شهریور 1390
تکه هایی از متن به عنوان نمونه :
چکیده
بهینه­سازی جایگذاری گره­ها در محیط­های مختلف برای شبکه ­های 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 بهره گرفتن از ارتباطات رادیویی، فاصله دو جسم را تشخیص داده و بعد از چندین اندازه­­­گیری از گره­های مختلف، مکان جسم را در منطقه مشخص می­ کند. 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 اندازه ­گیری 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 بهره گرفتن 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 می ­تواند 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 ارائه 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 بهره گرفتن 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 بهره گرفتن 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: سیستم­های­فراپهن­باند5
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: شبکه ­های­اقتضایی­بی­سیم.21
3-1- مقدمه 22
3-2- دسته­بندی سیستم­های مکان­یاب 22
3-3- دسته­بندی الگوریتم­های مکان­یاب در شبکه ­های حسگر.16
3-4- انواع روش­های فاصله­یابی.30
3-4-1- مکان­یابی بر اساس قدرت سیگنال. 31
3-3-2- مکان­یابی براساس زاویه رسیدن سیگنال32
3-3-3- مکان­یابی بر اساس زمان رسیدن سیگنال. 35
3- 5- استراتژی­های تشخیص پیک برای سیستم­های مکان­یاب زمانی39
3 – 6- مشکلات مکان­یابی براساس زمان40
3-7- تکنیک­های تخمین مکان42
3-8- فناوری­های در دسترس برای سیستم­های مکان­یاب.45
فصل 4: استفاده از فناوری فراپهن­باند برای سیستم­های مکان­یاب47
 
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 اندازه ­گیری­ها 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 شبکه ­های مکان­یاب 66
5-2- دسته­بندی توپولوژی شبکه ­های 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 طرح78
5-5-2- بررسی اثر فاصله روی باند خطای مکانی81
5-5-3- تشریح الگوریتم82
5-5-4- تست و شبیه­سازی الگوریتم برای محیط­های ساده.91
5-5-5- الگوریتم بر مبنای تعداد گره مرجع91
5-5-6- مقایسه توزیع تصادفی گره­ها با جایگذاری بهینه­ آن­ها.97
5-5-7- الگوریتم بهینه­یاب بر مبنای دقت دلخواه99
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 شبکه ­های 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 RSSI32
شکل3-3: رسیدن جبهه موج به آرایه­ای از آنتن­ها33
شکل3-4: مکان­یابی با بهره گرفتن از زاویه رسیدن سیگنال.33
شکل3-5: مینیمم انحراف استاندارد بر حسب نسبت سیگنال به نویز با بهره گرفتن از زمان رسیدن سیگنال با پهنای پالس متفاوت34
شکل3-6: منحنی تغییرات کمینه خطای فاصله­یابی با بهره گرفتن از زمان رسیدن سیگنال بر حسب نسبت سیگنال.37
شکل 3-7: مکان­یابی با بهره گرفتن 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 بهره گرفتن از روش TOA 50
شکل 4-3: تاثیر دیوار بر روی سیگنال52
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 مختلف59
شکل 4-9: تابع توزیع چگالی با وجود بایاس با توزیع یکنواخت.61
شکل4-10: منحنی تغییرات ضرایب اهمیت بر حسب مقادیر بایاس متفاوت64
شکل 4-11: باند خطای مکانی بر حسب تغییرات مقدار بایاس65
شکل4-12: ساختار بسته­ی اطلاعاتی پروتکل فاصله­یاب در استاندارد IEEE.802.15.4a66
شکل 5- 1: توزیع منظم گره­ها و توزیع نامنظم گره­ها71
شکل 5-2: تغییرات دقت بر حسب چگالی گره­های مرجع.72
شکل 5-3: اثر چگالی گره­های مرجع برروی دقت73
شکل5-4: چیدمان گره­های مرجع برای هدف در مرکز دایره75
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