Аннотация
Будучи самонастраивающейся, самоорганизующейся и самовосстанавливающейся технологией с низким энергопотреблением, ZigBee в последние несколько лет привлекла к себе значительное внимание с целью обеспечения повсеместной связи между различными устройствами в рамках персональной сети (PAN). Даже спустя десятилетие после своего появления, она продолжает успешно удовлетворять коммуникационные потребности многочисленных современных приложений, относящихся к различным отраслям промышленности, и по-прежнему привлекает внимание исследователей, работающих над определенными аспектами повышения производительности наряду с существенным снижением затрат. Несмотря на свой надежный характер связи, она сильно зависит от контекста и подвержена внешним воздействиям, которые могут вызвать серьезную угрозу для перспективных приложений.
В данной статье представлен новый экспериментальный анализ, проведенный на реальных испытательных стендах для оценки влияния постоянно меняющейся коммуникационной среды на различные параметры, например, RSSI (индикатор уровня принимаемого сигнала) и задержку в присутствии многочисленных помех, которые могут привести к серьезному ухудшению общей производительности. В конечном итоге мы предлагаем подходящий размер фрейма для ZigBee, основываясь на результатах, полученных в ходе экспериментального исследования.
1. Введение
Современные системы связи упразднили хлопотное манипулирование с проводами и их использование в коммуникационных сетях, а также со временем продвинули идею беспроводной сети. В различных обстоятельствах это событие породило ряд сложностей и затруднений. По мере быстрого развития технологий, беспроводные сенсорные сети (WSN) были признаны наиболее жизнеспособной формой. Таким образом, эта потребность привела к созданию технологии, особенностью которой является низкое энергопотребление, высокая степень надежности и эффективность в дополнение к экономичности. IEEE 802.15.4 и ZigBee были специально разработаны для WSN и мониторинга беспроводных сетей (WNM) [1]. За неимением высокой скорости передачи данных и большого функционала, ZigBee считается популярной у многих из-за потрясающе низкого потребления энергии, что обеспечивает небольшую стоимость и высокую эффективность [2-6]. ZigBee — это выдающаяся беспроводная технология, использующая диапазоны частот 2,4 ГГц и sub-GHX [7]. От предприятий до домашней автоматизации, эта технология предлагает широкий спектр применения и развертывания в различных областях, таких как здравоохранение, сельское хозяйство и образование.
Эта технология открыла новые горизонты для исследователей, проявляющих интерес к беспроводным радиосетям. Несколько приложений, основанных на ZigBee, уже были внедрены, с использованием всех преимуществ и недостатков данной технологии. Анализ производительности ZigBee на основе различных оценок помогает исследователям получить представление о пригодности этой технологии для разных областей применения.
ZigBee широко используется в последние годы, но внедрение этой технологии для домашней автоматизации происходит медленнее [8], поскольку она имеет свои плюсы и минусы в разных сферах применения. Например, она надежна с точки зрения длительности автономной работы и эффективности, но может быть ненадежной с точки зрения уровня мощности сигнала. Ее можно использовать для измерения расстояния на основе значения RSSI. Но значение RSSI ZigBee колеблется при незначительных изменениях в окружающей среде, и это является причиной дискредитации данной технологии.
Основной целью этой статьи является изучение резких изменений RSSI ZigBee в различных условиях. Среднее значение полученных величин может дать приблизительный и неточный результат, допускающий различные условия эксплуатации. Наряду со значением RSSI ZigBee, измерение общего времени, затраченного на передачу строки данных заданного размера, также может быть использовано для определения задержки. Время, затраченное на передачу определенного пакета, важно для различных приложений, например, системы управления дорожным движением при расчете расстояния между двумя транспортными средствами.
ZigBee IEEE 802.15.4 разработан для надежного управления и мониторинга сети по сравнению с другими технологиями беспроводной связи малого радиуса действия, такими как Wi-Fi, Bluetooth и сверхширокая полоса [2, 8]. Все эти технологии потребляют мало энергии, но устройства ZigBee используют ее еще меньше. Безопасность и целостность данных в устройствах ZigBee убеждают исследователей взглянуть на эту технологию с иного ракурса. За последние несколько лет было разработано множество прикладных программ, использующих эту технологию, и исследователи проявляют большой интерес к изучению, оценке и деплою протоколов ZigBee в реальном времени [9].
Были проведены различные эксперименты в помещениях при различных обстоятельствах и определены объекты, влияющие на уровень сигнала ZigBee: деревянная мебель, бетонные стены и люди вокруг. Изменяя количество этих объектов, мы смогли обнаружить незначительное и существенное колебание значения RSSI. Кроме того, с одного устройства ZigBee отправлялись строки данных определенного размера, которые принимались на другом конце. Это повторялось, при сохранении постоянного расстояния, но с изменением окружающей среды для точного анализа задержки, что привело к получению различных значений. Затем, меняющаяся дистанция между взаимодействующими узлами также привела к изменению значения RSSI и суммарной задержки. Выполнение того же ряда экспериментов с использованием постоянного контекста, но с увеличением расстояния на этот раз дало другой набор результатов, которые следует отметить. Ряд экспериментов был выполнен при последовательном увеличении расстояния между устройствами.
Остальная часть данной статьи построена следующим образом: в следующем разделе представлен обзор текущего состояния дел в области ZigBee. В разделе 3 представлена предлагаемая методология для оценки возможных сценариев. В разделе 3.1 описана экспериментальная установка, описывающая различные компоненты, используемые для создания реальных тестовых моделей, а в разделе 3.2 анализируются и обсуждаются результаты, полученные в ходе опытов. И, наконец, в разделе 4 приведены заключительные замечания.
2. Обзор литературы
Технология ZigBee достаточно ответственна в отношении безопасности, надежности и длительного времени автономной работы, но она имеет два типа ограничений, а именно: пропускная способность и дальность действия. Также отражение, рассеивание и наличие других физических препятствий оказывают негативное влияние на значение RSSI ZigBee. Исследователи провели несколько экспериментов по оценке ZigBee (IEEE 802.15.4). В [9] авторы рассматривают влияние на частоту ошибок по битам (BER) и отношение сигнал/шум (SNR) ZigBee в случае изменения таких параметров, как значение мощности шума, скорость передачи данных и бит на символ.
В [10], Хинсика (Hyncica) и др. оценили результаты на основе серии экспериментов и утверждают, что эффективная дальность действия ZigBee составляет около 12 метров через множество сухих стен, а скорость передачи данных с использованием SMAC достигает 165 кбит/с при оптимальных условиях. По нашему скромному мнению и наблюдениям, приложения, реализующие технологию ZigBee, должны были бы испытывать не только количество стен, как описано в [11], но и количество людей и других обычных препятствий, таких как различные типы мебели в обставленных домах и различных подобных местах, поскольку это оказывает неблагоприятное воздействие на эффективность устройств ZigBee. После проведения ряда экспериментов тщательный анализ выявил существенное изменение RSSI и дальности действия устройств ZigBee в присутствии дополнительно упомянутых предметов (не описанных в [11]), и, как следствие, ухудшение показателей задержки, что будет подробно рассмотрено в следующих разделах.
В [12] подчеркивается, что ZigBee RSSI пригоден для определения местоположения, если компромиссное значение точности составляет 3-5 м. RSSI был протестирован при различном количестве присутствующих людей, стекла и дерева. Исследование было полезно для понимания предполагаемого среднего изменения значения RSSI в зависимости от определенного диапазона и расстояния.
В [13] представлены эффективная скорость передачи данных (EDR) и коэффициент доставки пакетов (PDR) в сети ZigBee и утверждается, что увеличение количества узлов в сети снижает пропускную способность в маячковом режиме. График показал резкое отклонение в EDR и коэффициенте доставки при увеличении числа узлов из-за аккумуляции вероятности коллизии в среде доступа CSMA-CA.
Мобильность устройства ZigBee, наблюдаемая в [14], и производительность IEEE 802.15.4 рассматривались для различных случаев и показали, что при мобильности узлов ZigBee в сети возникает множество несоответствий по сравнению со статичными. В случае мобильности устройства происходит большая потеря пакетов, и она увеличивается по мере увеличения скорости его перемещения. Они наблюдали за PDR, применяя два типа топологий, ячеистую и древовидную маршрутизацию. Доставка пакетов и эффективность ZigBee допускают различные виды воздействия при мобильности, однако в нашем случае мы взяли статические узлы. При этом особое внимание уделялось подвижности, изменению препятствий и их количества. Мы наблюдали влияние RSSI, расстояние и размер фрейма на скорость задержки данных.
Измерение RSSI в ZigBee очень важно для локализации приложений и оценки местоположения. Анализируя статью [12], мы провели серию исследований, чтобы оценить влияние определенного размера фрейма при изменении значения RSSI на скорость задержки данных, отправляемых координатором ZigBee. Приложения, не толерантные к изменению скорости задержки, сочтут это исследование полезным для фактического распознавания совокупного влияния на задержку переменных дата фреймов, посылаемых координатором ZigBee конечным узлам и наоборот. Согласно различным исследованиям, проведенным ранее, известно, что увеличение расстояния в пределах диапазона коммуникации между модулями ZigBee уменьшает силу сигнала; данное исследование является еще одной попыткой дальнейшего анализа параметров, которые фактически влияют на связь ZigBee в помещении, а не на улице.
3. Методология
На мощность радиосигнала ZigBee сильно влияет присутствие различных физических объектов. Для фактического тестирования задача состоит в том, чтобы при проведении экспериментов разработать сценарии, включающие препятствия
производительности ZigBee, поскольку важно учитывать неблагоприятные эффекты в присутствии этих объектов при развертывании технологии ZigBee в бытовых устройствах и других приложениях внутри помещений. Все эксперименты проводились в присутствии нескольких возможных объектов, которые могут ослабить силу сигнала, вызванную рассеянием и отражением, влияющих на производительность ZigBee путем ослабления RSSI. Основными рассматриваемыми физическими объектами являются различные стены, мебель и люди, как наиболее распространенные факторы, с которыми сталкивается ZigBee при взаимодействии с другими узлами в помещении.
Исходя из наличия указанных объектов и варьирования количества этих препятствий, была проведена серия экспериментов и, по результатам, была сделана оценка доли воздействия RSSI в ZigBee, чтобы сделать вывод о наилучшем, среднем и худшем сценарии для связи ZigBee внутри помещений с учетом расстояния и относительного изменения RSSI и времени получения определенного фрейма при различных препятствиях. Была разработана вариативная установка для проведения тестовых экспериментов, каждый раз с увеличением расстояния между двумя узлами ZigBee при обмене данными, называемых Примером №-__ . Было реализовано пять различных примеров, и каждый из них имеет по три сценария. В каждом сценарии количество препятствий меняется случайным образом. Для определения производительности ZigBee в помещении можно взять среднее значение сценариев.
3.1. Экспериментальная установка
Всего было использовано два устройства ZigBee; оба находились в режиме API во время проведения экспериментов для отправки и получения набора фреймов, подключенных к компьютеру для мониторинга изменения RSSI и временного расхождения при определении коэффициента задержки. Координатор сети ZigBee — это стационарное и главное устройство, подключенное к компьютеру для связи и получения данных от других узлов, как показано на Рисунке 1. Конечный узел — это другое устройство, подключенное к ноутбуку так, чтобы оно было подвижным. Набор фреймов, посылаемых координатору этим узлом для мониторинга на главном устройстве, также показан на Рисунке 1.
В реальном времени в помещении количество препятствий меняется с изменением расстояния, как показано на Рисунке 1. Выделенная темным цветом область 30 футов является зоной эффективной дальности действия ZigBee, где количество потерь пакетов было минимальным. Дальнейшая область от 30 до 45 футов — это область слабого RSSI, где наблюдалась значительная потеря пакетов. Количество препятствий варьировалось в каждом сценарии в Примере 1 на расстоянии 10 футов, что продемонстрировано в Таблице 1.
Расстояние | Сценарий | Стены | Мебель | Человек |
10 футов | 1 | 4 | 5 | 2 |
2 | 3 | 3 | 2 | |
3 | 2 | 2 | 1 |
Таблица 1. Пример 1 экспериментальной установки.
В Примере 1 расстояние между двумя узлами было фиксированным и составляло 10 футов; тесты RSSI и времени получения пакета воспроизводились в трех различных сценариях. В первом сценарии общее количество окружающих стен составляло 4, количество установленной мебели — 5, а количество людей — 2. Для этого сценария был получен набор результатов. В следующем сценарии количество стен было уменьшено до 3 путем перестановки узлов, а количество предметов мебели было уменьшено до 3, при этом количество людей и расстояние оставались постоянными, и результаты немного отличались. Третий сценарий представляет собой 2 стены и мебель, но количество людей было уменьшено до 1. Во всех трех сценариях пакеты данных переменного размера отправлялись на главный узел от других, и эксперимент повторялся три раза в каждом сценарии для обеспечения точности. Полученные результаты показаны в Таблице 2.
Сценарий | Время получения фрейма (с) | |||||||
RSSI (дБм) | 15 байт | 50 байт | 100 байт | |||||
RSSI | Среднее RSSI | Время | Среднее время | Время | Среднее время | Время | Среднее время | |
1 | −71 | −67 | 0.038 | 0.05 | 0.101 | 0.093 | 0.160 | 0.142 |
0.033 | 0.075 | 0.115 | ||||||
0.053 | 0.100 | 0.130 | ||||||
2 | −68 | 0.067 | 0.107 | 0.183 | ||||
0.055 | 0.080 | 0.160 | ||||||
0.046 | 0.092 | 0.101 | ||||||
3 | −64 | 0.066 | 0.094 | 0.165 | ||||
0.056 | 0.096 | 0.136 | ||||||
0.040 | 0.097 | 0.132 | ||||||
Таблица 2. Экспериментальные результаты для Примера 1.
По каждому из сценариев Примера 1 был получен разброс результатов. Значение RSSI обычно увеличивалось при уменьшении количества препятствий. Оно было максимальным в сценарии 3 и минимальным в сценарии 1 на расстоянии 10 футов, а среднее значение RSSI составляло -67 дБм. Три разных по размеру фрейма были отправлены и получены на главном узле, при каждом приеме изменение задержки можно заметить в таблице 2, где среднее время, затраченное на фрейм размером 15 байт, составило 0,05 сек. Аналогично, фрейму размером 50 байт потребовалось менее чем в два раза больше времени, нежели фрейму в сценарии 1, при этом он был крупнее предыдущего фрейма более чем в три раза. Фрейм размером 100 байт (вдвое больше 50-байтового) потребовал почти 50% дополнительного времени по сравнению с 50-байтовым.
Таблица 3 отображает эксперименты, проведенные для Примера 2, в котором расстояние было увеличено до 20 футов с различным количеством и типом препятствий. Как упоминалось ранее, препятствия остаются неизменными — стены, мебель и люди. Новые препятствия не вводились, чтобы избежать путаницы между их влиянием на связь ZigBee. Таблица 3 иллюстрирует экспериментальную установку для Примера 2 в помещении.
Расстояние | Сценарий | Стены | Мебель | Человек |
20 футов | 1 | 4 | 5 | 3 |
2 | 3 | 6 | 2 | |
3 | 2 | 5 | 1 |
Таблица 3. Пример 2 экспериментальной установки.
Это показывает, что количество стен и предметов мебели было одинаковым, но количество людей стало 3, а расстояние удвоилось в первом сценарии Примера 2. Во втором сценарии количество всех типов препятствий уменьшилось, кроме мебели. Третий сценарий состоит из наименьшего количества стен и присутствия людей. При таких условиях были получены результаты, которые представлены в таблице 4.
Сценарий | Время получения фрейма (с) | |||||||
RSSI (дБм) | 15 байт | 50 байт | 100 байт | |||||
RSSI | Среднее RSSI | Время | Среднее время | Время | Среднее время | Время | Среднее время | |
1 | −80 | −77 | 0.045 | 0.052 | 0.094 | 0.092 | 0.129 | 0.144 |
0.052 | 0.109 | 0.131 | ||||||
0.075 | 0.087 | 0.156 | ||||||
2 | −78 | 0.050 | 0.100 | 0.146 | ||||
0.062 | 0.091 | 0.142 | ||||||
0.063 | 0.078 | 0.167 | ||||||
3 | −74 | 0.040 | 0.091 | 0.131 | ||||
0.038 | 0.077 | 0.152 | ||||||
0.046 | 0.110 | 0.150 | ||||||
Средний показатель RSSI в Примере 2 составил -77 дБм, но максимальный показатель RSSI на расстоянии 20 футов был получен в сценарии 3 данного примера, где количество стен и людей было наименьшим. Потери пакетов были незначительными, а среднее время, затрачиваемое на передачу фреймов размером 15 байт, было примерно таким же, как и в Примере 1. Аналогично, не было замечено никаких изменений в фреймах размером 50 и 100 байт. Время передачи фреймов размером 50 байт было даже лучше, чем в Примере 1.
Таблица 6 иллюстрирует эксперименты, проведенные для Примера 3, в котором расстояние было увеличено до 30 футов с различным количеством и типом препятствий. Как и в Примере 2, тип препятствий остается неизменным, чтобы избежать путаницы.
Таблица 5 иллюстрирует экспериментальную установку для Примера 3 в помещении. В первом сценарии количество стен, предметов мебели и людей увеличено. Во втором сценарии локация была смещена, чтобы уменьшить количество стен, но расстояние осталось прежним, а количество предметов мебели и людей уменьшилось. В третьем сценарии количество мебели было уменьшено, количество людей и стен осталось прежним. Полученные в этом примере результаты описаны в Таблице 6.
Расстояние | Сценарий | Стены | Мебель | Человек |
30 футов | 1 | 5 | 7 | 3 |
2 | 3 | 5 | 2 | |
3 | 3 | 3 | 1 |
Таблица 5. Пример 3 экспериментальной установки.
Сценарий | Время получения фрейма (с) | |||||||
RSSI (дБм) | 15 байт | 50 байт | 100 байт | |||||
RSSI | Среднее RSSI | Время | Среднее время | Время | Среднее время | Время | Среднее время | |
1 | −86 | −82 | 0.037 | 0.052 | 0.072 | 0.081 | 0.139 | 0.153 |
0.050 | 0.087 | 0.149 | ||||||
0.041 | 0.092 | 0.150 | ||||||
2 | −84 | 0.046 | 0.088 | 0.160 | ||||
0.061 | 0.077 | 0.156 | ||||||
0.060 | 0.087 | 0.160 | ||||||
3 | −78 | 0.052 | 0.074 | 0.141 | ||||
0.065 | 0.078 | 0.160 | ||||||
0.056 | 0.080 | 0.165 | ||||||
Таблица 6. Экспериментальные результаты Примера 3.
Максимальные значения RSSI в Примере 3 были получены в сценарии 3, где было минимальное количество стен и мебели, а средний полученный RSSI составил -82 дБм. Потери пакетов в этом случае были немного больше, чем в Примерах 1 и 2. Фрейм размером 15 байт потребовал одинакового среднего времени для приема, а 50-байтовый фрейм показал резкое увеличение времени; также в этом примере 100-байтовый фрейм занял немного больше времени.
На расстоянии более 30 футов значение RSSI ZigBee ослабевает. Таблица 8 отображает эксперименты, проведенные для Примера 4, в котором расстояние было увеличено до 40 футов с различным количеством и типами препятствий. Типы препятствий, как и в Примере 3, остаются неизменными, чтобы избежать путаницы.
Таблица 7 демонстрирует экспериментальную установку для Примера 4 в помещении. В этом примере с расстоянием 40 футов количество препятствий было таким же, как и в предыдущем во всех трех сценариях, а полученные результаты показаны в Таблице 8.
Расстояние | Сценарий | Стены | Мебель | Человек |
40 футов | 1 | 5 | 7 | 3 |
2 | 3 | 5 | 2 | |
3 | 3 | 3 | 1 |
Таблица 7. Пример 4 экспериментальной установки.
Сценарий | Время получения фрейма (с) | |||||||
RSSI (дБм) | 15 байт | 50 байт | 100 байт | |||||
RSSI | Среднее RSSI | Время | Среднее время | Время | Среднее время | Время | Среднее время | |
1 | −88 | −86 | 0.031 | 0.05 | 0.072 | 0.081 | 0.139 | 0.154 |
0.046 | 0.087 | 0.149 | ||||||
0.046 | 0.092 | 0.150 | ||||||
2 | −85 | 0.042 | 0.088 | 0.160 | ||||
0.051 | 0.077 | 0.156 | ||||||
0.061 | 0.087 | 0.160 | ||||||
3 | −83 | 0.056 | 0.074 | 0.160 | ||||
0.056 | 0.078 | 0.175 | ||||||
0.067 | 0.080 | 0.165 | ||||||
Таблица 8. Экспериментальные результаты Примера 4.
Максимальное значение RSSI было отмечено в третьем сценарии для этого примера, которое составило около -83 дБм, а среднее значение RSSI составило -86 дБм для всех сценариев. Количество потерь пакетов в этом примере было больше, чем в предыдущих, но время, затрачиваемое на фрейм размером 15 байт, снова было одинаковым. Резкое увеличение задержки наблюдалось при получении фрейма размером 50 байт, на получение которого уходило в среднем 0,1 сек. Также на прием 100-байтного фрейма потребовалось 0,15 сек.
Пример 5 с максимальной дальностью действия, равной 45 футам, и подробная информация о количестве препятствий показан в таблице 9. В этом примере по сценарию 1 количество стен составляло 6, число предметов мебели соответствовало 7, а людей было 3. Количество препятствий уменьшалось с каждым сценарием. Результаты, полученные на этот раз, описаны в Таблице 10.
Расстояние | Сценарий | Стены | Мебель | Человек |
45 футов | 1 | 5 | 7 | 3 |
2 | 3 | 5 | 2 | |
3 | 3 | 3 | 1 |
Таблица 9. Пример 5 экспериментальной установки.
Сценарий | Время получения фрейма (с) | |||||||
RSSI (дБм) | 15 байт | 50 байт | 100 байт | |||||
RSSI | Среднее RSSI | Время | Среднее время | Время | Среднее время | Время | Среднее время | |
1 | −92 | −89 | 0.073 | 0.67 | 0.087 | 0.093 | 0.171 | 0.182 |
0.065 | 0.079 | 0.180 | ||||||
0.061 | 0.101 | 0.186 | ||||||
2 | −89 | 0.067 | 0.103 | 0.180 | ||||
0.068 | 0.090 | 0.181 | ||||||
0.071 | 0.100 | 0.190 | ||||||
3 | −88 | 0.057 | 0.094 | 0.191 | ||||
0.069 | 0.098 | 0.169 | ||||||
0.075 | 0.091 | 0.192 | ||||||
Таблица 10. Экспериментальные результаты Примера 5.
60% пакетов были потеряны в этом примере из-за размещения конечного узла на предельном расстоянии, а средние полученные значения RSSI оказались настолько слабыми, что составили -89 дБм. 15-байтовый фрейм использовал наименьшее время по сравнению со всеми другими. Среднее время составило 0,067 секунды, но 50-байтовый фрейм, как обычно, был непредсказуем и занял значительно больше времени, чем в других примерах, и был получен за 0,093 секунды. 100-байтовый фрейм потребовал гораздо больше времени, в среднем 0,182 сек.
Продолжение — анализ экспериментальных результатов, заключение и ссылки читайте во второй части.
Всех желающих приглашаем на открытое занятие «Преимущества и принцип работы Spanning Tree Protocol». На занятии:
— Узнаем историю и необходимость появления протокола STP;
— Разберем, как настроить STP в CISCO CLI;
— Настроим рабочую схему, увидим, как отрабатывает STP.
Регистрация по ссылке.
