محیط وجود دارد و کریستال کوآرتز را تحت تاثیر قرار میدهدو باعث میشود که کلاکهای گرهها از لحاظ فرکانس با هم اختلاف داشته باشند. قابل به ذکر است که خطای انحراف به مرور زمان زیاد نمیشود ولی خطای اریب زمانسنجی رفته رفته بیشتر میشود.
با توجه به مطالب بالا میتوان گفت همزمانسازی ساعت فرایندی است که گرهها سعی میکنند تا جایی که ممکن است از لحاظ ساعت با یکدیگر برابر باشند. همزمانسازی به دو صورت خارجی و داخلی بیان میشود. همزمانسازی خارجی روشی است که در آن گرهها ساعت خود را با یک منبع خارجی به نام کلاک مرجع همزمان میکنند. در مقابل، همزمانسازی ساعت داخلی روشی است که گرهها سعی میکنند بدون وجود یک کلاک مرجع ساعت خود را با یکدیگر همزمان کنند.
همزمانسازی در برنامههای کاربردی از شبکههای حسگر که در آنها نیاز به نگاشت دقیق دادههای جمعآوری شده از حسگرها با زمان دقیق اتفاق افتادن رویدادهاست، بسیار مهم میباشد و همچنین نقش اساسی را مدیریت کردن انرژی در پروتکلهای لایه کنترل دسترسی به رسانه دارد و در شبکههای حسگر بیسیم به یکی از سه مورد زیر اطلاق میشود:
ترتیب نسبی: در این روش فقط ترتیب رویدادها و یا پیامها حفظ میشود و ساعتها همزمان نمیشوند.
تنظیم زمان نسبی: در این روش هر حسگر اطلاعات در رابطه با راندگی و انحراف خود با حسگر های همسایه را نگهداری میکند و با حسگر های همسایه خود همزمان میشود.
همزمانسازی عمومی: در این روش مقیاس زمانی عمومی وجود دارد و همه حسگر های شبکه با این مقیاس عمومی همزمان میشوند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Kaur</Author><Year>Sep–ber 2013</Year><RecNum>32</RecNum><DisplayText>[15]</DisplayText><record><rec-number>32</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2″>32</key></foreign-keys><ref-type name=”Journal Article”>17</ref-type><contributors><authors><author>Baljinder Kaur</author><author>Amandeep Kaur </author></authors></contributors><titles><title>A Survey of Time Synchronization Protocols for Wireless Sensor Networks</title><secondary-title>International Journal of Computer Science and Mobile Computing ( IJCSMC )</secondary-title></titles><periodical><full-title>International Journal of Computer Science and Mobile Computing ( IJCSMC )</full-title></periodical><pages>100 – 106</pages><volume>2</volume><dates><year>Sep–ber 2013</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[15].
روشهای مبادله پیام در الگوریتمهای همزمانسازی
فرایند همزمانسازی بر پایه مبادله پیام بین گرههای حسگر میباشد. بسیاری از الگوریتمهای همزمانسازی بر پایه همزمانی دو گره صورت میگیرد و با تکرار آن در طول شبکه با کل گرهها به صورت دو به دو همزمان میشوند. در ادامه به بررسی مهمترین روشهای مبادله پیام جهت همزمانسازی میپردازیم.
مبادله پیام یکطرفه
سادهترین روش مبادله پیام در همزمانی دو گره، استفاده از مبادله پیام یک طرفه است. در این روش که در شکل 2- 5 مشاهده میشود گره i پیامی را مهر زمانی t1 به گره j ارسال میکند. گره j با دریافت این پیام در زمان t2 آن را ثبت میکند.
11195052362201 t
D
Node i
Node j
001 t
D
Node i
Node j

19894558699500279400059055time
00time
19894558699500
2400935469902 t
002 t
283845064770time
00time
29381459525000
مبادله پیام یکطرفه جهت همزمانسازی ساعت ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>A John Wiley and Sons</Author><Year>2010</Year><RecNum>60</RecNum><DisplayText>[16]</DisplayText><record><rec-number>60</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2″>60</key></foreign-keys><ref-type name=”Book”>6</ref-type><contributors><authors><author>A John Wiley and Sons, Ltd., Publication</author></authors></contributors><titles><title>Fundamentals of Wireless Sensor Networks Theory ND practice</title></titles><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[16]
اختلاف بین دو زمان، میزان انحراف O بین گره i و j را مشخص میکند. بنابراین داریم:
D + O = (t2 – t1)
که D میزان تاخیر انتشار ناشناخته است. این مقدار معمولا ثابت و قراردادی است. این روش بسیار ساده است و سربار کمی دارد اما به دلیل تاخیر انتشار متغیر و طولانی برای محیط زیرآب نامناسب است.
مبادله پیام دو طرفه
برای دستیابی به نتایج دقیقتر معمولا پروتکلهای همزمانسازی از مبادله دو پیام بهره میگیرند. این روش در شکل 2- 6 نشان داده شده است.
12712702901953 t
1 t
Node i
003 t
1 t
Node i

192151014033500320040013906500
27228803340104 t
004 t
2268220341630t 2
00t 2

130746530480Node j
00Node j
2784475201295002400935191770001789430229870D
00D
178943017208500
261747024765D
00D

t2 = t1+ D +O
t4 = t3+ D +O
مبادله پیام دو طرفه جهت همزمانسازی ساعت ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>A John Wiley and Sons</Author><Year>2010</Year><RecNum>60</RecNum><DisplayText>[16]</DisplayText><record><rec-number>60</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2″>60</key></foreign-keys><ref-type name=”Book”>6</ref-type><contributors><authors><author>A John Wiley and Sons, Ltd., Publication</author></authors></contributors><titles><title>Fundamentals of Wireless Sensor Networks Theory ND practice</title></titles><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[16]
مشابه شکل، گره j پس از دریافت پیام اول با مهر زمانی t1 در زمان t2 آن را ثبت کرده و یک پیام با مهر زمان [t1, t2, t3] به گره i ارسال میکند. گره i با دریافت این پیام در زمان t4 قادر به محاسبه زمان خود میباشد و میتواند با گره j همزمان شود. نحوه محاسبه تاخیر و انحراف به صورت زیر است.
D = [(t2 – t1) + (t4 – t3)] / 2
O = [(t2 – t1) – (t4 – t3)] / 2
فرمولها فوق با فرض مساوی بودن میزان تاخیر انتشار در دو طرف ارتباط و عدم وجود اریب زمانسنجی در کلاکها میباشند. پس از محاسبه مقدار انحراف در گره i، گره i میتواند این مقدار را در پیام سومی به گره j اطلاع دهد.
مکانیابی در شبکههای حسگر بیسیم زیرآبدر شبکههای حسگر بیسیم زیر آب، دادههای جمعآوری شده توسط گرههای حسگر با توجه به موقعیت آنها تفسیر و پردازش میشوند. به عنوان مثال، گزارش وقوع یک رخداد، ردگیری یک شیئ متحرک یا پایش و نظارت بر شرایط فیزیکی یک منطقه، از جمله کاربردهایی هستند که موقعیت و مختصات پدیده مورد نظر بسیار حیاتی است. عدم آگاهی از موقعیت یک حسگر، سبب بلا استفاده شدن دادههای جمعآوری شده توسط آن حسگر میگردد. بنابراین در شبکههای حسگر زیرآب، تعیین موقعیت یک گره حسگر بسیار مهم است. در شبکههای حسگر، به فرایند تخمین موقعیت یا مختصات یک گره و یا گروهی از گرههای حسگر، مکانیابی گفته میشود.
موقعیت یک حسگر میتواند به صورت محلی و یا سراسری بیان شود. در روش سراسری، همانند GPS، موقعیت دقیق حسگر مد نظر است. اما در روش محلی، موقعیت نسبی یک گره حسگر نسبت به سایر گرهها مطرح است. به علت محدودیتهایی که در شبکههای حسگر وجود دارد برای همه گرهها مقدور نیست تا موقعیت سراسری خود را بدانند. بنابراین فقط تعداد کمی از گرهها وجود دارند که موقعیت و مختصات سراسری خود را میدانند، به این نوع از گرهها، حسگر مرجع گفته میشود و به تکنیکهای تعیین موقعیتی که از حسگرهای مرجع بهره میگیرند، تعیین موقعیت مبتنی بر حسگر مرجع میگویند. در تکنیکهای تعیین موقعیت مبتنی بر حسگر مرجع، سایر گرهها میتوانند مختصات و موقعیت خود را به کمک حسگرهای مرجع تخمین بزنند. یکی از مهمترین مسائل در این تکنیکها، تعیین فاصله یک گره تا حسگر مرجع است. در ادامه، تکنیکهای فاصلهیابی بیان و سپس تکنیکهای مختلف تعیین موقعیت در شبکههای حسگر زیرآب تشریح خواهد شد.
تکنیکهای فاصلهیابی
پایه بسیاری از تکنیکهای تعیین موقعیت، بر اساس تخمین فاصله بین دو گره حسگر است. تخمین فاصله به یکی از چهار روش زیر انجام میشود:
تخمین فاصله بر اساس زمان ورود سیگنال (TOA)
این روش بر اساس سرعت انتشار سیگنال، فاصله بین فرستنده و گیرنده را تخمین میزند. به عنوان مثال سرعت انتشار سیگنال بین فرستنده وگیرنده در محیط زیر آب تقریبا 1500 متر بر ثانیه است که میتوان زمان بین ارسال و دریافت سیگنال را در این عدد ضرب نمود و فاصله تقریبی را به دست آورد. این روش به دو صورت یکطرفه و دوطرفه قابل انجام است. شکل 2- 7 انجام این روش را نشان میدهد.

تخمین فاصله به روش TOA ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>A John Wiley and Sons</Author><Year>2010</Year><RecNum>60</RecNum><DisplayText>[16]</DisplayText><record><rec-number>60</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2″>60</key></foreign-keys><ref-type name=”Book”>6</ref-type><contributors><authors><author>A John Wiley and Sons, Ltd., Publication</author></authors></contributors><titles><title>Fundamentals of Wireless Sensor Networks Theory ND practice</title></titles><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[16]
در روش یکطرفه که در شکل 2- 7 مورد (a) نشان داده شده است مسافت بین گره i و گره j به صورت زیر محاسبه میشود:

که سرعت سیگنال میباشد. در روش یکطرفه نیاز است تا فرستنده وگیرنده بسیار دقیق و همزمان باشند. در روش دوطرفه که در شکل 2- 7 مورد (b) نشان داده شده است زمان رفت و برگشت سیگنال در سمت فرستنده محاسبه میشود و فاصله بین فرستنده تا گیرنده به صورت زیر محاسبه میشود:
تخمین فاصله بر اساس اختلاف زمان ورود سیگنال (TDOA)
در این روش از دو سیگنال با سرعت متفاوت استفاده میشود و گره گیرنده همانند روش TOA فاصله خود را تا گره فرستنده تخمین میزند. شکل 2- 8 نحوه عملکرد این روش را نشان میدهد. به عنوان مثال گره فرستنده میتواند در ارسال اول خود از سیگنال رادیویی و در ارسال دوم خود از سیگنال صوتی استفاده کند.

تخمین فاصله به روش TDOA ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>A John Wiley and Sons</Author><Year>2010</Year><RecNum>60</RecNum><DisplayText>[16]</DisplayText><record><rec-number>60</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2″>60</key></foreign-keys><ref-type name=”Book”>6</ref-type><contributors><authors><author>A John Wiley and Sons, Ltd., Publication</author></authors></contributors><titles><title>Fundamentals of Wireless Sensor Networks Theory ND practice</title></titles><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[16]
گره گیرنده با دریافت دو سیگنال میتواند فاصله خود تا گره فرستنده را به کمک رابطه زیر محاسبه کند:
که t3 = t1 + twait و و به ترتیب سرعت سیگنال اول و سیگنال دوم میباشند. مزیت این روش عدم نیاز به همزمانی دو گره و عیب آن نیاز به سختافزار اضافی جهت ارسال دو سیگنال متفاوت است.
تخمین فاصله بر اساس زاویه ورود سیگنال(AOA)
در این روش با استفاده از چندین آنتن و یا میکروفن و با استفاده از اندازهگیری زاویه بین جهت انتشار سیگنال و تعدادی جهت مرجع عمل میکند. اختلاف زمان ورود، دامنه یا فاز برای محاسبه زاویه به کار میرود. با محاسبه تاخیر دریافت و یا اختلاف فاز، قدرت یا دامنه سیگنال میتوان فاصله تا گره فرستنده را تخمین زد. این روش به علت نیاز به سختافزار اضافی، هزینه و اندازه گرهها را افزایش میدهد.
سیستم‌های بر اساس توان سیگنال دریافتی(RSS)
اساس این روش بر این است که سیگنال ارسالی در طول مسیر بین فرستنده و گیرنده از لحاظ توان تضعیف میشود. در این روش از یک قطعه سختافزاری که قادر به اندازهگیری دامنه سیگنال ورودی است استفاده میشود. در این روش از رابطه زیر برای تخمین فاصله استفاده میشود.

که میزان بهره آنتن ارسالی و میزان بهره آنتن دریافتی و طول موج سیگنال و R فاصله بین فرستنده و گیرنده است.
روشهای تعیین موقعیت در شبکههای حسگر بیسم زیرآب
روشها و تکنیکهای تعیین موقعیت در شبکههای حسگر زیر آب که مبتنی بر وجود حسگر مرجع هستند، به دو دسته کلی مبتنی بر فاصله و غیر فاصلهای تقسیم میشوند. در ادامه به بررسی ویژگیها و مسائل مرتبط با هر یک از روشها خواهیم پرداخت.
تعیین موقعیت مبتنی بر فاصله
روشهای تعیین موقعیت مبتنی بر فاصله، از اندازهگیری فاصله برای تخمین موقعیت استفاده میکنند. این روشها از تکنیکهای TOA، TDOA، AOA و یا RSSI برای تخمین فاصله بهره میگیرند. این روشها برای تعیین موقعیت از مفهوم هندسی مالتیلتریشن استفاده میکنند. این تکنیک در فضای دو بعدی به تریلتریشن موسوم است. به این صورت که ابتدا گره حسگر توسط یکی از روشهای تخمین فاصله گفته شده در قسمت قبل، میزان فاصله خود را تا چهار حسگر مرجع در روش مالتیلتریشن و سه حسگر مرجع در روش تریلتریشن، محاسبه میکند و پس از دریافت مختصات آنها، معادلات کروی را تشکیل داده و موقعیت خود را محاسبه میکند. برای آگاهی از جزئیات بیشتر این روشها میتوان به مرجع ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>رضا</Author><Year>1392</Year><RecNum>59</RecNum><DisplayText>[11]</DisplayText><record><rec-number>59</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2″>59</key></foreign-keys><ref-type name=”Book”>6</ref-type><contributors><authors><author><style face=”normal” font=”default” charset=”178″ size=”100%”>محمدی رضا</style></author><author><style face=”normal” font=”default” charset=”178″ size=”100%”>جاویدان رضا</style></author><author><style face=”normal” font=”default” charset=”178″ size=”100%”>کشتگری منیژه</style></author></authors></contributors><titles><title><style face=”normal” font=”default” charset=”178″ size=”100%”>اصول طراحی شبکه های حسگر بی سیم زیرآب</style></title></titles><section><style face=”normal” font=”default” charset=”178″ size=”100%”>217-206</style></section><dates><year><style face=”normal” font=”default” charset=”178″ size=”100%”>1392</style></year></dates><publisher><style face=”normal” font=”default” charset=”178″ size=”100%”>انشارات همارا</style></publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[11] مراجعه کرد.
قابل به ذکر است که علاوه بر روشهای لتریشن که مبتنی بر اندازهگیری فاصله هستند میتوان از تکنیکهای انگولیشن که مبتنی بر اندازهگیری فاصله و زاویه هستند مانند مالتیانگولیشن و تریانگولیشن استفاده نمود.
باید توجه کرد که از این میان روشهایی که بر اساس AOA عمل میکنند از آنجا که نیازمند تجهیزات اضافی مانند آنتن روی هر حسگر میباشند برای مکانیابی در زیرآب مناسب نیستند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Malhotra</Author><Year>June 2005</Year><RecNum>28</RecNum><DisplayText>[17]</DisplayText><record><rec-number>28</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2″>28</key></foreign-keys><ref-type name=”Journal Article”>17</ref-type><contributors><authors><author>N. Malhotra</author><author>M. Krasniewski</author><author>C. Yang, S. Bagchi</author><author>W.Chappell</author></authors></contributors><titles><title>Location Estimation in Ad Hoc Networks with Directional Antennas</title><secondary-title>Proceedings of 25th IEEE International Conference on Distributed Computing Sys–s (ICDCS2005)</secondary-title></titles><periodical><full-title>Proceedings of 25th IEEE International Conference on Distributed Computing Sys–s (ICDCS2005)</full-title></periodical><dates><year>June 2005</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[17] و روشهایی که بر اساس RSS عمل میکنند به دلیل شرایط زیر آب مانند محوشدگی، چندمسیری، انتشار سیگنال به صورت بیقاعده، واریانس بالا به هنگام خواندن و … نیز برای محیط زیرآب چندان مناسب نیستند. از این میان روشهایی که بر اساس TOA و یا TDOA عمل میکنند چون محدودیتهای دو روش قبل را ندارند، برای شبکه های حسگر بی سیم زیرآب مناسب هستند و پردازش سیگنال و تکنیکهای فیلترینگ میتوانند باعث بهبود اندازهگیری مسافت در این روشها شوند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Ash</Author><Year>August 2006</Year><RecNum>27</RecNum><DisplayText>[18]</DisplayText><record><rec-number>27</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2″>27</key></foreign-keys><ref-type name=”Journal Article”>17</ref-type><contributors><authors><author>J.N. Ash</author><author>R.L.Moses</author></authors></contributors><titles><title>Acoustic time delay estimation and sensor network self localization: Experimental Results</title><secondary-title>The Journal of the Acoustical Society of America</secondary-title></titles><periodical><full-title>The Journal of the Acoustical Society of America</full-title></periodical><pages>841-850</pages><volume>118</volume><dates><year>August 2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[18]، ولی این دو روش نیازمند همزمانی دقیق ساعتهای حسگرها میباشند.
تعیین موقعیت به روش غیر فاصلهای
این نوع تکنیکهای تعیین موقعیت نیاز به استفاده از اطلاعات فاصلهای یا زاویهای ندارند و از هیچ یک از روشهای تعین فاصله TOA، TDOA، AOA و RSS استفاده نمیکنند. مزیت این روشهاسادگی آنها و عدم نیاز به استفاده از روشهای فوق است.اما این روشها دقت روشهای مبتنی بر فاصله را ندارند و موقعیت تقریبی گرهها را مشخص میکنند. این روشها به دو دسته کلی تعداد گام و مبتنی بر فاصله تقسیم میشوند. در ادامه هر یک از آنها بررسی میشوند.
روش تعیین موقعیت مبتنی بر تعداد گام
از معروفترین روشهای تعیین موقعیت غیر فاصلهای میتوان از DV-Hop نام برد که به این صورت عمل میکند که هر حسگر یک جدول از {Xi, Yi, hi} دارد که شامل مختصات حسگر i و فاصله بر حسب تعداد گام بین گره فعلی و گره iم است. این جدول در بازههای زمانی متفاوت با حسگرهای همسایه تک گامی به روز میشود. هنگامی که یک حسگر مرجع میزان فاصله خود بر حسب تعداد گام، تا حسگرهای مرجع دیگر را به دست آورد، مقداری تحت عنوان فاکتور اصلاح به روش زیر محاسبه ودر شبکه منتشر میکند

با داشتن فاکتور اصلاح و موقعیت حسگرهای مرجع، یک حسگر میتواند به روش مالتیلتریشن مختصات خود را تخمین بزند.در واقع فاکتور اصلاح، تخمینی برای فاصله دو گره همسایه تک گامی است. در این روش نیز جهت تعیین موقعیت یک حسگر در فضای سه بعدی زیرآب لازم است تا یک گره به روش DV-Hop میزان فاصله تقریبی خود را تا چهار حسگر مرجع به روش مالتی لتریشن، مختصات خود را تخمین بزند. شکل 2- 9 مثالی از این روش را نشان میدهد.

محاسبه موقعیت به روش DV-Hop ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>A John Wiley and Sons</Author><Year>2010</Year><RecNum>60</RecNum><DisplayText>[16]</DisplayText><record><rec-number>60</rec-number><foreign-keys><key app=”EN” db-id=”fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2″>60</key></foreign-keys><ref-type name=”Book”>6</ref-type><contributors><authors><author>A John Wiley and Sons, Ltd., Publication</author></authors></contributors><titles><title>Fundamentals of Wireless Sensor Networks Theory ND practice</title></titles><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[16]
تعیین موقعیت مبتنی بر ناحیه
در شبکههای حسگر بسیار بزرگ که گرهها در ناحیه وسیعی قرار گرفتهاند و به صورت متراکم پیادهسازی شدهاند امکان اندازهگیری مختصات و موقعیت گرهها میسر نیست. از طرفی در برخی از کاربردها موقعیت تقریبی حسگرها نیز کفایت میکند و نیاز به مختصات دقیق آنها نمیباشد. در این نوع از شبکهها تکنیکهای مبتنی بر ناحیه مانند ALS میتوانند مناسب باشند.
در روش ALS حسگرهای مرجع سیگنالهای بیکن را با توانهای متفاوت ارسال میکنند. بر اساس محدوده ارسالی سیگنال ، شبکه به ناحیههای کوچکتر تقسیم میشود. گرههای حسگر، سطح توان سیگنال دریافتی را اندازه گرفته و این اطلاعات را به همراه داده جمعآوری شده، به گره سینک، جهت پردازش ارسال میکنند. اطلاعات مربوط به توان سیگنالهای دریافتی به صورت برداری نمایش داده میشوند، به این صورت که i مین عدد نشان دهنده کمترین سطح توان سیگنال دریافتی از i مین حسگر مرجع است. دقت این روش بستگی به اندازه ناحیهای دارد که حسگرها در آن قرار دارند و میزان این دقت را میتوان با تغییر تعدادسطوح توان ارسالی توسط حسگرهای مرجع تنظیم نمود.
از آنجایی که در اکثر تکنیکهای مکانیابی و همزمانسازی جهت به دست آوردن موقعیت و زمان یک حسگر در نهایت از تخمین موقعیت و زمان استفاده میشود، در ادامه روشی برای تخمین، تحت عنوان تخمینگر حداقل مربعات معرفی میشود.
تخمینگر حداقل مربعاتتخمین حداقل مربعات یکی از روشهای قدرتمند تخمین است که بر پایه روش کمترین مربعات بنا نهاده شده است. این روش یک روش غیر تصادفی تخمین است، به عبارت دیگر در این روش، اندازهگیریها و متغیرهای مد نظر عمل تخمین، نویزی نیستند. در ادامه، تخمین زدن با استفاده از این تخمینگر توضیح داده میشود.
یک سیگنال گسسته با توصیف زیر را در نظر بگیرید.

به این صورت که θ1, θ2, . . ., θq ثابت و ناشناخته است و θ= θ1⋮θ2، γ1(n), γ2(n), . . ., γq(n) تابعی شناخته شده ازn باشد و = [γ1(n), γ2(n), . . ., γq(n)] (n)γ وهمچنین اندازهگیری انجام شده از سیگنال به صورت زیر باشد.

هدف یافتن θˆ(n) به عنوان تخمین θ با استفاده از z(1), z(2), . . ., z(n) میباشد.
با استفاده از مقدار تخمین زده شده θˆ(n) میتوان سیگنال جدیدی با عنوان sˆ(n) ساخت که تخمینی از سیگنال واقعی s(n) است.

همچنین مقادیر تخمینی ازسیگنال را در بازه i < n با استفاده از θˆ(n) میتوان در اختیار داشت.

60198062230حال میتوان مجموع مربعاتی را به صورت زیر ارائه نمود که اگر و تخمین θˆ(n) با θ برابر باشد، مجموع مربعات در رابطه (2- 13) صفر خواهد شد.

ولی در صورتی که θˆ(n) با θ برابر نباشد، مجموع مربعات مقدار مثبتی خواهد شد که اندازه آن بستگی به فاصله مقدار تخمین زده شده از مقدار واقعی دارد. لذا مجموع مربعات را میتوان به صورت یک تابع خطا در نظر گرفت که هدف، حداقل نمودن مقدار آن با استفاده از تخمین درست θˆ(n) میباشد.
تخمین θˆ(n) که تابع مربعات خطای (2- 13) را مینیمم کند، تخمین حداقل مربعات خطا از θ میگویند.
برای محاسبه تخمین حداقل مربعات از پارامترهای سیگنال s(n) ابتدا لازم است رابطه (2- 13) به صورت برداری بازنویسی شود.

در (2- 13) را میتوان به صورت زیر بازنویسی کرد:

به منظور محاسبه تخمین θˆ(n) با استفاده از حداقلسازی تابعS.S. میتوان از ایده مشتقگیری جزئی نسبت به θˆ(n) استفاده نمود. در این صورت:

145605530480شرط کافی برای محاسبه θˆ(n) از رابطه (2- 16) برگشتپذیر بودن میباشد. لذا خواهیم داشت:

در تخمینگر حداقل مربعات باید به این نکته توجه نمود که همواره باید تعداد دسته اطلاعات اندازهگیری شده از تعداد ضرایب مجهول بیشتر باشد (n > q).
از آنجایی که در اکثر تحقیقات پس از تخمین پارامترهای مورد نظر، برای ارزیابی کردن میزان صحت، روش خود را با مرز پایین کرامر رائو مقایسه میکنند در ادامه به بررسی مرز پایین کرامر رائو پرداخته میشود.
مرز پایین کرامر رائومرز پایین کرامر رائو، حداقل واریانس یک تخمینگر ناسوگیرانه، مربوط به پارامتر θ، با توزیع احتمال p(x, θ) را به دست میآورد. در رابطه با مرز پایین کرامر رائو باید به سه موضوع مهم به شرح زیر توجه کرد:
مرز پایین کرامر رائو فقط برای تخمینگرهای ناسوگیرانه مورد استفاده قرار میگیرد.
مقدار به دست آمده با استفاده از مرز پایین کرامر رائو ممکن است در عمل غیر قابل دسترسی باشد.
تابع راستنمایی حداکثر برای دادههای اندازهگیری که تعداد آنها به بینهایت گرایش دارد، به مقدار واریانس کمتری دست مییابد.
قبل از این که مرز پایین کرامر رائو توضیح داده شود باید ذکر شود که قضیه کرامر رائو شامل یک تابع امتیاز S به صورت زیر میباشد:
=
امید ریاضی S به این صورت تعریف میشود که

واریانس S، Var(S) تحت عنوان اطلاعات فیشر شناخته میشود که از این پس با I(θ) نشان داده خواهد شد.
باید توجه کرد که مقدار S برای مجموعهای از N متغیر متفاوت با توزیع یکسان برابر است با:

به صورت مشابه، میتوان نشان داد که اطلاعات فیشر برای N متغیر با توزیع یکسان برابر است با N I(θ).
قضیه: میانگین مربعات خطای یک تخمینگر ناسوگیرانه g مربوط به توزیع احتمال پارامتر θ، از معکوس اطلاعات فیشر، I(θ)، بزرگتر است.

این حد پایین، 1/I(θ)، تحت عنوان مرز کرامر رائو شناخته میشود.
اثبات: با استفاده از نابرابری کاچی- اسوارز میتوان نتیجه گرفت که:

بسط نابرابری (2- 22) به صورت زیر میباشد.

از آنجایی که امید ریاضی S صفر میباشد، E{S} = 0، نابرابری (2- 23) به صورت زیر ساده میشود:

این نوشته در مقالات ارسال شده است. افزودن پیوند یکتا به علاقه‌مندی‌ها.

دیدگاهتان را بنویسید

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