تکنیک های مکان یابی شبکه حسگر بی سیم (ادامه)
دراین
پایاننامه
یک مرور کلی بر روی تکنیکهایی که برای مکان یابی شبکه حسگر بیسیم قابل
استفاده
باشند انجام میدهیم. بررسی تکنیک های مکان یابی شبکه حسگر بیسیم را
میتوانید در [2-4] پیدا کنید. تمرکز این مراجع برروی تکنیک های مکان یابی
در محیط های شبکه سلولی و شبکه محلی بیسیم و برروی جنبه ی پردازش سیگنال
تکنیک های
مکان یابی است. شبکه های حسگر بطور قابل توجهی از شبکه های سنتی سلولی و
شبکه های
محلی بیسیم متفاوت است. در این نوع شبکه ها فرض برآن است که گره های حسگر
کوچک،
ارزان، مشارکتی و در فضای بزرگی توزیع شده است. این ویژگی های شبکه حسگر
چالش ها و
فرصت های منحصر بفردی را بوجود میآورد. پاتواری و همکارانش بعضی ابزارهای
پردازش سیگنال عمومی را که در
الگوریتم های مکان یابی شبکه حسگر بیسیم مشارکتی
مفید است ارائه داده است[5]،
با تمرکز برروی مرزهای کرامر-رائو برای مکان یابی با استفاده از انواع
متفاوتی از
سنجه ها. برعکس مرور ما برروی تکنیک های اندازه گیری و الگوریتمهای مکان
یابی در
شبکه حسگر بیسیم است. هرچند که اغلب تکنیک هایی که دراین تحقیق پوشش داده
شدهاند،
میتوانند در فضاهای دو بعدی و سه بعدی استفاده شوند، برآن شدهایم تا
مسائل مکان
یابی دو بعدی را مورد توجه قرار دهیم.
تکنیک های اندازه
گیری
تکنیک های اندازه
گیری در مکان یابی شبکه حسگر بیسیم بطور کلی میتواند به سه دسته طبقه بندی شود:
اندازه گیری های AOA،
اندازه گیری های وابسته به فاصله و تکنیک های شکل دهی RSS.
اندازه گیری های
زاویه ی ورود.
تکنیک های انداره
گیری زاویهی ورود نیز خود میتواند به دو زیردسته تقسیم شود: آنهایی که از آنتن های گیرنده ی پاسخ دامنه
استفاده میکنند و آنهایی که از آنتن های گیرنده ی پاسخ فاز استفاده می کنند. بیم
فرمینگ اسمی است که برای استفاده از ناهمسانگردی در الگوی دریافت یک آنتن استفاده
اختصاص داده میشود، و اساس یک دسته از تکنیک های اندازگیری AOA
می باشد. واحد شنجش میتواند در مقایسه با طول موج سیگنال کوچک باشد. الگوی پرتوی
یک آنتن ناهمسانگرد نوعی در شکل 1. نشان داده شده است. می توان تصور کرد که پرتوی
آنتن گیرنده بطور مکانیکی یا الکترونیکی چرخش کند، و جهت متناظر با حدکثر شدت
سیگنال بعنوان جهت فرستنده درنظر گرفته شود. پارامترهای مرتبط میزان حساسیت گیرنده
و پهنای پرتو میباشند.
یک مشکل تکنیکی که
با آن مواجه هستیم و برای غلبه بر آن تلاش شده است زمانی است که سیگنال ارسالی شدت
سیگنال متغییری داشته باشد. گیرنده نمیتواند نوسان شدت سیگنال را بدلیل دامنه های
متفاوت سیگنال ارسالی و نوسان شدت سیگنال به سبب ناهمسانگردی در الگوی دریافت تشخیص
دهد. یک روش برای مقابله با این مشکل استفاده از آنتن دوم غیرچرخشی و همه سوی در
گیرنده است. با نرمال سازی شدت سیگنال
دریافتی توسط آنتن ناهمسانگرد چرخشی نسبت به شدت سیگنال دریافتی توسط آنتن همه
جهتهی ناچرخشی، تاثیر نوسان شدت سیگنال
تاحد بسیار زیادی حذف میشود.
یکی دیگر از
روشهایی که برای مواجهه با مشکل نوسان شدت سیگنال بسیار مورد استفاده قرار میگیرد
بکارگیری حداقل دو (اما معمولا حداقل چهار) آنتن ایستای آگاه از الگوهای
ناهمسانگرد است. از روی هم افتادگی این الگوها و مقایسهی شدت سیگنال دریافتی از
هر آنتن در یک زمان جهت فرستنده بدست میآید، حتی زمانی که شدت سیگنال تغییر کند.
میزان سازی درشت با استفاده از اندازهگیری اینکه کدام آنتن قوی ترین سیگنال را
دارد انجام میشود، و و بدنبال آن بوسیلهی
میزان سازی مناسب که مقایسه بین پاسخهای دامنه است. بدلیل خطاهای کوچک در
اندازگیری توان دریافتی میتواند منجر به خطای اندازگیری AOA
بزرگی شود، دقت اندازه گیری نوعی برای چهار آنتن 10 تا 15 درجه است. با شش آنتن
این میتواند تا 5 درجه و با 8 آنتن تا 2 درجه بهبود یابد.
دستهی دوم از
تکنیک های اندازه گیری به فاز تداخل مشهور هستند[7]،
اندازه ی AOA
را از اندازگیری فاز تفاوتهای درون جبهه ی موج رسیده بدست میآورد. نوعا در این
دسته نیاز به یک آنتن گیرنده ی بزرگ (متناسب با طول موج سیگنال فرستنده) یا یک
آرایهی آنتنی دارد. شکل 2 یک آرایهی آنتنی که از N
عنصر آنتن تشکیل شده است نشان میدهد. عناصر آنتنی مجاور با فاصله ی یکسان d
از یکدیگر جدا شدهاند. فاصلهی بین یک فرستنده بیسار دور از آرایهی آنتنی و عنصر
آنتن iام بوسیلهی فرمول
زیر قابل تخمین است. که دراینجا R0
فاصلهی بین فرستنده و عنصر آنتن 0 و h پرتوی فرستنده نسبت به آرایهی آنتن است.
سیگنالهای
دریافتی فرستنده بوسیلهی عناصر آرایهی مجاور فاز تفاوت زیر را دارند،که به ما
این اجازه را میدهد تا وضع فرستنده را از روی اندازگیری فاز تفاوت بدست آوریم.
این روش بخوبی برای SNR
های بالا کار میکند اما ممکن است با وجود تداخلهای کانال مشترک قوی و/یا سیگنالهای
چند مسیری به شکست منجر شود[7].
دقت اندازگیری های AOA
بوسیلهی رهنمودهای آنتن محدود میشود. چگونگی بدست آوردن دقت اندازه گیری های AOA
در حضور خطای سایه و چندمسیری به یک موضوع پرجاذبه برای تحقیقات بدل شده است.
اندازگیری های AOA
وابسته به جهت دید[1] مستقیم از فرستنده به گیرنده
است.
هرچند که یک عنصر
چندمسیری ممکن است بعنوان یک سیگنال رسیده از یک جهت کاملا متفاوت دیده شود و میتواند
منجر به خطاهای بسیار بزرگی در اندازگیری های AOA
شود. مسائل چند مسیری در اندازگیری های AOA با استفاده از الگوریتم های حداکثر احتمال[2]
مرتفع شده است[7]. الگوریتم های حداکثر احتمال متفاوتی در مقالات علمی
ارائه شده است که فرضیات مختلفی را دربارهی خصوصیات احتمالی سیگنال های رخ
داده
در نظر میگیرند[8-10].
میتوان آنها را در دو دستهی روشهای حداکثر احتمال قطعی و غیرقطعی طبقه
بندی
کنیم. نوعا روشهای حداکثر احتمال AOA
را برای هر مسیر جداگانه در یک میحط چند مسیری تخمین می زنند. پیاده سازی
این
روشها از نظر محاساتی دشوار است و نیاز به جستجوی چندبعدی پیچیده دارد.
ابعاد
جستجو برابر با کل تعداد مسیرهایی است که توسط تمام سیگنالهای دریافتی
گرفته شدهاند[7]. مسئله همچنان پیچیده میباشد بوسیلهی این واقعیت که
تعداد کل مسیرها یک مقدم ناشناس است و باید تخمین زده شود. در تضاد با
روشهای
حداکثر احتمال اخیر، که فرض میکنند سیگنال ورودی یک فرآیند تصادفی ناشاخته
است،
دستهی دیگری از روشهای حداکثر احتمال [11-13]
فرض میکنند که ساختار شکل موج برای گیرنده شناخته شده است. این فرض در
بعضی سیستم
های ارتباطی امکان پذیر است چراکه قالب مودلاسیون برای گیرنده شناخته شده
است و
اکثر سیستم ها با یک دنبالهی یادگیری در دیباچه مجهز شده اند. داده های
اضافی
منجر به بهبود دقت اندازگیری های AOA
یا ساده کردن محاسبات می شود.
هنوز در دستهی
دیگر روشهای اندازه گیری AOA
براساس اصطلاحا الگوریتم های زیر-فضا پایه باقی مانده است. مشهورترین و بهترین
روشها در این طبقه بندی MUSIC[3](دسته بندی سیگنال چندمسیری) و ESPRIT[4](تخمین پارامترهای سیگنال با تکنیک های تغییر ناپذیری
چرخشی) [15,16]. این الگوریتم های خود تجزیه وتحلیل براساس جهت یافت
شده از یک فرمول فضای بردار استفاده میکنند، که از مزیت مدل دادهی پارامتریک
اساسی برای مشکل آرایهی حسگر استفاده بهره مییرد. آنها به یک آنتن چندآرایهای
برای ساخت یک ماتریس همبستگی با استفاده
از سیگنالهای دریافتی توسط آرایه نیاز دارند. بردارهای سیگنال اندازگیری شده که در
M
عنصر آرایه دریافت شده اند، بعنوان یک بردار فضای M
بعدی بصری سازی می شوند.
با بکارگیری
یک ماتریس همبستگی خود تجزیه، فضای بردار به زیرفضاهای نویز و سیگنال تقسیم
میشود.
سپس الگوریتم MUSIC بدنبال تهیها
در مربع برزگی طرح بردار جهت برروی زیرفضای نویز میگردد. تهیها یک تابع
از زاویهی
ورود است، که از طریق آن زاویهی ورود قابل تخمین است. برای آرایههای خطی،
Root-MUSIC [18]، ریشهی چندجملهای نسخهی MUSIC، توانایی تمیز MUSIC را
بهبود میبخشد. یک نسخهی وزندار MUSIC، WMUSIC
[19] توسعهای را در توانایی شناسایی در
مقایسه با MUSIC اصلی بوجود آورده است. ESPRIT
[15,16] براساس تخمین پارامترهای سیگنال در
برابر تکنیک های تغییر ناپذیر چرخشی است.
مسیریابی در شبکه های بیسیم حسگر – قسمت چهارم
از بهترين طبقه بندی های
پروتکلهاي مسيريابي شبکههای حسگر، طبقهبندي
ارائه شده توسط آقايان اکايا
و يانيس ميباشد.
اين طبقه بندي،
پروتکلهاي مسيريابي را با توجه به نحوه عملکرد گرهها، اطلاعات در دسترس هر گره و
اهداف شبکه به چهار دسته کلي: “داده محور”، “سلسله مراتبي”، “بر اساس موقعيت” و “آگاه از کيفيت سرويس و جريان
شبکه” تقسيم ميکند.
پروتکلهاي
مسيريابي داده محور
در بسياري از
کاربردهاي شبکههاي حسگر اختصاص يک شناسه عمومي به گرهها امکانپذير نيست. اين
وضعيت باعث ميشود که براي پرسوجوهاي مختلف انتخاب يک مجموعه خاص، سخت باشد.
بنابراين داده از هر گره به محدوده گسترده گرهها انتقال مييابد که افزونگي
زيادي را در
بر ميگيرد و
باعث ميشود که کارائي از لحاظ مصرف انرژي پايين بيايد. اين پروتكل‌هاي مسيريابي كه داده محور نام
دارند با
مسيريابيهاي سنتي که بر پايه آدرس هستند
متفاوت مي‌باشند.
در مسيريابيهاي داده محور معمولا گره مرکزي پرسشهايش را به منطقههاي معين ميفرستد
و براي دريافت داده از گرههاي موجود در آن ناحيه منتظر ميماند. بعد از اينکه پاسخ پرسش به دست آمد، پاسخ در
داخل بسته داده به گره مرکزي ارسال ميشود. پروتکلهاي ارائه شده زيادي را ميتوان
در دسته پروتکلهاي داده محور قرار داد که از مهمترين آنها ميتوان به پروتکلهاي
“انتشار سيلگونه”، “شايعهپراکني”، SPIN ، Directed Diffusion ، Flooding ، EAR و … اشاره کرد.
پروتکلهاي مسيريابي سلسله مراتبي
در مسيريابي
سلسله مراتبي، گرهها به خوشههاي منطقي تقسيم ميشوند. در هر خوشه یک گره سرخوشه و گرههاي
ديگر به عنوان اعضای خوشه در نظر گرفته ميشوند. اعضای خوشه اطلاعات مورد نظر را
با توجه به کاربرد از محيط به دست ميآورند و سپس اين اطلاعات را به سرخوشه ارسال
ميکنند. سرخوشه نيز با جمعآوري اين اطلاعات آنها را به گره مرکزي ميفرستد.
اکثر پروتکلهاي سلسسله مراتبي داراي دو مرحله براي مسيريابي هستند. مرحله اول انتخاب سرخوشه و
مرحله دوم مسيريابي ميباشد. مسيريابي سلسله مراتبي يک راه موثر براي کاهش پيغامهاي
ارسالي به ايستگاهاي اصلي و در نتيجه افزايش طولعمر شبکه ميباشد. پروتکلهاي
زيادي را ميتوان به اين دسته اختصاص داد که از جمله ميتوان به LEACH، PEGASIS
، TEEN، APTEEN
، AIMRP، HEED
و … اشاره
کرد.
پروتکلهاي مسيريابي براساس موقعيت
بيشتر پروتکلهاي مسيريابي نياز دارند كه گرههاي اطلاعات موقعيت خود را داشته
باشند. در بيشتر موارد اطلاعات موقعيت به منظور محاسبه فاصله بين دو گره خاص براي
تخمين مصرف انرژي نياز است. با استفاده از اطلاعات موقعیتی میتوان راهکارهای موثر
مسیریابی ارائه داد که در مصرف انرژی صرفهجویی موثری انجام دهند.
آگاهي از
موقعيت ميتواند به وسيله وسايل فيزيکي ماننGPS و يا
الگوريتم اکتشاف توپولوژي به دست آيد. تا كنون پروتکلهاي مسيريابي بر اساس
موقعيت زيادي ارائه شده است که ميتوان بهMECN ، GAF، GEAR، PGR و
… اشاره کرد. توضيح برخي از اين پروتکلها در ذيل آمده است.
پروتکلهاي مسيريابي آگاه از
کيفيت سرويسدهي و جريان شبکه
الگوريتم‌ها نيز موارد ديگري همچون کيفيت سرويس و جريان شبکه را مدنظر قرار
داده‌اند. پروتکلهاي آگاه از کيفيت سرويسدهي نيازهاي تاخير انتها به انتها، طولعمر
شبکه و … را بررسي ميکنند. پروتکلهايي همچون “جمعآوري داده با حداکثر
طولعمر”، “ارسال با حداقل هزينه”، SAR و … در اين دستهبندي
قرار دارند. توضيح برخي از اين پروتکلها در ذيل آمده است.
پروتكل ارسال با حداقل هزينه
پروتكل “ارسال با حداقل هزينه”، هزينة ارتباطي را بر مبناي سه
فاكتور تأخير لينك، توان عملياتي و انرژي باقيمانده در گره بنا كرده است. الگوريتم
ارائه شده داراي دو فاز ميباشد. در فاز اول، گره مركزي بستة interest را در سطح شبكه منتشر مي‌كند. هر گره، با دريافت interest هزينة خود را بر مبناي هزينة دريافتي از گره قبلي و هزينة لينك
ارتباطي محاسبه كرده و بسته را با هزينة جديد براي همسايگانش ارسال مي‌دارد. بدين
ترتيب، در پايان اين فاز، كلية گرهها هزينة ارتباطي خود تا گره مركزي را تعيين
خواهند نمود. فاز دوم به انتقال بسته‌ها به سمت گره مركزي تعلق دارد. در اين فاز،
گره‌اي كه بسته‌اي براي ارسال دارد، هزينة ارتباطي خود تا گره مركزي را در سرآيند
بسته قرار داده و بسته را براي همسايگان خود منتشر مي‌كند. هر همساية گره، هزينة
قرار داده شده در سرآيند بسته را چك مي‌كند. در صورتي كه هزينة ارتباطي اين همسايه
تا گره مركزي از هزينة مزبور بيشتر باشد، بدون هرگونه عملياتي، بسته را حذف مي‌كند.
ولي در صورتي كه هزينة ارتباطي تا گره مركزي، كمتر از هزينة موجود در سرآيند بسته
باشد، ابتدا سرآيند بسته را تغيير مي‌دهد تا هزينة ارتباطي خود تا گره مركزي را
شامل شود، و سپس بسته را براي همسايگان خود منتشر مي‌نمايد.
پروتکل SAR
پروتکل SAR، درخت‌هائي را تشكيل مي‌دهد كه ريشة
آنها قابليت ارتباط مستقيم با گره مركزي را دارند. يال‌هاي اين درخت با در نظر
گرفتن سه عامل كيفيت سرويس، منابع انرژي در هر مسير و سطح اولويت هر بسته تعيين ميشوند.
بدين ترتيب، مسيرهاي متعددي از گره مركزي به سمت هريك از حسگرها به دست خواهد آمد.
در هنگام ارسال اطلاعات، يكي از اين مسيرها بر اساس كيفيت سرويس و منابع موجود روي
هر مسير انتخاب ميشود.
