İSTANBUL TECHNICAL UNIVERSITY FACULTY OF ELECTRICAL - ELECTRONICS ENGINEERING LOCALIZATION IN WIRELESS SENSOR NETWORKS

İSTANBUL TECHNICAL UNIVERSITY FACULTY OF ELECTRICAL - ELECTRONICS ENGINEERING LOCALIZATION IN WIRELESS SENSOR NETWORKS BSc Thesis by G. Selda KURUOĞLU 040040237 Department: Computer Engineering Division: Computer Sciences Supervisor: Prof. Dr. Sema OKTUĞ May 2008

I Özgünlük Bildirisi 1. Bu çalışmada, başka kaynaklardan yapılan tüm alıntıların, ilgili kaynaklar referans gösterilerek açıkça belirtildiğini, 2. Alıntılar dışındaki bölümlerin, özellikle projenin ana konusunu oluşturan teorik çalışmaların ve yazılım/donanımın benim tarafımdan yapıldığını bildiririm. İstanbul, 20.05.2008 G. Selda KURUOĞLU

II LOCALIZATION IN WIRELESS SENSOR NEWORKS (SUMMARY) Wireless Sensor Network is the network of nodes (sensor/s including embedded components), communicating with each other and/or a center, through a gateway node using a wireless communication device like RF and acoustic modules, for the purpose of monitoring and/or inspecting some environmental events and conditions. Nowadays, the improvements in mems (Micro-Electro-Mechanical Systems) and sensor technologies brought up the new talented nodes having various sensors. Accordingly, those nodes application areas are widening, from military based to some civilized ones for the market or the research projects. Localization Problem; in a basic definition; is the estimation of some nodes location with the help of some others who know their exact location. Localization is an important and fundamental problem on wireless sensor networks since the location information is an important key for processing the data monitored by the sensors. Location information of nodes may also be essential in some wireless sensor network applications like object tracking, area monitoring and geographic routing algorithms. They are also specially used in the applications using the mobile nodes whose positions change throughout time. In Localization in Wireless Sensor Networks project, firstly it is aimed to search and learn the localization techniques, distance measurement methods and other localization related issues like mathematical bases of the algorithms. At this step, a comprehensive survey research has been done. Second phase of the project is the implementation of some algorithms and discover the advantages and disadvantages of them. A widely used network simulator: QualNet s structure for writing application protocols is learned and a chosen localization algorithm is implemented in this network simulator. Then an interesting and practical issue: Sleep-Wake Up Scheduling of the nodes is considered and its affect on localization is analyzed. At this work, no localization algorithm is specially tested but the sleep-wake-up scheduler s affect on localization ratio is studied. After analyzing existing localization algorithms, an improved, heuristic multi-lateration method is designed and proposed. Its performance by means of localization errors is tested by many simulation cases and compared with two other range-based localization techniques. As a result, knowledge of localization schemes in wireless sensor networks were learned and analyzed in detail. QualNet simulator structure and protocol designing concepts were covered. An adapted localization algorithm was designed and proposed. Proposed algorithm s complexity and mean of the location estimation errors is lower than the existing multi-lateration localization method version for distance measurement errors. Simulations with many different environmental parameters like topology and connectivity properties are run and the proposed algorithm s performance was tested.

III KABLOSUZ DUYARGA AĞLARINDA YER BULMA PROBLEMİ (ÖZET) Kablosuz Duyarga Ağları, üzerlerinde çeşitli duyargaların yer aldığı, birbirleriyle ve mevcut ise bir ana birimle, üzerlerindeki radyo veya akustik gibi kablosuz iletişim aygıtları aracılığıyla haberleşen çeşitli düğümlerden oluşan ağ yapılarıdır. Bu ağlar, çeşitli çevresel olay ve durumların tahmin edilmesi ve/veya takip edilmesi amacı ile kullanılmaktadır. Üzerlerinde barındırdıkları, çeşitli özelliklere sahip duyargalar nedeniyle, kullanım alanları da çok çeşitlilik göstermektedir. Günümüzde mems (mikro-elektronik-mekanik sistemler) alanındaki ve dolayısıyla duyarga teknolojilerindeki gelişmeler sayesinde, üzerlerinde çok sayıda duyarga barındırabilen yetenekli düğümler üretilmeye başlamıştır. Bu düğümlerin maliyeti giderek düşürülmeye çalışıldığından, günümüzde kablosuz duyarga ağları, askeri alandan piyasa ihtiyaçlarına yönelik veya araştırma amaçlı sivil uygulamalara kadar çok çeşitli alanlarda kullanılmaktadır. Askeri alanlarda, saha güvenliğinin sağlanması, mayın taraması yapılması, belirli bir alanda belirli objelerin takip edilebilmesi, deniz altı gibi ortamlarda bile ortamda oluşabilecek çeşitli değişikliklerin (manyetik alan gibi) algılanması ve buna benzer pek çok uygulama alanı bulunmaktadır. Sivil uygulamalarda da pek çok alanda kendine yer edinen bu ağların genellikle akıllı ev, ofis gibi alanlarda kullanımlarının yaygın olduğunu görmekteyiz. Yangın, deprem, hırsız gibi olağan dışı olayların fark edilmesinden, sıcaklık, nem basınç gibi özelliklerin olağan durumlarının kontrolünün yapılması gibi pek çok amaca hizmet edebilmektedirler. Araştırma amaçlı sivil uygulamalar, ileride pratiğe aktarılmak üzere, bu ağların performanslarının, niteliklerinin, kabiliyetlerinin arttırılmasına yönelik, düğümlerin yerlerini bulma, ağ trafiğini düzenleme, yönlendirme algoritmalarının özelleştirilmesi gibi pek çok araştırma konusunu içermektedir. Su altı da dâhil olmak üzere çok çeşitli saha alanlarında, değişik amaçlara hizmet edecek şekilde tasarlanan, programlanan ve alana çok sayıda, değişik topolojilerde bırakılan duyarga düğümleri, düşük güç tüketimi prensipleri ile mümkün olduğu kadar uzun süre hizmet vermeye çalışırlar. Düğümlerin taşınabilirlikleri, sayılarının çok fazla olması, maliyetlerinin çok arttırılmamaya çalışılması gibi sebeplerden dolayı, bu düğümlere sağlanabilen güç kaynakları oldukça sınırlı olmaktadır. Bu nedenle, duyarga ağlarında tasarlanacak herhangi bir algoritma, protokol veya uygulamanın en önemli kısıtlarından birini güç tüketimi oluşturmaktadır. İşlem birimini zorlayacak, karmaşıklığı yüksek işlemlerden, haberleşmelerde veya olayların sezilmesinde yoklama yöntemlerinden bu nedenden dolayı uzak durulması gerekmektedir. Olay takibinde veya herhangi bir duyarganın çalışması denetlenmek istendiğinde de benzer sebepten dolayı yoklamalı çalışmayı önlemek açısından, donanım denetiminde de kesmeli çalışma tercih edilmektedir. Örnek olarak duyarga ağlarında kullanılan düğümler üzerinde uygulama geliştirirken sıklıkla kullanılan TinyOS işletim sistemi verilebilir. TinyOs sınırlı kaynakları olan (örneğin 8K byte program belleği, 512 byte RAM) duyarga ağları için Univercity of California, Berkeley tarafından Intel Araştırma Grubu desteği ile geliştirilmiş, olay güdümlü (event-driven) bir işletim sistemidir. Genel prensibi, güç harcamasını minimize etmeye yönelik olarak kısa sürede görevini tamamlayıp uyuma

IV durumuna geçmektir. Bu prensibe uygun olarak kesmeli çalışma yapar, yoklamalı çalışma gerçekleştirmez. [tinyos] Düğümler üzerinde gerekli duyargaların yanında, düğümün istenildiği gibi çalışmasını sağlayacak bir işlem birimi bulunmaktadır. Genellikle işlem birimi olarak miktrokontrolorler kullanılmaktadır. Çalıştığımız İTÜ-Bilgisayar Ağları Laboratuarı nda kullanılan, GenetLab firmasının tasarladığı duyarga düğümlerinde de tercih edilen işlemci Texas Instruments firmasının düşük güç tüketimi kademeleri ile bilinen MSP430 ailesindendir. Bu örnekten de, düşük güç tüketimi kısıtlamasına, donanımsal tasarımlarda da dikkat edilmesinin gerekliliği görülmektedir. Kablosuz ağlara ilişkin uygulamalarda, diğer kısıtlar ise düğümlerin kablosuz haberleşmeleri ile birlikte gelen, band genişliği harcamalarının ayarlanması, çakışmaların oluşması, bu çakışmaların önlenmeye çalışılması gibi problemlerdir. Kablosuz ağlarda veri aktarımı yapılan ortam boşluk olduğundan, kablolu ağların aksine, düğümlerin bu boşluğun bir kısmını ayırmaları, belirli bir kısmını kullanmaları gibi düzenlemeler yapılamamaktadır. Duyarga düğümlerinin haberleşmelerinde merkez gözetiminde sıralama yöntemlerinin kullanımı gibi önerilen çözümler ile oluşabilecek çakışmalar önlenmeye çalışılmaktadır. Gerçek zamanlı uygulamalarda, bu kısıtların önemi daha çok artmakta ve bunlara ilişkin çözüm önerileri geniş bir araştırma konusu kapsamına girmektedir. Bitirme tasarım projesinin temel konusu olan yer bulma (kerteriz) problemi ise, kablosuz duyarga ağlarında ortaya çıkmış önemli problemlerden biridir. Bu ağlarda, çok sayıda düğüm, genellikle sabit veya belirli bir topolojiye oturtulmadan, ilgili alana dağıtıldığından, her düğümün yerinin bilinmesi çok olanaklı olmamaktadır. Pratik bir örnek olarak, çeşitli saha alanlarına, çok fazla sayıda düğüm, bir uçak aracılığıyla atılmaktadır, oluşan topolojilerin, hız, ortamın fiziksel koşulları gibi koşulların da etkilediği çeşitli olasılık dağılımlarına uyduğu düşünülmektedir. Düğümlerin yer bilgilerini, GPS gibi ek donanımsal bileşenlerden elde etmeleri ise, bu düğümlerin maliyetlerinin düşük olması beklentisine ters düştüğünden çok tercih edilmemektedir. Yer bulma problemi, kablosuz duyarga ağlarında pek çok uygulamada alanında büyük önem taşımaktadır. Bu ağlarda, düğümler üzerinde yer alan duyargalar aracılığı ile algılanan verilerin işlenmesinde, verinin algılandığı alan bilgisi genellikle önemli bir ölçüttür. Ölçülen sıcaklık veya benzeri herhangi bir ortam koşulunun hangi bölgeden geldiğinin önemli olması, kırılan bir camın binanın hangi bölümünde olması gibi pratik açıdan kritik önem taşıyabilecek pek çok uygulama örnek olarak verilebilir. Bu nedenle, düğümlerin yer bilgilerine sahip olmaları veya bu bilgileri hesaplayabilmeleri belirli durumlarda büyük önem taşımaktadır. Veri işlemesinin yanı sıra, nesne takip edilmesi, kablosuz ağlarda coğrafi yönlendirme gibi değişik konularda da düğümlerin yer bilgilerine sahip olmaları gerekmektedir. Genellikle uygulama alanlarında düğümlerin statik oldukları düşünülse de, kablosuz duyarga ağlarının kullanımında farklı bir alan olan su altı duyarga ağları sistemlerinde olduğu gibi hareketli düğümlerin yer aldığı ağlar da mevcuttur. Bu hareketli ağlarda da zaman içinde değişen yer bilgisinin güncellenmesi aşamasında yer bulma algoritmalarının kullanımı yaygın olarak tercih edilen bir yöntemdir. Çözüm algoritmalarının başlangıcında yararlanan en önemli varsayım, ağ içerisinde göreceli olarak az sayıda düğüme, çeşitli yollardan yer bilgisi ulaştırılabilmekte olmasıdır. Bu durumda maliyet, bu düğümlerin sayısı azaltılarak düşürülebilir. Kablosuz duyarga ağlarında yer bulma problemi olarak ortaya konan problem de bu durumda, genel olarak