На бирже курсовых и дипломных проектов можно найти образцы готовых работ или получить помощь в написании уникальных курсовых работ, дипломов, лабораторных работ, контрольных работ, диссертаций, рефератов. Так же вы мажете самостоятельно повысить уникальность своей работы для прохождения проверки на плагиат всего за несколько минут.

ЛИЧНЫЙ КАБИНЕТ 

 

Здравствуйте гость!

 

Логин:

Пароль:

 

Запомнить

 

 

Забыли пароль? Регистрация

Повышение уникальности

Предлагаем нашим посетителям воспользоваться бесплатным программным обеспечением «StudentHelp», которое позволит вам всего за несколько минут, выполнить повышение уникальности любого файла в формате MS Word. После такого повышения уникальности, ваша работа легко пройдете проверку в системах антиплагиат вуз, antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru. Программа «StudentHelp» работает по уникальной технологии и при повышении уникальности не вставляет в текст скрытых символов, и даже если препод скопирует текст в блокнот – не увидит ни каких отличий от текста в Word файле.

Результат поиска


Наименование:


дипломная работа Моделирование работы беспроводной сети на основе протокола ZIGBEE

Информация:

Тип работы: дипломная работа. Добавлен: 19.07.2012. Сдан: 2011. Страниц: 8. Уникальность по antiplagiat.ru: < 30%

Описание (план):


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).
    Беспроводные  сенсорные сети
      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.
      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
    Модель  работы беспроводной сенсорной сети на основе протокола ZigBee
      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.
      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.
      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)

      
,
 (2.2)

где обозначает минимальную длительность суперфрейма, соответствующую . Эта величина фиксирована и равна 960 символов [1] (символ равен 4 битам), что соответствует 15,36 мс, предполагая 250 кбит/с в частотном диапазоне 2,4 ГГц.
      В течении периода конкурентного доступа (CAP) узлы соперничают за получение доступа к физической среде, используя механизм слотного CSMA-CA (slotted carrier sense multiple access with collision avoidance). Этот механизм довольно сложен и его всестороннее исследование средствами имитационного моделирования в среде ns [6] представлены в [4]. В протоколе IEEE 802.15.4 также предусмотрен период неконкурентного доступа к среде (CFP), в течение которого узлам могут выделяться слоты гарантированного доступа (GTS).
      Зная  характерное энергопотребление  устройств [3], временные и другие параметры (см. Табл. 2.1) в различных режимах можно теоретически рассчитать время жизни при питании от различных батарей.
Величина Значение
Сила  тока в режиме сна 0,00004 А
Сила  тока при пробуждении 0,00600 А
Сила  тока в активном режиме 0,01740 А
     
Длина символа 0,000016 с
Базовая длина слота 0,000960 с
Число слотов в суперфрейме 16  
Базовая длина суперфрейма 0,015360 с
Активная  часть суперфрейма 0,015360 с
Время пробуждения 0,009600 с
     
Ёмкость CR2320 0,15 А*ч
Ёмкость 2*AA 2,5 А*ч
Ёмкость CR2450 0,6 А*ч
Длина маршрута 5  
  Табл. 2.1. Известные параметры
      Приведённые ниже (см. Табл. 2.2) данные рассчитаны для маршрутизаторов с учётом присутствия второго собственного маяка и следующего за ним суперфрейма. Уточним, что первый маяк посылается родителем данного маршрутизатора. В реальных ZigBee сетях возможность самоорганизации (под ней в IEEE 802.15.4 понимается возможности присоединения новых устройств к сети в любой момент времени) приводит к тому, что большинство устройств аппаратно являются маршрутизаторами и, следовательно, к передаче ими собственных маяков. Таким образом, даже конечные устройства, являясь потенциальными маршрутизаторами, передают собственные маяки, поэтому данные таблицы можно считать пригодными и для конечных ZigBee устройств.
Интервал между  маяками, с Задержка на узле, с Время доставки, с Средняя сила тока, А Время жизни от CR2320, мес. Время жизни от CR2450, мес. Время жизни от 2*AA, лет
0 0,01536 0,00768 0,0384 0,042210 0,004936 0,019743 0,006855
1 0,03072 0,01536 0,0768 0,021125 0,009862 0,039448 0,013697
2 0,06144 0,03072 0,1536 0,010583 0,019687 0,078746 0,027342
3 0,12288 0,06144 0,3072 0,005311 0,039225 0,156900 0,054479
4 0,24576 0,12288 0,6144 0,002676 0,077863 0,311454 0,108144
5 0,49152 0,24576 1,2288 0,001358 0,153433 0,613732 0,213101
6 0,98304 0,49152 2,4576 0,000699 0,298085 1,192339 0,414007
7 1,96608 0,98304 4,9152 0,000369 0,563897 2,255586 0,783190
8 3,93216 1,96608 9,8304 0,000205 1,017618 4,070470 1,413358
9 7,86432 3,93216 19,6608 0,000122 1,702580 6,810322 2,364695
10 15,72864 7,86432 39,3216 0,000081 2,566262 10,265047 3,564252
11 31,45728 15,72864 78,6432 0,000061 3,438365 13,753459 4,775506
12 62,91456 31,45728 157,2864 0,000050 4,142194 16,568775 5,753047
13 125,82912 62,91456 314,5728 0,000045 4,614483 18,457933 6,409005
14 251,65824 125,82912 629,1456 0,000043 4,893457 19,573830 6,796469
  Табл. 2.2. Рассчитанные параметры для различных значений Beacon Order (
)

      В ИТМиВТ был проведён ряд экспериментов  связанных с измерением энергопотребления ZigBee-устройств CC2420. Полученные в результате этих экспериментов данные для силы тока хорошо согласуются с данными указанными в [3].
    Оптимизационные алгоритмы управления работой беспроводной сенсорной сети на основе протокола ZigBee
      Задача  минимизации энергопотребления
      Несмотря  на все преимущества протокола ZigBee, он представляет собой универсальный протокол, и понятно, что для решения конкретных задач он не является лучшим вариантом. В связи с этим, встаёт вопрос об оптимизации работы беспроводной сети в определённых условиях.
      Одним из таких условий является относительная  редкость подключения к сети новых  устройств. Данная ситуация как раз  относится к сенсорным сетям, поскольку как правило число  датчиков и, соответственно, устройств  беспроводной связи фиксировано. Другое условие, которое мы накладываем на устройства сети это их неподвижность, что тоже характерно для большинства сенсорных сетей. Последнее условие — это отсутствие возможности доставки сообщений от одного устройства к другому (если только они не находятся в области прямой видимости) минуя координатор. Это приводит к естественной, ввиду первых двух условий, древовидной структуре топологии сети.
      В этих условиях возникает возможность  разделения устройств по ролям, энергопотребление  в которых сильно различается. Эти  роли таковы: конечное устройство, маршрутизатор  и координатор. Различия энергопотребления  устройств в этих ролях в первую очередь связано с постоянством количества устройств сети. Идея заключается в следующем. Допустим, что после включения сети координатор узнаёт о присутствии в сети всех устройств. Тогда часть устройств оказывается маршрутизаторами (router), а часть — конечными устройствами (end device) дерева топологии сети, т.е. устройствами, не имеющими дочерних узлов. На аппаратном уровне это приводит к отсутствию необходимости в передаче конечными устройствами маяка и следующего за ним суперфрейма, что снижает энергопотребление конечных устройств уже почти вдвое.
      Дальнейшая  оптимизация связана с возможностью конечного устройства засыпать сразу  же после родительского маяка, не слушая суперфрейм, при условии, что устройству не адресовано данных (устройства могут определять это по содержанию кадра маяка). Эта оптимизация позволяет снизить энергопотребление ещё в 3-4 раза. Результаты более точного расчёта приведены ниже (см. Рис. 3.1).

Рис. 3.1. Зависимость отношение средних сил токов от Beacon Order.
Здесь — сила тока с учётом первой оптимизации; — с учётом обоих; — без учёта оптимизаций (соответствует данным Табл. 2.2 и потреблению всех маршрутизаторов)
      Из  рисунка видно, что чем более быстрой является сеть, тем более эффективны оптимизации. Но при из формул (2.1) и (2.2) следует, что и   становится невозможно построить сеть с маршрутизаторами из-за проблемы скрытой станции. Поэтому имеет смысл рассматривать только сети с
      В такой ситуации батареи маршрутизаторов  будут разряжаться в 6-7 раз быстрее, чем батареи конечных устройств и время жизни всей сети1 будет определяться временем жизни маршрутизаторов. Чтобы этого избежать, предлагается следующий подход.
      Рассмотрим  сеть, состоящую из N узлов. Обозначим через множество всех узлов. Пусть два узла, которые находятся в области прямой видимости друг друга, называются смежными. Таким образом, мы получим граф , вершины которого — узлы , а рёбра — пары смежных узлов . Для простоты считаем граф связанным и неориентированным, и, следовательно, отношение прямой видимости симметричным. Пусть узел будет координатором сети. Построим связанный подграф графа , являющийся деревом с корневым элементом и содержащий все вершины множества . В общем случае это можно сделать не одним способом, поэтому использован индекс . Пусть — набор всех маршрутизаторов графа .
      Если  динамически менять роли узлов и перестраивать топологию сети, то можно приблизить время жизни сети ко времени жизни конечных устройств. Это увеличение возможно за счёт того, что большую часть времени каждый из узлов будет находиться в роли конечного устройства, лишь изредка участвуя в маршрутизации. При этом наборы одновременно работающих маршрутизаторов циклически сменяют друг друга, например, по прошествии определённого периода или уменьшении заряда батарей на определённый процент. Так или иначе, решения о перестроении топологии принимаются на координаторе сети.
      Решим задачу максимизации времени жизни  сети. Рассмотрим произвольное подмножество множества . Имеем — число наборов из содержащих . Тогда средняя сила тока в узле выразится формулой2
      
 (3.1)

где — средняя за время сила тока в узле, находящимся в роли маршрутизатора; 
— средняя за время сила тока в узле, находящимся в роли конечного устройства. Время жизни сети определяется устройством с самым коротким временем жизни

      
 (3.2)

где — заряд батареи устройства . Далее для простоты предполагаем, что в начальный момент времени все устройства имеют одинаковый заряд батареи . Тогда условие (3.2) переходит в
      
 (3.3)

Если наборы независимы, то , поэтому и остаётся лишь условие
      
 (3.4)

      Это и есть искомое условие. Итак, для  максимизации времени жизни сети необходимо найти как можно больше независимых наборов маршрутизаторов.
      Алгоритм  распределение ролей
      Требуется решить задачу о поиске максимального количества независимых наборов маршрутизаторов графа и соответствующих им деревьев покрывающих всю сеть. Для решения этой задачи будем использовать следующий алгоритм на графе.
    Пусть вначале вершина (координатор) покрашена в красный цвет, а все остальные вершины не покрашены.
    Покрасим в чёрный цвет всех неокрашенных соседей красных вершин.
    Если при выполнении пункта 2 не было покрашено ни одной вершины, то набор не удалось построить — прекращаем работу алгоритма. Иначе, продолжаем.
    Рассмотрим множество чёрных вершин. Выберем из него вершину, имеющую наибольшее число неокрашенных соседей, и перекрасим её в красный цвет.
    Если все вершины окрашены — переходим к пункту 6. Иначе, повторяем действия, начиная с пункта 2.
    Вершины, окрашенные в красный цвет (не считая ), являются одним из искомых наборов. Красим их в зелёный цвет, – в красный, остальные делаем неокрашенными. Повторяем действия, начиная с пункта 2.
      В результате работы алгоритма мы получаем число  и наборы . Для того чтобы получить дерево соответствующее набору пользуемся следующими правилами.
    Вначале соединяем координатор со всеми его соседями.
    К присоединённым соседям-маршрутизаторам подсоединяем их соседей.3
    Повторяем пункт 2 пока все узлы не будут соединены.
      Можно сделать оценку числа  сверху. Рассмотрим произвольную вершину графа . Пусть — множество соседей вершины и состоит из элементов. Для того чтобы требуется, чтобы в каждый момент времени хотя бы один из её соседей был маршрутизатором или координатором:
Если , то это условие всегда выполняется. Если , то с учётом , удовлетворить условию можно только если . Поскольку выбор был произволен, то , причём определяется из условия . В итоге получаем

      
 (3.5)

где — множество индексов вершин, не являющихся соседями координатора; 
— число соседей узла .

      В реальных условиях эта оценка оказывается  завышенной. Так, например, для графа, представляющего собой прямоугольную сетку, узлы которой являются вершинами графа, оценка (3.5) даёт
и т.д.................


Перейти к полному тексту работы


Скачать работу с онлайн повышением уникальности до 90% по antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru


Смотреть полный текст работы бесплатно


Смотреть похожие работы


* Примечание. Уникальность работы указана на дату публикации, текущее значение может отличаться от указанного.