1.2.1 Беспроводная сенсорная сеть

В настоящее время бурно развивается технология беспроводных сенсорных сетей. Беспроводные сенсорные сети - это распределенные самоорганизующиеся сети, устойчивые к отказу отдельных элементов, обменивающихся информацией по беспроводной связи. Каждый элемент сети имеет автономный источник питания, микрокомпьютер, приемник/передатчик. Область покрытия сети может составлять от нескольких метров до нескольких километров, в зависимости от типа модуля и антенны, а также за счет способности ретрансляции сообщений от одного элемента к другому. Обмен данными между двумя конечными устройствами может осуществляться через ретранслятор, в том случае, если дальность работы этих устройств не позволяет их взаимное обнаружение. Таким образом, устройства с малым радиусом действия с помощью системы ретрансляторов могут общаться друг с другом.

Выделяют следующие основные стандарты для маломощных беспроводных сетей:

· IEEE 802.15.4;

· ZigBee;

· Bluetooth;

· Wibree.

беспроводный сенсорный сеть передача

1.2.2 Применение сенсорных сетей

Обычно БСС применяется для сбора данных с устройств, оснащенных сенсорами: датчиком температуры, влажности, освещения, то есть мониторинга. Например, миниатюрные сенсоры могут быть использованы в медицине для наблюдения за пациентами. Устройства, которые пациент носит с собой, могут контролировать работу жизненно важных органов и в случае каких-то опасных ситуаций сообщать врачу.

Небольшие размеры устройств позволяют проводить не только «поверхностные» наблюдения за пациентом, но и исследовать внутренние органы человека. Так при проведении гастроскопии в государственных больницах, поликлиниках применяют специальные аппарат, с гастроскопической трубкой, но не все пациенты могут её проглотить. На рынке уже существуют устройства в виде таблеток для проведения таких исследований. Эти устройства с батарейным питанием имеют запас энергии, достаточный того, чтобы непрерывно работать в течение 24 часов и отправлять показания другому устройству, которое пациент носит с собой в течение этого времени. После этого врач может анализировать полученные результаты и поставить точный диагноз.

Сенсоры могут использоваться для автоматического включения освещения, когда человек входит в комнату, использоваться для управления каких-нибудь устройств (в системе «умный дом»).

Иногда требуется следить за подвижностью или разрушением каких-либо объектов, где трудно проложить кабели. Для этого опять же выгоднее применить сенсорные сети, так как датчики имеют автономный источник питания и они беспроводные.

Также технология беспроводных сенсорных сетей может быть использована для передачи звуковых данных - в качестве домофонной системы, мультимедиа системы с низким энергопотреблением.

1.2.3 Выбор стандарта

Различных стандартов беспроводных сетей существует великое множество, однако их всех можно подразделить на три группы: WPAN (Wireless Personal Area Network - беспроводная персональная сеть), WLAN (Wireless Local Area Network - беспроводная локальная сеть), WMAN (Wireless Metropolitan Area Network - беспроводная сеть масштаба города) (Рис. 1). Из этих групп наиболее подходящими могут быть стандарты группы WPAN, так как они рассчитаны на низкоскоростные сети.

Рис.1 Стандарты беспроводных сетей

WPAN (Wireless Personal Area Network) беспроводная сеть, предназначенная для организации беспроводной связи между различного типа устройствами на ограниченной площади (например, в рамках квартиры, офисного рабочего места). Стандарты, определяющие методы функционирования сети, описаны в семействе спецификаций IEEE 802.15.

IEEE 802.15.3 разрабатывался как высокоскоростной стандарт WPAN-сетей для высокотехнологичных бытовых устройств (предназначенных, как правило, для передачи мультимедийных данных). Использование полосы 2,4 ГГц и технологии модуляции O-QPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying, квадратурная манипуляция фазовым сдвигом со смещением) позволяют достигать скорости передачи в 55 Мб/с на расстояние до 100 метров. Защита данных может производиться по стандарту AES. В модификации стандарта 802.15.3a предполагается увеличить пропускную способность до 480 Мб/с, а в случае спецификации 802.15.3b пропускная способность составит от 100 до 400 Мб/с. Данный стандарт предусматривается под достаточно большие скорости при передачи данных, а, следовательно, устройства, работающие на нем будут иметь высокое энергопотребление.

802.15.4 и Zigbee часто отождествляются, ведь в основе стандарта Zigbee лежит стандарт 802.15.4, однако консорциум ZigBee Alliance внес ряд изменений и расширил его. Стандарт 802.15.4 является открытым и его можно свободно скачать из Интернета и использовать, Zigbee же является наполовину открытым стандартом: так при использовании его в коммерческих целях необходимо вступать в ZigBee Alliance. К минусам данного стандарта можно отнести его закрытость, а также большая область применения, а не «заточенность» под конкретные цели.

Стандарт Bluetooth (802.15.1) на сегодняшний день хорошо развит и применяется для связи мобильных телефонов, КПК, периферии. Однако он не рассчитан на сети с низким энергопотреблением, что существенно ограничивает его распространение в сенсорных сетях. Устройства по стандарту Bluetooth могут объединяться в пикосети (не более 7 на одну сеть). В сети имеется ведущее и ведомое устройство. Для обмена данными используется так называемый нижний ISM-диапазон (Industry, Science and Medicine - промышленный, научный и медицинский) 2,4-2,5 ГГц, который распространен в бытовых приборах и беспроводных сетях. Для использования этих частот лицензия не требуется. Мощность передатчика-кристалла составляет 1 - 2,5 мВт и дальность действия до 10 м, а при увеличении мощности до 100 мВт - 100 м. Данный стандарт мог бы подойти для разработки, однако на рынке не имеются устройства, работающие по данному стандарту с низким энергопотреблением, они только предполагаются к выпуску на рынок.

Стандарт Wibree разработан фирмой Nokia в 2001 году. Wibree предназначен для работы бок о бок с Bluetooth. Он работает в диапазоне 2,4 ГГц с физической скоростью передачи 1 Мбит/с. Основные области применения включают такие устройства, как наручные часы, беспроводные клавиатуры, игрушки и спортивные датчики, где низкое энергопотребление является одним из ключевых требований. Данный стандарт можно отнести к стандарту Bluetooth, поэтому у него имеются такие же недостатки - количество подключаемых устройств ограничено, отсутствуют на рынке модули с низким энергопотреблением.

Сравнительная характеристика некоторых стандартов выглядит следующим образом (Таблица 1).

Таблица 1: Сравнение стандартов беспроводных сетей

Наиболее подходящий стандарт 802.15.4, так как он является открытым, предназначен для низкоскоростных сетей с низким энергопотреблением.

1.2.4 Описание стандарта IEEE 802.15.4

Стандарт 802.15.4 предназначен для организации двух нижних уровней эталонной модели OSI в беспроводной сенсорной сети - физический (PHY) и канальный (подуровень MAC). Эти слои предлагают услуги высшим слоям (Рис. 2). Интерфейсы между слоями служат для определения логических связей. Физический уровень предоставляет две услуги: физическое обслуживание данных и физическое обслуживание управления. Задачи уровня - активация/дезактивация радио- приемопередатчика, выбор канала, определение уровня энергии (energy detection), передача и получение пакетов через физическую среду. MAC уровень предоставляет следующие услуги: обслуживание данных и обслуживание управления на канальном уровне. Задачи уровня - сигнальное управление, доступ к каналу, управление GTS, утверждение пакетов, подтверждение доставки пакетов, соединение (ассоциация) и разъединение (дизассоциация) с устройствами, кроме того обеспечение механизма безопасности

Рис.2 Архитектура уровней

Стандарт определяет протокол и взаимосвязь устройств в следующих трех не лицензируемых радиодиапазонах:

· 868,0 - 868,6 МГц (Европа, один канал);

· 902 - 928 МГц (Северная Америка, всего 10 каналов, шаг центральных частот - 2 МГц, самая нижняя из них - 906 МГц);

· 2450 МГц (остальной мир, всего 16 каналов, шаг центральных частот - 5 МГц, самая нижняя из них - 2405 МГц).

Скорости передачи данных в каналах при этом составляют от 20 Кбит/с (в диапазоне 868 МГц) до 250 Кбит/с (2450 МГц).

В радиоканале использован метод широкополосной передачи с расширением спектра прямой последовательностью (DSSS) и параллельной (PSSS). Вся используемая «широкая» полоса частот делится на некоторое число подканалов. Каждый передаваемый бит информации превращается, по заранее зафиксированному алгоритму, в последовательность из n бит, и эти n бит передаются одновременно и параллельно, используя все n подканалов.

В каждый передаваемый информационный бит (логический 0 или 1) встраивается последовательность так называемых чипов. Чиповые последовательности, встраиваемые в информационные биты, называют шумоподобными кодами (PN-последовательности), что подчеркивает то обстоятельство, что результирующий сигнал становится шумоподобным и его трудно отличить от естественного шума. Благодаря этому можно использовать один и тот же участок радиоспектра дважды - обычными узкополосными устройствами и «поверх них» -- широкополосными.

Модуляция данных - квадратурная фазовая со сдвигом (O-QPSK). Формирование сигнала в квадратурной схеме происходит так же, как и в модуляторе QPSK, за исключением того, что кодирующие биты квадратурной составляющей несущей Q имеют временную задержку на длительность одного элемента Т. Изменение фазы при таком смещении кодирующих потоков определяется лишь одним элементом последовательности, а не двумя. В результате скачки фазы на 180° отсутствуют, поскольку каждый элемент последовательности, поступающий на вход модулятора синфазного или квадратурного канала, может вызвать изменение фазы на 0, 90 или 270° (-90°). Серьезным недостатком фазовой модуляции является то обстоятельство, что при декодировании сигнала приемник должен определять абсолютное значение фазы сигнала, так как в фазовой модуляции информация кодируется именно абсолютным значением фазы сигнала. Для этого необходимо, чтобы приемник имел информацию об «эталонном» синфазном сигнале передатчика. Тогда путем сравнения принимаемого сигнала с эталонным можно определить абсолютный сдвиг фазы.

Все устройства стандарта можно классифицировать по функциональности и по назначению.

По функциональности можно выделить два типа устройств: полнофункциональные (FFD) и полуфункциональные (RFD). Полнофункциональное устройство может соединяться с любым устройством в сети, а полуфункциональные - только с FFD.

По назначению существуют три различных типа устройств ZigBee.

Координатор ZigBee (ZC) -- наиболее ответственное устройство, формирует пути древа сети и может связываться с другими сетями. В каждой сети есть один координатор ZigBee. Он управляет сетью - назначает PAN ID сети, раздает короткие адреса, выбирает частоту.

Маршрутизатор ZigBee (ZR) -- может выступать в качестве промежуточного маршрутизатора, передавая данные с других устройств. Он также может запускать функцию приложения.

Конечное устройство ZigBee (ZED) -- его функциональная нагруженность позволяет ему обмениваться информацией с материнским узлом (или координатором, или с маршрутизатором), он не может передавать данные с других устройств. Такое отношение позволяет узлу львиную часть времени пребывать в спящем состоянии, что позволяет экономить энергоресурс батарей. ZED требует минимальное количество памяти, и поэтому может быть дешевле в производстве, чем ZR или ZC.

Выделяют следующие топологии сети:

· звезда;

· точка-точка (сеть равноправных узлов).

Рис.3 Топология сети

В топологии «звезда» обмен данными происходит между центральным главным контроллером, называемым PAN-координатором и остальными ведомыми устройствами. Он является первичным устройством в сети и поэтому может питаться от стационарного источника.

В топологии «равноправных узлов» также имеется PAN-координатор, однако любое устройство, в отличие от топологии «звезда», может связаться с другим, пока они находятся в пределах друг друга. Таким образом «равноправные узлы» могут образовывать более сложные сетевые образования, например, петлю или кластерное дерево (Рис. 4). В этом случае RFD устройства соединяются с древовидной кластерной схемой как листовое устройство в конце ветви.

Рис.4 Кластерная топология

Все устройства должны поддерживать уникальные 64-разрядные адреса. Эти адреса используются для адресации в пределах данной сети. Чтобы уменьшить трафик сети предусмотрено использование 16-разрядных адресов, назначаемых координатором сети.

В стандарте также определено опциональное использование суперструктуры (superframe). Она определяется координатором и связывается маяками (beacon). Эти маяки передаются в первом слоте каждой суперструктуры. Существует её два вида - с активным и неактивным периодами. В течении неактивного периода координатор может перейти в маломощный режим. Если использовать суперструктуру не обязательно, то координатор перестанет посылать маяки. Маяки служат для синхронизации устройств с PAN-координатором во время соединения. Любое устройство, желающее связаться в течении CAP (период доступа), конкурирует с другими устройствами, используя CSMA-CA механизм. Все транзакции завершаются до следующего маяка. Для приложений, требующих низкий уровень ожидания или требующих пропускную способность для специфических данных, координатор выделяет специальные суперструктуры - гарантированные временные слоты (GTS). GTS формируется в свободный период (CFP), который всегда появляется в конце активной суперструктуры, после CAP.

Упомянутый механизм CSMA-CA работает по принципу прослушивания частот в течение определенного времени и обнаружения свободной частоты для передачи данных. Если канал занят, то узел «отстраняется» и ждет определенное количество времени, прежде чем опять предпринять попытку отправки пакета. Избежание коллизий используется для того, чтобы улучшить производительность CSMA, отдав сеть единственному передающему устройству. Эта функция возлагается на «сжатый сигнал» в CSMA/CA. Улучшение производительности достигается за счёт снижения вероятности коллизий и повторных попыток передачи. Но ожидание «сжатого сигнала» создаёт дополнительные задержки, поэтому другие методики позволяют достичь лучших результатов.

Модель пересылки данных заключает в себе три вида транзакций. Первый вид - передача данных координатору, второй - передача от координатора, третий вид - передача между равными устройствами. В топологии типа «звезда» применяется только первые два вида транзакций, так как данные идут между координатором и устройством. В топологии «равноправных узлов» возможны все три вида транзакций.

Пересылка данных координатору происходит в следующем порядке (Рис. 5):

· устройство ищет маяк, посылаемый координатором. Когда маяк найден устройство синхронизируется;

· далее в определенный момент времени (по механизму CSMA-CA) отправляются сами данные;

· получив данные, координатор отправляет устройству подтверждение об успешном приеме данных.

В случае, если маяк не используется, данные сразу пересылаются координатору по механизму CSMA-CA. При получении данных он также отправляет подтверждение.

Рис.5 Схема передачи данных координатору с использованием и без использования маяка

Пересылка данных от координатора (Рис. 6):

· координатор информирует устройство в маяке о наличии данных;

· устройство, получив маяк, отправляет MAC команду запроса данных;

· в ответ координатор отправляет подтверждение об успешном приеме;

· сразу за подтверждением пересылаются сами данные;

· по прибытию данных устройство отправляет координатору подтверждение об успешном получении.

Если маяк не используется, то координатор накапливает данные и при получении запроса от устройства отправляет их.

Рис.6 Схема передачи данных от координатора с использованием и без использования маяка

При передаче данных между равноправными устройствами данные могут передаваться, как и в первых двух случаях, после синхронизации.

Стандартом определяется четыре типа пакетов:

· сигнальный пакет (beacon frame), используемый координатором, чтобы передавать маяки;

· пакет данных (data frame), используемый для передачи данных;

· пакет подтверждения (acknowledgment frame), используемый для подтверждения успешного приема;

· командный пакет, используемый для управления объекта MAC.

Сигнальный пакет имеет следующую структуру (Рис. 7).

Рис.7 Структура сигнального пакета

Пакет данных имеет следующую структуру (Рис. 8).

Рис.8 Структура сигнального пакета

Пакет подтверждения имеет следующую структуру (Рис. 9).

Рис.9 Структура пакета подтверждения

Командный пакет имеет следующую структуру (Рис. 10).

Рис.10 Структура командного пакета

Для проверки целостности пакета в нем содержится так называемая контрольная сумма (16-битное поле FCS). Алгоритм вычисления контрольной суммы носит название циклического избыточного кода (CRC). Для получения контрольной суммы, необходимо сгенерировать полином G(x). Основное требование к полиному: его степень должна быть равна длине контрольной суммы в битах. При этом старший бит полинома обязательно должен быть равен «1». Из файла берется первое слово. Если старший бит в слове "1", то слово сдвигается влево на один разряд с последующим выполнением операции XOR. Соответственно если старший бит в слове "0", то после сдвига операция XOR не выполняется. После сдвига (умножения) теряется старый старший бит, а младший бит освобождается (обнуляется). На место младшего бита загружается очередной бит из файла. Операция повторяется до тех пор, пока не загрузится последний бит файла.

После прохождения всего файла, в слове остается остаток, который и является контрольной суммой.

В данном стандарте 802.15.4 предусматривается защита данных с помощью симметричных ключей шифрования. Криптографический механизм предусматривает:

· конфиденциальность данных (передаваемая информация известна только тем, кому она предназначена);

· подлинность данных (защита от изменения данных в пути);

· дублирование данных (повторная передача данных).

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:

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.

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 tр 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).

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;

1. 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.

1.3.4 Выбор средства моделирования

Наиболее перспективными в плане дальнейшей поддержки и развития представляются модели open-zb и Castalia. Особое внимание необходимо обратить на модель Castalia, поскольку команда разработчиков изначально ставила перед собой задачу смоделировать все аспекты работы беспроводных сенсорных сетей, её исходный код является открытым и, что особенно важно, среда моделирования на основе, которой она построена, имеет также открытый исходный код и распространяется бесплатно для некоммерческого использования.

Модель же open-zb, к сожалению, построена на базе очень дорогого коммерческого продукта OPNET Modeler 10.5 и выше, бесплатного только для университетов США.

Таблица 5: Основные возможности рассмотренных моделей БСС

Для достижения поставленной цели дипломного проектирования необходимо выбрать средство имитационного моделирования по следующим критериям и определить наиболее подходящее:

Таблица 6: Выбор наилучшей модели БСС

1.3.5 Выводы

Так как планируется некоммерческое использование средства моделирования, то программный комплекс OPNET Modeler не подходит из-за дороговизны. Network Simulator NS-2 не подходит из-за несоответствия спецификации ZigBee. Программный комплекс OMNET++ и Castalia являются наилучшим вариантом. Базируясь на ОС Linux так же портированы и на OS Windows.

В данном проекте использована версия OMNET++ 4.1 и Castalia 3.1 для OS Linux. Использовалась версия Ubuntu 10.10.

1.4 Моделирование БСС

1.4.1 Программно-графическое представление сети

В графическом редакторе OMNET++ беспроводная сенсорная сеть Castalia представлена следующим образом (в Приложении 1 приведен код, описывающий БСС):

· SN - имя сети (используется для моделирования);

· wirelessChannel - модуль беспроводного канала;

· node[numNodes] - модуль элементов сети;

· physicalProcess[numPhysicalProcesses] - модуль физических процессов.

Рис. 15 Структура БСС

Элемент Node описывает каждую рабочую станцию и имеет настраиваемый параметр numNodes, который определяет количество станций в сети.

Каждая станция состоит из следующих модулей (в Приложении 2 приведен код, описывающий модуль Node):

· Node - имя сети (используется для моделирования);

· Communication - модуль связи;

· SensorManager - модуль, описывающий количество датчиков;

· ResourceManager - модуль потребляемых ресурсов;

· Application - модуль приложений;

· MobilityManager - модуль мобильности узлов.

Рис. 16 Модуль Node

Модуль связи имеет следующую структуру (в Приложении 3 приведен код, описывающий модуль CommunicationModule):

· Radio - модуль радиоканала;

· MAC - модуль физического уровня;

· Routing - модуль маршрутизации.

Рис. 17 Модуль CommunicationModule

Все элементы необходимы для работы и их удаление или изменение может привести к не правильной симуляции сети или к ошибке.

1.4.2 Создание конфигурационного файла

Для моделирования сети необходимо создать файл конфигурации omnetpp.ini:

[General]

network = SN

include ../Parameters/Castalia.ini

sim-time-limit = 3600s

SN.numNodes = 20

SN.node[*].Communication.MACProtocolName = "Mac802154"

SN.node[*].Communication.MAC.isFFD = true

SN.node[0].Communication.MAC.isPANCoordinator = true

SN.node[*].Communication.MAC.phyDataRate = 1024

SN.node[*].Communication.MAC.phyBitsPerSymbol = 2

SN.wirelessChannel.pathLossMapFile = "../Parameters/WirelessChannel/BANmodels/pathLossMap.txt"

SN.wirelessChannel.temporalModelParametersFile = "../Parameters/WirelessChannel/BANmodels/TemporalModel.txt"

SN.node[*].ApplicationName = "ThroughputTest"

SN.node[*].Application.startupDelay = 1

SN.node[*].Communication.Radio.RadioParametersFile = "../Parameters/Radio/BANRadio.txt"

SN.node[*].Communication.Radio.TxOutputPower = "-25dBm"

Файл конфигурации начинается с раздела [General]. В нем указываются общие параметры для всех сценариев (в данном случае используется всего один сценарий). Перед моделированием сети необходимо определить следующие параметры:

· количество станций (numNodes);

· время симуляции (sim-time-limit);

· настройки протокола канального уровня (Communication.MAC);

· сервер приложений (Application);

· настройки радиоканала (Communication.Radio).

Моделирование будет проводиться для 20 устройств (SN.numNodes = 20) в течении одного часа (sim-time-limit = 3600s). Все устройства используют в качестве протокола канального уровня протокол IEEE 802.15.4 (SN.node[*].Communication.MACProtocolName = "Mac802154"). Для него есть несколько дополнительных параметров:

· функциональность устройства (Communication.MAC.isFFD);

· кто PAN-координатор (Communication.MAC.isPANCoordinator);

· скорость передачи данных (Communication.MAC.phyDataRate);

· количество битов в символе (Communication.MAC.phyBitsPerSymbol);

В сети все устройства являются полнофункциональными (SN.node[*].Communication.MAC.isFFD = true), для удобства первую станцию сделаем PAN-координатором (SN.node[0].Communication.MAC.isPANCoordinator = true), скорость передачи данных будет равнять 1024 символа/сек, (SN.node[*].Communication.MAC.phyDataRate = 1024), в одном символе будет передаваться 2 байта информации (SN.node[*].Communication.MAC.phyBitsPerSymbol = 2).

Так же необходимо указать настройки для беспроводного канала (wirelessChannel) (устанавливаются по умолчанию):

SN.wirelessChannel.pathLossMapFile="../Parameters/WirelessChannel/BANmodels/pathLossMap.txt"

SN.wirelessChannel.temporalModelParametersFile="../Parameters/WirelessChannel/BANmodels/TemporalModel.txt".

Сервер приложений определяет пропускную способность канала (SN.node[*].ApplicationName = "ThroughputTest") и задержку перед отправкой пакета (SN.node[*].Application.startupDelay = 1) (в секундах).

Для радиоприемопередатчика устанавливается файл входных данных по умолчанию (SN.node[*].Communication.Radio.RadioParametersFile = "../Parameters/Radio/BANRadio.txt") и мощность передатчика устанавливается в -25 dB (SN.node[*].Communication.Radio.TxOutputPower = "-25dBm") (умолчание для беспроводных маломощных сетей).

1.4.3 Моделирование сети

Для моделирования сети в терминале вводим команду:

alex@alex:~$ cd omnetpp41/samples/diplom/Simulations/dipl

для перехода в директорию, содержащую файл конфигурации omnetpp.ini.

Следующая команда отображает все доступные сценарии:

alex@alex:~/omnetpp41/samples/diplom/Simulations/dipl$ Castalia

List of available input files and configurations:

* omnetpp.ini

General

В данном случае это сценарий General. Для моделирования сети запускаем его (все данные моделирования будут записаны в выходной файл gen.txt):

alex@alex:~/omnetpp41/samples/diplom/Simulations/dipl$ Castalia -c [General] -o gen.txt

Running configuration 1/1

В графическом режиме топология сети будет выглядеть следующим образом:

Рис. 18 Топология сети

Для просмотра собранной статистики запускаем скрипт CastaliaResults (статистика отразится в файле gen.txt):

alex@alex:~/omnetpp41/samples/diplom/Simulations/dipl$ CastaliaResults -i gen.txt

Таблица 7: Статистика сети

Статистика в сети собирается для каждой станции по следующим модулям:

· модуль канального уровня (Communication.MAC);

· модуль радиоприемопередатчика (Communication.Radio);

· модуль потребляемых ресурсов (ResourceManager);

· модуль беспроводного канала (wirelessChannel).

Для модуля канального уровня определены следующие параметры:

· время без соединения с PAN-координатором (Fraction of time without PAN connection) (в секундах);

· количество принятых маяков (Number of beacons received);

· количество переданных маяков (Number of beacons sent).

В модуле радиоприемопередатчика используются два параметра:

· статистика Rx пакетов;

· статистика Tx пакетов.

Модуль потребляемых ресурсов показывает количество затраченной каждой станцией энергии (в мАч).

Модуль беспроводного канала отображает степень затухания сигнала в зависимости от частоты несущего сигнала.

Смоделировав сеть, перейдем к рассмотрению энергопотребления каждой из станций. Для просмотра статистики вводим в терминале следующую команду:

alex@alex:~/omnetpp41/samples/diplom/Simulations/dipl$ CastaliaResults -i gen.txt -s energy -n

ResourceManager:Consumed Energy

Таблица 8: Энергопотребление в час

Для удобства представим полученные данные графически:

alex@alex:~/omnetpp41/samples/diplom/Simulations/dipl$ CastaliaResults -i gen.txt -s energy -n | CastaliaPlot -o energy.jpg -s histogram

Рис. 19 Энергопотребление

Рассчитаем максимальное время работы каждого устройства.

Для подсчета энергопотребления Castalia использует данные с сайта [http://www.allaboutbatteries.com/Energy-tables.html]: одна батарейка AA имеет емкость 2122 мАч. Следовательно, максимальное время работы (в часах), при использовании двух батареек AA, каждой станции составляет:

Таблица 9: Максимальное время работы

Работа скрипта Castalia Работа скриптов CastaliaResults и CastaliaPlot

Рис. 20 Структура работы системы

1.4.4 Выводы

Из таблицы 9 видно что максимальное время работы некоторых устройств составляет 173 часа, а минимальное - 130 часов.

130 часов это максимальное время работы PAN-координатора, когда это устройство закончит работать, работоспособность сети прекратится. Для обеспечения полной функциональности сети необходимо заменять батарейки во всех устройствах через 130 часов.

1.5 Расчет надежности системы

Для разрабатываемого программного обеспечения необходимо определение следующих свойств:

· завершенность;

· устойчивость;

· восстанавливаемость;

· доступность или готовность.

1.5.1 Завершенность

Завершенность - свойство программного обеспечения (ПО) не попадать в состояния отказов вследствие ошибок и дефектов в программах и данных. Данное свойство ПО определяется через такие показатели как наработка на ошибку и степень покрытия ПО тестами функций и структуры программы.