Моделирование работы беспроводной сети на основе протокола ZIGBEE

МОСКОВСКИЙ  ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ  ИНСТИТУТ

(государственный  университет) 
 
 
 
 
 

моделирование работы беспроводной сети на основе протокола ZigBee 
 
 
 
 
 
 

Бакалаврская квалификационная работа

студента 331 группы ФАКИ 

Трифонова Сергея Владимировича 
 
 
 
 
 
 

Научный руководитель:

к.ф-м.н. Холодов Ярослав Александрович 
 
 
 
 
 
 
 

Москва 2007

Cодержание

Введение

      Известно, что модель аппроксимирует свойства и поведение исследуемой сети и, как следствие, позволяет решать задачи по оптимизации и её управлению. Также на модели возможна апробация тех или иных решений, что несравнимо дешевле, нежели на реальной системе.

      Имитационной  является математическая модель, реализованная  как программное обеспечение  для компьютера и использующая специальные  или стандартные языки программирования. При построении подобной модели сети связи могут использоваться как статические, так и динамические модели. При этом под статическими понимаются модели, используемые для исследования состояния сети в заданные моменты времени, например, аналитические методы расчета из теории массового обслуживания, а под динамическими — дискретные стохастические модели, например, процессы генерации заявок или процессы их обслуживания. Сегодня для решения задач имитационного моделирования сетей связи существует достаточно широкий спектр программных средств: от библиотек функций для стандартных компиляторов до специализированных языков программирования [5,6].

      Однако  имитационное моделирование  не может  учесть всех аспектов реальной моделируемой системы. Всегда вводятся предположения, позволяющие упростить и, как следствие, ускорить расчёт на вычислительной технике. Но интуитивно понять какие предположения не повлекут за собой расхождения модели и реальной системы сложно. Поэтому в данной работе используется некий компромисс между математическим или имитационным моделированием и экспериментированием на реальных больших системах — Стендовое моделирование — это экспериментирование с небольшой, но реальной системой, позволяющее учесть все аспекты взаимодействия её частей и влияние внешних факторов. После получения результатов такого эксперимента появляется задача их масштабирования и последующего прогнозирования поведения систем больших размеров, а также оптимизации характеристик системы по одному или нескольким параметрам.

      В работе рассматриваются беспроводные сети, для которых характерно сверхнизкое энергопотребление и большое количество миниатюрных устройств, обменивающихся относительно небольшим количеством данными. Существующие протоколы беспроводной связи, такие как BlueTooth и Wi-Fi, не учитывают эту специфику рассматриваемых сетей. Например, энергопотребление протокола Wi-Fi слишком велико, а попытка обеспечить универсальность протокола Bluetooth привела к его усложнению и неприменимости к широкому кругу задач, требующих дешевизны передающих устройств. Именно поэтому был разработан протокол ZigBee, учитывающий недостатки более ранних протоколов.

      Целью данной работы является построение и изучение алгоритмов, управляющих работой беспроводной сети для достижения минимального энергопотребления устройств. Задачи данной работы включают в себя:

• теоретическое и экспериментальное исследования поведения сети работающей в соответствии со спецификациями IEEE 802.15.4 [1] и ZigBee [2];
• основанная на данных исследованиях разработка алгоритмов и соответствующего программного обеспечения, модифицирующего стек ZigBee для работы сети в режиме со сверхнизким энергопотреблением;
• проведение ряда сравнительных стендовых экспериментов с использованием модифицированного и стандартного стеков ZigBee c целью измерения и сравнения характеристик работы сети, в частности, типичного времени жизни устройств в различных режимах работы сети;

Работа  надо этими задачами ведётся совместно с институтом точной механики и вычислительной техники имени С. А. Лебедева РАН (ИТМиВТ).

1. Беспроводные  сенсорные сети

1. Основные  технологии и преимущества

      Принципиальной  отличительной особенностью беспроводных сенсорных сетей является принцип самоорганизации и передачи данных, сообщений по цепи.

      Устройства  обладают способностью к ретрансляции сообщений по цепочке от одного к  другому, это позволяет собирать информацию со значительных объектов, превосходящих по своим размерам радиус связи одного элемента. Более того, это позволяет использовать сеть на таких объектах, как здания, подземные и металлические помещения.

Рис. 1.1. Возможности беспроводных сенсорных сетей

      В таких условиях, когда распространение  радиоволн возможно только в прямой видимости, ретрансляция — единственный способ передать сообщения по радио на значительные расстояния.

      Другими важными свойствами сенсорных сетей являются самовосстановление, и самоорганизация. После установки элементов они самостоятельно прокладывают маршруты обмена информации и способны корректировать их при изменениях в сети.

      Элементы  сенсорной сети являются автономными, то есть содержит внутри все необходимое для работы. Устройства не требуют внешнего питания, проводов для коммуникации, сервисного обслуживания.

      Устройства  содержит датчики для контроля внешней  среды, микрокомпьютер и радио приемопередатчик. Это позволяет устройству проводить измерения, самостоятельно проводить начальную обработку данных, и поддерживать связь с внешней информационной системой.

      Устройства  используют маломощное радио, что позволяет, как увеличить срок службы от батарей, так и соответствовать ограничению на мощность 10мВт, ниже которого разрешается эксплуатировать устройства без получения разрешения в радионадзоре.

2. Использование сенсорных сетей

      Возможности использования сенсорных сетей  простираются практически во все  сферы деятельности человечества. В  качестве наиболее очевидных областей их применения эксперты называют:

• Системы безопасности и оборона
• Коммерческие системы безопасности (контроль периметров, определение вторжения, удаленное наблюдение)
• Мониторинг персонала (охранники и др.)
• Охрана ценностей и произведений искусства
• Домашние системы безопасности
• Контроль окружающей среды в целях национальной безопасности (радиации, химических, биологических примесей)
• Отслеживание маршрутов движения войск, соединений
• Средства связи и боевой разведки
• Охрана военных объектов
• Промышленный мониторинг
• Технический надзор и профилактическое обслуживание оборудования
• Эффективное использование оборудования
• Мониторинг производственных процессов
• Прецизионное сельское хозяйство
• Удаленный мониторинг имущества/ценностей
• Автоматизация строений («умный дом»)
• Управление энергоснабжением
• Контроль HVAC (кондиционирование, вентиляция, отопление)
• Системы безопасности
• Мониторинг состояния окружающей среды внутри и снаружи (влажность, температура, состав воздуха/почвы/воды, давление, магнитный фон)
• Контроль освещения
• Системы пожарной сигнализации
• Ретрансляторы для счетчиков газа, воды, электроэнергии
• Логистика
• Отслеживание грузов, контейнеров
• Мониторинг упаковки, определение целостности / неприкосновенности товаров / грузов на каждом этапе транспортировки и хранения
• Обеспечение складского учета при перемещении товаров
• Экология и чрезвычайные ситуации
• Мониторинг загрязнений окружающей среды
• Миграция животных, насекомых
• Лесные пожары и т.д.
• Спасение людей при чрезвычайных ситуациях
• Здравоохранение
• Физиологический мониторинг — сердечный ритм, кровяное давление, температура, уровень стресса и другие параметры жизнедеятельности
• Неотложная помощь
• Мониторинг персонала

2. Модель  работы беспроводной сенсорной сети на основе протокола ZigBee

1. Основные характеристики ZigBee

      Спецификация ZigBee предусматривает передачу информации в радиусе от 5 до 75 метров с максимальной скоростью 250 кбит/с. Для сравнения, широко распространенные в настоящее время беспроводные сети Bluetooth и Wi-Fi обеспечивают пропускную способность до 2,1 Мбит/с и 54 Мбит/с, соответственно.

      За  стандартом ZigBee закреплены 27 каналов  в трех частотных диапазонах - 2,4 ГГц (16 каналов), 915 МГц (10 каналов) и 868 МГц (1 канал). Максимальная скорость передачи данных для этих эфирных диапазонов составляет, соответственно, 250 кбит/с, 40 кбит/с и 20 кбит/с. Доступ к каналу осуществляется по контролю несущей (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA-CA), то есть устройство сначала проверяет, не занят ли эфир, и только после этого начинает передачу. Поддерживается шифрование по алгоритму AES с длиной ключа 128 бит.

      В целом, все оборудование ZigBee можно  условно разделить на три основные категории - координаторы, полнофункциональные устройства (FFD) и устройства с ограниченными возможностями (RFD). Координаторы способны управлять работой всей сети, хранить информацию о её параметрах и осуществлять настройку, а также использоваться в качестве моста в другие сети. Полнофункциональные устройства могут получать и передавать информацию и играть роль ретрансляторов. В свою очередь, устройства с ограниченными возможностями только лишь реагируют на команды координатора и не участвуют в маршрутизации.

      Изначально  стандарт ZigBee разрабатывался с целью максимально снизить энергопотребление устройств, задействованных в беспроводной сети. При этом большую часть времени аппаратура находиться в спящем режиме, лишь изредка прослушивая эфир. Однако существующие на сегодняшний момент реализации стека ZigBee далеко не всегда позволяют достичь возможного уровня энергопотребления устройств. При этом длительность жизни устройств повышается за счёт снижения скорости работы сети и увеличения задержек доставки сообщений, что не всегда приемлемо.

      Существует  и другая принципиальная проблема в  стандарте IEEE 802.15.4, на основе которого построена спецификация ZigBee. Расширяемость сетей ZigBee приводит, как будет указано ниже, к лишней трате энергии батарей.  Попытки обойти данную проблему  использованием введенных в стандарте IEEE 802.15.4 устройств FFD и RFD, во-первых, с очевидностью приводит к увеличению нагрузки на первые из них. Во-вторых, это приводит к использованию в сети устройств с принципиально отличающимися функциями, что добавляет определённые проблемы при развёртывании сети, ведь каждое RFD должно находится в области видимости хотя бы одного FFD. Эта ситуация сильно усложняется когда FFD устройства начинают выключаться из-за разрядки батарей, выходить из строя по каким-либо причинам или становится недоступными из-за помех в эфире вблизи них.

2. Архитектура стека протоколов ZigBee

      В сущности, ZigBee — это не один протокол: спецификация ZigBee [2] регламентирует стек протоколов, в котором протоколы верхних уровней используют сервисы, предоставляемые протоколами нижележащих уровней (см. Рис. 2.1). В качестве двух нижних уровней (физического уровня PHY и уровня доступа к среде MAC) используется стандарт IEEE 802.15.4 [1]. MAC-уровень в сети ZigBee реализует механизм CSMA-CA (прослушивания несущей и устранения коллизий), сетевой уровень (NWK) ответственен за маршрутизацию сообщений, а уровень APS (поддержки приложений) обеспечивает интерфейс с уровнем приложения.

Рис. 2.1. Архитектура стека протоколов ZigBee

      Предлагаемые  в данной работе оптимизационные  алгоритмы основываются на особенностях протокола канального (MAC) уровня и требуют модификации протокола сетевого (NWK) уровня.

3. Принцип работы протокола канального уровня

      Спецификация  IEEE 802.15.4 описывает два режима работы сети: маячковый (beacon enabled) и без маяков (non-beacon enabled).

      В режиме без маяков сеть работает асинхронно, и маршрутизаторы должны постоянно прослушивать эфир, что не позволяет построить на основе этого режима сеть со сверхнизким энергопотреблением.

      В маячковый режим координатор  и каждый из маршрутизаторов с  определённым периодом посылают в эфир сообщения (или иначе кадры), называемые маяками (beacon), позволяя производить синхронизацию часов на родительских и подчинённых узлах. Интервал между маяками (BI) включает в себя активный период, называемый суперфреймом (superframe), и, возможно, неактивный период (см. Рис. 2.2). Суперфрейм разделён на 16 одинаковых временных слотов, в течение которых возможна передача кадров данных. В течение неактивного периода (если он есть), все узлы могут входить в спящий режим, сохраняя, тем самым, энергию.

Рис. 2.2. Принцип работы сети в маячковом режиме

      Интервал  между маяками и длительность суперфрейма определяются параметрами Beacon Order (BO) и Superframe Order (SO) соответственно:

      

,  (2.1)