فهرست مطالب
- فصل اول: کلیات 1
1-1- مقدمه.. 2
1-2- تعریف مساله، هدف و ضرورت اجرای طرح پایان نامه 4
1-3- روش ها و فنون اجرایی طرح پایان نامه.. 5
1-4- ساختار فصل بندی پایان نامه.. 6
- فصل دوم: بر ادبیات تحقیق 7
2-1- مقدمه.. 8
2-2-آشنایی با شبکه های حسگر بی سیم زیرآب.. 8
2-2-1- اجزای شبکه های حسگر بی سیم زیرآب.. 10
2-2-2- معماری های مختلف شبکه های حسگر بی سیم زیرآب 11
2-2-3- چالش های شبکه های حسگر بی سیم زیرآب.. 14
2-2-4- همزمان سازی ساعت در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب 15
2-2-5- مکان یابی در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب.. 19
2-3- تخمینگر حداقل مربعات.. 26
2-4- مرز پایین کرامر رائو.. 28
- فصل سوم: بر تحقیقات اخیر انجام شده 32
3-1- شبکه های حسگر بی سیم.. 33
3-1-1- مکان یابی.. 33
3-1-2- همزمان سازی.. 34
3-1-3- مکان یابی و همزمان سازی به صورت همزمان.. 35
3-2- شبکه های حسگر بی سیم زیرآب.. 37
3-2-1- مکان یابی.. 37
3-2-2- همزمان سازی.. 39
3-2-3- مکان یابی و همزمان سازی به صورت همزمان.. 40
- فصل چهارم: روش پیشنهادی 43
4-1- مقدمه.. 44
4-2- روش پیشنهادی برای انجام همزمان سازی و مکان یابی توامان 44
4- 2- 1- تنظیمات سیستم و فرضیات.. 47
4-2-2- فاز اول: مکان یابی اولیه با بهره گرفتن از تکنیک TOA.. 49
4-2-3- فاز دوم: تدریجی کردن حرکت حسگرها 50
4-2-4- فاز سوم: تخمین اریب زمان سنجی و انحراف… 51
4-2-5- فاز چهارم: جبران اثر لایه بندی… 52
4-2-6- فاز پنجم: مکان یابی همراه با پالایش تکرار. 55
4-2-7- به کار گیری مرز پایین کرامر رائو برای روش پیشنهاد شده 58
- فصل پنجم: شبیه سازی و ارزیابی نتایج 59
5-1- مقدمه.. 60
5-2- پارامترها، متریک ها و روش تحلیل.. 60
5-3- طراحی آزمایش.. 61
5-4- شبیه سازی و تحلیل نتایج.. 61
- فصل ششم: خلاصه، نتیجه گیری و پیشنهادات آتی 70
6-1- خلاصه.. 71
6-2- نتیجه گیری.. 73
6-3- نوآوری روش ارائه شده.. 74
6-4- پیشنهادها.. 74
مراجع 76
پیوست ها 80
فهرست شکلها
شکل 2-1 نمونه ای از حسگرهای بیسیم زیرآب…………………………………………………… 10
شکل 2-2 نمونههایی از AUV………………………………………………………………………… 11
شکل 2-3 معماری دو بعدی در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب…………………………….. 12
شکل 2-4 معماری سه بعدی در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب…………………………….. 14
شکل 2-5 مبادله پیام یکطرفه جهت همزمانسازی ساعت………………………………………… 18
شکل 2-6 مبادله پیام دو طرفه جهت همزمانسازی ساعت……………………………………….. 18
شکل 2-7 تخمین فاصله به روش TOA……………………………………………………………… 20
شکل 2-8 تخمین فاصله به روش TDOA…………………………………………………………… 21
شکل 2-9 محاسبه موقعیت به روش DV-Hop …………………………………………………….. 25
شکل 3-1 دستهبندی روشهای مکان یابی…………………………………………………………… 34
شکل 4-1 نمودار گردش کار الگوریتم پیشنهاد شده……………………………………………… 46
شکل 4-2 اثر لایهبندی در شبکه های حسگر بیسیم زیرآب…………………………………….. 54
شکل 5-1 Perr برای واریانس خطای TOA (1/σ2)……………………………………………….. 64
شکل 5-2 میانگین مربعات خطای انحراف ساعت در برابر واریانس خطای TOA (1/σ² )… 65
شکل 5-3 میانگین مربعات خطای اریب زمانسنجی در برابر واریانس خطای TOA (1/σ² ). 67
شکل 5-4 Perrدر برابر تعداد نودهای مرجع با واریانس خطای TOA، db45 = 1/σ²………. 67
شکل 5-5 Perrدر برابر تعداد تکرارهای شبیهسازی………………………………………………… 68
فهرست جدولها
جدول 5-1 بازه اطمینان 95 درصدی برای Perr. 65
جدول 5-2 بازه اطمینان 95 درصدی برای انحراف ساعت.. 66
فهرست نشانههای اختصاری
d˜i,iʹ | خودبرآورد مربوط به مسافت بین موقعیت مکانی ji و jiʹ |
ji | مختصات دو بعدی مربوط به حسگر معمولی |
L | تعداد حسگر های مرجع |
N | تعداد بستههای انتقال یافته در مدت زمان پنجره مکان یابی |
Ol | انحراف |
pi | مختصات دو بعدی مربوط به Lمین حسگر مرجع |
Ri | زمان محلی دریافت iمین بسته ] ثانیه[ |
Sl | اریب زمانسنجی حسگر معمولی در ارتباط با Lمین حسگر مرجع |
Ti | زمان محلی ارسال i مین بسته ] ثانیه[ |
tl | ساعت محلی مربوط به مرجع L |
Tpdi | تاخیر انتشار مربوط به i مین بسته ] ثانیه[ |
W | مدت زمان پنجره مکان یابی. |
Δ | حد آستانه برای تدریجی کردن موقعیت مکانی ]متر[ |
σ2 | وا یانس مربوط به خطای اندازه گیری TOA |
ςli | نسبت بین Tpdi و تاخیر انتشار واقعی مربوط به بسته i |
ѱ˜i,iʹ | خودبرآورد مربوط به زاویه بین موقعیت مکانی ji و jiʹ ]رادیان[ |
فهرست کلمات اختصاری
ALS | Area Localization Schema |
AOA | Angle Of Arrival |
AUV | Autonomous Underwater Vehicle |
CRLB | Cramer Rao Lower Bound |
DV | Distance Vector |
FTSP | Flooding Time Synchronization Protocol |
GTLS | Generalized Total Least Squares |
IMM | Interactive Multiple Model |
LOS | Line-Of-Sight |
MAC | Medium Access Control |
ML | Maximum Likelihood |
MSE | Mean Square Error |
RMSE | Root Mean Square Error |
SVP | Sound Velocity Profile |
TDMA | Time Division Multiple Access |
TDOA | Time Difference Of Arrivals |
TLS | Total Least Squares |
TOA | Time Of Arrival |
UWSNs | Underwater Wireless Sensor Networks |
- فصل اول: کلیات
- مقدمه
با گسترش روزافزون ابزارهای هوشمند کوچک وبا همگرا شدن ارتباطات بیسیم با ابزارهای ریز، امکان پدید آمدن شبکه های کمهزینه و در ابعاد مختلف فراهم شده است، شبکه هایی که بتوانند اطلاعات محیطی را برای انسان جمعآوری کنند، شبکه هایی که بدون زیرساخت و به سرعت برقرار شده و بتوانند خود را سازماندهی کنند و نیازی به انرژی خارجی نداشته باشند. مهمترین این شبکهها، شبکه های حسگر بیسیم میباشند و هر روزه کاربردها و استفادههای جدیدی در زمینه امور نظامی و غیر نظامی برای این نوع از شبکه ها ارائه میشوند و مورد استفاده قرار میگیرند.
شبکه های حسگر بیسیم زیرآب گونه ای از شبکه های حسگر هستند که در محیط زیر آب قرار میگیرند و توسط امواج صوتی با یکدیگر ارتباط دارند. شبکه های حسگر بیسیم در زیرآب برای مقاصدی چون جمع آوری داده های کف آب، نظارت بر آلودگی آبها، نظارت بر محیط ساحل، ناوبری و کاربردهای نظامی نظارت بر محیط به کار برده می شوند[1].
از آنجا که که در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب، رسانه انتقال آب است، چالشها و مشکلات خاص خود را دارد که طراحی شبکه را تحت تاثیر قرار میدهند، از جمله این چالشها میتوان به تغییر سرعت صوت با توجه به عمق، دما و شوری آب، تحرک دائمی حسگرها، تاخیر انتشار طولانی و چندمسیری[1] را نام برد. بنابراین پروتکلها و پروتکلها و الگوریتمهای لایه های شبکه های حسگر زمینی برای شبکه های حسگرزیر آب نامناسبند.
تاکنون پروتکلها و الگوریتمهای زیادی به خصوص در زمینه مسیریابی و در زمینه کنترل دسترسی به رسانه از جمله Slotted FAMA ,UWAN-MACو… مطرح شده است [2] [3] [4] که در همه آنها مساله مکان یابی و همزمانسازی حسگرها از اهمیت ویژهای برخوردار است، برای مثال دسترسی چندگانه به وسیله تقسیم زمان (TDMA)[2] از مواردی است که بطور رایج در پروتکلهای دسترسی به رسانه(MAC)[3] استفاده می شود که به همزمانی دقیق میان حسگرها نیازمند است. به عنوان مثالی دیگر از اهمیت همزمانسازی و مکان یابی میتوان به این نکته اشاره کرد که تعداد زیادی از الگوریتمهای مسیریابی به اطلاعات مکانی حسگرها وابسته هستند [5] و [6].
اگرچه سرویسهای همزمانسازی و مکان یابی به هم وابسته هستند، معمولا به صورت مستقل مورد مطالعه قرار گرفتهاند و این به این دلیل است که مکان یابی از نقطه نظر شبکه های رادیویی و پردازش سیگنال [7] و همزمانسازی از نقطهنظر طراحی پروتکل مورد بررسی قرار گرفته اند [8]. در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب، مکان یابی بیشتر از طریق زمان دریافت (TOA)[4] و زمان متفاوت دریافت (TDOA)[5] انجام می شود که وابسته به سرویسهای همزمانسازی هستند و در واقع این سرویسها پیشنیاز الگوریتمهای مکان یابی هستند. از طرف دیگر اطلاعات در رابطه با مکان حسگرها چون برای تخمین تاخیر انتشار مورد استفاده قرار میگیرد [9]، کمک فراوانی به همزمانسازی حسگرها می کند. با توجه به این ارتباطات، مکان یابی و همزمانسازی را میتوان در کنار هم انجام داد که انجام این کار دو مزیت بسیار مهم دارد:
- در یک استراتژی توامان از آنجا تعداد کمتری مبادلات پیام لازم است، صرفه جویی قابل توجهی در مصرف انرژی که از موارد بسیار مهم در شبکه های حسگری زیر آب میباشد خواهیم داشت.
- یک راهحل توامان می تواند به افزایش صحت[6] در هر دو سرویس کمک کند.
پس با توجه به اهمیت مکان یابی و همزمانسازی که پیشنیاز اکثر پروتکلها و الگوریتمها میباشد و از نیازهای اساسی در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب است ضرورت دارد که به این دو موضوع پرداخته شود اما از آنجا که این دو سرویس به یکدیگر وابسته هستند، ارائه یک راهحل که این دو سرویس را با در نظر گرفتن چالشهای خاص محیط زیرآب، درکنار یکدیگر انجام دهد از اهمیت ویژهای برخوردار میباشد.
- تعریف مساله، هدف و ضرورت اجرای طرح پایان نامه
کاربردهای شبکه های حسگر زیر آب شامل مانیتورینگ اقیانوس و دریا، جستجوی معادن زیردریایی، کشف مواد شیمیایی و بیولوژیکی مضر، سیستمهای پدافند زیردریایی خودمختار، جمعآوری داده های محیطی برای راهنمایی کشتیها و… میباشند که همه این کاربردها نیاز به دانستن موقعیت نودهای حسگر دارند، ولی به دلیل ماهیت متحرک بودن نودهای زیردریایی، نمیتوان از تکنیکهای مکان یابی موجود برای شبکه های حسگر زمینی استفاده نمود. لذا نیاز به تکنیکهایی است که بتوان تکنیکهای مکان یابی شبکه های حسگر زمینی را برای شبکه های حسگر زیردریایی توسعه داد.
همزمانسازی نیز یکی از نیازمندیهای اصلی برای سرویسهایی است که توسط شبکه های توزیع شده فراهم میشوند، تعداد زیادی از پروتکلهای همزمانی برای شبکه های حسگر بیسیم مطرح شده اند، اما هیچ کدام از آنها نمیتوانند به صورت مستقیم برای شبکه های زیرآب به کار برده شوند، یک الگوریتم همزمانی باید فاکتورهای دیگری همچون مدت زمان تاخیر طولانی که ناشی از استفاده از ارتباطات صوتی میباشد و تحرک حسگرها را نیز در نظر بگیرد. این چالشها صحت رویه همزمانی را برای شبکه های حسگر بیسیم زیردریایی بحرانیتر می کند، بنابراین راه حلهای همزمانی مورد نیاز است که به طور خاص برای شبکه های بیسیم زیردریایی طراحی شده باشند تا بتوانند این نیازمندیها را برطرف سازند.
با توجه به موضوعات مطرح شده در بالا و ضرورت در نظر گرفتن آنها در شبکه های حسگر بیسیم زیردریایی و با توجه به درنظر گرفتن محیط زیرآب که دارای چالشهای خاص خود میباشد، هدف از انجام این پایان نامه ، مطالعه جنبه های مختلف، ویژگیها و چالشهای محیط زیرآب و شبکه های حسگر بیسیم زیرآب و در نهایت، ارائه یک روش است که مکان یابی و همزمانسازی حسگرهای زیرآب را به صورت توامان انجام دهد و درعین حال محدودیتهای موجود در محیط زیرآب را مدنظر قرار دهد.
برای نشان دادن کارایی روش ارائه شده از شبیهساز مطلب استفاده خواهد شد و تکنیک ارائه شده با تکنیکهایی که قبلا ارائه شده اند مقایسه می شود.
[1] Multipath
[دوشنبه 1399-10-01] [ 07:35:00 ب.ظ ]
|