Dokuz Eylül Üniversitesi

Transkript

1 Alınan İşare Güç Gösergesi (RSSI) Meriği Kullanılarak Kapalı Alan Mesafe Kesirimi Inoor Disance Esimaion wih Using Receive Signal Srengh Inicaor (RSSI) Meric Türker TÜRKORAL 1, Özgür TAMER, Sua YETİŞ 1, Enes İNANÇ, Leven ÇETİN 3 1 Mekaronik Mühenisliği Dokuz Eylül Üniversiesi urker.urkoral@nucleo.com.r, sua.yeis@enasisem.com Elekrik Elekronik Mühenisliği Dokuz Eylül Üniversiesi ozgur.amer@eu.eu.r, enes.inanc93@gmail.com 3 Mekaronik Mühenisliği İzmir Kâip Çelebi Üniversiesi leven.cein@ikc.eu.r Öze Özellikle Nesnelerin İnernei ya a Kablosuz Sensör Ağları gibi eknolojiler, cihazların kablosuz ağlar üzerinen birbirleri ile ekileşime girmesine ayanmaka ve son yıllara hızla yayılmakaır. Bu ip uygulamalara cihazların oram paramereleri ile beraber birbirlerinin urumu ile ilgili bilgilere e ihiyacı bulunmakaır. Bu paramerelerin en önemlilerinen biri ise cihazların birbirlerine ya a ileişim isasyonuna olan mesafesiir. Çalışmamıza, kablosuz ağların birçoğuna sanar olarak sunulan Alınan İşare Güç Gösergesi (Receive Signal Srengh Inicaor - RSSI) parameresinin, kapalı oramlara, alıcı verici arasınaki mesafenin kesirimine kullanılması ile ilgili sonuçlar sunulmakaır. Absrac Especially, echnologies like Inerne of Things or Wireless Sensor Neworks rely on communicaion of evices over wireless neworks. In hese kins of applicaions, evices nee measuremen of relaive sae of oher evices in he nework as well as environmenal parameers. Relaive isance beween he evices is one of he imporan parameers o be measure. In his work we propose a measuremen meho base on he RSSI meric of a wireless nework an presen measuremen resuls of our suy. 1. Giriş Gömülü sisemlerin kablosuz arayüzler ile inernee bağlanan nesnelerin keni aralarına oluşuruğu, ünya çapına yaygın bir ağ üzerinen ileişim kurarak günlük hayaımızı kolaylaşıracak uygulamalara olanak vermesi kavramına nesnelerin inernei ismi verilmekeir. Son yıllara gömülü sisemlerin uygulanmasına olanak sağlayan plaformların giikçe aha küçük, güçlü ve ucuz bir şekile piyasaya sürülmesiyle birlike, kablosuz ağlar üzerinen, nesnelerin inernei uygulamaları hızla hayaımıza girmeye başlamışır. Kablosuz sensör ağları ise, kablosuz bir ileişim arayüzü ile birbirine bağlanmış ve birbirlerine ya a merkezi bir siseme bilgi akaran sensör üğümlerinen oluşur. Kablosuz sensör ağları, veriyi oplayarak, işleyerek, çözümleyerek ve yayarak, bilgiye her an, her yeren kolayca erişilmesini sağlar. Bu ip uygulamaların çalışabilmesi için çoğu zaman kişisel girilere ve oram paramerelerine ihiyaç uyulmakaır. Bu paramereleren en yaygın olarak kullanılanı a iki cihazın birbirine olan ya a bir cihazın kablosuz erişim nokasına olan mesafesiir. Bu bilgi kullanılarak cihazların konumları kesirilebileceği gibi, gerçekleşirilebilecek olan eylem ile ilgili karar verme mekanizmasına bir giri e sağlanabilmekeir. Örneğin iki araba arasınaki mesafenin kesirimi çarpışma önleyici sisemin bir girisiir. Birbirlerine kablosuz ağ üzerinen bağlı iki cihazın RSSI verileri ve iç mekân yol kaybı moeli (inoor pah loss moel) kullanılarak mesafe kesiriminin yapılığı bir çalışma Bose ve Foh arafınan gerçekleşirilmiş, sonuçların oğrulanması için hem görüş açısına olan hem e görüş açısına olmayan nesneler ile eneyler yapılarak, sunulmuşur [1]. Awa ve ark. ise kablosuz sensör ağları üzerine olan çalışmalarına, isaisiki yönemleri ve yapay sinir ağlarını, RSSI verisi üzerine kullanarak ağ üğümlerinin konumlarının kesirim sonuçlarını sunmakaır []. Kablosuz sensör ağları ile ilgili bir başka çalışmaa ise, çeşili uzaklıklaran sensör üğümlerinin RSSI eğerlerine bakarak ölçümler yapılmış, ölçüm sonuçları ile gerçek eğerler arasınaki farklara bakılarak oralama haalar çıkarılmış ve oralama haaların 397

2 farkı Kumar ve ark. arafınan sunulmuşur [3]. Zanca ve ark. ise kapalı mekana bir çok ölçüm almış ve bu verileri farklı oram ileişim moelleri üzerine sınayarak ele eikleri sonuçları sunmuşlarır []. RSSI örneklemesi ile konum kesirimi üzerine yapıkları çalışma kapsamına gelişirikleri algorimaları ise Papamanhou ve ark. arafınan sunulmakaır []. Çalışmamıza ise IEEE.11g ağ alyapısı üzerine bulunan üğüm nokaları üzerinen, çeşili mesafelere, işare gücü ölçümleri alınmış ve bu eğerler emel işare moelleri ile karşılaşırılmış, bu moellerin paramerelerinin yapılan ölçüm sonuçlarına uyacak şekile uyarlanmışır. Bilirinin. bölümüne yapılan çalışmanın kuramsal alyapısı sunulurken, 3. kısıma uygulama üzeneği sunulmaka ve ölçüm sonuçları paylaşılmakaır. Yapılan ölçüm sonuçları. kısıma yorumlanmaka ve gelecek çalışmalar arışılmakaır.. Kablosuz Kanal Moelleri ve RSSI Çalışmamıza.11.g ileişim eknolojisi üzerinen ele eilecek RSSI bilgisi ile kapalı alanlara kısa mesafe ahmini yapılması amaçlanmışır. RSSI bilgisi, alınan işarein seviyesini beliren bir gösergeir. Her yonga üreicisi, farklı bir RSSI aralığı anımlamakaır. Bu eğer aralığı ile arasına anımlanmaka ve alınan en iyi işarei simgelemekeir. RSSI göreceli bir eğerir ve hesaplamalarımıza kullanabilmemiz için Bm eğerine çevrilmesi gerekmekeir. Bununla birlike, genellikle onanım sürücüleri yongaya özel olarak gelişiriliği için, göreli RSSI eğeri ile birlike Bm birimine RF güç eğerini e sunmakaırlar. Bu gösergenin mesafe ahmini yapılabilmesi açısınan çeşili yönemler ile uzaklık birimi ile ifae eilmesi gerekmekeir. Bunun için ITU kapalı alan işare moeli, Serbes Uzay Yayılım Moeli, İki Işınlı Yayılım Moeli ve eneysel sonuçlar ile benzeim sonuçlarının karşılaşırılmasıyla ele eilmiş olan Güç-Mesafe Eğrisi kullanılmışır. ITU kapalı alan işare moeli, mesafeye ve oram paramerelerine bağlı olarak alıcıaki işare gücünü oraya koyan, ofis, ev gibi farklı oramlara ve farklı çalışma frekanslarına göre paramereleri uyarlanabilen bir kapalı alan işare moeliir. ITU kapalı alan işare moeline göre oluşan güç kaybı aşağıa verilmekeir (Denklem 1) [, s]. L log ( f ) N log ( ) L ( n) B (1) iu f Denklem 1 e L iu, f, N,, L f (n) ve n eğişkenleri sırasıyla oplam güç kaybını, çalışma frekansını, mesafe güç kayıp sabiini, mesafeyi, ka kayıp ekisi fakörünü ve e alıcı ile verici arasınaki ka sayısını emsil eer. İkinci işare moeli ise alıcı ve verici anenleren gönerilen ve alınan güçlerin oranını veren Serbes Uzay Yayılım Moeli ni emel almakaır (Denklem ). R Pr P Gr G log( ) () Serbes Uzay Yayılım Moeli ne P r alıcıya gelen sinyalin gücünü, P verici anenen gönerilen sinyal gücünü, işarein algaboyunu, R mesafeyi, G ve G r sırasıyla verici ve alıcı anenlerin polarizasyon ve empeans uyumsuzluğu kayıplarını a içeren kazançlarını ifae emekeir. Mesafe ve algaboyuna bağlı logarimik paramere serbes uzay yol kaybı olarak alanırılmakaır (Denklem 3) ve bu enkleme oğruan görüş açısına sahip ve yansımasız bir oramın yol kaybı ifae eilmekeir [7,]. R L fs log( ) (3) Yeren yansımalı ve oğruan görüş açısına sahip bir orama ise yol kaybı aşağıaki gibi ifae eilmekeir (Denklem ). Bu yönem İki Işınlı Yayılım Moeli olarak alanırılmakaır ve üçüncü güç-mesafe kesirim yönemi olarak çalışmamıza yer almışır [7,]. Lr log( ) () h hr Kullanılan bu üç güç-mesafe kesirim yöneminin yanı sıra eneysel sonuçlar ile gerçek ölçüm mesafelerinin karşılaşırılmasınan ele eilen Güç-Mesafe Eğrisi e çalışmamıza örüncü kesirim yönemi olarak yer almışır. Bu yöneme yapılmış olan ölçümlerin oralamaları alınmış, bu oralamalara uyacak şekile MATLAB oramına güçmesafe eğrisi çıkarılmış ve kesirimler bu eğri üzerinen gerçekleşirilmişir. 3. Yönem Nokalar arasınaki mesafenin hesaplanması için kullanılacak olan RSSI meriği, Raspberry Pi moel bir Tek Kar Bilgisayar (Single Boar Compuer SBC) kullanılarak Realek RTL73BU WiFi yongası üzerinen ele eilmişir. Alıcı sabi uularak verici belirli aralıklarla alıcıan uzaklaşırılmış ve her uzaklık için, çevresel fakörler ve yansıma gibi ölçümü olumsuz ekileyebilecek urumlaran öürü, - ölçüm yapılmışır. Deneyler sırasına yonganın sürücüsüne oomaik kazanç konrolü evre ışı bırakılarak, en oğru ölçümün ele eilmesi amaçlanmışır. Şekil 1 - Nokalar arası mesafe ölçümü 3.1. ITU Moeli ile RSSI-Mesafe Kesirimi Çalışmanın ilk aşamasına RSSI meriğinen ele eilen RF güç bilgisi kullanılarak, ITU kapalı alan moeli ile mesafe kesirimleri yapılmışır. Bu amaçla ilk olarak ITU moel paramerelerinin belirlenmesi gerekmekeir. Bu eğerler yerlerine konuğuna, ITU moeli saece RSSI girisi ile mesafe çıkısı verir hale gelmişir. ITU moelinin paramerelerine ekili olan faköleren bir anesi alıcı ve vericinin aynı kaa olup olmaığıır. Bu neenle yapılan çalışma aynı kaa olacak şekile paramere verisi ele eilmişir. Toplam güç kaybını simgeleyen L eğeri, RSSI bilgisi ile gönerilen sinyal gücü arasınaki farkan ele eilmekeir. Alıcı ile vericinin aynı kaa olması ve gönerilen sinyal gücünün (P =13Bm) sabi olmasınan olayı, bu gücün RSSI ile olan farkı a L eğerini vermekeir. Diğer paramerelerin 39

3 e yerlerine konmasıyla beraber formül aşağıaki hali almakaır (Denklem ). P RSSI log (. x9 ) N log ( ) L f () B () ITU moelinin Denklem e görülen haline, N ve Lf() paramereleri, çalışma frekansına ve alıcı ile verici arasınaki ka sayısına göre eğişmekeir [, s11, Çizelge 9.1-]. Bu paramerelerin - arasına eğişiği üm kombinasyonlar için gerçek pozisyon ile hesaplanan pozisyon karşılaşırılmış ve en uygun paramere eğerleri belirlenmişir. Deneysel sonuçlar ile benzeim sonuçlarını birbirlerine en yakın şekile veren paramere eğerler N=3 ve Lf=11 olarak bulunmuşur. Bu eğerler e kaynaklara verilen eğerler ile örüşmekeir [, s11, Çizelge 9.1-]. ITU moeli ile yapılan güç-mesafe kesirimlerine bu veriler kullanılmışır İki Işınlı Yayılım Moeli ile Güç-Mesafe Kesirimi Çalışmamıza güç-mesafe kesirimi için kullanılan üçüncü yönem İki Işınlı Yayılım Moeli ir (). () PRSSI P Gr G Lr Denklem e Lr (wo ray loss) yeren yansımalı ve oğruan görüş açısına sahip mesafe kayıp moelini emsil eer. Şekil 3 - Anenler arası görüş ve yansıma Şekil 3 e yansımalı moel için anenlerin uruşu ve aralarınaki görüş açıları göserilmişir. Buraa los görüş alanınaki mesafeyi ( line of sigh) ve ref ( reflecion) yansıma mesafesini emsil emekeir. Alıcı ve verici anen yükseklikleri aynı oluğu için, yansımalı mesafe kayıp moeli aşağıaki şekli almakaır (Denklem 9). Lr log( ) log( ) h h (9) RSSI bilgisi ile mesafe eğerinin kesiriliği İki Işınlı Yansıma Moeli Denklem a verilmişir. () P P G G log( ) RSSI r h 3.. Güç-Mesafe İşlevi ile RSSI-Mesafe Kesirimi Şekil - ITU paramerelerinin belirlenmesi Güç-Mesafe İşlevi, çalışmamıza gerçekleşirilen eneysel sonuçlara ayanılarak ele eilmişir. Bu işlev kullanılarak mesafe kesirimleri gerçekleşirilmişir. Güç-Mesafe İşlevi aşağıa sunulmakaır (Denklem 11). (11) a.eb.rssi ile mere aralığına alınan ölçümlere oğrulusuna, gerçek pozisyon ile benzeim sonuçları arasınaki farka göre sıralanan paramere eğerleri Şekil e göserilmişir. ITU moeli ile güç-mesafe kesirimi yapılığına oralama olarak en küçük haa olan,31 mere N=3 ve Lf=11 eğerleri kullanılığına oraya çıkmışır. Pozisyon hesaplamaları sırasına ITU moeline bu paramere eğerleri kullanılmışır. Güç-Mesafe Eğrisi ölçülen güç/mesafe güç-mesafe eğrisi 3.. Serbes Uzay Yayılım Moeli ile RSSI-Mesafe Kesirimi r mesafe (mere) RSSI bilgisi ile mesafe kesirimi için kullanılan ikinci yönem Serbes Uzay Yayılım Moeli ir (Denklem ). Serbes Uzay Yayılım Moeli ne, Pr eğeri RSSI bilgisinen ele eilmekeir, P eğeri ise kullanılan WiFi moülleri için 13 Bm ir. Çalışma frekansının. GHz olması sebebiyle alga boyu 1. cm hesaplanır. Kullanılan moüller ve anenler e aynı oluğu için Gr ve G kazanç eğerleri e aynıır. () RSSI P G G L -7 fs Denklem a Lfs (free space loss) yansımasız mesafe kayıp moelini emsil emekeir. Alıcıya gelen sinyalin güç eğeri e RSSI bilgisi ile sağlanmakaır (Pr=RSSI). Lfs yerine konuğuna Serbes Uzay Yayılım Moeli son halini almakaır (Denklem 7). R (7) RSSI P Gr G log( ) güç (Bm) Şekil - Güç Mesafe İşlevi Denklem 11 eki gibi üsel bir fonksiyonun kullanılmasıyla eney sonuçları bir işlev ile ifae eilebilmekeir. MATLAB oramına bu üsel fonksiyonun kasayıları hesaplanmış ve yerlerine konmuşur (Denklem 1). (1),97e,.RSSI 399

4 Alınmış olan ölçümler oğruan Serbes Uzay Yayılım Moeli ne uygulanığına gerçek mesafe eğrisi ile ölçümleren ele eilen mesafe eğrisi birbirine paralel yapıa olmasına rağmen, iki eğri arasına B eğerine bir fark gözlemlenmiş ve ölçüm eğerlerine bu eğer eklenerek kesirim çalışmaları gerçekleşirilmişir. Bu urum Denklem 13 e sunulmakaır. R (13) RSSI P Gr G log( ) Denklem 13 kullanılarak yapılan kesirimlere ise oralama olarak 13. cm. haa oraya çıkmakaır.. Sonuçlar Çalışmamız kapsamına kurulan es oramına bir alıcı verici sisem iç mekâna çeşili mesafelere konumlanırılarak RSSI verisi ele eilmişir. Bu eğerlerin oralamaları, ele eilerek, ITU, Serbes Uzay Yayılım, İki Işınlı Yayılım Moelleri ile Güç-Mesafe İşlevi kullanılarak mesafe kesirimi yapılmışır. Kullanılan Wi-Fi moülün özelliği neeniyle, uzaklığın m. en az ve 1 m. en çok oluğu urumlara RSSI verisine eğişim gözlemlenemeiği için çalışma süresince -1 m. arasınaki farklı mesafe için ölçümler alınmış ve kesirimler bu pozisyonlar üzerinen gerçekleşirilmişir. Yapılan çalışmalara benzeim ve kesirimler MATLAB yazılımı kullanılarak gerçekleşirilmişir Deneyler sırasına alınan RSSI verisinin saece uzaklığa ve oram şarlarına ayalı olarak eğişmesini sağlamak için WiFi yongasının oomaik kazanç konrolü evre ışı bırakılmışır..3. İki Işınlı Yayılım Moeli Sonuçları İki Işınlı Yayılım Moeli kullanılarak ele eilen RSSI verilerine karşılık gelen güçlerin mesafeleri kesirilmeye çalışılmışır. İki Işınlı Yayılım Moeli Sonuçları Kayıpısız İki Işınlı Yayılım Moeli Kayıplı İki Işınlı Yayılım Moeli.1. ITU Moeli Sonuçları - ITU Sonucu Karşılaşırması mesafe (mere) ITU Hesaplanan Mesafe 1 Şekil 7 - İki Işınlı Yayılım Moeli sonuçları Ölçüm Nokası 1 Serbes Uzay Yayılım Moeli neki gibi, bu yöneme e eneysel sonuçların, moel ile paralel bir eğri izleiği faka araa bir fark oluşuğu gözlemlenmişir. Denklem kullanılarak gerçekleşirilen mesafe kesirimi sonuçları Şekil 7 e görülmekeir (kırmızı). İki eğri arasınaki oralama fark siseme bir kayıp sabii olarak ekleniğine ise sonuçlar Şekil / e mavi çizgi ile göserilmekeir. Kayıp eğeri bu yönem için yaklaşık olarak 7 B olarak hesaplanmışır. Kayıpsız sisemin oralama haası.7 cm. iken, kayıp sabii eklenen siemin oralama haası. cm. olarak hesaplanmışır. Şekil - ITU moeli sonuçları Şekil e ITU moeli ile hesaplanmış olan uzaklık ahminlerinin gerçek uzaklıklar ile farkı görülmekeir. m. ile 1 m. aralığına farklı nokaa alınan ölçümler üzerinen kesirilen mesafe eğerlerinin, gerçek pozisyona olan oralama farkı.cm olarak ele eilmişir... Serbes Uzay Moeli Sonuçları.. Güç-Mesafe İşlevi Sonuçları Ele eilen RSSI verilerine ayalı güç eğerleri, karşılık gelen serbes uzay yayılım moeli mesafe eğerlerine ayanılarak iki moül arası uzaklık kesirimi yapılmışır. Bu yönem sonuçları Şekil a göserilmişir. Çalışmamız sırasına alınan ölçümleren ele eilen işlev üsel fonksiyonlar ile ifae eilmişir (Denklem 11 ve Şekil ). Bu işleve ayalı olarak yapılan kesirim sonuçları a aşağıa sunulmakaır (Şekil ). Serbes Uzay Yayılım Moeli Sonuçları Güç-Mesafe Eğrisi Sonuçları Serbes Uzay Yayılım Moeli gerçek mesafe eğerleri güç-mesafe işlevi sonucu mesafe (mere) mesafe (mere) 1 1 Şekil - Güç-Mesafe İşlevi sonuçları Şekil - Serbes Uzay Yayılım Moeli sonuçları

5 mesafe (mere) Bu yönem ile gerçekleşirilen kesirimler ile gerçek sonuçlar arasınaki oralama farkı.97 cm. olarak hesaplanmışır... Sonuç Karşılaşırması Çalışmamıza mesafe kesirimi için kullanılmış olan ör yönem sonucu hem grafik hem e sayısal veriler olarak aşağıa sunulmakaır (Şekil 9, Çizelge 1). ITU Moeli Serbes Uzay Moeli İki Işınlı Moel (kayıpsız) İki Işınlı Moel (kayıplı) Güç-Mesafe İşlevi Sonuç Karşılaşırma 1 Şekil 9 - Sonuç Karşılaşırma Çizelge 1 - Haa Karşılaşırma Archiecures, Mehos an Tools, 7. DSD 7. h Euromicro Conference on (pp. 71-7). IEEE. [3] Kumar, P., Rey, L., & Varma, S. (9, December). Disance measuremen an error esimaion scheme for RSSI base localizaion in Wireless Sensor Neworks. In Wireless Communicaion an Sensor Neworks (WCSN), 9 Fifh IEEE Conference on (pp. 1-). IEEE. [] Zanca, G., Zorzi, F., Zanella, A., & Zorzi, M. (, April). Experimenal comparison of RSSI-base localizaion algorihms for inoor wireless sensor neworks. In Proceeings of he workshop on Real-worl wireless sensor neworks (pp. 1-). ACM. [] Papamanhou, C., Preparaa, F. P., & Tamassia, R. (, July). Algorihms for locaion esimaion base on rssi sampling. In Inernaional Symposium on Algorihms an Experimens for Sensor Sysems, Wireless Neworks an Disribue Roboics (pp. 7-). Springer Berlin Heielberg. [] Seybol, J. S. (). Inroucion o RF propagaion. John Wiley & Sons. [7] Sommer, C., & Dressler, F. (11, Sepember). Using he righ wo-ray moel? A measuremen base evaluaion of PHY moels in VANETs. In Proc. ACM MobiCom (pp. 1-3). [] Rappapor, T. S. (199). Wireless communicaions: principles an pracice (Vol. ). New Jersey: Prenice Hall PTR. Deneysel sonuçlar üzerinen üsel fonksiyonlar kullanılarak oluşurulan Güç-Mesafe İşlevi kullanılarak yapılan RSSI- Mesafe kesirimleri, gerçek eğerlere en yakın sonucu veriği gözlemlenmişir. Diğer kesirim yönemleri haa performansı açısınan sırasıyla İki Işınlı Yayılım Moeli, ITU kapalı alan moeli ve Serbes Uzay Moeli olmuşur.. Yorumlar Yapılan çalışmalar sonucuna, RSSI meriği kullanılarak ele eilen güç eğerlerinin, belirli aralıklar ahiline mesafe kesirimine kullanılabileceği göserilmişir. Özellikle kablosuz algılayıcı ağları (Wireless Sensor Neworks), sürü robo (Swarm Roboics) uygulamaları gibi, birçok moülün belli bir alana ağılığı uygulamalara, moüller arasınaki uzaklığın kesirimine yararlanılabilecek bir yönem oluğu eğerlenirilmekeir. Çalışmanın ilerleyen bölümlerine, yapılan ölçümlerin aralıklarının aralılarak aha sağlıklı sonuçlar ele eilmesi ve bu sonuçlar ile ele eilen işlevin gelişirilmesi planlanmakaır.. Kaynaklar [1] Bose, A., & Foh, C. H. (7, December). A pracical pah loss moel for inoor WiFi posiioning enhancemen. In Informaion, Communicaions & Signal Processing, 7 h Inernaional Conference on (pp. 1- ). IEEE. [] Awa, A., Frunzke, T., & Dressler, F. (7, Augus). Aapive isance esimaion an localizaion in WSN using RSSI measures. In Digial Sysem Design 1