Моделирование работы беспроводной сети на основе протокола ZIGBEE

1. Вначале соединяем координатор со всеми его соседями.
2. К присоединённым соседям-маршрутизаторам подсоединяем их соседей.³
3. Повторяем пункт 2 пока все узлы не будут соединены.

      Можно сделать оценку числа  сверху. Рассмотрим произвольную вершину графа . Пусть — множество соседей вершины и состоит из элементов. Для того чтобы требуется, чтобы в каждый момент времени хотя бы один из её соседей был маршрутизатором или координатором: . 
Если , то это условие всегда выполняется. Если , то с учётом , удовлетворить условию можно только если . Поскольку выбор был произволен, то , причём определяется из условия . В итоге получаем

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

      В реальных условиях эта оценка оказывается  завышенной. Так, например, для графа, представляющего собой прямоугольную сетку, узлы которой являются вершинами графа, оценка (3.5) даёт если разрешены связи по горизонтали, вертикали и диагонали, в то время как алгоритм позволяет найти только 2 независимых набора .

3. Модификация протокола сетевого уровня

      Для реализации вышеописанной идеи требуется  централизованное управление распределением ролей. Эту задачу решает координатор. При этом ему необходимы полные данные о графе .

      Для получения этих данных после построения в стандартном режиме ZigBee, произвольной топологии сети, включающей все устройства, нужно чтобы каждое устройство в течение одного интервала между маяками прослушивало эфир. Поскольку в стандартном режиме ZigBee все устройства посылают маяки, то таким образом будет установлена полная матрица смежности графа . Остаётся только отправить данные с каждого из узлов на координатор.

      После чего на координаторе запускается алгоритм распределения ролей. Он указывает координатору топологию сети, которая должна быть построена.

      Дальнейший  принцип поведения справедлив как  для координатора, так и для  любого маршрутизатора, который узнаёт структуру поддерева, за которую  он отвечает.

      Зная  набор адресов  узлов, которые должны быть подчинёнными маршрутизатору, и набор адресов своих текущих подчинённых, маршрутизатор делит узлы на 4 категории:

• узлы из , которые остаются подчинёнными;
• узлы из , которые необходимо подсоединить к себе;
• узлы из , с которыми необходимо разорвать соединение;
• все остальные узлы, которые не следует присоединять к себе.

Далее маршрутизатор разрывает связи с узлами из , при помощи сообщения о переходе сети в режим построения фиксированной топологии. Если узел получает такое сообщение, то он передаёт его своим подчинённым, отсоединяется и начинает сканировать эфир в поисках маяка, в котором указан его адрес.

      Для подсоединения к себе узлов из , маршрутизатор добавляет в каждый отправляемый им кадр маяка адреса этих узлов.

      Узлам из маршрутизатор сообщает о переходе сети в новый режим другим способом — рассылкой сообщений специального типа, содержащих структуру поддерева, за которую и будет отвечать принимающий узел. Такое сообщение посылается также и присоединившимся узлам из множества . Каждый маршрутизатор получает ровно одно сообщение этого типа⁴ за всё время построения топологии. Это обстоятельство особенно важно для того, чтобы не загружать сеть лишней рассылкой данных непосредственно из координатора.

      Структуру дерева несложно закодировать в строку (или последовательность байт), например, по правилу, понятному из Рис. 3.2. Строки соответствующие поддеревьям, очевидно, получаются как подстроки этой строки.

  Рис. 3.2. Кодирование топологии сети строкой.

      При получении сообщение содержащего  структура поддерева, узел начинает действовать по тому же самому принципу поведения, описанному выше. И так  продолжается пока не будет построено  всё требуемое дерево топологии.

4. Испытания стабильности работы стандартной ZigBee сети в быстром режиме

1. Цели эксперимента

      Главной целью испытания являлось определение стабильности работы сети в ускоренном режиме в реальных условиях. Исследовалась зависимость стабильности сети от загруженности эфира. Также

2. Параметры сети

      Узлы (20 штук, включая координатор) были размещены по зданию института ИТМиВТ. Параметры сети представлены в Табл. 4.1.

  Табл. 4.1. Параметры испытываемой сети

      Основной  параметр ( ) был выбран таким, поскольку сеть с меньшим значением и числом узлов большим 10 становилась абсолютно не стабильной.

3. Первое  испытание (4-5 июня 2007 г.)

      Узлы  были размещены в одном крыле  здания на трех этажах. Приблизительная  структура потенциально возможных связей (см. Рис. 4.1), была построена на основе сообщений о присоединении узлов к сети. Эта информация может быть неполной, так как узлы всегда присоединяются к маршрутизатору с минимальной глубиной, и некоторые потенциально существующие связи могли быть ни разу не использованы.

      Определение соседей каждого узла с помощью  сниффера также не принесло удовлетворительных результатов, так как в процессе эксперимента наблюдалась ситуация, когда узел был подключен к сети, а сниффер, расположенный рядом с ним не принимал маяки родительского узла с достаточной для соединения стабильностью. Кроме того, из-за разных алгоритмов расчета качества связи (LQI) на сниффере и в используемых устройствах, по показаниям сниффера невозможно определить, является ли отдаленный узел потенциальным соседом данного.

Рис. 4.1. Структура потенциально возможных связей.

В результате испытания был получены данные представленные в Табл. 4.2.

Табл. 4.2. Зависимость параметров топологии сети от времени.

4. Второе  испытание (7-9 июня 2007 г.)

      Первое  испытание показало неудовлетворительную стабильность, и для проверки гипотезы о влиянии проблемы скрытой станции, была запущена сеть из 12 узлов, находящихся вблизи друг друга.

      Испытание состояло из нескольких запусков, все узлы находились в одной комнате. Запуск сети произошёл в 18 часов 7 июня. После первичного построения топологии, она была стабильна в течение 2 часов. В 18:25 произошло 5 изменений в течение минуты из-за отказа узла №13 (села батарейка). Далее 9 часов стабильности топологии. В 05:20 — 4 изменения в течение минуты из-за отказа узла №14. Далее 3 часа стабильной работы. В 08:00 — 12 изменений в течение часа. 2,5 часа стабильной работы. С 11:00 до 14:00 — 17 изменений топологии. Демонстрация сети началась в 15 часов (9 узлов). За 20 минут демонстрации 62 изменения топологии. Среднее время стабильности 20 с.

5. Исследование  связи загруженности эфира и стабильности сети

      В период с частыми топологическими изменениями сети и в период высокой стабильности измерялись уровень энергии на канале и доля испорченных пакетов. Измерения происходили в следующие периоды:

• с 18:30 до 19:30 (произошло 185 изменений топологии.);
• с 01:30 до 11:30 (не отмечено ни одного спонтанного перестроения).

Средний уровень энергии на канале в первом случае составил 30,78, во втором — 3,24. Средняя доля испорченных пакетов, зафиксированная сниффером в первом случае, составила 20%, во втором — 0,3%.

6. Выводы

      С учетом данных измерений, а также  показанной несколькими десятками  наблюдений связанности времени суток со стабильностью, можно сделать вывод о сильном влиянии помех (в основном, видимо, институтской Wi-Fi сети) на стабильность сенсорной сети.

      При работе узлов вблизи друг друга, сеть оказалась несколько более стабильной, чем в распространенном режиме. Возможно это связано с тем, что второе испытание проводилось с меньшим количеством узлов, а также нельзя исключать возможность влияния проблемы скрытой станции в реальных условиях. Однако влияние этих факторов представляется малым по сравнению с помехами в эфире, и требует дополнительных исследований в благоприятной помеховой обстановке.