بخشی از مقاله
چکیده
یکی از اساسی ترین مشکلات شبکههاي حسگر بیسیم، مکانیابی حسگرها میباشد. بطوریکه طیف عظیمی از تحقیقات را به خود معطوف ساخته است. مکانیابی عبارتست از اعمالی که یک حسگر براي پیدا کردن موقعیت جغرافیایی خود انجام میدهد. الگوریتمهاي زیادي براي مکانیابی در شبکه هاي حسگر ارائه شده است. که برخی از آنها کم و بیش توانسته اند این مشکل را برطرف کنند. ما در این مقاله، مروري بر الگوریتمهاي موجود خواهیم داشت. سپس این الگوریتمها را از لحاظ مختلف مقایسه نموده و نتایج مقایسه خود را بصورت جدول ارائه خواهیم داد.
-1 مقدمه
شبکه حسگر بی سیم، یک تکنولوژي در حال پیشرفت است که موضوعات تحقیقاتی وسیعی را براي محققان بوجود آورده است. پیشرفت هاي اخیر در زمینه ارتباطات بیسیم و الکترونیک منجر به گسترش حسگرهایی شده است که کم هزینه، کم مصرف و چند منظوره هستند . این حسگرها داراي ابعاد کوچکی هستند و در فاصله هاي کوتاه با هم ارتباط برقرار میکنند.
قابلیتهاي حسگرها از قبیل ارزان بودن، هوشمندي، شبکه شدن از طریق لینکهاي بی سیم و آرایش آنهابه تعداد زیاد در محیط، فرصت بی نظیري براي پایش و کنترل خانهها، شهرها و محیط فراهم کرده است . بعلاوه، حسگرهاي شبکه شده، کاربردهاي وسیعی در حوزه دفاع، شناسایی و مراقبت دارند
قابلیت خود -مکانیابی یکی از ویژگیهاي فوق العاده مطلوب شبکههاي حسگر بی سیم میباشد. در کاربردهاي پایش محیط مانند نظارت بر عدم احتراق جنگل، کنترل کیفی آب، نظارت بر صحت کشاورزي و غیره حتما باید تعیین کرد دادههایی که بدست آمده است از کدام موقعیت جغرافیایی ارسال شده است. علاوه بر این، تخمین موقعیت - مکانیابی - از جانب حسگرها میتواند کاربردهاي دیگري مانند مدیریت انبار کالا، نظارت بر ترافیک جاده اي، مراقبت بهداشتی، شناسایی و نظارت را نیز ایجاد کند. الگوریتمهاي مکانیابی شبکه حسگر، مکان گرههایی که از موقعیت جغرافیایی خود اطلاعاتی ندارند را با استفاده از دو سري اطلاعات بدست آورد؛
اولی، با استفاده از گرههایی که از موقعیت جغرافیایی خود آگاه هستند.
دومی، با استفاده از اندازهگیري مسافت یا جهت بین دو حسگر. حسگرهایی که از موقعیت جغرافیایی خود آگاه هستند، راهنماها1 نامیده میشوند.
این حسگرها اطلاعات مکانی خود را با استفاده از سیستم موقعیت یاب جهانی 2 یا با نصب در نقاط مشخص شده بدست می آورند. بدلیل محدودیتهایی که در هزینه، اندازه، مصرف انرژي، محیطهاي پیاده سازي - یعنی اینکه GPS در برخی محیط قالب دسترسی نیست - و آرایش حسگرها - یعنی اینکه گرههاي حسگر شاید بطور تصادفی در محیط پراکنده شوند - وجود دارد، اکثر حسگرها از موقعیت خود آگاه نیستند . حسگرهایی که داراي چنین شرایطی هستند را غیر راهنماها مینامند و موقعیت آنها بوسیله الگوریتمهاي شبکه حسگر تخمین زده میشود.
الگوریتمهاي موجود در شبکههاي حسگر بی سیم را می توان به دو بخش اصلی تقسیم کرد :[2] الگوریتمهاي مبتنی بر برد و الگوریتم هاي برد -آزاد. رویکردهاي مبتنی بر برد از اندازهگیريهاي مسافت یا زاویه نقطه به نقطه گرهها براي تخمین موقعیت آنها استفاده میکند. اما رویکردهاي برد - آزاد نیاز به اندازهگیري مسافت یا زاویه ندارند، بلکه این رویکردها فقط وابسته به اتصال شبکه و محتواي بستههاي دریافتی دارند. در این مقاله به تفصیل درباره این رویکردها بحث خواهد شد. اگرچه رویکردهاي برد -آزاد نمیتوانند بدقت رویکردهاي مبتنی بر برد اجرا شوند، اما آنها رویکردهایی مقرون به صرفه هستند .
ما در این مقاله تحلیل مقایسه اي بر رویکردهاي مکانیابی در شبکههاي حسگر بیسیم خواهیم داشت، و تا حدودي مشکلات و چالشهاي پیش روي آنها را ذکر خواهیم کرد. میتوان ساختار مقاله را به صورت زیر بخش بندي کرد: در بخش دوم این مقاله تمام رویکردهاي مبتنی بر برد را شرح خواهیم داد. مقایسه این رویکردها و مزایا و معایب آنها در بخش سوم آورده شده است. در بخش چهارم، رویکردهاي برد-آزاد توضیح داده شده است . مقایسه این رویکردها و ارائه نتایج مقایسه بصورت جدول بخش پنجم مقاله را شکل میدهد. کارهاي آتی و نتیجهگیري پایانبخش مقاله خواهد بود
-2 الگوریتمهاي مبتنی بر برد
الگوریتمهاي مبتنی بر برد، موقعیت بین گره هاي حسگر را با استفاده از فاصله نقطه به نقطه یا اطلاعات زاویه اي محاسبه می کنند و همچنین می توان گفت که الگوریتمهاي مبتنی بر برد به فاصله مطلق بین یک فرستنده و یک گیرنده وابسته هستند. الگوریتمهاي مبتنی بر برد مسافت بین گره ها را با استفاده از روشهاي زیر محاسبه میکنند
اندیکاتور شدت سیگنال دریافتی
روشهاي مط رح شده دقت مکانیابی بالایی دارند و به سخت افزارهاي اضافی جهت اندازه گیري مسافت و زاویه نیاز دار ند [5] و داراي پیچیدگیهاي زیادي ه ستند .[6] که در ادامه به بررسی این روشها پرداخته میشود.
-1-2 زمان ورود
روش ToA - که بعضی اوقات زمان پرواز نیز نامیده می شود - زمانیکه سرعت انتشار موج تعیین شده باشد، از رابطه بین مسافت و زمان استفاده میکند. فرض بر این است که فرستنده و گیرنده از زمان شروع انتقال سیگنال- براي مثال یک پالس فراسیگنال کوتاه- آگاه هستند، زمان ورود سیگنال به گیرنده را می توان به طریقی که در زیر توضیح داده میشود، براي محاسبه زمان انتشار و مسافت استفاده کرد . فرستنده در زمان T0 سیگنال را ارسال میکند. گیرنده نیز در زمان T1 آنرا دریافت کرده و سپس آن را پردازش میکند. در زمان T2 آنرا به فرستنده دوباره ارجاع میدهد. فرستنده نیز آنرا در زمان T3 دریافت کرده و شروع به محاسبه مسافت می کند. شکل 1 زیر به وضوح زمانهاي ارسال و دریافت سیگنال را نمایش میدهد.
شکل :1 اندازه گیري زمان ورود
براي محاسبه مسافت بین دو گره، گیرنده از فرمول زیر استفاده می کند:
در فرمول بالا V سرعت انتشار امواج فراصوت میباشد. به زمان T2-T1 زمان پردازش گیرنده گفته میشود. روش اندازه گیري ToA زمانی استفاده می شود که مسیر کاملا متقارن باشد. منشا خطایی که در این اندازهگیري ممکن است رخ دهد، میتواند از عدم محاسبه دقیق تاخیرها و زمان پردازش باشد
-2-2 اختلاف زمان ورود
در این روش از دو رسانه انتقال با سرعت انتشار متفاوت استفاده می شود. بعنوان مثال یکی را امواج رادیویی و دیگري را امواج فراصوت در نظر می گیرند. مطابق شکل 2 فرستنده در زمان T0 امواج رادیویی را ارسال کرده و در زمان T2 امواج مافوق صوت را ارسال می کند. در طرف گیرنده امواج رادیویی در زمان T1 و امواج فراصوت در زمان T3 دریافت می گردند.
شکل :2 روش اندازه گیري TDoA
براي محاسبه مسافت بین دو گره از فرمول زیر استفاده میشود:
در این روش، علاوه بر زمان پردازش در گیرنده، باید زمان پردازش در فرستنده را نیز جز عاملهاي بوجود آورنده خطا دانست
-3-2 اندیکاتور شدت سیگنال دریافت
فرض میکنیم مقدارهاي PTX توان انتقال و α ضریب اتلاف مسیر باشند، گیرنده میتواند از شدت سیگنال دریافتی یا Prcvd براي بدست آوردن مسافت d در فرمول زیر استفاده کند:
این زمانی جالب خواهد بود که هیچ سخت افزار اضافی براي این کار نیاز نباشد. از معایب این روش میتوان گفت که مقدارهاي RSSI ثابت نبوده و بشدت نوسان دارند، حتی اگر زمانیکه فرستنده و گیرنده بیحرکت و ساکن باشند. نرخ خطا در این روش 50 درصد گزارش شده است و تراشه هاي رادیویی که از آنها استفاده میشود بدرستی کالیبره نمیشوند. سومین مشکل این روش این است که موانع طبیعی باعث میشود سیگنال از مسیرهاي مختلف ارسال شوند، بنابراین گیرنده، سیگنالهایی با شدت متفاوت دریافت خواهد کرد و در نتیجه، در محاسبه مسافت، خطا رخ خواهد داد
-4-2 زاویه ورود
رویکردهاي مبتنی بر اندازهگیري زاویه ورود را میتوان به دو بخش تقسیم کرد؛ رویکردهایی که در آنها، آنتنها، بر اساس دامنه سیگنال دریافتی عمل میکنند
