شبکه های حسگر مکانیاب
مقدمه
به طور ساده و اصولی کلیه روشهای تشخیص و تخمین مکان هدف در فضاهای دو بعدی و سه بعدی مکان یابی نامیده میشوند.
دستهبندی سیستمهای مکانیاب:
دستهبندی فناوریهای مکان یابی بر چندین اساس مختلف انجام میگردد. اولین و مهمترین نوع دستهبندی که معمولا از آن استفاده می شود، دستهبندی سیستمهای مکان یابی از نوع فاصلهیابی میباشد.
دستهی اول، سیستمهایی هستند که فاصلهیابی آنها بر اساس سیگنالهای رادیویی انجام میگیرد که به آنها سیستمهای مکانیاب بر پایه فاصلهیابی گفته می شود.
دستهی دوم، سیستمهایی هستند که فاصلهیابی آنها با بهره گرفتن از نقشههای از پیش ثبت شده انجام میگیرد. این روشها شامل دو مرحله میباشند:
مرحله اول: ایجاد یک نقشه از محیط مورد نظر و ثبت مشخصات سیگنال در نقطه به نقطهی محیط تحت نظارت.
مرحله دوم: در این مرحله مکان یابی واقعی انجام شده و در هر نقطه از هدف با توجه به دریافت سیگنال براساس نقشه ثبتی موقعیت را تشخیص میدهد.
از جمله مشکلات استفاده از این روش ثبت اطلاعات با حجم بالا و پیچیدگی قدرت پردازش میباشد که عملا استفاده از این نوع سیستمها را در مناطق وسیع با دقت مناسب غیر ممکن میسازد.
از پرکاربردترین روشهایی که از این فناوری استفاده می کنند، روشهایی مبنی بر ثبت قدرت سیگنال و روشهایی مبتنی بر متوسط توان دریافتی سیگنال و متوسط تاخیر ناشی از پروفایل تاخیر میباشد.
به دلیل معایب عنوان شده، برای سیستمهای مبتنی بر ثبت مشخصات سیگنال و همچنین تنوع سیستمهای مکانیاب مبتنی بر فاصلهیابی از طریق سیگنالهای رادیویی، اینگونه سیستمها دارای کاربرد بیشتری هستند.
( اینجا فقط تکه ای از متن فایل پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )
اینگونه سیستمهای مکانیاب مبتنی بر سیگنال، دارای چند نوع دستهبندی بوده و در ادامه فقط به این سیستمها پرداخته می شود که به اختصار منظور از سیستمهای مکانیاب، مکانیابهای مبتنی بر فاصلهیابی از طریق سیگنالهای رادیویی میباشد.
به لحاظ روش اندازه گیری فاصله برای مکان یابی، دستهبندی زیر انجام میگردد:
الف: استفاده از تاخیر زمان بین سیگنال ارسالی و دریافتی.
ب: استفاده از تاخیر زمان بین دو سیگنال ارسالی از یک گره مرجع زمانی وسایر گرههای مرجع.
ج: استفاده از زاویه رسیدن سیگنال.
د: استفاده از سیگنالهای گردشی.
جهت محاسبهی زمان رفت و برگشت سیگنال بین یک فرستنده و گیرنده به لحاظ نوع سیگنال فاصلهیاب دستهبندی زیر انجام می شود:
به دلیل عبور از موانع و نیز گذراندن مسافتهای طولانی بهترین و معمولترین سیگنالها که برای این هدف مناسب هستند، سیگنالهای رادیویی میباشند. سیگنالهای مادون قرمز ارتباطی ارزان و با توان پایین، نمونه ای از این سیگنالها هستند. این سیگنالها بر خلاف سیگنالهای رادیویی قابلیت عبور از موانع را ندارند.
سیگنالهای نوری دارای توان مصرفی پایین بوده و نیاز به دید مستقیم دارند و همچنین در مقابل نورهای محیطی محافظت نشدهاند.
در میان انواع سیگنالها اعم از رادیویی و غیره، سیگنالهای فراپهنباند از جمله فناوریهای مناسب برای مکان یابی میباشند که در فصل دوم به آنها اشاره شد.
از دیگر معیارهای دستهبندی، تکنیکهای مکان یابی باز بودن یا بسته بودن فضای محل حضور گره هدف میباشد.
براساس این معیار، فضاهای باز میتوانند از سایر فناوریهای مکان یابی چون GPS نیز استفاده نمایند اما این در صورتی است که در فضاهای بسته این فناوریها کارآمد نبوده و نیاز به مکانیابهای دقیقتر احساس شود.
از دیگر معیارهای دستهبندی تکنیکهای مکانیاب میتوان به مرکزگرا بودن یا فعال و غیرفعال بودن تکنیکها اشاره نمود.
شبکه های حسگر
توزیع شبکه های حسگر نزدیک به ۳۰ سال است که مطرح شده است. اما با پیشرفت ادوات نیمه هادی و ساخت ابزارهایی با مصرف توان کم، قدرت پردازش مناسب و هزینه نسبتا” پایین تحقیقات در این زمینه رونقی تازه یافته است.
با توجه به پیشرفتهای اخیر اجزا الکترونیک، کاربردهای زیادی برای شبکه های حسگری تعریف شده است. این گونه کاربردها بر مبنای اهدافی چون شناسایی، مراقبت و کنترل بنا نهاده میشوند.
شبکه های حسگری مکانیاب مکان برخی حسگرها را که دارای موقعیت مشخصی نیستند بوسیله برخی حسگرها با مختصات معلوم تخمین می زنند که بر اساس یکی از روشهای اندازه گیری پارامترهای سیگنال دریافتی مانند توان یا زمان رسیدن سیگنال دریافتی صورت میگیرد. حسگرهایی که دارای مختصات معلوم در شبکه هستند، حسگرهای مرجع یا گرههای مرجع [۳۸]نامیده میشوند.
گرههای مرجع مختصات خود را معمولا با بهره گرفتن از سیستمهای GPS مییابند. در محیطهای بسته میتوان برای آنها مختصات تعریف نمود یا حسگرها را در مختصات معینی نصب کرد. البته محدودیتهای مصرف توان و سایر حسگرها نیز ممکن است اجازهی استفاده از GPS را در گرههای مرجع ندهد.
حسگرهایی که دارای مختصات مجهول هستند و باید بوسیلهی الگوریتمهای مکانیاب مکان آنها تخمین زده شود، گره های هدف میباشند. البته در بسیاری از کاربردها نیازی به داشتن گرههای مرجع نیست و مهم تعیین موقعیت حسگرها نسبت به یکدیگر است.
اولین مسئله در شبکه های مکانیاب اندازه گیری سیگنال رسیده از گرههای دیگر و استخراج پارامتر مربوط به فاصله است. مکان حسگر هدف بر مبنای یکی از روشهای اندازه گیری فاصله (در این کاربرد TOA ) به صورت زیر تخمین زده می شود:
که y فاصله استخراج شده از سیگنال دریافتی و x مکان واقعی حسگر وe خطای حاصل از نویز است.
با بهره گرفتن از maximum likelihood که یک روش تخمین است سعی در مینیمم کردن خطا با داشتن توزیع آماری e می شود.
دستهبندی الگوریتمهای مکانیاب در شبکه های حسگر:
بر اساس دیدگاه پردازش پارامترهای اندازه گیری شده بالا دو نوع الگوریتم وجود دارد. الگوریتمهای مرکزگرا [۳۹]و الگوریتمهای توزیع[۴۰] [۱۰].
در الگوریتمهای مرکزگرا، تمام اطلاعات و پارامترهای اندازه گیری شده بوسیلهی حسگرها به یک مرکز با هستهی محاسباتی قوی ارسال میشوند. با توجه به اینکه در الگوریتمهای توزیع، گروهی از حسگرها موقعیت خود را مییابند[۱۰] .
رویکرد اصلی در الگوریتمهای مرکزگرا به MDC [۴۱]ها، بهینهسازی آماری و برنامه ریزیهای خطی منجر می شود. رویکرد اصلی الگوریتمهای توزیع شامل DV_HOP و DV_Distance ها می شود. این دو نوع الگوریتم میتوانند از جهات متفاوت مقایسه شوند.
دقت، پیچیدگی محاسباتی، بازدهی انرژی و پوشش از جمله معیارهای انتخاب یک الگوریتم است. الگوریتمهای توزیع از لحاظ پیچیدگی سادهتر و از لحاظ مصرف انرژی مناسبترند اما برای داشتن مانیتورینگ خوب نیاز به الگوریتمهای مرکزگرا میباشند. بنابراین این الگوریتمها در اکثر کاربردها مفیدترند.
احتمال خطا در انتشار، مشکل دیگری است که الگوریتمهای توزیع دارند و برای مقابله با آن باید از ارسال مکرر استفاده کنند که باعث تاخیر زیاد در این سیستمها می شود.
از طرفی طراحی الگوریتم مناسب از لحاظ دقت، برای این سیستمها به دلیل کمبود امکانات پردازشی مشکل است.
مهمترین نوع الگوریتمهای مرکزگرا الگوریتمهای MDS میباشند که بنا به کاربردهای مختلف دارای نسخههای متفاوتی هستند.
الگوریتم MDS
به طورکلی، تمام الگوریتمهای MDS ابتدا شامل کوتاهترین مسیر بین تمام گرههای شبکه به صورت دو به دو میباشند. بنابراین با داشتن کمترین پرشها بین دو گره به ازای تمام گرهها میتوان فاصله هر دو گره را پیدا کرد [۱۰] .
در این صورت موقعیت گرهها با توجه به داشتن مکان گرههای مرجع با تکنیکهای تخمین تعیین می شود. این الگوریتم در مکانهایی که توزیع گرهها مرتب است مناسب میباشد. زیرا اگر چگالی گرهها مناسب باشد طول واقعی بین گرهها نزدیک به حاصلضرب تعداد پرشها در فاصلهی متوسط بین گرههاست.
الگوریتمهای زیادی بر مبنای هدف خاصی ارائه شده اند. هیچ الگوریتمی به صورت خاص وجود ندارد که در همه دستهبندیها دارای کارایی بالا باشد.
هرکدام از این الگوریتمها بر مبنای هدف خاصی بکار گرفته میشوند. از این رو انتخاب الگوریتم مناسب برای کاربرد خاص از روی تجربه زیاد و البته هنر حاصل می شود. در میان الگوریتم مرکزگرا، الگوریتمهایی بر پایه های دقت، هزینه، توان مصرفی و پوشش در این تحقیق بکارگرفته میشوند.
به بیان دیگر، در این رویکردها باید نوعی مصالحه بین معیارها برقرار شود. مثلا افزایش دقت در برخی عملکردها منجر به افزایش تعداد حسگر و افزایش هزینه است. هدف اصلی این تکنیکها ایجاد یک پیکربندی فضایی در یک بعد، دو بعد یا سه بعد از نقاط میباشد.
