دانلود متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته مهندسی برق گرایش برق-مخابرات
با عنوان :بهینه سازی جایگذاری گره ها در محیط های مختلف برای شبکه های حسگر فراپهن باند مکان یاب
پایان نامه کارشناسی ارشد در رشته مهندسی برق (مخابرات سیستم)
بهینهسازی جایگذاری گرهها در محیطهای مختلف برای شبکه های 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 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 2: سیستمهایفراپهنباند……………………………………………………………………………………………………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
3-2- 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 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
4-4- مدل کردن اندازه گیریها 59
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
5-5- 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 بهینه آنها………………………………………………………….97
5-5-7- الگوریتم بهینهیاب بر مبنای دقت دلخواه………………………………………………………………………………….99
فصل 6: نتیجهگیری وپیشنهادات 102
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 RSSI………………………………………………………………….32
شکل3-3: رسیدن جبهه موج به آرایهای از آنتنها…………………………………………………………………………………………..33
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 متفاوت…………………………………………………………………………………………………………………………………………..34
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 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 بهره گرفتن 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
| AOA | Angle Of Receive |
| CRB | Cramer Rao Bound |
| EIRP | Equivalent isotropically radiated power |
| GPS | General Positioning System |
| FCC | Federal Communications Commission |
| LOS | Line Of Side |
| MAC | Medium Access Control |
| MDS | Multidimentional Scaling |
| NLOS | None Line Of Side |
| PS | Power Save |
| PEB | Position Error Bound |
| RSS | Received Signal Strength |
| SDP | Semi Define Programming |
| SNR | Signal to Noise Ratio |
| TDOA | Time Different of Arrival |
| TOA | Time Of Arrival |
| UWB | Ultra-Wideand |
| WLAN | Wireless Local area Networks |
| WPAN | Wireless Personal Area Networks |
| ZZB | Ziv-Zakai Bound |
فصل اول:
مقدمه
امروزه استفاده از شبکه های حسگر بسیار رایج و کاربردی شده است. شبکه های حسگر مجموعه ای از ادوات حسگر است که با چیدمان مخصوص در محیطی قرار گرفته و با سعی در پوشش کل محیط، هدف خاصی را دنبال می کند. هدف در شبکه های 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 می کند.
اما مکانیابی اشخاص در انبارهای تجهیزات، بیمارستانهای بزرگ، مکانهای امنیتی در فضاهای داخلی با بهره گرفتن 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 بهره گرفتن از تغذیه باتری با مشکل روبرو می کند. 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 شبکه های حسگری استفاده میشود. بنا براین شبکه های 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] .
| کاربرد | دقت مورد نیاز |
| مراقبت داخلی | 1 سانتی متر |
| مکانیابی ابزاری | 1 سانتی متر |
| راهنمای ربات داخلی | 8 سانتی متر |
| راهنمای عابر پیاده | 1 متر |
| سرویسهای مکانیابی | 3 متر |
| اطلاعات قطار- اتوبوس- هواپیما | 30 متر |
| مکانیابی حوادث | 1 متر |
| درههای شهری | 50 سانتی متر |
جدول1-1: کاربرد و دقت مورد استفاده برای انواع مکانیابی
همانطور که در این جدول دیده میشود اکثر کاربردهای مهم مکانیابی نیاز به دقتهای سانتیمتر تا حداکثر متر دارند.
از ویژگیهای سیگنالهای فراپهنباند، قابلیت تفکیک سیگنالها از مسیرهای مختلف به دلیل باریک بودن پالسها است. قابلیت دیگر نفوذ و عبور از دیوارهها و البته انتقال داده با نرخهای بالا به دلیل پهنای باند وسیع است.
[1] GPS
[2] GLONASS
[3] Galileo
[4]Anchor
[5]Mobile Robot
[6]WLAN
ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل و با فرمت ورد موجود است
متن کامل را می توانید دانلود نمائید
چون فقط تکه هایی از متن پایان نامه در این صفحه درج شده (به طور نمونه)
ولی در فایل دانلودی متن کامل پایان نامه
با فرمت ورد word که قابل ویرایش و کپی کردن می باشند
موجود است
تعداد صفحه :140
قیمت : 14700 تومان
