مکانیابی و همزمانسازی از عناصر کلیدی در بسیاری از برنامههای کاربردی ارتباطی زیرآب هستند که علیرغم وابستگی بسیار، معمولا جدا از هم عمل میکنند. اما از آنجا که سرویسهای همزمانسازی پیشنیاز الگوریتمهای مکانیابی هستند و اطلاعات در رابطه با مکان حسگرها برای تخمین تاخیر انتشار مورد استفاده قرار میگیرند، مکانیابی و همزمانسازی را میتوان در کنار هم انجام داد. از مزایای این روشمیتوان به صرفه جویی قابل توجه در مصرف انرژی که ناشی از کاهش تعداد مبادلات پیام میباشد اشاره کرد.در این پایاننامه یک روش جدید ترتیبی شامل پنج فاز تعیین موقعیت اولیه، تدریجی کردن حرکت حسگر، تخمین انحراف ساعت و اریب زمانسنجی، جبران اثر لایهبندی و مکانیابی همراه با پالایش تکرار، برای انجام همزمانسازی و مکانیابی توامان در شبکههای حسگر بیسیم زیرآب ارائه شده است. در این روش علاوه بر در نظر گرفتن حرکت حسگرها، عدم حرکت امواج صوتی زیرآب در یک مسیر مستقیم و تغییرسرعت انتشار این امواج در عمقهای مختلف در نظر گرفته شده است. روش پیشنهادی در این پایان نامه با نرمافزار مطلب شبیه سازی شده و نتایج با یک روش معیار مناسب و همچنین مرز پایین کرامر رائو مقایسه شدهاند. نتایج نشان میدهند که روش ارائه شده دارای کارایی نزدیک به کران پایین کرامر رائو میباشد و نسبت به روش معیار، بهتر عمل میکند. قابل به ذکر است که روش پیشنهادی نسبت به روشهای پیشین بار محاسباتی بیشتری را به شبکه اعمال میکند و مناسب جهت کاربردهایی میباشد که به دست آوردن اطلاعات دقیق نسبت به مصرف انرژی از اهمیت بیشتری برخوردار باشد. واژه‌هاي كليدي: شبکههای حسگر بیسیم زیرآب، مکانیابی، همزمانسازی.فهرست مطالب1. فصل اول: کلیات11-1- مقدمه21-2- تعریف مساله، هدف و ضرورت اجرای طرح پایان نامه41-3- روش ها و فنون اجرایی طرح پایان نامه51-4- ساختار فصل بندی پایان نامه62. فصل دوم: مروری بر ادبیات تحقیق72-1- مقدمه82-2-آشنایی با شبکه های حسگر بی سیم زیرآب82-2-1- اجزای شبکه های حسگر بی سیم زیرآب102-2-2- معماری های مختلف شبکه های حسگر بی سیم زیرآب112-2-3- چالش های شبکه های حسگر بی سیم زیرآب142-2-4- همزمان سازی ساعت در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب152-2-5- مکان یابی در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب192-3- تخمینگر حداقل مربعات262-4- مرز پایین کرامر رائو283. فصل سوم: مروری بر تحقیقات اخیر انجام شده323-1- شبکه های حسگر بی سیم333-1-1- مکان یابی333-1-2- همزمان سازی343-1-3- مکان یابی و همزمان سازی به صورت همزمان353-2- شبکه های حسگر بی سیم زیرآب373-2-1- مکان یابی373-2-2- همزمان سازی393-2-3- مکان یابی و همزمان سازی به صورت همزمان404. فصل چهارم: روش پیشنهادی434-1- مقدمه444-2- روش پیشنهادی برای انجام همزمان سازی و مکان یابی توامان444- 2- 1-تنظیمات سیستم و فرضیات474-2-2- فاز اول: مکان یابی اولیه با استفاده از تکنیک TOA494-2-3- فاز دوم: تدریجی کردن حرکت حسگرها504-2-4- فاز سوم: تخمین اریب زمان سنجی و انحراف514-2-5- فاز چهارم: جبران اثر لایه بندی524-2-6- فاز پنجم: مکان یابی همراه با پالایش تکرار554-2-7- به کار گیری مرز پایین کرامر رائو برای روش پیشنهاد شده585. فصل پنجم: شبیه سازی و ارزیابی نتایج595-1- مقدمه605-2- پارامترها، متریک ها و روش تحلیل605-3- طراحی آزمایش615-4- شبیه سازی و تحلیل نتایج616. فصل ششم: خلاصه، نتیجه گیری و پیشنهادات آتی706-1- خلاصه716-2- نتیجه گیری736-3- نوآوری روش ارائه شده746-4- پیشنهادها74مراجع76پیوست ها80 فهرست شکل‌ها شکل 2-1 نمونهای از حسگرهای بیسیم زیرآب....... 10شکل 2-2 نمونههایی از AUV..................... 11شکل 2-3 معماری دو بعدی در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب12شکل 2-4 معماری سه بعدی در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب14شکل 2-5 مبادله پیام یکطرفه جهت همزمانسازی ساعت18شکل 2-6 مبادله پیام دو طرفه جهت همزمانسازی ساعت18شکل 2-7 تخمین فاصله به روش TOA............... 20شکل 2-8 تخمین فاصله به روش TDOA.............. 21شکل 2-9 محاسبه موقعیت به روش DV-Hop.......... 25شکل 3-1 دستهبندی روشهای مکانیابی............. 34شکل 4-1 نمودار گردش کار الگوریتم پیشنهاد شده. 46شکل 4-2 اثر لایهبندی در شبکههای حسگر بیسیم زیرآب54شکل 5-1 Perr برای واریانس خطای TOA (1/σ2)........ 64شکل 5-2 میانگین مربعات خطای انحراف ساعت در برابر واریانس خطای TOA (1/σ² ).................................... 65شکل 5-3 میانگین مربعات خطای اریب زمانسنجی در برابر واریانس خطای TOA (1/σ² ).................................... 67شکل 5-4 Perrدر برابر تعداد نودهای مرجع با واریانس خطای TOA، db45 = 1/σ²........................................... 67شکل 5-5 Perrدر برابر تعداد تکرارهای شبیهسازی.... 68 فهرست جدولهاجدول 5-1 بازه اطمینان 95 درصدی برای Perr65جدول 5-2 بازه اطمینان 95 درصدی برای انحراف ساعت66 فهرست نشانه‌های اختصاريd˜i,iʹخودبرآورد مربوط به مسافت بین موقعیت مکانی jiو jiʹjiمختصات دو بعدی مربوط به حسگر معمولیLتعداد حسگر های مرجعNتعداد بستههای انتقال یافته در مدت زمان پنجره مکانیابیOlانحرافpiمختصات دو بعدی مربوط به Lمین حسگر مرجعRiزمان محلی دریافت iمین بسته ] ثانیه[Slاریب زمانسنجی حسگر معمولی در ارتباطبا Lمین حسگر مرجعTiزمان محلی ارسال iمین بسته ] ثانیه[tlساعت محلی مربوط به مرجع LTpdiتاخیر انتشار مربوط به i مین بسته ] ثانیه[Wمدت زمان پنجره مکانیابی.Δحد آستانه برایتدریجی کردن موقعیت مکانی ]متر[σ2وایانس مربوط به خطای اندازهگیری TOAςliنسبت بین Tpdiو تاخیر انتشار واقعی مربوط به بسته iѱ˜i,iʹخودبرآورد مربوط به زاویه بین موقعیت مکانی jiو jiʹ]رادیان[فهرست کلمات اختصاری ALSArea Localization SchemaAOAAngle Of ArrivalAUVAutonomous Underwater VehicleCRLBCramer Rao Lower BoundDVDistance VectorFTSPFlooding Time Synchronization ProtocolGTLSGeneralized Total Least SquaresIMMInteractive Multiple ModelLOSLine-Of-SightMACMedium Access ControlMLMaximum LikelihoodMSEMean Square ErrorRMSERoot Mean Square ErrorSVPSound Velocity ProfileTDMATime Division Multiple AccessTDOATime Difference Of ArrivalsTLSTotal Least SquaresTOATime Of ArrivalUWSNsUnderwater Wireless Sensor Networks 1. فصل اول: کلیات 1-1-مقدمهبا گسترش روزافزون ابزارهای هوشمند کوچک وبا همگرا شدن ارتباطات بیسیم با ابزارهای ریز، امکان پدید آمدن شبکههای کمهزینه و در ابعاد مختلف فراهم شده است، شبکههایی که بتوانند اطلاعات محیطی را برای انسان جمعآوری کنند، شبکههایی که بدون زیرساخت و به سرعت برقرار شده و بتوانند خود را سازماندهی کنند و نیازی به انرژی خارجی نداشته باشند. مهمترین این شبکهها، شبکههای حسگر بیسیم میباشند و هر روزه کاربردها و استفادههای جدیدی در زمینه امور نظامی و غیر نظامی برای این نوع از شبکهها ارائه میشوند و مورد استفاده قرار میگیرند.شبکه های حسگر بیسیم زیرآب گونه ای از شبکه های حسگر هستند که در محیط زیر آب قرار میگیرند و توسط امواج صوتی با یکدیگر ارتباط دارند. شبکه های حسگر بیسیم در زیرآب برای مقاصدی چون جمع آوری داده های کف آب، نظارت بر آلودگی آبها، نظارت بر محیط ساحل، ناوبری و کاربردهای نظامی نظارت بر محیط به کار برده می شوند[1].از آنجا که که در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب، رسانه انتقال آب است، چالشها و مشکلاتخاص خود را دارد که طراحی شبکه را تحت تاثیر قرار میدهند، از جمله این چالشها میتوان به تغییر سرعت صوت با توجه به عمق، دما و شوری آب، تحرک دائمی حسگرها، تاخیر انتشار طولانی و چندمسیری[1] را نام برد. بنابراین پروتکلها و پروتکلها و الگوریتمهای لایههای شبکههای حسگر زمینی برای شبکههای حسگرزیر آب نامناسبند.تاکنون پروتکلها و الگوریتمهای زیادی به خصوص در زمینه مسیریابی و در زمینه کنترل دسترسی به رسانه از جمله Slotted FAMA ,UWAN-MACو... مطرح شده است [2][3][4] که در همه آنها مساله مکانیابی و همزمانسازی حسگرها از اهمیت ویژهای برخوردار است، برای مثال دسترسی چندگانه به وسیله تقسیم زمان (TDMA)[2] از مواردی است که بطور رایج در پروتکلهای دسترسی به رسانه(MAC)[3] استفاده میشود که به همزمانی دقیق میان حسگرها نیازمند است. به عنوان مثالی دیگر از اهمیت همزمانسازی و مکانیابی میتوان به این نکته اشاره کرد که تعداد زیادی از الگوریتمهای مسیریابی به اطلاعات مکانی حسگرها وابسته هستند [5] و [6].اگرچه سرویسهای همزمانسازی و مکانیابی به هم وابسته هستند، معمولا به صورت مستقل مورد مطالعه قرار گرفتهاند و این به این دلیل است که مکانیابی از نقطه نظر شبکههای رادیویی و پردازش سیگنال [7] و همزمانسازی از نقطهنظر طراحی پروتکل مورد بررسی قرار گرفته اند [8]. در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب، مکانیابی بیشتر از طریق زمان دریافت (TOA)[4] و زمان متفاوت دریافت (TDOA)[5] انجام میشود که وابسته به سرویسهای همزمانسازی هستند و در واقع این سرویسها پیشنیاز الگوریتمهای مکانیابی هستند. از طرف دیگر اطلاعات در رابطه با مکان حسگرها چون برای تخمین تاخیر انتشار مورد استفاده قرار میگیرد [9]، کمک فراوانی به همزمانسازی حسگرها میکند. با توجه به این ارتباطات، مکانیابی و همزمانسازی را میتوان در کنار هم انجام داد که انجام این کار دو مزیت بسیار مهم دارد:- در یک استراتژی توامان از آنجا تعداد کمتری مبادلات پیام لازم است، صرفه جویی قابل توجهی در مصرف انرژی که از موارد بسیار مهم در شبکههای حسگری زیر آب میباشد خواهیم داشت.- یک راهحل توامان میتواند به افزایش صحت[6] در هر دو سرویس کمک کند.پس با توجه به اهمیت مکانیابی و همزمانسازی که پیشنیاز اکثر پروتکلها و الگوریتمها میباشد و از نیازهای اساسی در شبکه های حسگر بی سیم زیرآب است ضرورت دارد که به این دو موضوع پرداخته شود اما از آنجا که این دو سرویس به یکدیگر وابسته هستند، ارائه یک راهحل که این دو سرویس را با در نظر گرفتن چالشهای خاص محیط زیرآب، درکنار یکدیگر انجام دهد از اهمیت ویژهای برخوردار میباشد.1-2-تعریف مساله، هدف و ضرورت اجرای طرح پایاننامهکاربردهای شبکههای حسگر زیر آب شامل مانیتورینگ اقیانوس و دریا، جستجوی معادن زیردریایی، کشف مواد شیمیایی و بیولوژیکی مضر، سیستمهای پدافند زیردریایی خودمختار، جمعآوری دادههای محیطی برای راهنمایی کشتیها و... میباشند که همه این کاربردها نیاز به دانستن موقعیت نودهای حسگر دارند، ولی به دلیل ماهیت متحرک بودن نودهای زیردریایی، نمیتوان از تکنیکهای مکانیابی موجود برای شبکههای حسگر زمینی استفاده نمود. لذا نیاز به تکنیکهایی است که بتوان تکنیکهای مکانیابی شبکههای حسگر زمینی را برای شبکههای حسگر زیردریایی توسعه داد.