The Improved Localization Algorithms with Wireless Sensor Nodes for Static/Mobile Environments

Abstract

본 논문은 정적 / 모바일 환경에서의 측위 문제에 대해 논의한다. 본 논문에서는 두 가지 측위 알고리즘을 제안한다. 첫 번째 알고리즘은 삼각 측량 알고리즘을 사용하여 재해 상황을 위한 3 차원 환경에서의 위치 파악 협업 기법에 대해 논의한다. 이 알고리즘의 주된 아이디어는 한 번에 모든 센서가 움직이는 것이 아니라 일부 센서는 위치 정보를 보존하고 전송하기 위해 정적인 상태를 유지하는 것이다. 결과는 비행 센서가 위치 인식 오류, 대상을 찾는 데 걸리는 시간 및 이러한 작업을 수행하는 데 필요한 에너지면에서 모바일 센서 및 로봇 센서 노드보다 성능이 우수함을 보여준다. 두 번째 알고리즘은 자력계를 사용하는 이중 무선 라디오 측위(DWRL) 알고리즘을 개선 한 것이다. DWRL 기술을 사용하려면 아직 위치를 모르는 노드의 위치를 알아내기 위해 적어도 두 개의 사전에 위치를 알아낸 노드가 필요하다. DWRL 기술은 또한 2 개의 노드 중 4 개의 무선이 서로 통신 범위 내에 있어야 한다. 향상된 DWRL (I-DWRL)에서는 각 노드의 라디오 1로 자력계를 사용한다. I-DWRL은 위치를 모르는 노드의 위치를 알아내기 위해 하나의 위치를 알아낸 노드만을 필요로 한다. I-DWRL을 사용하면 두 노드의 네 개의 라디오 중 일부가 서로 통신 할 수없는 경우 측위를 수행 할 수도 있다. I-DWRL은 네트워크 에너지, 네트워크 측위 오류, 네트워크 측위 시간면에서 우수한 성능을 발휘한다. DWRL 및 삼각 측량 알고리즘을 위해서는 전송 범위가 충분하지 않는 반면 I-DWRL은 더 많은 모드들을 측위할 수 있다. 논문 작업의 대부분은 다음의 논문들에서 출판되었다. 1. Abdul Aziz, Ramesh Kumar, Inwhee Joe, “I-DWRL: Improved Dual Wireless Radio Localization Using Magnetometer”, Sensors 2017, 17, 2630; doi:10.3390/s17112630, pp. 1-15, November 2017. 2. Abdul Aziz, Ramesh Kumar, Inwhee Joe, Yeonyi Choi, “A Cooperative Scheme of 3-D Localization with Flying Wireless Sensor Nodes for Disaster Situations”, Journal of Next Generation Information Technology, Volume 6, Number 2, pp. 37-45, May 2015.; This thesis discusses about localization issue in static/mobile environments. In this thesis, we present two localization algorithms. First algorithm discusses about cooperative scheme of localization in three-dimensional environments for disaster situation using trilateration algorithm. In that algorithm we have proposed a cooperative schemes that shows, how flying sensor nodes can cooperate with each other to localize themselves, while flying and locating targets inside a building from floor to floor. Main idea of this algorithm is that not all sensor fly at one time, some sensor stay static to preserve location information. In results of cooperative localization algorithms we have shown that flying sensor nodes perform well as compared to mobile sensor and mobile robot nodes in terms of localization error, time to locate targets and energy required to perform such tasks. Second algorithm is about how dual wireless radio localization (DWRL) algorithm can be improved with the use magnetometer on each DWRL sensor node. In the dual wireless radio localization (DWRL) technique each sensor node is equipped with two ultra-wide band (UWB) radios; the distance between the two radios is a few tens of centimeters. For localization, the DWRL technique must use at least two pre-localized nodes to fully localize an unlocalized node. Moreover, in the DWRL technique it is also not possible for two sensor nodes to properly communicate location information unless each of the four UWB radios of two communicating sensor nodes cannot approach the remaining three radios. Therefore, we propose an improved DWRL (I-DWRL) algorithm along with mounting a magnetometer sensor on one of the UWB radios of all sensor nodes. This addition of a magnetometer helps to improve DWRL algorithm such that only one localized sensor node is required for the localization of an unlocalized sensor node, and localization can also be achieved even when some of the four radios of two nodes are unable to communicate with the remaining three radios. The results show that with the use of a magnetometer a greater number of nodes can be localized with a smaller transmission range, less energy and a shorter period of time. In comparison with the conventional DWRL and trilateration algorithm, our I-DWRL not only maintains the localization error but also requires around half of semi-localizations, 60% of the time, 70% of the energy and a shorter communication range to fully localize an entire network. Moreover, I-DWRL can even localize more nodes while transmission range is not sufficient for DWRL and trilateration algorithms. Major portion of our thesis work is published in the following papers. 1. Abdul Aziz, Ramesh Kumar, Inwhee Joe, “I-DWRL: Improved Dual Wireless Radio Localization Using Magnetometer”, Sensors 2017, 17, 2630