Ocenjevanje kota prihoda signala z uporabo neusmerjenih anten in merjenja moči signala : doktorska disertacija

slovenski

doktorska dela

2013

angle of arrival   antene   brezžična senzorska omrežja   Disertacije   Lokacija   neusmerjene antene   omnidirectional antenna   received signal strength indicator   RF signali   RSSI   Senzorji   Signali   wireless sensor network

Univerza v Mariboru, Fakulteta za elektrotehniko računalništvo in informatiko

V disertaciji se ukvarjamo s problemom ugotavljanja pozicije senzorjev, ki so povezani v brezžična senzorska omrežja (BSO). Pri izbiri koncepta ugotavljanja pozicije smo upoštevali glavni cenilki teh omrežij in v njih povezanih senzorjev, to je (i) minimizacija potrošnje energije in (ii) minimizacija cene senzorja. Tema cenilkama najbolje zadostimo, če uporabljamo vire, ki so na voljo v topologiji brezžičnega senzorskega omrežja in v delovanju radijskega dela senzorjev. Na tej osnovi deluje mnogo metod določanja pozicije senzorjev. Izmed njih smo se v tezi omejili na metodo, ki temelji na merjenju kota prihoda RF signala (AoA). Kot merimo s posebnimi, vrtečimi se vozlišči v omrežju, v katerih kot ocenimo s pomočjo merjenja moči sprejetega RF signala iz ostalih senzorjev omrežja v njegovi okolici. Sprejeto moč signala (RSSI) merijo vsi radijski moduli senzorjev, ki komunicirajo skladno s standardom IEEE 802.15.4. Možnost merjenja AoA smo omejili na referenčne enote (svetilnike), ki poznajo svojo pozicijo in so tudi iz vidika strojne opreme kompleksnejše. V BSO imajo lahko referenčne enote tudi nalogo usmerjati promet in zbiranje podatkov iz ostalih senzorskih enot. Ostale "iskane" enote so navadne enote brez posebnosti. Za eksperimentalno potrditev raziskav, na katerih temelji ta disertacija smo razvili novo strojno in programsko opremo za ocenjevanje AoA. Programska oprema temelji na algoritmih, ki jih v disertaciji predlagamo kot originalni prispevek disertacije. Algoritmi izkoriščajo posebnosti dipolnih anten: (i) sevalna karakteristika magnetnega polja (H) je izotropna, (ii) sevalna karakteristika električnega polja (E) pa je anizotropna v zelo ozkem področju. Ta usih sprejetega RF signala iz senzorja, katerega pozicijo iščemo, smo izkoristili za ugotavljanje smeri, v kateri se ta nahaja. Ta, rečemo lahko v primerjavi z ostalimi AoA tehnikami, ki temeljijo na iskanju maksimuma usmerjenega polja, nekonvencionalna metoda, omogoča natančnejšo izmero kota, uporablja standardne (mikrostrip) dipolne antene tako v svetilnikih kot ostalih senzorjih ter uporablja preprostejšo dodatno strojno opremo in preprostejše algoritme. Ker se uporablja dipolna antena, je lahko svetilnik tudi usmerjevalnik podatkov v omrežju. V eksperimentih smo se omejili na optično vidno linijo (LOS) med svetilnikom in senzorji. Vsaka ovira, ki zastira vidno linijo povzroči neželene odmeve radijskega signala in s tem oteženo oceno AoA. Omejili smo se tudi na stacionarna senzorska omrežja. Vozlišča ne spreminjajo lege med ocenjevanjem AoA. Za eksperimentalno potrditev teze smo razvili in izdelali tri merilne sisteme: (i) sistem s svetilnikom s štirimi dipolnimi (mikrostrip) antenami nameščenimi na rotirajoči plošči (ii) sistem s svetilnikom z eno rotirajočo dipolno (mikrostrip) anteno in (iii) sistem s svetilnikom z dvanajstimi (mikrostrip) dipolnimi antenami razporejenimi na obodu mirujoče okrogle plošče. Za vsak sistem smo s programsko opremo prilagodili algoritem ugotavljanja smeri posebnostim strojne opreme. Vsi sistemi so potrdili našo tezo. Dobljeni eksperimentalni rezultati se seveda medsebojno razlikujejo v točnosti ocene AoA.

07.08.2023