1. مکان یابی در شبکه های حسگر بیسیم
استاد راهنما:
دکتر کمال جمشیدی
ارائه دهنده:
حجت اله بهلولی
آذر 1386

2. چرا به مکان یابی در شبکه های حسگر بیسیم نیاز داریم؟
مکان یابی چیست؟
شبکه حسگر بیسیم چیست؟
چرا به مکان یابی در شبکه های حسگر بیسیم نیاز داریم؟
به مکانیزم پیدا کردن موقعیت یک شیئ یا فرد، یا پیدا کردن ارتباط فضایی بین اشیا، یا بدست آوردن اطلاعات مکان، مکان یابی گفته می شود.
دانستن مکان اشیا و افراد از دیرباز به عنوان یک نیاز به شمار می رفته و تلاشهای زیادی برای پیدا کردن راهی برای به دست آوردن مکان اشیا و افراد صورت گرفته است.
بزرگترین و در حال حاضر بهترین راه ارائه شده سیستم موقعیت یاب جهانی است. این سیستم دارای مزایا و معایبی است. به عنوان مثال مقدار خطای آن در حد چند متر است ولی گران قیمت است، بزرگ است، مصرف بالایی دارد و در بین ساختمانهای بلند و در داخل ساختمان پاسخگو نیست .
شبکه حسگر بیسیم به مجموعه ای از حسگرها که به صورت خودبرپا و به صورت بیسیم با یکدیگر مرتبط شده اند و همگی پدیده خاصی را اصطلاحا حس می کنند گفته می شود. تعداد این حسگرها می تواند بسیار زیاد و دامنه پراکندگی آنها نیز می تواند بسیار وسیع باشد. حسگر های این شبکه می توانند به صورت دستی در مکانهای مورد نظر قرار گیرند و ثابت شوند و یا اینکه به صورت تصادفی در محل مورد نظر برای حس کردن پراکنده شوند. هدف اصلی در این شبکه ها بعد از برپایی در درجه اول جمع آوری اطلاعات و بعد از آن هر چه بیشتر بودن عمر شبکه است.
برای رسیدن به هدف دوم که طولانی تر کردن عمر شبکه است باید هر چه می توان توان مصرفی حسگر ها را پایین آورد زیرا عمر یک حسگر به مقدار باطری موجود آن بستگی دارد. یکی از راههای پایین آوردن توان مصرفی یک حسگر این است که مقدار محاسبات انجام شده در آن و مقدار ارتباطات آن را به حداقل برسانیم مخصوصا مقدار ارتباطات، زیرا این عمل بیشترین توان مصرفی را در یک حسگر دارد. از دیگر خصوصیاتی که حسگرها باید داشته باشند می توان به اندازه کوچک و هزینه کم اشاره کرد.
در بسیاری از موارد داده های جمع آوری شده توسط شبکه بدون دانستن مکان جمع آوری آنها هیچ فایده ای ندارند. به عنوان مثال داده های مربوط به وقوع آتش سوزی در جنگل یا عبور دشمن از مرز. از این رو در این موارد باید مکان داده ها ،که همان مکان حسگر است، را نیز بدانیم. بنابراین در شبکه هایی که مکان حسگر ها در آنها مشخص و ثابت نیست به مکانیزمهای مکان یابی نیاز داریم. از طرفی با توجه به معایب سیستم موقعیت یاب جهانی و خصوصیاتی که یک حسگر داشته باشد نمی توان از این سیستم برای مکان یابی حسگر ها استفاده کرد و باید به دنبال راههای کم هزینه تر و کم مصرف تر بود. به همین خاطر روشهای زیادی برای مکان یابی در شبکه های حسگر بیسیم ارائه شده اند.

3. روشهای ارائه شده
این روشها بر مبنای وجود یک سری نقاط مرجع یا لنگر هستند.
الف) مبتنی بر فاصله
اندازه گیری
اندازه گیری قدرت سیگنال دریافتی(RSS)
اندازه گیری زمان ورود(ToA)
یک طرفه
دو طرفه
اندازه گیری اختلاف زمان ورود(TDoA)
اندازه گیری زاویه ورود(AoA)
محاسبه موقعیت
Lateration
Angulation
تکنولوژی های مورد استفاده در روشهای مبتنی بر فاصله
RF, IR, US و نور
بیشتر روشهای ارائه شده برای مکان یابی در شبکه های حسگر بیسیم بر این مبنا هستند که یک سری گره با موقعیت مشخص(یا در مکانهای با موقعیت مشخص قرار دارند یا به دستگاه GPS مجهز هستند) در شبکه پراکنده شده باشند. این روشها را می توان به دو دسته اصلی تقسیم کرد:
روشهای مبتنی بر فاصله: در این روشها با اندازه گیری یک سری پارامترهای زمانی یا فیزیکی، فاصله بین دو نقطه محاسبه شده و در مکان یابی مورد استفاده قرار می گیرد. به عبارت دیگر این روشها را می توان شامل دو فاز دانست. در فاز اول فاصله گره با تعداد مورد نیاز لنگر به یکی از روشهای RSS یا ToA یا TDoA یا AoA اندازه گیری می شود و در فاز دوم با استفاده از یک از روشهای Lateration یا Angulation موقعیت گره محاسبه می شود.

4. معایب و مزایا دقت نسبتا خوبی دارند
به سخت افزارهای گران قیمت نیاز دارند
برد کارایی آنها کم و محدود است.

5. روشهای ارائه شده ب) مستقل از مسافت
در این روشها نیازی به داشتن اطلاعاتی در مورد فاصله ها نیست.
مکان یابی نقطه ثقل
تخمین آزمایش نقطه در مثلث
مکان یابی چندگامی
معایب و مزایا
کم هزینه و آسان هستند
دقت پایینی دارند.
در روشهای مستقل از مسافت نیازی به داشتن اطلاعات فاصله ها نیست. از جمله این روشها می توان به موارد زیر اشاره کرد:
روش مکان یابی مرکز ثقل : در این روش که کاملا بر اساس فرکانسهای رادیویی است هر گره ناشناس اطلاعات مربوط به مکان گره های لنگر که توسط آنها به صورت فراگیر ارسال می شوند را جمع آوری و با محاسبه میانکین این مختصات ها موقعیت خود را بر آورد می کند. دقت این روش با افزایش تعداد نقاط مرجع بالاتر می رود.
تخمین آزمایش نقطه در مثلث: در این روش تقاطع مثلث های شکل گرفته از نقاط لنگر مد نظر قرار داده می شود و بررسی می شود که گره ناشناس در اشتراک کدام مثلث ها قرار دارد. قضیه مورد استفاده برای قرار داشتن یک نقطه در یک مثلث به این صورت است که : اگر یک مسیر باشد که اگر نقطه به آن سمت برده شود فاصله آن از سه راس مثلث دورتر یا نزدیکتر شود آن نقطه خارج مثلث قرار دارد در غیر این صورت داخل مثلث است.
مکان یابی چندگامی : این روش فرض می کند که گره های شبکه با ارسال مجدد پیام های دریافتی مانند مسیریاب عمل می کنند. مکانیزم مسیریابی برای استنباط اطلاعات مکانی از روی تعداد گامها مورد استفاده قرار می گیرد. کار با ارسال همگانی پیامی شامل اطلاعات مکان و تعداد گام با مقدار یک از طرف گره های لنگر شروع می شود. هر گره میانی به تعداد گام این پیام یک افزوده و آن را ارسال می کند. کمترین تعداد گام دریافتی از هر لنگر در گره های نگهداری می شود. با استفاده از میانگین طول هر گام که محاسبه می شود مکان یابی صورت می گیرد.

6. روشهای ارائه شده نکات قابل توجه: ج) سایر روشها
روشهای توزیع شده
روشهایی که در آنها مرجع ها متحرک هستند
نکات قابل توجه:
در هیچیک از روشها به استفاده از اطلاعات داخلی گره ها توجهی نشده است.
روشهای ارائه شده به جز تعدادی که به پردازش سیگنال یا طراحی آنتن پرداخته اند یا ساخت سخت افزارهای خاص بیشتر توسط محققان علوم کامپیوتر ارائه شده اند.

7. هدف ابزارهای شبیه سازی ارائه روشی که
از اطلاعات خود گره ها برای مکان یابی استفاده کند.
استفاده از اطلاعات خارجی را به حداقل برساند.
یا بهبود یکی از الگوریتمهای موجود به طوریکه
از اطلاعات موجود در خود گره ها نیز استفاده کند
در نتیجه
حجم ارتباطات و توان مصرفی کاهش خواهد یافت.
قابلیت توسعه شبکه بالا خواهد رفت.
نیاز به سخت افزار اضافی کمتر خواهد شد.
ابزارهای شبیه سازی
TOSSIM
MiniWiz

8. Q & A

9. Received Signal Strength

10. Time of Arrival
ToA*سرعت سیگنال = فاصله

11. Angle of Arrival

12. Lateration
در محیط های دو بعدی به سه سطح نیاز داریم

13. Angulation به فاصله بین دو ند مرجع نیاز داریم
در محیط دو بعدی به اندازه گیری دو زاویه نیاز است.

14. Centroid Localization

15. Point In Triangle

16. Multihop Localization

17. انتخابها و محدودیتها