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 چندمسیری1 را نام برد. بنابراین پروتکلها و پروتکلها و الگوریتمهای لایههای شبکههای حسگر زمینی برای شبکههای 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 مکانیابی 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 میشود که به همزمانی دقیق میان حسگرها نیازمند است. به عنوان مثالی دیگر از اهمیت همزمانسازی و مکانیابی 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 مکانیابی به هم وابسته هستند، معمولا به صورت مستقل مورد مطالعه قرار گرفتهاند و این به این دلیل است که مکانیابی از نقطه نظر شبکههای رادیویی و پردازش سیگنال [7] و همزمانسازی از نقطهنظر طراحی پروتکل مورد بررسی قرار گرفته اند [8]. در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب، مکانیابی بیشتر از طریق زمان دریافت (TOA)4 و زمان متفاوت دریافت (TDOA)5 انجام میشود که وابسته به سرویسهای همزمانسازی هستند و در واقع این سرویسها پیشنیاز الگوریتمهای مکانیابی 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 میکند. با توجه به این ارتباطات، مکانیابی 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 شبکههای حسگری زیر آب میباشد خواهیم داشت.
یک راهحل توامان میتواند به افزایش صحت6 در هر دو سرویس کمک کند.
پس با توجه به اهمیت مکانیابی 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 پایاننامه
کاربردهای شبکههای حسگر زیر آب شامل مانیتورینگ اقیانوس و دریا، جستجوی معادن زیردریایی، کشف مواد شیمیایی و بیولوژیکی مضر، سیستمهای پدافند زیردریایی خودمختار، جمعآوری دادههای 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 مکانیابی موجود برای شبکههای حسگر زمینی استفاده نمود. لذا نیاز به تکنیکهایی است که بتوان تکنیکهای مکانیابی شبکههای حسگر زمینی را برای شبکههای حسگر زیردریایی توسعه داد.
همزمانسازی نیز یکی از نیازمندیهای اصلی برای سرویسهایی است که توسط شبکههای توزیع شده فراهم میشوند، تعداد زیادی از پروتکلهای همزمانی برای شبکههای حسگر بیسیم مطرح شدهاند، اما هیچ کدام از آنها نمیتوانند به صورت مستقیم برای شبکههای 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 شبکههای حسگر بیسیم زیردریایی بحرانیتر میکند، بنابراین راهحلهای همزمانی مورد نیاز است که به طور خاص برای شبکههای 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 شبکههای حسگر بیسیم زیردریایی و با توجه به درنظر گرفتن محیط زیرآب که دارای چالشهای خاص خود میباشد، هدف از انجام این پایاننامه، مطالعه جنبههای مختلف، ویژگیها و چالشهای محیط زیرآب و شبکههای حسگر بیسیم زیرآب و در نهایت، ارائه یک روش است که مکانیابی 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 شدهاند مقایسه میشود.
روشها و فنون اجرایی طرح پایاننامه
در این پایاننامه ابتدا مطالبی در رابطه با شبکههای حسگر بیسیم زیرآب مطرح خواهد شد و پروتکلهای مطرح شده درآن جمعآوری میشوند. سپس تکنیکهای مکانیابی و همزمانسازی در شبکههای حسگر مورد مطالعه و بررسی قرار خواهند گرفت و با در نظر گرفتن چالشهای موجود در محیط زیرآب که مهمترین آنها تحرک نودها و تاخیر انتشار طولانی ناشی از ارتباط از طریق صوت میباشد، روشی ارائه میشود که در کنار مکانیابی، همزمانی نودها را نیز انجام میدهد.
روش پیشنهادی به این صورت میباشد که در مرحله اول، یک رویه ترتیبی شامل پنج فاز مکانیابی اولیه با استفاده از تکنیک TOA، تدریجی کردن 7حرکت حسگرها، تخمین اریب زمانسنجی 8وانحراف 9، جبران اثر لایهبندی10و مکانیابی همراه با پالایش تکرار، به کار برده میشود که هدف از چهار فاز اول به دست آوردن تاخیر انتشار میباشد و سپس با استفاده از تکنیک حداقل مربعات در فاز پنجم، موقعیت مکانی حسگر تخمین زده میشود و در نهایت از محاسبه واریانس خطای موقعیت در تکرارهای مختلف استفاده میشود تا واریانس خطا به مقداری قابل قبول رسیده و نتایج حاصل از تعیین موقعیت قابل استناد باشد. در این روش، تحرک حسگر ها، چند مسیری بودن انتشار امواج صوتی، عدم انتشار امواج در خط مستقیم و تغیر سرعت صوت در عمقهای مختلف نیز در نظر گرفته میشود و علاوه براین فرض میشود که هیچکدام از حسگرها با یکدیگر همزمان نیستند. در نظر گرفتن این موارد باعث میشود تا روش ارائه شده در شرایط مختلف مانند اینکه حسگرها ثابت باشند یا تحرک داشته باشند، عمق آب کم باشد یا زیاد، کارایی داشته باشد.
در مرحله دوم پایاننامه کارایی روش ارائه شده بررسی خواهد شد، به این صورت که روش مطرح شده با در نظر گرفتن معیارهایی همچون خطای تعیین موقعیت، خطای انحراف زمانی، خطای اریب زمانسنجی، تعداد حسگرهای مرجع و تعداد تکرار، با آخرین الگوریتم ارائه شده تحت عنوان STSL که در سال 2013 مطرح شده است مقایسه میشود. همچنین خطای محاسبات با توجه به تعداد تکرارهای برنامه محاسبه و نشان داده میشود. روش مطرح شده بعد از تعداد اندکی تکرار به مقداری پایدار خواهد رسید. علاوه براین مرز پایین کرامر رائو (CRLB) 11برای شبکه های حسگر بی سیم زیرآب فرمولبندی خواهد شد. نتایج حاکی از آن است که روش مطرح شده از نظر کارایی بهتر از روش STSL و بسیار نزدیک به مرز پایین کرامر رائو میباشد. قابل به ذکر است که تمام شبیهسازیها در محیط نرمافزار مطلب انجام شده است.
ساختار فصلبندی پایاننامه
این پایاننامه شامل شش فصل میباشد. در فصل دوم شبکه های حسگر بی سیم زیرآب به صورت خلاصه معرفی خواهد شد، فصل سوم به مروری بر تحقیقات اخیر انجام شده اختصاص دارد که روشهایی که تا کنون به همزمانسازی و مکانیابی پرداختهاند مورد بررسی و مقایسه قرار میگیرند. در فصل چهارم به تشریح روش پیشنهادی پرداخته میشود. فصل پنجم اختصاص به شبیهسازی و ارزیابی نتایج آن دارد و در نهایت فصل ششم اختصاص به نتیجهگیری کلی و ارائه راهکارهای آتی دارد.
فصل دوم: مروری بر ادبیات تحقیق
مقدمه
مرز پایین کرامر رائو، حداقل واریانس یک تخمینگر ناسوگیرانه45، مربوط به پارامتر θ، با توزیع احتمال p(x, θ) را به دست میآورد. در رابطه با مرز پایین کرامر رائو باید به سه موضوع مهم به شرح زیر توجه کرد:
مرز پایین کرامر رائو فقط برای تخمینگرهای ناسوگیرانه مورد استفاده قرار میگیرد.
مقدار به دست آمده با استفاده از مرز پایین کرامر رائو ممکن است در عمل غیر قابل دسترسی باشد.
تابع راستنمایی حداکثر46 برای دادههای اندازهگیری که تعداد آنها به بینهایت گرایش دارد، به مقدار واریانس کمتری دست مییابد.
قبل از این که مرز پایین کرامر رائو توضیح داده شود باید ذکر شود که قضیه کرامر رائو شامل یک تابع امتیاز47 S به صورت زیر میباشد:
=
امید ریاضی S به این صورت تعریف میشود که
واریانس S، Var(S) تحت عنوان اطلاعات فیشر شناخته میشود که از این پس با I(θ) نشان داده خواهد شد.
باید توجه کرد که مقدار S برای مجموعهای از N متغیر متفاوت با توزیع یکسان برابر است با:
به صورت مشابه، میتوان نشان داد که اطلاعات فیشر برای N متغیر با توزیع یکسان برابر است با N I(θ).
قضیه: میانگین مربعات خطای48 یک تخمینگر ناسوگیرانه g مربوط به توزیع احتمال پارامتر θ، از معکوس اطلاعات فیشر، I(θ)، بزرگتر است.
این حد پایین، 1/I(θ)، تحت عنوان مرز کرامر رائو شناخته میشود.
اثبات: با استفاده از نابرابری کاچی- اسوارز49 میتوان نتیجه گرفت که:
بسط نابرابری (2- 22) به صورت زیر میباشد.
از آنجایی که امید ریاضی S صفر میباشد، E{S} = 0، نابرابری (2- 23) به صورت زیر ساده میشود:
از آنجایی که g یک تخمینگر ناسوگیرانه است (به این معنا که E{g} = θ میباشد) نابرابری (2- 30) را میتوان به صورت زیر نوشت:
بنابر این خواهیم داشت:
فصل سوم: مروری بر تحقیقات اخیر انجام شده
در این فصل ابتدا تحقیقات انجام شده در چند سال اخیر در زمینه مکانیابی و همزمانسازی در شبکههای حسگر بیسیم زمینی و سپس تحقیقات انجام شده در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب مطرح و با یکدیگر مقایسه میشوند.
شبکههای حسگر بیسیم
مکانیابی و همزمانسازی از تکنیکهای کلیدی در شبکههای حسگر بیسیم هستند که در اکثر برنامههای کاربردی استفاده میشوند، لذا در این قسمت به این دو مورد میپردازیم.
مکانیابی
در این قسمت از آنجا که هدف، به دست آوردن روشی برای شبکههای زیرآب است، روشهای مکانیابی در شبکههای حسگر زمینی بیان میشوند که مناسب برای شبکه های حسگر بی سیم زیرآب هستند.
چندرازکار در [19] یک روش مکانیابی بدون در نظر گرفتن مسافت را مطرح میکند که به صورت متمرکز موقعیت یک حسگر را در یک ناحیه تخمین میزند، در این روش حسگر های مرجع سیگنالهایی با سه سطح پاور متفاوت متناس

مطلب مرتبط :   پایان نامه با کلمات کلیدیبیماران مبتلا، تشخیص بیماری، طبقه بندی

Written by 

دیدگاهتان را بنویسید