ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ. Διπλωματική εργασία

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Διπλωματική εργασία Ψηφιακή προσομοίωση ασυρμάτων ad-hoc δικτύων αισθητήρων σε περιβάλλον θορύβου και παρεμβολών Βασιλείου Ιωάννης ΑΕΜ: 6899 Επιβλέπων καθηγητής: Μητράκος Δημήτριος Θεσσαλονίκη, 2015 1

ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στη παρούσα διπλωματική εργασία εξετάστηκε η συμπεριφορά ενός ασυρμάτου adhoc δικτύου αισθητήρων σε περιβάλλον θορύβου και παρεμβολών, μέσω της ανάπτυξης κώδικα. Κατά την προσομοίωση, μελετήθηκαν η πιθανότητα απόρριψης πακέτων λόγω συγκρούσεων, η πιθανότητα απόρριψης πακέτων λόγω παρεμβολών και η συνολική πιθανότητα απόρριψης πακέτων για διάφορους συνδυασμούς παραμέτρων. Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν πως η πιθανότητα απόρριψης πακέτων λόγω συγκρούσεων αυξάνεται αναλογικά ή εκθετικά, με ρυθμό, που συνεχώς μειώνεται, με μέγιστες τιμές περίπου στο 30%. Αντίστοιχα, η πιθανότητα απόρριψης πακέτων λόγω παρεμβολών ακολουθεί εκθετική αύξηση και για ακραίες τιμές παραμέτρων καταλήγει σε τιμές συγκρίσιμες με αυτές της πιθανότητας απόρριψης πακέτων λόγω συγκρούσεων, της τάξης του 20%. Συνεπώς, η πιθανότητα απόρριψης πακέτων λόγω παρεμβολών καταλάμβανε σημαντικό ποσοστό της συνολικής πιθανότητας απόρριψης πακέτων. Όλα τα παραπάνω οδήγησαν στο συμπέρασμα ότι εκτός από τις απώλειες δεδομένων λόγω συγκρούσεων, το φαινόμενο των παρεμβολών επηρεάζει την απόδοση των ασύρματων δικτύων και θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη σε κάθε υλοποίησή τους. 2

Περιεχόμενα Περιεχόμενα... 3 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ... 4 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ... 6 ΠΡΟΛΟΓΟΣ... 7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΑΣΥΡΜΑΤΑ AD HOC ΔΙΚΤΥΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ... 8 1.1. Εισαγωγή... 8 1.2. Ιστορική αναδρομή... 9 1.3. Χαρακτηριστικά... 11 1.4. Εφαρμογές... 12 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΠΡΟΤΥΠΟ IEEE 802.15.4... 16 2.1. Φυσικό επίπεδο... 16 2.1.1. Ζώνες συχνοτήτων... 18 2.1.2. Τοπολογίες... 19 2.2. Επίπεδο MAC... 21 2.2.1. CSMA/CA χωρίς συγχρονισμό... 22 2.2.2. CSMA/CA με συγχρονισμό... 24 2.3. Πρόβλημα κρυμμένου και εκτεθειμένου τερματικού... 28 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΘΟΡΥΒΟΣ ΚΑΙ ΠΑΡΕΜΒΟΛΕΣ... 32 3.1. Θόρυβος... 32 3.2. Παρεμβολές... 33 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΑΣΥΡΜΑΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ... 35 4.1. Παράμετροι και μετρικές του δικτύου... 35 4.2. Συμβάσεις... 36 4.3. Υλοποίηση... 37 4.4. Αποτελέσματα προσομοίωσης... 43 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΣΧΟΛΙΑΣΜΟΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ... 59 5.1. Συμπεράσματα... 59 5.2. Προτάσεις για μελλοντική έρευνα... 60 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... 62 3

ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχήμα 1.1. Ασύρματα δίκτυα αισθητήρων.... 8 Σχήμα 1.2. Εξέλιξη των ασύρματων δικτύων αισθητήρων.... 10 Σχήμα 2.1. Δομή frame PPDU.... 18 Σχήμα 2.2. Συχνότητες λειτουργίας και κανάλια.... 19 Σχήμα 2.3. Τοπολογίες ασύρματων δικτύων αισθητήρων.... 20 Σχήμα 2.4. Διάγραμμα ροής για το μηχανισμό CSMA/CA χωρίς συγχρονισμό... 23 Σχήμα 2.5. Δομή superframe επιπέδου MAC.... 24 Σχήμα 2.6. Frame συγχρονισμού και προδιαγραφές του superframe.... 25 Σχήμα 2.7. Διάγραμμα ροής για το μηχανισμό CSMA/CA με συγχρονισμό.... 27 Σχήμα 2.8. Παράδειγμα σύγκρουσης πακέτων λόγω προβλήματος κρυμμένου τερματικού.... 29 Σχήμα 2.9. Παράδειγμα καθυστέρησης αποστολής πακέτου λόγω προβλήματος εκτεθειμένου τερματικού.... 30 Σχήμα 2.10. Διάγραμμα επίλυσης προβλήματος κρυμμένου τερματικού με χρήση μηχανισμού RTS/CTS.... 31 Σχήμα 2.11. Διάγραμμα επίλυσης προβλήματος εκτεθειμένου τερματικού με χρήση μηχανισμού RTS/CTS.... 31 Σχήμα 4.1. Γειτονικοί κόμβοι (μπλε) και κόμβοι (κόκκινοι), υπεύθυνοι για παρεμβολές λήψης πακέτων, ενός τυχαίου κόμβου (πράσινο).... 37 Σχήμα 4.2. Τοπολογίες για αριθμό κόμβων α) Ν=10, β) Ν=20 και R=2, γ) Ν=30 και... 40 δ) Ν=40.... 40 Σχήμα 4.3. Πιθανότητα απόρριψης πακέτων (α) λόγω σύγκρουσης, (β) λόγω παρεμβολής και (γ) συνολική για N = 20 και L = 1 KB.... 46 Σχήμα 4.4. Πιθανότητα απόρριψης πακέτων λόγω σύγκρουσης: (α) ενδεικτικό διάγραμμα με διασπορά και (β) συγκεντρωτικό, για N = 20 και L = 2 KB.... 47 Σχήμα 4.5. Πιθανότητα απόρριψης πακέτων λόγω παρεμβολής: (α) ενδεικτικό διάγραμμα με διασπορά και (β) συγκεντρωτικό, για N = 20 και L = 2 KB.... 48 Σχήμα 4.6. Συνολική πιθανότητα απόρριψης πακέτων : (α) ενδεικτικό διάγραμμα με διασπορά και (β) συγκεντρωτικό, για N = 20 και L = 2 KB.... 49 Σχήμα 4.7. Πιθανότητα απόρριψης πακέτων λόγω σύγκρουσης: (α) ενδεικτικό διάγραμμα με διασπορά και (β) συγκεντρωτικό, για N = 30 και L = 1 KB.... 50 Σχήμα 4.8. Πιθανότητα απόρριψης πακέτων λόγω παρεμβολής: (α) ενδεικτικό διάγραμμα με διασπορά και (β) συγκεντρωτικό, για N = 30 και L = 1 KB.... 51 4

Σχήμα 4.9. Συνολική πιθανότητα απόρριψης πακέτων: (α) ενδεικτικό διάγραμμα με διασπορά και (β) συγκεντρωτικό, για N = 30 και L = 1 KB.... 52 Σχήμα 4.10. Πιθανότητα απόρριψης πακέτων (α) λόγω σύγκρουσης, (β) λόγω παρεμβολής και (γ) συνολική για N = 30 και L = 2 KB.... 54 Σχήμα 4.11. Πιθανότητα απόρριψης πακέτων (α) λόγω σύγκρουσης, (β) λόγω παρεμβολής και (γ) συνολική για R = 3 και L = 2 KB.... 55 Σχήμα 4.12. Γραφική παράσταση μέσου αριθμού γειτονικών κόμβων και κόμβων, οι οποίοι μπορούν να παρεμβάλουν λήψη πακέτων, για N = 20 δύο τυχαίων τοπολογιών (α) και (β).57 Σχήμα 4.13. Γραφική παράσταση μέσης τιμής για τους μέσους αριθμούς γειτονικών κόμβων και κόμβων, οι οποίοι μπορούν να παρεμβάλουν λήψη πακέτων, για (α) N = 20 και (β) N = 30.... 58 5

ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 2.1. Σύγκρισή προτύπου IEEE 802.15.4 με άλλα πρότυπα.... 17 Πίνακας 2.2. Κατανομή συχνοτήτων καναλιών ανάλογα με το γεωγραφικό τόπο.... 19 6

ΠΡΟΛΟΓΟΣ Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας ήταν η μελέτη των ασυρμάτων adhoc δικτύων αισθητήρων σε περιβάλλον θορύβου και παρεμβολών και η ψηφιακή προσομοίωσή τους μέσω ανάπτυξης κώδικα. Στο Κεφάλαιο 1, πραγματοποιείται, αρχικά, μια ιστορική αναδρομή της εξέλιξή τους, ξεκινώντας από την πρώτη τους εμφάνιση περίπου το 1950. Επιπλέον παρουσιάζονται ορισμένα από τα βασικά χαρακτηριστικά τους και οι κυριότερες εφαρμογές των τελευταίων χρόνων. Στο Κεφάλαιο 2, περιγράφονται το φυσικό επίπεδο και το επίπεδο MAC του πρότυπο IEEE 802.15.4, το οποίο χρησιμοποιείται ευρέως για ασύρματα δίκτυα με χαμηλό ρυθμό μετάδοσης δεδομένων. Στο Κεφάλαιο 3, παρατίθεται μία σύντομη αναφορά σε σχέση με την επίδραση του θορύβου και των παρεμβολών. Στα τελευταία κεφάλαια, αναπτύσσεται το πειραματικό μέρος της διπλωματικής εργασίας, με το Κεφάλαιο 4 να αναφέρεται στην περιγραφή του αλγορίθμου, ο οποίος αναπτύχθηκε με σκοπό την προσομοίωση ενός ασύρματου δικτύου αισθητήρων. Επιπλέον, παρατίθενται τα πειραματικά αποτελέσματα με τη μορφή διαγραμμάτων και πραγματοποιείται η ανάλυση και ο σχολιασμός τους. Στη συνέχεια, στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται η εξαγωγή των κυριότερων συμπερασμάτων, τα οποία προκύπτουν από τη μελέτη των αποτελεσμάτων, καθώς και προτάσεις για μελλοντική έρευνα. Τέλος, εκφράζω τις θερμές ευχαριστίες μου, προς τον επιβλέποντα καθηγητή κ. Μητράκο Δημήτριο, για την πλήρη επιστημονική του κατάρτιση και την απεριόριστη βοήθεια που μου προσέφερε, ώστε να έρθει εις πέρας εγκαίρως η παρούσα εργασία. 7

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΑΣΥΡΜΑΤΑ AD HOC ΔΙΚΤΥΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ 1.1. Εισαγωγή Τα τελευταία χρόνια, μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον παρουσιάζουν τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων, καθώς αποτελούν μία "γέφυρα" μεταξύ του πραγματικού και του ψηφιακού κόσμου. Η ανάγκη για δικτύωση και αυτοματοποίηση διαδικασιών οδήγησαν στην εκτεταμένη μελέτη των ασύρματων δικτύων αισθητήρων. Η ανάπτυξη της τεχνολογίας βοήθησε σε μεγάλο βαθμό τη βελτίωση της απόδοσής τους και δημιούργησε μία νέα, αξιόπιστη και οικονομική λύση για την αντιμετώπιση πολλών προβλημάτων και διευκόλυνε την εφαρμογή τους σε πολλούς τομείς της επιστήμης και της βιομηχανίας. Είναι αναμφίβολο πως θα έχουν σημαντικό ρόλο στην υλοποίηση του Internet of Things (IoT). Εκτιμάται ότι μέχρι το 2020, ο αριθμός των ασύρματων τερματικών συσκευών θα ανέλθει στα 40 δισεκατομμύρια, αύξηση περίπου 75% σύμφωνα με τα σημερινά δεδομένα. Σχήμα 1.1. Ασύρματα δίκτυα αισθητήρων. 8

1.2. Ιστορική αναδρομή Το ερευνητικό ενδιαφέρον για τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων (WSN - Wireless Sensor Networks) εντοπίζεται περίπου στα μέσα του 20 ου αιώνα και αφορά, αρχικά, στρατιωτικές και, στη συνέχεια, βαριές βιομηχανικές εφαρμογές. Το πρώτο ασύρματο δίκτυο, το οποίο δεν παρουσίαζε καμία ομοιότητα σε σχέση με τα σύγχρονα, ήταν το ηχητικό σύστημα παρακολούθησης, το οποίο αναπτύχθηκε από τις στρατιωτικές δυνάμεις των Η.Π.Α. στη δεκαετία του 1950. Σκοπός του ασύρματου δικτύου ήταν ο εντοπισμός και η παρακολούθηση των σοβιετικών υποβρυχίων (SOSUS - Sound Surveillance System), με τη χρήση βυθισμένων αισθητήρων ήχου, διασκορπισμένους στον Ατλαντικό και Ειρηνικό ωκεανό. Η συγκεκριμένη τεχνολογία αισθητήρων χρησιμοποιείται μέχρι και σήμερα, παρόλα αυτά δεν σχετίζεται με στρατιωτικές εφαρμογές, αλλά σε εφαρμογές με περιβαλλοντολογικό ενδιαφέρον και μελέτες της υποθαλάσσιας χλωρίδας και πανίδας, καθώς και της ηφαιστιογενούς δραστηριότητας. Στον απόηχο των επενδύσεων μεταξύ των δεκαετιών του 1960 και του 1970, οι οποίες οδήγησαν στην ανάπτυξη του υλικού για το σύγχρονο Διαδίκτυο (Internet), η Αμυντική Υπηρεσία Σύγχρονων Ερευνών των ΗΠΑ (DARPA) ξεκίνησε το 1978 το πρόγραμμα ανάπτυξης δικτύων κατανεμημένων αισθητήρων (DSN - Distributed Sensors Network), με σκοπό την επίσημη έρευνα αναφορικά με τις προκλήσεις του σχεδιασμού κατανεμημένων/ασύρματων δικτύων αισθητήρων. Στόχος του προγράμματος ήταν η ανάπτυξη πολλών κατανεμημένων στο χώρο και χαμηλού κόστους κόμβων αισθητήρων, οι οποίοι θα συνεργάζονταν μεταξύ τους, ωστόσο θα λειτουργούσαν αυτόνομα, με την πληροφορία να μεταφέρεται σε οποιοδήποτε κόμβο ήταν ικανός να τη χρησιμοποιήσει. Εν συνεχεία, ερευνητές του πανεπιστημίου Carnegie Mellon (CMU) ανέπτυξαν το επικοινωνιακό λειτουργικό σύστημα Accent, που επέτρεπε την ευέλικτη πρόσβαση σε διεσπαρμένους πόρους, γεγονός απαραίτητο για ένα σύστημα ανεκτικό στα λάθη. Μια επαναστατική εφαρμογή των ασύρματων δικτύων αισθητήρων ήταν η παρακολούθηση της τροχιάς ελικοπτέρου, με χρήση ενός κατανεμημένου πίνακα από αισθητήρες ήχου, η οποία αναπτύχθηκε στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης (ΜΙΤ). 9

Ταυτόχρονα, κυβερνήσεις και πανεπιστήμια ξεκίνησαν να χρησιμοποιούν τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων σε περιβαλλοντικές εφαρμογές, όπως ο έλεγχος της ποιότητας του αέρα, η ανίχνευση πυρκαγιών στα δάση, η πρόληψη φυσικών καταστροφών και η παρακολούθηση καιρικών φαινομένων. Στην πορεία, εταιρίες, όπως η IBM και η Bell Labs, ξεκίνησαν να εφαρμόζουν τη χρήση των ασύρματων δικτύων αισθητήρων για εφαρμογές βαριάς βιομηχανίας, όπως είναι η διανομή ενέργειας, η εξοικονόμηση χρήσης νερού και ο εξειδικευμένος βιομηχανικός αυτοματισμός. Σχήμα 1.2. Εξέλιξη των ασύρματων δικτύων αισθητήρων. Παρότι η ζήτηση των ασυρμάτων δικτύων αισθητήρων ήταν μεγάλη, η τεχνολογία των προηγούμενων ετών δεν βοηθούσε στην ανάπτυξή τους. Το γεγονός αυτό οφείλεται στο ότι οι αισθητήρες ήταν αρκετά ογκώδεις και ακριβοί περιορίζοντας αισθητά το πλήθος των πιθανών εφαρμογών. Οι πρόσφατες εξελίξεις στην τεχνολογία των υπολογιστών, των επικοινωνιών και της μικροηλεκτρονικής βοήθησαν αρκετά στη συνέχιση της έρευνας και οδήγησαν σε αποτελέσματα πιο κοντινά στον αρχικό στόχο. Η ουσιαστική έρευνα στα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων ξεκίνησε το 1998, με περισσότερη έμφαση στις τεχνικές δικτύωσης και επεξεργασίας 10

πληροφορίας για δίκτυα ειδικού σκοπού (ad-hoc networks) και κόμβους αισθητήρων περιορισμένων ενεργειακών αναγκών. Επιπλέον, σημαντική μείωση σημειώθηκε στο μέγεθος και στο κόστος των αισθητήρων, δίνοντας τη δυνατότητα επέκτασης της χρήσης τους σε περισσότερο εμπορικές εφαρμογές [1, 2, 3], όπως διαπιστώνεται και από το διάγραμμα του Σχήματος 1.2. 1.3. Χαρακτηριστικά Τα ασύρματα adhoc δίκτυα αισθητήρων αποτελούν ένα από τα σύγχρονα αντικείμενα μελέτης. Τα τελευταία χρόνια, έχουν βρει εφαρμογές σε πολλούς τομείς λόγω των πλεονεκτημάτων, τα οποία παρουσιάζουν. Ακολουθούν ορισμένα από τα κυριότερα χαρακτηριστικά τους. Χαμηλό κόστος παραγωγής Το χαμηλό κόστος των τερματικών συσκευών διευκολύνει τη μαζική παραγωγή τους. Για το λόγο αυτό, οι εφαρμογές συνεχώς πληθαίνουν, καθώς αποτελούν ένα οικονομικό και αξιόπιστο μέσο για την κάλυψη σύγχρονων απαιτήσεων. Μικρό μέγεθος Τα τελευταία χρόνια, το μέγεθος των τερματικών συσκευών έχει μειωθεί αισθητά, προσφέροντας τη δυνατότητα ενσωμάτωσή τους σε άλλες συσκευές ή την εύκολη και γρήγορη εγκατάστασή τους. Επιπλέον, συχνά συναντώνται ασύρματα δίκτυα αισθητήρων κινητών κόμβων λόγω της φορητότητάς, που παρέχουν. Απουσία υποδομής Η απουσία προϋπάρχουσας υποδομής για το δίκτυο βοηθά σε μεγάλο βαθμό την εγκατάστασή του. Δεν είναι απαραίτητη η κεντρική διαχείριση του δικτύου, καθώς οι τερματικές συσκευές μπορούν να διαχειριστούν τα δεδομένα, τα οποία ανταλλάσσονται εντός του δικτύου. 11

Επεκτασιμότητα Η προσθήκη επιπλέον τερματικών συσκευών και η άμεση αναγνώριση και ενσωμάτωσή τους σε ένα εγκατεστημένο δίκτυο παρέχει τη δυνατότητα εύκολης επεκτασιμότητας. Με αυτόν τον τρόπο, μπορεί να αυξηθεί η περιοχή κάλυψης του δικτύου ή/και να βελτιωθεί η απόδοσή του. Χαμηλή ενεργειακή κατανάλωση Η κατανάλωση ενέργειας των τερματικών συσκευών είναι αρκετά χαμηλή. Αυτό συμβάλει στη μείωση της πιθανότητας να τεθεί μία τερματική συσκευή εκτός λειτουργίας, προκαλώντας προβλήματα στο υπόλοιπο δίκτυο. Παρόλο που η τροφοδοσία των τερματικών συσκευών γίνεται κατά κύριο λόγο μέσω μπαταριών, μελετώνται συνεχώς τρόποι για την αποθήκευση ενέργειας από εξωτερικές πηγές (energy harvesting) με σκοπό τη βελτίωση της ενεργειακής αυτονομίας των συσκευών. 1.4. Εφαρμογές Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων παρουσιάζουν σημαντικά πλεονεκτήματα, όπως η δυνατότητά τους να συλλέγουν δεδομένα από ένα τεράστιο φάσμα φυσικών μεγεθών ακόμη και σε αντίξοες συνθήκες, καθώς και αξιοπιστία, ευελιξία και εύκολη επέκταση. Για το λόγο αυτό, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον έλεγχο ή τον αυτοματισμό πολλών διαδικασιών και κατά συνέπεια βρίσκουν εφαρμογή σε πολλούς κλάδους της βιομηχανίας ή της επιστήμης. Στρατιωτικές Εφαρμογές Ένας σημαντικός τομέας, όπου εφαρμόζονται τα δίκτυα αισθητήρων, είναι ο στρατιωτικός. Σκοπός είναι η παρακολούθηση των φιλικών δυνάμεων, του εξοπλισμού και των πυρομαχικών τους. Κάθε στρατιώτης, όχημα, εξοπλισμός και κρίσιμο οπλικό σύστημα μπορεί να εξοπλιστεί με αισθητήρες, οι οποίοι θα αναφέρουν την κατάστασή του. Αυτές οι αναφορές συγκεντρώνονται σε κεντρικούς 12

κόμβους και προωθούνται προς τους διοικητές των τμημάτων. Η παρακολούθηση, επίσης, του πεδίου της μάχης, όπου κρίσιμα εδάφη, δρομολόγια προσέγγισης και μονοπάτια μπορούν γρήγορα να καλυφθούν με δίκτυα αισθητήρων και να παρακολουθούνται στενά. Επιπλέον, μπορούν να εγκατασταθούν σε κρίσιμα εδάφη και να συγκεντρώνουν έγκαιρα πολύτιμες και λεπτομερείς πληροφορίες για τις εχθρικές δυνάμεις και το έδαφος. Ασύρματα δίκτυα αισθητήρων μπορούν να εμφυτευτούν σε συστήματα πλοήγησης των έξυπνων πυρομαχικών, να χρησιμοποιηθούν για την αποτίμηση των ζημιών της μάχης, καθώς και να ανιχνεύσουν μια Ραδιοβιολογική, Χημική και Πυρηνική (ΡΒΧΠ) απειλή παρέχοντας ακριβή και έγκαιρη πληροφορία για την ύπαρξη μόλυνσης. Περιβαλλοντικές Εφαρμογές Οι περιβαλλοντικές εφαρμογές των ασυρμάτων δικτύων αισθητήρων αφορούν τόσο τη γεωλογική έρευνα όσο και την έρευνα της πανίδας. Το πρώτο μέρος περιβαλλοντικών εφαρμογών αφορά τη διενέργεια μετεωρολογικών και γεωλογικών ερευνών με χρήση αισθητήρων υγρασίας, βροχής, ξηρασίας, θερμοκρασίας, ταχύτητας αέρα και άλλων παραμέτρων. Χρησιμοποιούνται, επίσης, για τη μέτρηση διαφόρων μεγεθών του αέρα και της θάλασσας για την περιβαλλοντική τους παρακολούθηση. Το δεύτερο μέρος αφορά τη χαρτογράφηση της βιοποικιλότητας του φυσικού περιβάλλοντος. Περιλαμβάνει την τοποθέτηση αισθητήρων σε διάφορα ζώα για τη μελέτη των συνηθειών και των κινήσεών τους, με σκοπό την καταγραφή και τη μελέτη των περιβαλλοντικών συνθηκών, οι οποίες επηρεάζουν τόσο τα ίδια όσο και τη χλωρίδα της περιοχής τους. Τέλος, σημαντική είναι η χρήση των ασύρματων δικτύων αισθητήρων για την παρακολούθηση της παραγωγής σε γεωργικές γαίες. Κάποια από τα πλεονεκτήματα τους είναι η ικανότητα της παρακολούθησης ακριβών επιπέδων του πόσιμου νερού, του επιπέδου διάβρωσης του εδάφους και του επιπέδου μόλυνσης του αέρα σε πραγματικό χρόνο, με σκοπό την βέλτιστη απόδοση των σύγχρονων αγροκαλλιεργειών. 13

Πρόληψη Φυσικών Καταστροφών Η κατηγορία αυτή ουσιαστικά ανήκει στο ευρύτερο φάσμα των περιβαλλοντικών εφαρμογών, ωστόσο αναφέρεται ξεχωριστά εξαιτίας της ιδιαίτερης σημασίας της. Έχουν αναπτυχθεί ασύρματα δίκτυα αισθητήρων για την παρακολούθηση δασικών εκτάσεων για ανίχνευση πυρκαγιών, καθώς μπορούν να εγκατασταθούν πυκνά και στρατηγικά ή τυχαία σε ένα δάσος με σκοπό την ανίχνευση και την αντιμετώπιση της πυρκαγιάς, προτού εξαπλωθεί ανεξέλεγκτα. Παρόμοια είναι και η εφαρμογή τους για την εξέταση τυχών διαρροών χημικών προϊόντων, σε περιοχές κοντά σε χημικές βιομηχανίες ή για ανίχνευση διαρροών από υπόγεια συστήματα μεταφοράς χημικών υγρών και αερίων. Ακόμη, σημαντική εφαρμογή των αισθητήρων είναι η παρακολούθηση σεισμογενούς και ηφαιστιογενούς δραστηριότητας του εδάφους, καθώς και η χρήση τους για ανίχνευση πλημμυρών. Εφαρμογές Υγείας Σημαντικές είναι και οι εφαρμογές στον τομέα της υγείας. Ενσωμάτωση αισθητήρων στο σώμα ασθενών ή ηλικιωμένων για την παρακολούθηση ορισμένων φυσιολογικών δεδομένων, είτε κατά τη διάρκεια κάποιας χειρουργικής επέμβασης, είτε κατά τη μετεγχειρητική περίοδο. Επίσης, ακόμα και μέσα στο νοσοκομείο μπορούν να βρουν εφαρμογή τόσο για την άμεση παρακολούθηση σημαντικών δεικτών των ασθενών όσο και για το φυσικό εντοπισμό των γιατρών και την έγκαιρη ειδοποίησή τους σε περίπτωση ανάγκης. Αυτοματισμοί Έξυπνων Κτιρίων και Εγκαταστάσεων Κατά το σχεδιασμό αυτοματισμών διαχείρισης κτιριακών εγκαταστάσεων είναι απαραίτητη η χρήση ασύρματων δικτύων αισθητήρων. Επιτυγχάνεται εξοικονόμηση ενέργειας και έλεγχος των συνθηκών θέρμανσης και κλιματισμού μέσω μετρήσεων μεγεθών, όπως για παράδειγμα θερμοκρασίας ή υγρασίας, αυτοματοποίηση διαδικασιών, όπως το άνοιγμα-κλείσιμο θυρών ή το πότισμα κήπων, έλεγχος ασφαλείας, καθώς και έλεγχος δομικών στοιχείων για την εξακρίβωση της καταλληλότητάς τους. Επιπλέον, εφαρμόζονται συχνά για την ασφάλιση και παρακολούθηση ιδιωτικών χώρων. 14

Εφαρμογές Ανίχνευσης Είναι πολύ διαδεδομένη η χρήση αισθητήρων τοποθετημένων σε κατάλληλες θέσεις για τον έλεγχο και τον ακριβή προσδιορισμό της θέσης κάποιου αντικειμένου ή της διαδρομής του στο χώρο. Σπουδαία παραδείγματα είναι τα σύγχρονα αυτοκίνητα, που διαθέτουν συστήματα εντοπισμού αντικειμένων για χρήση, συνήθως, κατά το παρκάρισμα, όπως και τα σύγχρονα συστήματα ασφαλείας. 15

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΠΡΟΤΥΠΟ IEEE 802.15.4 Το πρότυπο IEEE 802.15.4 [4] χρησιμοποιείται ευρέως σε ασύρματα δίκτυα αισθητήρων με χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και χαμηλό ρυθμό μετάδοσης δεδομένων (LR-WPAN - Low-Rate Wireless Personal Area Networks) [5]. Γενικά στοχεύει στη μείωση του συνολικού κόστους του δικτύου, καθώς η υποδομή του δικτύου είναι εξαιρετικά περιορισμένη και το κόστος των τερματικών συσκευών είναι χαμηλό. Ορίζει το φυσικό επίπεδο και το επίπεδο MAC του μοντέλου αναφοράς (OSI - Open Systems Interconnection model), όπως περιγράφει ο Tanenbaum [6]. Αποτελεί τη βάση στο σχεδιασμό του πρωτόκολλου επικοινωνίας ZigBee, το οποίο αναπτύχθηκε από την ZigBee Alliance [7], υλοποιεί μόνο τα υψηλότερα επίπεδα του μοντέλου αναφοράς OSI και χρησιμοποιείται για εμπορικούς σκοπούς με πλήθος εφαρμογών. Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής θα αναλυθούν διεξοδικά τα δύο επίπεδα του προτύπου IEEE 802.15.4. 2.1. Φυσικό επίπεδο Το φυσικό επίπεδο είναι υπεύθυνο για τη μετάδοση και λήψη δεδομένων χρησιμοποιώντας ένα ορισμένο κανάλι επικοινωνίας και σύμφωνα με μια συγκεκριμένη διαμόρφωση και την τεχνική διασποράς φάσματος (DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum). Ανάλογα με τη συχνότητα λειτουργίας επιλέγεται ο τύπος της διαμόρφωσης φάσης μεταξύ των BPSK και OQPSK, όπως παρουσιάζεται και στον Πίνακα 2.1. Οι προβλεπόμενες ταχύτητες μετάδοσης δεδομένων είναι 20 Kbit/s, 40 Kbit/s, 250 Kbit/s και πρόσφατα έχει εισαχθεί και η ταχύτητα των 100 Kbit/s. Οι ταχύτητες μετάδοσης δεδομένων είναι αρκετά χαμηλότερες σε σχέση με τις αντίστοιχες άλλων προτύπων, τα οποία χρησιμοποιούνται σε ασύρματα δίκτυα αισθητήρων, όπως το IEEE 802.11 (Wi-Fi) και το IEEE 802.15.1 (Bluetooth), με ταχύτητες έως μερικών δεκάδων Mbit/s [8] (Πίνακας 2.1). 16

Πίνακας 2.1. Σύγκρισή προτύπου IEEE 802.15.4 με άλλα πρότυπα. Το πρότυπο IEEE 802.15.4 επιτρέπει την ενεργοποίηση και απενεργοποίηση του ασύρματου πομποδέκτη, παρέχοντας τη δυνατότητα επιλογής μεταξύ τριών καταστάσεων, αποστολής (transmitting mode), λήψης (receiving mode) και αναμονής (sleeping mode). Το χρονικό διάστημα, το οποίο απαιτείται για την ολοκλήρωση της εναλλαγής από την κατάσταση αποστολής στην κατάσταση λήψης και αντίστροφα, δεν πρέπει να ξεπερνά τη χρονική περίοδο 12 συμβόλων, όπου κάθε σύμβολο ισοδυναμεί με 4 bits. Παρέχει τη δυνατότητα εκτίμησης της ισχύος του λαμβανόμενου σήματος εντός του εύρους ζώνης ενός καναλιού, χωρίς την αναγνώρισης ή/και την αποκωδικοποίηση του σήματος. Η ανίχνευση ενέργειας (ED - Energy Detection) ισούται χρονικά με την περίοδο 8 συμβόλων και χρησιμοποιείται συνήθως για την εκτίμηση της κατάστασης του καναλιού (CCA - Clear Channel Assessment), ώστε να καθοριστεί αν το κανάλι είναι απασχολημένο (busy) ή ελεύθερο (idle). Υπάρχουν τρεις διαφορετικές επιλογές για την εκτίμηση της κατάστασης του καναλιού CCA ως απασχολημένο. Η πρώτη βασίζεται στην ανίχνευση ενέργειας ED, όταν αυτή ξεπεράσει ένα συγκεκριμένο κατώφλι. Η δεύτερη, έπειτα από ανίχνευση φέροντος, αναγνωρίζει αν το σήμα πληροί τις προδιαγραφές του προτύπου ως προς τη διαμόρφωση και τη διασπορά φάσματος, χωρίς να λαμβάνει υπόψη το κατώφλι ανίχνευσης ενέργειας. Η τρίτη επιλογή αποτελεί το συνδυασμό των δυο προηγούμενων, όπου για να αναγνωριστεί το κανάλι ως απασχολημένο θα πρέπει να ικανοποιούνται και οι δύο συνθήκες. 17

Επιπλέον, επιτρέπει τη μέτρηση της έντασης (ποιότητας) ενός ληφθέντος πακέτου μέσω ενός δείκτη ποιότητας σύνδεσης (LQI - Link Quality Indicator). Αυτή η μέτρηση μπορεί να υλοποιηθεί με χρήση του δείκτη ED, με εκτίμηση της σηματοθορυβικής σχέσης SNR ή το συνδυασμό των δύο τεχνικών. Διατίθεται δυναμική επιλογή καναλιών, καθώς και εναλλαγή μεταξύ αυτών. Το φυσικό επίπεδο μπορεί να ρυθμίσει τον πομποδέκτη ανάλογα με το επιλεγμένο κανάλι. Τέλος, η δομή του frame PPDU (Physical Protocol Data Unit) αποτελείται από τρία βασικά μέρη, το SHR, το PHR και το PSDU, όπως παρουσιάζεται στο Σχήμα 2.1. Το SHR επιτρέπει σε μία συσκευή, η οποία λαμβάνει το frame, να συγχρονιστεί για να μπορέσει να παρακολουθήσει τη ροή από bits (bit stream). Το PHR περιέχει πληροφορίες για το μήκος του frame ενώ το PSDU, είναι μεταβλητού μήκους και αντιπροσωπεύει το frame του επιπέδου MAC [9, 10, 12]. Σχήμα 2.1. Δομή frame PPDU. 2.1.1. Ζώνες συχνοτήτων Το πρότυπο IEEE 802.15.4 προσφέρει τρεις ζώνες συχνοτήτων λειτουργίας 868 MHz, 915 MHz και 2,4 GHz. Ο αριθμός των καναλιών για κάθε ζώνη συχνοτήτων λειτουργίας ποικίλει. Υπάρχει ένα μόνο κανάλι μεταξύ 868-868,6 MHz, 10 κανάλια μεταξύ 902-928 MHz και 16 κανάλια μεταξύ 2,4-2,4835 GHz, τα οποία φαίνονται αναλυτικότερα στον Πίνακα 2.2 και απεικονίζονται στο Σχήμα 2.2. Επιπλέον, στον Πίνακα 2.2, επισημαίνονται τα επιτρεπόμενα κανάλια βάσει του γεωγραφικού τόπου. Συνήθως, η επιλογή γίνεται μεταξύ των καναλιών 11-26, καθώς υποστηρίζονται παγκοσμίως. 18

Πίνακας 2.2. Κατανομή συχνοτήτων καναλιών ανάλογα με το γεωγραφικό τόπο. Σχήμα 2.2. Συχνότητες λειτουργίας και κανάλια. 2.1.2. Τοπολογίες Κάθε δίκτυο LR-WPAN αποτελείται από δύο διαφορετικούς τύπους τερματικών συσκευών, τη συσκευή πλήρους λειτουργίας (FFD - Full-Function Device) και τη συσκευή περιορισμένης λειτουργίας (RFD - Reduced-Function Device). Η συσκευή FFD μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως συντονιστής του δικτύου (Pan Coordinator), συντονιστής ή απλή συσκευή. Για την ορθή λειτουργία του δικτύου θα πρέπει πάντα να ορίζεται μία τουλάχιστον συσκευή FFD ως συντονιστής. Οι συσκευές FFDs μπορούν να επικοινωνούν με συσκευές και των δύο τύπων ενώ οι συσκευές RFDs επικοινωνούν αποκλειστικά με συσκευές FFDs. 19

Ο τρόπος με τον οποίο κατανέμονται οι συσκευές του δικτύου στο χώρο ορίζει και την τοπολογία του. Υπάρχουν τρία διαφορετικά είδη τοπολογιών, τα οποία χρησιμοποιούνται στα δίκτυα LR-WPANs και παρουσιάζονται στο Σχήμα 2.3, η τοπολογία αστέρα (star), η τοπολογία ομότιμων κόμβων (peer-to-peer) ή πλέγματος (mesh) και η τοπολογία δέντρου (cluster tree). Στην τοπολογία αστέρα, μία συσκευή ορίζεται ως συντονιστής PAN και οι υπόλοιπες συσκευές επικοινωνούν αποκλειστικά με αυτή. Μόλις μία συσκευή FFD ενεργοποιηθεί για πρώτη φορά, μπορεί να δημιουργήσει το δικό της δίκτυο και να λειτουργήσει ως συντονιστής PAN. Ο συντονιστής του δικτύου αναλαμβάνει να ξεκινήσει, να δρομολογήσει και να τερματίσει την επικοινωνία σε όλο το δίκτυο. Όλες οι συσκευές έχουν μία μοναδική 64-bit διεύθυνση, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την άμεση επικοινωνία μέσα στο δίκτυο. Οι εφαρμογές, οι οποίες συνήθως χρησιμοποιούν αυτή την τοπολογία, είναι περιφερειακές μονάδες προσωπικών υπολογιστών, οικιακές εφαρμογές αυτοματισμού και εφαρμογές ιατρικής περίθαλψης. Σχήμα 2.3. Τοπολογίες ασύρματων δικτύων αισθητήρων. 20

Η τοπολογία πλέγματος διαφέρει από την τοπολογία αστέρα, επειδή οποιοδήποτε συσκευή μπορεί να επικοινωνεί με οποιαδήποτε άλλη συσκευή αρκεί να βρίσκεται εντός της εμβέλειας της και αντίστροφα. Η συγκεκριμένη τοπολογία επιτρέπει την υλοποίηση πιο πολύπλοκων σχηματισμών ενώ είναι απαραίτητος ο ορισμός μίας συσκευής FFD ως συντονιστής PAN. Σε περίπτωση περισσότερων εκ του ενός συντονιστών, κάθε συντονιστής επιλέγει ένα μοναδικό αναγνωριστικό, ώστε να επιτρέψει την επικοινωνία μεταξύ συσκευών ενός δικτύου χρησιμοποιώντας μικρότερες διευθύνσεις και τη μετάδοση μεταξύ συσκευών σε ανεξάρτητα δίκτυα. Εφαρμογές, όπως έλεγχος και παρακολούθηση στον τομέα της βιομηχανίας, ασύρματα δίκτυα αισθητήρων, παρακολούθηση και ασφάλιση χώρων επωφελούνται από αυτή τη τοπολογία δικτύου. Η τοπολογία δέντρου αποτελεί ειδική περίπτωση ενός δικτύου ομότιμων κόμβων, στο οποίο οι περισσότερες συσκευές είναι πλήρους λειτουργίας και οι συσκευές περιορισμένης λειτουργίας αντιπροσωπεύουν τους εξωτερικούς κόμβους (φύλλα) του δέντρου. Και σε αυτή την τοπολογία θα πρέπει να οριστεί μια συσκευή FFD ως συντονιστής PAN, ο οποίος θα αποτελεί τη ρίζα του δέντρου, ενώ οι υπόλοιπες συσκευές FFDs μπορούν να λειτουργούν ως απλοί συντονιστές. Κάθε κλάδος του δέντρου αποτελεί τη μοναδική διαδρομή για την επικοινωνία μεταξύ δύο συσκευών του δικτύου [11]. 2.2. Επίπεδο MAC Όσον αφορά στο επίπεδο MAC, το πρότυπο IEEE 802.15.4 ορίζει το μηχανισμό προσπέλασης του μέσου βάσει του πρωτόκολλου πολλαπλής πρόσβασης με ανίχνευση φέροντος και αποφυγή συγκρούσεων (CSMA/CA - Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Επειδή υπάρχει η δυνατότητα επιλογής του τρόπου λειτουργίας του δικτύου, με συγχρονισμό (Beacon Enabled) ή χωρίς (Non- Beacon Enabled), αντίστοιχα υλοποιείται ο αλγόριθμος για το μηχανισμό CSMA/CA με συγχρονισμό (Slotted) ή χωρίς συγχρονισμό (Unslotted). Οι δύο αλγόριθμοι έχουν μελετηθεί για διάφορες παραμετροποιήσεις του δικτύου [18, 19, 20, 21, 22] ενώ αρκετές μελέτες στοχεύουν στη βελτίωση της ενεργειακής συμπεριφοράς του δικτύου [23, 24, 25, 26]. Η ανάλυση των δύο αλγορίθμων για το μηχανισμό CSMA/CA χωρίς 21

συγχρονισμό και CSMA/CA με συγχρονισμό (Slotted) έγινε με βάση τη βιβλιογραφία [15] και [16, 17], αντίστοιχα. 2.2.1. CSMA/CA χωρίς συγχρονισμό Ο μηχανισμός CSMA/CA χωρίς συγχρονισμό χρησιμοποίει δύο παραμέτρους για τον προγραμματισμό της πρόσβασης στο κανάλι. Η παράμετρος NB αντιπροσωπεύει τον αριθμό των υποχωρήσεων (backoff) του κόμβου κατά την προσπάθεια πρόσβασής του στο κανάλι. Η τιμή της παραμέτρου μηδενίζεται πριν από κάθε προσπάθεια αποστολής νέου πακέτου δεδομένων. Επιπλέον, ο εκθέτης υποχώρησης ΒΕ (Backoff Exponent) σχετίζεται με τις περιόδους υποχώρησης, που θα πρέπει να περιμένει ένας κόμβος, πριν προσπαθήσει να αποκτήσει πρόσβαση στο κανάλι. Σύμφωνα με το διάγραμμα ροής του Σχήματος 2.4, η εκκίνηση του αλγορίθμου γίνεται με την αρχικοποίηση των παραμέτρων. Η παράμετρος NB μηδενίζεται ενώ στην παράμετρος BE εκχωρείται η τιμή της macminbe,, που βάσει προτύπου η προεπιλεγμένη τιμή είναι ίση με 3. Έπειτα, ο κόμβος για την αποφυγή συγκρούσεων αναμένει για τυχαίο αριθμό περιόδων υποχώρησης μεταξύ [0, 2 BE - 1], όπου μία περίοδος υποχώρησης είναι ίση με 20T S, όπου T S = 16 μs. Στο τέλος της περιόδου υποχώρησης, ο κόμβος ανιχνεύει το κανάλι εκτελώντας CCA. Αν το κανάλι είναι ελεύθερο, τότε ξεκινά άμεσα η αποστολή του πακέτου δεδομένων. Σε αντίθετη περίπτωση, οι τιμές των δύο παραμέτρων αυξάνονται κατά 1. Η τιμή της παραμέτρου BE δεν μπορεί να ξεπεράσει τη macmaxbe, η οποία έχει προεπιλεγμένη τιμή το 5. Αν ο αριθμός των επαναλήψεων είναι μικρότερος από το macmaxcsmabackoffs, με προεπιλεγμένη τιμή το 4, ο αλγόριθμος επιστρέφει στην αναμονή για τυχαίο χρονικό διάστημα. Σε αντίθετη περίπτωση, ο αλγόριθμος τερματίζεται, αναφέροντας αποτυχία στην πρόσβαση του μέσου. Αν θεωρηθεί ότι η παράμετρος BE είναι ίση με 3 και ότι το κανάλι αναγνωρίζεται ως ελεύθερο με την πρώτη προσπάθεια, ο μέσος χρόνος για την πρόσβαση σε αυτό υπολογίζεται από την εξίσωση 2.1. (2.1) 22

(2.2) όπου, T CCA = 8 T S, T ta = 12 T S και T S = 16 μs. Με T ta συμβολίζεται το χρονικό διάστημα, το οποίο μεσολαβεί για την αλλαγή από transmitting mode σε receiving mode ή αντίστροφα. Επιπλέον αν το συνολικό μήκος τους του frame PPDU είναι ίσο με 133 bytes, όπου L SHR = 5 bytes, L PHR = 1 byte, L PSDU = 127 bytes και ρυθμός μετάδοσης δεδομένων R = 250 Kbps, από τη εξίσωση 2.3 μπορεί να υπολογιστεί ο χρόνος μετάδοσης του frame. (2.3) Σχήμα 2.4. Διάγραμμα ροής για το μηχανισμό CSMA/CA χωρίς συγχρονισμό. 23

Τέλος, το frame της επιβεβαίωσης επιτυχούς λήψης ACK (Acknowledgement) από τον παραλήπτη έχει μήκος L ACK = 11 bytes και ο χρόνο μετάδοσης του υπολογίζεται από την εξίσωση 2.4. (2.4) 2.2.2. CSMA/CA με συγχρονισμό Ο μηχανισμός CSMA/CA με συγχρονισμό συναντάται συχνότερα σε τοπολογίες αστέρα και βασίζεται σε μεγάλο βαθμό στο μηχανισμό CSMA/CA χωρίς συγχρονισμό. Αρχικά, ορίζεται η δομή ενός superframe, το οποίο χωρίζεται σε δύο περιόδους, την ενεργή (active) και την ανενεργή (inactive). Η ενεργή περίοδος ξεκινά με το frame συγχρονισμού και στη συνέχεια ακολουθεί η περίοδος CAP (Contention Access Period) και η περίοδος CFP (Contention Free Period), όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.5. Ο αλγόριθμος CSMA/CA με συγχρονισμό χρησιμοποιείται κατά την περίοδο CAP. Ο συντονιστής αποστέλλει το frame συγχρονισμού ανά τακτά χρονικά διαστήματα και όλοι οι κόμβοι εντός της εμβέλειας του λαμβάνουν τις απαραίτητες οδηγίες. Επιπλέον, το frame συγχρονισμού συγχρονίζει όλους τους κόμβους ώστε με την αποστολή του επόμενου frame συγχρονισμού από το συντονιστή, να μη βρίσκεται κανένας από αυτούς σε sleeping mode. Όλα τα αιτήματα, καθώς και τα πακέτα δεδομένων των κόμβων αποστέλλονται προς το συντονιστή κατά την περίοδο CAP. Σχήμα 2.5. Δομή superframe επιπέδου MAC. 24

Σχήμα 2.6. Frame συγχρονισμού και προδιαγραφές του superframe. Τα χρονικά διαστήματα μεταξύ των frames συγχρονισμού BI (Beacon Interval) και η διάρκεια του superframe SD (Superframe Duration) εξαρτώνται από μια σταθερή τιμή BSFD (αbasesuperframeduration), καθώς και τις τιμές BO (Beacon Order) και SO (Superframe Order), όπως αναφέρονται στις προδιαγραφές του superframe του Σχήματος 2.6. Η τιμή για τα BSFD υπολογίζεται από τη σχέση 2.5. (2.5) όπου η παράμετρος NSS (anumsuperframeslot) αναφέρεται στον αριθμό των slots του superframe και η προεπιλεγμένη τιμή είναι ίση με 16, με βάση το πρότυπο. Η παράμετρος BSD (abaseslotduration) υπολογίζεται από την εξίσωση 2.6. (2.6) όπου η τιμή της παραμέτρου aunitbackoffperiod είναι ίση με 20 σύμβολα. Συνεπώς βάσει των σχέσεων 2.5 και 2.6 καθώς και των προεπιλεγμένων τιμών λαμβάνεται η τιμή για το BSFD. (2.7) Επιπλέον οι εξισώσεις 2.8 και 2.9 υπολογίζουν τα BI και SD. 25 (2.8)

(2.9) Η παράμετρος BO λαμβάνει τιμές από 0 έως 14 ενώ η SO από 0 έως BO. Κατά τη διάρκεια της περιόδου CAP, όλοι οι κόμβοι ανταγωνίζονται για την πρόσβαση στο μέσο ακολουθώντας το μηχανισμού CSMA/CA. Ο αλγόριθμος εξαρτάται κυρίως από τρεις παραμέτρους, τον αριθμό των υποχωρήσεων NB (Number of Backoffs), το δείκτη υποχώρησης BE (Backoff Exponent) και το παράθυρο ανταγωνισμού CW (Contention Window). Οι αρχικές τιμές των ΝΒ, BE και CW είναι 0, 3 και 2 αντίστοιχα. Όταν το μέσο βρεθεί απασχολημένο, η αξία του ΝΒ αυξάνεται κατά 1, εκτός εάν φτάσει στο 4, το οποίο θεωρείται ως ανώτατο όριο του αριθμού των υποχωρήσεων (MaxCSMABackoffs). Η πρόσβαση στο κανάλι χαρακτηρίζεται αποτυχημένη, όταν το NB υπερβαίνει το MaxCSMABackoffs. Η παράμετρος BE καθορίζει το εύρος των slots υποχώρησης, δηλαδή τον αριθμό των Backoff slots, τον οποίο πρέπει να περιμένει ένας κόμβος πριν επιχειρήσει να αξιολογήσει τη διαθεσιμότητα του καναλιού. Ο τυχαίος αριθμός της περιόδου υποχώρησης κυμαίνεται από 0 έως 2-1. Η αξία του BE αυξάνεται κατά 1, όταν το κανάλι βρεθεί απασχολημένο μέχρι το όριο amacmaxbe, το οποίο είναι ίσο με 5. Αυτό αυξάνει την τυχαία διάρκεια υποχώρησης από 0-7 σε 0-31. Η παράμετρος CW σχετίζεται με την εκτίμηση της κατάστασης του καναλιού CCA και η προεπιλεγμένη τιμή της είναι 2, ορίζοντας ότι ο κόμβος θα πρέπει να αναγνωρίσει δύο συνεχόμενες φορές το κανάλι ως ελεύθερο, πριν από τη μετάδοση frame στο μέσο. Η ανίχνευση του καναλιού γίνεται κατά τη διάρκεια των πρώτων 8 συμβόλων της περιόδου υποχώρησης. Σύμφωνα με το διάγραμμα ροής του Σχήματος 2.7, όταν ένας κόμβος επιθυμεί την αποστολή πακέτου δεδομένων, αναμένει για τυχαίο αριθμό περιόδων υποχώρησης μεταξύ [0, 2-1]. Στο τέλος της περιόδου υποχώρησης, ο κόμβος ανιχνεύει το κανάλι εκτελώντας CCA. Αν το κανάλι είναι απασχολημένο, οι τιμές των ΝΒ και ΒΕ αυξάνονται κατά 1, εκτός αν φθάσουν τα ανώτατα όρια τους. Λόγω της αύξησης της παραμέτρου ΒΕ, αυξάνεται και η διάρκεια της επόμενης περιόδου υποχώρησης. Ο μέγιστος αριθμός υποχωρήσεων είναι 4 και μόλις ξεπεραστεί αυτό το όριο ο αλγόριθμος αποτυγχάνει και ο κόμβος δεν αποστέλλει το πακέτο δεδομένων. 26

Σχήμα 2.7. Διάγραμμα ροής για το μηχανισμό CSMA/CA με συγχρονισμό. Αν το κανάλι αναγνωριστεί ως ελεύθερο μετά το τέλος της περιόδου υποχώρησης, η τιμή του CW μειώνεται κατά 1. Όταν η τιμή του CW γίνει ίση με 0 τότε ο κόμβος μπορεί να αποστείλει το πακέτο δεδομένων. Για την επιτυχή αποστολή των δεδομένων θα πρέπει να αναγνωριστεί το κανάλι ως ελεύθερο για δύο διαδοχικές 27

φορές. Αν το υπολειπόμενο χρονικό διάστημα της περιόδου CAP είναι επαρκές για την αποστολή του πακέτου και την επιβεβαίωση της ορθής λήψης του (ACK), τότε η αποστολή αναβάλλεται μέχρι το επόμενο superframe. Η συνολική καθυστέρηση για την αποστολή πακέτου δεδομένων με την απαραίτητη επιβεβαίωση υπολογίζεται από την εξίσωση 2.10. Αντίστοιχα, η εξίσωση 2.11 υπολογίζει τη καθυστέρηση χωρίς επιβεβαίωση. (2.10) (2.11) όπου, Τ backoff το χρονικό διάστημα υποχώρησης του κόμβου, Τ data το χρονικό διάστημα για την αποστολή του πακέτου, Τ prop η καθυστέρηση της μετάδοσης, Τ ta ο χρόνος για την αλλαγή από transmitting σε receiving mode, T ack το χρονικό διάστημα για την επιβεβαίωση της λήψης του πακέτου και T ifs το χρονικό διάστημα μεταξύ των frames. 2.3. Πρόβλημα κρυμμένου και εκτεθειμένου τερματικού Σύμφωνα με το πρότυπο IEEE 802.15.4, κάθε τερματική συσκευή ελέγχει την κατάσταση του καναλιού πριν από κάθε αποστολή δεδομένων. Αν διαπιστώσει ότι το κανάλι είναι ελεύθερο, μπορεί να ξεκινήσει τη αποστολή. Στην περίπτωση, κατά την οποία το κανάλι είναι απασχολημένο, επαναλαμβάνει τοn έλεγχο μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, όπως περιγράφηκε προηγουμένως. Αυτή η προσέγγιση είναι αποδοτική μόνο όταν κάθε κόμβος βρίσκεται εντός εμβέλειας όλων των υπόλοιπων κόμβων του δικτύου, το οποίο αποτελεί εξαιρετικά σπάνια περίπτωση στα ασύρματα δίκτυα. Γενικότερα, η περιοχή κάλυψης του δικτύου είναι πολύ μεγαλύτερη από την εμβέλεια ενός κόμβου. Ο κόμβος δεν γνωρίζει τι υπάρχει ή/και τι συμβαίνει εκτός από την περιοχή της εμβέλειας του με αποτέλεσμα να υπάρχει πιθανότητα να συγκρουστούν πακέτα δεδομένων λόγω του προβλήματος κρυμμένου τερματικού (hidden terminal problem). Στο Σχήμα 2.8, παρουσιάζεται η σύγκρουση των δύο πακέτων κατά την αποστολή τους από τους κόμβους A και C προς τον κόμβο Β. Αν ο κόμβος Α διαπιστώσει ότι το 28

κανάλι είναι ελεύθερο μπορεί να ξεκινήσει την αποστολή πακέτου προς τον κόμβο Β, ο οποίος βρίσκεται εντός εμβέλειας του. Έπειτα, ο κόμβος C ελέγχει την κατάσταση του καναλιού και επιβεβαιώνει ότι είναι ελεύθερο, καθώς βρίσκεται εκτός της εμβέλειας του κόμβου Α και κατά συνέπεια δεν διαπιστώνει την αποστολή του πακέτου. Αν πριν τον τερματισμό της αποστολής πακέτου από τον κόμβο Α προς τον κόμβο Β, ο κόμβος C αποφασίσει να αποστείλει και αυτός πακέτο προς τον κόμβο Β τότε τα δύο πακέτα θα συγκρουστούν κατά τη λήψη τους από τον κόμβο B. Επιπλέον, οι κόμβοι Α και C δεν γνωρίζουν ότι το πακέτο, το οποίο έστειλαν, έχει καταστραφεί λόγω σύγκρουσης. Αυτό το φαινόμενο συμβάλει αισθητά στην αύξηση των συγκρούσεων, ειδικότερα αν η πυκνότητα των κόμβων είναι μεγάλη [27]. Σχήμα 2.8. Παράδειγμα σύγκρουσης πακέτων λόγω προβλήματος κρυμμένου τερματικού. Με παρόμοιο τρόπο, διαπιστώνεται και το πρόβλημα του εκτεθειμένου τερματικού (exposed terminal problem) [28]. Στο Σχήμα 2.9, ο κόμβος Α, αφού ελέγξει ότι το κανάλι είναι ελεύθερο, αποστέλλει πακέτο προς τον κόμβο C. Ταυτόχρονα, ο κόμβος Β επιθυμεί την αποστολή πακέτου προς τον κόμβο D, όμως βρισκόμενος εντός της εμβέλειας του κόμβου Α διαπιστώνει ότι το κανάλι είναι απασχολημένο. Για το λόγο αυτό αναβάλει προσωρινά τη αποστολή πακέτου του και αναμένει μέχρι να ελευθερωθεί το κανάλι από τον κόμβο Α. Σε αυτή την περίπτωση προκύπτει καθυστέρηση της αποστολής πακέτου από ένα κόμβο σε κάποιο άλλο, λόγω ταυτόχρονης αλλά μη συσχετιζόμενης αποστολής πακέτου σε άλλη περιοχή του δικτύου, μειώνοντας σημαντικά τη ρυθμαπόδοση (throughput). Την επίλυση των δύο προβλημάτων επιτυγχάνει ο μηχανισμός σημάτων χειραψίας (RTS/CTS - Request To Send / Clear to Send), ο οποίος περιγράφεται πλήρως από το πρότυπο IEEE 802.11. Τα προβλήματα εμφανίζονται συχνότερα σε 29

ασύρματα δίκτυα με μεγαλύτερους ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων, όμως αρκετά συχνά ενσωματώνεται ο μηχανισμός RTS/CTS και σε δίκτυα LR-WPANs, παρόλο που δεν προβλέπεται από το πρότυπο IEEE 802.15.4, με στόχο τη βελτίωση της απόδοσης του δικτύου. Σχήμα 2.9. Παράδειγμα καθυστέρησης αποστολής πακέτου λόγω προβλήματος εκτεθειμένου τερματικού. Ο μηχανισμός σημάτων χειραψίας RTS/CTS είναι αρκετά απλός. Όταν ένας κόμβος Α επιθυμεί να αποστείλλει κάποιο πακέτο σε ένα κόμβο Β εντός της εμβέλειας του, ξεκινάει με την αποστολή του σήματος RTS. Τότε ο κόμβος Β, στον οποίο απευθύνεται το σήμα RTS απαντάει με το σήμα CTS, παρέχοντας τη δυνατότητα στον κόμβο Α να δεσμεύσει το κανάλι για την αποστολή του πακέτου του. Έπειτα, ο κόμβος Α στέλνει το πακέτο και μόλις ο κόμβος Β λάβει το πακέτο, απαντάει με το σήμα ACK, για να πιστοποιήσει την επιτυχή λήψη. Οι κόμβοι εντός της εμβέλειας του κόμβου Α αναγνωρίζοντας το σήμα RTS, αν έχουν πακέτο προς αποστολή είναι υποχρεωμένοι να περιμένουν μέχρι να ελευθερωθεί το κανάλι, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.10. Αντίστοιχα, οι κόμβοι εντός της εμβέλειας του κόμβου Β, μερικοί εκ των οποίων είναι κρυμμένοι κόμβοι για τον κόμβο Α, λαμβάνοντας το σήμα CTS διαπιστώνουν ότι ο κόμβος Β είναι σε κατάσταση λήψης πακέτου. Αν θέλουν να του αποστείλουν και αυτοί πακέτο, αναμένουν μέχρι να τελειώσει η λήψη του προηγούμενου (σήμα ACK). Με αυτόν τον τρόπο αντιμετωπίζεται το πρόβλημα των κρυμμένων τερματικών. Αντίστοιχα για το πρόβλημα του εκτεθειμένου τερματικού, όταν ένας κόμβος Α αναγνωρίσει μόνο το σήμα RTS ενός κόμβου Β και δεν αναφέρεται σε αυτόν, υποθέτει ότι είναι εκτεθειμένος κόμβος του και αν επθυμεί μπορεί να στείλει πακέτο 30

προς κάποιον άλλο κόμβο, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.11. Με αυτό τον τρόπο, στέλνει το πακέτο του χωρίς να επηρεάσει την αποστολή πακέτου του κόμβου Β. Αξίζει να σημειωθεί πως παρόλο το μικρό μέγεθος των σημάτων RTS/CTS, αυξάνεται ο αριθμός των δεδομένων του δικτύου, αλλά αποφεύγεται ένα ποσοστό συγκρούσεων και άσκοπες καθυστερήσεις για αποστολές πακέτων. Σχήμα 2.10. Διάγραμμα επίλυσης προβλήματος κρυμμένου τερματικού με χρήση μηχανισμού RTS/CTS. Σχήμα 2.11. Διάγραμμα επίλυσης προβλήματος εκτεθειμένου τερματικού με χρήση μηχανισμού RTS/CTS. 31

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΘΟΡΥΒΟΣ ΚΑΙ ΠΑΡΕΜΒΟΛΕΣ 3.1. Θόρυβος Μία από τις αιτίες για τη μείωση της απόδοσης των ασυρμάτων δικτύων αισθητήρων είναι ο θόρυβος. Όταν αποστέλλονται πακέτα δεδομένων προς ένα κόμβο, η κεραία του δέκτη εκτός από την ισχύ του σήματος, το οποίο μεταφέρει το πακέτο δεδομένων, λαμβάνει και επιπλέον ισχύ. Η ισχύς, η οποία λαμβάνεται από τη κεραία του δέκτη και δεν σχετίζεται με το πακέτο δεδομένων, καλείται θόρυβος. Ο λόγος της ισχύος του μεταδιδόμενου σήματος, που φτάνει στο δέκτη, προς την ισχύ του θορύβου δείχνει πόσες φορές μεγαλύτερη είναι η ισχύς του σήματος από αυτή του θορύβου. Αυτός ο λόγος υπολογίζεται μέσω της σηματοθορυβικής σχέσης SNR (Signal-to-Noise Ratio), η οποία ορίζεται από την εξίσωση 3.1. Μονάδα μέτρησης του SNR είναι τα db, αλλά πιο συχνά στα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων χρησιμοποιείται η μονάδα μέτρησης dbm. (3.1) Αν η τιμή του SNR προκύψει αρνητική, σημαίνει ότι η ισχύς του θορύβου έχει ξεπεράσει την ισχύ του λαμβανόμενου σήματος. Συνήθως ο θόρυβος, ο οποίος μελετάται, είναι ο λευκός γκαουσσιανός προσθετικός θόρυβος (AWGN - Additive White Gaussian Noise). Ο συγκεκριμένος θόρυβος είναι στοχαστικός, δρα προσθετικά στο μεταδιδόμενο σήμα και έχει σταθερή ισχύ σε όλο το φάσμα συχνοτήτων. Η καταστροφή των πακέτων κατά τη λήψη τους οδηγεί σε επανεκπομπές των ίδιων πακέτων, επηρεάζοντας με αυτόν τον τρόπο τη συνολική απόδοση του δικτύου, καθώς αυξάνεται τη κίνηση των δεδομένων.. Επιπλέον, υπάρχει επίπτωση και στην ενέργεια του αποστολέα, λαμβάνοντας υπόψη ότι στις περισσότερες υλοποιήσεις των ασύρματων δικτύων αισθητήρων, οι τερματικές συσκευές τροφοδοτούνται από μπαταρίες. 32

Τα σημαντικότερα είδη θορύβου, τα οποία συναντώνται στα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων είναι ο θερμικός θόρυβος, ο θόρυβος ενδοδιαμόρφωσης και ο θόρυβος από εξωτερικές πηγές. Ο θερμικός θόρυβος αναπτύσσεται στις κεραίες του πομπού και του δέκτη λόγω της κίνησης των ηλεκτρονίων και δεν μπορεί να εξαλειφθεί. Ο θόρυβος ενδοδιαμόρφωσης προκαλείται λόγω της ατέλειας των τηλεπικοινωνιακών διατάξεων, που χρησιμοποιούνται για την αποστολή και λήψη δεδομένων. Τέλος, ο θόρυβος από εξωτερικές πηγές οφείλεται σε κατασκευαστικές ατέλειες συσκευών, παράγοντας εκπομπές σε διάφορες συχνότητες. Τέτοιες συσκευές είναι πιθανό να βρεθούν κοντά στο δίκτυο ή ακόμα να ενσωματωθούν σε αυτές οι αισθητήρες, προκαλώντας κρουστικό θόρυβο μεγάλης ισχύος σε μικρό χρονικό διάστημα [29]. 3.2. Παρεμβολές Εκτός από το φαινόμενο του θορύβου, με παρόμοιο τρόπο προσεγγίζεται και το φαινόμενο των παρεμβολών. Από τη θεωρία της μετάδοσης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων είναι γνωστό ότι η ισχύς του μεταδιδόμενου σήματος αποσβένει με την αύξηση της απόστασης αλλά τείνει ασυμπτωτικά στο 0, καθώς η απόσταση τείνει στο άπειρο. Για αυτό το λόγο, ποσοστό ισχύος, έστω και αν είναι αρκετά μικρό, συνεχίζει να μεταφέρεται και εκτός της εμβέλειας του πομπού. Όταν κατά τη λήψη των πακέτων δεδομένων από ένα κόμβο Α και σε απόσταση μεγαλύτερη από την εμβέλεια του κόμβου, γίνεται παράλληλη αποστολή από κόμβο Β, τότε είναι πιθανό ισχύς από την αποστολή του κόμβου Β να επηρεάσει τη λήψη πακέτου του κόμβου Α. Ενδέχεται ο κόμβος Α να μην καταφέρει να λάβει το πακέτο επιτυχώς λόγω της πρόσθετης ισχύς, την οποία έλαβε από τον απομακρυσμένο κόμβο Β. Το φαινόμενο αυτό καλείται παρεμβολή και συνυπάρχει με το θόρυβο. Ο λόγος SINR (Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio) ισούται με την ισχύ του σήματος προς την ισχύ του θορύβου και των παρεμβολών, όπως ορίζεται από την εξίσωση 3.2. (3.2) Το άθροισμα της εξίσωσης 3.2 αντιπροσωπεύει τη συνολική ισχύ, η οποία λαμβάνεται από ένα κόμβο και εκπέμπεται από διάφορους κόμβους του ασύρματου 33

δικτύου, εκτός εμβέλειας του πρώτου κόμβου, όπου τυχαίνει να αποστέλλουν πακέτο δεδομένων το ίδιο χρονικό διάστημα με τη λήψη πακέτου από τον προαναφερθέντα κόμβο. Τονίζεται πως ο μηχανισμός πρόσβασης στο μέσο CSMA/CA, ο οποίος παρουσιάστηκε στο Κεφάλαιο 2, δεν μπορεί να διευθετήσει το πρόβλημα των παρεμβολών καθώς οι κόμβοι, που εμπλέκονται, δεν έχουν πρόσβαση στο ίδιο μέσο. Σε αυτή την περίπτωση, το φαινόμενο της παρεμβολής παρατηρείται μεταξύ των κόμβων του δικτύου [30, 31, 32]. Επιπλέον, με αύξηση της ισχύος εκπομπής των τερματικών συσκευών, εκτός από μεγαλύτερη κατανάλωση ενέργειας, αναμένεται και αύξηση του αριθμού των πακέτων, τα οποία δεν λαμβάνονται επιτυχώς λόγω παρεμβολών. Για το λόγο αυτό, προτιμάται σε εφαρμογές ασυρμάτων δικτύων αισθητήρων, η τοποθέτηση κόμβων με μεγαλύτερη πυκνότητα ανά μονάδα επιφανείας, παρά η μη μελετημένη αύξηση της ισχύος εκπομπής. Επιπλέον, το φαινόμενο των παρεμβολών μπορεί να παρατηρηθεί και κατά τη συνύπαρξη δύο ή περισσότερων ασύρματων δικτύων. Όπως επισημάνθηκε στο Κεφάλαιο 2, τα πρότυπα IEEE 802.11 (Wi-Fi) και IEEE 802.15.1 (Bluetooth) λειτουργούν στην ίδια περιοχή συχνοτήτων με το πρότυπο IEEE 802.15.4. Είναι αναμενόμενο να προκληθούν πολλά προβλήματα λόγω παρεμβολών και να επηρεαστεί σε μεγάλο βαθμό η απόδοση όλων των εμπλεκόμενων δικτύων. Αν και προτιμάται η αποφυγή της συνύπαρξης ασύρματων δικτύων διεξάγονται μελέτες για βελτιστοποιηθεί η συμπεριφορά τους [33, 34]. 34

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΑΣΥΡΜΑΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ Στο συγκεκριμένο κεφάλαιο, παρουσιάζεται η προσομοίωση ενός ασύρματου δικτύου αισθητήρων. Περιγράφεται αναλυτικά η διαδικασία, με την οποία πραγματοποιήθηκε η προσομοίωση, οι παράμετροι και οι συμβάσεις, οι οποίες ορίστηκαν καθώς και η επεξεργασία των αποτελεσμάτων. Για τη συγγραφή του πηγαίου κώδικα χρησιμοποιήθηκε η γλώσσα προγραμματισμού Java και η προσομοίωση εκτελέστηκε με τη χρήση του λογισμικού Eclipse IDE. Η επεξεργασία και παρουσίαση των αποτελεσμάτων πραγματοποιήθηκε με το λογισμικό Matlab. 4.1. Παράμετροι και μετρικές του δικτύου Η προσομοίωση εκτελέστηκε αρκετές φορές και σε κάθε επανάληψή της γινόταν αλλαγή σε μία από τις παραμέτρους. Οι παράμετροι, οι οποίες χρησιμοποιήθηκαν καθώς και τα σύμβολα αυτών, ήταν οι ακόλουθες: ο αριθμός (Ν) ή η πυκνότητα των κόμβων σε μια ορισμένη περιοχή, ο ρυθμός άφιξης πακέτων (λ) ανά κόμβο, το μέσο μήκος πακέτου (L) και η ακτίνα εμβέλειας (R) των κόμβων. Ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων του δικτύου ήταν αυτός των 250 Kbit/s, ο οποίος βάσει του προτύπου 802.15.4 είναι και ο μέγιστος δυνατός. Επισημαίνεται ότι η αναφορά στην ακτίνα εμβέλειας ενός κόμβου σχετίζεται άμεσα με την ισχύ εκπομπής του κόμβου. Η μεταβολή στην ακτίνα εμβέλειας προϋποθέτει την αντίστοιχη μεταβολή στην ισχύ εκπομπής. Συνεπώς, για οποιαδήποτε αναφορά στην ακτίνα εμβέλειας, η οποία θα ακολουθήσει στην παρούσα διπλωματική εργασία, θα πρέπει να γίνεται άμεσος συνειρμός στην ισχύ εκπομπής του κόμβου. Επιλέχθηκε να χρησιμοποιηθεί η έννοια της ακτίνας εμβέλειας καθώς μπορεί να παρασταθεί γραφικά και βοηθά στην ευκολότερη σύγκριση των αποτελεσμάτων. 35

Οι μετρικές, οι οποίες εξάγονται από την προσομοίωση του δικτύου, είναι η πιθανότητα απόρριψης πακέτου λόγω σύγκρουσης, η πιθανότητα απόρριψης πακέτου λόγω παρεμβολής και το άθροισμα αυτών, το οποίο αναφέρεται στη συνολική πιθανότητα απόρριψης πακέτου. Επιπλέον, καταγράφονται οι συντεταγμένες των κόμβων, ο μέσος αριθμός γειτονικών κόμβων και ο μέσος αριθμός των κόμβων, οι οποίοι μπορούν να προκαλέσουν παρεμβολή κατά την λήψη πακέτων. Η παρουσίαση των αποτελεσμάτων μέσω διαγραμμάτων και ο αντίστοιχος σχολιασμός ακολουθεί στο Κεφάλαιο 5. Περισσότερες λεπτομέρειες για τις παραμέτρους και τις μετρικές ακολουθούν στο μέρος της υλοποίησης της προσομοίωσης. 4.2. Συμβάσεις Για να αποφευχθεί η αύξηση της πολυπλοκότητας του πηγαίου κώδικα, στα πλαίσια της προσομοίωσης, ορίστηκαν ορισμένες συμβάσεις, οι οποίες είναι οι ακόλουθες: Κάθε κόμβος παράγει και αποστέλλει πακέτα, τα οποία έχουν ως παραλήπτη έναν από τους γειτονικούς κόμβους του, δηλαδή τους κόμβους, οι οποίοι βρίσκονται εντός εμβέλειας του. Αν κάποιος από τους κόμβους δεν έχει κανένα γειτονικό κόμβο, δεν παράγει πακέτα για τη συγκεκριμένη επανάληψη της προσομοίωσης. Η ισχύς εκπομπής παραμένει σταθερή για όλους τους κόμβους σε μία επανάληψη της προσομοίωσης, καθιστώντας, με αυτόν τον τρόπο, την επικοινωνία μεταξύ κόμβων αμφίδρομη. Δεν έγινε χρήση πρωτόκολλου CSMA, συνεπώς, όταν προκύψει σύγκρουση πακέτων, η αποστολή του πακέτου συνεχίζεται μέχρι την ολοκλήρωσή της, όπως περιγράφεται στο πρωτόκολλο ALOHA. Κάθε κόμβος παράγει επόμενο πακέτο προς αποστολή, αφού πρώτα έχει ολοκληρώσει την αποστολή του προηγούμενου πακέτου. Στα πλαίσια της προσομοίωσης δεν έχει οριστεί η έννοια του buffer για πακέτα, τα οποία παράγει ένα κόμβος. 36

Οι παρεμβολές πακέτων ορίζονται ντετερμινιστικά. Αν η εμβέλεια ενός κόμβου είναι R, γίνεται η υπόθεση ότι μπορούν να παρεμβληθούν οι λήψεις πακέτων του συγκεκριμένου κόμβου από κόμβους, οι οποίοι βρίσκονται σε κυκλικό δίσκο, ορισμένο από τις ακτίνες R και 2R με κέντρο τον αρχικό κόμβο. Στο Σχήμα 4.1, για ένα τυχαίο κόμβο (πράσινο), σημειώνονται οι γειτονικοί του κόμβοι (μπλε) και οι κόμβοι, οι οποίοι μπορούν να παρεμβάλουν τις λήψεις πακέτων του (κόκκινο), καθώς και οι αντίστοιχες ακτίνες εμβέλειας για R = 2 και 2R = 4. Σχήμα 4.1. Γειτονικοί κόμβοι (μπλε) και κόμβοι (κόκκινοι), υπεύθυνοι για παρεμβολές λήψης πακέτων, ενός τυχαίου κόμβου (πράσινο). 4.3. Υλοποίηση Στόχος της προσομοίωσης είναι να περιγράψει μέσω των μετρικών τη συμπεριφορά ενός ασύρματου δικτύου αισθητήρων για όλους τους πιθανούς συνδυασμούς των παραμέτρων, οι οποίες έχουν οριστεί. Τα βασικά μέρη, στα οποία 37

χωρίζεται ο πηγαίος κώδικας αφορούν αρχικά τον ορισμό των κόμβων και έπειτα την προσομοίωση της λειτουργίας του δικτύου. Για τον ορισμό και τη διαχείριση των πληροφοριών των κόμβων ήταν απαραίτητη η δημιουργία μιας κλάσης. Η κλάση περιείχε τον αύξων αριθμό του κόμβου (ID), τις συντεταγμένες του, ένα πίνακα με τους γειτονικούς του κόμβους, ένα πίνακα με κόμβους, οι οποίοι μπορούν να παρεμβάλουν τη λήψη πακέτων και ένα πίνακα με πληροφορίες για τα πακέτα, τα οποία έχει δημιουργήσει. Αρχικά οριζόταν ο αύξων αριθμός του κόμβου και επιλέγονταν οι συντεταγμένες του με ακρίβεια εκατοστού σε ένα αδιάστατο πλέγμα 10x10, με τυχαίο τρόπο βάσει ομοιόμορφης κατανομής διαστήματος [0,10]. Για κάθε νέο κόμβο, υπολογίζονταν οι ευκλείδειες αποστάσεις του από τους ήδη τοποθετημένους κόμβους. Αν έστω μία από τις αποστάσεις ήταν μικρότερη του 0,5, τότε γινόταν εκ νέου τυχαία επιλογή των συντεταγμένων του. Με αυτόν τον τρόπο, εξασφαλιζόταν ότι δε θα συμπέσουν ή/και δε θα βρίσκονται σε αρκετά κοντινή απόσταση δύο κόμβοι. Στο Σχήμα 4.2 παρουσιάζονται τοπολογίες για διάφορους αριθμούς κόμβων. Συγκεκριμένα στο Σχήμα 4.2 (β), παρουσιάζονται ακτίνες εμβέλειας R = 2 για όλους τους κόμβους. (α) 38