بسمه تعالی
ارائه یک روش جدید برای مکانیابی و همزمانسازی توامان در شبکههای حسگر بیسیم زیر آب
پایان نامه ارائه شده به عنوان بخشی از فعالیتهای تحصیلی
نگارش:
زهرا موسوی
برای اخذ درجه کارشناسی ارشد
دانشکده مهندسی کامپیوتر و فناوری اطلاعات
دانشگاه صنعتی شیراز
ارزیابی پایان نامه توسط هیات داوران با درجه: عالی
دکتر رضا جاویدان استادیار در رشته مهندسی فناوری اطلاعات (استاد راهنما )………………..
مهندس محمدرفیع خوارزمی مربی در رشته مهندسی فناوری اطلاعات (استاد مشاور)……..
دکتر منیژه کشتگری استادیار در رشته مهندسی فناوری اطلاعات (داور)……………………………
_____________________________________________________
مدیر امور آموزشی و تحصیلات تکمیلی دانشگاه:
حق چاپ محفوظ و مخصوص به دانشگاه صنعتی شیراز است.
تأییدیه‌ی صحت و اصالت نتایج
اینجانب زهرا موسوی دانشجوی رشته شبکههای کامپیوتری مقطع تحصیلی کارشناسی ارشد به شماره دانشجویی 91214005 تأیید می نماید کلیه نتایج این پایان نامه/رساله، بدون هیچگونه دخل و تصرف ، حاصل مستقیم پژوهش صورت گرفته توسط اینجانب است. در مورد اقتباس مستقیم و غیر مستقیم از سایر آثار علمی، اعم از کتاب، مقاله، پایان نامه با رعایت امانت و اخلاق علمی، مشخصات کامل منبع مذکور درج شده است.
در صورت اثبات خلاف مندرجات فوق، به تشخیص مقامات ذی صلاح دانشگاه صنعتی شیراز، مطابق قوانین و مقررات مربوط و آئین نامه های آموزشی، پژوهشی و انضباطی عمل خواهد شد و اینجانب حق هرگونه اعتراض و تجدیدنظر را، نسبت به رأی صادره، از خود ساقط می کند. همچنین، هرگونه مسئولیت ناشی از تخلف نسبت به صحت و اصالت نتایج مندرج در پایان نامه/رساله در برابر اشخاص ذی نفع (اعم از حقیقی و حقوقی) و مراجع ذی صلاح (اعم از اداری و قضایی) متوجه اینجانب خواهد بود و دانشگاه صنعتی شیراز هیچ گونه مسئولیتی دراین زمینه نخواهند داشت.
تبصره 1- کلیه حقوق مادی این اثر متعلق به دانشگاه صنعتی شیراز است.
تبصره 2- اینجانب تعهد می نماید بدون اخذ مجوز از دانشگاه صنعتی شیراز دستاوردهای این پایان نامه/ رساله را منتشر نکند و یا در اختیار دیگران قرار ندهد.
نام و نام خانوادگی دانشجو تاریخ و امضاء
مجوز بهره‌برداری از پایان‌نامه
کلیه حقوق مادی و معنوی مترتب بر نتایج پایان نامه متعلق به دانشگاه و انتشار نتایج نیز تابع مقرارت دانشگاهی است و با موافقت استاد راهنما به شرح زیر، بلامانع است:
ب بهره‌برداری از این پایان‌نامه/ رساله برای همگان بلامانع است.
/ بهره‌برداری از این پایان‌نامه/ رساله با اخذ مجوز از استاد راهنما، بلامانع است.
/ بهره‌برداری از این پایان‌نامه/ رساله تا تاریخ ……………………………… ممنوع است.
نام استاد یا اساتید راهنما:
دکتر رضا جاویدان
تاریخ:
امضا:
تشکر و قدردانی:
اکنون که این رساله به پایان رسیده است برخود فرض می دانم که از استاد ارجمند جناب آقای دکتر رضا جاویدان که راهنمایی این پروژه را برعهده گرفتند و از هیچ همکاری دریغ نکردند و همچنین از جناب آقای مهندس کاووسی که راهنماییهای ارزشمند خود را از اینجانب دریغ نداشتند، صمیمانه تشکر نمایم. توفیق روزافزون این عزیزان را از خداوند متعال خواستارم.
چکیده
ارائه یک روش جدید برای مکانیابی و همزمانسازی توامان در شبکههای حسگر
بیسیم زیر آب
نگارش:
زهرا موسوی
مکانیابی و همزمانسازی از عناصر کلیدی در بسیاری از برنامههای کاربردی ارتباطی زیرآب هستند که علیرغم وابستگی بسیار، معمولا جدا از هم عمل میکنند. اما از آنجا که سرویسهای همزمانسازی پیشنیاز الگوریتمهای مکانیابی هستند و اطلاعات در رابطه با مکان حسگرها برای تخمین تاخیر انتشار مورد استفاده قرار میگیرند، مکانیابی و همزمانسازی را میتوان در کنار هم انجام داد. از مزایای این روش میتوان به صرفه جویی قابل توجه در مصرف انرژی که ناشی از کاهش تعداد مبادلات پیام میباشد اشاره کرد.
در این پایاننامه یک روش جدید ترتیبی شامل پنج فاز تعیین موقعیت اولیه، تدریجی کردن حرکت حسگر، تخمین انحراف ساعت و اریب زمانسنجی، جبران اثر لایهبندی و مکانیابی همراه با پالایش تکرار، برای انجام همزمانسازی و مکانیابی توامان در شبکههای حسگر بیسیم زیرآب ارائه شده است. در این روش علاوه بر در نظر گرفتن حرکت حسگرها، عدم حرکت امواج صوتی زیرآب در یک مسیر مستقیم و تغییرسرعت انتشار این امواج در عمقهای مختلف در نظر گرفته شده است. روش پیشنهادی در این پایان نامه با نرمافزار مطلب شبیه سازی شده و نتایج با یک روش معیار مناسب و همچنین مرز پایین کرامر رائو مقایسه شدهاند. نتایج نشان میدهند که روش ارائه شده دارای کارایی نزدیک به کران پایین کرامر رائو میباشد و نسبت به روش معیار، بهتر عمل میکند. قابل به ذکر است که روش پیشنهادی نسبت به روشهای پیشین بار محاسباتی بیشتری را به شبکه اعمال میکند و مناسب جهت کاربردهایی میباشد که به دست آوردن اطلاعات دقیق نسبت به مصرف انرژی از اهمیت بیشتری برخوردار باشد.
واژه‌های کلیدی: شبکههای حسگر بیسیم زیرآب، مکانیابی، همزمانسازی.
فهرست مطالب
1. 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
2. فصل دوم: مروری 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
3. فصل سوم: مروری 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
4. 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 استفاده 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
5. 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
6. 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 نمونهای 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 مکانیابی 34
شکل 4-1 نمودار گردش کار الگوریتم پیشنهاد شده 46
شکل 4-2 اثر لایهبندی در شبکههای 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 مکانیابی
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 مکانیابی.
Δ
حد آستانه برای تدریجی کردن موقعیت مکانی ]متر[
σ2
وا یانس مربوط به خطای اندازهگیری 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 شبکههای کمهزینه و در ابعاد مختلف فراهم شده است، شبکههایی که بتوانند اطلاعات محیطی را برای انسان جمعآوری کنند، شبکههایی که بدون زیرساخت و به سرعت برقرار شده و بتوانند خود را سازماندهی کنند و نیازی به انرژی خارجی نداشته باشند. مهمترین این شبکهها، شبکههای حسگر بیسیم میباشند و هر روزه کاربردها و استفادههای جدیدی در زمینه امور نظامی و غیر نظامی برای این نوع از شبکهها 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

مطلب مرتبط :   پایان نامه با کلید واژگانکوتاه مدت، دوره بازگشت، نرم افزار

Written by 

دیدگاهتان را بنویسید