Localization system for Wireless Sensor Networks

Michał Marks

Abstract

The thesis discusses the issues concerning the nodes localization in Wireless Sensor Network. In recent years the localization service is getting more and more significant due to increasing both the size and number of deployments. The thesis presents the results of research concerned with the development, implementation and evaluation of a software framework for wireless sensor networks localization - High Performance Localization System (HPLS). The system can be used to calculate positions of sensing devices (network nodes) in the deployment area, and to tune and verify various localization schemes through simulation. It provides tools for data acquisition from a workspace, estimation of inter-node distances and calculation of geographical coordinates of all nodes with unknown positions. In order to provide the means for coordinates calculation two hybrid methods were developed: TSA that combines iterative trilateration with simulated annealing and TGA that combines iterative trilateration with genetic algorithm. The hybrid methods TSA and TGA were extensively analyzed and their results were compared with simulating annealing and semidefinite programming methods proposed at Sydney and Stanford Universities. The simulation experiments demonstrated that hybrid methods give accurate location estimates in the sensible computing time both in the case of evenly or unevenly distributed nodes with known positions, and they outperform the localization schemes based on semidefinite programming and pure simulated annealing. The localization error was reduced by over 60% for TGA method and over 80% for TSA method with respect to the simple trilateration. For many test networks, the error reduction was over 90% for both methods. A considerable part of the thesis is dedicated to experiments in laboratory networks. The efficiency, scalability and robustness of the proposed HPLS system were justified through testbed implementation. The testbed networks were formed by 50 sensor devices CM3000 manufactured by Advantic Technology. For all considered networks the TSA method allowed to localize nodes with an average error below 1 meter. The developed and presented HPLS system can be successfully used to localize nodes in real life, complex WSN networks.
Rodzaj dyplomuPraca doktorska
Autor Michał Marks (WEiTI / IAiIS)
Michał Marks
- Instytut Automatyki i Informatyki Stosowanej
Tytuł w języku polskimSystem lokalizacji urządzeń tworzących bezprzewodowe sieci sensor
Językpl polski
Jednostka dyplomującaWydział Elektroniki i Technik Informacyjnych (WEiTI)
Dyscyplina naukiautomatyka i robotyka / dziedzina nauk technicznych / obszar nauk technicznych
Data obrony10-11-2015
Data zakończenia 24-11-2015
Promotor Ewa Niewiadomska-Szynkiewicz (WEiTI / IAiIS)
Ewa Niewiadomska-Szynkiewicz
- Instytut Automatyki i Informatyki Stosowanej
Recenzenci wewnętrzni Krzysztof Malinowski (WEiTI / IAiIS)
Krzysztof Malinowski
- Instytut Automatyki i Informatyki Stosowanej
Recenzenci zewnętrzni Marek Amanowicz
Marek Amanowicz
-
Wyróżnienietak
Paginacja 235
Identyfikator publikacji Przejdź do katalogu biblioteki
Słowa kluczowe w języku polskimbezprzewodowe sieci sensorów
Słowa kluczowe w języku angielskimWSN, Wireless Sensor Network, localization, positioning, optimization, system
Streszczenie w języku polskimRozprawa dotyczy zagadnien zwiazanych z okresleniem połozenia urzadzen tworzacych bezprzewodowa siec sensorów. Wraz ze wzrostem rozmiaru jak i liczby wdrazanych rozwiazan, wykorzystujacych sieci WSN, rosnie znaczenie a jednoczesnie złozonosc usługi lokalizacji. Opracowany i wykonany system HPLS stanowi kompletne rozwiazanie; obejmuje wszystkie etapy skutecznej lokalizacji, czyli pomiar poziomu mocy odbieranych sygnałów i wykonana na tej podstawie identyfikacje parametrów modelu transmisji radiowej, wyznaczanie odległosci miedzywezłowej, i ostatecznie połozenia geograficznego wezłów. Dla celów obliczenia współrzednych geograficznych połozenia urzadzen bezprzewodowych opracowano grupe metod wykorzystujacych trilateracje oraz stochastyczne algorytmy optymalizacji: algorytm genetyczny (TGA) i symulowane wyzarzanie (TSA). Jakosc rozwiazan uzyskiwanych algorytmami TSA i TGA została poddana szczegółowej analizie i porównana z algorytmami symulowanego wyzarzania oraz semidefinite programming zaproponowanymi na Uniwersytetach w Sydney i Stanford. Przeprowadzone badania wykazały znacznie wieksza dokładnosc, opracowanego przez autora rozprawy, rozwiazania zarówno w przypadku regularnych, jak i nieregularnych topologii sieci. Zastosowanie autorskich metod hybrydowych pozwala na zredukowanie błedu lokalizacji o przeszło 60% dla metody TGA i przeszło 80% dla TSA w stosunku do metody trilateracji. Dla wielu rozpatrywanych sieci, redukcja błedu lokalizacji przekraczała 90% dla obydwu autorskich metod. Znaczna czesc pracy jest poswiecona budowie sieci laboratoryjnej i eksperymentom wykonywanym w tej sieci. W pracy wykazano skutecznosc i odpornosc zaproponowanego narzedzia na przykładzie lokalizacji wezłów w sieci zbudowanej z 50 urzadzen Advantic CM3000 rozlokowanych w otwartej przestrzeni. W sieciach laboratoryjnych dzieki zastosowaniu metody TSA uzyskano bład lokalizacji nie przekraczajacy 1 metra. Wykonany i zaprezentowany system HPLS moze z powodzeniem byc wykorzystany do lokalizacji rzeczywistych, złozonych sieci sensorów.
Plik pracy
rozprawa M Marks.pdf 41.2 MB

Pobierz odnośnik do tego rekordu

Powrót