فراپهنباند، مکانیابی، سیگنالهای، گرههای، شبکههای، سیستمها

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 د

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 *