بخشی از مقاله
چکیده: ردیابی هدف با استفاده از حسگرها و استفاده از روشهای توزیعی برای ارتباط داده های به دست آمده از حسگرها از مسائل مهم در زمینه شبکه های حسگری بیسیم می باشد که در سال های اخیر تحقیقات بسیاری روی آن انجام شده است. در این مقاله نیز هدف طراحی سیستم توزیع شده ردیابی هدف در شبکه های حسگر می باشد. برای رسیدن به این هدف از تکنیک فیلتر کالمن برای ردیابی هدف استفاده خواهد شد.
همچنین برای پخش و توزیع کردن اطلاعات الگوریتم ردیابی هدف در کل شبکه از فیلتر مشورتی - consensus - استفاده می شود. در این روش فرض می شود که همه حسگرها به هم متصل نیستند و در واقع مرکزی نداریم که داده های همه حسگرها را جمع آوری نماید. در نتیجه داده های حسگرها بصورت توزیع شده در اختیار حسگر مجاور قرار می گیرد و با دست به دست شدن داده های حسگرها - که در عمل به مفهوم میانگین گیری از آنهاست - مکان هدف تخمین زده می شود.
-1 مقدمه
محیط های هوشمند وابسته به اطلاعات حسی استخراج شده از دنیای واقعی است. اطلاعات دریافتی می توانند از چندین حسگر با انواع مختلف توزیع شده در مکان مطلوب جمع آوری شوند.در چند سال اخیر زیرمجموعه جدیدی از شبکه ها به نام شبکه های حسگر بیسیم پدید آمده است. این شبکه ها از این لحاظ قدرتمند هستند که قابلیت پشتیبانی از تعداد زیادی از کاربردهای مختلف دنیای واقعی را دارا هستند. آنها به خاطر این انعطاف پذیری به عنوان یک موضوع تحقیق بحث برانگیز و یک مسئله مهندسی به شمار می آیند. یک شبکه حسگر متشکل از تعداد زیادی نودهای حسگر است که در یک محیط به طور گسترده پخش شده و به جمع آوری اطلاعات می پردازند.
کار روی شبکه های حسگر در ابتدا با اهداف و کاربردهای نظامی و دفاعی آغاز شد ولی به سرعت کاربردهای دیگری نیز پیدا کرد که از جمله در زمینه کاربردهای نظارت بر محیط های داخلی و خارجی، کاربردهای صنعتی و کاربردهای پزشکی.طراحی شبکه های حسگر بیسیم توسط عواملی مانند تحمل پذیری نسبت به خطا و از کار افتادن حسگرها، مقیاس پذیری، هزینه های تولید، محیط عملیاتی، توپولوژی شبکه حسگر، محدودیت های سخت افزار، رسانه ی انتقال و مصرف توان تحت تاثیر قرار می گیرد. فیلتر کالمن بیش از 50 سال است که مورد استفاده قرار می گیرد ولی هنوز یکی از مهم ترین و رایج ترین الگوریتم های ادغام داده ها در زمان حاضر میباشد.
این نام به افتخار Rudolf E.Kalman برای این روش انتخاب شده است و عمده دلیل موفقیت این روش نیاز به محاسبات کم، مشخصات بازگشتی مناسب و حالت آن برای تخمین سیستم های خطی یک بعدی با مشخصات آماری خطای گاوسی است .[1] عمده کاربرد فیلتر کالمن شامل هموارسازی داده های نویزی و فراهم کردن تخمین پارامترهای مورد نظر می باشد. از دیگر کاربردهای این روش می توان به گیرنده های GPS، PLL ها در تجهیزات رادیویی و هموارسازی خروجی صفحه لمسی لپتاپ اشاره کرد.
از نقطهنظر تئوری، فیلتر کالمن یک الگوریتم است که اجازه استنتاج دقیق را در یک سیستم دینامیکی خطی به ما می-دهد. این سیستم یک مدل بیزین شبیه به مدل مارکوف مخفی - HMM - میباشد ولی فضای حالت متغیرهای پنهان پیوسته است و همه متغیرهای پنهان و مشاهده شده یک توزیع گاوسی دارند - اغلب یک توزیع گوسی چند متغیره - . فیلتر کالمن [2] و ورژن های دیگر آن مانند فیلتر کالمن توسعه یافته [3] و فیلتر کالمن [4] unscented از مهمترین و معروفترین روش های ادغام اطلاعات در زمینه پردازش اطلاعات هستند.
یکی از اولین استفاده های معروف از فیلتر کالمن در کامپیوتر ناوبری آپولو بود که نیل آرمسترانگ را به ماه برد و مهمتر از آن او را به زمین بازگرداند. امروزه فیلتر کالمن در هر وسیله ناوبری ماهواره، تلفن هوشمند و بسیاری از بازیهای کامپیوتری مورد استفاده قرار می گیرد. فیلتر کالمن بطور معمول با استفاده از جبر برداری به عنوان یک تخمینگر مربعی میانگین کمینه به دست می آید .[5] ردیابی و تخمین توزیع شده، یکی از اساسی ترین مسائل پردازش اطلاعات مشارکتی در شبکه های حسگر بیسیم میباشد.
مسئله ردیابی و ادغام چند سنسوری یک تاریخ دراز در پردازش سیگنال، تئوری کنترل و روباتیک دارد [1]، .[7] اساسی ترین مشکل تخمین توزیع شده برای شبکه های حسگر، توسعه یک الگوریتم توزیع شده برای فیلتر کالمن میباشد .[8] یک روش برای فیلتر کالمن توزیع شده - DKF - در [9] پیشنهاد شده است که بر پایه رسیدن به یک میانگین گیری مشورتی میباشد. در این کار تنها یک طرح مقیاس پذیر برای حل مسئله DKF در یک حالت خاص با اطلاعات کامل مطرح شده و شامل نتایج آنالیز کافی و الگوریتم های توزیع شده برای پیاده سازی یک DKF نیست.در [10] الگوریتم توزیع شده مورد نظر و نتایج آنالیز فراهم شده است. مسئله فیلتر کالمن غیرمتمرکز برای اولین بار توسط Speyer در سال [12] 1979 حل شد.
در این روش نیاز به یک شبکه کامل با لینک های all-to-all می باشد. در این روش برای تخمین حالت از یک مجموعه فیلتر کالمن محلی استفاده می شود که با همه حسگرها مخابره می نماید. این راه حل برای شبکه های سنسوری خیلی بزرگ مقیاس پذیر نیست. علت این امر پیچدگی مخابراتی از مرتبه - O - n2 - - 2 می باشد که n تعداد حسگرها می باشد. بنابراین فیلتر کالمن غیرمتمرکز و فیلتر کالمن توزیع شده دو مسئله جدا از هم هستند. در دومی هر حسگر تنها مجاز به مخابره با همسایه خود بر اساس یک گراف G است که این گراف G یک گراف متصل ولی تنک میباشد - یعنی بین هر دو سنسور حداقل یک لینک مستقیم یا غیرمستقیم وجود دارد و در حالت کلی تعداد لینک ها کم - تنک - است - .
