CC BY
43
УДК 681.39; 007.001.362 Акишев М.С.
АО «Национальная компания «Казахстан Рарыш Сапары», г.Астана, Казахстан
ОПТИМИЗАЦИЯ СЕНСОРНОЙ СЕТИ
Введение
Задачей данной статьи является моделирование и анализ беспроводной связи сети маломощных устройств (сенсоров стандарта ZigBee) на 3 нижних уровнях модели OSI, так называемые медиа уровни, как между отдельными элементами, так и всей сети в целом.
Места установки таких датчиков специфичны, к примеру, на стволах деревьев, в вентиляционных шахтах, на потолках и за кровлей зданий, поэтому появляется зона неуверенного приёма, присутствие которой неизбежно, а её определение является первой частью статьи. Были выполнены попытки уменьшения ПУ путём изменения отношения скорости передачи и полосы пропускания, что повлекло к уменьшению радиуса уверенного приёма. Вторая часть включает задачу достижения
Параметры
полного соединения всех узлов сети, затратив на это минимальную передающую мощность.
Определение переходной зоны.
Для расчётов взята уже существующая сенсорная сеть в санатории Каратал в Алматинской области. Сеть является пилотным проектом администрации и на данный момент насчитывает пока 2 0 MICA2 Mote сенсоров. Расположение сенсоров замерено собственноручно, а параметры сети (Таблица 1) взяты с документации поставщика.
Задача определить ожидаемые радиусы зон (расстояние от трансивера): Зону с уверенной/гарантированной приемо-передачей (CZ), Переходную зону (TZ) с ненадёжным приёмом пакетов (PR) и Зоны без связи (DZ), где PR должен составлять не менее 90%, между 10% и 90% и менее 10% соответственно. сети Таблица 1
Показатель потерь в тракте передачи, п 3.6
Потери при распространении сигнала на расстоянии ^ , РЬ^о) 34.8 дБ
Вариация затенения, а 8.4 дБ
Уровень собственных шумов, Рп -90 дБм
Мощность передатчика, Р{ 0 дБм
Ширина пропускания, В 20 000
Скорость передачи данных, Я 19 200 бит/с
Для выявления пороговых уровней мощности между которыми находится зона ненадёжного приёма сигнала, необходимо определить отношение Сигнал/Шум при 10% ( Уь ) и 90% ( Уц ) вероятностях получения пакетов. В расчёт были включены скорость передачи данных, полоса пропускания и длина кадра [1]:
1
Ги = 101ов1„(-■ 1п(2(1 - 0.9^))) (1.1)
B
2 • R
i
YL = i01ogio(--— • ln(2(i - 0.18'f )))
B
(1.2)
где f - размер кадра в байтах.
Определение переходной зоны пороговых значений, что есть радиус от источника, начала ( ds )
и конца ( ) TZ, было выполнено по нижеследующим формулам:
Pn +Yu,L -Pt + PL(do)+2a
d = 10 -10n (1.3)
Рп +Гц ,Ь - Р + РЬ(^о)-2а ¿е = 10 -10п (1.4)
Теперь, для приближения к реалистичности вводится в учёт стандартное отклонение для логарифмически нормального затенения а. Так начало TZ определяется с пересечением ц-2о с уь + Рп , а конец TZ с пересечением ц+2о с /и + Рп , что отображено на Рисунке 1:
у\ ds г„ + de
Y, .1 -2а ^^---- ----__
0 5 10 15 20 25 30 36
Distance (mi
Рисунок 1 - Определение переходной зоны
Смоделировав сеть можно отметить на вышеуказанном графике, что TZ находится в радиусе с 11,2 м до 27,2 м от узла, а коэффициент TZ (Г) равняется 1,428. В расчётах были использованы схемы модуляции NRZ и NCFSK, которые обладают более помехо-защищённой характеристикой, поскольку рассматриваемые параметры сети рассмотрены в наилучшем варианте с минимальным количеством ошибок.
80
? а)
S 60
• •
• •
0 20 40 60 80 100 120
x distance (m)
Рисунок 2 - Покрытие сети при мощности передачи узла 0дБм
0 20 40 60 80 100 120
x distance (m)
Рисунок 3 - Покрытие сети при мощности передачи узла 14.8дБм
120
100
40
20
120
100
80
60
40
20
Оптимизация мощности сенсоров.
В данном разделе приследуется две цели: установить гарантированную связь (PRR 90% и более) сенсорной сети из 20 сенсоров и определить их минимальную мощность передачи.
Рассмотрим расположение сети сенсоров на квадратном участке 120м х 120м санатория Кара-тал (Рисунок 2), где мощность передачи сенсоров по умолчанию 0дБм. Установление надёжной связи наблюдается только на 3 парах узлов:
При увеличении мощности на 14.8дБ от номинального значения, возрастает количество соединённых узлов до 19 из 2 0 (Рисунок 3).
Для полной эксплуатации сенсорной сети, где все 20 из 20 узлов находятся в зоне соединения, для включения в сеть отдалённого узла требуется увеличить мощность передачи до 22.4дБм.
При статическом расположении сенсоров необходимо оптимизировать каждый узел. Для этого рассчитана матрица соединения "i-ых" 20 передатчиков с 'j-ыми' 20 приёмниками, где значение 1 - соединено, а значение 0 нет соединения либо при1мник и передатчик относятся к одному и тому узлу.
c matrix =
0 20 40 60 80 100 12
x distance (m)
Рисунок 4 - Покрытие сети при мощности трансивера узла 22.4дБм
0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1
1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1
1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1
0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1
0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0
1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0
1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0
0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0
1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1
0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0
1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0
0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0
0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0
1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0
0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0
0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0
1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0
ЛИТЕРАТУРА
1. M.Zuniga, B. Krishnamachari, Analyzing the Transitional Region in Low Power Wireless Links, Sensor and Ad Hoc Communications and Networks, 2004, pp. 517 - 526.
2. D. Ganesan, B. Krishnamachari, A. Woo, D. Culler, D. Estrin and S. Wicker."Complex Behavior at .Scale: An Experimental .Study of Low-Power Wireless Sensor Networks". UCLA CS Technical Report UCLA/CSD-TR 02-0013, 2002.
3. Chipcon. CC1000 low power radio transceiver, http://www.chipcon.com.
УДК 621
Прошин1 А.А. АпендиН2 М.А., Горячев1 Н.В.
пензенский государственный университета, Пенза, Россия
2Военный институт Сил воздушной обороны Республики Казахстан им. Т.Я. Бегельдинова, Актобе, Казахстан
ИСТОРИЯ ПОЯВЛЕНИЯ АРХИТЕКТУРЫ ARM
Практически у каждого человека сейчас есть компьютер, смартфон, а у некоторых еще и планшет в придачу. Пусть компьютер всего один в семье (что на данный момент, впрочем, встречается достаточно редко), но он есть, так же, как и смартфон. Эти устройства стали настолько обыденными и привычными, что, увидев даже самый навороченный девайс с большой диагональю экрана и с совершенно невообразимым разрешением оного в 4 к, мы ни капли не удивляемся, а принимаем его как данность. Нас уже не удивляет, что на сравнительно маленьком и тонком устройстве без проблем работают «тяжелые» 3Б-игры с умопомрачительной графикой, которую меньше десяти лет назад не могли себе позволить большие серьезные машины. Нас не удивляет наличие фото- и видеокамер, разрешающая способность которых уже давно измеряется не одним десятком мегапикселей, снимающих видео высокой четкости и делающие потрясающие фотографии, по качеству не уступающие многим профессиональным «зеркалкам». Нас не удивляет даже то, что работать на своих устрой-
ствах мы можем только лишь посредством собственных пальцев, без использования клавиатуры и тем более мыши. Такую возможность дал нам сенсорный экран. Нас ничто не удивляет, мы привыкли.
Бесспорно, все эти новшества очень удобны и сильно упрощают нам жизнь, но мало кто знает, как и на каком «железе» работает их устройство, с которого они привыкли заходить в свою любимую социальную сеть. Впрочем, это неудивительно. Зачем школьнику знать, процессор какой архитектуры трудится в его новеньком iPhone, подаренном ему родителями на день рождения, если его любимая игра «Angry Birds» прекрасно работает и не тормозит. Или, например, зачем грузчику Василию знать, как именно и с какими инструкциями процессор его компьютера запускает любимую стрелялку, когда он после тяжелого трудового дня присел за компьютер отдохнуть пару часов и расслабиться за любимым развлечением. Это все понятно и вопросов не вызывает.
