Fundamental Teknik Lokalisasipada Jaringan Sensor Nirkabel

Oleh:

Prima Kristalina

Politeknik Elektronika Negeri Surabaya (PENS)Oktober 2013

Dasar Jaringan Sensor Nirkabel (JSN)

Jaringan sensor nirkabel adalah suatu jaringan nirkabelyang terdiri dari kumpulan node sensor yang tersebar disuatu area untuk membangun koordinasi pemantauankondisi fisik maupun lingkungan seperti suara,getaran/vibrasi, suhu, gerakan, polutan dsb.

Aplikasi dari Jaringan Sensor Nirkabel ada banyak danbervariasi, tapi umumnya adalah untuk monitoring,tracking dan controlling.

Aplikasi spesifik dari wireless sensor network misalnyaadalah pengontrolan reactor nuklir, pendeteksi api, danmonitoring lalu lintas.

2

Gambaran Aplikasi JSN

3

Beberapa teknik yang mendukung JSN

4

Teknik Lokalisasi pada JSN Teknik untuk mengestimasi posisi node-node sensor

yang disebar pada bidang observasi Ada sejumlah node sensor yang disebar di daerah

observasi, sebagian memiliki informasi posisi (karenamemiliki GPS atau diletakkan manual), sebagian lainnyaharus dicari posisinya menggunakan teknik lokalisasi

Posisi yang dihasilkan merupakan posisi relatif terhadapnode-node atau obyek-obyek lain yang terlibat disekitarnya

5

Teknik Lokalisasi pada JSN didekati denganbeberapa faktor:

1. Identifikasi Data yang terkumpul2. Korelasi Data yang terkumpul3. Pengalamatan Node4. Manajemen jaringan5. Algoritma geografik

6

Yang perlu diperhatikan dalam Lokalisasi :

Auto-organization, tidak bergantung infrastrukturtertentu

Skalabitas, mulai skala kecil s/d besar, jumlahnode jarang sampai padat

Robustness, toleransi terhadap masalahkomunikasi, ketidaktepatan jarak dan informasiposisi

Efisiensi dalam penggunaan sumber daya jaringan, karena meskipun sangat diperlukan, lokalisasibukan tujuan utama JSN.

7

Komponen Sistim Lokalisasi :1. Estimasi jarak / sudut2. Kalkulasi / Komputasi Posisi3. Algoritma Lokalisasi

Masing-masing komponen ini bisa ditinjau sebagai kesatuandari tahap-tahap lokalisasi, tapi juga bisa mempunyaimetode dan penyelesaian sendiri-sendiri

8

Ilustrasi Komponen Lokalisasi

9

Teknik Ranging / Estimasi Jarak Ada 2 jenis teknik ranging:◦ Teknik Range-based◦ Teknik Range-free

a. Range Based : Teknik ranging yang dilakukanberdasarkan hasil dari pengukuran suatu variabel.

Contoh: kuat sinyal yang diterima (RSSI), sudutkedatangan (AOA), dan waktu kedatangan (TOA)

b. Range Free : Teknik ranging yang dilakukanberdasarkan perkiraan jarak antar node melaluikonektivitas di antara mereka.

Contoh: centroid, approximate point in triangle test(APIT), coordinate, DV-hop, dan amorphous.

10

Received Signal Strength Indicator (RSSI)

Communication Range

t1t2

Distance

Tim

e

Tx Rx

Time Of Arrival (TOA) Angle Of Arrival (AOA)

Sensor Node

Set of Receivers

θ

Range-Based

11

Range-freeCentroid

DV-Hop

APIT

12

Kalkulasi Posisi

Trilaterasi dan multilaterasi Triangulation Pendekatan probabilistik Bounding-Box Posisi pusat

13

Trilaterasi

Merupakan perhitungan estimasi posisi sebuah titik

yang disinggung oleh 3 buah lingkaran

( ) ( )( ) ( )( ) ( )

2 2 21 1 1

2 2 22 2 2

2 2 23 3 3

x x y y d

x x y y d

x x y y d

− + − =

− + − =

− + − =

Jadikan masing-masing persamaanmenjadi bentuk linier, dansubstitusikan antar mereka untukmendapatkan hasil x dan y

( ) ( )( ) ( )

2 2 2 2 2 21 2 1 2 1 2 1 2 2 1

2 2 2 2 2 23 2 3 2 3 2 3 2 3 1

2

x x y y x x y y d dxx x y y y x x y y d d

− − − + − + − = − − − + − + −

A.x = b ( ) ˆ =

ˆxy

→

-1T Tx = A A A b x Posisi Terestimasi14

Multilaterasi

Merupakan bentuk perpanjangan dari Trilaterasi, dimanaestimasi posisi sebuah titik ditentukan berdasarkanpersinggungan lebih dari 3 lingkaran

( ) ( )

( ) ( )

2 2 2 2 2 21 1 2 1 1 1

2 2 2 2 2 21 1 1 1 1

2

N N N N N

N N N N N N N N N N

x x y y x x y y d dxy

x x y y x x y y d d− − − − −

− − − + − + − =

− − − + − + − A.x = b

Posisi Terestimasi

( ) ˆ =

ˆxy

→

-1T Tx = A A A b x

15

Triangulation

16

Pendekatan Probabilistik

Pendekatan ini memiliki 3 macam cara penentuan

17

Bounding-Box• Metode estimasi posisi sebuah titik dengan cara

menggeser pola 3 buah kotak dari posisi menjauhi titik kearah mendekati titik, baik dari atas ke bawah dan dari kirike kanan.

• Dicari nilai maksimum dari selisih koordinat terhadapjaraknya dan nilai minimum dari penjumlahan koordinatterhadap jaraknya.

18

Pemosisian Terpusat terhadap Node Referensi

Dikenal sebagai metode Centroid Metode ini hanya mengandalkan konektifitas antara

node yang mencari posisinya terhadap node-node referensi di sekitarnya.

Metode ini kurang akurat dibandingkan metode-metoderanging yang lain, namun penyelesaiannya sangat mudahdan cepat.

Jika ada n node referensi yang bisa mencakup, makaestimasi posisi node menjadi:

( ) 1 1ˆ ˆ, ,n n

i ii ix yx y

n n= =

=

∑ ∑

( )1 1,x y ( )2 2,x y

( )3 3,x y

( )4 4,x y( )5 5,x y

( )ˆ ˆ,x y

19

ALGORITMA LOKALISASI

Komponen penting dari sistemlokalisasi

????

Menentukan bagaimana informasi jarakdan posisi akan dimanipulasi dalamrangka mengijinkan sebagian atau

seluruh node-node dari WSN melakukan estimasi posisinya.

Algoritma Lokalisasi

20

Klasifikasi Algoritma Lokalisasi

Komputasi posisi secara terdistribusi (self-positioning) atau terpusat (remote positioning)

Dengan atau tanpa infrastruktur Posisi relatif (terhadap node di sekitarnya)

atau absolute (dengan koordinat global: latitude dan longitude)

Skenario penggunaan di dalam ruangan(indoor) atau di luar ruangan (outdoor)

Single hop atau multi hop

21

Performansi/ kualitas dari sistim lokalisasiditinjau dari berbagai aspek berikut ini: (1)1. Kesalahan rata-rata dan Konsistensi. Jika

didapatkan kesalahan rata-rata yang samameskipun menggunakan skenario berbeda,(konsisten), maka ketidak-akurasi an yangdidapat dgn algortima lokalisasi masih bisaditerima.

2. Communication Cost. Menunjukkan kompleksitasdari algoritma lokalisasi yang dipakai dalamhubungannya dengan pertukaran paket data. Inijuga bisa dipakai sebagai cost dari sistimlokalisasi terhadap JSN secara keseluruhan.

22

Performansi/ kualitas dari sistim lokalisasiditinjau dari berbagai aspek berikut ini: (2)3. Jumlah dari settled node. Menunjukkan

prosentase berapa banyak node sensor yangsukses mengestimasi posisinya menggunakanalgoritma lokalisasi. Idealnya, semua node bisamengestimasi posisinya, namun ada kalanyabeberapa node tidak bisa.

4. Jumlah dari node anchor. Menunjukkan jumlahnode anchor yang digunakan agar algoritmalokalisasi bisa bekerja. Node anchor biasanyalebih mahal dari node sensor, karena itupemakaiannya perlu diminimalkan.

23

Karakteristik Jaringan yang mempengaruhiSistim Lokalisasi (1)

1. Densitas / Kerapatan Jaringan. Semakin tinggi densitasnode pada sebuah jaringan, semakin kecil jarak antarnode, semakin rendah kesalahan estimasi. Semakindekat posisi antar node, semakin memberi kesem-patan bagi node untuk mendapatkan banyak node referensi, semakin kecil kesalahan estimasi posisi.

2. Skala Jaringan. Menaikkan jumlah node denganmemperbesar bidang observasi (untuk memper-tahankan densitas jaringan yang tetap), akanmemperbanyak hop dari node asal kepada node tujuan. Semakin banyak hop semakin menaikkankesalahan rata-rata pada sistim lokalisasi.

24

Karakteristik Jaringan yang mempengaruhiSistim Lokalisasi (2)

3. Jumlah node anchor. Dengan menyebarsejumlah besar node anchor di jaringan, menyebabkan kesalahan posisi rata-rata cenderung menurun, dan jumlah settled node cenderung bertambah.

4. Akurasi GPS. GPS yang dipasang pada node anchor bertujuan untuk mendapatkan posisisesungguhnya dari node tersebut. Ke-tidakakurasi an GPS menyebabkan ke tidakakurasian pula pada posisi node terestimasi.

25

Beberapa Jenis Algoritma Lokalisasi (1) Ad-Hoc Positioning System (APS)◦ Hanya sejumlah kecil node referensi disebar pada bidang observasi (3 – 4 buah).

Node sensor mengestimasi jaraknya terhadap node refrensi menggunakan caramultihop.

Jika jarak terestimasi didapat, node menghitung posisinya

menggunakan trilaterasi3 Metode

“DV-Hop”Anchor menginformasikanposisinya kepada setiapunknown nodes.

“DV-Distance” ; menghitung ukuran rata-rata dari hop. Proses ini mengirimkan info jarakestimasi .

“Euclidean” mengukur jarakdari unknown node terhadapanchor berdasarkan 2 node yang telah terestimasi jaraknyaterhadap anchor

26

Beberapa Jenis Algoritma Lokalisasi (2) Recursive Position Estimation (RPE)◦ Node mengestimasi posisi nya berdasarkan pada sebuah set dari inisial

anchor hanya menggunakan informasi lokal. Lokalisasi secara iterasidikembangkan sebagai node yang ditetapkan menjadi anchor node.

(a) node menentukan node anchornya.(b) node mengestimasi jaraknya kepada node anchor. (ex.RSSI)(c ) node menghitung posisinya menggunakan trilaterasi (dan menjadi settled

node)(d) node menjadi sebuah anchor node yang baru untuk estimasiposisi node

tetangganya.

27

Direct Position Estimation (DPE)◦ DPE dapat membuat lokalisasi rekursi dari sebuah single point.

(a) Node sensor (beacon) memulai rekursi(b) Sebuah node menentukan 2 node referensinya dan mengestimasi jaraknya

terhadapa node-node ini. (c ) Node menghitung posisinya (dan menjadi settled node)(d) Settled node baru digunakan sebagai node referensi (bersama dengan 1 node

referensi lainnya) bagi node tetangganya.

Beberapa Jenis Algoritma Lokalisasi (3)

28

Lokalisasi with a Mobile Beacon (LMB)◦ Sebuah mobile beacon adalah node yang selalu mengetahui (aware) posisinya

menggunakan GPS, dan mempunyai kemampuan untuk berpindah antara bidangsensor.

◦ Mobile Beacon bisa berupa: operator manusia, kendaraan tanpa awak, pesawat /balon udara, atau robot.

◦ Ada 2 skenario: Mobile Beacon menghitungkan estimasi posisi node-node yangdilewatinya (seperti lokalisasi tersentral yang bergerak), atau mobile beaconmembiarkan node-node menghitung estimasi posisinya sendiri, dengan menerimatiga atau lebih RSSI berbeda berdasarkan posisi mobile beacon yang berpindah,Node-node menggunakan trilateral untuk mengestimasi posisinya.

(a) Mobile anchor berpindahdengan lintasan garis lurus.

(b) Berpindah dengan lintasangaris peluru

(c) Berpindah dengan lintasanspiral

Beberapa Jenis Algoritma Lokalisasi (4)

29

ReferensiA. Boukerche, “Algorithms and Protocols for Wireless Sensor Networks”, Ch. 11, John Willey & Sons, 2009, pp. 307 – 340.

Thanks to:Angga, Retha, Citra, Viky, Andi, Defry, Ninis, Wildan, Ginanjar, Inda, Roziq, April, Ani, Dessy, Balqis dan Tut ik(Bimbingan PA tahun 2012 – 2014)

30