A Study of Multicast based Localization System for Wireless Sensor Networks

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Localization is currently very important research area in wireless sensor networks. Localization is to estimate location information of sensor nodes. If we know the location information of sensor nodes, we can use location information for a variety of network applications such as location based routing, guiding people in museum or airport, monitoring patients in hospital, and tracking shipments in logistics center etc.
It is very difficult to estimate accuracy location of sensor nodes, because ranging value is not accuracy due to obstacles or ranging techniques. IEEE 802.15.4a standard presents the time-of-arrival (TOA) based ranging technique to support the location-based services for ZigBee and/or distributed wireless sensor network applications. The non-line-of-sight (NLOS) error is the major problem in the TOA-based localization and many algorithms have been proposed to solve the problem. Previous algorithms require additional hardware, complex computation, or a lot of packet exchanges which increase the product cost or reduce the network lifetime.
This thesis proposes an energy-efficient low-complexity localization algorithm for IEEE 802.15.4a networks. The proposed algorithm uses TOA ranging with sequential acknowledgment (ACK) packets and bounds a small rectangular region for localizations. The message overhead can be decreased by using the sequential ACKs in TOA ranging. The biased ranging value by NLOS environments is eliminated and the location of the blind node is estimated in the bounded region with only LOS ranging values. The localization accuracy can be improved because of eliminating the NLOS biased ranging. By limiting the search region for the location of the blind node, the proposed algorithm can reduce the computation and energy overhead. Experimental results show that the proposed algorithm outperforms previous algorithms in terms of the energy consumption and the localization accuracy.

국문 초록 (Abstract)

위치추정 서비스는 무선 센서 네트워크에서 중요한 연구분야이다. 위치추정 서비스는 센서노드의 위치를 추정한다. 만약 우리가 센서노드의 위치 정보를 안다면, 우리는 센서노드의 위치정보를 이용하여 위치 기반 라우팅, 박물관이나 공항 등에서 길안내, 병원에서의 환자 모니터링, 물류센터에서의 적하물 추적등 다양한 응용서비스를 제공할 수 있다.
장애물이나 거리측정 방식에 따른 측정 거리 오류로 인하여 정확한 위치추정은 매우 어렵다. IEEE 802.15.4a 표준은 정확한 위치추정 서비스를 지원하기 위하여 time-of-arrival (TOA) 기반의 거리측정 기술을 제공한다. 특히, non-line-of-sight (NLOS) 상황은 IEEE 802.15.4a 기반의 위치인식 시스템에서 심각한 영향을 발생 시킬 수 있다. 이러한 NLOS 문제를 해결하기 위하여, 다양한 위치 인식 알고리즘들이 제안되어 왔다. 하지만, 기존의 알고리즘은 복잡한 연산을 필요로 하거나 거리측정을 위한 메시지 오버헤드로 인하여 네트워크의 수명을 단축시킬 수 있다.
본 논문에서는 에너지 효율적이며 낮은 계산 복잡도를 갖는 IEEE 802.15.4a 네트워크 기반의 위치추정 알고리즘을 제안한다. 제안된 알고리즘은 TOA 거리측정을 위해 멀티캐스트 방식을 이용하여 순차적인 acknowledgment (ACK) 패킷을 보냄으로써, 거리측정을 위한 메시지 오버헤드를 감소시킬 수 있다. 다음으로 위치추정지역을 제한 할 수 있는 사각영역 (Bounding Box)을 설정함으로써, 위치 추정에 따른 계산 복잡도와 연산 시간을 줄일 수 있다. 마지막으로 NLOS 환경에 따른 거리측정 값을 제거하고 노드의 위치를 추정으로써 정확도를 향상시킨다. 시뮬레이션을 통해 에너지 소모와 추정 위치의 정확도 측면에서 제안한 알고리즘은 기존의 알고리즘보다 향상된 성능을 보이는 것을 확인 하였다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1 Introduction = 2
• Chapter 2 Basic Overview = 5
• 2.1. Ranging Techniques = 5
• 2.1. Basic of Localization using IEEE 802.15.4a = 8
• 2.2. MLE and LSE in Localization = 10
• 2.3. Transmission Techniques = 13
• Chapter 3 Design of Proposed Algorithm = 14
• 3.1. Low Complexity Architecture = 14
• 3.2. TOA Ranging with Sequential ACK Packets = 18
• 3.3. Bounded region for NLOS Detection = 20
• Chapter 4 Experimental Results = 23
• 4.1. Testbed Experimental Results = 23
• 4.2. Simulation Results = 25
• Chapter 5 Conclusion = 30
• References = 31