مکان یابی در شبکه های حسگر بی سیم با استفاده از سیگنال های با پهنای باند بسیار زیاد

مسئله پیدا کردن مکان متحرک بی سیم، مقارن است با عملیات های نظامی در طول جنگ جهانی دوم، به طوری که در آن زمان یافتن مکان سربازها در مواقع اضطراری امری حیاتی بوده است. حدود 20 سال بعد در طول نبرد ویتنام، وزارت دفاع آمریکا یک سری از ماهواره های سیستم موقعیت یاب جهانی (gps ) را برای حمایت نبردهای نظامی در مناطق جنگی، راه اندازی کرد. در سال 1990 سیگنال های ماهواره های gps در دسترس سازمان های خصوصی و برای کاربردهای تجاری از قبیل مدیریت ناوگان دریایی قرار گرفت. امروزه این فناوری به طور وسیع در دسترس بازارهای دادوستد شخصی برای کاربردهای راهبری شخصی قرار گرفته است. با وجود موفقیت این فناوری، دقت مکان یابی آن در مناطق مسکونی و محیط های داخلی و در جایی که سیگنال های دریافتی نمی توانند از اثرات کانال چند مسیره و بلوکه شدن در امان باشند، به طور چشم گیر مورد چالش قرار گرفت. در سال 1996، fcc، مقررات لازم برای ارائه دهندگان سرویس های بی سیم را به طوری که قادر باشند مکان تماس گیرنده های تلفن همراه را در موقعیت های اضطراری با دقت نامی 100 متر در 67 درصد زمان ها پیدا کنند، پایه گذاری کرد. این سرویس اضطراری در امریکا e-911 و در بسیاری از کشورهای دیگر e-112 نامیده شد. در سال های اخیر توجه زیادی به استفاده از شبکه های پیشآ و حسگر بی سیم برای مکان یابی در محیط های داخلی شده است. توسعه فناوری سیستم های میکروالکترومکانیکی (mems )، و همچنین پیشرفت در الکترونیک دیجیتال و ارتباطات بی سیم، امکان طراحی گره های حسگر بی سیم انرژی کارآمد ، ارزان و با اندازه کوچک را فراهم کرده است، به طوری که بتواند در محیط های مختلف و با شرایط محیطی سخت، برای کاربرد های متفاوت توسعه پیدا کنند. به دلیل اینکه گره های حسگر توزیع شده در یک منطقه مورد نظر، معمولاً برای اهداف مسیریابی و وظایف خاص کاربردی از قبیل مانیتورینگ دما و فشار، به اطلاعات موقعیت خود نیاز دارند، مکان یابی گره، یک فناوری توانا ساز برای شبکه های حسگر بی سیم خواهد بود ]1[. در بسیاری از کاربردها، یک شبکه حسگر بی سیم برای کمک به بهبود دقت مکان یابی در محیط هایی که شرایط کانال (مانند وجود اثر چند مسیره شدید که باعث ایجاد شرایط مسیر مستقیم آشکار نشده (udp) می گردد) چالشی را برای تخمین فاصله به دنبال خواهد داشت، مورد استفاده قرار می گیرد. برای این قبیل کاربردها می توان به روش مکان یابی مشارکتی حسگرهای بی سیم و شبکه های پیشآ اشاره کرد ]2[. در کاربردهای تجاری نیاز به مدیریت اموال در انبارها، مواد و تجهیزات در کارخانه ها و بیمارستان ها باعث ورود این شبکه ها در این نوع موارد شده است. برای اهداف امنیت عمومی و نظامی، وجود سیستم های مکان یابی داخلی برای ردیابی اشخاص در زندان ها و معادن، کامل شدن مأموریت افراد پلیس، آتش نشان ها و سربازان در داخل ساختمان ها ضروری است. در نمونه های ذکر شده، مکان یابی گره حسگر نقش مهمی را در این شبکه ها ایفا می کند. تکنولوژی های بی سیم متنوعی نظیر واسطه های صوتی، مادون قرمز و باند بسیار وسیع برای اهداف مکان یابی مورد استفاده قرار گرفته اند. مکان یابی صوتی محدوده کاربری وسیعی دارد، که بیشتر شامل ردیاب صوتی زیردریایی غیر فعال ، تست و آنالیز منبع نویز، کاربردهای پدافندی، ردیابی بلندگو (منبع صوت) می باشد. مکان یاب صوتی غیر فعال از چندین سنسور برای آشکارسازی صوت منتشر شده توسط هدف، استفاده می کند و سپس مکان منبع با روش های تخمین مختلف، محاسبه می شود ]3[. امروزه در میان تکنیک های موجود، مسافت یابی بر مبنای زمان دریافت سیگنال با پهنای باند بسیار وسیع، مورد توجه زیادی قرار گرفته است ]15-4[. علاوه بر ارتباطات سرعت بالای آن، uwb به عنوان یک کاندیدای موجود برای مسافت یابی و مکان یابی دقیق انتخاب شده است. اساساً این به دلیل پهنای باند زیاد است که منجر به تفکیک پذیری بالای زمانی می شود و لذا برای کاربردهایی با دقت های حدود چندین سانتی متری، توان پایین و کم هزینه مجاز شمرده می شود ]16و15[. با وجود آنکه عملکرد این تکنیک به وجود سیگنال مسیر مستقیم بین دو گره حسگر وابسته است، اما در حضور مسیر مستقیم بین فرستنده و گیرنده، یعنی شرایط دید مستقیم رنج کوتاه، دقت تخمین uwb toa به دلیل تفکیک پذیری زمانی بالا در رنج چند سانتی متر خواهد بود ]17[. قابل ذکر است که در مقایسه با تکنولوژی مادون قرمز، uwb مزیت عبور از ساختمان ها را نیز دارد به طوری که ارتباطات بی سیم را تسهیل می نماید و همچنین در محیط هایی با مسافت کم، این سیستم ها عمدتاً ارزان تر و راحت تر می باشند. مفهوم uwb نخستین بار توسط مارکونی در اوایل دهه 1900 معرفی شد. در آن زمان با استفاده از فرستنده های تولیدکننده جرقه های شدید دنباله کدهای مرس در امتداد اقیانوس اطلس ارسال می گردید (هر چند که در آن زمان مزایای پهنای باند زیاد و قابلیت استفاده از سیستم های چند کاربره اصلاً در نظر گرفته نمی شد). این فرستنده ها سیگنال های پالسی تداخلی با پهنای باند بسیار زیاد بوجود می آوردند. به همین دلیل چند سال بعد (سال 1927) مخابرات جهانی استفاده از آنها را به نفع فرستنده های باند باریک و رادیویی که در تخصیص باندها به خوبی عمل می کردند، ممنوع کرد. در دهه 1960 سازمان نظامی آمریکا با تصمیم گیری بر ارسال پالس در مخابرات امن خود جرقه ای دوباره به این سیستم ها زد و در نهایت در اوایل دهه 1990 این مفهوم به صورت گسترده ای مطرح شد. همزمان با آن تکنولوژی ساخت آنها نیز پیشرفت قابل ملاحظه ای کرد که در نتیجه آن، سیستم های uwb به صورت تجاری در آمدند. این نظریه که سرویس های بی سیم با توان پایین می توانند در کنار سایر سیستم ها کار کنند عاملی برای قبول این سیستم توسط fcc شد و در فوریه 2002، اولین اجازه شروع به کار این سیستم ها تحت قواعد بخش پانزده fcc با اندکی محدودیت صادر گردید ]18[. با توجه به مقدمه ذکر شده، در این پایان نامه به دنبال شناخت محدودیت های موجود برای داشتن دقت مکان یابی مناسب و به دنبال آن، ارائه راهکارهایی برای مقابله با آنها بوده ایم. مواردی که در بررسی های صورت گرفته مورد توجه و سوال قرار گرفت را می توان به ترتیب زیر بیان کرد : • در گام اول مشاهده و اثبات شد که استفاده از سیگنال های uwb تنها برای تکنیک مسافت یابی toa موثر می باشد و این در حالی است که در مورد تکنیک rss اینگونه نمی باشد و تقریباً اثر خنثی دارد. با توجه به این موضوع به دنبال بررسی و ارائه روشی برای داشتن تأثیر مناسب استفاده از سیگنال های uwb در تکنیک مسافت یابی rss بودیم. با توجه به مدل کانال s-v ارائه شده برای این سیگنال ها، روش خوشه بندی توان پیشنهاد شد که به طور مفصل در فصل چهارم به بیان این روش و نتایج بدست آمده پرداخته شده است. • در گام بعدی بررسی تکنیک های هایبرید و چگونگی کارایی آنها در بهبود دقت مکان یابی و در شرایط مختلف مدنظر قرار گرفت. با توجه به یکی از محدودیت های موجود مبنی پدیده حداکثر شدن (با شیب زیاد) خطای مکان یابی در نزدیکی گره های مرجع، و بررسی های موجود برای کارایی تکنیک هایبرید برای موقعیت یابی با استفاده از تخمین زن ml برای رفع محدودیت بیان شده، در ادامه با در نظر داشتن این موضوع که استفاده از الگوریتم های خطی موقعیت یابی مختلف به جای روش پیچیده تر ml، از اهمیت زیادی برخوردارند، به بررسی کارایی تکنیک هایبرید با استفاده از الگوریتم خطی ls برای پدیده حداکثر شدن پرداخته شد. • در گام آخر این پایان نامه، به دنبال علت اصلی پدیده حداکثر شدن، به بحث پارامتر gdop و تأثیر چگونگی قرار گرفتن گره ها نسبت به یکدیگر وارد شده است. در این رابطه نیز همانطور که در فصل ششم بیان خواهد شد با ارائه الگوریتم های مبتنی بر گره های مجازی به بهبود کارایی الگوریتم های خطی موقعیت یابی پرداخته شده است.