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背景

使用行動定位裝置協助感測器定位的經濟路程策略 國 立 中 央 大 學 資 訊 工 程 研 究 所 研 究 生：李 科 鋒 指導教授：曾 黎 明 博士 報告 : 資工三乙 494512334 許楚昀. 背景. 由於近來微型製造、通訊和電池技術的改進，利用小型感測器 (Sensor) 形成的無線感測網路 (Wireless Sensor Network) [1] 漸漸於相當多方面被廣泛的使用。感測器通常由微型處理器 (Micro CPU) 、無線電接收及發送器 (Radio Frequency ，簡稱 RF) 和感應器組成，感應器可以用來感應溫度、光線、溼度、加速度等 …. 變化.

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  1. 使用行動定位裝置協助感測器定位的經濟路程策略國 立 中 央 大 學 資 訊 工 程 研 究 所研 究 生：李 科 鋒 指導教授：曾 黎 明 博士 報告:資工三乙494512334許楚昀

  2. 背景 • 由於近來微型製造、通訊和電池技術的改進，利用小型感測器(Sensor)形成的無線感測網路(Wireless Sensor Network) [1] 漸漸於相當多方面被廣泛的使用。感測器通常由微型處理器(Micro CPU)、無線電接收及發送器(Radio Frequency，簡稱RF)和感應器組成，感應器可以用來感應溫度、光線、溼度、加速度等….變化

  3. 動機 • 關於無線感測網路(Wireless Sensor Network)的研究相當的廣泛，其中感測器的定位問題是一個相當重要的議題，因為感測器的位置資訊在涵蓋範圍、繞送、追蹤和救援等問題上都相當有用

  4. range-based藉由求得距離和角度的資訊來估算位置的方法，其估算出來的位置較為準確但是由於需要一些特殊且昂貴的額外設備獲得準確的資訊，使得所要的花費比較大range-based藉由求得距離和角度的資訊來估算位置的方法，其估算出來的位置較為準確但是由於需要一些特殊且昂貴的額外設備獲得準確的資訊，使得所要的花費比較大 • ange-free不需要利用昂貴和準確的設備獲得距離和角度的資訊就能估算出位置

  5. 本論文是建立在Localization with mobile anchor points in wireless sensor networks [21] 這篇由Kuo-Feng Ssu, Chia-Ho Ou, Christine Jiau,提出的論文上。假設感測器接收行動定位裝置發出訊號的範圍為一個圓，其最大接收距離為圓的半徑，其圓心為感測器

  6. Range-based • 訊號傳播時間(Time of Arrival，簡稱TOA) • 聲波和無線電波訊號傳播的時間差(Time Difference of Arrival，簡稱TODA) • 點之間的角度(Angle of Arrival，簡稱AOA) • 接收到的訊號強度(Received Signal Strength Indicator，簡稱RSSI)

  7. Cricket • 利用TDOA來估算位置的方法，定位裝置同時發送無線電波和超音波，由於超音波的速度較慢，利用收到兩種波的時間差來估算與 定位裝置的距離，感測器必須要有兩種波的接收器，並且要有精準的時間儀器，這樣才能達到精準的定位。

  8. APS Using AOA(APSAOA) • 利用AOA來估算位置的方法，正常來講不論感測器或是定位裝置，每個點傳送的無線電範圍應該為一個圓，假設每個點都有一個主要的方向，若此方向一直往順時針或逆時針轉動，求出從初始位置轉動多少角度可以跟另外兩個點傳送訊息，則可以利用此兩個角度求出以自己為頂點與這兩個點所形成的角度，如圖1所示，利用此角度資訊與一些定位裝置之間的距離感測器即可估算出自己的位置來。

  9. RADAR • 利用RSSI來估算位置的方法，在一個區域放置多個基地台記錄和處理信號強度的資訊，並利用過去的測量的一些經驗來決定感測器的位置，由於距離是完全利用訊號強度來估算，因此測量訊號強度的儀器必須非常的精確。

  10. RSSI Using Mobile Anchor(RSSIUMA) • 是range-based裡利用RSSI來估算位置的方法，方法為利用定位裝置，不斷的在散佈感測器的範圍裡面移動，並不斷的發送自己的位置座標，當感測器接 收到行動定位裝置所發送的訊號時，藉由收到的訊號強度判斷自己和行動定位裝置發送訊號的位置之間的距離，以行動定位裝置發送訊號的位置為圓心，形成一個圓，行動定位裝置不斷的移動則感測器以這些圓的交集區域的中心位置為自己的位置所在。

  11. Range-free • 不需要利用額外昂貴的設備來求得距離和角度資訊。

  12. Centroid • 三個假設: • 無線電的傳播為完美的球體. • 所有無線電傳播範圍的範圍相同 • 發送同步的訊號

  13. 在網路裡有著許多能知道自己位置的參考點週期性的發送含有自己位置的訊號，參考點相當於定位裝置，感測器收集訊號資訊超過門檻值的參考點，假設這些參考點的座標為(Xi1,Yi1)到(Xik,Yik) ，則以這些座標的重心當作感測器的位置，在單位面積裡有越多的參考點則求出的位置越準確

  14. DV-Hop • 利用跟參考點之間的跳躍數(Hop)來估算到參考點之間的距離，參考點相當於定位裝置 • 。參考點會計算它們與其他參考點之間的距離和平均一個跳躍是多少距離，參考點廣播此資訊到網路中，當感測器收到這些訊息後，藉由自己與這些參考點的跳躍數計算自己與這些參考點的距離，當有跟三個參考點以上的距離資訊時，感測器即可以估算出自己的位置。

  15. ，A1, A2, A3為三個參考點，而S為感測器，A1距離A2, A3分別為40公尺和70公尺，A1到A2, A3的路徑長分別為2個跳躍和4個跳躍，因此A1求出其一個跳躍的距離為: • (40+70)/(2+4) = 18.33 • A2: (40+55)/(2+3) =19 • A3: (55+70)/(3+4) = 17.86 • 由於參考點A2離感測器比A1和A3近，感測器會先收到A2算出來一個跳躍的距離，感測器估算出來自己距離A1為2 x 19 = 38 公尺，距離A2為1 x 19 = 19 公尺，距離A3為2 x 19 = 38 公尺，在加上知道參考點A1, A2, A3的座標資訊，因此感測器能藉由這些資訊估算出自己的位置。

  16. APIT • 要求有一小部分的感測器能夠高功率傳送訊號且可以藉由GPS或其他方法獲得位置資訊，這些裝置即為定位裝置，利用這些定位裝置產生的信標(Beacon)，感測器判斷是否在這些信標為頂點形成的三角形裡面，利用這些三角形形成區域的交集，來估算自己的位置

  17. 當在三角形理時在相對應的計數器加一，當不在三角形理時在相對應的計數器減一，最後計數器數字最大的區域即為感測器估計自己所在的區域，此區域的中心位置即為感測器估計所在的位置。

  18. 判斷是否在三角形裡的方法: • 當感測器在三角形裡面時，當感測器往任意方向移動時，一定至少靠近其中一個頂點 • 當感測器在三角形外面時，當感測器往任意方向移動時，一定是靠近三個頂點或是遠離三個頂點

  19. ROCRSSI • 基本理論是利用環的重疊來縮小感測器可能所在的區域

  20. 假設感測器S到定位裝置A1的距離介於定位裝置A1到定位裝置A2和A3距離之間，則感測器S在圖 10 中灰色的環上，以此類推求得許多環，而這些環的重疊區域即為感測器估計自己所在的區域，此區域的中心位置即為估計所在的位置。判斷距離的方法為利用訊號強度，假設定位裝置A2, A3和感測器S收到定位裝置A1發送信標訊息的訊號強度分別為RSSIA1A2, RSSIA1A3, RSSIA1S，假設RSSIA1A2 > RSSIA1S > RSSIA1A3 ，則感測器在圖 10中灰色的環上。

  21. Perpendicular bisector of a chord conjecture (PBCC) • 定位的方法為感測器和行動定位裝置的最大通訊距離為一個圓的半徑，圓的圓心為感測器，若能找到圓上的三個點的座標，即可求得圓上的兩條不平行的弦，兩條弦的中垂線交於圓心即為感測器的位置。行動定位裝置週期性的發送含有訊息的訊號出去，訊號包含的訊息有: • 􀂄行動定位裝置的ID • 發送訊號時的位置 • 發送訊號時的時間

  22. Range-based和Range –free總結 • range-based 皆為sensor不用發訊號, 不需要比較訊號強度, anchor不用改變訊號強度 • 而只有RSSIUMA得anchor會移動。

  23. range-free比較

  24. 經濟路程策略 • PBCC [21] 的系統環境中，感測器只需要接收訊號就好，並不需要發送任何訊號給行動定位裝置，只有當自己或其他感測器觀察到環境的變化時，才需要發送訊號來將資訊傳到基地台，而行動定位裝置也只需要一面移動一面週期性的廣播含有位置和時間訊息的訊號，然後選定一個目的地，往目的地方向前進，當到達目的地時，在選定另一個目的地，繼續不斷的移動即可協助一個散佈著許多感測器的範圍上所有感測器做到準確的定位。 • 但是同時也衍生出一個問題，行動定位裝置只需要一面移動一面週期性的廣播含有位置和時間訊息的訊號，然後選定一個目的地，往目的地方向前進，當到達目的地時，在隨機選定另一個目的地，假設行動定位裝置選定的目的地選的好，將能使得能較快速的協助範圍內所有感測器做到準確的定位，但是相對的如果行動定位裝置選定的目的地選的不好時，將可能造成範圍內可能有某一個區域的感測器已經都被定位了，但行動定位裝置卻一直在該區域移動

  25. 如果有了感測器發送訊號的範圍大小、行定位裝置發送訊號的範圍大小、在環境中感測器的數目和一些初始設定的資訊，我們才有資訊可以判斷怎麼走才能在確保所有感測器都找到兩條不平行的弦的條件下，知道何時所有範圍內的所有 感測器都定位且所需要走的路徑較短。其中行動定位裝置發送的訊號越大，則相當於感測器的接收範圍變大。

  26. 估算半徑的方法 • 事先估算半徑 • 利用行動定位裝置離開一個感測器到保證此感測器收不到行動定位裝置發送的訊號時，行動定位裝置走回感測器發送訊號的範圍內，藉由感測器告知行動定位裝置其最後收到行動定位裝置的訊號的位置資訊，行動定位裝置知道此位置後即可求得自己的發送訊號的範圍大小

  27. 沒有事先估算半徑 • 假設感測器收到行動定位裝置的訊號後，感測器回覆的訊息行動定位裝置可以接收到時，我們可以利用感測器回應一些資訊來估算發送訊號的範圍半徑

  28. 使用信標點訊息估算半徑 • 假設感測器收到行動定位裝置的訊號後，感測器回覆的訊息行動定位裝置可以接收到時，感測器回覆其信標點的位置資訊給行動定位裝置，兩個信標點可以形成行動定位裝置發送範圍的一條弦，由於弦的一半長度一定介於0和發送範圍的半徑大小，因此行動定位裝置收到感測器的回覆訊號後，計算弦的長度，如果其長度比目前所知道的半徑長度長的話，則取代掉原來所知道的半徑長度，如果其長度比目前所知道的半徑長度短的話，則保留原來的半徑長度。

  29. 感測器計算半徑 • 當感測器收到行動定位裝置的訊 號後，每隔一段時間會繼續週期性的收到行動定位裝置的訊號，當在該收到行動定位裝置發送的訊號時，卻沒有收到訊號時，代表感測器已經有兩個信標點了，當過一段時間後感測器又收到了行動定位裝置的訊號，就在此時感測器有了三個信標點，感測器利用這三個信標點的位置估算出自己的位置，而估算出自己的位置後，可以藉由信標點的位置和自己的位置估算出半徑，估算出半徑後把包含此半徑訊息的訊號傳送給行動定位裝置，則行動定位裝置就知道自己的傳送範圍的半徑大小了

  30. 基本路程策略 • PCBB 的系統環境中，快速的協助範圍內所有的感測器藉由同一圓上的三個信標點形成兩條圓上不平行的弦，兩條不平行弦的中垂線交點即為感測器。

  31. 經濟路程策略 • 利用行動定位裝置垂直於地面的上升與下降離地平面的距離或者是藉由配備能改變訊號強定的硬體資源，在水平面上產生兩種不同的傳送範圍半徑形成外圈和內圈兩圈，因此我們除了用同一圓上的三個信標點來估算感測器的位置外，我們也可以利用內圈和外圈各自形成一條弦且這兩條弦不為平行的方式來定位，因此我們想了一個方法使得內圈和外圈各自形成一條弦且這兩條弦不為平行的方式。

  32. 此方法為假設行動定位裝置的座標為M公尺為一個單位，也就是說走了M公尺後行動定位裝置才能分辨的出兩個位置的差異，以圖為例，箭頭為行動定位裝置的移動路線，假設行動定位裝置發送訊號的範圍半徑大小的距離為R時，我們可以利用每次往左或是往右走了R的距離後，我們就往前走M公尺，如果這種方式的話，感測器的大圈和小圈的信標點會成對的分別在不同的路徑上，這樣的方式一定能形成一條內圈的弦和一條外圈的弦且兩弦不會平行，由這兩條不平行的弦即可估算出感測器的位置出來此方法為假設行動定位裝置的座標為M公尺為一個單位，也就是說走了M公尺後行動定位裝置才能分辨的出兩個位置的差異，以圖為例，箭頭為行動定位裝置的移動路線，假設行動定位裝置發送訊號的範圍半徑大小的距離為R時，我們可以利用每次往左或是往右走了R的距離後，我們就往前走M公尺，如果這種方式的話，感測器的大圈和小圈的信標點會成對的分別在不同的路徑上，這樣的方式一定能形成一條內圈的弦和一條外圈的弦且兩弦不會平行，由這兩條不平行的弦即可估算出感測器的位置出來

  33. 效能評估 • 模擬環境 • 模擬的程式為使用程式語言C++寫的，環境的大小設為一個1000 × 1000正方形區域，假設為一個1000(公尺) × 1000(公尺)的環境。 • 環境內的一些變數設定: • 感測器發送訊號的範圍半徑大小 • 行動定位裝置發送訊號的範圍半徑大小 • 初始設定的行動定位裝置發送訊號的範圍半徑大小 • 環境範圍內感測器的個數

  34. 在Random的模擬，行動定位裝置的座標為(X, Y)，我們從八個方向隨機選一個方向，此八個方向我們利用(X+1, Y)、(X+1, Y-1)、(X+1, Y+1)、(X, Y+1)、(X, Y-1)、(X-1, Y)、(X-1, Y-1)、(X-1, Y+1)表示，若所在的位置為範圍的邊界時則有些方向不能選，接著在不會超出範圍的距離內，隨機選一個長度的走法，而Sbt和Set往(X+1, Y)、(X-1, Y)、(X, Y+1)三個方向走，而Set會多(X, Y-1)這個方向。

  35. 行動定位裝置收不到感測器的回應 • 論感測器收到行動定位裝置的訊號後，感測器回覆的訊息行動定位裝置沒有收到或是感測器沒有發送訊號時的情況。 • 圖為環境範圍內的感測器個數設為1000個，行動定位裝置發送訊號大圈和小圈的範圍半徑大小設為100和80的情況下，改變初始設定的行動定位裝置發送訊號的範圍半徑大小對走的路徑的引響。圖中除了顯示我們提出的Set可以走較少的路徑外還顯示當初始設定的行動定位裝置發送訊號的範圍半徑大小越接近行動定位裝置發送的範圍半徑大小時，所需走的路徑會越少。

  36. 行動定位裝置收到感測器的回應 • 感測器收到行動定位裝置的訊號後，感測器回覆的訊息行動定位裝置收得到的情況。 • 圖26為環境範圍內的感測器個數設為10個，行動定位裝置發送訊號大圈和小圈的範圍半徑大小設為50和40的情況下，改變初始設定的行動定位裝置發送訊號的範圍半徑大小對走的路徑的引響。圖中除了顯示我們提出的Set可以走較少的路徑外還顯示當初始設定的行動定位裝置發送訊號的範圍半徑大小越接近行動定位裝置發送的範圍半徑大小時，所需走的路徑會越少。

  37. 結論及未來方向 • 在PCBB [21] 中，利用行動定位裝置週期性的廣播一些資訊，協助感測器找到在自己接收此訊號的接收範圍的圓上，找到三個信標點，利用三個信標點形成圓上兩條弦，兩條弦的中垂線焦點位置即為感測器所在位置，利用此法做到準確的定位。 • 但是行動定位裝置如果使用隨機的方式選擇走的路徑，可能會造成環境中的某個區域的感測器一直沒有定位到，而行動定位裝置也不知道哪邊有感測器沒定位到且不知道自己是否已經協助所有的感測器定位了，因此提出一個經濟路程的策略，利用改變行動定位裝置的發送範圍，使得可以走較少的路徑協助範圍內的感測器定位，並且能知道行動定位裝置什麼時候能保證協助所有的感測器定位了。並且利用感測器能回應運用到其他方面

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