Skip to main content
SUPERVISOR
Jafar Ghaisari,Mohsen Mojiri foroshani
جعفر قیصری (استاد راهنما) محسن مجیری فروشانی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Negin Sayyaf
نگین سیاف

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389

TITLE

Design of a localization algorithm based on distributed state estimation for wireless sensor networks
In recent years, analysis, estimation and control of distributed systems have gained considreble attention, because of advances in the fields of electronics, wireless communications, and mems technology for sensors implementation. Many research teams are formed around the world to model and analyze these systems. State estimation of distributed systems is important to identify and control their performance. A centralized state estimation algorithm, although possibly easy to design, is neither robust nor scalable. The large-scale systems are very high-dimensional, thus they require extensive computations to implement a centralized approach; and the span of the geographical region, over which a wide area system is deployed, poses a large communication burden to implement a centralized procedure. A computationally efficient implementation is to employ a distributed algorithm that relies only on local communication and low-order computation. Hence, design and analysis of distributed algorithms is vital for efficient and scalable operation of large-scale complex infrastructures. In this thesis, distributed state estimation algorithms for both linear and nonlinear wide area systems are proposed, and their convergence conditions are studied. In the proposed distributed state estimation methods, after the spatial decomposition of the broad system to overlap subsystems with the fewer dimensions, a recursive distributed algorithm for local state estimation is presented. It should be noted that in nonilinear systems, each subsystem after model linearization around previous estimation in each time step, estimates local state variables. At the end of each time step, estimates of each state variable to be shared between overlap subsystems by the weighted average algorithm. Estimation algorithms presented in this thesis, unlike previous similar cases, are completely decentralized and nowhere in the network, storage, communication, or computation of the global system dimensional vectors and matrices are needed. In separate theories and using the Lyapunov functional technique, sufficient conditions are presented to guarantee the exponentially boundedness in mean square and bounded with probability one of the estimation errors in both linear and nonlinear proposed estimation methods. A numerical example is provided to show effectiveness and applicability of proposed algorithm. Localization is a fundamental problem in sensor networks. Information about locations of sensors is the key to process the sensors' measurements accurately. Due to measurement noise, analytical methods are not effective enough. Finally in this thesis, as an application of wide area nonlinear systems, a localization algorithm based on distributed state estimation in the presence of noise will be presented. In the proposed algorithm, the minimum number of anchor nodes is calculated and one of the most important advantages of this approach is a drastic reduction of the number of anchors. Also, it will be proved that using m+1 anchor nodes in m-dimansional space the proposed localization method is convergence and the estimation error is exponentially bounded in mean square. Simulation results demonestrate the convergence of estimated coordinations to actual sensors locations. Keywords : Distributed state estimation, Large-scale systems, Spatial decomposition, Overlap subsystems, Sensor localization, Data fusion, Anchor node, Exponentially bounded in mean square.
پیشرفت‌های اخیر در زمینه الکترونیک، مخابرات بی‌سیم و ساخت حسگرها، سبب پیدایش سیستم‌های پیچیده و ابعاد وسیع ساخت و فرآیند شده است. از سال 1960، با تثبیت سیستم های ابعاد وسیع به عنوان شاخه ای از مهندسی سیستم ها و کنترل، تیم های تحقیقاتی فراوانی برای مدل سازی و تحلیل این سیستم ها در سراسر دنیا تشکیل شده اند. تخمین متغیرهای حالت این سیستم ها با هدف شناسایی و کنترل عملکرد آن ها از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. استفاده از الگوریتم های متمرکز برای انجام اهداف فوق اگرچه نتیجه ی مطلوبی به دست می دهند، به دلیل محاسبات پرحجم قابل پیاده سازی در پردازنده های متداول نمی باشد. هم چنین به علت گستردگی محدوده ی جغرافیایی و پدیده‌های فیزیکی تحت پوشش این سیستم ها، تخمین متمرکز آن ها نیازمند پهنای باندگسترده ای می باشد؛ که مکانیزم تخمین را با محدودیت مواجه می کند. در این پژوهش، دو الگوریتم تخمین حالت توزیع‌شده برای سیستم های ابعاد وسیع خطی و غیرخطی پیشنهاد می شود و شرایط همگرایی آن ها مورد بررسی قرار می گیرد. در شبکه های حسگری ابعاد وسیع بی سیم، اطلاع از مکان دقیق گره های حسگری کلید دستیابی به پردازش مناسب اندازه گیری های گره ها می باشد. به دلیل وجود نویز اندازه‌گیری، روش های تحلیلی کارآیی مناسبی ندارند. درادامه ی پایان نامه، یک الگوریتم مکان یابی توزیع شده مبتنی بر تخمین حالت غیرخطی و در حضور نویز ارائه خواهد شد. در روش پیشنهادی، پس از تفکیک فضایی سیستم ابعاد وسیع گسسته در زمان خطی به زیرسیستم های هم پوشان با بعد کاهش‌یافته، یک الگوریتم توزیع شده ی تخمین حالت دو مرحله ای برای آن ارائه می شود. در هر گام زمانی، متغیرهای حالت هر زیرسیستم به صورت محلی تخمین زده می شوند. سپس، تخمین های هر متغیر حالت توسط الگوریتم میانگین گیری وزنی بین زیرسیستم‌های هم پوشان آن حالت به اشتراک گذاشته می شوند. در راستای بررسی صحت الگوریتم پیشنهادی، یک مثال عددی آورده می شود. در گام بعدی، الگوریتم پیشنهادی به سیستم های ابعاد وسیع گسسته در زمان غیر خطی تعمیم داده خواهد شد. در هر گام زمانی، هر زیرسیستم غیرخطی با خطی‌سازی معادلات حالت خود حول تخمین گام قبل، متغیرهای حالت محلی خود را تخمین می زند. الگوریتم های تخمین ارائه شده در این پایان نامه، برخلاف نمونه های مشابه قبلی، کاملاً غیر‌متمرکز هستند و در هیچ محلی از شبکه، ذخیره‌سازی، تبادل و محاسبات بردار یا ماتریسی از بعد سیستم ابعاد وسیع موجود نیست. با استفاده از تابع لیاپانوف مناسب، شرایط کافی برای کران داری نمایی با مفهوم میانگین مربعات و کران داری با احتمال یک برای الگوریتم‌های تخمین توزیع شده ی خطی و غیرخطی ارائه شده، در قالب دو قضیه پیشنهاد می‌شوند. این شروط کافی طراح را قادر می سازند تا با بررسی چند شرط ساده بر ماتریس‌های سیستم و ضرایب فیوژن، کران داری الگوریتم تخمین سیستم را بررسی کند. در پایان، به عنوان کاربردی از سیستم های گسترده ی غیرخطی، یک الگوریتم مکان یابی مبتنی بر تخمین حالت توزیع شده ی غیرخطی پیشنهاد می شود و همگرایی این الگوریتم براساس قضیه ی سیستم‌های غیرخطی اثبات خواهد شد. در الگوریتم پیشنهادی، حداقل تعداد گره ی راهنما نیز محاسبه می شود. یکی از مزایای این روش کاهش شدید تعداد گره های راهنمای مورد نیاز می باشد. نتایج شبیه سازی مؤید همگرایی تخمین گره های حسگری به مکان واقعی آن ها خواهد بود. کلمات کلیدی: تخمین حالت توزیع شده؛ سیستم ابعاد وسیع؛ تفکیک فضایی؛ زیرسیستم های هم پوشان؛ مکان یابی گره های حسگری؛ ترکیب داده؛ گره ی راهنما؛ تابع لیاپانوف؛ کران دار نمایی با مفهوم میانگین مربعات؛ کران دار با احتمال یک.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی