مدل سازی پوشش دینامیکی شبکه های حسگر خودرویی بر مبنای مدل های آماری حرکت 93

فهرست مطالب:

چکیده...........1

مقدمه..............2

هدف..........3

فصل اول: معرفی شبکه ی حسگر بی سیم.............4

1-1) انواع شبکه های بی سیم.................4

1-2) شبکه های حسگر بی سیم...............6

1-3) انواع شبکه های حسگر بی سیم بر اساس استقرار...............6

1-4) کاربردهای شبکه حسگر بی سیم......................7

1-5) مزایای شبکه های حسگر بی سیم.....................8

1-6) معایب شبکه های حسگر بی سیم...................8

1-7) ساختمان گره های شبکه................8

1-8) اهداف کلی طراحی شبکه.........................................................................................................................................9

1-9) خصوصیات مهم شبکه های حسگر بی سیم...........................................................................................................10

1-10) نتیجه گیری فصل اول...........................................................................................................................................11

فصل دوم: مسئله ی پوشش در شبکه های حسگر بی سیم......................................................................................12

2-1) پوشش چیست؟......................................................................................................................................................12

2-2) تقسیم بندی اول انواع پوشش.................................................................................................................................12

2-3) تقسیم بندی دوم انواع پوشش.................................................................................................................................14

2-4) شبکه ی متصل........................................................................................................................................................18

2-4-1) شعاع های حسی و مخابراتی گره های حسگر...................................................................................................18

2-5) نحوه ی پوشش شبکه ی حسگر بی سیم ویدئویی و تفاوت آن با شبکه های حسگر سنتی..................................23

2-6) نتیجه گیری فصل دوم............................................................................................................................................25

فصل سوم: مفاهیم مربوط به انرژی و حرکت در مبحث پوشش شبکه حسگر بی سیم.............................................26

3-1) بررسی انرژی در پوشش شبکه های حسگر بی سیم..............................................................................................26

3-1-1)استراتژی بر پایه ی قدرت برای تعامل بین انرژی و پوشش..............................................................................29

3-1-2)استراتژی بر پایه ی شبکه توری برای تعامل بین انرژی و پوشش......................................................................29

3-1-3)استراتژی بر پایه ی رویکرد مبتنی بر هندسه ی محاسباتی برای تعامل بین انرژی و پوشش.............................30

3-2) بررسی کیفیت خدمات (QoS)در زمینه پوشش....................................................................................................33

3-3) پوشش Kتایی ( K-پوشش).................................................................................................................................34

3-4) الگوریتم Wake up برای به دست آوردن حداقل گره های حسگر که منطقه مورد نظر را پوشش می دهند........36

3-5) تحرک حسگرها به منظور بهبود پوشش................................................................................................................37

3-5-1) حسگر موبایل...................................................................................................................................................37

3-5-2) شبکه بین خودرویی (وسایل نقلیه) اقتضایی...................................................................................................38

3-6) استقرار تصادفی حسگرها در مقابل الگوریتم استقرار بهینه حسگرها....................................................................40

3-7) انواع مدل­های حرکت............................................................................................................................................44

3-7-1) مدل سازی حرکت با محدودیت جغرافیایی......................................................................................................45

3-7-1-1) مدل حرکت جاده ای....................................................................................................................................45

3-7-1-2) مدل حرکت مانعی........................................................................................................................................47

3-7-2) مدل حرکت­کوچکو مدل­حرکت بزرگ...........................................................................................................48

3-8) نتیجه گیری فصل سوم...........................................................................................................................................49

فصل چهارم: پوشش دینامیکی...............................................................................................................................50

4-1) پوشش Sweep......................................................................................................................................................50

4-2) MOBEYES.........................................................................................................................................................53

4-2-1) بررسی اجمالی معماری MOBEYES..............................................................................................................55

4-2-2) واسط حسگرMOBEYES(MSI)..................................................................................................................56

4-2-3) استاندارد واسط با حسگرهای صوتی / تصویری................................................................................................56

4-2-4) واسط استاندارد با حسگر دما..............................................................................................................................57

4-2-5) واسط استاندارد با تعیین موقعیت سیستم............................................................................................................57

4-2-6) انتشار / برداشت پردازنده MOBEYES(MDHP)..........................................................................................57

4-2-7) MOBEYES؛ دستورالعمل ها و معماری..........................................................................................................58

4-2-8) Bloom Filterو کاربرد آن...............................................................................................................................58

4-2-9) عملکرد MOBEYES.......................................................................................................................................58

4-2-10) ارزیابی عملکرد MOBEYES........................................................................................................................59

4-3) پوشش واحدهای کنار جاده.....................................................................................................................................61

4-3-1) کارهای مرتبط.....................................................................................................................................................62

4-3-2) الگوریتم حمل و نقل و مدل شبیه سازی............................................................................................................62

4-3-3) قانون حمل و نقل مثلث.....................................................................................................................................62

4-4) ایده ی اصلی برای مطالعه بر روی پوشش دینامیکی محیط زیست........................................................................64

4-4-1) پیشینه ی کار......................................................................................................................................................64

4-4-2) انگیزه ی استفاده از حسگرهای بی سیم خودرویی............................................................................................64

4-4-3) آزمایشوبهکارگیری........................................................................................................................................66

4-5) توپولوژی خیابان.......................................................................................................................................................69

4-6) اندازه گیری های پوشش..........................................................................................................................................70

4-6-1) زمان تشخیص هدف............................................................................................................................................70

4-7) بررسی پوشش دینامیکی...........................................................................................................................................72

4-8) مدل سازی................................................................................................................................................................74

4-8-1) استراتژی کنترل دینامیکی پوشش بر اساس بهینه سازی دو گانه ی الگوریتم های ژنتیک و Taboo...................74

4-8-2) انتخاب پوشش مجموعه ای از گره......................................................................................................................75

4-9) نتیجه گیری فصل چهارم..........................................................................................................................................76

فصل پنجم:مدل سازی پوشش دینامیکی شبکه های حسگر خودرویی بر مبنای مدل آماری حرکت گوس مارکوف.77

5-1) مدل حرکت گوس مارکوف.....................................................................................................................................77

5-1-1) گام قبل از شروع حرکت.....................................................................................................................................78

5-1-2)گام اول حرکت.....................................................................................................................................................79

5-1-3) گام دوم حرکت....................................................................................................................................................81

5-1-4) گام سوم تا گام n ام............................................................................................................................................81

5-2) شبیه سازی مدل حرکت گوس مارکوف..................................................................................................................82

5-3) مقایسه محاسبات تئوری با مقادیر میانگین پنج شبیه سازی مدل حرکت گوس مارکوف........................................90

5-4) مدل سازی پوشش دینامیکی شبکه های حسگر خودرویی بر مبنای مدل حرکت گوس مارکوف...........................91

5-4-1) مدل سیستم و مدل های سنجش.........................................................................................................................91

5-4-1-1) مدل سنجش Boolean...................................................................................................................................92

5-4-1-2) مدل سنجش Shadow fading......................................................................................................................92

5-4-1-3) مدل سنجش Elfes.........................................................................................................................................93

5-4-2) پوشش شبکه.......................................................................................................................................................93

5-4-2-1) احتمال پوشش شبکه در مدل سنجش Boolean.........................................................................................93

5-4-2-2) احتمال پوشش شبکه در مدل سنجش Shadowfading............................................................................94

5-4-2-3) احتمال پوشش شبکه در مدل سنجش Elfes...............................................................................................94

5-4-3) پوشش دینامیکی با مدل سنجش Boolean......................................................................................................95

5-4-4) پوشش دینامیکی با مدل سنجش Shadow fading.........................................................................................96

5-4-5) پوشش دینامیکی با مدل سنجش Elfes............................................................................................................97

5-5) بررسی تغییر پارامترهای دو مدل سنجش Shadow fadingو Elfes..................................................................98

5-6) نتیجه گیری فصل پنجم.........................................................................................................................................100

نتیجه گیری و پیشنهادات................................................................................................................................................101

فهرست منابع..................................................................................................................................................................102

فهرست جداول:

جدول 5-1: میانگین تعداد گره های داخل دایره در هر گام حرکت با سرعت متوسط 5 متر بر ثانیه..............................85

جدول 5-2: میانگین تعداد گره های داخل دایره در هر گام حرکت با سرعت متوسط 10 متر بر ثانیه.............................86

جدول 5-3: میانگین تعداد گره های داخل دایره در هر گام حرکت با سرعت متوسط 15 متر بر ثانیه.............................87

جدول 5-4: میانگین تعداد گره های داخل دایره در هر گام حرکت با سرعت متوسط 20 متر بر ثانیه.............................88

جدول 5-5: میانگین تعداد گره های داخل دایره در هر گام حرکت با سرعت متوسط 25 متر بر ثانیه.............................89

جدول 5-6: مقادیر میانگین پنج شبیه سازی مدل حرکت گوس مارکوف.........................................................................90

جدول 5-7: درصد بخش پوشش داده شده با توجه به مدل سنجش Boolean................................................................95

جدول 5-8: درصد بخش پوشش داده شده با توجه به مدل سنجش Shadow fading...................................................96

جدول 5-9: درصد بخش پوشش داده شده با توجه به مدل سنجش Elfes......................................................................97

فهرست اشکال:

شکل 1-1: مدل شبکه ی بی سیم اقتضایی.......................................................................................................................5

شکل 1-2: اهداف طراحی شبکه حسگر بی سیم.............................................................................................................9

شکل 2-1: پوشش مرزی.................................................................................................................................................15

شکل 2-2: پوشش مرزی (مانع) برای شناسایی گره های متجاوز...................................................................................16

شکل 2-3: پوشش ناحیه ای............................................................................................................................................17

شکل 2-4: پوشش نقطه ای.............................................................................................................................................18

شکل 2-5: انواع شعاع های حسی و مخابراتی گره های حسگر.....................................................................................19

شکل 2-6: نمونه ای از دو گره ی متصل به هم..............................................................................................................19

شکل 2-7: یک شبکه ی حسگر بی سیم غیر متصل با 50 گره و شعاع مخابراتی m 150..............................................20

شکل 2-8: یک شبکه ی حسگر بی سیم متصل با 50 گره و شعاع مخابراتی m 400.....................................................21

شکل 2-9: یک شبکه ی حسگر بی سیم متصل با 250 گره و شعاع مخابراتی m 150..................................................21

شکل 2-10: حفره ی پوشش...........................................................................................................................................22

شکل 2-11: مدل پوشش شبکه های حسگر ویدئویی.....................................................................................................24

شکل 3-1: همپوشانی بیش از حد نواحی حسی گره های مختلف..................................................................................27

شکل 3-2: عدم پوشش مناسب و ایجاد حفره ی پوششی به علت استقرار نامناسب گره ها...........................................27

شکل 3-3: انواع شبکه های توری (الف) مثلثی (ب) مربعی (ج) شش ضلعی................................................................29

شکل 3-4: نمودار وارونی...............................................................................................................................................30

شکل3-5: نمودار وارونی برای استقرار تصادفی 100 گره...............................................................................................31

شکل 3-6: الف) مثلث بندی دلانی، ب) در مثلث بندی دلانی ، گره هایی که دیاگرام وارونی آنها کنار هم قرار گرفته باشند به هم متصل می شوند............................................................................................................................................32

شکل 3-7: پوشش 1 تایی (1-پوشش) بدست آمده از راه حل های شهودی..................................................................35

شکل 3-8: روش استفاده از الگوریتم Wake up.............................................................................................................36

شکل 3-9: یک گره ی حسگر در محاصره موانع غیر قابل نفوذ.......................................................................................38

شکل 3-10 : شمایی کلی از شبکه‌های بین خودرویی اقتضایی (VANET)....................................................................39

شکل 3-11: استقرار تصادفی 20 گره ی حسگر موبایل...................................................................................................41

شکل 3-12: استقرار اصلاح شده ی 20 گره ی حسگر موبایل........................................................................................41

شکل 3-13: نمودار وارونی استقرار تصادفی 20 گره ی حسگر موبایل...........................................................................42

شکل 3-14: نمودار وارونی استقرار اصلاح شده ی 20 گره ی حسگر موبایل................................................................42

شکل 3-15: نمودار انرژی در فواصل مختلف برای طرح استقرار تصادفی 20 گره ی حسگر موبایل.............................43

شکل 3-16: نمودار انرژی در فواصل مختلف برای طرح استقرار اصلاح شده ی 20 گره ی حسگر موبایل..................43

شکل 3-17: مثالی از حرکت گره ها در مدل حرکت تصادفی.........................................................................................44

شکل3-18: مدل حرکت بزرگراه......................................................................................................................................46

شکل 3-19: مدل حرکت منهتن.......................................................................................................................................46

شکل 3-20: نمونه ای از مسیرها و موانع.........................................................................................................................48

شکل 4-1: نحوه ی پوشش Sweep................................................................................................................................51

شکل 4-2: تشخیص گره ی مهاجم در پوشش Sweep..................................................................................................51

شکل 4-3: نمونه ای از استفاده ی مدل های گراف برای پوشش Sweep.......................................................................52

شکل 4-4: شبکه های حسگر خودرویی..........................................................................................................................54

شکل 4-5: نحوه ی انتشار و برداشت اطلاعات...............................................................................................................54

شکل 4-6: معماری MOBEYES................................................................................................................................55

شکل4-7: معماری های مدولار از MOBEYESMSI..............................................................................................56

شکل 4-8: انتشار غیر فعال MOBEYESتک پرشه....................................................................................................59

شکل 4-9: نقشه ی منطقه ی Westwood....................................................................................................................59

شکل 4-10: تعداد بسته های دریافت شده با تعداد پرش یک (K=1)..........................................................................60

شکل 4-11: تعداد بسته های دریافت شده با تعداد پرش سه (K=3)...........................................................................60

شکل 4-12: نمونه ای از منطقه خدمات RSU.............................................................................................................61

شکل 4-13: موقعیت خودروها و RSUدر جاده ها.....................................................................................................62

شکل 4-14: در دو قسمت (الف) و (ب) انواع مختلف استفاده از اصل مثلث را مشاهده می کنیم..............................63

شکل 4-15: نواحی پوشش داده شده ی جاده..............................................................................................................63

شکل 4-16: نحوه ی پوشش دهی جاده توسط حسگر استاتیک..................................................................................65

شکل 4-17: نحوه ی پوشش دهی جاده توسط حسگر دینامیک..................................................................................65

شکل 4-18: گرهحسگرتوسعهیافتهبراینظارتبرکیفیتهوا.................................................................................66

شکل 4-19: خوانش گرد و غبار در امتداد جاده ها......................................................................................................67

شکل 4-20: خوانش مونوکسید کربن..........................................................................................................................67

شکل 4-21: اندازه گیری گازهای دیزل کامپوزیت......................................................................................................68

شکل 4-22: اندازه گیری گازهای بنزین کامپوزیت.....................................................................................................68

شکل 4-23: توپولوژی خیابان.....................................................................................................................................69

شکل 4-24: حرکت گره ها در بازه ی زمانی0 تا T و تغییر نواحی پوشش داده شده...............................................70

شکل 4-25: سرعت نسبی حسگر برای تشخیص هدف مورد نظر.............................................................................70

شکل 4-26: چیدمان مطلوب برای مسیر بین دو نقطه T و S.....................................................................................73

شکل 4-27: چیدمان نامطلوب برای مسیر بین دو نقطه T و S.......................................................................................73

شکل 4-28: تشخیص تراکم...........................................................................................................................................75

شکل 5-1: نمونه ای از حرکت خودروها با مدل حرکت گوس مارکوف با متوسط سرعت 5 متر بر ثانیه....................82

شکل 5-2: نمونه ای از حرکت خودروها با مدل حرکت گوس مارکوف با متوسط سرعت 10 متر بر ثانیه..................83

شکل 5-3: نمونه ای از حرکت خودروها با مدل حرکت گوس مارکوف با متوسط سرعت 15 متر بر ثانیه..................83

شکل 5-4: نمونه ای از حرکت خودروها با مدل حرکت گوس مارکوف با متوسط سرعت 20 متر بر ثانیه..................84

شکل 5-5: نمونه ای از حرکت خودروها با مدل حرکت گوس مارکوف با متوسط سرعت 25 متر بر ثانیه..................84

شکل 5-6: طبقه بندی مدل های سنجش گره ها............................................................................................................91

شکل5-7: مدل سنجش رندم..........................................................................................................................................95

شکل 5-8: مقایسه محاسبات تئوری و انجام آزمایشات شبیه سازی برای پوشش دینامیکی با مدل سنجش Booleanداخل دایره برای زمان های صفر تا 10 ثانیه....................................................................................................................96

شکل 5-9: مقایسه محاسبات تئوری و انجام آزمایشات شبیه سازی برای پوشش دینامیکی با مدل سنجش Shadow-fading داخل دایره برای زمان های صفر تا 10 ثانیه با 2n= و 6