این پایان نامه در قالب فرمت word قابل ویرایش ، آماده پرینت و ارائه به عنوان پروژه پایانی میباشد.

چکیده
ارائه یک روش جدید برای مکان¬یابی و همزمان¬سازی توامان در شبکه¬های حسگر
 بی¬سیم زیر آب
نگارش:
زهرا موسوی

مکان¬یابی و همزمان¬سازی از عناصر کلیدی در بسیاری از برنامه¬های کاربردی ارتباطی زیرآب هستند که علی¬رغم وابستگی بسیار، معمولا جدا از هم عمل می-کنند. اما از آنجا که سرویس¬های همزمان¬سازی پیش¬نیاز الگوریتم¬های مکان¬یابی هستند و  اطلاعات در رابطه با مکان حسگرها برای تخمین تاخیر انتشار مورد استفاده قرار می¬گیرند، مکان¬یابی و همزمان¬سازی را می¬توان در کنار هم انجام داد. از مزایای این روش می¬توان به صرفه جویی قابل توجه در مصرف انرژی که ناشی از کاهش تعداد مبادلات پیام می¬باشد اشاره کرد.
در این پایان¬نامه یک روش جدید ترتیبی شامل پنج فاز تعیین موقعیت اولیه، تدریجی  کردن حرکت حسگر، تخمین انحراف  ساعت و اریب زمان¬سنجی، جبران اثر لایه¬بندی و مکان¬یابی همراه با پالایش تکرار، برای انجام همزمان¬سازی و مکان¬یابی توامان در شبکه¬های حسگر بی¬سیم زیرآب ارائه شده است. در این روش علاوه بر در نظر گرفتن حرکت حسگرها، عدم حرکت امواج صوتی زیرآب در یک مسیر مستقیم و تغییرسرعت انتشار این امواج در عمق¬های مختلف در نظر گرفته شده است. روش پیشنهادی در این پایان نامه با نرم¬افزار مطلب شبیه سازی شده و نتایج با یک روش معیار مناسب و همچنین مرز پایین کرامر رائو مقایسه شده¬اند. نتایج نشان می¬دهند که روش ارائه شده دارای کارایی نزدیک به کران پایین کرامر رائو می¬باشد و نسبت به روش معیار، بهتر عمل می¬کند. قابل به ذکر است که روش پیشنهادی نسبت به روش¬های پیشین بار محاسباتی بیشتری را به شبکه اعمال می¬کند و مناسب جهت کاربردهایی می¬باشد که به دست آوردن اطلاعات دقیق نسبت به مصرف انرژی از اهمیت بیشتری برخوردار باشد.

واژه‌هاي كليدي: شبکه¬های حسگر بی¬سیم زیرآب، مکان-یابی، همزمان¬سازی.
 
فهرست مطالب

1. فصل اول: کلیات    1
1-1- مقدمه    2
1-2- تعریف مساله، هدف و ضرورت اجرای طرح پایان نامه    4
1-3- روش ها و فنون اجرایی طرح پایان نامه    5
1-4- ساختار فصل بندی پایان نامه    6
2. فصل دوم: مروری بر ادبیات تحقیق    7
2-1- مقدمه    8
2-2-آشنایی با شبکه های حسگر بی سیم زیرآب    8
2-2-1- اجزای شبکه های حسگر بی سیم زیرآب    10
2-2-2- معماری های مختلف شبکه های حسگر بی سیم زیرآب    11
2-2-3- چالش های شبکه های حسگر بی سیم زیرآب    14
2-2-4- همزمان سازی ساعت در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب    15
2-2-5- مکان یابی در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب    19
2-3- تخمینگر حداقل مربعات    26
2-4- مرز پایین کرامر رائو    28
3. فصل سوم: مروری بر تحقیقات اخیر انجام شده    32
3-1- شبکه های حسگر بی سیم    33
3-1-1- مکان یابی    33
3-1-2- همزمان سازی    34
3-1-3- مکان یابی و همزمان سازی به صورت همزمان    35
3-2- شبکه های حسگر بی سیم زیرآب    37
3-2-1- مکان یابی    37
3-2-2- همزمان سازی    39
3-2-3- مکان یابی و همزمان سازی به صورت همزمان    40
4. فصل چهارم: روش پیشنهادی    43
4-1- مقدمه    44
4-2- روش پیشنهادی برای انجام همزمان سازی و مکان یابی توامان    44
4- 2- 1- تنظیمات سیستم و فرضیات    47
4-2-2- فاز اول: مکان یابی اولیه با استفاده از تکنیک TOA    49
4-2-3- فاز دوم: تدریجی کردن حرکت حسگرها    50
4-2-4- فاز سوم: تخمین اریب زمان سنجی و انحراف    51
4-2-5- فاز چهارم: جبران اثر لایه بندی    52
4-2-6- فاز پنجم: مکان یابی همراه با پالایش تکرار    55
4-2-7- به کار گیری مرز پایین کرامر رائو برای روش پیشنهاد شده    58
5. فصل پنجم: شبیه سازی و ارزیابی نتایج    59
5-1- مقدمه    60
5-2- پارامترها، متریک ها و روش تحلیل    60
5-3- طراحی آزمایش    61
5-4- شبیه سازی و تحلیل نتایج    61
6. فصل ششم: خلاصه، نتیجه گیری و پیشنهادات آتی    70
6-1- خلاصه    71
6-2- نتیجه گیری    73
6-3- نوآوری روش ارائه شده    74
6-4- پیشنهادها    74
مراجع    76
پیوست ها    80

 
فهرست شکل‌ها

شکل 2-1 نمونه¬ای از حسگرهای بی¬سیم زیرآب    10
شکل 2-2 نمونه¬هایی از AUV    11
شکل 2-3 معماری دو بعدی در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب    12
شکل 2-4 معماری سه بعدی در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب    14
شکل 2-5 مبادله پیام یکطرفه جهت همزمان¬سازی ساعت    18
شکل 2-6 مبادله پیام دو طرفه جهت همزمان¬سازی ساعت    18
شکل 2-7 تخمین فاصله به روش TOA    20
شکل 2-8 تخمین فاصله به روش TDOA    21
شکل 2-9 محاسبه موقعیت به روش DV-Hop     25
شکل 3-1 دسته¬بندی روش¬های مکان¬یابی    34
شکل 4-1 نمودار گردش کار الگوریتم پیشنهاد شده    46
شکل 4-2 اثر لایه¬بندی در شبکه¬های حسگر بی¬سیم زیرآب    54
شکل 5-1 Perr برای واریانس خطای TOA (1/σ2)    64
شکل 5-2 میانگین مربعات خطای انحراف  ساعت در برابر واریانس خطای TOA (1/σ² )    65
شکل 5-3 میانگین مربعات خطای اریب زمان¬سنجی در برابر واریانس خطای TOA (1/σ² )    67
شکل 5-4 Perrدر برابر تعداد نودهای مرجع با واریانس خطای TOA، db45 = 1/σ²    67
شکل 5-5 Perrدر برابر تعداد تکرارهای شبیه¬سازی    68

 
فهرست جدول‌ها
جدول 5-1 بازه اطمینان 95 درصدی برای Perr    65
جدول 5-2 بازه اطمینان 95 درصدی برای انحراف  ساعت    66

فهرست نشانه‌های اختصاري
d˜i,iʹ    خودبرآورد مربوط به مسافت بین موقعیت مکانی  ji و  jiʹ
ji    مختصات دو بعدی مربوط به حسگر  معمولی
L    تعداد حسگر های مرجع
N    تعداد بسته¬های انتقال یافته در مدت زمان پنجره مکان¬یابی
Ol    انحراف
pi    مختصات دو بعدی  مربوط به Lمین حسگر  مرجع
Ri    زمان محلی دریافت  iمین بسته  ] ثانیه[
Sl    اریب زمان¬سنجی حسگر  معمولی در ارتباط با  Lمین حسگر  مرجع
Ti    زمان محلی ارسال i مین بسته  ] ثانیه[
tl    ساعت محلی مربوط به مرجع L
Tpdi    تاخیر انتشار مربوط به i مین بسته ] ثانیه[
W    مدت زمان پنجره مکان¬یابی.
Δ    حد آستانه برای تدریجی  کردن موقعیت مکانی ]متر[
σ2    وا یانس مربوط به خطای اندازه¬گیری TOA
ςli    نسبت بین  Tpdi و تاخیر انتشار واقعی مربوط به بسته i
ѱ˜i,iʹ    خودبرآورد مربوط به زاویه بین  موقعیت مکانی  ji و  jiʹ ]رادیان[
 
فهرست کلمات اختصاری
    
    
ALS    Area Localization Schema
AOA                    Angle Of Arrival
AUV    Autonomous Underwater Vehicle
CRLB    Cramer Rao Lower Bound
DV    Distance Vector
FTSP                  Flooding Time Synchronization Protocol
GTLS      Generalized Total Least Squares
IMM         Interactive Multiple Model
LOS                    Line-Of-Sight
MAC                  Medium Access Control
ML    Maximum Likelihood
MSE                   Mean Square Error
RMSE                 Root Mean Square Error
SVP                    Sound Velocity Profile
TDMA      Time Division Multiple Access
TDOA    Time Difference Of Arrivals
TLS    Total Least Squares
TOA                   Time Of Arrival
UWSNs              Underwater Wireless Sensor Networks
 
     

1.    فصل اول: کلیات

 
1-1- مقدمه
 با گسترش روزافزون ابزارهای هوشمند کوچک وبا همگرا شدن ارتباطات بی¬سیم با ابزارهای ریز، امکان پدید آمدن شبکه¬های کم¬هزینه و در ابعاد مختلف فراهم شده است، شبکه¬هایی که بتوانند اطلاعات محیطی را برای انسان جمع¬آوری کنند، شبکه-هایی که بدون زیرساخت و به سرعت برقرار شده و بتوانند خود را سازماندهی کنند و نیازی به انرژی خارجی نداشته باشند. مهمترین این شبکه¬¬ها، شبکه¬های حسگر بی¬سیم می¬باشند و هر روزه کاربردها و استفاده¬های جدیدی در زمینه امور نظامی و غیر نظامی  برای این نوع از شبکه¬ها ارائه می¬شوند و مورد استفاده قرار می¬گیرند.
شبکه های حسگر بی¬سیم زیرآب گونه ای از شبکه های حسگر هستند که در محیط زیر آب قرار می¬گیرند و توسط امواج صوتی با یکدیگر ارتباط دارند. شبکه های حسگر بی¬سیم در زیرآب برای مقاصدی چون جمع آوری داده های کف آب، نظارت بر آلودگی آبها، نظارت بر محیط ساحل، ناوبری و کاربردهای نظامی نظارت بر محیط به کار برده می شوند[1].
از ¬آنجا که که در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب، رسانه انتقال آب است، چالش¬ها و مشکلات خاص خود را دارد که طراحی شبکه را تحت تاثیر قرار می¬دهند، از جمله این چالش¬ها می¬توان به تغییر سرعت صوت با توجه به  عمق، دما و شوری آب، تحرک دائمی حسگرها، تاخیر انتشار طولانی و چندمسیری  را نام برد. بنابراین پروتکل¬ها و پروتکل¬ها و الگوریتم¬های لایه¬های شبکه-های حسگر زمینی برای شبکه¬های حسگرزیر آب نامناسبند.
تاکنون پروتکل¬ها و الگوریتم¬های زیادی به خصوص در زمینه مسیریابی و در زمینه کنترل دسترسی به رسانه از جمله  Slotted FAMA ,UWAN-MACو... مطرح شده است [2] [3] [4] که در همه آن-ها مساله مکان¬یابی و همزمان¬سازی حسگرها از اهمیت ویژه¬ای برخوردار است، برای مثال دسترسی چندگانه به وسیله تقسیم زمان (TDMA)  از مواردی است که بطور رایج در پروتکل¬های دسترسی به رسانه(MAC)  استفاده می¬شود که به همزمانی دقیق میان حسگرها نیازمند است. به عنوان مثالی دیگر از اهمیت همزمان¬سازی و مکان¬یابی می¬توان به این نکته اشاره کرد که تعداد زیادی از الگوریتم¬های مسیریابی به اطلاعات مکانی حسگرها وابسته هستند [5] و [6].
اگرچه سرویس¬های همزمان¬سازی و مکان¬یابی به هم وابسته هستند، معمولا به صورت مستقل مورد مطالعه قرار گرفته¬اند  و این به این دلیل است که مکان¬یابی از نقطه نظر شبکه¬های رادیویی و پردازش سیگنال [7] و همزمان¬سازی از نقطه¬نظر طراحی پروتکل مورد بررسی قرار گرفته اند [8]. در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب، مکان¬یابی بیشتر از طریق زمان دریافت (TOA)  و زمان متفاوت دریافت (TDOA)  انجام می¬شود که وابسته  به سرویس¬های همزمان¬سازی هستند و در واقع این سرویس¬ها پیش-نیاز الگوریتم¬های مکان¬یابی هستند. از طرف دیگر اطلاعات در رابطه با مکان حسگرها چون برای تخمین تاخیر انتشار مورد استفاده قرار می¬گیرد [9]، کمک فراوانی به همزمان¬سازی حسگرها می¬کند. با توجه به این ارتباطات، مکان¬یابی و همزمان-سازی را می¬توان در کنار هم انجام داد که انجام این کار دو مزیت بسیار مهم دارد:
-    در یک استراتژی توامان از آنجا  تعداد کمتری مبادلات پیام لازم است، صرفه جویی قابل توجهی در مصرف انرژی که از موارد بسیار مهم در شبکه¬های حسگری زیر آب می¬باشد خواهیم داشت.
-    یک راه¬حل توامان می¬تواند به افزایش صحت  در هر دو سرویس کمک کند.
پس با توجه به اهمیت مکان¬یابی و همزمان¬سازی که پیش¬نیاز اکثر پروتکل¬ها و الگوریتم¬ها می¬باشد و از نیازهای اساسی در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب است ضرورت دارد که به این دو موضوع پرداخته شود اما از آنجا که این دو سرویس به یکدیگر وابسته هستند، ارائه یک راه¬حل که این دو سرویس را با در نظر گرفتن چالش¬های  خاص محیط زیرآب، درکنار یکدیگر انجام دهد از اهمیت ویژه¬ای برخوردار می¬باشد.
1-2- تعریف مساله، هدف و ضرورت اجرای طرح پایان¬نامه
کاربردهای شبکه¬های حسگر زیر آب شامل مانیتورینگ اقیانوس و دریا، جستجوی معادن زیردریایی، کشف مواد شیمیایی و بیولوژیکی مضر، سیستم¬های پدافند زیردریایی خودمختار، جمع-آوری داده¬های محیطی برای راهنمایی کشتی¬ها و... می¬باشند که همه این کاربردها نیاز به دانستن موقعیت نودهای حسگر دارند، ولی به دلیل ماهیت متحرک بودن  نودهای زیردریایی، نمی¬توان از تکنیک¬های مکان¬یابی موجود برای شبکه¬های حسگر زمینی استفاده نمود. لذا نیاز به تکنیک¬هایی است که بتوان تکنیک¬های مکان¬یابی شبکه¬های حسگر زمینی را برای شبکه¬های حسگر زیردریایی توسعه داد.
همزمان¬سازی نیز یکی از نیازمندی¬های اصلی برای سرویس¬هایی است که توسط شبکه¬های توزیع شده فراهم می¬شوند، تعداد زیادی از پروتکل¬های همزمانی برای شبکه¬های حسگر بی¬سیم مطرح شده-اند، اما هیچ کدام از آن¬ها نمی¬توانند به صورت مستقیم برای شبکه¬های زیرآب به کار برده شوند، یک الگوریتم همزمانی باید فاکتورهای دیگری همچون مدت زمان تاخیر طولانی که ناشی از استفاده از ارتباطات صوتی می¬باشد و تحرک حسگرها را نیز در نظر بگیرد. این چالش¬ها صحت رویه همزمانی را برای شبکه¬های حسگر بی¬سیم زیردریایی بحرانی¬تر می¬کند، بنابراین راه¬حل¬های همزمانی مورد نیاز است که به طور خاص برای شبکه¬های بی¬سیم زیردریایی طراحی شده باشند تا بتوانند این نیازمندی¬ها را برطرف سازند.
    با توجه به موضوعات مطرح شده در بالا و ضرورت در نظر گرفتن آن¬ها در شبکه¬های حسگر بی¬سیم زیردریایی و با توجه به درنظر گرفتن محیط زیرآب که دارای چالش¬های خاص خود می¬باشد، هدف از انجام این پایان¬نامه، مطالعه جنبه¬های مختلف، ویژگی-ها و چالش¬های محیط زیرآب و شبکه¬های حسگر بی¬سیم زیرآب و در نهایت، ارائه یک روش است که مکان¬یابی و همزمان¬سازی حسگرهای زیرآب را به صورت توامان انجام دهد و درعین حال محدودیت¬های موجود در محیط زیرآب را مدنظر قرار دهد.
    برای نشان دادن کارایی روش ارائه شده از شبیه¬ساز مطلب استفاده خواهد شد و تکنیک ارائه شده با تکنیک¬هایی که قبلا ارائه شده¬اند مقایسه می¬شود.