پایان نامه بهینه سازی جای گذاری گره ها در محیط های مختلف برای شبکه های حسگر فراپهن باند مکان یاب

word
124
2 MB
32126
1390
کارشناسی ارشد
قیمت: ۱۲,۴۰۰ تومان
دانلود فایل
  • خلاصه
  • فهرست و منابع
  • خلاصه پایان نامه بهینه سازی جای گذاری گره ها در محیط های مختلف برای شبکه های حسگر فراپهن باند مکان یاب

    پایان نامه کارشناسی ارشد در رشته مهندسی برق (مخابرات سیستم)

    چکیده

    بهینه­سازی جایگذاری گره­ها در محیط­های مختلف برای شبکه ­های حسگر فرا پهن­ باند مکان­یاب

     

     

    سیستم ­های مکان­ یاب 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.

    مقدمه

    امروزه استفاده از شبکه ­های 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 سیستم­ های مکان ­یابی 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[1] 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[2]، 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[3] 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]  .

    سیستم ­های فراپهن­ باند

    1.2 مقدمه

    نیاز 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[1]، 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.

    (2-1)  

     

    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[2](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.

  • فهرست و منابع پایان نامه بهینه سازی جای گذاری گره ها در محیط های مختلف برای شبکه های حسگر فراپهن باند مکان یاب

    فهرست:

    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- دسته­بندی الگوریتم­های مکان­یاب در شبکه­های حسگر.....................................................................................16

    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

     

     

    منبع:

     

    J. Hightower and G. Borriello, "Location systems for ubiquitous computing", IEEE Computer,34:8, 2001.

     

    S. J. Ingram, D. Harmer and M. Quinlan," Ultra-wideband indoor positioning systems and their use in emergencies", In Proc. IEEE Position Location and  Navigation Symp, 2004.

     

     

    Stojmenovic and J. Wu, "Broadcasting and Activity-Scheduling in Ad Hoc Networks", 2007.

     

    M. Ghavami, L.B. Michael and R. Kohno, "Ultra Wideband Signals and Systems in Communications Engineering", Wiley, 2004.

     

    H. Nikookar and R. Prasad, "Introduction to Ultra Wideband for Wireless Communications," Springer, 2009.

     

    M. barbeau and E. kranakis, "Principles of Ad Hoc Networking," Wiley, 2007.

    R.J. Foerster, "Channel modeling sub-committee report",Technical report, P802.15-02/490rl-SG3a, IEEE 802.15 Working group for Wireless Personal Area Networks, February 2003.

    A. F. Molisch, K. Balakrishnan, C. C. Chong, et al., IEEE 802.15.4a channel model – final report. Sep. 2004. [Online].

     

    A. Alvarez, G. Valera, M. Lobeira, R. Torres and J. L. Garcia, "New channel impulse response model for UWB indoor system simulations", In Proc. IEEE Veh. Technol. Conf. (VTC), May 2003, pp. 1–5.

     

    H. V. Poor," An Introduction to Signal Detection and Estimation", New York: Springer-Verlag, 1994.

     

    Baris Fidanand Guoqiaung Mao, "Localization Algorithm and Strategies for Wireless Sensor Networks",information science refrence.New York , 2009.

     

    .L. Doherty, L. El Ghaoui, and K. S. J. Pister." Convex position estimation in wireless sensor networks", In Proceedings of Infocom 2001, April 2001.

     

    . Y. Qi, "Wireless geolocation in a non-line-of-sight environment", Ph.D. Dissertation, PrincetonUniversity, Dec. 2004.

     

    J. J. Caffery, "Wireless Location in CDMA Cellular Radio Systems", Boston: Kluwer Academic Publishers, 2000.

     

    G. L. Turin, “An introduction to matched filters,” IRE Trans. Information Theory, vol. IT-6, no. 3, pp. 311–329, June 1960.

     

    Li, X"Super-Resolution TOA Estimation with Diversity Techniques for Indoor Geolocation Applications", PhD Thesis, WPI.

     

    Heidari, M., Akgul, F. O., & Pahlavan, K"Identification of the Absence of Direct Path in Indoor Localization System", IEEE PIMRC 2007 (pp. 1-6).

     

    Y. Qi,"Wireless geolocation in a non-line-of-sight environment", Ph.D. Dissertation, Princeton University, Dec. 2004.

     

    Savvides, A., Garber, W. L., Moses, R. L., & Srivastava, M. B. " An analysis of error inducing parameters in multihop sensor node localization", IEEE Transactions on Mobile Computing, 4(6), 567-577.

     

    G. L. Turin, “An introduction to matched filters,” IRE Trans. Information Theory, vol. IT-6, no. 3, pp. 311–329, June 1960. 

     

    Lanzisera, S., Lin, D., & Pister, K," RF Time of Flight Ranging for Wireless Sensor Network Localization", Proceedings of the IEEE Workshop on Intelligent Solutions in Embedded Systems, 2006.

     

    H.V. Poor, "An Introduction to Signal Detection and Estimation", Springer-Verlag, NewYork,1994

     

     T. Kaiser, Ed., UWB Communications Systems: A Comprehensive Overview,EURASIP Series on Signal Processing and Communications, Hindawi Publishing,New York, 2005.

     

    . A. Catovic and Z. Sahinoglu, “The Cramer-Rao bounds of hybrid TOA/RSS and TDOA/RSS location estimation schemes,” IEEECommun. Lett., vol. 8, pp. 626–628, Oct. 2004.

     

    D.B. Jourdan, D. Dardari, and Moe Z.Win, ”Position Error Bound for UWB Localization in Dense Cluttered Environments”, IEEE Communication Society,  IEEEICC 2006.

    Kanaan M., Akgul, F. O., Alavi, B. and Pahlavan.,"A Study of the Effects of Reference Point Densityon TOA-Based UWB Indoor Positioning Systems" , In the 17th Annual IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, 2005. 

                                                                                                                                 

    R. Verdone, D. Dardari, G. Mazzini, A. Conti ,"Wireless Sensors an Actuator Networks": Technologies, Analysis and Design, Elsevier, 2008.

     

    H. Zhan , Jean-Yves L. Boudec, J.Ayadi1 and John Farserotu, "Ziv-Zakai Lower Bound for Impulse Radio Ultra-WideBand Ranging Error Based on Geometry of Indoor Environments":Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique, 2007.

     

    EURASIP Journal on Advances in Signal Processing, Special Issue on Cooperative Localizationin Wireless Ad Hoc and Sensor Networks, 2008.

     

    D.B. Jourdan and N. Roy, ”Optimal sensor placement for Agent localization“, proceeding IEEE/ION PLANS,pages 128-139, April 2006.

     

    Priyantha, N. B, Balakrishnan, H., Demaine, E.,and Teller, S" Anchor-Free Distributed Localizationin Sensor Network," LCS Tech. Report #892, MIT, USA, 2005  .

     

    Shang, Ruml, Zhang, and Fromherz" Localization from mere connectivity In MobiHoc", 2003.

     

     



تحقیق در مورد پایان نامه بهینه سازی جای گذاری گره ها در محیط های مختلف برای شبکه های حسگر فراپهن باند مکان یاب, مقاله در مورد پایان نامه بهینه سازی جای گذاری گره ها در محیط های مختلف برای شبکه های حسگر فراپهن باند مکان یاب, پروژه دانشجویی در مورد پایان نامه بهینه سازی جای گذاری گره ها در محیط های مختلف برای شبکه های حسگر فراپهن باند مکان یاب, پروپوزال در مورد پایان نامه بهینه سازی جای گذاری گره ها در محیط های مختلف برای شبکه های حسگر فراپهن باند مکان یاب, تز دکترا در مورد پایان نامه بهینه سازی جای گذاری گره ها در محیط های مختلف برای شبکه های حسگر فراپهن باند مکان یاب, تحقیقات دانشجویی درباره پایان نامه بهینه سازی جای گذاری گره ها در محیط های مختلف برای شبکه های حسگر فراپهن باند مکان یاب, مقالات دانشجویی درباره پایان نامه بهینه سازی جای گذاری گره ها در محیط های مختلف برای شبکه های حسگر فراپهن باند مکان یاب, پروژه درباره پایان نامه بهینه سازی جای گذاری گره ها در محیط های مختلف برای شبکه های حسگر فراپهن باند مکان یاب, گزارش سمینار در مورد پایان نامه بهینه سازی جای گذاری گره ها در محیط های مختلف برای شبکه های حسگر فراپهن باند مکان یاب, پروژه دانشجویی در مورد پایان نامه بهینه سازی جای گذاری گره ها در محیط های مختلف برای شبکه های حسگر فراپهن باند مکان یاب, تحقیق دانش آموزی در مورد پایان نامه بهینه سازی جای گذاری گره ها در محیط های مختلف برای شبکه های حسگر فراپهن باند مکان یاب, مقاله دانش آموزی در مورد پایان نامه بهینه سازی جای گذاری گره ها در محیط های مختلف برای شبکه های حسگر فراپهن باند مکان یاب, رساله دکترا در مورد پایان نامه بهینه سازی جای گذاری گره ها در محیط های مختلف برای شبکه های حسگر فراپهن باند مکان یاب

ثبت سفارش
تعداد
عنوان محصول
بانک دانلود پایان نامه رسا تسیس