5fan_ru_Средства моделирования беспроводных сенсорных сетей на б. Характеристики дипломного проекта

• Название: Характеристики дипломного проекта
• Дата: 23.03.2022
• Размер: 3.33 Mb.
• Имя файла: 5fan_ru_Средства моделирования беспроводных сенсорных сетей на б.doc
• Тип: Диплом; #410663
• страница: 4 из 9

1.2.5 Эффективная скорость передачи данных

В стандарте 802.15.4 для частот в диапазоне 2,4 ГГц определена максимальная скорость передачи 250 Кбит/с. На практике она оказывается меньше из-за дополнительных служебных полей, включенных в каждый передаваемый пакет.

В стандарте определен алгоритм доступа к среде передачи данных CSMA/CA.

Рассчитаем время, затраченное на подготовку к передаче данных:

а) Каждый раз, когда устройство передает данные, оно ждет случайный промежуток времени из диапазона , после чего определяет занятость канала (CCA). Если канал свободен, устройство передает данные, иначе оно снова ждет случайный промежуток времени. Обычно показатель BE устанавливается равным 3, поэтому в самом худшем случае время, затраченное на подготовку к передаче, будет равно:

мс Время CCA равно 8 символьным периодам, время aUnitBackOffPeriod равен 20 символьным периодам, 1 символьный период равен 16 мкс.

Теперь рассмотрим необходимое время на передачу данных:

б) Согласно стандарту 802.15.4 максимальный размер полезной нагрузки фрейма равен:

,

где , .

Как видно, размер полезной части зависит от длины служебных полей. Более поздняя версия стандарта 802.15.4b позволяет увеличить полезную нагрузку фрейма, когда используются короткие адреса (16 бит вместо 64). В этом случае объем данных будет равен 114 байтам.

Таким образом, время передачи данных составит:
мс
в) После отправки пакета данных необходимо отправить кадр подтверждения. Кадр подтверждения приема данных состоит из 11 байт. Если принять скорость на входе равной 250 Кбит/с, то передача займет 0,352 мс. Следует отметить, что при передачи подтверждений не используется алгоритм разрешения конфликтов CSMA-CA.

Перед отправкой подтверждения есть задержка в 192 мкс, связанная с тем, что устройство должно перейти из режима приема в режим передачи. Кроме того, чтобы дать устройствам достаточно времени на обработку принятых данных, в стандарте определены минимальные задержки, которые следуют после кадра подтверждения:

• 
  для кадров длиной до 18 байт включительно – 18 символьных периодов.
  
• 
  для кадров длиной более 18 байт – 40 символьных периодов. Как правило, эти задержки охватываются при подготовке к передаче очередного кадра данных.
  

Используя приведенные выше расчеты, определим эффективную скорость передачи по стандарту 802.15.4:

Действие	Время (в мс)
CSMA/CA	2,368 мс
Передача кадра	4,256 мс
Задержка после передачи	0,192 мс
Передача подтверждения	0,352 мс
Общее время (TΣ)	7,168 мс

Таблица 2: Временные затраты
Эффективная скорость: Кбит/с.

1.2.6 Расчет энергопотребления и времени работы

Энергопотребление – один из ключевых вопросов для сенсорных сетей, так как устройства питаются в основном от батареек.

Информация о потреблении энергии в различных режимах взята из технического описания микроконтроллеров компании Jennic, производящей готовые модули по стандарту 802.15.4.

Режим	Потребление тока, мА
Активный	12
Режим сна	0,003
Передача	125
Прием	45

Таблица 3: Энергопотребление микроконтроллера фирмы Jennic
Таблица 3 показывает, что сенсор в базовом (активном) режиме потребляет примерно в несколько тысяч раз больше энергии, чем в режиме сна. Отправка сообщений увеличивает энергопотребление по сравнению с базовым режимом. Вполне естественно, что соотношение между показателями может отличаться для разных производителей. Но в любом случае очевидно то, что спящий режим требует наименьшего количества энергии.

Время активности устройства за один раз составлять 16мс. 3мс тратится на передачу собранных данных и столько же тратится на их прием. Время подготовки к передаче данных составляет примерно 2мс. Таким образом, один цикл составляет 24мс.

Теперь необходимо рассчитать сколько раз в секунду будет устройство работать в активном режиме, в режиме приема и в режиме передачи:

1000/24=41 раз. Оставшееся время 16мс устройство будет собирать данные для передачи.

В стандарте 802.15.4 указана максимальная скорость передачи данных 250 Кбит/с. Реальная скорость, которая была рассчитана выше, несколько меньше, поскольку кадры имеют определенный формат, включающий в себя адреса приемника и передатчика и некоторые другие поля. Произведем расчет для обеих скоростей.

Микроконтроллер может погружаться в режим сна при котором ток потребления является минимальным. Данный режим применяется в сенсорах для более длительного срока службы батареи, а, следовательно, и большим временем работы устройства, однако, в нашем случае, устройство не может переходить в режим сна при работе на прием, передачу и при формировании данных. Поэтому расчеты будут производиться исходя из этих трех режимов.

Рассчитаем среднее потребление тока за время t = 1с. Оно будет равно:

мА.
Предположим, для питания сенсорной платы используются две батарейки АА. Емкость каждой батарейки приблизительно равна 2122 мАч. Тогда устройство будет работать в течение:

час или 5 дней и 21 час.
Для рассчитанной скорости получаем:

мА

часа или 4 дня и 7 часов.
Нетрудно заметить, что основная энергия расходуется при передаче данных. Если сделать возможность ухода устройства в спящий режим, то, соответственно, полученное время работы t_р будет значительно большим.

Если сравнить время работы данного устройства со временем работы аналогов, то нетрудно заметить, что оно значительно превышает его, и поэтому система, построенная из таких устройств, может стать конкурентоспособной на рынке радиосвязи.
1.2.7 Выводы

Были рассмотрены различные стандарты маломощных беспроводных сетей. Наиболее перспективным является стандарт IEEE 802.15.4-2006. Исходя из спецификаций данного стандарта была определена эффективная скорость передачи данных, потребление тока и время работы устройств при заявленной и рассчитанной скоростях передачи данных.
1.3 Обзор средств моделирования БСС

Среди средств имитационного моделирования отдельных событий и состояний беспроводных сенсорных сетей на базе стандарта IEEE 802.15.4-2006 наибольшее распространение получили следующие среды:

1. 
   OPNET Modeler (текущая версия 16.0);
   
2. 
   OMNET++ (текущая версия 4.1);
   
3. 
   NS-2 (текущая версия 2.34).
   

1.3.1 NS-2 (Network Simulator Version 2)

NS-2 – объектно-ориентированная среда имитационного моделирования дискретных событий и состояний с открытым исходным кодом, которая разработана в рамках проекта VINT. Среда моделирования написана на С++ и TCL. NS-2 использует TCL для генерации сценариев – это позволяет генерировать комплексные сценарии при помощи скриптов.

Изначально NS-2 поддерживал моделирование только статических компьютерных сетей TCP/IP. Однако сейчас мобильные узлы поддерживаются, что позволяет моделировать мобильные сети ad-hoc. Поддерживаются протоколы маршрутизации ad-hoc AODV, DSDV, DSR и TORA, но они требуют доработки для корректной работы с мобильными узлами.

Для NS-2 существует модель, реализующая стандарт IEEE 802.15.4, разработанная Джинлиан Женгом и др. Структура компонентов модели LR-WPAN и основные её функции представлены на рис. 11.



Рис. 11 Структура компонентов модели LR-WPAN NS-2
Следует упомянуть, что в первых версиях модели были реализованы базовые функции сетевого уровня ZigBee, но позднее они были исключены из общего доступа, поскольку не в полной мере соответствовали данному стандарту. В связи с этим на текущий момент можно использовать только существующие в NS-2 протоколы маршрутизации, которые не до конца учитывают особенности беспроводных сенсорных сетей.

Документации по модели явно недостаточно, автор в основном предлагает обращаться к презентации доступной вместе с исходным кодом модели, к списку часто задаваемых вопросов и анализировать исходный код модели.

1.3.2 OPNET Modeler (Optimized Network Engineering Tools)

OPNET Modeler – мощная среда имитационного моделирования дискретных событий и состояний. Она включает множество библиотек сетевых технологий и протоколов связи, таких как TCP/IP, протокол передачи гипертекста (HTTP), технология асинхронного режима передачи (ATM) и FrameRelay, IP-QoS, 802.11 (Wi-Fi), ZigBee и др. Эти библиотеки поставляют блоки для построения моделей сетей. Одним из множества модулей, доступных в OPNET Modeler, является беспроводной модуль. Он расширяет функциональность среды для имитационного моделирования и анализа беспроводных сетей.

В версии OPNET Modeler 14.0 доступны модели узлов ZigBee, разработанные самой компанией OPNET. При этом исходный код модели сетевого уровня и уровня приложений скрыт от пользователей. Доступен только код модели нижнего уровня 802.15.4.

Также существует модель узлов-сенсоров с открытым исходным кодом, соответствующая стандарту IEEE 802.15.4, разработкой, которой занимается сообщество OPEN-ZB. Разные версии данной модели работают с OPNET Modeler 10.5 и выше (таб. 4).

OPEN-ZB модель	Дата выпуска	Версия OPNET
OPNET Simulation Model v 3.0b	20.11.2009	15.0
OPNET Simulation Model v 2.1	31.03.2009	14.5
OPNET Simulation Model v 2.0	22.05.2007	11.5
OPNET Simulation Model v 1.0	06.04.2006	10.5

Таблица 4: Существующие модели OPEN-ZB для OPNET

Модель OPEN-ZB

Модель реализует физический уровень и уровень доступа к среде, и соответствует стандарту IEEE 802.15.4. Версия модели 2.1 поддерживает только топологию звезда, где коммуникации происходят между конечными устройствами через центральное устройство, называемое координатором частной сети.

В модели версии 2.1 существует два типа узлов:

1. 
   wpan_analyzer_node - узел, который собирает глобальные для частной сети статистические данные;
   
2. 
   wpan_sensor_node – узел, который реализует протоколы связи стандарта IEEE 802.15.4-2003
   

Структура узла-сенсора, использованная в модели, состоит и четырех функциональных блоков (рис. 12):

1. 
   Физический уровень состоит из радиопередатчика (tx) и приёмника (rx), которые в соответствии со спецификацией IEEE 802.15.4 работают на частоте 2,4 ГГц со скоростью обмена данными 250 Кбит/сек. Мощность передатчика установлена в 1мВт с модуляцией QPSK (Quadrature Phase Shift Keying). Физический уровень реализован при помощи уже существующего в OPNET Modeler беспроводного модуля с указанием параметров, соответствующих стандарту IEEE 802.15.4.
   
2. 
   Уровень доступа к среде реализует алгоритм CSMA/CA с фиксированными временными слотами ожидания передачи (slotted CSMA/CA) и механизм гарантированных временных слотов (GTS). GTS трафик (т.е. трафик чувствительный к скорости доставки) приходящий от уровня приложения сохраняется в буфере определенной ёмкости и передается в сеть, когда соответствующий временной слот активен. Нечувствительные к времени доставки кадры данных сохраняются в неограниченном буфере и передаются в сеть в течение периода активной конкуренции, в соответствии с алгоритмом CSMA/CA с фиксированными временными слотами ожидания передачи. Данный уровень также может генерировать кадры маркеры для синхронизации устройств в сети, если узел работает в режиме координатора.
   

Рис. 12 Модель OPEN-ZB 2.1

3. 
   Уровень приложения – состоит из двух генераторов трафика (Traffic Source и GTS Traffic Source) и одного получателя (Traffic Sink). Источник обычного трафика (Traffic Source) генерирует кадры данных с флагом подтверждения доставки и без, которые передаются в течение периода конкурентного доступа (CAP). Источник трафика (GTS Traffic Source) с гарантированными временными слотами, может использоваться для создания кадров данных с флагом подтверждения доставки и без, которые чувствительны к задержкам в сети. Модуль получателя принимает кадры от нижних уровней и считает сетевую статистику.
   
4. 
   Модуль батареи – вычисляет потребляемый и оставшийся уровень энергии. Значения по умолчанию для модели установлены в соответствии со спецификацией MICAz.
   

Модель достаточно хорошо документирована, продолжает дорабатываться и поддерживаться. Более подробная характеристика модели приведена в техническом описании.

В недавно вышедшей версии 3.0 (beta) также реализованы следующие функции:

• 
  Сетевой уровень ZigBee;
  
• 
  Иерархическая маршрутизация по дереву ZigBee;
  
• 
  Проверка адресов узлов для поддержки адресной схемы дерева кластеров ZigBee.
  

Встроенная в OPNET модель ZigBee

Встроенная в OPNET Modeler 14.0 реализует не только физический уровень и уровень доступа к среде стандарта IEEE 802.15.4-2006, но и сетевой уровень ZigBee. Модель поддерживает топологии: звезда, дерево, и ячеистая сеть.

Модель содержит три типа узлов в соответствии со спецификацией ZigBee:

1. 
   Координатор (Coordinator);
   
2. 
   Маршрутизатор (Router);
   
3. 
   Конечное устройство (End Device).
   

Структура узла-сенсора, использованная в модели, представлена четырьмя функциональными блоками (рис. 13):

1. 
   Физический уровень состоит из радио передатчика (wireless_tx) и приёмника (wireless_rx), которые в соответствии со спецификацией IEEE 802.15.4-2006 могут работать на частотах 868МГц, 915 МГц и 2,4 ГГц. Физические характеристики сети задаются на координаторе. Мощность передатчика установлена в 5мВт.
   
2. 
   Уровень доступа к среде реализует алгоритм CSMA/CA без фиксированных временных слотов ожидания передачи, и часть других функции данного уровня в соответствии со стандартом IEEE 802.15.4.
   
3. 
   Сетевой уровень реализует функции в соответствии со спецификацией ZigBee. Исходный код блока недоступен, поставляется в компилированном виде.
   
4. 
   Уровень приложения позволяет генерировать трафик и инициировать поиск и присоединение к сети. Исходный код блока недоступен, поставляется в компилированном виде.
   

Рис. 13 Встроенная модель OPNET Modeler 14.0
1.3.3 OMNeT++ (Objective Modular Network Testbed in C++)

OMNeT++ – среда имитационного моделирования дискретных событий и состояний с открытым исходным кодом, основанная на компонентах, которая становится всё более популярной. Основная область применения – моделирование сетей передачи данных, ИТ систем и бизнес процессов. Компоненты OMNeT++ написаны на С++.

На базе среды моделирования OMNeT++ 4.1 построен симулятор различных протоколов беспроводных сенсорных сетей Castalia (текущая версия 3.1). В нём также реализована модель соответствующая стандарту IEEE 802.15.4.

На базе рассматриваемой среды моделирования существуют библиотеки INETMANET и MiXiM, которые позволяют создавать модели беспроводных сенсорных сетей, но на текущий момент готовые модели отсутствуют.

Castalia

Castalia – симулятор сетей с низким энергопотреблением. Особенностью данного симулятора является то, что команда разработчиков ставила перед собой задачу реализовать модели не только уровней передачи данных, но и смоделировать физические процессы, данные о которых собираются в узлах. В результате получается, что беспроводные сенсоры связаны между собой не только беспроводными каналами связи, но и физическим процессом параметры которого они измеряют.

Внутренняя структура узла представлена на рис. 14. Сплошные стрелки обозначают прохождение сообщений между модулями, а пунктирные – интерфейс между ними с вызовом простых функций.


Рис. 14 Внутренняя структура узла


Модель узла представлена следующими модулями:

1. 
   Модуль управления сенсорами – позволяет генерировать более реальный трафик в БСС, нежели просто использование генераторов пакетов данных, предлагаемых другими моделями.
   
2. 
   Модуль приложения чаще всего используется пользователями симулятора для реализации тестируемых алгоритмов. В симуляторе уже существует несколько простейших модулей приложения. Например, приложение оценки пропускной способности сети.
   
3. 
   Модуль связи – состоит из трёх уровней:
   

• 
  Сетевой уровень – позволяет реализовать различные алгоритмы маршрутизации в беспроводной сенсорной сети. На текущий момент есть готовые простейшие алгоритмы маршрутизации (например, маршрутизация по дереву).
  
• 
  Уровень управления доступом к середе, в том числе IEEE 802.15.4. В версии 3.1 реализована основная часть задач уровня, описанная в стандарте IEEE 802.15.4-2006.
  
• 
  Физический уровень. Разработчики Castalia уделили особое внимание моделированию физического уровня беспроводного сенсора. В симуляторе уже заданы параметры следующих модулей: Mica2_CC1000 и TelosB_CC2420.
  

4. 
   Модуль мобильности - хранит положение остальных узлов в сети и предоставляет данные о положении узла модели радиоканала.
   
5. 
   Модуль управления ресурсами управляет различными ресурсами узла и наиболее важным из них – потребляемой энергией.
   
6. 
   Модель радиоканала учитывает средние потери при распространении, изменения сигнала во времени, интерференцию. Также есть возможность использовать модель идеального радиоканала.