برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده درج نمی شود
پایان نامه کارشناسی ارشد در رشته مهندسی برق (مخابرات سیستم)
بهینه­سازی جایگذاری گره­ها در محیط­های مختلف برای شبکه­های حسگر فراپهن­باند مکان­یاب
استاد راهنما
دکتر علیرضا کشاورز حداد
 
اساتید مشاور
دكتر شاپور گلبهار حقیقی
دكتر عباس علی­قنبری
شهریور 1390
تکه هایی از متن به عنوان نمونه :
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[1] و سیستم­های مکان­یاب نظامی روسیه[2]، سیستم مکان­یاب شهروندی اروپا[3] اشاره نمود.
با توجه به نیاز مکان­یاب­ها با دقت بالا و همچنین مکان­یابی درون فضاهای بسته استفاده از این سیستم­ها را کم اهمیت کرده و سیستم­هایی با سیگنال­های دقیق­تر دارای اهمیت بیشتری گشته­اند. از جمله این سیستم­ها استفاده از سیگنال­های فراپهن­باند است که دارای پالس­های بسیار باریک و پهنای باند وسیع بوده و می­توانند تفکیک­پذیری زمانی خوبی داشته باشند.
از اینرو این سیستم­ها به عنوان پیشنهادی مناسب برای مکان­یاب­های دقیق فضاهای بسته مطرح می­شوند.
کلیه سیستم­های مکان­یاب دارای گره­های مرجع بوده که هر کدام فاصله مشخصی تا جسم گیرنده دارند و از اندازه­گیری این فاصله­ها می­توان مکان گره­ها را پیدا کرد. از مهمترین عوامل اثبات شده در دقت سیستم­های مکان­یاب محل قرارگیری گره­های مرجع می­باشد. در دهه­های اخیر اهمیت این موضوع بررسی شده و راهکار­های مناسبی برای آن پیشنهاد شده است.
در برخی کاربردها می­توان خصوصیات رفتاری هدف را نیز مد نظر قرار داد. مثلا اینکه موقعیت هدف در اکثر زمان­ها در چه محدوده­ای از فضا باشد، در کاهش تعداد حسگر موثر است.
اگر بتوان تابع توزیع احتمال هدف در مختصات (x,y) را معلوم فرض کرد بنابراین می­توان از این تابع استفاده کرده و جایگذاری را به شکلی انجام داد که متوسط خطا مقدار دلخواه باشد. برای رسیدن به تابع توزیع هدف می­توان از فرض ارگادیک بودن فرآیند مکان هدف در زمان­ استفاده کرد و به نوعی به توزیع احتمالی آن نسبت داد. بنابراین با مطالعه بر روی تحقیقات انجام شده و استخراج معیار­ها برای مقایسه و دقت فاصله­یابی مناسب با استفاده از سیگنال­های فراپهن باند امید است با کاهش تعداد گره­های مرجع و استفاده از خصوصیات رفتاری هدف در شبکه بتوان به دقت مناسب رسید. اینگونه گره­ها باید دارای مکان مشخصی باشند تا بتوانند مکان گره هدف را تخمین بزنند. در این متن با فرض اینکه گره­های مرجع در هر نقطه که قرار گیرند دارای مکان معلومی باشند سعی می­شود این گره­ها در مکانی قرار گیرند که بتوانند دو شرط زیر را برآورد نمایند:
اول: در کل منطقه­ی تحت مراقب مکان گره هدف را بتوانند تخمین بزند.
دوم: متوسط خطای تخمین مکان گره هدف نیز در کل منطقه حداقل باشد.
از جمله عواملی که می­تواند در دقت مکان­یابی موثر باشد محل قرارگیری گره­های مرجع در محیط تحت مراقبت می­باشد. اما موردی که فقدان آن در اکثر تحقیقات انجام شده مشهود است آنست که چنانچه گره مرجع سیار باشد جایگذاری مناسبی برای گره­های مرجع پیشنهاد نشده است. در این تحقیق علاوه بر آنکه راهکار مناسبی برای بهینه کردن محل گره­های مرجع ارایه شده است در چند محیط هم از آن استفاده شده و نتایج آن مشاهده گردیده است.
در آخر، مقایسه­ای بین توزیع گره­های مرجع به صورت تصادفی مانند سایر تحقیقات و روش پیشنهاد شده انجام گرفته و مشخص شده است که می­توان با استفاده از این روش برای دست­یابی به دقت مطلوب از تعداد گره­ی مرجع کمتری استفاده نمود.
از اینرو در این متن هدف آن است که بتوان با استفاده از سیستم­های مکان­یاب فراپهن­باند برای رسیدن به دقت دلخواه، مکان گره­های مرجع را به صورت بهینه بدست آورد.

فهرست مطالب

عنوان                                       صفحه
فصل 1: مقدمه 1
فصل 2: سیستم­های­فراپهن­باند……………………………………………………………………………………………………5
2-1- مقدمه 5
2-2- خواص سیگنال­های فراپهن­باند 7
2-3- استانداردها درسیستم­های ­فراپهن­باند 9
2-4- مدولاسیون در سیستم­های­ فراپهن­باند 10
2-5- دسترسی چندگانه­ درسیستم­های فراپهن­باند 11
فصل 3: شبکه­های­اقتضایی­بی­سیم……………………………………………………………………………………………21
3-1- مقدمه ……22
3-2- دسته­بندی سیستم­های مکان­یاب 22
3-3- دسته­بندی الگوریتم­های مکان­یاب در شبکه­های حسگر………………………………………………………………………….16
3-4- انواع روش­های فاصله­یابی………………………………………………………………………………………………………………………….30
3-4-1- مکان­یابی بر اساس قدرت سیگنال……………………………………………………………………………………………………… 31
3-3-2- مکان­یابی براساس زاویه رسیدن سیگنال………………………………………………………………………………………………32
3-3-3- مکان­یابی بر اساس زمان رسیدن سیگنال….. ……………………………………………………………………………………….35
3- 5- استراتژی­های تشخیص پیک برای سیستم­های مکان­یاب زمانی…………………………………………………………….39
3 – 6- مشکلات مکان­یابی براساس زمان…………………………………………………………………………………………………………..40
3-7- تکنیک­های تخمین مکان…………………………………………………………………………………………………………………………..42
3-8- فناوری­های در دسترس برای سیستم­های مکان­یاب…………………………………………………………………………………45
فصل 4: استفاده از فناوری فراپهن­باند برای سیستم­های مکان­یاب…………………………………………..47
4-1- استفاده از سیگنال­های فراپهن­باند برای مکان­یابی…………………………………………………………………………………..47
4-2- آشکارسازی سیگنال­های فراپهن­باند و بررسی مدل کانال در استاندارد 802.15.4a 65
4-3- باند­های تشخیص خطا 56
4-4- مدل کردن اندازه­گیری­ها 59
4-5- باند خطای مکانی 61
4-6- فاصله­یابی بر اساس استاندارد 802.15.4a 65
فصل 5: بهینه­سازی سیستم­های مکان­یاب مبتنی بر فناوری فراپهن­باند………………………………… 67
5-1- استراتژی­های طراحی شبکه­های مکان­یاب 66
5-2- دسته­بندی توپولوژی شبکه­های حسگر برای مکان­یابی 67
5-3- اثر چگالی گره­ها در محیط برروی دقت مکان­یابی 69
5-4- هدف تحقیق 73
5-5- پیاده­سازی و شبیه­سازی طرح الگوریتم بهینه­ 73
5-5-1- موضوع طرح………………………………………………………………………………………………………………………………..78
5-5-2- بررسی اثر فاصله روی باند خطای مکانی……………………………………………………………………………………81
5-5-3- تشریح الگوریتم…………………………………………………………………………………………………………………………..82
5-5-4- تست و شبیه­سازی الگوریتم برای محیط­های ساده…………………………………………………………………91
5-5-5- الگوریتم بر مبنای تعداد گره مرجع…………………………………………………………………………………………..91
5-5-6- مقایسه توزیع تصادفی گره­ها با جایگذاری بهینه­ی آن­ها………………………………………………………….97
5-5-7- الگوریتم بهینه­یاب بر مبنای دقت دلخواه………………………………………………………………………………….99
فصل 6: نتیجه­گیری وپیشنهادات 102
مراجع : 105
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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
عنوان                                       صفحه
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
شکل3-1: استفاده از سه گره برای مکان­یابی…………………………………………………………………………………………………….31
شکل3-2: 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- 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

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[4] 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[5]، 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[6] 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] .