Akıllı anten sistemi kullanan kablosuz algılayıcı ağlarda bağlantı analizi ve konum belirleme algoritması
Connectivity analysis and development of a localization algorithm for smart antenna system integrated wireless sensor networks
Yazar: KEREM KÜÇÜK
Danışman: DOÇ. DR. ADNAN KAVAK
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik-Bilgisayar Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2010
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Anahtarlamalı sistemler = Switched systems ; Anten dizileri = Antenna arrays ; Bağlantı = Connection ; Kablosuz ağlar = Wireless networks ; Kablosuz iletişim = Wireless communication ; Kablosuz sistemler = Wireless systems ; Konum belirleme = Position determination ; İletişim sistemleri = Communication systems ; İletişim teknikleri = Communication techniques ; İletişim teknolojisi = Communication technology ; İletişim şebekeleri = Communication networks

Özet:
Kablosuz Algılayıcı Ağ'lar (KAA) son zamanlarda geniş uygulama alanlarında, görüntüleme, takip ve izleme amaçlı kullanılan bir teknoloji olarak ortaya çıkmıştır. Bir KAA tipik olarak en az bir tane merkezi düğüm ve istenilen görevler ile ağ fonksiyonlarını gerçekleştiren ortama dağıtılmış çok sayıda algılayıcı düğümden oluşmaktadır. KAA'lar için literatürde konum belirleme teknikleri mevcuttur. Fakat algılayıcı düğümlerin konumlarının belirlenmesinde efektif olarak kullanılabilecek olan ve algılayıcı düğümlerde herhangi bir ek donanım veya hesaplama yükü gerektirmeyen yöntemler için çözüm arayışları devam etmektedir.Bu tezde Sektörel Tarama Tabanlı Konum Belirleme (STKB) olarak adlandırdığımız KAA'lar için yeni bir konum belirleme yöntemi önerilmektedir. Daha önce önerilen Sektörel tarama tekniği (SSS) yalnızca merkezi düğüme akıllı anten sisteminin (AA) entegre edilmesine dayanmaktadır. Bu tez kapsamında SSS'nin geliştirilmesiyle oluşturulan STKB tekniğindeki temel düşünce; örüntü kullanılarak verilen algılayıcı alanda iki boyutlu bir tarama işleminin gerçekleştirilmesi ve merkezi düğümde mesafe kestirim (MKA) ve açı kestirim (AKA) algoritmalarının çalıştırılmasıdır. STKB tekniğinin başarımı, konum belirleme hatası, alınan mesaj istatistikleri ve hesaplama karmaşıklığı cinsinden ızgara ve rastgele dağıtılmış ağ topolojilerde farklı tarama ve kablosuz kanal koşullarında sunulmaktadır. Ayrıca STKB tekniğinin başarımı Centroid algoritması ile karşılaştırılmalı olarak verilmektedir. Bu teknik algılayıcı düğümlerde herhangi bir ek donanım veya hesaplama yükü getirmemektedir. STKB tekniğinin diğer bir avantajı kontrol edilemeyen ortamlarda uygulanabilmesi ve tarama parametrelerinin ayarlanmasıyla konum belirleme çözünülürlüğünün artırılmasıdır.Ağ bağlantısı ve bağlantı olasılığı KAA'lar için dikkate alınması gereken önemli bir faktördür. Tezin diğer bir katkısı olarak AA sistemi yeteneğine sahip KAA'nın ağ bağlantısının belirlenmesi için olasılıksal bir teknik önerilmektedir. Bağlantı analizi için anten örüntüsü özelliklerini kullanan geometrik şekil modeli kullanılmaktadır. Bu teknikte istenilen ağ bağlantısı için algılayıcı düğüm yoğunluğu örüntü genişliği ve iletim mesafesi cinsinden belirlenebilmektedir. Benzetim sonuçları, iletim mesafesi, düğüm yoğunluğu, yönlendirme örüntü genişliği gibi farklı ağ koşulları altında sunulmaktadır.

Abstract:
Wireless Sensor Networks (WSNs) have recently emerged as the technology applied for monitoring, surveillance and tracking purposes in wide range of systems. A WSN typically consists of a central node and a large number of spatially distributed sensor nodes that are tiny devices to perform desired tasks and networking functionalities. For WSNs, many localization techniques exist in literature. However, development of effective location estimation of sensor nodes without imposing any hardware or computational burdens on them continues to be a challenging task.In this thesis, new location discovery scheme in WSNs so called Sectoral Sweeper based Location Estimation (SSLE) is proposed. Previously proposed, Sectoral Sweeper Scheme (SSS) relies on integration of smart antenna systems (SAS) processing capability only at a central node. By improving the SSS, the key idea in the SSLE is to perform two dimensional sweeping process over a given sensor field with beamforming capable central node followed by range estimation and direction estimation algorithms. Performance evaluation of the SSLE is given in terms of localization error, response message statistics, and complexity analysis for grid and randomly deployed sensor node scenarios under various sweeping and wireless channel conditions. The SSLE performance is also compared with the Centroid method. SSLE does not require any hardware or computational load at tiny sensor nodes. The major advantage of the SSLE is that it is applicable to uncontrollable outdoor environments and that desired localization accuracy can be obtained by properly adjusting sweeping parameters.Network connectivity or connectivity probability (CP) is also an important issue for WSN. Another contribution of this thesis is that it proposes probabilistic technique to determine the network connectivity of SA integrated WSN. Geometric shape model is employed to evaluate the network connectivity of WSN using antenna array specifications. The sensor node density to satisfy desired network connectivity is determined in terms of beamwidth of antenna array and node transmission range. Simulation results are presented for CP and number of sensor nodes under different network conditions such as routing beamwidth, node density, and node transmission range.