Αναφορά προόδου για το projet στο µάθηµα Ασύρµατα Ηλεκτρονικά Τηλεπικοινωνιακά Συστήµατα. Εκφώνηση του projet Β. Πειραµατική ανάπτυξη απλού πρωτοκόλλου ασύρµατης επικοινωνίας σε ασύρµατο ηλεκτρονικό τηλεπικοινωνιακό σύστηµα. Η οµάδα που θα επιλέξει το συγκεκριµένο θέµα θα εργαστεί πάνω σε ένα σετ των δύο or ανάπτυξης µε σκοπό την εξοικείωση µε την χρήση και τον προγραµµατισµό τους και απώτερο στόχο την υλοποίηση και επαλήθευση της λειτουργίας ενός απλού πρωτοκόλλου επικοινωνίας για αυτά τα συστήµατα. Περιγραφή Τα ors διαθέτουν µικροεπεξεργαστή της σειράς Atmeg διασυνδεδεµένο µε trnseiver της σειράς CC40 της Chipon καθώς και interfes για διασύνδεση µε ένα host p ώστε να εξυπηρετείται ο προγραµµατισµός και ο έλεγχος της λειτουργίας τους. Στην οµάδα στην οποία θα ανατεθεί η συγκεκριµένη εργασία θα δοθεί επίσης υποστήριξη που θα περιλαµβάνει τα εγχειρίδια χρήσης των ors ο κώδικας του πρωτοκόλλου ΙΕΕΕ80.15.4 καθώς επίσης και tutorils που θα τους βοηθήσουν στον προγραµµατισµό τους. Σε πρώτη φάση η οµάδα θα πρέπει: 1. να µελετήσει εγχειρίδια χρήσης και tutorils ώστε να εξοικειωθεί µε τις βασικές λειτουργίες και δυνατότητες του τηλεπικοινωνιακού συστήµατος που διαθέτουν. Επίσης θα πρέπει να µελετήσει και εξοικειωθεί µε το ΙΕΕΕ80.15.4. να «φορτώσει» τα ors µε το πρωτόκολλο ΙΕΕΕ80.15.4 καθώς και έτοιµες εφαρµογές που θα τους δοθούν. Η οµάδα σε αυτήν την φάση θα πρέπει να είναι σε θέση να χειρίζεται τα ors και τις εφαρµογές και να καταγράψει συµπεράσµατα και παρατηρήσεις 3. να «φορτώσει» τα ors µε το πρωτόκολλο που θα σχεδιάσει η οµάδα ή οµάδες που θα αναλάβει το Β1. Να πειραµατιστεί µε τη λειτουργία του και να καταγράψει συµπεράσµατα και παρατηρήσεις. Παραδοτέα 1. Ολιγοσέλιδη αλλά πλήρη αναφορά για τα και 3. Ο κώδικας του προγραµµατισµού των ors για το 3. 1
Πρόοδος εργασίας Αναµένεται ότι οι οµάδες που έχουν αναλάβει το θέµα Β των ασκήσεων του µαθήµατος έχουν ήδη: µελετήσει τα εγχειρίδια χρήσης και τα tutorils και έχουν εξοικειωθεί µε τις βασικές λειτουργίες και δυνατότητες του τηλεπικοινωνιακού συστήµατος που διαθέτουν. Επίσης έχουν µελετήσει και εξοικειωθεί µε το ΙΕΕΕ80.15.4 «φορτώσει» εκτελέσει και πειραµατιστεί µε έτοιµες εφαρµογές που τους έχουν δοθεί. Εποµένως σε αυτήν την φάση οι οµάδες αυτές πρέπει να είναι σε θέση να χειρίζονται τα ors και τις συνοδευτικές εφαρµογές τους ώστε να καταγράψουν συµπεράσµατα και παρατηρήσεις. Ζητούµενα Ζητούµενο σε αυτήν τη φάση είναι το παραδοτέο 1 που ορίζεται στην εκφώνηση του projet. Πιο συγκεκριµένα οι οµάδες που έχουν αναλάβει το Β θα πρέπει να παραδώσουν ολιγοσέλιδη αναφορά που όµως θα απαντάει επαρκώς στα ερωτήµατα που δίνονται παρακάτω. Σηµειώνεται ότι σκοπός είναι να εκτιµηθεί η ευκολία και η αξιοπιστία µε την οποία οι χρήστες αλλά και οι προγραµµατιστές εφαρµογών του ασύρµατου τηλεπικοινωνιακού συστήµατος που σας δίνεται µπορούν να επιβεβαιώσουν συγκεκριµένα χαρακτηριστικά του καθώς και την ορθή του λειτουργία. Για αυτό δεν θα αξιολογηθούν τόσο αυτά κάθε αυτά τα αποτελέσµατα των µετρήσεων σας και οι αποκλίσεις τους από τις ονοµαστικές τιµές όσο η µεθοδολογία που ακολουθήθηκε και η προσπάθεια που έγινε ώστε να εξασφαλιστεί η σε όσο το δυνατόν µεγαλύτερο βαθµό αξιοπιστία των µετρήσεων. Γι αυτό δώστε ιδιαίτερη προσοχή στην πειραµατική διαδικασία και αξιοποιήστε τις γνώσεις που αποκοµίσατε από τα θεωρητικά θέµατα που αναλύθηκαν στις διαλέξεις του µαθήµατος. Ερωτήµατα A. Ποια είναι η εµβέλεια µετάδοσης του CC40: o σύµφωνα µε τα τεχνικά χαρακτηριστικά του συστήµατος έτσι όπως τα δίνει ο κατασκευαστής; o Προσπαθήστε να µετρήσετε την εµβέλεια και πειραµατικά. Για το σκοπό αυτό θα σας βοηθήσει η εφαρµογή rf_link_le. Εργαστείτε σε ανοικτό χώρο όπου πιθανόν να περιορίζονται οι παρεµβολές και οι ανακλάσεις. Για αυτό το σκοπό θα τροφοδοτήσετε τα CC40 µε ειδικές µπαταρίες θα σας δοθούν. Κάντε περισσότερες από µία µετρήσεις και βγάλτε έναν µέσο όρο ώστε να περιορίσετε το πειραµατικό λάθος. o Στην αναφορά σας θα περιγράψετε το χώρο στον οποίον εργαστήκατε. Θα σχολιάστε σχετικά µε τις πηγές του θορύβου που µπορεί να επηρεάζουν τη µετάδοση στο συγκεκριµένο χώρο. Θα καταγράψετε τις παρατηρήσεις σας µετρήσεις και το µέσο όρο. Πόση είναι η απόκλιση µεταξύ της τιµής που δίνει ο κατασκευαστής και αυτής που µετρήσατε πειραµατικά; Πού πιστεύεται ότι οφείλεται; Σχολιάστε σχετικά.
B. Για την προσπέλαση στο µέσο το 80.15.4 χρησιµοποιεί το µηχανισµό CSMA/CA που στην ουσία είναι µέθοδος «χειραψίας». 1. Περιγράψτε τη διαδικασία µετάδοσης ενός απλού πακέτου έτσι όπως ορίζεται στο κείµενο του πρωτοκόλλου.. Στο περιβάλλον του εργαστηρίου και µε τη χρήση του CC40 Pket Sniffer καταγράψτε την ανταλλασσόµενη πληροφορία και επιβεβαιώστε ότι η λειτουργία του συστήµατος είναι συνεπής µε το κείµενο του πρωτοκόλλου. 3. Επαναλάβετε τα βήµατα 1- για την περίπτωση µετάδοσης ενός µηνύµατος που απαιτεί τον τεµαχισµό του σε περισσότερα του ενός πακέτα. 4. Ποιο είναι το µέγιστο µέγεθος πακέτου που ορίζει το πρωτόκολλο; Είναι συνεπής µε το πρωτόκολλο η υλοποίηση του κατασκευαστή; 5. Επαναλάβετε το και για την περίπτωση της εκκίνησης δικτύου. µετάδοση eons από oorintor snning για πιθανούς oorintors για τους νέους κόµβους ανακάλυψη oorintor και αίτηση συσχέτισης κλπ. C. Ταχύτητα µετάδοσης o Ποια η ταχύτητα µετάδοσης που ορίζει το πρωτόκολλο; Ποια η ταχύτητα µετάδοσης που δίνει ο κατασκευαστής; Μετρήστε πειραµατικά την ταχύτητα µετάδοσης του πρωτοκόλλου χρησιµοποιώντας µια απλή εφαρµογή µετάδοσης αρχείων και συγκρίνετε την µε την ονοµαστική καθώς και µε αυτήν που ορίζει το πρωτόκολλο. Περιγράψτε τη διαδικασία που ακολουθήσατε και σχολιάστε σχετικά µε την αξιοπιστία της µεθόδου σας. D. Εντοπισµός θέσης κόµβου µε RSSI. Επιθυµούµε να ερευνήσουµε το κατά πόσο είναι σε πρώτη φάση δυνατόν και έπειτα αξιόπιστο να εντοπίσουµε στο χώρο έναν ασύρµατο 80.15.4 ποµπό από την πληροφορία που µεταδίδει δηλαδή µόνο από την εκποµπή του. Για το σκοπό αυτό θα πειραµατιστείτε µε µία τεχνική που ονοµάζεται tringultion vi RSSI ltertion. Η τεχνική αυτή αναλύεται στο Παράρτηµα συνοπτικά µόνο αναφέρεται ότι πάντα µπορούµε να εντοπίσουµε ένα αντικείµενο στο τρισδιάστατο καρτεσιανό χώρο κάθε σηµείο του χώρου αυτού ορίζεται από συντεταγµένες αν γνωρίζουµε την απόστασή του από τέσσερα 4 σηµεία αναφοράς των οποίων οι θέσεις θεωρούνται γνωστές. Για τον σκοπό αυτό χρειαζόµαστε ένα χαρακτηριστικό της µετάδοσης που επηρεάζεται από την απόσταση της µετάδοσης. Θεωρούµε ότι η ισχύς του λαµβανόµενου σήµατος είναι ένα τέτοιο χαρακτηριστικό καθώς ως γνωστόν το σήµα εξασθενεί κατά τη µετάδοσή του στον αέρα ή το κενό και µάλιστα η εξασθένηση είναι ανάλογη του τετραγώνου της απόστασης. Εποµένως µετρώντας την ισχύ λήψης ενός πακέτου από τέσσερα διαφορετικά σηµεία αναφοράς θα είµαστε θεωρητικά σε θέση να εκτιµήσουµε τη θέση του ποµπού. Τα CC40 όπως και όλοι σχεδόν οι σύγχρονοι trnseivers ενσωµατώνουν δυνατότητα ένδειξης της ποιότητας της λήψης ενός πακέτου LQI Link Qulit Inition προς τα ανώτερα δικτυακά στρώµατα. Για την εκτίµηση του LQI σύµφωνα µε το πρωτόκολλο ο κόµβος χρησιµοποιεί και την ισχύ του σήµατος όπως αυτή µετράται από τον λαµβανόµενο trnseiver µέσω της energ etetion δυνατότητας που διαθέτει. 3
Προφανώς το LQI µειώνεται µε την απόσταση και µάλιστα µειώνεται µε όλο και µεγαλύτερο ρυθµό για αποστάσεις µακριά από τον ποµπό. Εποµένως µας προσφέρει ένα µέσο για να εκτιµήσουµε απόσταση. Προφανώς υπάρχει µία σχέση ανάµεσα σε LQI και απόσταση η σχέση αυτή περιγράφεται στο παράρτηµα ωστόσο σας αρκεί ένα πίνακας συσχέτισης τιµών LQI σε RSSI και έπειτα σε απόσταση όπως είναι ο ακόλουθος: RSSI reing Distne epete 55 01 m 116 73 m 40 89 m 0 94 m o Παράγετε έναν πίνακα αντιστοίχησης τιµών RSSI σε αποστάσεις όπως ο παραπάνω ακολουθώντας της εξής διαδικασία: 1. Εργαστείτε σε χώρο χωρίς πολλά αντικείµενα και πηγές θορύβου. Συνδέστε ένα 40DK µε έναν υπολογιστή που τρέχει το Pket Sniffer.. Χωρίστε την απόσταση από 0 έως 10 µέτρα σε 10 ισοµεγέθη µήκη µε σηµεία τα οποία προφανώς θα απέχουν 1 µέτρο. 3. Τοποθετήστε έναν ποµπό 40DB στα σηµεία n 0 1 για n 01...10 - σε µέτρα και ενεργοποιήστε το 40DB ώστε να εκτελέσει µετάδοση µικρού αριθµού πακέτων η απλή επαναλαµβανόµενη µετάδοση των eons όταν δεν υπάρχει άλλος κόµβος εντός εµβέλειας είναι αρκετή. Καταγράψτε τις τιµές LQI που δείχνει το Pket Sniffer και αποδώστε στο σηµείο n 01 την τιµή του µέσου όρου τους. 4. Επαναλάβετε το 3 για κάθε n 110. Όταν θα έχετε ολοκληρώσει την παραπάνω διαδικασία θα έχετε στη διάθεσή σας τον πίνακα αντιστοίχησης LQI σε αποστάσεις που θα σας χρησιµεύσει στη συνέχεια. o Τώρα πειραµατιστείτε στον υπολογισµό της θέσης κόµβων ακολουθώντας την εξής διαδικασία: 1. Θεωρώντας ένα συγκεκριµένο σηµείο του χώρου που βρίσκεστε ως αρχή των αξόνων του συστήµατος συντεταγµένων δηλαδή το 000 τοποθετήστε ένα 40DB σε κάποιο σηµείο του οποίου γνωρίζετε τη θέση π.χ. 31 αλλά θα εργαστείτε προκειµένου να υπολογίσετε και πειραµατικά.. συνδέστε ένα 40DK µε έναν υπολογιστή που τρέχει το Pket Sniffer και τοποθετήστε το επίσης σε θέση της οποίας γνωρίζετε τις συντεταγµένες σύµφωνα µε το σηµείο 0 0 0 που έχετε επιλέξει. 3. Ενεργοποιήστε το 40DB ώστε να εκτελέσει µετάδοση µικρού αριθµού πακέτων η απλή επαναλαµβανόµενη µετάδοση των eons όταν δεν υπάρχει άλλος κόµβος εντός εµβέλειας είναι αρκετή 4
4. Καταγράψτε τις µετρήσεις LQI που κάνει το pket sniffer για το συγκεκριµένο αριθµό πακέτων και θεωρήστε ως µέτρηση για τη συγκεκριµένη θέση το µέσο όρο τους. 5. Αλλάξτε θέση στο 40DK και επαναλάβετε τα βήµατα 1-4. Η διαδικασία αυτή θα πρέπει να γίνει συνολικά τέσσερις φορές. ***Παρατηρήσεις: Προσπαθήστε ώστε οι µετρήσεις από διαφορετικά σηµεία να µη γίνονται από σηµεία που είναι πολύ κοντά µεταξύ τους. Οι ανακλάσεις ενός σήµατος σε επίπεδες επιφάνειες έρχονται και προστίθενται στην ισχύ ενός επόµενου λαµβανόµενου σήµατος. Ο χώρος του εργαστηρίου περιέχει πολλά αντικείµενα και εποµένως πολλαπλές ανακλαστικές επιφάνειες. Αν µπορείτε κάντε τις µετρήσεις στο χώρο ακριβώς έξω από το εργαστήριο ή ακόµα καλύτερα σε κάποιον ανοικτό υπαίθριο χώρο. o Εκτελέστε τη διαδικασία που περιγράφεται από τα 1 5 για εκποµπή από τρία διαφορετικά «άγνωστα σηµεία». Καταγράψτε στην αναφορά σας όλες τις µετρήσεις LQI αλλά και τον µέσο όρο για κάθε διαφορετική θέση του 40DK. Χρησιµοποιείστε τη µέθοδο που περιγράφεται στο παράρτηµα για να υπολογίσετε τη θέση των τριών «αγνώστων σηµείων». Συγκρίνεται για κάθε «άγνωστο» σηµείο την πειραµατικά υπολογισµένη θέση του µε την πραγµατική του θέση. Υπολογίστε το σφάλµα στη µέτρηση και σχολιάστε. 5
Παράρτηµα Tringultion through RSSI ltertion Introutor RSSI lolition metho is se on the RF fiel s griene whih is minl ue to the RF signls ttenution while propgting in the trnsmission mei. So reeive signl s power is ifferent thn the power it ws initill trnsmitte most ommonl smller n it gets smller with the trnsmission istne. This is euse signl s ttenution is getting igger s the istne tht the signl flies through the mei is growing. Signl s ttenution is mesure through n RSSI mesurement proess performe the trnseivers. RSSI stns for Reeive Signl Strength Initor. It is pilit tht lmost ll urrent RF reeivers otin n it is lso n option of the Chipon CC40 trnseivers we use. Eh trnseiver tht is equippe with RSSI pilit n tull mesure the power with whih ever signl is reeive. So RSSI pilit provies us with Signl Strength Inition n therefore enles us to estimte the istne of signl s soure if we know the strength power with whih the signl ws initill trnsmitte n the power to istne lw. This lw hs formul of this tpe: Figure 1 Therefore we n use this formul so s to estimte the istne etween the trnsmitting trnseiver n the reeiving one. So knowing the istne etween trnsmitter n t lest four reeivers 1 enles us lote fin the 3 oorintes of the trnsmitter soure herefter. This is epline in more etil in the setion Tringultion through ltertion tht follows on this oument. Tringultion through ltertion This setion esries the w trnsmitter s oorintes re ompute through four istne estimtions. 1 We n lws lote n point in the 3 spe knowing its istnes from four other referene points tht we hppen to know their lotions. 6
7 For two points A n X in the 3D spe their istne is provie the formul: or So for the four given points in the 3D spe A B C n D whih we hppen to know their oorintes n nother point X with istnes BX CX n from the known points A B C n D respetivel we hve: 4 3 1 CX BX We n now epn eh of the equtions from 1 to 4. Let s o it for eqution 1: 5 1 Doing tht for ever eqution results in the eqution sstem: A CX BX We n see tht in this eqution sstem ever eqution hs three unknown vriles long with their powers of two. Solving suh eqution sstem is not es t ll. However sutrte the fourth eqution from the rest three we n see tht the powers of the unknown vriles n e eliminte thus mking the sstem liner one. For emple sutrting eqution 4 from eqution 1 eqution 1 eomes: Or: Let:
8 CX BX Then the first three of the equtions mke up the sstem: B This is liner 33 sstem tht is represente s following: * n n e solve with n of the known methos like for emple QR ftorition. Rising issues Tringultion through RSSI ltertion s esrie till now rises the following issues: 1. Signls reflet to wlls metls n hr surfes of the environment using unesire phenomen like showing n multipth interferene. Effetive ountermesures ginst suh phenomen will ssure sfe lolition through RSSI.. RSSI grnulrit is not uniform. RSSI ereses fster w from the trnsmitting soure thn ner it. This mkes n istne ssumption me through RSSI reings tht re smple w from the soure more relile thn those me from RSSI reings ner it. Therefore the tringultion metho shoul e provie with lrge istne vlues. 3. Assumptions neee to e me regring the hrteristis of the signl trnsmission so s to utilie RSSI metho. This ssumptions re:. Signl fiel strength is isotropi tht is signl is trnsmitte with the sme pttern for eh possile iretion from the signl s soure.. We refer to point trnsmission rther thn n ntenn trnsmission whih mens tht the trnsmitting evie is onsiere to e ouping speifi point ttriute with Crtesin 3D oorintes. In relit wireless noes will hve omple shpe n shll oup 3D re whih is fr from this ssumption. Also in the ltter se we shoul lso onsier the orienttion of the ntenn insie the Communitions moule PCB.. Assumptions n llow us to onsier signl propgtion to e spheril roun the trnsmitting noe whih however is not true.