CC BY
19
УДК 004.7
Вкт.В. ГНАТУШЕНКО
Нацюнальна металургшна академ1я Украши
АНАЛ1ТИЧНИЙ П1ДХ1Д ОПТИМ1ЗАЦП ПЕРЕДАЧ1 ДАНИХ В БЕЗДРОТОВИХ СЕНСОРНИХ МЕРЕЖАХ
Анотащя. БСМ знаходять все быьш широке застосування в якостi розподыених систем монторингу pi3Hux об'eктiв i фiзичних процеав. Об'ектом даного до^дження е бездротовi сенсорш мережi, а предметом -розробка ефективних методiв i засобiв ix проектування, що включають оптимiзацiю, порiвняння i аналiз топологт БСМ i ix яюсних характеристик. За результатами моделювання та до^дження протоколу ZigBee бездротових сенсорних мереж зроблено висновок, що для малогабаритноi мережi зiркова топологiя е досить ефективною, хоча стчаста мережа також може бути використана, якщо узгодити вартiсть i складтсть обладнання мережi. Для середнього розмiру БСМ обидвi топологи мережi можуть бути застосоват, але стчаста топологiя дае бiльшi затримки ETE. Реалiзуючи топологiю стки можна уникнути обмеження дальтсть передачi ZigBee ктцевим пристроям.
Ключовi слова:бездротова сенсорна мережа, топологiя, оптимiзацiя, передача, трафж, протокол.
VIKT.V. HNATUSHENKO ANALYTICAL APPROACH OPTIMIZING DATA IN WIRELESS SENSOR NETWORKS
Annotation
Wireless Sensor Networks (WSN) have been noticed and researched in recent years. WSNs have inherent and unique characteristics compared with traditional networks. It consists of light-weight, low power and small size sensor nodes (SNs). They have ability to monitor, calculate and communicate wirelessly. Nodes using routing protocol determine a path for sending data to sink. Sensor nodes have a limited transmission range, and their processing and storage capabilities as well as their energy resources are also limited. Routing protocols for wireless sensor networks have to ensure reliable multi-hop communication under these conditions.
In this paper, we simulated and analyzed two different scenarios, where we examined the topological features and performance net using OPNET simulator. We compared the two possible topologies (mesh and star) to each other. The comparative results have been reported for the performance metrics like: End to End Delay and Load of network.
Keywords: Wireless Sensor Network, OPNET, load, routing, delay, protocols.
Постановка проблеми. В даний час зростае штерес до розробки та вивченню бездротових самооргашзованих сенсорних мереж (БСМ) - мереж, що складаються з множини простих мшатюрних пристро!в (вузл1в), кожен з яких мютить мшроконтролер, приймач i автономне джерело живлення. Знаходять застосування в рiзних прикладних областях и дозволяють виршувати найрiзноманiтнiшi завдання. Актуальною областю наукових дослщжень е зниження ресурсозатрат при проектуванш, розгортанш та експлуатацп БСМ за допомогою алгоршшчно! та програмно! реал!зацп рацюнально! топологи мереж1 з урахуванням можливосл !! практичного вщтворення.
AH^i3 останшх дослвджень. В даний час БСМ знаходять все бшьш широке застосування в якосп розподшених систем мониторингу рiзних об'ектш i фiзичних процеав. Специфжа дано! задачi визначае загальну структуру бездротових сенсорних мереж, яш, як правило, являють собою розподшеш на великш територп iнформацiйно вимiрювальнi комплекси [1-3]. Бездротовi технологи, використовуванi для побудови систем мониторингу, мають ряд переваг в порiвняннi з традицшними рiшеннями: вiдсутнiсть дротових комунiкацiй ютотно полегшуе процес розгортання i реконф!гурування мереж1, знижуе вартiсть системи; автономшсть i мiнiатюрнiсть пристро!в забезпечуе можливють !х розмiщення у важкодоступних мюцях. Недолiком бездротових рiшень виявляеться !х менша надiйнiсть, як у сена гарантованосп доставки даних за обмежений час, так i в сена захисту передано! шформацп в!д несанкцюнованого доступу. В даний час при побудовi бездротово! сенсорно! мереж! вибiр розташування ретрансляторiв зазвичай проводиться на основ! результапв натурного моделювання, пов'язаного з проведенням численних експерименпв, вишр!в напруженосл електромагштного поля, що ютотно шдвищуе трудомютшсть i варпсть процесу розгортання БСМ [4-5]. Наявшсть наведених проблем обумовлюе актуальшсть задач! ошгашзацп тополог!! за допомогою !мггацшного моделювання.
Формулювання цiлей CTaTTi (постановка завдання). Таким чином виникае необхвдшсть розробки нового ршення задач! вибору рацюнального геометричного розташування ретранслятор!в, а також оптимально! маршрутизаци шформацшних потоков м1ж ними. Об'ектом даного дослвдження е бездротов! сенсорш мереж1, а предметом - розробка ефективних метод!в i засоб!в !х проектування, що включають ошташзацш, пор!вняння i анал!з топологш БСМ i !х як1сних характеристик.
Основна частина. Основними вимогами до вузл!в БСМ е низьке енергоспоживання (що забезпечуе тривалий час автономно! роботи), висока швидкод!я, мал! розм!ри i невисока варпсть. Вузли оснащуються сенсорами, здатними рееструвати шформацш про параметри ф!зичних пол!в р!зно!
природи в мюцях 1х розташування. Результати вимiрювань передаються по багатоланковому ланцюжку (вiд вузла до вузла) в обчислювальний центр для обробки та аналiзу (зважаючи, що потужносп приймача на вузлах можуть бути обмеженими, безпосередня передача шформаци може виявитися неможливою).
Завдання монiторингу, як правило, не вимагають передачi шформацшних потоков високо! щiльностi, тому зниження енергоспоживання вузл1в може досягатися, наприклад , за рахунок синхронного 1х включения на час комушкаци та вимикання на тривалий час. Важливою вимогою до БСМ е можливють !х самооргашзаци - вузли повинш вмiти самостiйно об'еднуватися в мережу i ретранслювати один одному пакети даних, за умови обмiну шформацшними пакетами тiльки мгж вузлами, що перебувають в областi радiовидимостi один одного, обумовленою iмовiрнiстю доставки шформацшних пакепв мiж вузлами.
Перерахованi вимоги регламентуе стандарт бездротового зв'язку IEEE 802.15.4 [6, 7]. Даний стандарт, так само, як i IEEE 802.11 для технологи Wi -Fi, визначае два нижшх рiвнi взаемоди вiдкритих систем (ISO - OSI) - фiзичного (PHY) та управлшня доступом до середовища (MAC) - нижнього пiдрiвня канального рiвня OSI. Чинний сьогодш базовий варiант стандарту був прийнятий в 2006 роц [7]. Особливостями стандарту е низьке енергоспоживання, короткий час шдключення до мереж!, пiдтримка велико! кiлькостi меняв, можливiсть реал!заци вимог стандарту в недорогих пристроях. Для забезпечення сумюносп бездротових пристро1в, випущених рiзними виробниками, восени 2002-го року, ще до виходу остаточно! специфшацп на IEEE 802.15.4, з шщативи компани Philips Semiconductor був утворений ZigBee Alliance [8-10].
Застосування БСМ для виршення завдань монiторингу (замiсть традицiйних дротових мереж) обумовлено, головним чином, ввдсутнютю необхiдностi прокладки дротових комунiкацiй. Платою за виграш за вартiстю i масi рiшения буде зменшення швидкосп та надiйностi доставки iнформацii.
Проектування рацiональноi топологii БСМ стикаеться з двома проблемами: власне розрахунком такоИ топологii з урахуванням великоi шлькосп факторiв, що впливають на роботу мереж^ i практичною реалiзацiею побудованого таким чином ршення. Остання проблема обумовлена можливими вiдмiнностями критерiiв оптимальносп маршрутизацii в реальнiй мереж! в!д аналогiчних критерiiв, як! використовуються при побудов! рацiонального рiшения.
З огляду вище сказаного, нами побудовано математичну модель ББС ZigBee з використанням пакету для iмiтацiйного моделювання Opnet [11-13]. Iмiтацiйна модель бездротовоi сенсорное' мереж! мютить моделi пристро1в для ZigBee координаторiв, маршрутизаторiв i кшцевих пристро!в. Основною задачею дослiдження мереж! е аналiз продуктивносп ZigBee в контексп WSN. WSN можуть змiнюватись в розм!рах в!д декшькох метр!в до тисяч метр!в; наприклад, сшьськогосподарсьш та еколопчш додатки часто охоплюють велик! вщсташ, в той час, як система автоматичного управлшня житлового будинку («розумний д!м») може бути набагато меншою. Кр!м того, деяк! WSN використовують лише дешлька датчишв кшцевих пристро!в, а шш1 працюють з сотнею, а шод! й навггь з тисячами кшцевих пристро1в.
При моделюванш створено три мереж! розм!ром 10x10 м, 100x100 м i 1000x1000 м, в рамках кожного з цих сценарпв представлен! тополопя з!рки i ком!рки. Використання р!зних масштаб!в i топологи у сценариях, змша шлькосп кшцевих пристро1в наведена для кращоi уяви роботи додатшв великих сенсорних мереж у реальному житл У даному випадку не наведено тополопю дерево, через ii вщносну ненадшнють для використання у WSN. А саме, якщо один з батьшвських маршрутизатор!в виходить з ладу, вс !х прабатьшвськ! зв'язки з вузлами будуть втрачеш Щоб краще !мггувати WSN, були змшеш деяк! параметри за замовчуванням моделей ZigBee. Змшеш параметри потужшсть передач! (мВт), порогова потужшсть прийому пакета, швидкють передач! даних i смуга передач!, як описано на рисунку 1. _
S Physical Layei Parameters
-Data Рэте .■'50000
■■ Packet Racepton-Power .. -90
Э Transmission Bands P
■■■Z450 MHL Band Enabled
■915 MH: Egnd Disabled
363 MM: Band Disabled
■ ira:i5rnit Power 3.003
-Paclijet Reception-Power l ie...-3D |
Рис.1. Параметри ZigBee модел1 мереж
Потужшсть передач! була знижена з 5 мВт до 3 мВт для вщображення типових потужностей передач! для бездротових сенсорних вузл!в. Типов! пороги потужносп прийому пакепв для пристро1в
ZigBee юнують в д!апазош ввд -80 дБ до -100 дБ, бшьш чутлив! прилади е дорожчими, для !люстрування низьких варпсних характеристик мережевих прилад!в був вибраний пори- -90 дБ. Швидк1сть передач! даних 250 000 бгг не поширена в WSNs, проте, вона була обрана для вивчення й моделювання найпршого сценарш. Ця швидшсть передач! даних може вщображати додаток промислового управлшня, в якому вузол датчика ZigBee постшно контролюе та передае значення датчика для контуру зворотного зв'язку, на вщм!ну вщ переривчастих передач значення датчика. Смуга пропускання була обрана 2,45 ГГц, осшльки цш д!апазон визначений для м!жнародного використання, на в!дм!ну вщ 915 МГц i 868 МГц, який обмежуються певними географ!чними районами. Смуга пропускання 2,45 ГГц тдтримуе м!жнародну сумюнють ZigBee обладнання.
Сценарш для мало! БСМ буде !миувати область 10x10 м з тополопями з!рки та ком!рки. У тополог!! з!рка використовуеться 10 вузл!в вщправки трафшу на координатора ZigBee в центр! мереж! та 50 датчиков. Ком!ркова мережа також буде складатися з 10 i згодом з 50 вузл!в ввдправки трафшу на координатора, з 10 вузл!в 2 будуть маршрутизаторами (також вони виступають в якосп шнцевих пристро!в) i з 50 вузл!в 7 будуть маршрутизаторами. На рисунку 2 показана тополог!! з!рка з 4 вузлами для в!зуально! простоти i рисунок 3 зображуе макет ком!рково! тополог!! з обмеженою шлькютю вузл!в також для в!зуально! простоти.
Рис.2. Тополог1я з1рка БСМ
Рис.3. Ком1ркова тополог1я БСМ
Наступний сценарiй подае середнiй масштаб БСМ з po3MipoM мереж1 100x100 м. Кшьшсть передавальних вузлiв i маршрутизаторiв залишаеться такою ж, як i в попередньому випадку.
Сценарш 1000x1000 м моделюе велику БСМ i використовуе топологи 3ip^ i KOMip^. Для зiрковоï топологiï використовуеться 10 i 250 передавальних вузлiв. Макет сики здiйснюватиме 10, 50 або 250 передавальних вузлiв з 2,7 i 27 маршрутизаторами ввдповщно. Результати моделювання бездротово! сенсорно! мереж! наведеш нижче.
End-to-end затримки (ETE) е глобальною статистикою в OPNET, яка описуе час, необхвдний для передачi поввдомлення вщ джерела до одержувача. Рисунок 4 детально шюструе результат сценарш для мало! БСМ по ввдношенню до середнього часу затримку ETE для обох топологш. Затримки ETE збiльшуеться при зб№шенш ZigBee вузл!в з 10 до 50, що б№ш важливiше, р!зко збiльшуеться затримка ETE м1ж тополопею зiрка та сiтка.
Рис.4. Сценарш 1: ETE затримка (сек.) залежно ввд часу моделювання (хв.)
Рис.5. Сценарш 2: ETE затримка (сек) залежно в1д часу моделювання (хв)
У випадку моделювання середньо! БСМ ми бачимо мшмальне збiльшення затримки ЕТЕ, яка зображена на рисунку 5. Це може бути пов'язано з дiапазоном передачi пристро!в ZigBee, оск1льки цей сценарiй знаходиться в межах дальносп передачi пристро!в ZigBee. Затримки вiдрiзняються приблизно вдвiчi при порiвняннi зiрки i сичасто! топологи мереж. Це пов'язано з додатковим хопом, введеним в сичастш мереж!, повщомленню для проходження в!д шнцевих пристро!в до координатора потрiбно спочатку бути отримано за допомогою пром1жного пристрою, а тiльки потiм передано в ZigBee маршрутизатор. Вiдповiдно, додатковий хоп зб!льшуе затримку ЕТЕ на 100 %.
У випадку великомасштабно! БСМ, очшуеться, що деяк1 ZigBee вузли будуть лежати поза дiапазону передачi в топологи зiрка. З рисунка 6 видно, що в мiру збшьшення кiлькостi к1нцевих пристро!в вiд 10 до 250 для топологи зiрка спостерiгаeться невеличке зб!льшення затримки ЕТЕ. Це може бути пов'язано iз збiльшенням навантаження на координатор при надвеликому обсягу траф!ку в мереж!. Для топологи сггки з 10 вузлами спостерiгаeться оч!куване значения затримки ЕТЕ, приблизно в два рази б!льше шж для з!рки для той же шлькосп вузл1в. Однак, у м!ру збшьшення вузл1в до 50 i 250 е розб!жшсть у затримцi ЕТЕ. Зашсть того, щоб затримка ЕТЕ зб!льшувалась при 200 вузл1в, вона падае. Це може бути пов'язано !з збiльшениям щшьносп маршрутизаторiв на одиницю площ!, оск1льки масштаб моделювання залишаеться незмшним i додаються додатковi 20 маршрутизаторiв. Коли щ!льнють маршрутизаторiв збiльшуеться, то повщомлення, вiдправленi на краях мереж1 можуть знайти бшьш прямий шлях через маршрутизатори до мюця призначення. Коли е пльки 50 вузл!в, повщомлення иовииш пройти множину маршрутизащлв, для досягиения \псця иризначения.
Рис.6. Сценар1й 3: ЕТЕ затримка (сек.) залежно в1д часу моделювання (хв.)
Для дослвдження ефективносп сiтчастих мереж у сенсi збшьшення дальносп передачi в цьому сценари розглянуто к1льк1сть корисно! шформаци отримано! вщ координатора. Розглянуто роботу координатора в тополог!! з!рка, коли е 250 вузл1в. Рисунок 7 зображуе отриманий трафiк координатором, а також трафж, що передаеться вш одного з 250 вузл!в.
Рис.7. Сценарш 3: Швидюсть передач1 даних (б1т ) залежно в1д часу моделювання (хв)
Рис.8. Сценарш 3: Швидюсть передач! даних (б1т ) залежно в1д часу моделювання (хв)
Зроблено висновок, що кожен з 250 вузлiв передае приблизно 1100 6iT/ceK, координатор отримуе вiд 500 би/сек до 1500 6iT/ceK. В iдеалi можна було б оч^вати, що координатор хоче отримувати весь призначений для нього трафiк, але багато вузлiв знаходяться занадто далеко. Результата, зображеш на рисунку 8, тдтверджують, що маршрутизатори в топологи сики ефективнiше збiльшують дiапазон перифершних вузлiв.
Використовуючи топологш сiтки координатор отримуе приблизно в 3,5 рази б№ше трафшу, шж при використанш топологiï зiрка. Це ефективне збшьшення дальностi передачi пов'язано з додаванням маршрутизаторiв в сiтчастих мережах, шляхом вщправки поввдомлень на промiжнi пристро! (маршрутизатори), як1 потiм передають поввдомлення на iншi маршрутизатори, поки координатор або не буде знаходиться в дiапазонi, або вузол буде далеко вщ координатора, з яким може спшкуватися.
Висновки та перспективи подальших дослiджень. За результатами моделювання та дослвдження протоколу ZigBee бездротових сенсорних мереж зроблено висновок, що для малогабаритно! мереж1 зiркова топологiя е досить ефективною, хоча сичаста мережа також може бути використана, якщо узгодити варпсть i складнiсть обладнання мереж!. Для середнього розмiру БСМ обидвi топологiï мереж! можуть бути застосоваш, але сiтчаста тополопя дае 6!льш! затримки ETE. Якщо затримка ETE мае першорядне значення, наприклад в технологiчному управлiннi, доцшьно розгортати мережу з з!РКОПОД!6НОЮ топологiею.
Для велико! БСМ тополопя зiрка не шдходить. Реалiзуючи тополопю спки можна уникнути обмеження дальнiсть передачi ZigBee шнцевим пристроям. Ця реалiзацiя надзвичайно приваблива, особливо для WSN, яш застосовуються в альському господарствi та мониторингу навколишнього середовища у зв'язку, як правило, з великим розмахом цих мереж.
Лiтература
1. Терентьев М.Н. Беспроводные сенсорные сети. Учебное пособие. — М.: МАИ, 2007. - 345 с.
2. Culler D., Estrin D., Srivastava M. Overview of Sensor Networks. — University of California, Berkeley, University of California, Los Angeles, 2004.
3. Lewis F. L., Wireless Sensor Networks. — Smart Environments: Technologies, Protocols, and Applications, New York, 2004.
4. Широкополосные беспроводные сети передачи информации / В.М. Вишневский, А.И. Ляхов, С.Л. Портной, И.В. Шахнович М.: Техносфера, 2005. - 591 с.
5. Олифер, Н. Качество обслуживания Электронный ресурс. / Н. Олифер. Электрон, дан. - Режим доступа^йр ://www.olifer.ru/articles/ip2/ip2 .html, свободный.
6. IEEE Standards 802.15.4. Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs). — IEEE Computer Society, 2006.
7. IEEE 802.15.4 WPAN-LR Task Group. IEEE 802.15 WPAN™ Task Group 4 (TG4), 2010. http://www.ieee802.org/15.
8. Zigbee Technology. Internet: http://www.zigbee.org/About/AboutTechnology/ZigBeeTechnology.aspx, Jan.2, 2012 [10 травня, 2014].
9. Sinem C.E. ZigBee/IEEE 802.15.4 Summary. — Berkeley, 09/2004.
10. Palo Wireless. ZigBee Resource Center, http://www.palowireless.com.
11. I.S. Hamoodi et al (2009) "Comprehensive Performance Study of OPNET Modeler For ZigBee Wireless Sensor Network" 2009 Third International Conference on Next Generation Mobile Applications, Services and Technologies. [On-line]. 3, pp. 357-362. Available: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=05337413 [2 кв1шя, 2014].
12. Sinem Coleri Ergen. "ZigBee/IEEE 802.15.4 Summary" Internet: http://pages.cs.wisc.edu/~suman/courses/838/papers/zigbee.pdf, Sept.10, 2004 [30 кв^тня, 2014].
13. ZigBee Technology Overview. Internet: https://docs.zigbee.org/zigbee-docs/dcn/09-5376.pdf, 2009, [5 ачня, 2014]
