دانلود پایان نامه ایرانداک –38- پژوهش علمی

رسانه ارتباطی در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب، آب است و برای برقراری ارتباط مخابراتی در زیر آب به طور کلی دو روش وجود دارد، روش اول برقراری ارتباط به وسیله ارسال سیگنالهای الکترومغناطیس با استفاده از کابل است که این روش دارای محدودیتهایی است و فقط در مواردی خاص از این روش استفاده میشود، برخی از این محدودیتها به شرح زیر میباشند:
نیاز به کابل و تجهیزات خاص برای محیط زیرآب
امکان قطعی کابلها، به دلیل عبور کشتیها و زیردریاییها
حرکتناپذیر بودن وسایل مخابراتی
مدیریت و پیکربندی مشکل و قابلیت انعطاف پایین
به دلیل وجود محدودیتهای ذکر شده معمولا از این روش در محیط زیرآب استفاده نمیشود.
روش دوم که جایگزینی برای این روش است استقاده از ارتباطات بیسیم است. برقراری ارتباط بیسیم از سه راه امکانپذیر است:
امواج الکترومغناطیس
این امواج به شدت در محیط زیرآب جذب میشوند و به دلیل تضعیف بالا در صورت استفاده از این امواج در فرکانسهای بالا بردی در حد چند سانتیمتر خواهند داشت بنابراین برای ارسال به فواصل دور به آنتنهایی که طول آنها چندین هزار متر است نیاز میباشد. بنابراین استفاده از این امواج در محیط زیرآب فقط برای فواصل بسیار کوتاه توصیه میشود.
امواج نوری
این امواج دارای پهنای باند در حد چندین مگابیت در ثانیه در محیط زیرآب هستند ولی دارای پراکندگی و جذب بالا در آبهای غیر شفاف هستند، از طرفی در صورت استفاده از این امواج، فرستنده و گیرنده، نیازمند دقت بالا در تنظیم امواج باریک لیزر هستند و در صورتی که یکی از آنها قادر به تنظیم دقیق نباشند به صورت موفق ارسال و دریافت نخواهند داشت. لذا از این امواج جز در موارد خاص در محیط زیرآب استفاده نمیشود.
امواج صوتی
این امواج در آب قابلیت شنیده شدن را دارند و در واقع در آب بسیار موثرتر از هوا عمل میکند. امواج صوتی علیرغم داشتن برخی محدودیتها شامل سرعت انتشار، پهنای باند و باند فرکانسی بسیار پایینتر از امواج الکترومغناطیس و امواج نوری، نیازمند آنتنهای با طول کوتاه، به اندازه 0.1 متر میباشد و دارای برد موثر در حد چند کیلومتر است به همین علت، بهتر از امواج الکترومغناطیس و امواج نوری در ارتباطات زیرآب عمل میکند اما استفاده از این امواج، محدودیتها و چالشهایی را در طراحی پروتکلها و الگوریتمهای شبکههای زیرآب ایجاد میکند.
در ادامه به بررسی اجزای شبکه های حسگر بی سیم زیرآب میپردازیم.
اجزای شبکه های حسگر بی سیم زیرآبدر یک شبکه حسگر بیسیم زیرآب معمولا از تجهیزات زیر استفاده میشود:
گره حسگر بیسیم زیرآب: نوعی حسگر است که امواج صوتی را دریافت، پردازش و ارسال میکند، برای دریافت امواج صوتی از میکروفن زیرآب و برای ارسال از بلندگوی زیرآب استفاده میکند. عملیات تبدیل سیگنال صوتی به سیگنال الکتریکی و بالعکس را مودم صوتی زیرآب که در این حسگرها تعبیه شده است انجام میدهد. شکل 2-1 نمونهای از این حسگرها را نشان میدهد.

معماری دو بعدی در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>M.Ayaz</Author><Year>2009</Year><RecNum>26</RecNum><DisplayText>[12]</DisplayText><record><rec-number>26</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2">26</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>M.Ayaz</author><author>A. Abdullah</author></authors></contributors><titles><title>Underwater Wireless Sensor Networks: Routing Issues and Future Challenges</title><secondary-title>MoMM2009, Kuala Lumpur, Malaysia</secondary-title></titles><periodical><full-title>MoMM2009, Kuala Lumpur, Malaysia</full-title></periodical><pages>14–16</pages><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[12]
معماری سهبعدی
در این نوع توپولوژی گره ها در کف و یا سطح آب قرار نمیگیرند، بلکه در عمق خاصی از سطح آب قرار میگیرند و ضعفهای توپولوژی قبلی را تا حدی کاهش می دهند. گرههای حسگر به کف اقیانوس الصاق میشوند و توسط پمپهای خاصی در عمق مورد نظر قرار میگیرند. این پمپها گرهها را به سمت سطح آب هدایت میکنند. عمق مورد نظر توسط کابل متصل به حسگر و کف دریا تعیین میشود. ممکن است گرههای حسگر از سطح دریا آویزان شوند و در عمق مورد نظر قرار گیرند. اما در این روش ممکن است توسط کشتیها و شناورهای عبوری آسیب ببیند و یا این که تشخیص داده شوند.
در این نوع توپولوژی، دادههای جمعآوری شده توسط یک گره، به گره بعدی ارسال میشود تا به کمک مسیریابی چندگامی به گره مستقر در سطح آب برسد و از آنجا به ماهواره و یا ایستگاه ساحلی مخابره شود و در ساحل مورد پردازش قرار گیرد. مهمترین مزیت این نوع توپولوژی، امکان بررسی اشیاء در حال حرکت در آب است و نسبت به توپولوژی قبلی دادههای دقیقتری را در اختیار میگذارد. این توپولوژی نسبت به توپولوژی قبلی پیچیدگی مدیریتی بیشتری دارد و توان بیشتری نیز مصرف میکند. شکل 2-4 این معماری را نشان میدهد.
در هر دو توپولوژی اشاره شده، رسانه ارتباطی تا سطح دریا، آب است و داده ها تا سطح دریا توسط امواج صوتی منتقل میشوند. گره مستقر در سطح دریا توسط امواج الکترومغناطیس، داده ها را به ماهواره مخابره میکند.

معماری سه بعدی در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>M.Ayaz</Author><Year>2009</Year><RecNum>26</RecNum><DisplayText>[12]</DisplayText><record><rec-number>26</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2">26</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>M.Ayaz</author><author>A. Abdullah</author></authors></contributors><titles><title>Underwater Wireless Sensor Networks: Routing Issues and Future Challenges</title><secondary-title>MoMM2009, Kuala Lumpur, Malaysia</secondary-title></titles><periodical><full-title>MoMM2009, Kuala Lumpur, Malaysia</full-title></periodical><pages>14–16</pages><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[12]
چالشهای شبکه های حسگر بی سیم زیرآبشبکه های حسگر بی سیم زیرآب چالشها و مشکلات خاص خود را دارند که طراحی شبکه را تحت تاثیر قرار میدهند، مهمترین چالشهایی که در رابطه با طراحی شبکه های حسگر بی سیم زیر آب وجود دارند عبارتند از ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>J.H.Cui</Author><Year>2006</Year><RecNum>45</RecNum><DisplayText>[13]</DisplayText><record><rec-number>45</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2">45</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>J.H.Cui</author><author>J. Kong</author><author>M. Gerla</author><author>S. Zhou</author></authors></contributors><titles><title>Challenges: Building scalable mobile underwater wireless sensor networks for aquatic applications</title><secondary-title>IEEE Network, Special Issue on Wireless Sensor Networking</secondary-title></titles><periodical><full-title>IEEE Network, Special Issue on Wireless Sensor Networking</full-title></periodical><pages>12-18</pages><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[13] ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Akyildiz</Author><Year>2005</Year><RecNum>46</RecNum><DisplayText>[14]</DisplayText><record><rec-number>46</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2">46</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>I. F. Akyildiz</author><author>D. Pompili</author><author>T. Melodia</author></authors></contributors><titles><title>Underwater acoustic sensor networks: Research challenges</title><secondary-title>Ad Hoc Networks</secondary-title></titles><periodical><full-title>Ad Hoc Networks</full-title></periodical><pages>257-279</pages><dates><year>2005</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[14]:
سرعت انتشار پایین امواج صوتی که منجر به تاخیر انتشارهای طولانی در ارتباطات بین حسگرها میشود.
به علت استفاده از باتری، منبع تغذیه محدود است.
به علت قرار گرفتن در محیط زیر آب و وجود املاح در آب دریا، گره های حسگر به مرور فرسوده میشوند.
وجود نرخ خطای بیتی بالا که حاصل وجود نویز در محیط دریاست.
پهنای باند موجود محدود است و با افزایش فاصله بین دو گره، پهنای باند نیز کاهش مییابد.
به علت وجود پدیده های شکست و چند مسیری ارتباطات زیر آب در معرض خراب شدن قرار میگیرند.
گرههای حسگر زیرآب باید دارای خاصیت خود مدیریتی باشند و بتوانند با گره های دیگر هماهنگی و همکاری داشته باشند، علاوه بر این شبکه های حسگر بیسیم باید دارای این قابلیت باشند که در صورت خراب شدن و یا ورود یک گره جدید بتوانند خود را با شرایط پیش آمده وفق دهند.
به منظور افزایش طول عمر شبکه، هر گره باید مدیریت توان داشته باشد و بتواند توان مصرفی خود را به طور بهینه کنترل نماید ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Manjula</Author><Year>February 2011</Year><RecNum>24</RecNum><DisplayText>[10]</DisplayText><record><rec-number>24</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2">24</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>R. Manjula</author><author>S. Manvi</author></authors></contributors><titles><title>Issues in underwater acoustic sensor networks</title><secondary-title>International Journal of Computer and Electrical Engineering</secondary-title></titles><periodical><full-title>International Journal of Computer and Electrical Engineering</full-title></periodical><volume>3</volume><dates><year>February 2011</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[10].
گرهها باید از موقعیت فعلی خود آگاه باشند و بدانند که در چه فاصلهای از گرههای همسایه خود و گره مقصد قرار دارند. به این مکانیابی گفته میشود.
برای هماهنگی گرهها با یکدیگر و ارسال به موقع دادههای جمع آوری شده، گرههای بیسیم زیرآب میبایست از لحاظ زمانی با یکدیگر همزمان باشند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Manjula</Author><Year>February 2011</Year><RecNum>24</RecNum><DisplayText>[10]</DisplayText><record><rec-number>24</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2">24</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>R. Manjula</author><author>S. Manvi</author></authors></contributors><titles><title>Issues in underwater acoustic sensor networks</title><secondary-title>International Journal of Computer and Electrical Engineering</secondary-title></titles><periodical><full-title>International Journal of Computer and Electrical Engineering</full-title></periodical><volume>3</volume><dates><year>February 2011</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[10].
همزمانسازی ساعت در شبکههای حسگر بیسیم زیرآبدر سیستمهای توزیع شده نظیر شبکههای حسگر، هر گره دارای ساعت محلی خود میباشد. در شبکههای حسگر، همزمانسازی ساعت از مسائل مهمی است که جهت تشخیص و شناسایی رابطه علی رخدادهای جهان فیزیکی به کار میرود. همزمان بودن ساعت شبکههای حسگر به حذف دادههای جمعآوری شده زائد و افزونه و تسهیل در انجام وظایف گرهها کمک میکند. علاوه براین توانایی همزمانسازی گرهها در شبکههای حسگر عامل بسیار مهمی برای مصرف کارای انرژی و انتقال موفق دادههاست.
در ادامه این قسمت به بررسی مفهوم همزمانسازی و ضرورت آن در شبکههای حسگر بیسیم زیرآب پرداخته میشود.
ساعت و مساله همزمانسازی
ساعت یک شبکه حسگر بر پایه یک اسیلاتور سختافزاری عمل میکند. یک کلاک شامل یک اسیلاتور از جنس کوآرتز و یک شمارنده است که در هر نوسان کریستال کوارتز، مقدار آن یک واحد کاهش مییابد. هنگامی که شمارنده به صفر برسد یک وقفه تولید شده و مقدار اولیه، دوباره در شمارنده قرار میگیرد. هر وقفه تولید شده که به تیک کلاک معروف است، یک واحد به کلاک نرمافزاری که توسط سیستم عامل و یا سایر برنامهها مورد استفاده قرار میگیرد میافزاید. در واقع هنگامی که اشاره به زمان محلی یک گره حسگر میشود، مقصود همان کلاک یا ساعت نرمافزاری است. معمولا در رابطه با مفهوم ساعت و همزمانسازی تعاریف زیر مطرح میشوند:
انحراف ساعت: به اختلاف ساعت دو گره حسگر گفته میشود.
اریب زمانسنجی: به اختلاف در فرکانس دو کلاک گفته میشود. معمولا این اختلاف به صورت بخش در میلیون (ppm) بیان میشود.
اختلاف در ساعت گرهها از دو عامل ناشی میشود و بستگی به میزان انحراف کلاکها و میزان اریب زمانسنجی آنها دارد. اختلاف در انحراف کلاک گرهها به دلیل این است که همه گرهها در یک زمان شروع به کار نمیکنند و یا این که ممکن است گرهی به دلیل خرابی و بهبود مجدد از لحاظ انحراف کلاک با سایر گرهها تفاوت داشته باشد. اختلاف در میزان اریب زمانسنجی کلاکها نیز به دلیل وجود رطوبت، دما، و فشاری است که در محیط وجود دارد و کریستال کوآرتز را تحت تاثیر قرار میدهدو باعث میشود که کلاکهای گرهها از لحاظ فرکانس با هم اختلاف داشته باشند. قابل به ذکر است که خطای انحراف به مرور زمان زیاد نمیشود ولی خطای اریب زمانسنجی رفته رفته بیشتر میشود.
با توجه به مطالب بالا میتوان گفت همزمانسازی ساعت فرایندی است که گرهها سعی میکنند تا جایی که ممکن است از لحاظ ساعت با یکدیگر برابر باشند. همزمانسازی به دو صورت خارجی و داخلی بیان میشود. همزمانسازی خارجی روشی است که در آن گرهها ساعت خود را با یک منبع خارجی به نام کلاک مرجع همزمان میکنند. در مقابل، همزمانسازی ساعت داخلی روشی است که گرهها سعی میکنند بدون وجود یک کلاک مرجع ساعت خود را با یکدیگر همزمان کنند.
همزمانسازی در برنامههای کاربردی از شبکههای حسگر که در آنها نیاز به نگاشت دقیق دادههای جمعآوری شده از حسگرها با زمان دقیق اتفاق افتادن رویدادهاست، بسیار مهم میباشد و همچنین نقش اساسی را مدیریت کردن انرژی در پروتکلهای لایه کنترل دسترسی به رسانه دارد و در شبکههای حسگر بیسیم به یکی از سه مورد زیر اطلاق میشود:
ترتیب نسبی: در این روش فقط ترتیب رویدادها و یا پیامها حفظ میشود و ساعتها همزمان نمیشوند.
تنظیم زمان نسبی: در این روش هر حسگر اطلاعات در رابطه با راندگی و انحراف خود با حسگر های همسایه را نگهداری میکند و با حسگر های همسایه خود همزمان میشود.
همزمانسازی عمومی: در این روش مقیاس زمانی عمومی وجود دارد و همه حسگر های شبکه با این مقیاس عمومی همزمان میشوند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Kaur</Author><Year>Sep--ber 2013</Year><RecNum>32</RecNum><DisplayText>[15]</DisplayText><record><rec-number>32</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2">32</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Baljinder Kaur</author><author>Amandeep Kaur </author></authors></contributors><titles><title>A Survey of Time Synchronization Protocols for Wireless Sensor Networks</title><secondary-title>International Journal of Computer Science and Mobile Computing ( IJCSMC )</secondary-title></titles><periodical><full-title>International Journal of Computer Science and Mobile Computing ( IJCSMC )</full-title></periodical><pages>100 – 106</pages><volume>2</volume><dates><year>Sep--ber 2013</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[15].
روشهای مبادله پیام در الگوریتمهای همزمانسازی
فرایند همزمانسازی بر پایه مبادله پیام بین گرههای حسگر میباشد. بسیاری از الگوریتمهای همزمانسازی بر پایه همزمانی دو گره صورت میگیرد و با تکرار آن در طول شبکه با کل گرهها به صورت دو به دو همزمان میشوند. در ادامه به بررسی مهمترین روشهای مبادله پیام جهت همزمانسازی میپردازیم.
مبادله پیام یکطرفه
سادهترین روش مبادله پیام در همزمانی دو گره، استفاده از مبادله پیام یک طرفه است. در این روش که در شکل 2- 5 مشاهده میشود گره i پیامی را مهر زمانی t1 به گره j ارسال میکند. گره j با دریافت این پیام در زمان t2 آن را ثبت میکند.
11195052362201 t
D
Node i
Node j
001 t
D
Node i
Node j

19894558699500279400059055time
00time
19894558699500
2400935469902 t
002 t
283845064770time
00time
29381459525000
مبادله پیام یکطرفه جهت همزمانسازی ساعت ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>A John Wiley and Sons</Author><Year>2010</Year><RecNum>60</RecNum><DisplayText>[16]</DisplayText><record><rec-number>60</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2">60</key></foreign-keys><ref-type name="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>A John Wiley and Sons, Ltd., Publication</author></authors></contributors><titles><title>Fundamentals of Wireless Sensor Networks Theory ND practice</title></titles><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[16]
اختلاف بین دو زمان، میزان انحراف O بین گره i و j را مشخص میکند. بنابراین داریم:
D + O = (t2 – t1)
که D میزان تاخیر انتشار ناشناخته است. این مقدار معمولا ثابت و قراردادی است. این روش بسیار ساده است و سربار کمی دارد اما به دلیل تاخیر انتشار متغیر و طولانی برای محیط زیرآب نامناسب است.
مبادله پیام دو طرفه
برای دستیابی به نتایج دقیقتر معمولا پروتکلهای همزمانسازی از مبادله دو پیام بهره میگیرند. این روش در شکل 2- 6 نشان داده شده است.
12712702901953 t
1 t
Node i
003 t
1 t
Node i

192151014033500320040013906500
27228803340104 t
004 t
2268220341630t 2
00t 2

130746530480Node j
00Node j
2784475201295002400935191770001789430229870D
00D
178943017208500
261747024765D
00D

t2 = t1+ D +O
t4 = t3+ D +O
مبادله پیام دو طرفه جهت همزمانسازی ساعت ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>A John Wiley and Sons</Author><Year>2010</Year><RecNum>60</RecNum><DisplayText>[16]</DisplayText><record><rec-number>60</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2">60</key></foreign-keys><ref-type name="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>A John Wiley and Sons, Ltd., Publication</author></authors></contributors><titles><title>Fundamentals of Wireless Sensor Networks Theory ND practice</title></titles><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[16]
مشابه شکل، گره j پس از دریافت پیام اول با مهر زمانی t1 در زمان t2 آن را ثبت کرده و یک پیام با مهر زمان [t1, t2, t3] به گره i ارسال میکند. گره i با دریافت این پیام در زمان t4 قادر به محاسبه زمان خود میباشد و میتواند با گره j همزمان شود. نحوه محاسبه تاخیر و انحراف به صورت زیر است.
D = [(t2 – t1) + (t4 – t3)] / 2
O = [(t2 – t1) - (t4 – t3)] / 2
فرمولها فوق با فرض مساوی بودن میزان تاخیر انتشار در دو طرف ارتباط و عدم وجود اریب زمانسنجی در کلاکها میباشند. پس از محاسبه مقدار انحراف در گره i، گره i میتواند این مقدار را در پیام سومی به گره j اطلاع دهد.
مکانیابی در شبکههای حسگر بیسیم زیرآبدر شبکههای حسگر بیسیم زیر آب، دادههای جمعآوری شده توسط گرههای حسگر با توجه به موقعیت آنها تفسیر و پردازش میشوند. به عنوان مثال، گزارش وقوع یک رخداد، ردگیری یک شیئ متحرک یا پایش و نظارت بر شرایط فیزیکی یک منطقه، از جمله کاربردهایی هستند که موقعیت و مختصات پدیده مورد نظر بسیار حیاتی است. عدم آگاهی از موقعیت یک حسگر، سبب بلا استفاده شدن دادههای جمعآوری شده توسط آن حسگر میگردد. بنابراین در شبکههای حسگر زیرآب، تعیین موقعیت یک گره حسگر بسیار مهم است. در شبکههای حسگر، به فرایند تخمین موقعیت یا مختصات یک گره و یا گروهی از گرههای حسگر، مکانیابی گفته میشود.
موقعیت یک حسگر میتواند به صورت محلی و یا سراسری بیان شود. در روش سراسری، همانند GPS، موقعیت دقیق حسگر مد نظر است. اما در روش محلی، موقعیت نسبی یک گره حسگر نسبت به سایر گرهها مطرح است. به علت محدودیتهایی که در شبکههای حسگر وجود دارد برای همه گرهها مقدور نیست تا موقعیت سراسری خود را بدانند. بنابراین فقط تعداد کمی از گرهها وجود دارند که موقعیت و مختصات سراسری خود را میدانند، به این نوع از گرهها، حسگر مرجع گفته میشود و به تکنیکهای تعیین موقعیتی که از حسگرهای مرجع بهره میگیرند، تعیین موقعیت مبتنی بر حسگر مرجع میگویند. در تکنیکهای تعیین موقعیت مبتنی بر حسگر مرجع، سایر گرهها میتوانند مختصات و موقعیت خود را به کمک حسگرهای مرجع تخمین بزنند. یکی از مهمترین مسائل در این تکنیکها، تعیین فاصله یک گره تا حسگر مرجع است. در ادامه، تکنیکهای فاصلهیابی بیان و سپس تکنیکهای مختلف تعیین موقعیت در شبکههای حسگر زیرآب تشریح خواهد شد.
تکنیکهای فاصلهیابی
پایه بسیاری از تکنیکهای تعیین موقعیت، بر اساس تخمین فاصله بین دو گره حسگر است. تخمین فاصله به یکی از چهار روش زیر انجام میشود:
تخمین فاصله بر اساس زمان ورود سیگنال (TOA)
این روش بر اساس سرعت انتشار سیگنال، فاصله بین فرستنده و گیرنده را تخمین میزند. به عنوان مثال سرعت انتشار سیگنال بین فرستنده وگیرنده در محیط زیر آب تقریبا 1500 متر بر ثانیه است که میتوان زمان بین ارسال و دریافت سیگنال را در این عدد ضرب نمود و فاصله تقریبی را به دست آورد. این روش به دو صورت یکطرفه و دوطرفه قابل انجام است. شکل 2- 7 انجام این روش را نشان میدهد.

تخمین فاصله به روش TOA ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>A John Wiley and Sons</Author><Year>2010</Year><RecNum>60</RecNum><DisplayText>[16]</DisplayText><record><rec-number>60</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2">60</key></foreign-keys><ref-type name="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>A John Wiley and Sons, Ltd., Publication</author></authors></contributors><titles><title>Fundamentals of Wireless Sensor Networks Theory ND practice</title></titles><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[16]
در روش یکطرفه که در شکل 2- 7 مورد (a) نشان داده شده است مسافت بین گره i و گره j به صورت زیر محاسبه میشود:

که سرعت سیگنال میباشد. در روش یکطرفه نیاز است تا فرستنده وگیرنده بسیار دقیق و همزمان باشند. در روش دوطرفه که در شکل 2- 7 مورد (b) نشان داده شده است زمان رفت و برگشت سیگنال در سمت فرستنده محاسبه میشود و فاصله بین فرستنده تا گیرنده به صورت زیر محاسبه میشود:
تخمین فاصله بر اساس اختلاف زمان ورود سیگنال (TDOA)
در این روش از دو سیگنال با سرعت متفاوت استفاده میشود و گره گیرنده همانند روش TOA فاصله خود را تا گره فرستنده تخمین میزند. شکل 2- 8 نحوه عملکرد این روش را نشان میدهد. به عنوان مثال گره فرستنده میتواند در ارسال اول خود از سیگنال رادیویی و در ارسال دوم خود از سیگنال صوتی استفاده کند.

تخمین فاصله به روش TDOA ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>A John Wiley and Sons</Author><Year>2010</Year><RecNum>60</RecNum><DisplayText>[16]</DisplayText><record><rec-number>60</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2">60</key></foreign-keys><ref-type name="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>A John Wiley and Sons, Ltd., Publication</author></authors></contributors><titles><title>Fundamentals of Wireless Sensor Networks Theory ND practice</title></titles><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[16]
گره گیرنده با دریافت دو سیگنال میتواند فاصله خود تا گره فرستنده را به کمک رابطه زیر محاسبه کند:
که t3 = t1 + twait و و به ترتیب سرعت سیگنال اول و سیگنال دوم میباشند. مزیت این روش عدم نیاز به همزمانی دو گره و عیب آن نیاز به سختافزار اضافی جهت ارسال دو سیگنال متفاوت است.
تخمین فاصله بر اساس زاویه ورود سیگنال(AOA)
در این روش با استفاده از چندین آنتن و یا میکروفن و با استفاده از اندازهگیری زاویه بین جهت انتشار سیگنال و تعدادی جهت مرجع عمل میکند. اختلاف زمان ورود، دامنه یا فاز برای محاسبه زاویه به کار میرود. با محاسبه تاخیر دریافت و یا اختلاف فاز، قدرت یا دامنه سیگنال میتوان فاصله تا گره فرستنده را تخمین زد. این روش به علت نیاز به سختافزار اضافی، هزینه و اندازه گرهها را افزایش میدهد.
سیستم‌های بر اساس توان سیگنال دریافتی(RSS)
اساس این روش بر این است که سیگنال ارسالی در طول مسیر بین فرستنده و گیرنده از لحاظ توان تضعیف میشود. در این روش از یک قطعه سختافزاری که قادر به اندازهگیری دامنه سیگنال ورودی است استفاده میشود. در این روش از رابطه زیر برای تخمین فاصله استفاده میشود.

که میزان بهره آنتن ارسالی و میزان بهره آنتن دریافتی و طول موج سیگنال و R فاصله بین فرستنده و گیرنده است.
روشهای تعیین موقعیت در شبکههای حسگر بیسم زیرآب
روشها و تکنیکهای تعیین موقعیت در شبکههای حسگر زیر آب که مبتنی بر وجود حسگر مرجع هستند، به دو دسته کلی مبتنی بر فاصله و غیر فاصلهای تقسیم میشوند. در ادامه به بررسی ویژگیها و مسائل مرتبط با هر یک از روشها خواهیم پرداخت.
تعیین موقعیت مبتنی بر فاصله
روشهای تعیین موقعیت مبتنی بر فاصله، از اندازهگیری فاصله برای تخمین موقعیت استفاده میکنند. این روشها از تکنیکهای TOA، TDOA، AOA و یا RSSI برای تخمین فاصله بهره میگیرند. این روشها برای تعیین موقعیت از مفهوم هندسی مالتیلتریشن استفاده میکنند. این تکنیک در فضای دو بعدی به تریلتریشن موسوم است. به این صورت که ابتدا گره حسگر توسط یکی از روشهای تخمین فاصله گفته شده در قسمت قبل، میزان فاصله خود را تا چهار حسگر مرجع در روش مالتیلتریشن و سه حسگر مرجع در روش تریلتریشن، محاسبه میکند و پس از دریافت مختصات آنها، معادلات کروی را تشکیل داده و موقعیت خود را محاسبه میکند. برای آگاهی از جزئیات بیشتر این روشها میتوان به مرجع ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>رضا</Author><Year>1392</Year><RecNum>59</RecNum><DisplayText>[11]</DisplayText><record><rec-number>59</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2">59</key></foreign-keys><ref-type name="Book">6</ref-type><contributors><authors><author><style face="normal" font="default" charset="178" size="100%">محمدی رضا</style></author><author><style face="normal" font="default" charset="178" size="100%">جاویدان رضا</style></author><author><style face="normal" font="default" charset="178" size="100%">کشتگری منیژه</style></author></authors></contributors><titles><title><style face="normal" font="default" charset="178" size="100%">اصول طراحی شبکه های حسگر بی سیم زیرآب</style></title></titles><section><style face="normal" font="default" charset="178" size="100%">217-206</style></section><dates><year><style face="normal" font="default" charset="178" size="100%">1392</style></year></dates><publisher><style face="normal" font="default" charset="178" size="100%">انشارات همارا</style></publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[11] مراجعه کرد.
قابل به ذکر است که علاوه بر روشهای لتریشن که مبتنی بر اندازهگیری فاصله هستند میتوان از تکنیکهای انگولیشن که مبتنی بر اندازهگیری فاصله و زاویه هستند مانند مالتیانگولیشن و تریانگولیشن استفاده نمود.
باید توجه کرد که از این میان روشهایی که بر اساس AOA عمل میکنند از آنجا که نیازمند تجهیزات اضافی مانند آنتن روی هر حسگر میباشند برای مکانیابی در زیرآب مناسب نیستند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Malhotra</Author><Year>June 2005</Year><RecNum>28</RecNum><DisplayText>[17]</DisplayText><record><rec-number>28</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2">28</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>N. Malhotra</author><author>M. Krasniewski</author><author>C. Yang, S. Bagchi</author><author>W.Chappell</author></authors></contributors><titles><title>Location Estimation in Ad Hoc Networks with Directional Antennas</title><secondary-title>Proceedings of 25th IEEE International Conference on Distributed Computing Sys--s (ICDCS2005)</secondary-title></titles><periodical><full-title>Proceedings of 25th IEEE International Conference on Distributed Computing Sys--s (ICDCS2005)</full-title></periodical><dates><year>June 2005</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[17] و روشهایی که بر اساس RSS عمل میکنند به دلیل شرایط زیر آب مانند محوشدگی، چندمسیری، انتشار سیگنال به صورت بیقاعده، واریانس بالا به هنگام خواندن و ... نیز برای محیط زیرآب چندان مناسب نیستند. از این میان روشهایی که بر اساس TOA و یا TDOA عمل میکنند چون محدودیتهای دو روش قبل را ندارند، برای شبکه های حسگر بی سیم زیرآب مناسب هستند و پردازش سیگنال و تکنیکهای فیلترینگ میتوانند باعث بهبود اندازهگیری مسافت در این روشها شوند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Ash</Author><Year>August 2006</Year><RecNum>27</RecNum><DisplayText>[18]</DisplayText><record><rec-number>27</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2">27</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>J.N. Ash</author><author>R.L.Moses</author></authors></contributors><titles><title>Acoustic time delay estimation and sensor network self localization: Experimental Results</title><secondary-title>The Journal of the Acoustical Society of America</secondary-title></titles><periodical><full-title>The Journal of the Acoustical Society of America</full-title></periodical><pages>841-850</pages><volume>118</volume><dates><year>August 2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[18]، ولی این دو روش نیازمند همزمانی دقیق ساعتهای حسگرها میباشند.
تعیین موقعیت به روش غیر فاصلهای
این نوع تکنیکهای تعیین موقعیت نیاز به استفاده از اطلاعات فاصلهای یا زاویهای ندارند و از هیچ یک از روشهای تعین فاصله TOA، TDOA، AOA و RSS استفاده نمیکنند. مزیت این روشهاسادگی آنها و عدم نیاز به استفاده از روشهای فوق است.اما این روشها دقت روشهای مبتنی بر فاصله را ندارند و موقعیت تقریبی گرهها را مشخص میکنند. این روشها به دو دسته کلی تعداد گام و مبتنی بر فاصله تقسیم میشوند. در ادامه هر یک از آنها بررسی میشوند.
روش تعیین موقعیت مبتنی بر تعداد گام
از معروفترین روشهای تعیین موقعیت غیر فاصلهای میتوان از DV-Hop نام برد که به این صورت عمل میکند که هر حسگر یک جدول از {Xi, Yi, hi} دارد که شامل مختصات حسگر i و فاصله بر حسب تعداد گام بین گره فعلی و گره iم است. این جدول در بازههای زمانی متفاوت با حسگرهای همسایه تک گامی به روز میشود. هنگامی که یک حسگر مرجع میزان فاصله خود بر حسب تعداد گام، تا حسگرهای مرجع دیگر را به دست آورد، مقداری تحت عنوان فاکتور اصلاح به روش زیر محاسبه ودر شبکه منتشر میکند

با داشتن فاکتور اصلاح و موقعیت حسگرهای مرجع، یک حسگر میتواند به روش مالتیلتریشن مختصات خود را تخمین بزند.در واقع فاکتور اصلاح، تخمینی برای فاصله دو گره همسایه تک گامی است. در این روش نیز جهت تعیین موقعیت یک حسگر در فضای سه بعدی زیرآب لازم است تا یک گره به روش DV-Hop میزان فاصله تقریبی خود را تا چهار حسگر مرجع به روش مالتی لتریشن، مختصات خود را تخمین بزند. شکل 2- 9 مثالی از این روش را نشان میدهد.

محاسبه موقعیت به روش DV-Hop ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>A John Wiley and Sons</Author><Year>2010</Year><RecNum>60</RecNum><DisplayText>[16]</DisplayText><record><rec-number>60</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="fxstpwfrt2drr3ew2sbp0wde5serwfa25sp2">60</key></foreign-keys><ref-type name="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>A John Wiley and Sons, Ltd., Publication</author></authors></contributors><titles><title>Fundamentals of Wireless Sensor Networks Theory ND practice</title></titles><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[16]
تعیین موقعیت مبتنی بر ناحیه
در شبکههای حسگر بسیار بزرگ که گرهها در ناحیه وسیعی قرار گرفتهاند و به صورت متراکم پیادهسازی شدهاند امکان اندازهگیری مختصات و موقعیت گرهها میسر نیست. از طرفی در برخی از کاربردها موقعیت تقریبی حسگرها نیز کفایت میکند و نیاز به مختصات دقیق آنها نمیباشد. در این نوع از شبکهها تکنیکهای مبتنی بر ناحیه مانند ALS میتوانند مناسب باشند.
در روش ALS حسگرهای مرجع سیگنالهای بیکن را با توانهای متفاوت ارسال میکنند. بر اساس محدوده ارسالی سیگنال ، شبکه به ناحیههای کوچکتر تقسیم میشود. گرههای حسگر، سطح توان سیگنال دریافتی را اندازه گرفته و این اطلاعات را به همراه داده جمعآوری شده، به گره سینک، جهت پردازش ارسال میکنند. اطلاعات مربوط به توان سیگنالهای دریافتی به صورت برداری نمایش داده میشوند، به این صورت که i مین عدد نشان دهنده کمترین سطح توان سیگنال دریافتی از i مین حسگر مرجع است. دقت این روش بستگی به اندازه ناحیهای دارد که حسگرها در آن قرار دارند و میزان این دقت را میتوان با تغییر تعدادسطوح توان ارسالی توسط حسگرهای مرجع تنظیم نمود.
از آنجایی که در اکثر تکنیکهای مکانیابی و همزمانسازی جهت به دست آوردن موقعیت و زمان یک حسگر در نهایت از تخمین موقعیت و زمان استفاده میشود، در ادامه روشی برای تخمین، تحت عنوان تخمینگر حداقل مربعات معرفی میشود.
تخمینگر حداقل مربعاتتخمین حداقل مربعات یکی از روشهای قدرتمند تخمین است که بر پایه روش کمترین مربعات بنا نهاده شده است. این روش یک روش غیر تصادفی تخمین است، به عبارت دیگر در این روش، اندازهگیریها و متغیرهای مد نظر عمل تخمین، نویزی نیستند. در ادامه، تخمین زدن با استفاده از این تخمینگر توضیح داده میشود.
یک سیگنال گسسته با توصیف زیر را در نظر بگیرید.

به این صورت که θ1, θ2, . . ., θq ثابت و ناشناخته است و θ= θ1⋮θ2، γ1(n), γ2(n), . . ., γq(n) تابعی شناخته شده ازn باشد و = [γ1(n), γ2(n), . . ., γq(n)] (n)γ وهمچنین اندازهگیری انجام شده از سیگنال به صورت زیر باشد.

هدف یافتن θˆ(n) به عنوان تخمین θ با استفاده از z(1), z(2), . . ., z(n) میباشد.
با استفاده از مقدار تخمین زده شده θˆ(n) میتوان سیگنال جدیدی با عنوان sˆ(n) ساخت که تخمینی از سیگنال واقعی s(n) است.

همچنین مقادیر تخمینی ازسیگنال را در بازه i < n با استفاده از θˆ(n) میتوان در اختیار داشت.

60198062230حال میتوان مجموع مربعاتی را به صورت زیر ارائه نمود که اگر و تخمین θˆ(n) با θ برابر باشد، مجموع مربعات در رابطه (2- 13) صفر خواهد شد.

ولی در صورتی که θˆ(n) با θ برابر نباشد، مجموع مربعات مقدار مثبتی خواهد شد که اندازه آن بستگی به فاصله مقدار تخمین زده شده از مقدار واقعی دارد. لذا مجموع مربعات را میتوان به صورت یک تابع خطا در نظر گرفت که هدف، حداقل نمودن مقدار آن با استفاده از تخمین درست θˆ(n) میباشد.
تخمین θˆ(n) که تابع مربعات خطای (2- 13) را مینیمم کند، تخمین حداقل مربعات خطا از θ میگویند.
برای محاسبه تخمین حداقل مربعات از پارامترهای سیگنال s(n) ابتدا لازم است رابطه (2- 13) به صورت برداری بازنویسی شود.

در (2- 13) را میتوان به صورت زیر بازنویسی کرد:

به منظور محاسبه تخمین θˆ(n) با استفاده از حداقلسازی تابعS.S. میتوان از ایده مشتقگیری جزئی نسبت به θˆ(n) استفاده نمود. در این صورت:

145605530480شرط کافی برای محاسبه θˆ(n) از رابطه (2- 16) برگشتپذیر بودن میباشد. لذا خواهیم داشت:

در تخمینگر حداقل مربعات باید به این نکته توجه نمود که همواره باید تعداد دسته اطلاعات اندازهگیری شده از تعداد ضرایب مجهول بیشتر باشد (n > q).
از آنجایی که در اکثر تحقیقات پس از تخمین پارامترهای مورد نظر، برای ارزیابی کردن میزان صحت، روش خود را با مرز پایین کرامر رائو مقایسه میکنند در ادامه به بررسی مرز پایین کرامر رائو پرداخته میشود.
مرز پایین کرامر رائومرز پایین کرامر رائو، حداقل واریانس یک تخمینگر ناسوگیرانه، 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 حداکثر 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 امتیاز 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 خطای 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- اسوارز میتوان نتیجه گرفت که:

بسط نابرابری (2- 22) به صورت زیر میباشد.

Related posts: