پایان نامه برق (مخابرات-سیستم): بهینه¬سازی جایگذاری گره¬ها در محیط¬های مختلف برای شبکه¬های حسگر فراپهن¬باند مکان¬یاب

دانلود متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته مهندسی برق گرایش برق-مخابرات

با عنوان :بهینه¬سازی جایگذاری گره¬ها در محیط¬های مختلف برای شبکه¬های حسگر فراپهن¬باند مکان¬یاب

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده درج نمی شود

پایان نامه کارشناسی ارشد در رشته مهندسی برق (مخابرات سیستم)

 

بهینه­سازی جایگذاری گره­ها در محیط­های مختلف برای شبکه­های حسگر فراپهن­باند مکان­یاب

 

 

استاد راهنما

دکتر علیرضا کشاورز حداد

 

اساتید مشاور

دکتر شاپور گلبهار حقیقی

دکتر عباس علی­قنبری

 

 

 

شهریور 1390

تکه هایی از متن به عنوان نمونه :

چکیده

بهینه­سازی جایگذاری گره­ها در محیط­های مختلف برای شبکه­های حسگرفراپهن­باند مکان­یاب

 

به‌وسیله

ابوالفضل تاجمیرریاحی

 

سیستم­های مکان­یاب به سیستم­هایی گفته می­شود که بتوانند مکان یک جسم را در یک فضا تشخیص دهند. اینگونه سیستم­ها معمولا با استفاده از ارتباطات رادیویی، فاصله دو جسم را تشخیص داده و بعد از چندین اندازه­­­گیری از گره­های مختلف، مکان جسم را در منطقه مشخص می­کند. از مهمترین سیستم­های جهانی مکان­یاب می­توان به سیستم­های مکان­یاب جهانی[1] و سیستم­های مکان­یاب نظامی روسیه[2]، سیستم مکان­یاب شهروندی اروپا[3] اشاره نمود.

با توجه به نیاز مکان­یاب­ها با دقت بالا و همچنین مکان­یابی درون فضاهای بسته استفاده از این سیستم­ها را کم اهمیت کرده و سیستم­هایی با سیگنال­های دقیق­تر دارای اهمیت بیشتری گشته­اند. از جمله این سیستم­ها استفاده از سیگنال­های فراپهن­باند است که دارای پالس­های بسیار باریک و پهنای باند وسیع بوده و می­توانند تفکیک­پذیری زمانی خوبی داشته باشند.

از اینرو این سیستم­ها به عنوان پیشنهادی مناسب برای مکان­یاب­های دقیق فضاهای بسته مطرح می­شوند.

کلیه سیستم­های مکان­یاب دارای گره­های مرجع بوده که هر کدام فاصله مشخصی تا جسم گیرنده دارند و از اندازه­گیری این فاصله­ها می­توان مکان گره­ها را پیدا کرد. از مهمترین عوامل اثبات شده در دقت سیستم­های مکان­یاب محل قرارگیری گره­های مرجع می­باشد. در دهه­های اخیر اهمیت این موضوع بررسی شده و راهکار­های مناسبی برای آن پیشنهاد شده است.

 

در برخی کاربردها می­توان خصوصیات رفتاری هدف را نیز مد نظر قرار داد. مثلا اینکه موقعیت هدف در اکثر زمان­ها در چه محدوده­ای از فضا باشد، در کاهش تعداد حسگر موثر است.

اگر بتوان تابع توزیع احتمال هدف در مختصات (x,y) را معلوم فرض کرد بنابراین می­توان از این تابع استفاده کرده و جایگذاری را به شکلی انجام داد که متوسط خطا مقدار دلخواه باشد. برای رسیدن به تابع توزیع هدف می­توان از فرض ارگادیک بودن فرآیند مکان هدف در زمان­ استفاده کرد و به نوعی به توزیع احتمالی آن نسبت داد. بنابراین با مطالعه بر روی تحقیقات انجام شده و استخراج معیار­ها برای مقایسه و دقت فاصله­یابی مناسب با استفاده از سیگنال­های فراپهن باند امید است با کاهش تعداد گره­های مرجع و استفاده از خصوصیات رفتاری هدف در شبکه بتوان به دقت مناسب رسید. اینگونه گره­ها باید دارای مکان مشخصی باشند تا بتوانند مکان گره هدف را تخمین بزنند. در این متن با فرض اینکه گره­های مرجع در هر نقطه که قرار گیرند دارای مکان معلومی باشند سعی می­شود این گره­ها در مکانی قرار گیرند که بتوانند دو شرط زیر را برآورد نمایند:

اول: در کل منطقه­ی تحت مراقب مکان گره هدف را بتوانند تخمین بزند.

دوم: متوسط خطای تخمین مکان گره هدف نیز در کل منطقه حداقل باشد.

از جمله عواملی که می­تواند در دقت مکان­یابی موثر باشد محل قرارگیری گره­های مرجع در محیط تحت مراقبت می­باشد. اما موردی که فقدان آن در اکثر تحقیقات انجام شده مشهود است آنست که چنانچه گره مرجع سیار باشد جایگذاری مناسبی برای گره­های مرجع پیشنهاد نشده است. در این تحقیق علاوه بر آنکه راهکار مناسبی برای بهینه کردن محل گره­های مرجع ارایه شده است در چند محیط هم از آن استفاده شده و نتایج آن مشاهده گردیده است.

در آخر، مقایسه­ای بین توزیع گره­های مرجع به صورت تصادفی مانند سایر تحقیقات و روش پیشنهاد شده انجام گرفته و مشخص شده است که می­توان با استفاده از این روش برای دست­یابی به دقت مطلوب از تعداد گره­ی مرجع کمتری استفاده نمود.

از اینرو در این متن هدف آن است که بتوان با استفاده از سیستم­های مکان­یاب فراپهن­باند برای رسیدن به دقت دلخواه، مکان گره­های مرجع را به صورت بهینه بدست آورد.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فهرست مطالب

عنوان                                       صفحه

فصل 1: مقدمه 1

فصل 2: سیستم­های­فراپهن­باند……………………………………………………………………………………………………5

2-1- مقدمه 5

2-2- خواص سیگنال­های فراپهن­باند 7

2-3- استانداردها درسیستم­های ­فراپهن­باند 9

2-4- مدولاسیون در سیستم­های­ فراپهن­باند 10

2-5- دسترسی چندگانه­ درسیستم­های فراپهن­باند 11

فصل 3: شبکه­های­اقتضایی­بی­سیم……………………………………………………………………………………………21

3-1- مقدمه ……22

3-2- دسته­بندی سیستم­های مکان­یاب 22

3-3- دسته­بندی الگوریتم­های مکان­یاب در شبکه­های حسگر………………………………………………………………………….16

3-4- انواع روش­های فاصله­یابی………………………………………………………………………………………………………………………….30

3-4-1- مکان­یابی بر اساس قدرت سیگنال……………………………………………………………………………………………………… 31

3-3-2- مکان­یابی براساس زاویه رسیدن سیگنال………………………………………………………………………………………………32

3-3-3- مکان­یابی بر اساس زمان رسیدن سیگنال….. ……………………………………………………………………………………….35

3- 5- استراتژی­های تشخیص پیک برای سیستم­های مکان­یاب زمانی…………………………………………………………….39

3 – 6- مشکلات مکان­یابی براساس زمان…………………………………………………………………………………………………………..40

3-7- تکنیک­های تخمین مکان…………………………………………………………………………………………………………………………..42

3-8- فناوری­های در دسترس برای سیستم­های مکان­یاب…………………………………………………………………………………45

فصل 4: استفاده از فناوری فراپهن­باند برای سیستم­های مکان­یاب…………………………………………..47

 

4-1- استفاده از سیگنال­های فراپهن­باند برای مکان­یابی…………………………………………………………………………………..47

4-2- آشکارسازی سیگنال­های فراپهن­باند و بررسی مدل کانال در استاندارد 802.15.4a 65

4-3- باند­های تشخیص خطا 56

4-4- مدل کردن اندازه­گیری­ها 59

4-5- باند خطای مکانی 61

4-6- فاصله­یابی بر اساس استاندارد 802.15.4a 65

فصل 5: بهینه­سازی سیستم­های مکان­یاب مبتنی بر فناوری فراپهن­باند………………………………… 67

5-1- استراتژی­های طراحی شبکه­های مکان­یاب 66

5-2- دسته­بندی توپولوژی شبکه­های حسگر برای مکان­یابی 67

5-3- اثر چگالی گره­ها در محیط برروی دقت مکان­یابی 69

5-4- هدف تحقیق 73

5-5- پیاده­سازی و شبیه­سازی طرح الگوریتم بهینه­ 73

5-5-1- موضوع طرح………………………………………………………………………………………………………………………………..78

5-5-2- بررسی اثر فاصله روی باند خطای مکانی……………………………………………………………………………………81

5-5-3- تشریح الگوریتم…………………………………………………………………………………………………………………………..82

5-5-4- تست و شبیه­سازی الگوریتم برای محیط­های ساده…………………………………………………………………91

5-5-5- الگوریتم بر مبنای تعداد گره مرجع…………………………………………………………………………………………..91

5-5-6- مقایسه توزیع تصادفی گره­ها با جایگذاری بهینه­ی آن­ها………………………………………………………….97

5-5-7- الگوریتم بهینه­یاب بر مبنای دقت دلخواه………………………………………………………………………………….99

فصل 6: نتیجه­گیری وپیشنهادات 102

مراجع : 105

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فهرست جدول­ها

عنوان                                       صفحه

جدول1-1: کاربرد و دقت مورد استفاده برای انواع مکان­یابی……………………………………………………………………………..3

جدول2-1: پارامترهای مدل کانال IEEE UWB………………………………………………………………………………………….20

جدول3-1: مقایسه روش­های مکان­یابی رایج…………………………………………………………………………………………………….46

جدول4-1: مقدار بایاس و انحراف استاندارد برای پرکاربردترین موانع……………………………………………………………..54

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فهرست شکل­ها

عنوان                                       صفحه

شکل1-2: توان تشعشعی ایزوتروپیک موثر مجاز به­ ازای باندهای فرکانسی مختلف………………………………………….7

شکل 2-2: روش­های مدولاسیون در سیستم­های فراپهن­باند……………………………………………………………………………11

شکل3-2: روش­های مدولاسیون در سیستم­های فراپهن­باند……………………………………………………………………………..13

شکل2-4: معماری لایه­ها در شبکه­های اقتضایی……………………………………………………………………………………………….15

شکل2-5: (a) پاسخ ضربه­ی مدل کانال برای IEEE 802.15.3a CH3 محور عمودی دامنه­ی کانال می­باشد، (b) تابع خودهمبستگی پاسخ ضربه­ی کانال ……………………………………………..18

شکل3-1: استفاده از سه گره برای مکان­یابی…………………………………………………………………………………………………….31

شکل3-2: منحنی تغییرات دقت بر حسب فاصله در روش RSSI………………………………………………………………….32

شکل3-3: رسیدن جبهه موج به آرایه­ای از آنتن­ها…………………………………………………………………………………………..33

شکل3-4: مکان­یابی با استفاده از زاویه رسیدن سیگنال…………………………………………………………………………………33

شکل3-5: مینیمم انحراف استاندارد بر حسب نسبت سیگنال به نویز با استفاده از زمان رسیدن سیگنال با پهنای پالس متفاوت…………………………………………………………………………………………………………………………………………..34

شکل3-6: منحنی تغییرات کمینه خطای فاصله­یابی با استفاده از زمان رسیدن سیگنال بر حسب نسبت سیگنال……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….37

شکل 3-7: مکان­یابی با استفاده از تفاضل زمان رسیدن سیگنال…………………………………………………………………….38

شکل3- 8: پروفایل تاخیر زمانی کانال……………………………………………………………………………………………………………..41

شکل3-9: پروفایل تاخیر زمانی کانال در عدم وجود دید مستقیم…………………………………………………………………..42

شکل 4- 1: منحنی تغییرات باند پایین دقت مکان­یابی بر حسب نوع سیگنال­های مختلفTOA……………….48

شکل4-2 : منحنی تغییرات مینیمم دقت مکان­یابی با استفاده از روش TOA …………………………………………..50

شکل 4-3: تاثیر دیوار بر روی سیگنال…………………………………………………………………………………………………………….52

شکل4-4:تاثیر سیگنال بر روی دیوار……………………………………………………………………………………………………………..54

شکل4-5: سیگنال دریافتی در محل­های مختلف محیط تحت مراقبت………………………………………………………..55

شکل4-6: محیط آزمایشی تحت مراقبت……………………………………………………………………………………………………………56

شکل 4-7: تغییرات باند پایین خطا زیو- زاکای و کرامر – رور به ازای تغییرات نسبت سیگنال به نویز………….58

شکل 4-8: باند پایین خطا زیو- زاکای و کرامر – رور به ازای تغییرات نسبت سیگنال به نویز در مدل کانال مختلف………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….59

شکل 4-9: تابع توزیع چگالی با وجود بایاس با توزیع یکنواخت………………………………………………………………………..61

شکل4-10: منحنی تغییرات ضرایب اهمیت بر حسب مقادیر بایاس متفاوت……………………………………………………64

شکل 4-11: باند خطای مکانی بر حسب تغییرات مقدار بایاس…………………………………………………………………………65

شکل4-12: ساختار بسته­ی اطلاعاتی پروتکل فاصله­یاب در استاندارد IEEE.802.15.4a…………………………..66

شکل 5- 1: توزیع منظم گره­ها و توزیع نامنظم گره­ها……………………………………………………………………………………….71

شکل 5-2: تغییرات دقت بر حسب چگالی گره­های مرجع…………………………………………………………………………………72

شکل 5-3: اثر چگالی گره­های مرجع برروی دقت………………………………………………………………………………………………73

شکل5-4: چیدمان گره­های مرجع برای هدف در مرکز دایره…………………………………………………………………………….75

شکل5-5: ضرایب اهمیت متفاوت برای موانع مختلف………………………………………………………………………………………..76

شکل5-6: محاسبه ضرایب اهمیت متفاوت برای موانع مختلف………………………………………………………………………….77

شکل5-7: اثر فاصله بر باند پایین خطای مکانی…………………………………………………………………………………………………82

شکل5-8: جایگذاری گره­های مرجع در محیط ساده به صورت بهینه………………………………………………………………90

شکل5-9: جایگذاری گره­های مرجع در محیط باند شده به صورت بهینه………………………………………………………..94

شکل5-10: جایگذاری گره­های مرجع در محیط دارای مانع به صورت بهینه……………………………………………………96

شکل5-11: جایگذاری گره­های مرجع در محیط دارای چاله به صورت بهینه……………………………………………………98

شکل5-12: باند پایین خطای مکانی متوسط بر حسب تعداد گره مرجع با استفاده از الگوریتم بهینه (ب) و مقایسه آن با توزیع تصادفی آنها (الف)………………………………………………………………………………………………………………..99

شکل 5-13: مکان بهینه نودهای مرجع در محیط ساده با الگوریتم بر مبنای دقت……………………………………….102

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فهرست نشانه‏های اختصاری

 

AOAAngle Of Receive
CRBCramer Rao Bound
EIRPEquivalent isotropically radiated power
GPSGeneral Positioning System
FCCFederal Communications Commission
LOSLine Of Side
MACMedium Access Control
MDSMultidimentional Scaling
NLOSNone Line Of Side
PSPower Save
PEBPosition Error Bound
RSSReceived Signal Strength
SDPSemi Define Programming
SNRSignal to Noise Ratio
TDOATime Different of Arrival
TOATime Of Arrival
UWBUltra-Wideand
WLANWireless Local area Networks
WPANWireless Personal Area Networks
ZZBZiv-Zakai Bound

 

فصل اول:

مقدمه

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

امروزه استفاده از شبکه­های حسگر بسیار رایج و کاربردی شده است. شبکه­های حسگر مجموعه­ای از ادوات حسگر است که با چیدمان مخصوص در محیطی قرار گرفته و با سعی در پوشش کل محیط، هدف خاصی را دنبال می­کند. هدف در شبکه­های حسگری ممکن است حس کردن دما برای محیط­های خاص، حس کردن دود برای جلوگیری از آتش گرفتن یا حس کردن نوعی گاز خاص باشد. اما از مهمترین کمیت­های قابل تشخیص بوسیله حسگرها مکان و زمان است که بسیار کاربردی است. با توجه به افزایش کارایی­های مکان­یابی در کاربردهای مختلف نیاز به اینگونه سیستم­ها روز به روز افزایش می­یابد. گسترش اینگونه سیستم­ها مورد توجه محققان و شرکت­های سازنده قرارگرفته است.

به عنوان مثال مکان اتومبیل­ها در مناطق تحت کنترل و نظامی و بررسی ترافیک­ها در نقاط مختلف و کنترل ناوگان مسافربری از جمله کاربردهای اخیر مکان­یابی است که از سیستم­های مکان­یابی GPS استفاده می­کند.

اما مکان­یابی اشخاص در انبارهای تجهیزات، بیمارستان­های بزرگ، مکان­های امنیتی در فضاهای داخلی با استفاده از سیستم­هایGPS امکان­پذیر نیست. زیرا این سیستم­ها دارای ارتباط ماهواره­ای بوده و نیاز به خط دید مستقیم با گیرنده دارند و گیرنده باید همزمان با چهار گره مرجع ماهواره­ای در تماس باشد. این گونه محدودیت­ها استفاده از این سیستم­ها را در فضای داخلی تقریبا غیرممکن می­سازد. به علاوه این­ سیستم­ها در ماژول مکان­یاب نیاز به توان ارسالی بالا برای تبادل اطلاعات با گره­های مرجع[4] وجود دارد و استفاده از این ماژول­ها را با استفاده از تغذیه باتری با مشکل روبرو می­کند. یکی از مشکلات مهم دیگر این سیستم­ها، دقت نسبتا” پایین آن­ها در حدود چندین متر است [1] .

در کاربردهای دقیق­تر مانند ربات­های متحرک[5]، ربات­های فوتبالیست و مکان­یابی اشخاص در فضاهای بسته امنیتی بیمارستان­های بزرگ استفاده از سیستم­های GPS مقدور نبوده و سیستم­های ساخته شده از شبکه­های حسگری استفاده می­شود. بنا براین شبکه­های بی­سیم محلی[6] برای فضاهای داخلی استفاده می­گردد. اما اینگونه سیستم­ها نیز از لحاظ دقت کارآمد نیستند. در مکان­یابی­های دقیق، سیگنالینگ فراپهن­باند پیشنهاد می­شود. در جدول زیرکاربردهای مختلف مکان­یابی با دقت­های مورد نیاز مشاهده می­گردد[2] .

 

کاربرددقت مورد نیاز
مراقبت داخلی1 سانتی متر
مکان­یابی ابزاری1 سانتی متر
راهنمای ربات داخلی8 سانتی متر
راهنمای عابر پیاده1 متر
سرویس­های مکان­یابی3 متر
اطلاعات قطار- اتوبوس- هواپیما30 متر
مکان­یابی حوادث1 متر
دره­های شهری50 سانتی متر

جدول1-1: کاربرد و دقت مورد استفاده برای انواع مکان­یابی

همانطور که در این جدول دیده می­شود اکثر کاربردهای مهم مکان­یابی نیاز به دقت­های سانتی­متر تا حداکثر متر دارند.

از ویژگی­های سیگنال­های فراپهن­باند، قابلیت تفکیک سیگنال­ها از مسیرهای مختلف به­ دلیل باریک بودن پالس­ها است. قابلیت دیگر نفوذ و عبور از دیواره­ها و البته انتقال داده با نرخ­های بالا به دلیل پهنای باند وسیع است.

[1] GPS

[2] GLONASS

[3] Galileo

[4]Anchor

[5]Mobile Robot

[6]WLAN

***ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل و با فرمت ورد موجود است***

متن کامل را می توانید دانلود نمائید

چون فقط تکه هایی از متن پایان نامه در این صفحه درج شده (به طور نمونه)

ولی در فایل دانلودی متن کامل پایان نامه

 با فرمت ورد word که قابل ویرایش و کپی کردن می باشند

موجود است

تعداد صفحه :140

قیمت : چهارده هزار تومان

بلافاصله پس از پرداخت ، لینک دانلود به شما نشان داده می شود

و به ایمیل شما ارسال می شود.

پشتیبانی سایت :        09124404335        info@arshadha.ir

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

شماره کارت :  6037997263131360 بانک ملی به نام محمد علی رودسرابی

11

مطالب مشابه را هم ببینید

فایل مورد نظر خودتان را پیدا نکردید ؟ نگران نباشید . این صفحه را نبندید ! سایت ما حاوی حجم عظیمی از پایان نامه های دانشگاهی است. مطالب مشابه را هم ببینید. برای یافتن فایل مورد نظر کافیست از قسمت جستجو استفاده کنید. یا از منوی بالای سایت رشته مورد نظر خود را انتخاب کنید و همه فایل های رشته خودتان را ببینید