پایان نامه ارائه یک الگوریتم رهگیری هدف پویا بر اساس پیش‌بینی در شبکه حسگر بی‌سیم

تومان7,000

پایان نامه ارائه یک الگوریتم رهگیری هدف پویا بر اساس پیش‌بینی در شبکه حسگر بی‌سیم

توضیحات

 

چکیده

با پیشرفت تکنولوژی ساخت وسایل الکترونیکی و مقرون به صرفه شدن شبکه‌های حسگر در مقیاس‌های بزرگ، شبکه­های حسگر بی­سیم زمینه‌های تحقیقاتی را با رشد سریع و جذابیت بسیار فراهم می­کنند که توجهات زیادی را در چندین سال اخیر به خود جلب کرده است. شبکه‌های حسگر بی‌سیم با مقیاس بزرگ حاوی چند صد تا چند ده هزار حسگر، پهنه وسیعی از کاربردها و البته چالش‌ها را به همراه دارند. ویژگی‌های خاص این شبکه‌ها، امکان استفاده از آن‌ها را در کاربردهایی مانند کنترل و بررسی مناطق حادثه‌خیز، حفاظت مرزها و مراقبت‌های امنیتی و نظامی فراهم می­کنند. یکی از مهم‌ترین کاربردهای متصور برای این شبکه‌ها کاربرد رهگیری هدف می‌باشد. در این کاربرد، شبکه‌های حسگر بی‌سیم از حسگرهای تشکیل‌دهنده این شبکه جهت حس کردن و تشخیص یک هدف خاص و دنبال کردن آن در ناحیه تحت نظارت شبکه استفاده می‌شود. به دلیل اینکه حسگرهای موجود در این نوع شبکه‌ها دارای محدودیت انرژی می‌باشند و ارتباطات بین حسگرها به صورت بی‌سیم انجام می­پذیرد، توجه به مسئله مصرف توان و رهگیری بدون خطا چندین هدف متحرک به صورت همزمان در این شبکه‌ها اهمیت فراوانی دارند. الگوریتم‌های رهگیری هدف در شبکه‌های حسگر، از نظر کاربرد و عملکرد آن‌ها، به چهار دسته­ی پروتکل مبتنی بر پیام، مبتنی بر درخت، مبتنی بر پیش‌گویی و مبتنی بر خوشه‌بندی، تقسیم می­گردند. در این میان پروتکل‌های مبتنی بر خوشه‌بندی از نظر مصرف انرژی بهینه هستند. تاکنون برای رفع مشکل انرژی روش‌های زیادی طرح گردیده است که می‌توان به الگوریتم‌های رهگیری اهداف سریع، DPT و CDTA اشاره کرد. الگوریتم رهگیری اهداف سریع قابلیت رهگیری اهداف سریع را دارا می‌باشد ولی از معایب آن می‌توان به  بالا بودن میزان ارتباطات در شبکه به دلیل کوچک بودن خوشه‌ها اشاره کرد. الگوریتم DPT دارای یک الگوریتم پیش بین با پیچیدگی کم می‌باشد ولی از معایب آن می‌توان به قادر نبودن آن  به رهگیری چندین هدف به صورت همزمان اشاره کرد. از معایب الگوریتم CDTA می‌توان به عدم وجود رویه تصحیح خطا برای شناسایی مجدد هدف گم شده، تقسیم‌بندی شبکه بر اساس مدل شبکه و قادر نبودن آن  به رهگیری چندین هدف به صورت همزمان اشاره کرد. در الگوریتم پیشنهادی از یک دیدگاه خوشه‌بندی بر اساس پیش‌بینی به منظور مقیاس‌پذیر بودن شبکه و مصرف بهینه انرژی استفاده گردیده است تا در برابر خرابی‌های احتمالی حسگرها و پیش‌بینی‌های اشتباه مکان هدف مقاوم باشد. در این الگوریتم، رویه تصحیح خطایی ارائه گردیده است تا در زمان‌هایی که هدف به دلیل سرعت بالای خود و یا تغییر جهت‌های ناگهانی از برد حسگرها خارج گردید، الگوریتم قادر به شناسایی مجدد هدف باشد. نتایج بدست آمده توسط شبیه‌ساز نشان می­دهند که الگوریتم پیشنهادی قادر به رهگیری چندین هدف به صورت همزمان می‌باشد و همچنین الگوریتم پیشنهادی با کم کردن ارتباطات بین خوشه­ای و احتمال گم­شدن هدف مصرف انرژی در شبکه‌های حسگر را تا حد امکان کاهش می­دهد.

کلمات کلیدی: شبکه‌های حسگر، رهگيري اهداف متحرک، مقیاس‌پذیر بودن شبکه، مدل شبکه، الگوریتم پیش بین، الگوريتم تصحيح خطا

فهرست اشکال یازده

فهرست جداول چهارده

چکیده. 14

فصل اول: مقدمه

1-1- شرح و اهمیت موضوع. 2

1-2- اهداف تحقیق. 5

1-3-  ساختار پایان‌نامه. 5

فصل دوم: رویکردهای رهگیری هدف

2-1- مقدمه. 7

2-2- رویکرد مبتنی بر پیام. 8

2-2-1- پروتکل FAR   8

2-2-2- پروتکل VE-mobicast 9

2-2-3- پروتکل HVE-mobicast 12

2-3- رویکرد مبتنی بر درخت… 13

2-3-1- الگوریتم DCTC   13

2-3-2- الگوریتم STUN   15

2-3-3- الگوریتم DAT   16

2-4- رویکرد مبتنی بر پیش‌بینی.. 18

2-4-1- الگوریتم TTMB   18

2-4-2- الگوریتم کاهش خطا مکانی به صورت انرژی آگاه 19

2-4-3- الگوریتم FTPS  21

2-4-4- الگوریتم HPS  22

2-4-5- الگوریتم PES  23

2-4-6- الگوریتم DPR   24

2-5- رویکرد مبتنی بر خوشه. 25

 

2-5-1- الگوریتم رهگیری اهداف سریع  26

2-5-2- الگوریتم رهگیری هدف با همکاری خوشهها 27

2-5-3- الگوریتم DELTA   28

2-5-4- الگوریتم DPT   28

2-5-5- الگوریتم CDTA   30

2-6- نتیجه‌گیری.. 32

فصل سوم: مدل‌های حرکتی

3-1- مقدمه. 33

3-2- مکان‌یابی در شبکه‌های حسگر. 34

3-2-1- الگوریتم زمان انتشار یک طرفه  34

3-2-2- الگوریتم زمان انتشار رفت و برگشت    34

3-2-3- الگوریتم فانوس دریایی   34

3-2-4- الگوریتم تخمین فاصله از طریق اندازه‌گیری قدرت سیگنال دریافتی   35

3-2-5- الگوریتم مکان‌یابی به وسیله GPS  36

3-2-6- الگوریتم مکان‌یابی تک گامه با روش فانوس دریایی   37

3-2-7- الگوریتم مکان‌یابی چند گامه بر مبنای فاصله  38

3-3- مدل‌های حرکتی تصادفی.. 38

3-3-1- مدل حرکتی نقطه راه تصادفی   39

3-3-2- مدل حرکتی جهت تصادفی   39

3-3-3- مدل حرکتی راهپیمایی تصادفی   39

3-3-4- مدل حرکتی راهپیمایی جمع‌آوری   40

3-4- مدل حرکتی شهری.. 40

3-4-1- مدل حرکتی آزادراه 41

3-4-2- مدل حرکتی منهتن   41

3-5- مدل‌های حرکتی وابسته زمانی.. 41

3-5-1- مدل حرکتی گاس- مارکوف    42

3-5-2- مدل حرکتی راهپیمایی تصادفی احتمالی   42

3-5-3- مدل حرکتی وابسته نمایی   42

 

3-6- مدل‌های حرکتی گروهی.. 43

3-6-1- مدل حرکتی نقطه مرجع  43

3-6-2- مدل حرکتی تعقیب    43

3-6-3- مدل حرکتی رشته‌ای   44

3-6-4- مدل حرکتی ردیفی   44

3-7- نتیجه‌گیری.. 45

فصل چهارم: تحقیقات مرتبط با الگوریتم پیشنهادی

4-1- مقدمه. 46

4-2- الگوریتم خوشه‌بندی توزیع‌شده به صورت هم پوشانی: 47

4-3- الگوریتم رهگیری اهداف سریع: 48

4-4- الگوریتم رهگیری توزیع‌شده بر اساس پیش‌بینی: 51

4-5- الگوریتم CDTA.. 55

فصل پنجم: معماری و شبیه‌سازی الگوریتم پیشنهادی

5-1- مقدمه. 59

5-2- مقدمات الگوریتم پیشنهادی.. 60

5-2-1- تعاریف    60

5-2-2- فرضیات الگوریتم پیشنهادی   64

5-3- معماری الگوریتم پیشنهادی.. 66

5-3-1- رویه خوشه‌بندی   70

5-3-2- رویه رهگیری هدفPDTA  توسط حسگرهای عضو خوشه  74

5-3-3- رویه رهگیری هدفPDTA  توسط حسگرهای سرخوشه  74

5-3-4- مدل مصرف انرژی: 79

5-4- تنظیمات شبیه‌سازی.. 80

5-5- پارامترهای شبیه‌سازی.. 81

5-6- نتایج شبیه‌سازی.. 82

فصل ششم: نتیجه‌گیری

6-1- جمع‌بندی کلی نتایج.. 89

6-2- پیشنهادات.. 91

مراجع. 92

 

فهرست اشکال
عنوان صفحه

شکل2-1: نمونه‌ای از رهگیری هدف مبتنی بر پیام. 8

شکل2-2: الگوریتم‌های ارسال ابتکاری و دوره‌ای در الگوریتم FAR.. 9

شکل2-3: چند پخشی مکان زمانی.. 9

شکل2-4: روند دوم مرحله تخمین تخم­مرغ. 10

شکل2-5: نواحی مختلف تقسیم‌کننده شبکه، a: ناحیه یک، b: ناحیه دو، c: ناحیه سه. 11

شکل2-6: مراحل الگوریتمDCTC ، a: مرحله جمع‌آوری داده، b: مرحله باز پیکربندی.. 13

شکل2-7: الگوریتم‌های هرس کردن درخت، a: الگوریتم محافظه‌کارانه، b: الگوریتم بر اساس پیش‌بینی.. 14

شکل2-8: الگوریتم باز پیکربندی کامل، الف:درخت همراه قبل از باز پیکربندی کامل، ب: درخت همراه بعد از باز پیکربندی کامل  15

شکل2-9: الگوریتم باز پیکربندی بر اساس قطع، الف: درخت همراه قبل از باز پیکربندی بر اساس قطع، ب: درخت همراه بعد از باز پیکربندی بر اساس قطع. 15

شکل2-10: مثالی از شکل گرفتن درخت DAB، a: گراف وزن دار حسگر، b: درخت DAB بعد از اولین مرحله. 16

شکل2- 11: الف: ارسال پیام جستجو توسط حسگر چاهک به منظور شناسایی هدف اول، ب: خارج شدن هدف اول از برد حسگرK و وارد شدن آن به برد حسگرG. 17

شکل2-12: ماشین حالت الگوریتم TTMB.. 19

شکل2-13: حوزه‌های بیدارباش کنونی و آینده 19

شکل2-14: انواع حسگرها در رویکرد اجتناب از خطا 20

شکل2-15: مثالی از پیش‌بینی سه سطحی. 22

شکل2- 16: تعیین برد مخابراتی خوشه. 23

شکل2-17: توابع اکتشافی برای مکانیزم های بیدار کردن حسگرها 24

شکل2-18: مدل‌های مکانی.. 25

شکل2-19: ماشین حالت الگوریتم رهگیری اهداف سریع. 26

شکل2-20: ماشین حالات الگوریتم DELTA.. 28

 

شکل2-21:جستجو برای حسگرهای مکان‌یابی با شعاع حسی کم. 29

شکل2-22:جستجو برای حسگرهای مکان‌یابی با شعاع حداکثری.. 29

شکل2-23: جستجو برای حسگرهای مکان‌یابی در خوشه‌های مجاور. 30

 

شکل2-24: سطح دوم از فرایند بازیابی هدف.. 30

شکل 3-1: الگوریتم فانوس دریایی.. 35

شکل 3-2: روش مثلث سازی.. 37

شکل 3-3: الگوریتم مکان‌یابی تک گامه با روش فانوس دریایی.. 38

شکل 3-4: الگوی حرکتی یک گره متحرک با استفاده از مدل حرکتی نقطه راه تصادفی.. 39

شکل 3-5: الگوی حرکتی مدل راهپیمایی تصادفی بازمان حرکت ثابت.. 40

شکل 3-6: انواع مدل‌های شهری، a: مدل آزادراه، b: مدل منهتن. 41

شکل 3-7: تغییر مکان گروه در مدل گروهی نقطه مرجع. 43

شکل 3-8: حرکت سه گره متحرک بر اساس مدل حرکتی رشته­ای.. 44

شکل 4-1:دیاگرام حالت الگوریتم KOCA.. 48

شکل 4-2: رویه خوشه‌بندی مجدد در الگوریتم رهگیری اهداف سریع. 50

شکل 4-3:  الگوریتم رهگیری هدف در الگوریتم رهگیری سریع اهداف.. 51

شکل 4-4: جستجو سه حسگر شایسته در برد نرمال. 53

شکل 4-5: جستجو سه حسگر شایسته در برد حداکثری.. 53

شکل 4-6: جستجو سه حسگر شایسته توسط خوشه‌های مجاور. 54

شکل 4-7: شناسایی هدف توسط حسگرهایی که در فاصله برد نرمال تا هدف قرار دارند. 54

شکل 4-8: رویه تصحیح خطا 55

شکل 4-9: معماری رهگیری هدف در الگوریتم CDTA.. 56

شکل 4-10: چگونگی تغییر حالات حسگرها 57

شکل 4-11: مکانیزم ارتباطی بین حسگرهای اجرایی و حسگرهای انتشاردهنده 58

شکل5-1: بسته پیام اعلان سرخوشه شدن ADV-Message. 60

شکل5-2: جدول سرخوشه CH-Table. 61

شکل5-3: بسته پیام عضویت JREQ-Msg. 61

شکل5-4: جدول خوشه‌های مجاور AC-Table. 62

شکل5-5:جدول حسگرهای عضو خوشه. 62

شکل5-6: بسته پیام بیدارباش… 63

شکل5-7:بسته ارسال اطلاعات توسط حسگرهای شناسایی کننده هدف.. 64

شکل5-8: بسته پیام انتخاب حسگرهای شایسته توسط خوشه‌های همسایه. 64

 

شکل5-9: مدل شبکه: دایره‌ها نشان‌دهنده حسگرهای مرزی، مربع‌ها نشان‌دهنده حسگرهای عضو خوشه و شش ضلعی‌ها نشان‌دهنده حسگرهای سرخوشه است. 65

شکل5-10: دیاگرام کلی الگوریتم PDTA.. 67

شکل5-11: دیاگرام رویه خوشه‌بندی.. 68

شکل5-12: دیاگرام رویه رهگیری هدف.. 69

شکل5-13: روند اجرای ارسال پیام ADV در رویه خوشه‌بندی.. 71

شکل5-14: ماشین حالت نشان‌دهنده سازوکار خوشه‌بندی الگوریتم پیشنهادی.. 72

شکل5-15: شبه کد رویه خوشه‌بندی پیشنهادی.. 73

شکل5-16:محاسبه محل هدف توسط سه حسگر شایسته. 75

شکل5-17:جستجوي سه حسگر شايسته رهگيري هدف در برد نرمال. 77

شکل5-18: جستجوي سه حسگر شايسته رهگيري هدف در برد حداکثری.. 77

شکل5-19: جستجوي سه حسگر شايسته رهگيري هدف در بين خوشه‌ها 78

شکل5-20: مقایسه بین حرکت واقعی و حرکت پیش‌بینی‌شده توسط پیش‌بینی کننده برای هدف اول. 82

شکل5-21: جزئیات مقایسه بین حرکت واقعی و حرکت پیش‌بینی‌شده توسط پیش بین برای هدف اول در مسیری از مکان (464و391) تا مکان (302و8) 82

شکل5-22: مقایسه بین حرکت واقعی و حرکت پیش‌بینی‌شده توسط پیش‌بینی کننده برای هدف دوم. 83

شکل5-23: مقایسه بین حرکت واقعی و حرکت پیش‌بینی‌شده توسط پیش‌بینی کننده برای هدف سوم. 83

شکل5-24:روش بدست آوردن اندازه خطا بین موقعیت واقعی و موقعیت پیش‌بینی‌شده 85

شکل5-25: رابطه بین احتمال گم شدن هدف و دقت رهگیری.. 85

شکل5-26: احتمال گم شدن هدف در برابر سرعت هدف.. 86

شکل5-27: حداکثر فاصله هدف تا سه حسگر شایسته را برای اهداف گم شده 87

شکل5-28: انرژی مصرف‌شده در شبکه برای 2000 نقطه شناسایی هدف.. 88

 

 

 

 

فهرست جداول
عنوان صفحه

جدول 5-1: رویدادهای بین حالات و حالات بعدی در هر یک از حالات.. 72

جدول 5-2: پارامترهای شبیه‌سازی.. 81

جدول 5-3: مشخصات الگوریتم پیش بین خطی.. 84

×
×

سبد خرید