محلی‌سازی زاویه ورود بر اساس آرایه‌های آنتن برای شبکه‌های حسگر بی‌سیم

نرجس غلامی

narjesghr@gmail.com

استاد راهنما: فرشید صهبا

چکیده

در میان تعداد زیادی از مشارکت‌ در زمینه تکنیک‌های محلی‌‌سازی برای شبکه‌های حسگر بی‌سیم (WSNs)، هنوز هیچ راه‌حل ساده‌، انرژی و هزینه‌ای مناسب در فضای باز وجود ندارد. در این مقاله، یک روش مبتنی بر آرایه‌های آنتن و اندازه‌گیری زاویه ورود (AoA) با دقت مورد بحث قرار گرفته است. درحالی‌که الگوریتم‌های AoA  به دلیل ابعاد بزرگ آنتن‌های هدایت‌شده به دلیل‌WSN ها به‌ندرت در نظر گرفته می‌شوند، برخی از تنظیمات سیستم مورد بررسی قرار می‌گیرند که می‌توانند به‌راحتی در دستگاه‌های بی‌سیم جیبی قرار گیرند. در این مقاله تابع وزن‌بندی ارزیابی که باعث کاهش خطاهای مکان می‌شود، معرفی شده است. همچنین تجزیه و تحلیل عملکرد دقیق سیستم ارايه شده است. دقت محلی‌سازی با استفاده از شبیه‌سازی‌های واقعی مونت کارلو معتبر است که با توجه به ویژگی‌های شرایط پخش در‌WSN ها و همچنین اثرات سروصدای رادیویی مورد توجه قرار می‌گیرد.

بخش اول‌: مقدمه

شبکه‌های حسگر بی‌سیم (WSN) ‌به‌طور مداوم از ۱۰ سال پیش‌، توجه دنیای مخابرات را به خود جلب می‌کنند. آنها قول داد‌ه‌اند چند برنامه کاربردی را اجرا كنند؛ برای مثال نظارت بر محیط زیست در مناطق خطرناک، کنترل ترافیک در خیابان‌ها، کنترل موجودی در انبارها، ردیابی بیماران در بیمارستان‌ها یا نظارت بر نیروهای دشمن در میدان جنگ. در بيشتر این برنامه‌ها، داده‌های جمع‌آوری شده توسط حسگر‌ها باید با موقعیت‌های سنسور ارتباط و همچنین بدون آن ارزش داشته باشند.

اطلاعات مربوط به محل مبدا آن بسیار مهم است که سنسورها با کمک موقعیت مکانی موقعیت خودشان را می‌دانند. با توجه به تلاش‌های تحقیقاتی بزرگ و همچنین چگونگی حل مساله محلی‌سازی‌، الگوریتمی وجود ندارد و نیز برای شبکه‌های حسگر خارجی به دلیل تعداد زیاد گره‌های حسگر و هزینه پایین آنها، امکان یک گیرنده GPS در هر گره وجود ندارد. محلی‌سازی در‌WSN ها همچنین می‌تواند با استفاده از اندازه‌گیری زاویه ورود (AoA) انجام شود. در این کار، ایده (AoA) سیستم محلی‌سازی است که در آن برخی از گره‌های حسگر با آنتن‌های مجهز توسعه داده شده‌اند و با دقت تحلیل می‌شوند.

بخش دوم‌: کار مرتبط

در‌حالی‌که محلی‌سازی زاویه ورود یک تکنیک شناخته شده است، اما مقالات زیادی در مورد طرح‌های AoA مناسب برای شبکه‌های حسگر بی‌سیم و نیز اهدافی که با نیازمندی‌ها و کاربردهای آنها سروکار داشته باشد، وجود ندارد. در مرجع‌ ‌19‌، ‌18 طرح‌های AoA شرح داده شده است‌ که در آن گره‌های گره با استفاده از یاتاقان‌های خود‌، خود را به سمت جلو حرکت می‌دهند‌، یعنی گره‌هایی که مختصات و جهت‌گیری‌های خود را می‌دانند. متاسفانه این روش‌ها نیاز به قدرت بیشتری دارند. در مرجع ‌20‌ گره‌های لنگر با تطبیق آنتن‌ها برای ارتباط با سنسورهای واقع در قسمت‌های مختلف شبکه استفاده می‌شوند. به‌طور کلی‌، چالش اصلی طرح‌های محلی‌سازی AoA  برای WSN در دستیابی به آن است.

بخش سوم‌: جزيیات الگوریتم

با توجه به مشکلات ذکر شده در بالا، یک راه‌حل که می‌تواند سادگی و محلی‌سازی را ترکیب کند، وجود دارد. روش پیشنهادی اینکه هر لنگر در شبکه مجهز به مجموعه‌ای از چهار آنتن ‌‌ (π / 2 dipoles)در مربع با قطر مساوی  6.25) π / 2  سانتیمتر برای باند 2.4 گیگاهرتزی ) در نظر گرفته شود. با تغییر جهت حداکثر تابش آرایه آنتن، یک چراغ چرخان ایجاد می‌شود. به ترتیب برای انجام این کار، مراحل سیگنال‌های موجود در هر چهار آنتن طوری تنظیم می‌شوند که دارای چهار موج رادیویی باشند و به‌طور سازنده‌ای در جهت خاص تداخل دارند. اشعه دریافتی این الگو دارای حداکثر سرعت بین  dBi 6.8 و dBi 1.8  و بسته به سمت مورد نیاز نور بین ۶۳ تا ۷۵ درجه است. با وجود چنین پرتوهای بزرگی، خطاهای محلی‌سازی الگوریتم در بخش چهار نسبتا کوچک هستند. در همان زمان، پارامترهای آنتن انتخاب‌شده کل آرایه آنتن را تضمین می‌کنند و مناسب برای دستگاه‌های کوچک هستند.

بخش چهارم: اعتبارسنجی دقت

دقت یک اندازه‌گیری AoA را می‌توان با استفاده از کران پایین Cramer-Rao ارزیابی کرد. با این حال دقت مکان‌یابی کل سیستم نه‌تنها اندازه‌گیری AoA بلکه موقعیت نسبی آن پارامترها و پارامترهای الگوریتم مکان‌یابی است، بنابراین شبیه‌سازی مونت کارلو که شامل موقعیت‌های تصادفی گره‌ها و لنگرها، مدل کانال پخش رادیویی خاص برای‌WSN های در فضای باز، نویز رادیو و پارامترهای فرستنده سنسورهای واقعی می‌شود، انجام شد.

در شکل‌های 1 و 2‌، عملکرد کلی الگوریتم محلی‌سازی نشان داده شده است. در شکل 1،‌RMSE ‌ به‌عنوان تابعی از مدل داده‌ شده و گام زاویه‌ای جهت چرخش نور برای تعداد مختلفی از لنگرهای موجود در شبکه است. بین این دو‌، گام چرخش‌، تعداد لنگرها و دقت محلی‌سازی آشکار است. اگرچه کاهش مرحله ۱، نسبتا ارزشمند نیست، درحالی‌که به‌عنوان یک گام کوچک‌تر‌، موجب می‌شود که زمان طولانی‌تر از روش محلی‌سازی باشد و نیز هزینه‌های انرژی بیشتری نسبت به انتقال و پذیرش را دربر گیرد. با شش لنگر در شبکه، دقت محلی‌سازی حدود دو متر است. با 10 لنگر،‌‌RMSE  می‌تواند به 1.2 متر کاهش یابد. دقت بسیار عالی را می‌توان برای 20 لنگر به‌ دست آورد، اما چنین تعداد زیادی آشکارا غیرعملی است.

*شکل 1: دقت محلی‌سازی به عنوان تابع یک مرحله از چراغ‌های چرخشی در یک شبکه از 100 سنسور و تعداد متغیر لنگر.

*شکل 2. تاثیر متوسط SNR در حسگر آنتن‌ها را بر دقت محلی‌سازی دریافت می‌کند.

اگر SNR در آنتن‌های حسگر افزایش یافته باشد، دقت محلی‌سازی AoA نیز بهبود می‌یابد. در بسیاری از برنامه‌های ‌ WSNقدرت انتقال بزرگ مطلوب نیست، با این‌حال‌SNR ‌ نیز می‌تواند با کاهش قدرت نویز افزایش یابد. این امر می‌تواند زمانی مورد بهره‌برداری قرار گیرد که سنسورها در یک سیستم narrowband کار می‌کنند.

بخش پنجم: بحث

در شبکه در نظر گرفته شده، با توجه به تراکم آن، تقریبا یک سنسور در هر متر مربع پنج متر مربع وجود دارد. شش لنگر، برای هر یک از 100 گره با خطای متوسط 2-2.5 متر باید قرار گیرند. از این رو، در چنین حالتی سنسورها قادرند به‌درستی داده‌های جمع‌آوری‌شده را با منطقه مربوطه مطابقت دهند.

برای درک بهتر نتایج به‌دست‌آمده، برخی از آزمایش‌ها توضیح داده می‌شود. با این وجود، مقایسه نتایج دقت به‌دست‌آمده را با سایر تحقیق‌ها نمی‌توان مرتبط کرد‌، زیرا هیچ سناریوی مرجع مناسبی برای الگوریتم مکان‌یابی WSN وجود ندارد. تحقیق‌های گزارش‌شده با انواع مختلف انجام می‌شود که در هنگام مقایسه باید شرایط هر کدام در نظر گرفته شود.

بخش ششم‌: نتیجه‌گیری و کار آتی

طرح‌های‌AoA ، به‌خصوص مفهومی که در این مقاله توصیف‌شده، به هیچ سخت‌افزار پیچیده‌ای برای سنسورها نیاز ندارد، همان‌طور که پیچیدگی سیستم به لنگرها انتقال داده می‌شود که تنها درصد کمی از کل شبکه است. در عین حال به دلیل امکان تعامل بین دقت‌، زمان و تعداد لنگرهای وارد شده، این روش پیشنهادی بسیار انعطاف‌پذیر است و می‌تواند به‌راحتی با یک برنامه کاربردی خاص تطبیق داده شود. کل الگوریتم روی یک روش غیر‌متمرکز کار می‌کند و هیچ سیگنالی نیاز به انتقال از سنسورها به لنگرها ندارد. این مساله به‌خصوص در شبکه‌های مقیاس بزرگ مفید است که در آن مقیاس‌پذیری، راه‌حل‌ کاربردی برای عملکرد مناسب سیستم است.     

تکنیک AoA که در این مقاله مورد بحث قرار گرفت، به دقت آنالیز شده و مدل انتشار مناسب و اثرات نویز را در نظر می‌گیرد. نتایج به دست‌آمده موجب ادامه تحقیق‌هایی می‌شود. در آینده از دو جهت، مطالعاتی برای آن انجام خواهد شد. اول، برنامه‌ریزی فیزیکی اجرای طرح محلی‌سازی را در نظر گرفته است. از نظر تجاری از تغییر فاز دیجیتالی موجود استفاده خواهد شد که می‌تواند مراحل سیگنال‌ها را در هر چهار آنتن در هر گره لنگر تنظیم کند.                                                                                                                     همچنین‌MICAz   برای محاسبه موقعیت خود با اندازه‌گیری‌های AoA  مجددا برنامه‌ریزی می‌شوند. در داخل شبکه که شامل نمونه‌های اولیه لنگر و   MICAzاست، نه‌تنها اندازه‌گیری‌های واقعی برای دقت محلی‌سازی ممکن است، بلکه ارزیابی واقعی برای تخلیه انرژی در لنگرها و سنسورها نیز امکان‌پذیر است. دومین خط از این تحقیق در مورد ادغام طرح‌های محلی‌سازی با پروتکل‌های دیگر برای‌WSN ها خواهد بود که شامل مواردی مانند مطالعات فرمنجی مسیریابی جغرافیایی با فرض خطاهای محلی‌سازی خاص‌ برای تکنیک AoA است و همچنین نقش لنگرها که در‌WSN ها می‌توانند گسترش یابند تا از قابلیت‌های آنها برای استفاده از ویژگی‌های دیگری مثل خوشه‌بندی شبکه یا جمع‌آوری داده‌ها و فشرده‌سازی بهره بگیرند.

سپاسگزاری

این کار توسط کمک‌های پروژه لهستانی 179 / N-COST / 2008/0 و DWM / MOB17 / II / 2008 پشتیبانی شد. همچنین توسط اسپانیا تخصیص داده‌شده TEC2007-67966-01 / TCM (CON-PARTE-1) و در چارچوب "Program Program de Ayudas a Grupos de Exelencia de la Region de Murcia، Fundacion Seneca ".

منابع :‌

Angle-of-arrival localization based on antenna arrays for wireless sensor networks

PawełKułakowskiaJavierVales-AlonsobEstebanEgea-LópezbWiesławLudwinaJoanGarcía-Harob