Efficient Range-Free Monte-Carlo-Localization for Mobile Wireless Sensor Networks

• Main Author: Hartung, Salke
• Other Authors: Hogrefe, Dieter Prof. Dr.
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: 2015
• Subjects: 510; Localization; Wireless Sensor Networks; Monte Carlo; Mobility; Mobile Networks; Tracking; Range-Free; Informatik (PPN619939052)
• Online Access: http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0028-8658-7; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:7-11858/00-1735-0000-0028-8658-7-4

Das Hauptproblem von Lokalisierungsalgorithmen für WSNs basierend auf Ankerknoten ist die Abhängigkeit von diesen. Mobilität im Netzwerk kann zu Topologien führen, in denen einzelne Knoten oder ganze Teile des Netzwerks temporär von allen Ankerknoten isoliert werden. In diesen Fällen ist keine weitere Lokalisierung möglich. Dies wirkt sich primär auf den Lokalisierungsfehler aus, der in diesen Fällen stark ansteigt. Des weiteren haben Betreiber von Sensornetzwerken Interesse daran, die Anzahl der kosten- und wartungsintensiveren Ankerknoten auf ein Minimum zu reduzieren. Dies verstärkt zusätzlich das Problem von nicht verfügbaren Ankerknoten während des Netzwerkbetriebs. In dieser Arbeit werden zunächst die Vor- und Nachteile der beiden großen Hauptkategorien von Lokalisierungsalgorithmen (range-based und range-free Verfahren) diskutiert und eine Studie eines oft für range-based Lokalisierung genutzten Distanzbestimmungsverfahren mit Hilfe des RSSI vorgestellt. Danach werden zwei neue Varianten für ein bekanntes range-free Lokalisierungsverfahren mit Namen MCL eingeführt. Beide haben zum Ziel das Problem der temporär nicht verfügbaren Ankerknoten zu lösen, bedienen sich dabei aber unterschiedlicher Mittel. SA-MCL nutzt ein dead reckoning Verfahren, um die Positionsschätzung vom letzten bekannten Standort weiter zu führen. Dies geschieht mit Hilfe von zusätzlichen Sensorinformationen, die von einem elektronischen Kompass und einem Beschleunigungsmesser zur Verfügung gestellt werden. PO-MCL hingegen nutzt das Mobilitätsverhalten von einigen Anwendungen in Sensornetzwerken aus, bei denen sich alle Knoten primär auf einer festen Anzahl von Pfaden bewegen, um den Lokalisierungsprozess zu verbessern. Beide Methoden werden durch detaillierte Netzwerksimulationen evaluiert. Im Fall von SA-MCL wird außerdem eine Implementierung auf echter Hardware vorgestellt und eine Feldstudie in einem mobilen Sensornetzwerk durchgeführt. Aus den Ergebnissen ist zu sehen, dass der Lokalisierungsfehler in Situationen mit niedriger Ankerknotendichte im Fall von SA-MCL um bis zu 60% reduziert werden kann, beziehungsweise um bis zu 50% im Fall von PO-MCL.