E quindi uscimmo a riveder le stelle Dante Alighieri, La Divina Commedia

Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών Διπλωματική Εργασία Μελέτη της Επίδοσης και Συμπεριφοράς των Δικτύων ZigBee σε Πραγματικές Εφαρμογές Ονομα: Ιάκωβος Τσιμίνο Επιβλέπων Καθηγητής: Δημήτριος Μητράκος Φθινόπωρο 2015

2

E quindi uscimmo a riveder le stelle Dante Alighieri, La Divina Commedia

ii

Ευχαριστίες Θα ήθελα, αρχικά, να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα της διπλωματικής μου εργασίας, κ. Δημήτρη Μητράκο, Αναπληρωτή Καθηγητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών για την πολύτιμη βοήθεια και καθοδήγησή του για την εκπόνηση αυτής της εργασίας. Ευχαριστώ επίσης την οικογένεια, τους φίλους και τους συμφοιτητές μου που με στήριξαν και με βοήθησαν καθ όλη τη διάρκεια της ακαδημαϊκής μου πορείας.

Περιεχόμενα Κατάλογος Σχημάτων vi 1 Εισαγωγή 1 2 Τα Πρότυπα IEEE 802.15.4 και ZigBee 5 2.1 Το Μοντέλο OSI............................... 5 2.1.1 Γενικά................................. 5 2.1.2 Τα Επτά Επίπεδα του Μοντέλου OSI................. 6 2.2 IEEE 802.15.4................................. 8 2.2.1 Γενικά................................. 8 2.2.2 Τοπολογίες Δικτύων......................... 9 2.2.2.1 Τοπολογία Αστέρα..................... 9 2.2.2.2 Τοπολογίες Peer-to-Peer και Cluster Tree......... 10 2.2.3 Μοντέλα μεταφοράς δεδομένων.................... 11 2.2.3.1 Μετάδοση προς τον coordinator.............. 11 2.2.3.2 Μετάδοση από τον coordinator............... 11 2.2.3.3 Μετάδοση peer-to-peer................... 12 2.2.4 Αρχιτεκτονική: Φυσικό Επίπεδο................... 12 2.2.5 Αρχιτεκτονική: Υποεπίπεδο MAC.................. 12 2.2.5.1 Η δομή των Superframes.................. 12 2.2.5.2 Η δομή των Frames..................... 14 2.2.5.3 Μηχανισμοί πρόσβασης στο κανάλι............. 14 2.2.6 CSMA/CA.............................. 14 2.2.6.1 Unslotted CSMA/CA................... 15 2.2.6.2 Slotted CSMA/CA..................... 15 2.3 ZigBee..................................... 17 2.3.1 Γενικά................................. 17 2.3.1.1 ZigBee PRO........................ 18 2.3.1.2 ZigBee RF4CE....................... 19 2.3.1.3 ZigBee IP.......................... 19 3 Συνύπαρξη με Άλλες Τεχνολογίες στην ISM Band 21 3.1 Industrial Scientific and Medical Bands................... 21 3.2 IEEE 802.15.4 και IEEE 802.11b/g..................... 21 3.2.1 Προσέγγιση βάσει ισχύος....................... 24 3.2.2 Προσέγγιση βάσει συγχρονισμού................... 24 3.3 Αντιμετώπιση των Παρεμβολών........................ 26 iv

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ v 4 Εφαρμογές 29 4.1 Εφαρμογές στην Ιατρική........................... 29 4.2 Smart Dust.................................. 30 4.3 Intelligent Transport Systems........................ 31 4.4 Building Automation και Smart Homes................... 32 5 Προσομοίωση 33 5.1 OPNET.................................... 33 5.2 Επιλογή των Προσομοιώσεων......................... 34 5.3 Σύγκριση της Απόδοσης των Τριών Τοπολογιών.............. 35 5.4 Τοπολογία Αστέρα.............................. 36 5.5 Τοπολογίες mesh και tree........................... 40 5.6 Προσομοιώσεις Πραγματικών Εφαρμογών.................. 42 5.6.1 Εφαρμογή Connected Lighting για το Φωτισμό της Ροτόντας της Θεσσαλονίκης............................. 43 5.6.2 Εφαρμογή Smart Home σε Διαμέρισμα................ 46 5.6.3 Εφαρμογή Intelligent Transport System............... 47 5.6.3.1 Εφαρμογή Intra-Vehicle Network............. 49 5.6.3.1.1 Υψηλή Κίνηση................... 49 5.6.3.1.2 Χαμηλή Κίνηση.................. 52 5.6.3.2 Εφαρμογή Vehicle To Infrastructure Network....... 54 5.6.3.2.1 Ο Coordinator μέσα στο όχημα......... 54 5.6.3.2.2 Ο Coordinator ως μέρος της υποδομής..... 56 6 Αποτελέσματα και Μελλοντικές Επεκτάσεις 59 6.1 Ερμηνεία των Αποτελεσμάτων........................ 59 6.2 Μελλοντικές Επεκτάσεις........................... 60 6.3 Προβλήματα και Δυσκολίες κατά την Υλοποίηση.............. 60 Βιβλιογραφία 63 Συντομογραφίες 67 Οδηγίες για τη Χρήση του OPNET Modeler 69

Κατάλογος Σχημάτων 2.1 Διαθέσιμες τοπολογίες στα δίκτυα LR-WPAN................ 9 2.2 Η τοπολογία Cluster Tree........................... 10 2.3 Η μορφή του superframe χωρίς CFP..................... 13 2.4 Η μορφή του superframe με CFP....................... 13 2.5 Η εσωτερική δομή της ενεργής περιόδου του superframe.......... 13 2.6 Η δομή των frames στο ΙΕΕΕ 802.15.4.................... 14 2.7 Ο αλγόριθμος CSMA/CA.......................... 16 3.1 Κανάλια των προτύπων 802.15.4 και 802.11................. 22 3.2 Οι τρεις περιοχές διαφορετικού είδους παρεμβολής του WiFi επί του 802.15.4 23 3.3 Τα κανάλια του 802.15.4 που βρίσκονται ανάμεσα στα συχνότερα χρησιμοποιούμενα κανάλια του WiFi......................... 26 5.1 Απόδοση των τοπολογιών star, mesh και tree................ 36 5.2 Απόδοση δικτύων αστέρα με 5, 10 και 50 συσκευές............. 37 5.3 Παραμετρική ανάλυση της ρυθμαπόδοσης, συναρτήσει του αριθμού των συσκευών στον αστέρα.............................. 38 5.4 Παραμετρική ανάλυση του end-to-end delay, συναρτήσει του αριθμού των συσκευών στον αστέρα............................ 39 5.5 Ρυθμαπόδοση ενός δικτύου αστέρα όταν παύει να λειτουργεί ο coordinator 39 5.6 Απόδοση δικτύων mesh και tree με έναν κόμβο να αστοχεί......... 42 5.7 Ρυθμαπόδοση δικτύου tree με δρομολογητές και συσκευές που αστοχούν εκ περιτροπής σε διαφορετικά βάθη του δέντρου................. 43 5.8 Οι θέσεις των συσκευών του δικτύου της εφαρμογής για τον φωτισμό της Ροτόντας.................................... 44 5.9 Απόδοση δικτύων mesh και tree για την εφαρμογή φωτισμού της Ροτόντας 45 5.10 Το δίκτυο της εφαρμογής Smart Home................... 47 5.11 Απόδοση δικτύων mesh και tree για την εφαρμογή Smart Home...... 48 5.12 Το δίκτυο της εφαρμογής Intra-Vehicle Network.............. 50 5.13 Ρυθμαπόδοση δικτύων mesh, star και tree για την εφαρμογή Intra-Vehicle Network.................................... 51 5.14 End-to-end delay δικτύων mesh, star και tree για την εφαρμογή Inter- Vehicle Network................................ 52 5.15 Το δίκτυο της εφαρμογής Intra-Vehicle Network χαμηλής κίνησης..... 52 5.16 Απόδοση δικτύων star, mesh και tree για το Intra-Vehicle δίκτυο χαμηλής κίνησης..................................... 53 5.17 Η συμπεριφορά του δικτύου V2I υλοποιημένου με τις τρεις τοπολογίες... 55 vi

ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ vii 5.18 Απόδοση ACK enabled και non-enabled star δικτύου........... 56 5.19 Ρυθμαπόδοση των δικτύων του κάθε οχήματος............... 57 5.20 End-to-end delay των PAN που σχηματίζονται κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης.................................... 58 1 Το αρχικό παράθυρο του OPNET...................... 69 2 Ενα μικρό δίκτυο ZigBee........................... 70 3 Το παράθυρο επεξεργασίας των παραμέτρων της προσομοίωσης....... 70 4 Επιλογή της τοπολογίας του δικτύου..................... 71 5 Παράθυρο επιλογής στατιστικών....................... 72

viii ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ

Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή Ακόμα και πριν από τη γέννηση της επιστήμης όπως τη γνωρίζουμε σήμερα, κυρίαρχο ρόλο στην ανθρώπινη ζωή έπαιξε η αντίληψη και η μέτρηση των φυσικών μεγεθών. Αρχικά, προφανώς, η αντίληψη του περιβάλλοντος ήταν απολύτως εμπειρική, για παράδειγμα θα μπορούσε κάποιος να ξεχωρίσει το ζεστό από το κρύο, χωρίς, όμως, να μπορεί να δηλώσει πόσο ζεστό ή πόσο κρύο είναι ένα αντικείμενο ή ένας χώρος. Καθ όλη τη διάρκεια της ανθρώπινης ιστορίας, εμφανίστηκαν διατάξεις και όργανα που κατέστησαν δυνατή την ακριβέστερη μέτρηση των φυσικών μεγεθών. Το θερμόμετρο, το βολτόμετρο, το δυναμόμετρο είναι παραδείγματα τέτοιου είδους διατάξεων. Προφανώς, στην εποχή μας, τα μετρητικά όργανα έχουν αναπτυχθεί ώστε να έχουν τη δυνατότητα να μετρήσουν πιο πολύπλοκα μεγέθη, όπως η ταχύτητα (ταχύμετρο) ή το συχνοτικό περιεχόμενο ενός σήματος (φασματογράφος), ανάλογα με τις ανάγκες κάθε εφαρμογής. Τις τελευταίες δεκαετίες, όποτε ο τομέας της Ηλεκτρονικής έχει γνωρίσει ραγδαία άνθιση, τα αισθητήρια όργανα έχουν εξελιχθεί περαιτέρω και έχουν πλέον την ικανότητα να μετατρέπουν αλλαγές στο φυσικό περιβάλλον σε ηλεκτρικά μεγέθη, όπως τάση και αντίσταση, ώστε ένα ηλεκτρονικό ή υπολογιστικό σύστημα να μπορεί να επεξεργαστεί ένα φυσικό μέγεθος. Παραδείγματα τέτοιου είδους αισθητηρίων είναι τα θερμίστορ και οι πιεζοαντιστάσεις, των οποίων η ηλεκτρική αντίσταση μεταβάλλεται ανάλογα με τη θερμοκρασία περιβάλλοντος και την ασκούμενη πίεση, αντίστοιχα. Σε όλους τους τομείς της σημερινής τεχνολογίας, εμφανίζεται μία τάση προς την αυτοματοποίηση των υπολογιστικών συστημάτων. Εν προκειμένω, με τον όρο αυτοματοποίηση εννοείται η αντίληψη του περιβάλλοντος από το σύστημα και η απόκριση σε αλλαγές σε αυτό. Ακριβώς όπως ένας ζωντανός οργανισμός τελεί αυτές τις λειτουργίες με τα αισθητήρια όργανά του, όπως τα μάτια και το δέρμα, ένα σύστημα χρειάζεται ειδικές διατάξεις αισθητήρων για τη μέτρηση των φυσικών μεγεθών. Άρα, λοιπόν, ένας αισθητήρας δεν αποτελεί πλέον ένα μεμονωμένο σύστημα μέτρησης, αλλά τη γέφυρα μεταξύ ενός υπολογιστή και του φυσικού κόσμου. Είναι, πλέον, μέρος ενός εκτενέστερου συστήματος που εκτελεί μία περίπλοκη λειτουργία, βασιζόμενο στα ερεθίσματα που δέχεται από το περιβάλλον του. Η τεχνολογία σήμερα έχει επιτρέψει την ανάπτυξη συστημάτων που βασίζονται στην ασύρματη σύνδεση αισθητηρίων, ώστε να πραγματοποιούνται μετρήσεις πολλών διαφορετικών μεγεθών σε πολλά σημεία ταυτόχρονα, ανοίγοντας το δρόμο για μία πληθώρα εφαρμογών. Αυτού του 1

2 Κεφάλαιο 1. Εισαγωγή είδους συστήματα ονομάζονται Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων (Wireless Sensor Networks - WSNs). Τα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων που θα μας απασχολήσουν στην εργασία που ακολουθεί υπάγονται στο πρότυπο IEEE 802.15.4, το οποίο αναφέρεται σε χαμηλού ρυθμού μετάδοσης ασύρματα δίκτυα προσωπικής περιοχής (Low-Rate Wireless Personal Area Networks - LR-WPANs). Οι εφαρμογές που μπορούν να υιοθετήσουν τη συγκεκριμένη τεχνολογία περιορίζονται μόνο από τη φαντασία των σχεδιαστών. Οι δυνατότητες, όμως, των δικτύων αυτών, όπως προδίδει το όνομά τους, χρησιμεύουν περισσότερο σε εφαρμογές μετρήσεων, όπου οι λειτουργίες δεν εκτείνονται πέρα από τη μέτρηση ενός μεγέθους και την αποστολή μικρού όγκου δεδομένων σε ένα κεντρικό κόμβο προς επεξεργασία, χωρίς αυτό να σημαίνει πως αποκλείονται και άλλου είδους εφαρμογές, όπως εφαρμογές πολυμέσων. Οπως αναφέρθηκε, η τεχνολογία αυτή στοχεύει στην αυτοματοποίηση των συστημάτων, για την ανάπτυξη των smart environments, ενώ, ταυτόχρονα, θα μπορούσε να θεωρηθεί ως ένα γενναίο βήμα προς την εδραίωση του Internet of Things. Το πρότυπο IEEE 802.15.4 αναφέρεται στις προδιαγραφές του φυσικού και MAC επιπέδου των δικτύων, χωρίς να γίνεται λόγος για τα ανώτερα επίπεδα του μοντέλου OSI. Τα α- νώτερα επίπεδα προδιαγράφονται από άλλα βιομηχανικά πρότυπα, ανεξάρτητα της IEEE. Το επικρατέστερο από αυτά είναι το πρότυπο ZigBee, της ZigBee Alliance. Οι περισσότερες συσκευές που υπάγονται στο συγκεκριμένο τύπο δικτύου προτυποποιούνται κατά ZigBee, υ- πονοώντας, προφανώς, ότι πληρούνται και οι προδιαγραφές που θέτει το πρότυπο της IEEE, αφού το ίδιο το ZigBee είναι βασισμένο σε αυτό. Τονίζεται, στο σημείο αυτό, ότι αν και οι όροι IEEE 802.15.4 και ZigBee είναι διακριτά και αναφέρονται σε διαφορετικές οντότητες, οι όροι χρησιμοποιούνται, στη βιβλιογραφία και χάριν ευκολίας, εναλλάξ. Οι εφαρμογές των δικτύων ZigBee εκτείνονται από το οικιακές, όπως αυτόματη ρύθμιση μίας επιθυμητής θερμοκρασίας, μία από τις διάφορες πτυχές των Smart Homes, τα οποία θα αναλυθούν εκτενώς στη συνέχεια, μέχρι εφαρμογές μεγάλης κλίμακας, όπως, επί παραδείγματι ένα σύστημα ανίχνευσης πυρκαγιάς σε ένα δάσος, με τη χρήση συστημάτων Smartdust. Ενδιαφέρον, επίσης, παρουσιάζουν οι εφαρμογές που αναφέρονται στην επικοινωνία μεταξύ οχημάτων που βρίσκονται σε κίνηση, με σκοπό την αποφυγή ατυχημάτων, και πολλές άλλες. Σήμερα είναι μάλλον δύσκολο να βρεθεί ένας χώρος απολύτως κενός από ακτινοβολίες και σήματα. Οι εφαρμογές των δικτύων ZigBee τα υποχρεώνουν να βρίσκονται, στις περισσότερες περιπτώσεις, σε χώρους με αυξημένη τηλεπικοινωνιακή κίνηση. Προφανώς, το μεγαλύτερο πλήγμα στην ποιότητα της επικοινωνίας μέσω ZigBee προκαλούν δίκτυα που μοιράζονται με αυτό κοντινές συχνότητες λειτουργίας. Στην παρούσα εργασία, θα γίνει λόγος στην επίπτωση που έχουν πάνω στη λειτουργία του ZigBee τα πανταχού παρόντα δίκτυα WiFi, που μοιράζονται με το ZigBee την μπάντα unlicenced ISM (Industrial, Scientific and Medical Band). Οι δύο τύποι δικτύων αναγκάζονται να συνυπάρξουν στον ίδιο χώρο και, για το λόγο αυτό, πρέπει να υπάρχει μέριμνα για την καλή λειτουργία και των δύο, παρά το γεγονός ότι το WiFi έχει πλεονέκτημα υπέρ του ZigBee, κυρίως λόγω υπερπολλαπλάσιας ισχύος λειτουργίας. Η δομή της υπόλοιπης εργασίας έχει ως εξής: Στο Κεφάλαιο 2, παρατίθεται μια παρουσίαση

3 των σημαντικότερων σημείων των προτύπων IEEE 802.15.4 και ZigBee. Στο Κεφάλαιο 3, αναλύεται ένα μοντέλο της συνύπαρξης του IEEE 802.15.4 με το WiFi. Στο Κεφάλαιο 4, γίνεται αναφορά σε ορισμένες δημοφιλείς εφαρμογές των LR-WPANs. Στο Κεφάλαιο 5 πραγματοποιούνται προσομοιώσεις δικτύων ZigBee με χρήση του OPNET Modeler 14.5, τόσο για την ανάλυση της συμπεριφοράς των δικτύων σε απλές περιπτώσεις, όσο και για την απόδοση του συστήματος σε πραγματικές εφαρμογές, με την ερμηνεία των αποτελεσμάτων να δίνεται στο Κεφάλαιο 6. Τέλος, στο Παράρτημα υπάρχει λίστα με τις συντομογραφίες που χρησιμοποιούνται συχνά σε όλη την εργασία, καθώς και ένας σύντομος οδηγός για τη χρήση του περιβάλλοντος OPNET όσον αφορά την προσομοίωση δικτύων ZigBee.

4 Κεφάλαιο 1. Εισαγωγή

Κεφάλαιο 2 Τα Πρότυπα IEEE 802.15.4 και ZigBee 2.1 Το Μοντέλο OSI Εν πρώτοις, θα ήταν χρήσιμο να αναφερθούμε σύντομα στα βασικά στοιχεία του Μοντέλου OSI, διότι στα κεφάλαια που ακολουθούν θα γίνονται συνεχώς αναφορές σε αυτό. 2.1.1 Γενικά Το μοντέλο OSI βασίζεται σε μία πρόταση του Διεθνούς Οργανισμού Τυποποίησης (ISO) ως ένα πρώτο βήμα για τη προτυποποίηση των πρωτοκόλλων που χρησιμοποιούνται στα διάφορα επίπεδα των δικτύων. Τα αρχικά σημαίνουν Open Systems Interconnection, δηλαδή Διασύνδεση Ανοικτών Συστημάτων, συστημάτων, δηλαδή, που είναι ανοικτά στην επικοινωνία με άλλα συστήματα.[4] Το μοντέλο OSI αποτελείται από επτά διακριτά επίπεδα, των οποίων ο διαχωρισμός βασίστηκε στις παρακάτω αρχές [3, 4]: Οπου χρειάζεται μία διαφορετική λογική ή αφαίρεση, δημιουργείται ένα επίπεδο Κάθε επίπεδο πρέπει να εκτελεί μία σαφώς καθορισμένη λειτουργία Η λειτουργία κάθε επιπέδου πρέπει να επιλέγεται με στόχο τον καθορισμό διεθνώς τυποποιημένων πρωτοκόλλων Τα σύνορα των επιπέδων πρέπει να επιλέγονται έτσι ώστε να ελαχιστοποιείται η ροή πληροφοριών μέσω της διασύνδεσης μεταξύ των επιπέδων Το πλήθος των επιπέδων πρέπει να είναι επαρκώς μεγάλο ώστε να μη χρειάζονται να ανακατεύονται χωρίς λόγο διαφορετικές λειτουργίες στο ίδιο επίπεδο, αλλά και επαρκώς μικρό ώστε η αρχιτεκτονική να μη γίνεται άβολη 5

6 Κεφάλαιο 2. Τα Πρότυπα IEEE 802.15.4 και ZigBee Είναι σημαντικό να σημειωθεί πως το μοντέλο OSI δεν αποτελεί μία αρχιτεκτονική δικτύου, ούτε καθορίζει παραμέτρους υλοποίησης δικτύων, καθότι δεν προσδιορίζει τις υπηρεσίες και τα πρωτόκολλα που πρέπει να χρησιμοποιούνται σε κάθε επίπεδο. Εξάλλου, δεν είναι αυτός ο σκοπός του, αλλά η ανάπτυξη ενός λειτουργικού πλαισίου μέσα στο οποίο ομάδες κατασκευαστών να μπορούν να λειτουργούν ανεξάρτητα και παραγωγικά για την ανάπτυξη προτύπων για τα πρωτόκολλα κάθε επιπέδου του OSI ξεχωριστά [3]. 2.1.2 Τα Επτά Επίπεδα του Μοντέλου OSI Επίπεδο 7: Application Layer Πρόκειται για το υψηλότερο επίπεδο του μοντέλου OSI και αποτελεί τη δίοδο μεταξύ της εκτελούμενης εφαρμογής και του δικτύου. Περιέχει μία ποικιλία πρωτοκόλλων που απαιτούνται συχνά από τους χρήστες καθώς και λειτουργίες που αναφέρονται σε επικοινωνία μεταξύ ανοιχτών συστημάτων που δεν εκτελούνται από κάποιο κατώτερο επίπεδο, όπως εσωτερικές λειτουργίες των προγραμμάτων και ενέργειες των χρηστών. Ενα παράδειγμα ευρέως χρησιμοποιούμενου πρωτοκόλλου είναι το HTTP (HyperText Transfer Protocol), το οποίο είναι η βάση του Παγκόσμιου Ιστού. Επίπεδο 6: Presentation Layer Σε αντίθεση με τα κατώτερα επίπεδα, που ασχολούνται, κυρίως, με τη μεταφορά bit, το presentation layer είναι υπεύθυνο για τη σύνταξη και τη σημασιολογία των μεταφερόμενων πληροφοριών. Για να είναι εφικτή η επικοινωνία υπολογιστών που χρησιμοποιούν διαφορετικές αναπαραστάσεις δεδομένων, μπορούν να οριστούν με αφαιρετικό τρόπο οι δομές δεδομένων που θα ανταλλάσσονται, μαζί με μια τυποποιημένη κωδικοποίηση που θα χρησιμοποιείται μέσα στο καλώδιο. Παρέχει δηλαδή ανεξαρτησία συντακτικού (Syntax Independence), ώστε να απαλλάσσει το Application Layer από την ευθύνη της κοινής απεικόνισης της πληροφορίας. Με άλλα λόγια, επιτρέπει σε κάθε εφαρμογή να οργανώνει και να κωδικοποιεί τα αποστελλούμενα δεδομένα όπως επιλέξει και αναλαμβάνει να την μετατρέψει πριν τη μετάδοση σε μορφή αναγνώσιμη από οποιοδήποτε άλλο σύστημα. Επίπεδο 5: Session Layer Επιτρέπει σε χρήστες διαφορετικών μηχανών να εγκαθιδρύουν συνδιαλέξεις (sessions) μεταξύ τους. Υπηρεσίες που παρέχονται από το session layer είναι ο έλεγχος διαλόγου, δηλαδή η παρακολούθηση του ποιος έχει σειρά να μεταδώσει, το token management και ο συγχρονισμός. Επίπεδο 4: Transport Layer Η βασική λειτουργία του transport layer είναι να δέχεται δεδομένα από το ανώτερο επίπεδο, να τα διασπά, αν χρειάζεται, σε μικρότερες μονάδες, να τις μεταβιβάζει στο αμέσως κατώτερο επίπεδο (network layer) και να εξασφαλίζει ότι όλα τα τμήματα φθάνουν σωστά στο άλλο άκρο. Ολα αυτά οφείλουν να γίνονται με αποδοτικό τρόπο, ώστε τα ανώτερα επίπεδα να μην επηρεάζονται από αλλαγές στην τεχνολογία που χρησιμοποιείται στο υλικό. Επιπλέον, στο επίπεδο αυτό, επιλέγεται ο τύπος της υπηρεσίας που θα παρέχεται στο session layer.

2.1. Το Μοντέλο OSI 7 Το transport layer είναι χαρακτηριστικό παράδειγμα ενός end-to-end επιπέδου. Δηλαδή, ένα πρόγραμμα στο transport layer μίας μηχανής προέλευσης συνομιλεί με ένα παρόμοιο πρόγραμμα στο αντίστοιχο επίπεδο μίας μηχανής προορισμού, χρησιμοποιώντας τις κεφαλίδες των μηνυμάτων και τα μηνύματα ελέγχου. Το χαρακτηριστικό αυτό απαντάται στα επίπεδα 4 έως 7. Επίπεδο 3: Network Layer Ελέγχει τη λειτουργία του υποδικτύου (subnet) και, κυρίως, τον τρόπο δρομολόγησης των πακέτων από την προέλευση στον προορισμό τους. Τα δρομολόγια μπορεί να βασίζονται σε σπάνια μεταβαλλόμενους πίνακες (routing tables) ή να προσδιορίζονται στην αρχή κάθε συνομιλίας ή να είναι τελείως δυναμικά. Η συμφόρηση (congestion) που παρουσιάζεται όταν μεταδίδονται πολλά πακέτα ελέγχεται, επίσης, από αυτό το επίπεδο, το οποίο είναι, γενικά, υπεύθυνο για την παρεχόμενη ποιότητα υπηρεσιών (QoS) καθ όλη τη διάρκεια της επικοινωνίας. Επιπλέον, το network layer είναι υπεύθυνο για τη διασύνδεση ετερογενών δικτύων. Επίπεδο 2: Data Link Layer Το καθήκον του είναι να μετασχηματίζει μια υπηρεσία μετάδοσης ανεπεξέργαστων δεδομένων σε μία γραμμή η οποία να φαίνεται στο network layer ότι δεν έχει τον κίνδυνο μη εντοπισμένων σφαλμάτων μετάδοσης. Ο στόχος αυτός επιτυγχάνεται με το να τεμαχίζει ο αποστολέας τα δεδομένα εισόδου σε πλαίσια δεδομένων (data frames), τα οποία μεταδίδει με τη σειρά. Αν η υπηρεσία είναι αξιόπιστη, ο παραλήπτης επιβεβαιώνει την ορθή λήψη του πακέτου με την αποστολή ενός πλαισίου επιβεβαίωσης (acknowledgement frame ή απλά ACK). Επιπλέον, το data link layer είναι υπεύθυνο για τη ρύθμιση της κυκλοφορίας, όπως στην περίπτωση όπου ένας αργός δέκτης αδυνατεί να επεξεργαστεί ταχεία ροή δεδομένων από έναν γρηγορότερο πομπό, γεγονός που θα οδηγήσει κατά πάσα πιθανότητα σε σφάλμα στα εισερχόμενα δεδομένα. Συνήθως, οι μηχανισμοί της διαχείρισης των σφαλμάτων και της ρύθμισης της κυκλοφορίας είναι ενοποιημένοι. Ενας πολύ σημαντικός ρόλος του data link layer είναι ο έλεγχος της πρόσβασης στο κοινό κανάλι. Για το σκοπό αυτό, σε πολλούς τύπους δικτύων ορίζονται και ε- πιπλέον υποεπίπεδα του data link layer που μεριμνούν για αυτό το πρόβλημα. Για παράδειγμα, στα δίκτυα WiFi, που θα αναφερθούν στη συνέχεια, το data link layer περιέχει το υποεπίπεδο Medium Access Control (MAC) και το Logical Link Control (LLC). Επίπεδο 1: Physical Layer Παρέχει τα ηλεκτρομηχανικά, λειτουργικά και διαδικαστικά μέσα για την ενεργοποίηση, διατήρηση και απενεργοποίηση συνδέσεων μεταξύ υπολογιστών, μέσω των οποίων μεταδίδονται ανεπεξέργαστα (raw) δυαδικά ψηφία. Με απλά λόγια, το physical layer αποτελείται από κυκλωματικές διατάξεις λήψης και αποστολής δεδομένων.

8 Κεφάλαιο 2. Τα Πρότυπα IEEE 802.15.4 και ZigBee 2.2 IEEE 802.15.4 2.2.1 Γενικά Το πρότυπο IEEE 802.15.4 [1] αναπτύχθηκε από το 802.15 working group της IEEE και εκδόθηκε πρώτη φορά το 2003. Το πρότυπο θέτει τις προδιαγραφές για το φυσικό (PHY) και MAC επίπεδο των χαμηλού ρυθμού μετάδοσης δικτύων προσωπικής περιοχής (Low-Rate Wireless Personal Area Networks) και θέτει τις βάσεις για τεχνολογίες όπως το ZigBee, ISA100.11a, WirelessHART και MiWi, οι οποίες προτυποποιούν τα ανώτερα επίπεδα του μοντέλου OSI. Τα WPANs χρησιμοποιούνται για τη μετάδοση πληροφορίας σε κοντινές αποστάσεις. Σε αντίθεση με τα ασύρματα τοπικά δίκτυα WLANs, οι απαραίτητες υποδομές για τα WPANs είναι ελάχιστες. Το γεγονός αυτό επιτρέπει την ανάπτυξη μιας μεγάλης ποικιλίας συσκευών μικρού μεγέθους, χαμηλής κατανάλωσης, χαμηλής πολυπλοκότητας και χαμηλού κόστους, που αποτελούν τους κύριους άξονες στους οποίους κινείται το πρότυπο. Το πρότυπο προδιαγράφει το φυσικό (PHY) και το MAC επίπεδο για χαμηλού ρυθμού μετάδοσης ασύρματη επικοινωνία μεταξύ ακίνητων ή κινούμενων συσκευών, χωρίς μπαταρία ή με πολύ μικρή κατανάλωση ρεύματος, που τυπικά λειτουργούν στον προσωπικό χώρο λειτουργίας (personal operating space), ακτίνας 10 μέτρων. Ο ρυθμός μετάδοσης αν και μόλις στα 250kbps είναι επαρκής για να ικανοποιήσει μία σωρεία εφαρμογών, ενώ, μπορεί να μειωθεί ακόμα περισσότερο (να φθάσει ακόμα και στα 20kbps), για να καλύψει τις ανάγκες ασύρματων συστημάτων αισθητήρων και αυτοματοποίησης. Κύριοι στόχοι των LR-WPANs είναι η ευκολία στη εγκατάσταση, αξιόπιστη μετάδοση δεδομένων, εξαιρετικά χαμηλό κόστος και ικανοποιητική διάρκεια μπαταρίας, διατηρώντας, την ίδια στιγμή το πρωτόκολλο απλό και ευέλικτο. Μερικές από τις δυνατότητες που παρέχει το πρότυπο είναι: Τοπολογία αστέρα ή peer-to-peer Διευθύνσεις των 16bit ή επεκτεταμένες, των 64bit Ανάθεση Guaranteed Time Slots Πρόσβαση στο κανάλι με μέθοδο CSMA/CA ή ALOHA Πλήρες πρωτόκολλο για αξιόπιστη μεταφορά Χαμηλή κατανάλωση ισχύος Ανίχνευση ενέργειας (Energy Detection) Ενδειξη ποιότητας ζεύξης (Link Quality Indication) Προδιαγραφή πολλών διαφορετικών PHY επιπέδων, που λειτουργούν σε διάφορες συχνοτικές ζώνες

2.2. IEEE 802.15.4 9 Δύο είδη συσκευών μπορούν να συμμετέχουν σε ένα δίκτυο LR-WPAN: οι συσκευές πλήρους λειτουργίας (Full Function Devices) και οι συσκευές μειωμένης λειτουργίας (Reduced Function Devices). 2.2.2 Τοπολογίες Δικτύων Ανάλογα με τις ανάγκες της εφαρμογής, το πρότυπο μπορεί να λειτουργήσει σε μία από δύο διαθέσιμες τοπολογίες: την τοπολογία αστέρα (star) και την τοπολογία peer-to-peer. Ενδεικτικά διαγράμματα για τις τοπολογίες αυτές φαίνονται στο σχήμα 2.1. Στο σημείο αυτό, ορίζουμε ένα ακόμα είδος συσκευής, πέραν των FFDs και RFDs: τον Συντονιστή του PAN (PAN Coordinator), του οποίου το ρόλο αναλαμβάνει μία από τις FFDs του δικτύου. Σε Σχήμα 2.1: Διαθέσιμες τοπολογίες στα δίκτυα LR-WPAN κάθε περίπτωση τοπολογίας, στις συσκευές ανατίθεται μία μοναδική διεύθυνση, η επεκτεταμένη διεύθυνση (extended address), την οποία η συσκευή χρησιμοποιεί για τις επικοινωνίες της εντός του PAN. Εναλλακτικά, μπορεί να χρησιμοποιήσει μία σύντομη διεύθυνση short address, την οποία του αναθέτει ο PAN Coordinator. Οι σύντομες διευθύνσεις λειτουργούν σε συνδυασμό με ένα μοναδικό διακριτικό (identifier) που επιλέγεται από τον PAN Coordinator. Αυτή η λειτουργία, όπως και η επιλογή της προτιμώμενης τοπολογίας δεν αποτελούν αντικείμενο του προτύπου, επειδή σε αυτές αναφέρονται τα ανώτερα επίπεδα του μοντέλου OSI. 2.2.2.1 Τοπολογία Αστέρα Στην τοπολογία αστέρα, η επικοινωνία πραγματοποιείται μεταξύ των συσκευών μέσω ενός κεντρικού κόμβου, που λειτουργεί ως PAN Coordinator. Σε κάθε συσκευή τρέχουν εφαρμογές που μπορούν να είναι αποστολείς ή παραλήπτες πληροφοριών που κυκλοφορούν στο δίκτυο. Ο PAN Coordinator μπορεί να τρέχει κάποια εφαρμογή ή, απλά, να διαχειρίζεται την κίνηση του δικτύου. Ο PAN Coordinator είναι συνδεδεμένος συνήθως με μία πηγή τροφοδοσίας, ενώ οι υπόλοιπες συσκευές τροφοδοτούνται από μπαταρίες. Η τοπολογία αστέρα απαντάται, συνηθέστερα, σε εφαρμογές οικιακών αυτοματισμών, διασύνδεση περιφερειακών συσκευών προσωπικών υπολογιστών και εφαρμογές υγείας. Η λειτουργία του δικτύου ξεκινάει με την ενεργοποίηση της FFD, η οποία δημιουργεί το δίκτυό της και αναλαμβάνει το ρόλο του PAN Coordinator. Κάθε δίκτυο αστέρα λειτουργεί

10 Κεφάλαιο 2. Τα Πρότυπα IEEE 802.15.4 και ZigBee αυτόνομα και ανεξάρτητα από τα γύρω του, επιλέγοντας ένα διακριτικό διαφορετικό από αυτά των γειτονικών του δικτύων. Οταν το διακριτικό επιλεγεί, ο PAN Coordinator επιτρέπει σε RFDs ή ακόμα και σε άλλες FFDs εντός εμβελείας να συνδεθούν σε αυτόν. 2.2.2.2 Τοπολογίες Peer-to-Peer και Cluster Tree Παρά την παρουσία ενός PAN Coordinator και στην περίπτωση της τοπολογίας peer-topeer, κάθε συσκευή έχει το δικαίωμα να επικοινωνεί με οποιαδήποτε γειτονική της, εφόσον βρίσκεται εντός εμβελείας, επιτρέποντας την ανάπτυξη αρκετά πολυπλοκότερων δικτύων, όπως δίκτυα mesh. Κατά την εκκίνηση του δικτύου, μία συσκευή αποκτά το ρόλο του PAN Coordinator, για παράδειγμα αν είναι η πρώτη συσκευή που μεταδίδει στο κανάλι του δικτύου. Επίσης, μία τέτοιου είδους τοπολογία χρησιμοποιεί επάλληλα άλματα hops από κόμβο σε κόμβο για να μεταδώσει την πληροφορία. Λειτουργίες όπως αυτή, βέβαια ανήκουν σε ανώτερα επίπεδα από το PHY και το MAC και, συνεπώς, δεν προδιαγράφονται από το IEEE 802.15.4. Εφαρμογές όπως βιομηχανικός έλεγχος, δίκτυα αισθητήρων, έξυπνες καλλιέργειες και εφαρμογές ασφαλείας προτιμούν την υιοθέτηση αυτής της τοπολογίας. Ενα παράδειγμα χρήσης της τοπολογίας peer-to-peer είναι η τοπολογία cluster tree, η οποία, διαισθητικά, μοιάζει με ένα δίκτυο peer-to-peer κάθε κόμβος του οποίου είναι ένα δίκτυο αστέρα. Η πλειοψηφία των κόμβων του cluster tree είναι FFDs, ενώ οι RFDs συνδέονται σε αυτές ως φύλλα του δέντρου leaf devices στο άκρο ενός κλάδου, χωρίς να επιτρέπουν τη σύνδεση άλλων συσκευών σε αυτές. Κάθε FFD μπορεί να λειτουργήσει ως τοπικός συντονιστής, αλλά μία από όλες θα αναλάβει το ρόλο του γενικού PAN Coordinator, πιθανόν λόγω μεγαλύτερης υπολογιστικής ισχύος απ ό,τι οι υπόλοιπες FFDs. Το σημαντικό πλεονέκτημα του Cluster Tree είναι η εκτενέστερη γεωγραφική κάλυψη, με τίμημα, όμως, την αυξημένη καθυστέρηση (latency) στη μεταφορά των πακέτων. Η τοπολογία φαίνεται στην εικόνα 2.2. Σχήμα 2.2: Η τοπολογία Cluster Tree Ο PAN Coordinator δημιουργεί το πρώτο cluster, επιλέγοντας έναν identifier που δε βρίσκεται σε χρήση και εκπέμποντας beacon frames προς τις γειτονικές του συσκευές. Σε περίπτω-

2.2. IEEE 802.15.4 11 ση που μία ακόμα συσκευή εκπέμψει, φιλοδοξώντας να αναλάβει το ρόλο του coordinator, υπάρχει σε ισχύ ένας μηχανισμός καταπολέμησης συγκρούσεων για την επίλυση αυτού του προβλήματος. Μία συσκευή που λαμβάνει το beacon frame μπορεί να αιτηθεί εισόδου στο δίκτυο και αν ο coordinator δεχθεί, η συσκευή προστίθεται ως θυγατρική του στη λίστα με τις γειτονικές συσκευές. Η συσκευή δηλώνει τον PAN Coordinator ως πατρική συσκευή και ξεκινάει να εκπέμπει beacons, τα οποία εν δυνάμει λαμβάνονται από επιπλέον συσκευές, οι οποίες θα συνδεθούν ως θυγατρικές αυτής. 2.2.3 Μοντέλα μεταφοράς δεδομένων Υπάρχουν τρεις τύποι μεταφοράς δεδομένων: μεταφορά από μία συσκευή προς τον coordinator, από τον coordinator προς μία συσκευή και μεταξύ δύο συσκευών. Σε τοπολογίες αστέρα απαντώνται μόνο οι δύο πρώτοι τύποι μεταφοράς, εφόσον δε νοείται μεταφορά δεδομένων μεταξύ συσκευών. Αντίθετα, και οι τρεις τύποι μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε τοπολογίες peer-to-peer. Οι μηχανισμοί για κάθε τύπο μετάδοσης εξαρτώνται από τη δυνατότητα του δικτύου να υποστηρίζει την περιοδική μετάδοση beacons. Ενα beacon-enabled δίκτυο χρησιμοποιείται σε περιπτώσεις εφαρμογών που απαιτούν συγχρονισμό ή χαμηλό latency. Σε αντίθετη περίπτωση, το δίκτυο μπορεί να επιλέξει να μη χρησιμοποιήσει το beacon για κοινές μεταδόσεις. Το beacon είναι παρ όλα αυτά απαραίτητο για την ανίχνευση του δικτύου από τις συσκευές. 2.2.3.1 Μετάδοση προς τον coordinator Σε ένα beacon enabled PAN, όταν μία συσκευή θέλει να μεταδώσει δεδομένα προς τον coordinator ακροάται πρώτα το κανάλι για να ανιχνεύσει το beacon. Οταν το ανιχνεύσει, συγχρονίζεται με τη δομή του superframe του δικτύου και στη συνέχεια αποστέλλει το πλαίσιο δεδομένων του (data frame) στον coordinator. Εκείνος, αν ζητείται, θα επαληθεύσει τη σωστή λήψη των δεδομένων αποστέλλοντας με τη σειρά του ένα πλαίσιο επιβεβαίωσης (Acknowledgment frame ή απλά ACK). Στην περίπτωση του non-beacon enabled δικτύου, η συσκευή απλά στέλνει τα frames της στον coordinator, ο οποίος έχει, και πάλι τη δυνατότητα αποστολής ACK. 2.2.3.2 Μετάδοση από τον coordinator Οταν ο coordinator επιθυμεί να μεταδώσει δεδομένα σε beacon enabled δίκτυο, ανακοινώνει μέσα στο beacon ότι ένα μήνυμα βρίσκεται σε αναμονή. Η συσκευή ακροάται το κανάλι ανά τακτά χρονικά διαστήματα και, αν ανιχνεύσει μήνυμα σε αναμονή, εκπέμπει εντολή MAC για να της αποσταλούν τα δεδομένα, η οποία ακολουθείται από ACK frame από τον coordinator, ο οποίος αμέσως μετά εκπέμπει τα δεδομένα προς τη συσκευή. Αν απαιτείται, η συσκευή αποστέλλει ACK όταν λάβει όλα τα δεδομένα, ολοκληρώνοντας τη διαδικασία της μετάδοσης. Τέλος, το μήνυμα διαγράφεται από τη λίστα αναμονής.

12 Κεφάλαιο 2. Τα Πρότυπα IEEE 802.15.4 και ZigBee Σε non-beacon enabled δίκτυα, πραγματοποιείται αντίστοιχη χειραψία (handshake) με παραπάνω μεταξύ του coordinator και της συσκευής. Αν δεν υπάρχει άλλο data frame στην ουρά, ο coordinator ανακοινώνει την λήξη του frame μέσα σε ένα ACK ή με τη χρήση ενός frame με μηδενικό φορτίο zero length payload. 2.2.3.3 Μετάδοση peer-to-peer Σε αυτήν την περίπτωση, κάθε συσκευή μπορεί να επικοινωνήσει με οποιαδήποτε γειτονική της. Για να το πετύχουν αυτό, οι συσκευές είτε πρέπει να βρίσκονται συνεχώς σε κατάσταση λήψης ή να συγχρονιστούν μεταξύ τους. 2.2.4 Αρχιτεκτονική: Φυσικό Επίπεδο Κάθε συσκευή σε ένα LR-WPAN διαθέτει τουλάχιστον ένα φυσικό επίπεδο, που περιέχει τον πομποδέκτη ραδιοσυχνοτήτων και τον χαμηλού επιπέδου μηχανισμό ελέγχου. Το φυσικό επίπεδο του 802.15.4 παρέχει δύο υπηρεσίες: δεδομένων και διαχείρισης. Η υπηρεσία δεδομένων (PHY data service) επιτρέπει τη λήψη και αποστολή μονάδων δεδομένων πρωτοκόλλου φυσικού επιπέδου (PHY protocol data units ή PPDUs) μέσω του φυσικού καναλιού. Οι λειτουργίες του περιλαμβάνουν την ενεργοποίηση και την απενεργοποίηση του πομποδέκτη, ανίχνευση ενέργειας (Energy Detection), LQI (Link Quality Indication), επιλογή καναλιού, έλεγχο διαθεσιμότητας καναλιού (Clear Channel Assessment) και λήψη και αποστολή πακέτων. Για την υποστήριξη λειτουργίας της συσκευής σε πάνω από μία περιοχή συχνοτήτων προστίθενται σε αυτήν επί πλέον φυσικά επίπεδα. 2.2.5 Αρχιτεκτονική: Υποεπίπεδο MAC Οπως αναφέρθηκε νωρίτερα, το MAC είναι ένα υποεπίπεδο του LLC layer του OSI και επιτρέπει την λήψη και την αποστολή MAC πακέτων διαμέσου του PHY. Οι λειτουργίες του περιλαμβάνουν τη διαχείριση των Beacons, την πρόσβαση στο κανάλι, μέσω του CSMA/CA, τη διαχείριση των GTS, την επικύρωση πλαισίων (frame validation) και τη μεταφορά πακέτων ACK, ενώ, παρέχει συγκεκριμένους μηχανισμούς ασφαλείας, ανάλογα με τις απαιτήσεις της εκάστοτε εφαρμογής. 2.2.5.1 Η δομή των Superframes Το πρότυπο επιτρέπει την προαιρετική χρήση της δομής των ὑπερ-πλαισίων (superframes). Η ακριβής μορφή τους ορίζεται από τον coordinator. Τα superframes οριοθετούνται από beacon frames και μπορούν να περιέχουν και μία αδρανή περίοδο, όπως φαίνεται στα σχήματα 2.3 και 2.4:

2.2. IEEE 802.15.4 13 Σχήμα 2.3: Η μορφή του superframe χωρίς CFP Σχήμα 2.4: Η μορφή του superframe με CFP Κατά την αδρανή περίοδο, ο coordinator εισέρχεται σε κατάσταση χαμηλής κατανάλωσης. Αν ο coordinator δεν επιθυμεί να γίνει χρήση των superframes, απλά απενεργοποιεί την αποστολή των beacons, τα οποία χρησιμεύουν στο συγχρονισμό μεταξύ των συνδεδεμένων συσκευών και στην περιγραφή της δομής του superframe σε αυτές. Κάθε συσκευή που επιθυμεί να επικοινωνήσει, κατά τη διάρκεια του Contention Access Period ανάμεσα σε δύο beacons, ανταγωνίζεται άλλες συσκευές για την κατάληψη του καναλιού μέσω μηχανισμών CSMA/CA ή, σπανιότερα, ALOHA. Για εφαρμογές low-latency ή εφαρμογές που απαιτούν συγκεκριμένο εύρος ζώνης, ο coordinator αφιερώνει μέρος της ενεργής περιόδου του superframe σε αυτές. Το μέρος αυτό του superframe είναι το Guaranteed Time Slot (GTS). Τα GTS αποτελούν το Contention Free Period που ακολουθεί το CAP. Ο coordinator μπορεί να αναθέσει μέχρι και επτά GTS, κάθε ένα από τα οποία έχει το δικαίωμα να καταλάβει πάνω από ένα slot. Ομως, μεγάλο μέρος του CAP εξακολουθεί να δεσμεύεται για χρήση από άλλες συσκευές μέσα στο δίκτυο. Η εσωτερική δομή της ενεργής περιόδου του superframe φαίνεται στην εικόνα 2.5. Σχήμα 2.5: Η εσωτερική δομή της ενεργής περιόδου του superframe

14 Κεφάλαιο 2. Τα Πρότυπα IEEE 802.15.4 και ZigBee 2.2.5.2 Η δομή των Frames Τα frames που χρησιμοποιεί το πρότυπο είναι δομημένα με τέτοιο τρόπο ώστε η πολυπλοκότητα να διατηρείται στο ελάχιστο δυνατό, ενώ, παράλληλα, να παρουσιάζουν ικανοποιητική ευρωστία κατά τη μετάδοση σε ενθόρυβα κανάλια. Κάθε OSI επίπεδο συμμετέχει στη δόμηση ενός frame με την προσθήκη των headers και footers, χαρακτηριστικών για το κάθε layer. Ξεχωρίζουν τέσσερις τύποι MAC frames: Το beacon frame, που όπως αναφέρθηκε, χρησιμοποιείται από τον coordinator για να αποστέλλει beacons Το data frame, που χρησιμοποιείται για όλες τις μεταδόσεις δεδομένων Το acknowlegment frame, που σημαίνει την επιτυχή λήξη μίας μεταφοράς δεδομένων και Το MAC command frame Αφού σχηματιστούν, τα MAC frames προωθούνται στο φυσικό επίπεδο, ως το PHY service data unit (PSDU), το οποίο, τελικά θα παίξει το ρόλο του PHY Payload. Σε αυτό, προστίθενται, επιπλέον, οι headers του PHY και είναι έτοιμο για αποστολή στο κανάλι. Η τελική δομή του αποστελλόμενου frame όπως περιγράφηκε φαίνεται στο σχήμα 2.6. Σχήμα 2.6: Η δομή των frames στο ΙΕΕΕ 802.15.4 2.2.5.3 Μηχανισμοί πρόσβασης στο κανάλι Το πρότυπο επιστρατεύει διάφορους μηχανισμούς για να διασφαλιστεί η ορθή μετάδοση των δεδομένων μεταξύ συσκευών. Διαθέσιμοι μηχανισμοί πρόσβασης στο κανάλι είναι το CSMA/CA και το ALOHA. Συνηθέστερα χρησιμοποιείται το CSMA/CA, ενώ το ALOHA προτιμάται σε αρκετά φορτωμένα δίκτυα, όπου επιθυμείται χαμηλή πιθανότητα σύγκρουσης. Για το CSMA/CA θα γίνει εκτενής αναφορά αμέσως μετά, καθότι θα μας απασχολήσει στην πορεία. 2.2.6 CSMA/CA Τα αρχικά CSMA/CA σημαίνουν Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance. Ά- ρα, λοιπόν, ο μηχανισμός αυτός προσφέρει πρόσβαση σε πολλές συσκευές (Multiple Access), χρησιμοποιεί τεχνικές ακρόασης καναλιού (Carrier Sense) και λειτουργεί με τρόπο ώστε να

2.2. IEEE 802.15.4 15 μην υπάρχουν συγκρούσεις μηνυμάτων στο κανάλι (Collision Avoidance), σε αντίθεση με το συγγενές CSMA/CD, το οποίο ανιχνεύει τυχούσες συγκρούσεις και τις διαχειρίζεται σε δεύτερο στάδιο. Σε γενικές γραμμές, η λειτουργία του αλγορίθμου έχει ως εξής: η συσκευή που επιθυμεί να εκπέμπψει ακροάται πρώτα το κανάλι για να διαπιστώσει αν είναι ελεύθερο. Η διαδικασία ακρόασης κατά την οποία η συσκευή προσπαθεί να διαπιστώσει αν το κανάλι είναι ελεύθερο ονομάζεται Clear Channel Assessment (CCA). Αν ναι, τότε προβαίνει στην μετάδοση των δεδομένων της. Σε αντίθετη περίπτωση, αναστέλλει τη μετάδοση και αναμένει για κάποιο χρονικό διάστημα, μέχρι να ακροαστεί εκ νέου το κανάλι και η διαδικασία να επαναληφθεί. Η αναστολή αυτή ονομάζεται backoff. Αν ο αριθμός των backoffs υπερβεί κάποιο όριο, τότε η μετάδοση αποτυγχαίνει και το πακέτο χάνεται. Τα LR-WPANs χρησιμοποιούν δύο τύπους CSMA/CA: slotted και unslotted, σε beacon enabled και non-enabled δίκτυα αντίστοιχα. Οι δύο αλγόριθμοι, που θα αναλυθούν στη συνέχεια, φαίνονται στο διάγραμμα 2.7. 2.2.6.1 Unslotted CSMA/CA Ο απλούστερος από τους δύο αλγορίθμους φαίνεται στον δεξιό κλάδο του διαγράμματος 2.7. Στον αλγόριθμο χρησιμοποιούνται δύο μεταβλητές. Η N B (Number of Backoffs) δηλώνει πόσες φορές η συσκευή έχει διαπιστώσει το κανάλι κατειλημμένο και έχει αναστείλει τη μετάδοση. Η μέγιστη τιμή του NB (NB max ) είναι ο μέγιστος αριθμός αναστολών που μπορεί να φθάσει ο αλγόριθμος μέχρι να αποτύχει η μετάδοση των δεδομένων. Η μεταβλητή BE (Backoff Exponent) καθορίζει έμμεσα το χρονικό διάστημα που αναμένει η συσκευή, μετά από ανίχνευση κατειλημμένου καναλιού. Ο χρόνος αναμονής αποτελείται από μονάδες χρόνου, τα backoff units και κατά την αναστολή της μετάδοσης, η συσκευή αναμένει για χρόνο που αντιστοιχεί σε 2 BE 1 backoff periods μέχρι να επαναλάβει το CCA. Για το BE ορίζονται, επίσης και ελάχιστες και μέγιστες τιμές, οι οποίες, όπως και το NB max ορίζονται από το χρήστη, ανάλογα με τις εκάστοτε ανάγκες. Κατά την έναρξη του αλγορίθμου, αρχικοποιούνται οι NB = 0 και BE = BE min, εισάγεται μία καθυστέρηση, την οποία ακολουθεί το CCA. Ο αριθμός των backoff units που αποτελούν την καθυστέρηση επιλέγεται τυχαία από το διάστημα από 0 έως 2 BE 1.Αν το κανάλι είναι διαθέσιμο, τότε ξεκινά η μετάδοση των πακέτων. Αν όχι, τότε η τιμή του NB αυξάνεται κατά 1, όπως και του BE, εκτός αν αυτό έχει φτάσει στη μέγιστή του τιμή BE max. Ακολουθεί ο έλεγχος της τιμής του NB. Αν έχει ξεπεράσει την τιμή NB max, τότε η μετάδοση αποτυχαίνει και το πακέτο χάνεται. Αν ακόμα δεν έχει φτάσει τη μέγιστη τιμή, η διαδικασία επαναλαμβάνεται ξεκινώντας από την καθυστέρηση διάρκειας από 0 έως 2 BE 1 backoff units. [1, 5] 2.2.6.2 Slotted CSMA/CA Στην περίπτωση του beacon enabled PAN, για την πρόσβαση στο κανάλι χρησιμοποιείται η slotted εκδοχή του CSMA/CA. Οι μεταβλητές N B και BE χρησιμοποιούνται με τον ίδιο

16 Κεφάλαιο 2. Τα Πρότυπα IEEE 802.15.4 και ZigBee Σχήμα 2.7: Ο αλγόριθμος CSMA/CA

2.3. ZigBee 17 ακριβώς τρόπο όπως και στο unslotted CSMA/CA, ενώ προστίθεται μία ακόμα μεταβλητή, η CW (Contention Window). Οταν το κανάλι ανιχνευθεί ελεύθερο, η συσκευή αναμένει για κάποιο επιπλέον χρονικό διάστημα διάρκειας CW slots μέχρι να μεταδώσει τα δεδομένα της, όπως θα δούμε αμέσως μετά. Εδώ, τα όρια των backoff periods θα πρέπει να είναι ευθυγραμμισμένα (aligned) με τα όρια των superframes που ορίζει ο coordinator. Το επίπεδο MAC θα διασφαλίζει την έναρξη της λειτουργίας του PHY στο όριο ενός backoff period. Κατά την έναρξη του αλγορίθμου, αρχικοποιούνται οι τιμές NB = 0 και CW = CW 0, όπου CW 0, μία αρχική τιμή. Αμέσως μετά, ελέγχεται η στάθμη της μπαταρίας. Αν είναι χαμηλή, τότε στη μεταβλητή BE εκχωρείται η μικρότερη από τις τιμές 2 και BE min. Αν η μπαταρία δεν έχει εξαντληθεί, τότε το BE παίρνει την ελάχιστη τιμή του. Στη συνέχεια, η συσκευή εντοπίζει το όριο του slot στο οποίο θα θελήσει να καταλάβει το κανάλι και εισάγει μία καθυστέρηση, όπως και στο unslotted. Ακολουθεί το CCA. Αν η συσκευή αντιληφθεί το κανάλι ελεύθερο, τότε εισάγει νέα καθυστέρηση, διάρκειας CW slots. Με την πάροδο κάθε slot, η συσκευή ακροάται το κανάλι. Αν παρέλθει ο χρόνος της καθυστέρησης και το κανάλι εξακολουθεί να είναι ελεύθερο, τότε η συσκευή μεταδίδει τα πακέτα της. Αν, όμως, στο μεταξύ ή σε οποιοδήποτε βήμα της διαδικασίας το κανάλι καταληφθεί από κάποια άλλη συσκευή, τότε στην CW εκχωρείται η αρχική της τιμή, η NB αυξάνεται κατά 1 και η BE παίρνει τη μικρότερη από τις τιμές BE + 1 και BE max. Αν οι επαναλήψεις έχουν υπερβεί τις NB max, η μετάδοση αποτυχαίνει, ενώ, αν όχι, ο αλγόριθμος επιστρέφει στην πρώτη καθυστέρηση και στο πρώτο CCA και η διαδικασία επαναλαμβάνεται. [1, 7] 2.3 ZigBee 2.3.1 Γενικά Το ZigBee είναι το μοναδικό ανοιχτό (open) βιομηχανικό πρότυπο που θέτει τα θεμέλια του Internet of Things, επιτρέποντας σε απλές έξυπνες συσκευές να λειτουργούν ομαδικά, με στόχο την άνεση και τη διευκόλυνση των χρηστών, τόσο σε οικιακές, όσο και σε επιστημονικές εφαρμογές. Η τρίτη μεγάλη αναθεώρηση του προτύπου, το ZigBee 3.0 έχει ανακοινωθεί ότι θα είναι διαθέσιμη στο τέλος του 2015. Οι λέξεις κλειδιά που χρησιμοποιεί η ίδια η ZigBee Alliance για να περιγράψει το ZigBee είναι ἁξιόπιστο, διαλειτουργικό και χαμηλής ισχύος (reliable, interoperable, low-power). Τα δίκτυα ZigBee υλοποιούν συνηθέστερα τοπολογία mesh, για την επίτευξη σύνδεσης όλων των συσκευών μεταξύ τους. Οι μηχανισμοί αυτο-επούλωσης (self-heal) που διαθέτει το σύστημα θα διατηρήσουν τη λειτουργία και τη σταθερότητά του σε περίπτωση διακοπής λειτουργίας κάποιας συσκευής για οποιοδήποτε λόγο. Η διαλειτουργικότητα των δικτύων αυτών είναι εμφανής από το γεγονός ότι συσκευές προτυποποιημένες κατά ZigBee μπορούν να συνυπάρξουν και να λειτουργήσουν αρμονικά στο ίδιο δίκτυο ακόμα κι αν προέρχονται από διαφορετικούς κατασκευαστές. Τέλος, το ZigBee πατώντας στην προδιαγραφή για χαμηλή ισχύ που προβλέπει το 802.15.4, έχει αναπτύξει συστήματα που μπορούν να λειτουργούν για

18 Κεφάλαιο 2. Τα Πρότυπα IEEE 802.15.4 και ZigBee χρόνια τροφοδοτούμενα μόνο από μία μπαταρία, ενώ, με το νέο Green Power Feature, οι μπαταρίες μπορεί και να μην είναι καν απαραίτητες. Το ZigBee προτυποποιεί τις ανώτερες βαθμίδες του OSI μοντέλου, και θα μπορούσε να πει κανείς ότι είναι ἑξυπνότερο από το βασικό πρότυπο IEEE 802.15.4, υπό την έννοια ότι αυτές οι βαθμίδες δίνουν την ευχέρεια στους μηχανικούς να παρέχουν δυνατότητες στις συσκευές ZigBee που δεν προβλέπονται από το IEEE 802.15.4. Ενα παράδειγμα είναι τα πρωτόκολλα ασφαλείας που χρησιμοποιούνται για τη μετάδοση των πακέτων μέσα σε ένα δίκτυο ZigBee, όπως ο αλγόριθμος κρυπτογράφησης AES-128. Επίσης, με τη χρήση λογισμικού στα ανώτερα επίπεδα, διασφαλίζεται η ορθή μετάδοση ενός πακέτου, με τη βοήθεια διάφορων τεχνικών, όπως το frequency agility. Χάρη στο frequency agility, μόλις οι συσκευές αντιληφθούν την παρουσία ισχυρότερου σήματος,προερχόμενο από κάποια άλλη συσκευή, στη συχνότητα λειτουργίας τους, μεταπηδούν σε κάποιο άλλο από τα 16 διαθέσιμα κανάλια, όπου δε θα υπάρχουν αντίστοιχες παρεμβολές. Επίσης, το ZigBee χρησιμοποιεί αυτόματη επαναποστολή δεδομένων, διασφαλίζοντας την ευρωστία του συστήματος. Τα παραπάνω, σε συνδυασμό με τον, συνήθως, εξαιρετικά μικρό κύκλο λειτουργίας (duty cycle) που χαρακτηρίζει τα ZigBee δίκτυα ελαχιστοποιούν την πιθανότητα ανεπιτυχούς μετάδοσης δεδομένων. Σημειώνεται πως το frequency agility διαφέρει από το frequency hopping, το οποίο είναι μια spread spectrum τεχνική, κατά την οποία, κατά τη μετάδοση ενός σήματος, ο πομπός εναλλάσσει με ψευδοτυχαίο τρόπο το κανάλι που χρησιμοποιεί. Στο πρότυπο του ZigBee διακρίνονται τρεις τύποι συσκευών: οι Coordinators, οι Routers και τα End Devices. Με όρους του IEEE 802.15.4, οι Coordinators και οι Routers είναι FFDs, ενώ τα End Devices είναι RFDs. Τα End Devices αναλαμβάνουν την εκτέλεση των μετρήσεων και τη μετάδοση των αποτελεσμάτων προς τον Coordinator ή κάποιο άλλο σημείο του δικτύου. Οι Routers μπορούν, επίσης, να εκτελούν μετρήσεις, αλλά σε αντίθεση με τα End Devices έχουν την πρόσθετη δυνατότητα ότι μπορούν να διαχειρίζονται μέρος της τηλεπικοινωνιακής κίνησης του δικτύου, δρομολογώντας, (routing) εισερχόμενα πακέτα προς επόμενο προορισμό, στις τοπολογίες mesh και tree. Βασισμένα στο πρωταρχικό πρότυπο, η ZigBee Alliance έχει εκδώσει τρία διαφορετικά υποπρότυπα, με εξειδικευμένα χαρακτηριστικά και λειτουργίες σχεδιασμένα για τις ανάγκες της εκάστοτε εφαρμογής: το ZigBee PRO, το ZigBee RF4CE και το ZigBee IP [15]. 2.3.1.1 ZigBee PRO Το ZigBee PRO προσφέρει πλήρη mesh ασύρματη δικτύωση (full wireless mesh) για πάνω από 64.000 συσκευές σε ένα δίκτυο χαμηλής ενέργειας. Χαρακτηριστική είναι η υποστήριξη της ευρύτατης γκάμας συσκευών, ακόμα και από διαφορετικούς κατασκευαστές στο ίδιο δίκτυο. Αποτελεί την πλέον χρησιμοποιούμενη λύση από τους μηχανικούς, γιατί εκμεταλλεύεται στο μέγιστο βαθμό τις δυνατότητες του φυσικού επιπέδου του 802.15.4 και διευκολύνει τη δημιουργία και τη διαχείριση τεράστιων δικτύων.

2.3. ZigBee 19 Ενα επί πλέον γνώρισμα του ZigBee PRO είναι η προαιρετική προσθήκη του Green Power που επιτρέπει την εισαγωγή συσκευών συγκομιδής ενέργειας μέσα στο δίκτυο με στόχο την περαιτέρω ελάττωση της καταναλισκόμενης ισχύος. Ο coordinator αυτών των δικτύων μπορεί να τελεί και χρέη πύλης (gateway) προς το Διαδίκτυο, διευρύνοντας, έτσι, τις λειτουργίες του δικτύου. 2.3.1.2 ZigBee RF4CE Το πρότυπο προσδιορίζει ένα απλό, εύρωστο και χαμηλού κόστους δίκτυο απομακρυσμένου ελέγχου (remote control) εμπορικών ηλεκτρονικών συσκευών (consumer electronics), για την υποστήριξη εφαρμογών smart homes. Το ZigBee RF4CE εμπλουτίζει το IEEE 802.15.4 με ένα απλό network και application layer, για οικιακές εφαρμογές. Συσκευές που θα μπορούσαν να ανήκουν σε ένα τέτοιο δίκτυο περιλαμβάνουν τηλεοράσεις, συστήματα πολυμέσων, συστήματα θυρών ασφαλείας και άλλα. Οπως και στην περίπτωση του ZigBee PRO, ένας coordinator του δικτύου έχει τη δυνατότητα να προσφέρει σύνδεση στο Διαδίκτυο για όλους τους κόμβους του ZigBee δικτύου. 2.3.1.3 ZigBee IP Το ZigBee IP προσφέρει δικτύωση μέσω IPv6, προσεγγίζοντας με πιο άμεσο τρόπο την έννοια του Internet of Things από τα δύο προηγούμενα πρότυπα, αφού προσφέρει άμεση σύνδεση των κόμβων στο Διαδίκτυο παραλείποντας τη χρήση gateways, προσδίδοντας μία διεύθυνση IPv6 σε κάθε έναν από τους κόμβους του δικτύου.

20 Κεφάλαιο 2. Τα Πρότυπα IEEE 802.15.4 και ZigBee

Κεφάλαιο 3 Συνύπαρξη με Άλλες Τεχνολογίες στην ISM Band 3.1 Industrial Scientific and Medical Bands Οι μπάντες ISM αποτελούνται από περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος που χρησιμοποιούνται, όπως προδίδει το όνομά τους, για ασύρματη σύνδεση μεταξύ συσκευών βιομηχανικές, επιστημονικές και ιατρικές εφαρμογές [12]. Διάφορες συχνοτικές περιοχές έχουν ανατεθεί από την Παγκόσμια Ενωση Τηλεπικοινωνιών και σε κάθε χώρα χρησιμοποιούνται αυτές που υπάγονται και στην εκάστοτε νομοθεσία. Για παράδειγμα, το IEEE 802.15.4 υποστηρίζει παγκοσμίως τη λειτουργία στην κεντρική συχνότητα των 2.4GHz, ενώ στην Ευρώπη υπάρχει η επιλογή της λειτουργίας στα 915M Hz. Πέραν των εφαρμογών που αναφέρθηκαν, πρόσφατα, οι ISM μπάντες χρησιμοποιούνται και από τεχνολογίες ασυρμάτων δικτύων όπως το ZigBee, το WiFi και το Bluetooth. Οι τεχνολογίες αυτές είναι unlicenced και πρέπει να είναι ανεκτικές στα σφάλματα που δημιουργούνται λόγω παρεμβολών των licenced ISM εφαρμογών. Για το λόγο αυτό, οι unlicenced εφαρμογές δεν δυσχεραίνουν τη λειτουργία των licenced ISM εφαρμογών. Η ευρύτερα χρησιμοποιούμενη συχνότητα λειτουργίας είναι αυτή των 2.4GHz, η οποία χρησιμοποιείται από το Bluetooth (IEEE 802.15.1), το WiFi (IEEE 802.11) και το ZigBee. Η συχνή παρουσία των τεχνολογιών αυτών στον ίδιο χώρο δημιουργεί προβλήματα συνύπαρξης. Δηλαδή, λόγω του διαφορετικού τρόπου λειτουργίας τους, διαφορετικών μεθόδων πρόσβασης στο κανάλι, διαφορετικής ισχύος σήματος μεταξύ άλλων παραγόντων, η λειτουργία του ενός τύπου δικτύου μπορεί να δυσχεραίνει τη λειτουργία του άλλου. 3.2 IEEE 802.15.4 και IEEE 802.11b/g Οπως θα γίνει φανερό στη συνέχεια της εργασίας, πολλές από τις εφαρμογές που υλοποιούνται με τη χρήση του 802.15.4 είναι υποχρεωμένες να λειτουργούν σε χώρους που υπάρχει 21

22 Κεφάλαιο 3. Συνύπαρξη με Άλλες Τεχνολογίες στην ISM Band έντονη παρουσία δικτύων WiFi. Οπως έχει αναφερθεί, το 802.15.4 είναι δίκτυο χαμηλής ισχύος, που λειτουργεί στο 1mW, αντίθετα με το WiFi, το οποίο δεν θέτει τέτοιους περιορισμούς και εκπέμπει στα 100mW. Αυτή η σημαντική διαφορά στην ισχύ εκπομπής καθιστά το WiFi προνομιούχο, όσον αφορά την κατάληψη του καναλιού, έναντι του ZigBee. Τα δύο πρότυπα χρησιμοποιούν τον αλγόριθμο CSMA/CA για να εκπέμψουν στο κανάλι. Οπως αναφέρθηκε στο κεφάλαιο 2.2.6, καίριο μέρος του αλγορίθμου αποτελεί η ακρόαση του καναλιού, δηλαδή το CCA. Το 802.15.4 πραγματοποιεί το CCA με μία από τους παρακάτω μεθόδους [1]: Energy Detection, όπου το κανάλι θα διαπιστωθεί κατειλημμένο όταν ανιχνευθεί στο κανάλι ενέργεια πάνω από ένα κατώφλι (energy threshold) Carrier Sense, οπότε το κανάλι θα διαπιστωθεί ότι είναι κατειλημμένο όταν ανιχνευθεί ένα σήμα που υπάγεται στο πρότυπο, και έχει τα ίδια χαρακτηριστικά των σημάτων που αντιστοιχούν στο PHY της συσκευής που εκτελεί το CCA. Η ενέργεια του σήματος μπορεί να είναι και κάτω του energy threshold Ενα λογικό συνδυασμό (AND/OR) των δύο παραπάνω μεθόδων Η επιλογή της πρώτης μεθόδου, δηλαδή της ακρόασης του καναλιού με γνώμονα την ενέργεια που υπάρχει σε αυτό, διευκολύνει την αρμονική συνύπαρξη διαφορετικών τεχνολογιών στον ίδιο χώρο, υποχρεώνοντας τις συσκευές να καθυστερήσουν την αποστολή των πακέτων τους (backoff) όταν ανιχνεύσουν σήμα που μπορεί να προέρχεται από συσκευή οποιασδήποτε τεχνολογίας [1, 9]. Σχήμα 3.1: Κανάλια των προτύπων 802.15.4 και 802.11 Στην εικόνα 3.1 φαίνονται τα κανάλια που αντιστοιχούν στα πρότυπα 802.15.4 και 802.11 στη συχνότητα των 2.4GHz. Το 802.15.4 έχει διαθέσιμα 16 κανάλια εύρους 3MHz και το 802.11 13 κανάλια εύρους 22MHz το καθένα. Το πρόβλημα δημιουργείται όταν το μεταδιδόμενο σήμα του 802.15.4 δεν είναι αρκετά ι- σχυρό για να ανιχνευθεί κατά το CCA του PHY των συσκευών του WiFi. Αποτέλεσμα είναι να εκκινεί η εκπομπή του σήματος του WiFi, καταστρέφοντας το ανίσχυρο σήμα του 802.15.4.

3.2. IEEE 802.15.4 και IEEE 802.11b/g 23 Στο [9, 11] αναλύεται ένα μακροσκοπικό μοντέλο αυτής της κατάστασης, στο οποίο διακρίνονται τρεις περιοχές, που φαίνονται στην εικόνα 3.2. Επίσης, ορίζονται δύο τύποι α- πώλειας πακέτων: οι απώλειες αναστολής (inhibition loss), που οφείλονται στην αποτυχία ενός κόμβου να καταλάβει το κανάλι έπειτα από επανειλημμένες προσπάθειες του αλγορίθμου CSMA/CA, και οι απώλειες σύγκρουσης (collision loss), οι οποίες οφείλονται σε συγκρούσεις ταυτόχρονα μεταδιδόμενων πακέτων. Στην περιοχή με ακτίνα R1 από τη συσκευή 802.11b/g, οι δύο τεχνολογίες μπορούν να ακροαστούν η μία την άλλη κατά το CCA, με αποτέλεσμα να μην τίθεται θέμα συγκρούσεων και όποια πακέτα χάνονται αποτελούν τις απώλειες αναστολής Στο δακτύλιο μεταξύ R1 και R2, μόνο οι συσκευές του 802.15.4 μπορούν να αντιληφθούν σήματα του WiFi στο κανάλι, όχι, όμως το αντίθετο. Το WiFi μπορεί να εκπέμψει ταυτόχρονα με το 802.15.4, καταστρέφοντας τα πακέτα του. Σε αυτήν την περιοχή δημιουργούνται απώλειες αναστολής και σύγκρουσης. Στην περιοχή πέραν του R2, καμία από τις δύο τεχνολογίες δεν μπορούν να ανιχνεύσουν τα σήματα της άλλης στο κανάλι. Παρ όλα αυτά, το σήμα του WiFi παραμένει αρκετά ισχυρό ώστε να καταστρέφει το σήμα του 802.15.4, δημιουργώντας απώλειες σύγκρουσης. Σχήμα 3.2: Οι τρεις περιοχές διαφορετικού είδους παρεμβολής του WiFi επί του 802.15.4 Θεωρώντας έντονη κίνηση στο δίκτυο 802.11, όπως video streaming ή μεταφορά μεγάλων αρχείων, και unslotted MAC για το 802.15.4, η επιτυχής μετάδοση των πακέτων του 802.15.4 είναι δυνατή αν ικανοποιείται τουλάχιστον μία από τις παρακάτω συνθήκες: Συνθήκη Ισχύος: Αν η ισχύς των παρεμβολών που προέρχονται από το WiFi είναι σημαντικά χαμηλότερη από την ισχύ του πακέτου του 802.15.4, για παράδειγμα για SIR > 5dB, υπάρχει 99% πιθανότητα να αποσταλεί σωστά το πακέτο του 802.15.4 Συνθήκη Συγχρονισμού: Αν ο χρόνος που απαιτείται για να ολοκληρωθεί η

24 Κεφάλαιο 3. Συνύπαρξη με Άλλες Τεχνολογίες στην ISM Band αποστολή ενός πακέτου 802.15.4 είναι μικρότερος από τον χρόνο ανάμεσα στην αποστολή δύο διαδοχικών πακέτων WiFi, τότε μπορεί να αποσταλεί χωρίς πρόβλημα κατά τη διάρκεια αυτού του χρόνου αναμονής του WiFi Βάσει αυτών, πραγματοποιούνται δύο προσεγγίσεις το πρόβλημα: βάσει ισχύος και βάσει συγχρονισμού. 3.2.1 Προσέγγιση βάσει ισχύος Για τον υπολογισμό των αποστάσεων στην εικόνα 3.2, χρησιμοποιείται ένα μοντέλο απόσβεσης που προτείνεται στο πρότυπο 802.11.2. P L(d) = { ( 20 4πd ) log10 λ ( 20 log 4πd ) ( 10 λ + 40 log10 ) d d 0 d < d 0 (3.1) d > d 0 Το μοντέλο της εξίσωσης 3.1 περιγράφει διάδοση κύματος χωρίς απώλειες για απόσταση d 0 = 8m και στη συνέχεια έντονη απόσβεση με συντελεστή 4. Στην εξίσωση, d είναι η απόσταση μεταξύ πομπού και δέκτη, λ το μήκος κύματος, με λ = c f 0, c = 3 10 8 m / s η ταχύτητα του φωτός και f 0 η συχνότητα του καναλιού. Θεωρώντας ευαισθησία 85, 76 και 82dBm στους δέκτες του 802.15.4, του 802.11b και του 802.11g αντίστοιχα και λαμβάνοντας υπόψη SIR μεγαλύτερο από 6dB, προκύπτει ο πίνακας 3.1. Πίνακας 3.1: Οι διαστάσεις των τριών περιοχών, όπως προκύπτουν από την προσέγγιση βάσει ισχύος Εμβέλεια 802.11b 802.11c R1 22m 32m R2 67m 67m R3 95m 95 3.2.2 Προσέγγιση βάσει συγχρονισμού Εχοντας υπολογίσει την εμβέλεια των τριών περιοχών, στη συνέχεια θα εξεταστεί ο συγχρονισμός των δύο τεχνολογιών σε κάθε μία από αυτές. Στην πρώτη περιοχή, όπου κάθε τεχνολογία μπορεί να ανιχνεύσει την παρουσία της άλλης, το CSMA/CA λειτουργεί κανονικά και για τις δύο. Συνεπώς, για να εκπέμψει το 802.15.4, ικανή και αναγκαία συνθήκη είναι να εκτελέσει το CCA ανάμεσα σε δύο διαδοχικές εκπομπές πακέτων WiFi ώστε να καταφέρει να καταλάβει το κανάλι. Οσο το 802.15.4 θα εκπέμπει, το WiFi θα μπορεί να το ανιχνεύσει στο κανάλι και θα αναστείλει τις δικές του εκπομπές. Οι συνθήκες, όμως, δίνουν προβάδισμα στο WiFi, το οποίο εκτελεί CCA πολύ ταχύτερα από το 802.15.4 (σε 20µs το 802.11b, 9µs το 802.11g και 320µs το 802.15.4), που σημαίνει

3.2. IEEE 802.15.4 και IEEE 802.11b/g 25 ότι καθώς ένας 802.15.4 κόμβος ακροάται το κανάλι, ένας κόμβος WiFi μπορεί να προλάβει να το καταλάβει, χάρη στο ταχύτερο CCA, οπότε ο κόμβος του 802.15.4 αναγκάζεται να αναστείλει την αποστολή των πακέτων του. Ολα, λοιπόν, εξαρτώνται από το αν η διάρκεια του CCA που εκτελεί το 802.15.4 είναι μικρότερη του χρόνου αναμονής ανάμεσα σε διαδοχικές εκπομπές του WiFi (t idle ). Για τα συστήματα WiFi, ο χρόνος αυτός ορίζεται ως: t idle DIF S + t bo = t DIF S + m T bs (3.2) Ως t DIF S (Distributed coordination function Inter-Frame Space) ορίζεται ο χρόνος που απαιτείται από το PHY του WiFi να ακροαστεί το κανάλι ως ελεύθερο για να εκπέμψει το πακέτο του. Αν ανιχνευθεί άλλο σήμα στο κανάλι, τότε αναστέλλεται η εκπομπή με τον ίδιο τρόπο, όπως και στο CSMA/CA του 802.15.4 (βλ. κεφάλαιο 2.2.6). Η ποσότητα t bo είναι ο χρόνος που θα διαρκέσει το backoff αν ανιχνευθεί κίνηση στο κανάλι. Με τη σειρά του, αυτό ισούται με m T bs, όπου T bs το backoff unit και m ένας ακέραιος στο διάστημα [0, CW min ]. Για να ικανοποιείται η συνθήκη T CCA < t idle, αρκεί η παράμετρος m να παίρνει τιμές στα διαστήματα [4, 31] και [12, 15] για το 802.11b και g αντίστοιχα. Στην κατάσταση όπου το 802.15.4 μπορεί να ανιχνεύσει το σήμα του WiFi στο κανάλι, αλλά όχι το αντίθετο, ο αλγόριθμος CSMA/CA λειτουργεί μονοσήμαντα, οπότε τα πακέτα του 802.15.4 υπάρχει πιθανότητα να καταστραφούν λόγω σύγκρουσης με πακέτα WiFi. Σε αυτήν την περίπτωση, μέσα σε ένα WiFi t idle, το 802.15.4 πρέπει να προλάβει να εκτελέσει CCA και να αποστείλει τα δεδομένα του, πριν την έναρξη της εκπομπής του επόμενου WiFi πακέτου. Πρέπει, δηλαδή να ικανοποιείται η σχέση 3.3. t idle DIF S + m T bs T CCA + t p + tsif S + t ACK (3.3) Στη σχέση 3.3, t p είναι ο χρόνος αποστολής των πακέτων του 802.15.4, t SIF S (Short Inter- Frame Spacing) είναι ο χρόνος που αναμένει ένας δέκτης μετά τη λήψη ενός πακέτου μέχρι να αποστείλει πακέτο ACK πίσω στον αποστολέα του αρχικού πακέτου, διαδικασία που απαιτεί χρόνο t ACK. Η ανισότητα αυτή δεν μπορεί ποτέ να ικανοποιηθεί, ακόμα κι αν το δίκτυο 802.15.4 είναι ACK non-enabled. Οπότε, ο μόνος τρόπος να εκπέμψει το 802.15.4 σε αυτήν την κατάσταση είναι αν ικανοποιείται η συνθήκη ισχύος, οπότε το σήμα του WiFi είναι επαρκώς εξασθενημένο ώστε το SIR στο δέκτη του 802.15.4 να είναι πάνω από κάποια τιμή και τα πακέτα να μην καταστρέφονται. Στην τρίτη περίπτωση, καμία τεχνολογία δεν μπορεί να ανιχνεύσει την παρουσία της άλλης, με αποτέλεσμα να εκπέμπουν στα τυφλά (blind transmissions), γεγονός που, προφανώς, μπορεί να οδηγήσει σε καταστροφή των πακέτων του 802.15.4. Αν το δίκτυο 802.15.4 είναι ACK-enabled, τότε, και πάλι, ο μόνος τρόπος να είναι επιτυχής η αποστολή των πακέτων είναι να ικανοποιείται η συνθήκη ισχύος, διότι η συνθήκη συγχρονισμού δεν ικανοποιείται σε ACK-enabled δίκτυα.

26 Κεφάλαιο 3. Συνύπαρξη με Άλλες Τεχνολογίες στην ISM Band Στην περίπτωση του ACK non-enabled δικτύου, η συνθήκη συγχρονισμού μπορεί να ι- κανοποιηθεί. Αρκεί να ικανοποιείται η ανισότητα t idle > t p. Εδώ δε συνυπολογίζεται και ο χρόνος t CCA, αφού ούτως ή άλλως, το CCA δε μπορεί να ανιχνεύσει άλλο σήμα στο κανάλι. Οπότε ο χρόνος που διαρκεί η ίδια η μεταφορά του πακέτου αρκεί να είναι μικρότερος από το t idle. Αν όντως ο κόμβος του 802.15.4 εκπέμψει το πακέτο του ανάμεσα σε δύο εκπομπές του WiFi, δεν είναι απαραίτητη καν η ικανοποίηση της συνθήκης ισχύος. 3.3 Αντιμετώπιση των Παρεμβολών Η παραπάνω ανάλυση δε λαμβάνει υπόψη ότι, στην πραγματικότητα υπάρχει μέριμνα για την αντιμετώπιση των παρεμβολών, τόσο από το ίδιο το πρότυπο 802.15.4 [2], όσο και από το ZigBee. Σχήμα 3.3: Τα κανάλια του 802.15.4 που βρίσκονται ανάμεσα στα συχνότερα χρησιμοποιούμενα κανάλια του WiFi Αν και τα κανάλια του WiFi λαμβάνουν εξ ολοκλήρου το φάσμα των 2.4GHz, δεν είναι δυνατόν να χρησιμοποιούνται όλα ταυτόχρονα από συσκευές στον ίδιο χώρο. Τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα κανάλια είναι τα 1, 7 και 13 [13]. Οπως φαίνεται στην εικόνα 3.3, στην περιοχή του φάσματος ανάμεσα σε αυτά τα τρία κανάλια, υπάρχουν τέσσερα κανάλια του 802.15.4: τα 15, 16, 21 και 22. Οταν το 802.15.4 χρησιμοποιεί τα συγκεκριμένα κανάλια ή, σε κάθε περίπτωση, κανάλια που δε βρίσκονται σε περιοχή του φάσματος που χρησιμοποιεί το WiFi, δεν τίθεται θέμα παρεμβολών. Κατά την εκκίνηση ενός δικτύου 802.15.4, επιλέγεται το κανάλι λειτουργίας στο οποίο ανιχνεύεται η λιγότερη ποσότητα παρεμβολών. Χτίζοντας πάνω σε αυτό, οι ZigBee συσκευές έχουν τη δυνατότητα να αναφέρουν στον Coordinator την εμφάνιση κίνησης στο κανάλι, ο- πότε εκείνος μεταφέρει τη λειτουργία του δικτύου σε κάποιο κανάλι με λιγότερο θόρυβο. Η ικανότητα αυτή του ονομάζεται Frequency Agility και αποτελεί μέρος των χαρακτηριστικών του προτύπου ZigBee PRO. Κατά την μετάδοση των δεδομένων από ένα κόμβο στον επόμενο στην τοπολογία mesh,

3.3. Αντιμετώπιση των Παρεμβολών 27 παρεμβολές μπορεί να εμφανιστούν σε κάποιο σημείο κατά μήκος του μονοπατιού, με αποτέλεσμα τα δεδομένα να μην μπορούν να το ακολουθήσουν. Χάρη στην ελαστικότητα της συγκεκριμένης τοπολογίας, το δίκτυο θα μπορέσει να βρει διαφορετικό μονοπάτι, που θα περιέχει κόμβους εκτός της περιοχής στην οποία εμφανίζονται οι παρεμβολές. Τέλος, δικλίδα ασφαλείας για την επιτυχία της επικοινωνίας αποτελεί η μετάδοση πακέτων ACK. Η αποστολή ενός πακέτου αναφέρεται ως ανεπιτυχής όταν μετά από αλλεπάλληλες επανεκπομπές ο πομπός δε λάβει ένα πακέτο ACK ως απάντηση, που πιστοποιεί ότι τα δεδομένα έφτασαν στον προορισμό τους. Είναι προφανές ότι όσο περισσότερες φορές ένας κόμβος επαναλάβει την αποστολή ενός πακέτου, τόσο αυξάνονται οι πιθανότητες να πετύχει το κανάλι ελεύθερο από κίνηση ZigBee ή παρεμβολές και να καταφέρει να στείλει επιτυχώς το πακέτο.

28 Κεφάλαιο 3. Συνύπαρξη με Άλλες Τεχνολογίες στην ISM Band

Κεφάλαιο 4 Εφαρμογές Εν γένει, τα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων στοχεύουν κυρίως σε εφαρμογές μετρήσεων και αυτοματισμού, με το πρόσθετο πλεονέκτημα της ασύρματης σύνδεσης. Βιομηχανικά πρότυπα, όπως το ZigBee, προσφέροντας επιπλέον ιδιότητες στο IEEE 802.15.4 και καθιστώντας το πιο εύρωστο και πιο ευέλικτο, διευρύνουν το φάσμα των εφαρμογών που επιδέχονται υλοποίησης με τη χρήση τέτοιου είδους συστημάτων. Η ιατρική, η αυτοκινητοβιομηχανία και η εξοικονόμηση ενέργειας είναι μόνο λίγοι από τους πολλούς τομείς που μπορούν να επωφεληθούν από τα συστήματα Ασυρμάτων Δικτύων Αισθητήρων. Στο κεφάλαιο αυτό, θα γίνει μία σύντομη αναφορά σε κάποιες ενδιαφέρουσες δημοφιλείς εφαρμογές τους. 4.1 Εφαρμογές στην Ιατρική Εξίσου σημαντικές με τις νέες ανακαλύψεις στον τομέα της ίδιας της επιστήμης της Ιατρικής, θεωρούνται σήμερα καινοτόμες εφαρμογές στον τομέα της Υγείας, οι οποίες διευκολύνουν τόσο τους θεράποντες ιατρούς, όσο και τους ασθενείς. Οι εφαρμογές της ασύρματης επικοινωνίας στην Υγεία, γνωστές με το κομψότερο mhealth applications, κερδίζουν, στις μέρες μας ολοένα και περισσότερο έδαφος. Το mhealth αναφέρεται στην παροχή υπηρεσιών Υγείας με τη χρήση τηλεπικοινωνιακών συστημάτων [17]. Οι παροχές ποικίλουν από την παρακολούθηση ασθενών με χρόνιες παθήσεις μέχρι τη διατήρηση της υγείας και της εύρυθμης λειτουργίας του οργανισμού [16]. Συνήθως, οι ηλικιωμένοι έχουν ανάγκη από συνεχή φροντίδα από κάποιο μέλος της οικογένειας ή κάποιο νοσοκόμο, λόγω προβλημάτων κινητικότητας ή κόπωσης. Με τις εφαρμογές mhealth διευκολύνονται κάποιες από τις καθημερινές δραστηριότητες, καθιστώντας τους ηλικιωμένους πιο αυτάρκεις. Με τη χρήση ασυρμάτων δικτύων, μπορούν να παρακολουθούνται εξ αποστάσεως συνεχώς κάποια ζωτικά σημεία του ατόμου, όπως σφυγμοί, αναπνοές, αρτηριακή πίεση και άλλα, στέλλοντας σε θεράποντες ιατρούς και κοντινά πρόσωπα σήμα κινδύνου σε περίπτωση απότομης πτώσης των ζωτικών σημείων. Επίσης, συσκευές που μπορούν να φορεθούν (wearables) μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν συσκευές εντοπισμού, για παράδειγμα σε περιπτώσεις ασθενών με άνοια. 29

30 Κεφάλαιο 4. Εφαρμογές Η συνεχής παρακολούθηση των ζωτικών σημείων αποδεικνύεται πολύ σημαντική για την φροντίδα ασθενών με χρόνιες παθήσεις, όπως καρδιαγγειακές νόσοι και διαβήτης. Σημαντική θεωρείται η χειραφέτηση του ασθενή, ο οποίος δεν είναι, πλέον, αναγκασμένος να μετακινείται από και προς το διαγνωστικό κέντρο για να κάνει εξετάσεις, αλλά μπορεί ο ίδιος, με τη χρήση κατάλληλων συσκευών, να μετρήσει τα ζωτικά του σημεία και να προβάλει και να παρακολουθήσει τα αποτελέσματα σε κάποια δική του οικιακή συσκευή. Ο θεράπων ιατρός, θα έχει τη δυνατότητα να τα ελέγξει ανά πάσα στιγμή αυτά τα δεδομένα, τα οποία θα έχουν ανέβει σε κάποια βάση δεδομένων από τη συσκευή που χρησιμοποιεί ο ασθενής. Οι εφαρμογές αυτές αναφέρονται, επίσης, σε wearable συσκευές αισθητήρων για τη μέτρηση των ζωτικών σημείων κατά τη διάρκεια άθλησης αλλά και καθ όλη τη διάρκεια της ημέρας. Σε συνδυασμό με αντίστοιχες εφαρμογές σε φορητές ηλεκτρονικές συσκευές, ο χρήστης μπορεί να έχει καθαρή εικόνα της φυσικής του κατάστασης, ενώ μπορούν να του γίνονται υποδείξεις για αλλαγές στη διατροφή ή την άσκησή του, με στόχο τη βελτίωση της γενικότερης υγείας του. Ολες οι εφαρμογές βασίζονται σε ασύρματα δίκτυα αισθητήρων, τα οποία αποτελούνται από συσκευές μέτρησης πάνω ή κοντά στο σώμα, οι οποίες αποστέλλουν δεδομένα σε κάποιον coordinator, ο οποίος, στη συνέχεια, τα διαχειρίζεται ή τα αποθηκεύει ή τα μεταβιβάζει με τη σειρά του σε κάποιο επόμενο σύστημα. Υπάρχει πρότυπο της IEEE, και, συγκεκριμένα, το 802.15.6 που αναφέρεται συγκεκριμένα σε δίκτυα σωματικής περιοχής (Body Area Networks), δηλαδή δίκτυα που περιέχουν συσκευές σε πολύ κοντινή απόσταση ή στο εσωτερικό του ανθρώπινου σώματος, τα οποία προδιαγράφονται με τέτοιο τρόπο ώστε να μη βλάπτουν το ανθρώπινο σώμα. Παρ όλα αυτά, τα δίκτυα ZigBee χρησιμοποιούνται κατά κόρον λόγω του χαμηλού κόστους και της χαμηλής πολυπλοκότητάς τους, χωρίς να προκαλούν πρόβλημα στον οργανισμό. 4.2 Smart Dust Ο όρος Smart Dust αναφέρεται σε ασύρματα δίκτυα από MEMS (MicroElectroMechanical Systems), δηλαδή μικροσκοπικές συσκευές, με μέγεθος από 20µm έως 1mm. Η ονομασία αυτών των συστημάτων οφείλεται στο γεγονός ότι οι κόμβοι του (dust motes) μακροσκοπικά συμπεριφέρονται όντως σαν σωματίδια σκόνης, χάρη στο μικροσκοπικό τους μέγεθος και πολύ μικρό βάρος. Η έννοια του Smart Dust είναι προγενέστερη αυτής των WSNs. Παρ όλα αυτά, συστήματα Smart Dust μπορούν να υλοποιηθούν,σήμερα, και με υλικό που υπάγεται στο IEEE 802.15.4. Κάθε mote έχει τη δυνατότητα να πραγματοποιήσει μετρήσεις διαφόρων μεγεθών, ανάλογα με τις ανάγκες της εκάστοτε εφαρμογής, όπως θερμοκρασία, ένταση μαγνητικού πεδίου, υγρασία, δονήσεις, ροή υγρού και πολλά άλλα. Εκτός από το αισθητήριο, τη μονάδα RF, που είναι απαραίτητη για την επικοινωνία, διαθέτει, επίσης και φωτοβολταϊκή μονάδα για τη συγκομιδή της απαραίτητης για τη λειτουργία του ενέργειας. Επί πλέον, το ελάχιστο κόστος των motes μπορεί να φτάσει μέχρι και τα $0.1 [21]. Προφανώς, άρα, οι προδιαγραφές του

4.3. Intelligent Transport Systems 31 προτύπου για χαμηλό κόστος και κατανάλωση ενέργειας ικανοποιούνται πλήρως. Ανάλογα με την εφαρμογή, τα motes μπορούν να προσκολληθούν πάνω σε αντικείμενα που πρέπει να παρακολουθηθούν ή να απλωθούν τυχαία σε μεγάλη έκταση. Τα motes καταγράφουν τις μετρήσεις των αισθητήρων τους και τις αποστέλλουν σε μια κεντρική μήτρα ή σταθμό βάσης. Χάρη στις ιδιότητες του mesh networking, ο σταθμός βάσης μπορεί να βρίσκεται σε απόσταση δεκάδων ή και χιλιάδων μέτρων από κάποιο mote. Το Smart Dust γεννήθηκε σαν σύστημα που προορίζεται καθαρά για στρατιωτικές εφαρμογές, όμως, οι ευκολίες που προσφέρει, σε συνδυασμό με τη σταδιακή εδραίωση του Internet of Things, το Smart Dust μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την υλοποίηση πληθώρας διαφορετικών εφαρμογών. Ενα σύστημα Smart Dust, για παράδειγμα, μπορεί να τοποθετηθεί σε μία περιοχή για μετεωρολογικές, γεωφυσικές, βιολογικές ή περιβαλλοντολογικές μελέτες [20]. Η χρήση τους ενδείκνυται, επίσης, σε περιπτώσεις μετρήσεων σε περιβάλλοντα όπου η χρήση ενσύρματων διατάξεων είναι αδύνατη ή θα οδηγούσε σε σφάλματα, όπως σε στρεφόμενες διατάξεις, ανηχοϊκούς θαλάμους και άλλα [22]. Μια ελκυστική εφαρμογή είναι, επίσης, η ανίχνευση φυσικών καταστροφών, παράδειγμα, με την εναπόθεση Smart Dust σε δάση, καθίσταται δυνατή η έγκαιρη ενημέρωση των αρμόδιων αρχών σε περίπτωση πυρκαγιάς. 4.3 Intelligent Transport Systems Πρόκειται για συστήματα που διευκολύνουν τον οδηγό ενός οχήματος κατά τη διάρκεια της διαδρομής, ενώ ταυτόχρονα μεριμνούν για την ασφάλεια του ίδιου αλλά και άλλων οχημάτων ή πεζών. Με τη βελτίωση των αισθητηρίων και οργάνων μέτρησης, καθίσταται ευκολότερη η ενσωμάτωσή τους πάνω στο όχημα, αυξάνοντας, ταυτόχρονα και τα δεδομένα που συλλέγονται. Με την αύξηση του αριθμού των διάφορων συσκευών μέσα σε ένα όχημα, προκύπτει το πρόβλημα της ογκώδους καλωδίωσης. Οσο περισσότερες συσκευές, τόσο περισσότερα καλώδια, άρα και είσοδοι στην κεντρικό υπολογιστή που ελέγχει όλα τα ηλεκτρονικά συστήματα του οχήματος. Σε αυτό το πρόβλημα δίνουν λύση τα WSNs, αφού με τη χρήση τους η καλωδίωση μπορεί να απαλειφθεί και η επικοινωνία να είναι ασύρματη, μειώνοντας το κόστος και το βάρος των συστημάτων και κατ επέκταση και του οχήματος. Ενα δίκτυο αισθητήρων ενσωματωμένο σε ένα αυτοκίνητο ονομάζεται intra-car sensor network [23] και χρησιμοποιείται για να παρέχει στον οδηγό πληροφορίες όπως εξωτερική θερμοκρασία, υ- γρασία κατανάλωση καυσίμου και εκπομπή καυσαερίων, αλλά και πληροφορίες που αφορούν την ασφάλεια κατά την οδήγηση, όπως τη δυνατότητα πρόσφυσης, την ύπαρξη πάγου, την παρουσία εμποδίου στην πορεία του αυτοκινήτου και άλλα. Υπάρχει, αντίστοιχα, η δυνατότητα να επικοινωνήσουν δύο ή παραπάνω οχήματα μεταξύ τους και να ανταλλάξουν χρήσιμα δεδομένα, οπότε πρόκειται για εφαρμογή Vehicle to Vehicle Communication (V2V). Παράδειγμα τέτοιας εφαρμογής είναι η γνωστοποίηση της σχε-

32 Κεφάλαιο 4. Εφαρμογές τικής θέσης και ταχύτητας δύο ή περισσοτέρων οχημάτων, ώστε, σε περίπτωση απότομου φρεναρίσματος ή σε κάθε περίπτωση απότομης αλλαγής πορείας ενός οχήματος, να αποφευχθεί σύγκρουση [24, 25]. Τέλος, δημοφιλείς είναι, επίσης, οι εφαρμογές Vehicle to Infrastructure (V2I), οι οποίες προβλέπουν την ασύρματη επικοινωνία των οχημάτων με συσκευές κοντά ή πάνω στο δρόμο. Αυτές οι εφαρμογές έχουν σαν κύριο στόχο τη διαχείριση της κυκλοφορίας των οχημάτων και την αποφυγή κυκλοφοριακής συμφόρησης. Αυτό μπορεί να πραγματοποιηθεί μέσω προτροπών προς τους οδηγούς και τη σύσταση καλύτερων διαδρομών, λιγότερο χρονοβόρων και οικονομικότερων από την άποψη της κατανάλωσης καυσίμου [25]. 4.4 Building Automation και Smart Homes Η έννοια του Building Automation αναφέρεται στη δικτύωση και τον έλεγχο των ηλεκτρονικών συσκευών μέσα σε ένα κτίριο, με στόχο την εύρυθμη λειτουργία του, την άνεση των στεγαζομένων και την μείωση της κατανάλωσης ενέργειας. Η εδραίωση των WSNs επιτρέπει στη δικτύωση αυτή να γίνεται ασύρματα, απαλείφοντας την ογκώδη καλωδίωση, απλουστεύοντας, με αυτόν τον τρόπο και την κατασκευή του κτιρίου. Η ασύρματη δικτύωση των συσκευών μειώνει, επίσης, και την ποσότητα των υλικών που θα ήταν απαραίτητα αν επιλεγόταν η ενσύρματη εκδοχή της εφαρμογής. Η ZigBee Alliance ισχυρίζεται πως με την τοποθέτηση κάθε 10 εκατομμυρίων αισθητήρων, αντιστοιχεί σε 50,000 μίλια καλωδίων, που μεταφράζονται σε 3,000 τόνους χαλκού και 7,100 τόνους πολυβινυλοχλωριδίου (PVC) για τη μόνωση των καλωδίων [26]. Επί πλέον, απουσία καλωδίων χαλκού, δεν τίθεται θέμα θερμικών απωλειών, με περαιτέρω μείωση της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας. Συστήματα που ελέγχονται από τέτοιες εφαρμογές είναι συστήματα φωτισμού, θέρμανσης, ψύξης, εξαερισμού, ασφαλείας, άρδευσης και άλλα [27]. Συναφής έννοια, αν όχι υποσύνολο της ευρείας έννοιας των Building Automation εφαρμογών, είναι οι εφαρμογές Smart Home, οι οποίες αναφέρονται σε οικιακά περιβάλλοντα. Ο ένοικος έχει τη δυνατότητα να ελέγχει οποιαδήποτε ηλεκτρική και ηλεκτρονική συσκευή μέσα στο σπίτι του, όπως τα φωτιστικά, τα συστήματα κλιματισμού, σκίασης, συναγερμού και άλλα. Με την τεχνολογία Smart Plug, είναι, επίσης, δυνατός ο έλεγχος της τροφοδοσίας κάθε πρίζας ξεχωριστά. Τέλος, οι εφαρμογές που αναφέρονται συγκεκριμένα στον έλεγχο του φωτισμού ονομάζονται εφαρμογές Connected Lighting και η ZigBee Alliance διαθέτει συγκεκριμένη έκδοση του προτύπου ειδικά για αυτές.

Κεφάλαιο 5 Προσομοίωση 5.1 OPNET Τα αρχικά OPNET σημαίνουν OPtimized Network Engineering Tools και το περιβάλλον αναπτύχθηκε από τις OPNET Technologies, το 1986. Πρόκειται για ένα σύνολο εργαλείων για προσομοίωση τηλεπικοινωνιακών δικτύων. Το OPNET μπορεί να δημιουργήσει και να προσομοιώσει τεράστια δίκτυα, τα οποία, στο περιβάλλον του OPNET αποτελούνται από έτοιμες μονάδες που υπάγονται σε μοντέλα που έχουν αναπτυχθεί για κάθε τύπο δικτύου. [28] Στην παρούσα εργασία, χρησιμοποιήθηκε το περιβάλλον OPNET Modeler 14.5, το οποίο είναι το πιο διαδεδομένο από την ευρύτερη σουίτα λογισμικού του OPNET. Είναι ένας δυναμικός Discrete Event Simulator (Προσομοιωτής Διακριτών Γεγονότων), με δικό του γραφικό περιβάλλον. Επιτρέπει στο χρήστη την εισαγωγή ή τη δημιουργία νέων μοντέλων, ανάλογα με τις ανάγκες και τις επιταγές της ολοένα αναπτυσσόμενης τεχνολογίας δικτύων, προσφέροντας, ταυτόχρονα, σε βάθος προσαρμογή των παραμέτρων της προσομοίωσης. Οι παράμετροι του μοντέλου του OPNET για τις ZigBee συσκευές που θα μας ενδιαφέρουν στη συνέχεια είναι οι παρακάτω: Επίπεδο Δικτύου Maximum Children: Ο μέγιστος αριθμός συνδέσεων προς το επόμενο επίπεδο που μπορεί να υποστηρίξει μία συσκευή (συμπεριλαμβανομένων και των Routers) Maximum Routers: Ο μέγιστος αριθμός Routers με τα οποία μπορεί να συνδεθεί μία συσκευή Maximum Depth: Ο αριθμός των επιπέδων του δέντρου ή, αλλιώς, ο μέγιστος αριθμός βημάτων μακριά από τον Coordinator που μπορεί να απαντηθεί στο δίκτυο Mesh Routing: Boolean μεταβλητή που δηλώνει αν το δίκτυο θα είναι τύπου Mesh ή όχι 33

34 Κεφάλαιο 5. Προσομοίωση Φυσικό Επίπεδο Data Rate: Η ταχύτητα μετάδοσης δεδομένων, μετρημένη σε bits ανά δευτερόλεπτο. Transmission Power: Η ισχύς μετάδοσης του σήματος Περισσότερα για τη λειτουργία του προσομοιωτή υπάρχουν στο Παράρτημα. 5.2 Επιλογή των Προσομοιώσεων Για τους σκοπούς της συγκεκριμένης εργασίας, επιλέχθηκαν προσομοιώσεις που ανταποκρίνονται σε πραγματικές παραμέτρους των δικτύων ZigBee, τα αποτελέσματα των οποίων μπορούν να οδηγήσουν σε ασφαλή συμπεράσματα για τη συμπεριφορά και τη λειτουργία της νέας αυτής τεχνολογίας. Οι μετρικές που επιλέχθηκαν για την αξιολόγηση της συμπεριφοράς των δικτύων είναι η ρυθμαπόδοση (throughput) και το end-to-end delay. Ως ρυθμαπόδοση, ορίζεται ο ρυθμός των επιτυχών μεταδόσεων δεδομένων ανά μονάδα χρόνου και μετριέται σε bits/sec. Το end-to-end delay μετριέται σε sec και είναι ο χρόνος που απαιτείται για να μεταδοθεί ένα πακέτο δεδομένων από τον πομπό στο δέκτη. Στη βιβλιογραφία, οι ερευνητές επιλέγουν να πραγματοποιήσουν τις προσομοιώσεις με τις προεπιλεγμένες από το περιβάλλον του OPNET τιμές για τις διάφορες παραμέτρους των δικτύων ZigBee, ορισμένες από τις οποίες δεν ανταποκρίνονται στην πραγματικότητα. Για παράδειγμα, στο [14], το δίκτυο ZigBee λειτουργεί στα 50mW, αντί για 1, και όλοι οι κόμβοι δημιουργούν ένα πακέτο ανά δευτερόλεπτο, συχνότητα που δεν είναι αντιπροσωπευτική της λειτουργίας πολλών εφαρμογών του ZigBee. Επίσης, η ανάλυση της συμπεριφοράς των τριών τοπολογιών, (star, mesh και tree) στη βιβλιογραφία, πραγματοποιείται με τους κόμβους του δικτύου κάθε φορά στην ίδια θέση, αλλάζοντας, ανάλογα με την τοπολογία που θα υλοποιηθεί κατά την προσομοίωση, μία μόνο παράμετρο στον PAN Coordinator. Θεωρούμε πως αυτό δεν έχει αξία, παρά μόνο για την εμπειρική σύγκριση της απόδοσης κάθε τοπολογίας, όπως θα δούμε και παρακάτω. Η τοπολογία του δικτύου πρέπει να επιλεγεί ανάλογα με τις ανάγκες της εκάστοτε εφαρμογής, οπότε, μοιραία, οι θέσεις των στοιχείων του δικτύου θα είναι διαφορετικές. Χτίζοντας πάνω σε αυτό, στις προσομοιώσεις πραγματικών εφαρμογών που θα παρουσιαστούν στη συνέχεια, θα επιλεγούν οι κατάλληλες τοπολογίες δικτύων, με κριτήρια τον αριθμό των στοιχείων, την γεωγραφική έκταση του δικτύου και την πολυπλοκότητα που μπορεί να στεγαστεί στην κάθε εφαρμογή. Στο σημείο αυτό, πρέπει να τονιστεί ότι τα δίκτυα που προσομοιώνονται είναι beaconless, λόγω μη πληρότητας του μοντέλου για το πρότυπο ZigBee στο περιβάλλον του OPNET. Παρά την αδυναμία του OPNET να υποστηρίξει το συγκεκριμένο χαρακτηριστικό των δικτύων, θεωρούμε πως οι προσομοιώσεις δίνουν ικανοποιητικά αποτελέσματα, τα οποία δε θα παρέκκλιναν σημαντικά αν τα δίκτυα ήταν beacon-enabled. Στις επί μέρους προσομοιώσεις των τριών ειδών δικτύων και στις προσομοιώσεις των εφαρμογών, επιλέγονται διαφορετικές τιμές για τις παρακάτω παραμέτρους:

5.3. Σύγκριση της Απόδοσης των Τριών Τοπολογιών 35 Ισχύς λειτουργίας: 1mW Data rate: 250kbps 5.3 Σύγκριση της Απόδοσης των Τριών Τοπολογιών Οπως αναφέρθηκε παραπάνω, η τοπολογία που επιλέγεται για τη λειτουργία ενός δικτύου εξαρτάται από την εφαρμογή στην οποία θα χρησιμοποιηθεί. Συνεπώς, η αλλαγή της τοπολογίας διατηρώντας σταθερές τις θέσεις των κόμβων έχει νόημα μόνο στα πλαίσια της σύγκρισης της απόδοσης των τριών τοπολογιών, προσφέροντας, έτσι, έναν εμπειρικό οδηγό για την επιλογή μίας τοπολογίας σε κάποια εφαρμογή. Οι προσομοιώσεις που πραγματοποιήθηκαν για αυτό το σκοπό αναφέρονται σε ένα δίκτυο με τα παρακάτω στοιχεία: 1 PAN Coordinator 12 Routers και 22 End Devices Εφόσον ο σκοπός της προσομοίωσης δεν είναι παρά η σύγκριση των των τοπολογιών, οι υπόλοιπες παράμετροι της προσομοίωσης έχουν τις προεπιλεγμένες τιμές. Στα διαγράμματα 5.1αʹ και 5.1βʹ φαίνεται η σύγκριση της ρυθμαπόδοσης και του end-to-end delay των δικτύων. Γίνεται εύκολα αντιληπτό πως η τοπολογία δέντρου είναι η πιο αποδοτική από άποψη ρυθμαπόδοσης. Προφανώς, η τοπολογία αστέρα είναι η πιο αδύναμη, λόγω του γεγονότος ότι όλα τα πακέτα υποχρεούνται να περάσουν πρώτα από το κέντρο του αστέρα, δηλαδή τον Coordinator του δικτύου, ο οποίος μπορεί να διαχειριστεί και να επαναδρομολογήσει συγκεκριμένο όγκο δεδομένων σε κάθε μονάδα χρόνου, θέτοντας, έτσι ένα άνω όριο στη ρυθμαπόδοση. Οσον αφορά το end-to-end delay, η τοπολογία αστέρα παρουσιάζει το μικρότερο, αφού τα μεταφερόμενα πακέτα χρειάζονται μόνο δύο hops για να φτάσουν στον προορισμό τους, από μία συσκευή σε μία άλλη ή μόνο ένα, αν επικοινωνούν με τον coordinator. Περισσότερο ενδιαφέρον υπάρχει στη σύγκριση των tree και mesh. Στην περίπτωση του tree, τα πακέτα από μία συσκευή με προορισμό κάποια άλλη υποχρεούνται να διέλθουν μέσα από τον πρώτο κοινό γονικό κόμβο των δύο συσκευών, στη χειρότερη περίπτωση τον coordinator, τη ρίζα του δέντρου. Για το λόγο αυτό, οι διαδρομές που διανύουν τα πακέτα στην τοπολογία tree είναι κατά κανόνα μεγαλύτερες από τις αντίστοιχες από αυτές στην περίπτωση του mesh, άρα αντίστοιχα και η καθυστέρηση των πακέτων στην περίπτωση του tree είναι μεγαλύτερη.

36 Κεφάλαιο 5. Προσομοίωση 10 x 104 9 Throughput Comparison of ZigBee Topologies Star Mesh Tree 8 7 6 Throughput (bits/sec) 5 4 3 2 1 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Time (sec) (αʹ) Σύγκριση της ρυθμαπόδοσης 0.08 End to End Delay Comparison of ZigBee Topologies Star Mesh Tree 0.07 0.06 0.05 End to End Delay (sec) 0.04 0.03 0.02 0.01 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Time (sec) (βʹ) Σύγκριση του end-to-end delay Σχήμα 5.1: Απόδοση των τοπολογιών star, mesh και tree 5.4 Τοπολογία Αστέρα Στην περίπτωση της τοπολογίας αστέρα, ο coordinator ελέγχει και δρομολογεί όλη την κίνηση του δικτύου. Αν μία συσκευή επιθυμεί να επικοινωνήσει με μία άλλη, τα πακέτα που θα κυκλοφορήσουν θα διέλθουν μέσα από τον coordinator ανεξάρτητα από την απόσταση μεταξύ των συσκευών. Στην περίπτωση του δικτύου αστέρα, οι παράμετροι του Επιπέδου δικτύου λαμβάνουν τις

5.4. Τοπολογία Αστέρα 37 παρακάτω τιμές: Maximum Children = 255 Maximum Routers = 0 Maximum Depth = 1 Mesh Routing = false Η τηλεπικοινωνιακή κίνηση των συσκευών τίθεται στο ένα πακέτο κάθε 60 δευτερόλεπτα και η προσομοίωση πραγματοποιείται με 5, 10 και 50 συσκευές στον αστέρα. 7000 6000 Time Average Throughput of Star Topology ZigBee Network with Varying Number of Nodes 5 nodes 10 nodes 50 nodes 5000 Throughput (bits/sec) 4000 3000 2000 1000 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 Time(sec) (αʹ) Ρυθμαπόδοση 0.04 Time Average End to End Delay of Star Topology ZigBee Network with Varying Number of Nodes 5 nodes 10 nodes 50 nodes 0.035 0.03 End to End Delay (sec) 0.025 0.02 0.015 0.01 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 Time(sec) (βʹ) End to End Delay Σχήμα 5.2: Απόδοση δικτύων αστέρα με 5, 10 και 50 συσκευές

38 Κεφάλαιο 5. Προσομοίωση Στα διαγράμματα 5.2αʹ και 5.2βʹ παρατηρείται πως υπάρχει μια σχεδόν γραμμική εξάρτηση της ρυθμαπόδοσης και της καθυστέρησης από τον αριθμό των συσκευών του δικτύου. Είναι προφανές, εξάλλου, ότι, με περισσότερες συσκευές, ο όγκος των δεδομένων που κυκλοφορεί στο δίκτυο ανά μονάδα χρόνου θα αυξάνεται. Οπως προαναφέρθηκε, όμως, ο coordinator διαχειρίζεται όλον τον όγκο της τηλεπικοινωνιακής κίνησης. Αυτό σημαίνει πως υπάρχει ένα άνω φράγμα στην αύξηση της ρυθμαπόδοσης με την προσθήκη επί πλέον συσκευών, το οποίο είναι συνάρτηση πολλών παραγόντων, όπως οι αποστάσεις των κόμβων, η συχνότητα παραγωγής και το μέγεθος των πακέτων. Για να διαπιστωθεί το παραπάνω φαινόμενο πραγματοποιήθηκε μία παραμετρική προσομοίωση, κατά την οποία, σε ένα χώρο 10m 10m στον οποίο υπάρχουν 10 συσκευές και ένας coordinator, προστίθενται κάθε φορά 10 ακόμα συσκευές, μέχρι να φτάσουν τις 250 σε αριθμό, που είναι και το όριο των συσκευών που μπορεί να εξυπηρετήσει ο coordinator στη συγκεκριμένη τοπολογία. Σε μία προσπάθεια πρόκλησης του φαινομένου, επιλέχθηκε πολύ πυκνή κίνηση, με κάθε συσκευή να παράγει ένα πακέτο των 1024bits ανά δευτερόλεπτο. 2.5 x 105 Time Average Throughput of ZigBee Star Network 2 Throughput (bits/sec) 1.5 1 0.5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 Number of Nodes Σχήμα 5.3: Παραμετρική ανάλυση της ρυθμαπόδοσης, συναρτήσει του αριθμού των συσκευών στον αστέρα Πράγματι, από το διάγραμμα 5.3 είναι εμφανές πως ο ρυθμός αύξησης της ρυθμαπόδοσης φθίνει όταν ο αριθμός των συσκευών ξεπεράσει τις 70, ενώ η ρυθμαπόδοση αρχίζει να μειώνεται όταν οι συσκευές ξεπεράσουν τις 190. Το συμπέρασμα που μπορεί να εξαχθεί είναι πως όταν ο αριθμός των συσκευών ξεπεράσει κάποιο όριο, το δίκτυο αρχίζει να φορτώνεται τόσο ώστε να υπάρχει αυξημένη πιθανότητα οι συσκευές να αντιλαμβάνονται το κανάλι κατειλημμένο κατά την εκτέλεση του CCA, με αποτέλεσμα την αποτυχία αποστολής του πακέτου, με την αντίστοιχη πτώση της ρυθμαπόδοσης. Φυσικά, σε αυτήν την περίπτωση, θα ήταν προτιμότερο, αν είναι όντως απαραίτητος τόσο μεγάλος αριθμός συσκευών, να επιλεγεί κάποια άλλη τοπολογία, η οποία θα μπορεί να εξυπηρετήσει αποτελεσματικότερα την αυξημένη κίνηση του δικτύου.

5.4. Τοπολογία Αστέρα 39 Η αδυναμία του coordinator να διαχειριστεί την αυξημένη κίνηση φαίνεται και παρατηρώντας το end-to-end delay του δικτύου στο ίδιο πείραμα, στο σχήμα 5.4. Από τους 80 κόμβους και πάνω, λαμβάνει τιμές πάνω από 500 sec. 4000 End To End Delay of ZigBee Star Network 3500 3000 2500 End To End Delay (sec) 2000 1500 1000 500 0 0 50 100 150 200 250 Number of Nodes Σχήμα 5.4: Παραμετρική ανάλυση του end-to-end delay, συναρτήσει του αριθμού των συσκευών στον αστέρα Τέλος, ενδεικτικά παρατίθεται ένα διάγραμμα της ρυθμαπόδοσης ενός δικτύου, του οποίου ο coordinator αστοχεί στη χρονική στιγμή t = 500sec της προσομοίωσης. 8 x 104 Throughput of ZigBee Star Network, with Coordinator Failure 7 6 5 Throughput (bits/sec) 4 3 2 1 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Time (sec) Σχήμα 5.5: Ρυθμαπόδοση ενός δικτύου αστέρα όταν παύει να λειτουργεί ο coordinator

40 Κεφάλαιο 5. Προσομοίωση Από το διάγραμμα 5.5 είναι εμφανές πως η κίνηση του δικτύου σταματά όταν ο coordinator σταματά να λειτουργεί. Αυτό, προφανώς, οφείλεται στο γεγονός ότι, όπως προαναφέρθηκε, όλη η κίνηση του δικτύου διέρχεται μέσω αυτού, συνεπώς, αν ο coordinator σταματήσει, για οποιοδήποτε λόγο να λειτουργεί, οι συσκευές που ανήκουν στο δίκτυο δεν μπορούν να επικοινωνήσουν. 5.5 Τοπολογίες mesh και tree Σε αντίθεση με την τοπολογία αστέρα, η λειτουργία των mesh και tree διέπεται από πολύ περισσότερες παραμέτρους. Η πληθώρα αυτή καθιστά ασύμφορη μία προσέγγιση όπως αυτή της προηγούμενης παραγράφου. Για το λόγο αυτό, επιλέγεται να πραγματοποιηθούν προσομοιώσεις που συγκρίνουν την ικανότητα αυτο-επούλωσης (self-healing) του δικτύου στις περιπτώσεις τοπολογίας mesh και tree. Και οι δύο τοπολογίες χρησιμεύουν στην διεύρυνση της περιοχής κάλυψης του δικτύου, αντίθετα με την περίπτωση του αστέρα, όπου το δίκτυο καλύπτει μόνο την περιοχή γύρω από τον coordinator. Λόγω της ικανότητας της εύρεσης δρόμων (route discovery), η mesh τοπολογία φαίνεται να είναι πιο εύρωστη από την τοπολογία tree, έχει δηλαδή καλύτερη συμπεριφορά σε περίπτωση βλάβης. Κάθε κλάδος στην τοπολογία tree είναι απόλυτα εξαρτημένος από τη ρίζα του, που τον συνδέει με το υπόλοιπο δίκτυο και τελεί χρέη δρομολογητή. Εάν αυτός ο δρομολογητής πάψει, για οποιοδήποτε λόγο, να λειτουργεί, τότε ολόκληρος ο κλάδος του αποσυνδέεται από το δίκτυο. Αντίθετα, αν κάποιος δρομολογητής σε ένα δίκτυο mesh πάθει βλάβη, τότε τα πακέτα θα φτάσουν στον προορισμό τους μέσω κάποιας εναλλακτικής διαδρομής, με αμελητέες συνέπειες στην απόδοση του δικτύου. Το προτέρημα της τοπολογίας tree έναντι της mesh είναι πως η απλούστερη δρομολόγηση καταναλώνει λιγότερη ενέργεια, καθώς δεν προβαίνει στην πολύπλοκη διαδικασία του route discovery. Προσομοιώθηκαν δύο δίκτυα, ένα mesh και ένα tree. Κάθε ένα προσομοιώθηκε μία φορά χωρίς απώλειες κόμβων και μία φορά με έναν κόμβο να σταματά να λειτουργεί σε κάποια χρονική στιγμή. Σημαντικό είναι να τονιστεί ότι ο κόμβος που επιλέχθηκε να αναστείλει τη λειτουργία του βρίσκεται σε βάθος 1 στο δέντρο. Τα δίκτυα περιλαμβάνουν τις παρακάτω συσκευές: 1 Coordinator 10 Routers 7 End Devices Ο αριθμός των συσκευών διατηρείται μικρός χάριν απλότητας και λόγω του γεγονότος ότι στόχος εν προκειμένω είναι η σύγκριση των δύο δικτύων. Θεωρείται ότι αντίστοιχη συμπεριφορά θα παρουσίαζαν μεγαλύτερου μεγέθους δίκτυα. Οι παράμετροι της προσομοίωσης είναι οι παρακάτω: Maximum Children = 3 Maximum Routers = 2

5.5. Τοπολογίες mesh και tree 41 Maximum Depth = 4 Η παράμετρος Mesh Routing λαμβάνει την τιμή true για να υλοποιηθεί η τοπολογία mesh. Στο διάγραμμα 5.6αʹ φαίνεται η ρυθμαπόδοση των δικτύων. Είναι εμφανές πως η ρυθμαπόδοση της τοπολογίας tree παρουσιάζει σημαντικά μεγαλύτερη πτώση από την mesh, διότι αποσυνδέθηκαν από το δίκτυο όλες οι συσκευές που ανήκαν στον κλάδο με ρίζα τον κόμβο που αναστέλλει τη λειτουργία του. Η ρυθμαπόδοση της τοπολογίας mesh μειώνεται μόνον επειδή από την παύση της λειτουργίας του και μετά, ο κόμβος δεν εκπέμπει δεδομένα και, άρα, δεν προσθέτει στην ολική ρυθμαπόδοση του δικτύου. Στο διάγραμμα 5.6βʹ παρουσιάζεται το end to end delay των δικτύων. Παρατηρείται ότι στην περίπτωση της τοπολογίας tree, το end to end delay μειώνεται, γεγονός που, όμως, δεν συνεπάγεται καλύτερη συμπεριφορά του δικτύου. Η πτώση οφείλεται στο γεγονός ότι πλέον, απουσία ενός ολόκληρου κλάδου, ο μέσος όρος της απόστασης που διανύουν τα δεδομένα από την πηγή έως τον προορισμό τους μειώνεται, οπότε και αυτά χρειάζονται λιγότερο χρόνο να διανύσουν τη συγκεκριμένη απόσταση. Αντίθετα, το end to end delay στο mesh δίκτυο παρουσιάζει αύξηση. Η δρομολόγηση σε αυτού του τύπου την τοπολογία γίνεται με την εύρεση της βέλτιστης διαδρομής ανάμεσα σε δύο κόμβους του δικτύου, όπου βέλτιστη σημαίνει η διαδρομή την οποία αν ακολουθήσουν τα δεδομένα θα φτάσουν στον προορισμό τους στον ελάχιστο χρόνο. Δεδομένου αυτού, όταν ένας δρομολογητής, ο οποίος, προφανώς ανήκει σε μία ή παραπάνω βέλτιστες διαδρομές, πάθει βλάβη, η δρομολόγηση των πακέτων θα γίνει μέσω μίας μακρύτερης και πιο χρονοβόρου διαδρομής, αυξάνοντας, αντίστοιχα το end to end delay. Μία ακόμα ενδιαφέρουσα μελέτη είναι αυτή της πτώσης της ρυθμαπόδοσης του δικτύου tree σαν συνάρτηση του βάθους του δέντρου στο οποίο βρίσκεται η συσκευή που σταματά να λειτουργεί. Στην προσομοίωση που ακολουθεί, η λειτουργία ενός δρομολογητή στο μέγιστο βάθος αναστέλλεται στη χρονική στιγμή των 60 λεπτών και επανέρχεται στα επόμενα 60 λεπτά, οπότε και αναστέλλεται η λειτουργία του αμέσως προηγούμενου δρομολογητή στον κλάδο. Η διαδικασία επαναλαμβάνεται μέχρι να ανασταλεί και η λειτουργία του κόμβου αμέσως κάτω από τον coordinator. Η μελέτη αυτή παριστάνεται με την πράσινη γραμμή στο διάγραμμα 5.7 Η κόκκινη κυματομορφή παριστάνει τη ρυθμαπόδοση του ίδιου δικτύου όταν αστοχούν ανά 60 λεπτά end devices του δικτύου. Από το διάγραμμα γίνεται φανερό πως ακόμα κι αν οι κατώτερες στον κλάδο συσκευές βρίσκονται σε λειτουργία, η αναστολή ενός δρομολογητή πιο πάνω στον ίδιο κλάδο έχει ως αποτέλεσμα την αδυναμία επικοινωνίας όλων των συσκευών που βρίσκονται χαμηλότερα στον ίδιο κλάδο με το υπόλοιπο δίκτυο. Τέλος, βλάβες σε συσκευές του δικτύου που δεν τελούν χρέη δρομολογητή και δεν α- ποτελούν ρίζες κάποιου κλάδου δεν έχουν επίπτωση στην ολική ρυθμαπόδοση, η μείωση της οποίας αντιστοιχεί στη μεμονωμένη συνεισφορά της συγκεκριμένης συσκευής στην ολική

42 Κεφάλαιο 5. Προσομοίωση 6000 5500 Comparison of ZigBee Tree and Mesh Throughput with One Router Failing Mesh Mesh with Failing Router Tree Tree with Failing Router 5000 Throughput (bits/sec) 4500 4000 3500 3000 2500 0 1 2 3 4 5 Time (hours) (αʹ) Ρυθμαπόδοση 0.055 0.05 Average ZigBee Mesh and Tree Topology End to End Delay with Failing Router Mesh with Failing Router Mesh Tree with Failing Router Tree 0.045 End to End Delay (seconds) 0.04 0.035 0.03 0.025 0.02 0.015 0.01 0 1 2 3 4 5 Time (hours) (βʹ) End to End Delay Σχήμα 5.6: Απόδοση δικτύων mesh και tree με έναν κόμβο να αστοχεί ρυθμαπόδοση. 5.6 Προσομοιώσεις Πραγματικών Εφαρμογών Παρακάτω, πραγματοποιούνται προσομοιώσεις τριών πραγματικών εφαρμογών. Σημειώνεται ότι η λειτουργικότητα της κάθε εφαρμογής εξαρτάται από τους μηχανικούς που θα την υλοποιήσουν και ότι στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται μόνο η απόδοση του ZigBee δικτύου που θα χρησιμοποιηθεί για την υλοποίηση. Αναφέρεται παρ όλα αυτά, μία ενδεικτική λειτουργικότητα για κάθε μία από τις εφαρμογές που επιλέχθηκαν.

5.6. Προσομοιώσεις Πραγματικών Εφαρμογών 43 3.5 4 x 104 Throughput of ZigBee Tree Network, with Failing Routers and End Devices Nothing Fails Routers Fail Devices Fail 3 Throughput (bits/sec) 2.5 2 1.5 1 0 1 2 3 4 5 Time (hours) Σχήμα 5.7: Ρυθμαπόδοση δικτύου tree με δρομολογητές και συσκευές που αστοχούν εκ περιτροπής σε διαφορετικά βάθη του δέντρου 5.6.1 Εφαρμογή Connected Lighting για το Φωτισμό της Ροτόντας της Θεσσαλονίκης Οι εφαρμογές Connected Lighting χρησιμεύουν στον ασύρματο έλεγχο του φωτισμού σε οικιακά περιβάλλοντα, σε επαγγελματικούς χώρους ή σε μεγαλύτερες σε έκταση περιοχές. Η αυτοματοποίηση των συνθηκών τεχνητού φωτισμού προσφέρει βέλτιστα οπτικά αποτελέσματα αλλά και μείωση της κατανάλωσης ενέργειας. Στη συγκεκριμένη εφαρμογή, θεωρείται ότι έχουν τοποθετηθεί συσκευές ανίχνευσης φωτεινής έντασης (λουξόμετρα) σε διάφορα σημεία του μνημείου τα οποία πρέπει να φωτίζονται κατά τη διάρκεια της νύχτας ή σε συνθήκες χαμηλού φυσικού φωτισμού. Ανάλογα με τις ενδείξεις των λουξομέτρων, το σύστημα ενεργοποιεί ή απενεργοποιεί τα φωτιστικά. Αυτοί οι αισθητήρες, οι προβολείς και τα φωτιστικά, μαζί με έναν coordinator αποτελούν το ZigBee δίκτυο, στο οποίο βασίζεται η εφαρμογή. Στην εικόνα 5.8 φαίνονται οι θέσεις των κόμβων του δικτύου στο μνημείο. Το ύψος στο οποίο βρίσκεται κάθε συσκευή δηλώνεται στα attributes κάθε συσκευής και εξαρτάται από τη θέση του πάνω στο μνημείο [29]. Οι συσκευές έχουν τοποθετηθεί με τέτοιο τρόπο ώστε τα μονοπάτια που θα ακολουθούν τα δεδομένα να έχουν την ελάχιστη δυνατή απόσβεση, με τις συσκευές να είναι κατά το δυνατόν ορατές η μία από την άλλη (Line of Sight). Υπάρχουν οι παρακάτω συσκευές: 1 Coordinator 38 Routers 72 End Devices

44 Κεφάλαιο 5. Προσομοίωση Σχήμα 5.8: Οι θέσεις των συσκευών του δικτύου της εφαρμογής για τον φωτισμό της Ροτόντας Ο coordinator του δικτύου τοποθετήθηκε στην κορυφή του κτιρίου. Θεωρήθηκε ότι οι αισθητήρες μέτρησης φυσικού φωτισμού τελούν και χρέη δρομολογητών στο δίκτυο, ενώ τα φωτιστικά είναι end devices του ZigBee δικτύου. Υποθέτοντας ότι για την υλοποίηση της εφαρμογής θα χρησιμοποιούνταν το πρότυπο ZigBee PRO, η τοπολογία του δικτύου θα είναι mesh. Η προσομοίωση, όμως, πραγματοποιήθηκε και για τοπολογία δέντρου για τη σύγκριση της απόδοσης. Επίσης, οι μετρήσεις της φωτεινότητας δεν είναι απαραίτητο να πραγματοποιούνται συχνά. Για το λόγο αυτό, η παραγωγή πακέτων ακολουθεί ομοιόμορφη κατανομή στο διάστημα (300,900) δευτερόλεπτα. Το διάστημα επιλέγεται ώστε να αποφεύγεται κατά το δυνατόν η ταυτόχρονη παραγωγή πακέτων, η οποία, σε συνδυασμό με τον πολύ μεγάλο αριθμό συσκευών είναι πολύ πιθανό να οδηγήσει σε αποτυχία αποστολής. Οι υπόλοιπες παράμετροι λαμβάνουν τις παρακάτω τιμές:

5.6. Προσομοιώσεις Πραγματικών Εφαρμογών 45 Maximum Children = 9 Maximum Routers = 5 Maximum Depth = 10 3500 Throughput of Mesh and Tree Topologies in Rotunda Connected Lighting ZigBee Application Mesh Tree 3000 2500 Throughput (bits/sec) 2000 1500 1000 500 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Time (hours) (αʹ) Ρυθμαπόδοση 0.11 End to end delay of Mesh and Tree Topologies in Rotunda Connected Lighting ZigBee Application Mesh Tree 0.1 0.09 0.08 End to end delay (sec) 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Time (sec) (βʹ) End to End Delay Σχήμα 5.9: Απόδοση δικτύων mesh και tree για την εφαρμογή φωτισμού της Ροτόντας Στο διάγραμμα 5.9αʹ φαίνεται ότι η ρυθμαπόδοση είναι εξαιρετικά χαμηλή, γεγονός που οφείλεται στο πολύ μικρό data rate των συσκευών. Οπως ήταν αναμενόμενο, η τοπολογία tree εμφανίζει μεγαλύτερη ρυθμαπόδοση. Επιλέγεται όμως, τελικά, η τοπολογία mesh, λόγω, αφ ενός, του σαφώς μικρότερου end to end delay και, αφ ετέρου, της ευρωστίας και της δυνατότητας self-heal που προσφέρει η mesh, δεδομένου ότι όλες οι συσκευές είναι εκτεθειμένες και σε συνεχή κίνδυνο καταστροφής ή βλάβης.

46 Κεφάλαιο 5. Προσομοίωση 5.6.2 Εφαρμογή Smart Home σε Διαμέρισμα Οπως έχει προαναφερθεί, τα δίκτυα ZigBee προάγουν την έννοια του Internet of Things, δηλαδή την επικοινωνία μεταξύ όλων των ηλεκτρονικών συσκευών. Οι εφαρμογές Smart Home περιλαμβάνουν την ασύρματη δικτύωση όχι μόνο συσκευών όπως ηλεκτρονικοί υπολογιστές, κινητά τηλέφωνα ή tablets, αλλά επίσης, όλων των ηλεκτρικών συσκευών μέσα σε ένα σπίτι. Με αυτόν τον τρόπο, ο χρήστης θα έχει τη δυνατότητα να ελέγχει ασύρματα όλες τις συσκευές που είναι συνδεδεμένες στο δίκτυο, με στόχο την διευκόλυνσή του και την εξοικονόμηση ενέργειας. Σε ένα δίκτυο Smart Home μπορούν να ανήκουν τα φωτιστικά, το σύστημα κλιματισμού και θέρμανσης, ο ηλεκτρικός θερμοσίφωνας, τα συστήματα συναγερμού και άλλα. Επίσης, η σχετικά νέα τεχνολογία των Smart Plugs επιτρέπει τον ασύρματο έλεγχο κάθε πρίζας ξεχωριστά. Ο χρήστης ελέγχει όλα τα συστήματα μέσω μονάδων ελέγχου που υπάρχουν σε κάθε χώρο του διαμερίσματος. Για τη συγκεκριμένη εφαρμογή Smart Home έχουν επιλεγεί τα παρακάτω συστήματα: Σύστημα φωτισμού: Η λειτουργία όλων των φωτιστικών ελέγχεται από τις μονάδες ελέγχου. Υπάρχει, επίσης επιλογή για dimming, δηλαδή ελάττωση της έντασης του φωτός για οικονομία ενέργειας. Σύστημα συναγερμού: Τοποθετούνται αισθητήρες κίνησης στις πόρτες και στα παράθυρα και μέσα στους χώρους του σπιτιού, οι οποίοι ειδοποιούν σε περίπτωση διάρρηξης. Ο χρήστης οπλίζει και αφοπλίζει ολόκληρο το σύστημα συναγερμού κατά την έξοδό του από το σπίτι ή μόνο τους αισθητήρες στις πόρτες και τα παράθυρα αν βρίσκεται ο ίδιος μέσα στο σπίτι. Σύστημα πυροπροστασίας: Αποτελείται από αισθητήρες καπνού και σύστημα ψεκασμού νερού σε κάθε χώρο του διαμερίσματος. Συστήματα Smart Plug: Ο χρήστης έχει τη δυνατότητα να ελέγχει την τροφοδοσία κάθε πρίζας ξεχωριστά Σύστημα κλιματισμού για θέρμανση και ψύξη: Αισθητήρες μέτρησης θερμοκρασίας υπάρχουν σε όλους τους χώρους του διαμερίσματος. Βάσει της μέτρησής τους, το σύστημα κλιματισμού διατηρεί τη θερμοκρασία του διαμερίσματος στην τιμή που ορίζει ο χρήστης. Σύστημα ηλεκτρικών περσίδων: Οι περσίδες στις πόρτες και τα παράθυρα ελέγχονται, επίσης, από το χρήστη μέσω των μονάδων ελέγχου. Το δίκτυο φαίνεται στην εικόνα 5.10 και αποτελείται από τα παρακάτω: 1 Coordinator 20 Routers 64 End Devices Και οι παράμετροι της προσομοίωσης λαμβάνουν τις παρακάτω τιμές: Maximum Children = 10

5.6. Προσομοιώσεις Πραγματικών Εφαρμογών 47 Maximum Routers = 5 Maximum Depth = 5 Σχήμα 5.10: Το δίκτυο της εφαρμογής Smart Home Η παραγωγή πακέτων ακολουθεί ομοιόμορφη κατανομή στο διάστημα (40,80) δευτερολέπτων. Εδώ, η παραγωγή πακέτων είναι πυκνότερη από την περίπτωση της εφαρμογής φωτισμού της Ροτόντας, διότι οι συνθήκες φυσικού φωτισμού αλλάζουν με πολύ αργούς ρυθμούς, οπότε η μέτρηση του φωτισμού και η επεξεργασία αυτής δεν είναι απαραίτητο να πραγματοποιείται πολλές φορές σε σύντομο χρονικό διάστημα. Στην περίπτωση του Smart Home, οι μετρήσεις οφείλουν να γίνονται συχνότερα, διότι κάποια από τα συστήματα, όπως αυτό της πυρόσβεσης, οφείλουν να έχουν άμεση απόκριση. Φυσικά, συστήματα όπως το σύστημα θέρμανσης δεν είναι απαραίτητο να παράγουν τόσο πυκνή κίνηση. Επίσης, η χρήση των μονάδων ελέγχου από τους χρήστες ακολουθεί εντελώς τυχαία κατανομή. Βάσει όλων αυτών, επιλέγεται η ομοιόμορφη κατανομή στο συγκεκριμένο διάστημα σαν μία προσέγγιση για τη μέση κίνηση του δικτύου, αλλά και για τη μείωση της απαραίτητης υπολογιστικής ισχύος για την εκτέλεση της εικοσιτετράωρης προσομοίωσης. Στις εικόνες 5.11αʹ και 5.11βʹ φαίνεται η ρυθμαπόδοση και το end to end delay της εφαρμογής Smart Home. Για άλλη μια φορά, θα προτιμηθεί η τοπολογία mesh, για τη σταθερότητα που προσφέρει, παρά τη χαμηλότερη ρυθμαπόδοση σε σχέση με την τοπολογία tree. 5.6.3 Εφαρμογή Intelligent Transport System Οι εφαρμογές τέτοιου τύπου παρέχουν διευκολύνσεις και χρήσιμες πληροφορίες στον οδηγό ενός οχήματος κατά τη διάρκεια της διαδρομής, ενώ, ταυτόχρονα, μεριμνούν για την ασφάλεια των επιβατών του οχήματος αλλά και των κοντινών οχημάτων ή πεζών. Διακρίνονται τρεις κατηγορίες: Intra-Vehicle: Πρόκειται για το δίκτυο που υπάρχει μέσα σε ένα συγκεκριμένο όχημα. Αισθητήρες παρέχουν στον οδηγό πληροφορίες όπως εξωτερική θερμοκρασία, θερμοκρασία κινητήρα και δυνατότητα πρόσφυσης. Επίσης, ένα ασύρματο σύστημα

48 Κεφάλαιο 5. Προσομοίωση Throughput of Mesh and Tree Topologies in ZigBee Smart Home Application 16000 Mesh Tree 14000 12000 Throughput (bits/sec) 10000 8000 6000 4000 2000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Time (hours) (αʹ) Ρυθμαπόδοση 0.1 End to End Delay of Mesh and Tree Topologies in ZigBee Smart Home Application Mesh Tree 0.09 0.08 0.07 End to End Delay (sec) 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 (βʹ) End to End Delay Σχήμα 5.11: Απόδοση δικτύων mesh και tree για την εφαρμογή Smart Home αισθητήρων στο εξωτερικό του οχήματος μπορεί να βοηθήσει τον οδηγό κατά τη στάθμευση, ή να ακινητοποιήσει το όχημα σε περίπτωση ανίχνευσης εμποδίου. Vehicle-to-Vehicle (V2V): Με τις δυνατότητες ad hoc που προσφέρει το ZigBee, όταν δύο ή περισσότερα οχήματα βρεθούν σε κοντινή απόσταση ανταλλάσσουν πληροφορίες. Με αυτόν τον τρόπο, υπάρχει δυνατότητα το κάθε όχημα να γνωρίζει τη σχετική θέση και ταχύτητα όλων των υπολοίπων, ώστε να αποφευχθεί η σύγκρουση σε περίπτωση απότομης αλλαγής της πορείας κάποιου από τα οχήματα. Vehicle-to-Infrastructure (V2I): Η ασύρματη επικοινωνία μεταξύ των οχημάτων και σταθερών συστημάτων κοντά στο δρόμο εξυπηρετεί στη συλλογή πληροφοριών

5.6. Προσομοιώσεις Πραγματικών Εφαρμογών 49 που αφορούν, μεταξύ άλλων, την κυκλοφορία και την ποσότητα των αερίων ρύπων. Επίσης, γνωρίζοντας τις συνθήκες κυκλοφορίας σε μια περιοχή, ένα σύστημα μπορεί να ενημερώνει τους οδηγούς για πιο συμφέρουσες διαδρομές. 5.6.3.1 Εφαρμογή Intra-Vehicle Network 5.6.3.1.1 Υψηλή Κίνηση Στην εικόνα 5.12 φαίνεται το δίκτυο που θα προσομοιωθεί. Εχουν τοποθετηθεί συσκευές για να καλύψουν τα παρακάτω συστήματα: Σύστημα μέτρησης εξωτερικής θερμοκρασίας Σύστημα ελέγχου της κατάστασης του κινητήρα, το οποίο μετρά θερμοκρασία και επίπεδο λαδιών και ψυκτικού Σύστημα υαλοκαθαριστήρων, που αποτελείται από αισθητήρες μέτρησης υγρασίας στο μπρος και πίσω τζάμι, τους υαλοκαθαριστήρες και σύστημα μέτρησης της στάθμης του υγρού καθαρισμού Σύστημα ελέγχου στις πόρτες, στο χώρο αποσκευών και στο καπό, που δίνει σήμα σε περίπτωση που δεν έχει κλείσει σωστά κάποιο από αυτά Σύστημα ελέγχου πρόσφυσης, με τέσσερις αισθητήρες στους τροχούς και ένα κεντρικό σύστημα ESP Σύστημα μέτρησης αερίων ρύπων Σύστημα ανίχνευσης πάγου στο οδόστρωμα Σύστημα αισθητήρων εγγύτητας (proximity sensors) γύρω από το όχημα, που βοηθούν στη στάθμευση και ακινητοποιούν το όχημα με ασφάλεια σε περίπτωση ανίχνευσης εμποδίου Σύστημα ελέγχου της πίεσης των ελαστικών Σύστημα ελέγχου της στάθμης του καυσίμου Το δίκτυο αποτελείται από τα παρακάτω: 1 Coordinator 14 Routers 32 End Devices Οι παράμετροι της προσομοίωσης λαμβάνουν τις εξής τιμές: Maximum Children = 10 Maximum Routers = 5 Maximum Depth = 8 Στις προσομοιώσεις των προηγούμενων εφαρμογών μελετήθηκαν μόνο οι τοπολογίες mesh και tree και όχι η star, κυρίως λόγω της έκτασης που καλούνταν να καλύψουν τα δίκτυα. Σε αυτήν την περίπτωση, οι αποστάσεις μεταξύ των συσκευών είναι αρκετά μικρές, οπότε η

50 Κεφάλαιο 5. Προσομοίωση Σχήμα 5.12: Το δίκτυο της εφαρμογής Intra-Vehicle Network τοπολογία star μπορεί να καλύψει τις ανάγκες της εφαρμογής. Θα μελετηθούν, άρα, και οι τρεις τοπολογίες. Η ιδιαιτερότητα που παρουσιάζει η συγκεκριμένη προσομοίωση είναι πως ο μηχανισμός δημιουργίας πακέτων παρουσιάζει έντονη ανομοιογένεια, διότι τα διάφορα αισθητήρια αποστέλλουν τις μετρήσεις τους με διαφορετικές συχνότητες. Για παράδειγμα, οι αισθητήρες πρόσφυσης χρειάζεται να πραγματοποιούν μέτρηση και να τη γνωστοποιούν στο σύστημα ESP πολύ συχνότερα από τον αισθητήρα που προορίζεται για τη μέτρηση της στάθμης του υγρού των υαλοκαθαριστήρων. Επί πλέον, η κάθε συσκευή αποστέλλει πακέτα μόνο προς συσκευές του συστήματος στο οποίο ανήκει. Τα παραπάνω γίνονται σαφή από τον πίνακα 5.1. Σημειώνεται πως οι ίδιοι οι υαλοκαθαριστήρες δεν παράγουν κίνηση, διότι μόνο λαμβάνουν σήμα για να λειτουργήσουν. Ολα τα routers και ο Coordinator παράγουν ένα πακέτο ανά δευτερόλεπτο με τυχαίο προορισμό. Επίσης, ο συμβολισμός constant(x) σημαίνει σταθερή παραγωγή πακέτων κάθε x δευτερόλεπτα. Στο διάγραμμα 5.13 φαίνεται η ρυθμαπόδοση του δικτύου για τις τρεις τοπολογίες, η ο- ποία είναι η αναμενόμενη, σύμφωνα με τις προσομοιώσεις του κεφαλαίου 5.3. Φαίνεται πως η συμφέρουσα τοπολογία είναι η τοπολογία tree. Ομως, εξετάζοντας το end-to-end delay που παρουσιάζει κάθε τοπολογία, στο σχήμα 5.14, διαπιστώνεται πως μόνο η τοπολογία mesh διατηρεί το delay της σε φυσιολογικά επίπεδα. Αντίθετα, στην περίπτωση των tree και star, το end-to-end delay αυξάνεται σε εξωφρενικά επίπεδα με την πάροδο του χρόνου. Οι τοπολογίες αυτές φαίνεται να αδυνατούν να διαχειριστούν το πλήθος των κόμβων, σε συνδυασμό με αρκετά πυκνή κίνηση από ορισμένους. Χάρη στον αυξημένο αριθμό routers και, άρα, στη διαθεσιμότητα περισσότερων διαδρομών για τα δεδομένα, η τοπολογία mesh

5.6. Προσομοιώσεις Πραγματικών Εφαρμογών 51 Πίνακας 5.1: Η λειτουργία των συσκευών στο Intra-Vehicle δίκτυο Σύστημα Μηχανισμός Προορισμός Μετρητής εξωτ. θερμοκρασίας constant(3) Coordinator Μετρητές θερμοκρασίας κινητήρα constant(3) Coordinator Μετρητής στάθμης λαδιών constant(120) Coordinator Μετρητής στάθμης ψυκτικού constant(60) Coordinator Μετρητής στάθμης υγρού υαλοκαθαριστήρων constant(600) Coordinator Αισθητήρες πρόσφυσης constant(0.1) ESP Αισθητήρες υγρασίας constant(0.5) Wipers Μέτρηση αερίων ρύπων constant(20) Coordinator Ανίχνευση πάγου constant(1) Coordinator Proximity Sensors constant(0.4) breaksoverdrive Σύστημα στις πόρτες constant(1) Coordinator Ελεγχος πίεσης ελαστικών constant(0.5) Coordinator 2.2 x 105 Throughput of High Traffic Intra Vehicle Network Mesh Tree Star 2 1.8 1.6 Throughput (bits/sec) 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Time (sec) Σχήμα 5.13: Ρυθμαπόδοση δικτύων mesh, star και tree για την εφαρμογή Intra-Vehicle Network δίνει καλύτερα αποτελέσματα σε αυτήν την περίπτωση. Θεωρητικά, λοιπόν, η συγκεκριμένη εφαρμογή είναι υλοποιήσιμη, δηλαδή το ZigBee μπορεί να εξυπηρετήσει τις ανάγκες της. Ομως, εξ ορισμού, το ZigBee αναφέρεται σε Low-Rate εφαρμογές, και δεν μπορεί να υφίσταται σε ένα LR-WPAN δίκτυο κίνηση δεδομένων όπως αυτή που δημιουργούν οι αισθητήρες πρόσφυσης, δηλαδή ένα πακέτο ανά 100ms. Τα συστήματα που παράγουν υψηλή κίνηση θα πρέπει να υλοποιηθούν με διαφορετική τεχνολογία ή να αποτελούν μέρη ξεχωριστού PAN. Αμέσως παρακάτω, θα εξεταστεί η περίπτωση του ίδιου δικτύου μόνο με τα συστήματα που δημιουργούν αραιή κίνηση, που μπορεί να θεωρηθεί ως Low-Rate.

52 Κεφάλαιο 5. Προσομοίωση 0.26 0.24 End To End Delay of High Traffic Mesh Intra Vehicle Network Mesh 0.22 End to End Delay (sec) 0.2 0.18 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Time(sec) 800 End To End Delay of High Traffic Tree and Star Intra Vehicle Network 700 End To End Delay (sec) 600 500 400 300 200 100 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Time (sec) Σχήμα 5.14: End-to-end delay δικτύων mesh, star και tree για την εφαρμογή Inter-Vehicle Network 5.6.3.1.2 Χαμηλή Κίνηση Το δίκτυο που θα προσομοιωθεί φαίνεται στην εικόνα 5.15. Οπως φαίνεται στην εικόνα, αποτελείται από: Σχήμα 5.15: Το δίκτυο της εφαρμογής Intra-Vehicle Network χαμηλής κίνησης 1 Coordinator 2 Routers 11 End Devices

5.6. Προσομοιώσεις Πραγματικών Εφαρμογών 53 Οι παράμετροι της προσομοίωσης λαμβάνουν τις εξής τιμές: Maximum Children = 7 Maximum Routers = 2 Maximum Depth = 5 Ο μηχανισμός παραγωγής και ο προορισμός των πακέτων παραμένει ο ίδιος με πριν. Στα διαγράμματα 5.16αʹ και 5.16βʹ φαίνεται η ρυθμαπόδοση και το end-to-end delay του δικτύου χαμηλής κίνησης. 2.5 x 104 Throughput of Mesh, Tree and Star Topologies in Low Traffic Intra Vehicle Network Mesh Tree Star 2 Throughput (bits/sec) 1.5 1 0.5 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Time (sec) (αʹ) Ρυθμαπόδοση 0.025 End To End Delay of Mesh, Tree and Star Topologies in Low Traffic Intra Vehicle Network Mesh Tree Star End To End Delay (sec) 0.02 0.015 0.01 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Time (sec) (βʹ) End to End Delay Σχήμα 5.16: Απόδοση δικτύων star, mesh και tree για το Intra-Vehicle δίκτυο χαμηλής κίνησης

54 Κεφάλαιο 5. Προσομοίωση Παρατηρείται πως τα διαγράμματα που αντιστοιχούν στις τοπολογίες mesh και tree συμπίπτουν. Αυτό συμβαίνει διότι λόγω του μικρού μεγέθους του δικτύου και του εν πολλοίς κοινού προορισμού των πακέτων, τα δεδομένα σε κάθε περίπτωση ακολουθούν τις ίδιες διαδρομές, οπότε το δίκτυο συμπεριφέρεται με τον ίδιο τρόπο. 5.6.3.2 Εφαρμογή Vehicle To Infrastructure Network Στην προσομοίωση αυτή, θα γίνει χρήση των εργαλείων του OPNET που αναφέρονται σε mobile κόμβους. Η προσομοίωση πραγματοποιείται σε ένα χώρο με μήκος 20 χιλιόμετρα και πλάτος 20 μέτρα, ο οποίος προσομοιάζει μέρος ενός αυτοκινητόδρομου. Οι κόμβοι του δικτύου θα κινούνται κατά μήκος αυτού του χώρου. 5.6.3.2.1 Ο Coordinator μέσα στο όχημα Αρχικά, πραγματοποιήθηκε μία προσομοίωση ενός κινούμενου οχήματος και τριών μικρών δικτύων (Infrastructure Networks, δίκτυα υποδομής) κατά μήκος του δρόμου σε μεγάλη απόσταση το ένα από το άλλο. Το αυτοκίνητο διαθέτει ένα δίκτυο όπως αυτό της προηγούμενης εφαρμογής χαμηλής κίνησης. Τα δίκτυα υποδομής αποτελούνται παρά μόνο από έναν router και δύο end devices το καθένα. Στην περίπτωση αυτή, σε ολόκληρη τη διάταξη υπάρχει μόνον ένας coordinator, που βρίσκεται μέσα στο όχημα. Οσο το όχημα δε βρίσκεται εντός εμβέλειας των δικτύων υποδομής, η συγκεκριμένη συσκευή τελεί χρέη coordinator για το Intra-Vehicle δίκτυο που υπάρχει μέσα στο όχημα. Καθώς το όχημα κινείται και τα δίκτυα υποδομής βρεθούν στην εμβέλεια του δικτύου του οχήματος, γίνονται κι εκείνα μέρος του δικτύου αυτού, μέχρι να απομακρυνθεί το αυτοκίνητο. Σημειώνεται, ότι για όσο χρονικό διάστημα βρίσκονται μακριά από τον coordinator, τα δίκτυα υποδομής δεν παρουσιάζουν τηλεπικοινωνιακή κίνηση, αφού δεν διαθέτουν δικό τους coordinator. Οι παράμετροι των κόμβων του δικτύου είναι οι ίδιες με τις παραμέτρους της προσομοίωσης του κεφαλαίου 5.6.3.1.2.Επίσης, στη συγκεκριμένη προσομοίωση, το δίκτυο είναι ACK Enabled, δηλαδή κατά την αποστολή ενός πακέτου οι συσκευές αναμένουν ένα πακέτο επαλήθευσης (Acknowledgement) από τη συσκευή δέκτη, το οποίο θα σημαίνει τη σωστή λήψη του αρχικού πακέτου. Παρατηρήθηκε ότι αν η προσομοίωση δεν περιλάμβανε τη μεταφορά πακέτων ACK, τότε το κινούμενο όχημα παρέμενε συνδεδεμένο και αντάλλασσε δεδομένα με τα δίκτυα υποδομής ακόμα και όταν τα είχε προσπεράσει κατά πολλά χιλιόμετρα. Με τη χρήση των πακέτων ACK το Intra-Vehicle δίκτυο αντιλαμβάνεται ότι οι συσκευές των δικτύων υποδομής δεν είναι πλέον εντός εμβέλειας και δεν παράγει πλέον πακέτα με προορισμό αυτές. Τα δίκτυα υποδομής, τέλος, δεν παράγουν κίνηση όταν είναι εκτός εμβελείας. Παρατηρείται στο σχήμα 5.17αʹ πως στην περίπτωση των mesh και tree τοπολογιών, η ρυθμαπόδοση του δικτύου αυξάνεται όταν το όχημα προσεγγίζει τα δίκτυα υποδομής και επανέρχεται στα φυσιολογικά της επίπεδα όταν απομακρύνεται, όπως ακριβώς, δηλαδή, ήταν αναμενόμενο να συμβεί. Αντίθετα, η τοπολογία star παρουσιάζει απρόβλεπτη συμπεριφορά, όχι μόνο όσον αφορά την αλληλεπίδραση με τα συστήματα υποδομής, αλλά και όσον αφορά

3 2.5 2 1.5 1 0.5 0.032 0.03 0.028 0.026 0.024 0.022 0.02 0.018 Throughput of Mesh and Tree Topologies in Zigbee V2I Network 0 0 100 200 300 400 500 600 Time (sec) End To End Delay of Mesh and Tree Topologies in Zigbee V2I Network 0.016 0 100 200 300 400 500 600 Time (sec) Mesh Tree Mesh Tree 2 1.5 1 0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 Throughput of Star Topology in Zigbee V2I Network 0 0 100 200 300 400 500 600 Time (sec) End To End Delay of Star Topology in Zigbee V2I Network 0 0 100 200 300 400 500 600 Time (sec) 5.6. Προσομοιώσεις Πραγματικών Εφαρμογών 55 3.5 x 104 2.5 x 104 Throughtput (bits/sec) Throughtput (bits/sec) (αʹ) Ρυθμαπόδοση των mesh και tree (βʹ) Ρυθμαπόδοση της star End to End Delay (sec) End to End Delay (sec) (γʹ) End to End Delay των mesh και tree (δʹ) End to End Delay της star Σχήμα 5.17: Η συμπεριφορά του δικτύου V2I υλοποιημένου με τις τρεις τοπολογίες τη μορφή που θα έπρεπε, θεωρητικά, να έχει η γραφική παράσταση της ρυθμαπόδοσής της, στο σχήμα 5.17βʹ. Η μορφολογία της παράστασης αυτής δεν επιτρέπει την εξαγωγή συμπερασμάτων για τη λειτουργία του δικτύου όταν το όχημα προσεγγίζει τα δίκτυα υποδομής, όπως το σχήμα 5.17αʹ. Ακόμα κι αν υποτεθεί ότι υπάρχει επικοινωνία ανάμεσα στο όχημα και στην υποδομή, το end-to-end delay που παρουσιάζει το δίκτυο λαμβάνει τιμές που κινούνται στην περιοχή από 0.1 έως 0.4 sec, τιμές απαγορευτικά μεγάλες, ειδικά εφόσον οι αντίστοιχες τιμές στις περιπτώσεις των mesh και tree τοπολογιών είναι της τάξης των 0.025 sec. Για την κατανόηση αυτού του φαινομένου, πραγματοποιήθηκε εκ νέου η προσομοίωση για το απλό δίκτυο αστέρα του κεφαλαίου 5.4 για 20 κόμβους, αλλά αυτή τη φορά για ACK Enabled δίκτυο. Η σύγκριση με το απλό ACK disabled φαίνεται στα σχήματα 5.18αʹ και 5.18βʹ. Ο αριθμός των κόμβων επιλέχθηκε ώστε να προσεγγίζει τον αριθμό των συσκευών στο δίκτυο V2I. Οπως είναι φανερό, ο coordinator του δικτύου δε μπορεί να διαχειριστεί την αυξημένη κίνηση που δημιουργείται λόγω των ACK πακέτων που πρέπει να μεταδοθούν, με αποτέλεσμα τα πακέτα να καθυστερούν την αποστολή τους. Γίνεται σαφές πως, ως μέτρο σύγκρισης της συμπεριφοράς ενός δικτύου, το end-to-end delay είναι εξ ίσου σημαντικό με τη ρυθμαπόδοση, αφού, στην περίπτωση του V2I δικτύου, η ρυθμαπόδοση προκύπτει, κατά μέσο όρο ικανοποιητική πλην με έντονες διακυμάνσεις, όμως δεν είναι σε καμία περίπτωση αποδεκτό τα πακέτα να χρειάζονται έως και 0.4 sec να φτάσουν στον προορισμό τους, ειδικά λαμβάνοντας υπόψη πως κάποιες συσκευές δημιουργούν πακέτα κάθε 0.5 sec.

56 Κεφάλαιο 5. Προσομοίωση 5 x 104 Throughput of ACK Enabled and Disabled Star ZigBee Networks ACK disabled ACK enabled 4.5 4 3.5 Throughput (bits/sec) 3 2.5 2 1.5 1 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Time (sec) (αʹ) Ρυθμαπόδοση 1.4 End To End Delay of ACK Enabled and Disabled Star ZigBee Networks ACK disabled ACK enabled 1.2 1 End To End Delay (sec) 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Time (sec) (βʹ) End to End Delay Σχήμα 5.18: Απόδοση ACK enabled και non-enabled star δικτύου 5.6.3.2.2 Ο Coordinator ως μέρος της υποδομής Μία διαφορετική προσέγγιση στο πρόβλημα είναι η τοποθέτηση μιας ῥαχοκοκαλιάς (backbone) κατά μήκος του δρόμου, αποτελούμενης από coordinators, οι οποίοι ορίζουν από ένα δίκτυο στην περιοχή που βρίσκονται. Το δίκτυο του κινούμενου οχήματος δε διαθέτει coordinator, παρά η λειτουργία του δικτύου πραγματοποιείται ανά πάσα στιγμή υπό την επίβλεψη του coordinator στην εμβέλεια του οποίου βρίσκεται το όχημα. Οι coordinators τοποθετήθηκαν σε απόσταση ενός χιλιομέτρου μεταξύ τους. Στην προσομοίωση παίρνουν μέρος δύο οχήματα, με δίκτυα όπως της εικόνας 5.15, χω-

5.6. Προσομοιώσεις Πραγματικών Εφαρμογών 57 ρίς τον coordinator. Κινούνται με ταχύτητες 100 και 40 km/h και αρχικές θέσεις 30 και 1200m, με στόχο να συναντηθούν στην πορεία. Οι παράμετροι της προσομοίωσης λαμβάνουν τις ακόλουθες τιμές: Maximum Children = 10 Maximum Routers = 6 Maximum Depth = 5 Ξανά, το δίκτυο είναι ACK-enabled. Επίσης, η συγκεκριμένη προσομοίωση πραγματοποιήθηκε μόνο για την τοπολογία tree. 3 x 104 Throughput of Two Vehicle ZigBee Networks, Traveling at Different Speed Along ZigBee Coordinator Backbone Slow Car Fast Car 2.5 2 Throughput (bits/sec) 1.5 1 0.5 0 0 100 200 300 400 500 600 Time (sec) Σχήμα 5.19: Ρυθμαπόδοση των δικτύων του κάθε οχήματος Στην εικόνα 5.19 φαίνεται η ρυθμαπόδοση των δικτύων κάθε οχήματος καθώς αυτά ταξιδεύουν κατά μήκος του backbone των coordinators. Στη χρονική διάρκεια όπου παρατηρείται η υψηλότερη ρυθμαπόδοση, τα δύο οχήματα βρίσκονται στην περιοχή του ιδίου coordinator και επικοινωνούν μεταξύ τους. Μπορεί, επίσης, να παρατηρηθεί και το handoff των συσκευών από τον έναν coordinator στον άλλον. Το handoff συμβαίνει στα σημεία όπου υπάρχουν απότομες πτώσεις της ρυθμαπόδοσης. Τέλος, στην εικόνα φαίνεται το end-to-end delay που αντιστοιχεί σε κάθε PAN που ενεργοποιήθηκε κατά της διάρκεια της προσομοίωσης. Είναι φανερό ότι η διάταξη παρουσιάζει άκρως ικανοποιητικό end-to-end delay, με τιμές κατά κύριο λόγο κάτω των 100ms.

58 Κεφάλαιο 5. Προσομοίωση 0.8 End to End Delay of All PANs in Backbone Network as Two Vehicles Travel Along 0.7 0.6 0.5 End to End Delay (sec) 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 100 200 300 400 500 600 Time (sec) Σχήμα 5.20: End-to-end delay των PAN που σχηματίζονται κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης

Κεφάλαιο 6 Αποτελέσματα και Μελλοντικές Επεκτάσεις 6.1 Ερμηνεία των Αποτελεσμάτων Τα πειράματα που εκτελέστηκαν είναι δύο ειδών. Το πρώτο είδος αναφέρεται στην εξέταση της απόδοσης των δικτύων ZigBee κατά τη χρήση των τριών διαθέσιμων τοπολογιών. Τα πειράματα του δεύτερου είδους αποτελούν προσομοιώσεις πραγματικών εφαρμογών των συστημάτων ZigBee, οι οποίες ανταποκρίνονται, κατά το δυνατόν στην πραγματικότητα, όσον αφορά το περιβάλλον, το μέγεθος και τη μορφή του δικτύου. Σαφώς η απόδοση κάθε δικτύου είναι συνάρτηση μιας πληθώρας παραγόντων, όπως ο μηχανισμός παραγωγής πακέτων, ο αριθμός των κόμβων, η επιλογή της τοπολογίας και η επιλογή της ACK-enabled λειτουργίας. Ολοι αυτοί οι παράγοντες θέτουν διαφορετικούς περιορισμούς για κάθε τοπολογία. Από τα πειράματα, φαίνεται πως η τοπολογία αστέρα, αν και κατά κανόνα παρουσιάζει το μικρότερο end-to-end delay από τις τρεις τοπολογίες, είναι και η λιγότερο εύρωστη, καθώς δε μπορεί να διαχειριστεί μεγάλο όγκο τηλεπικοινωνιακής κίνησης, είτε αυτή προέρχεται από παραγωγή πολλών πακέτων, είτε από την αποστολή ACK πακέτων. Επί πλέον, η καταστροφή του Coordinator σημαίνει την αδυναμία μετάδοσης οποιουδήποτε μηνύματος. Συνεπώς, η συγκεκριμένη τοπολογία συνίσταται σε εφαρμογές μικρών δικτύων χαμηλής κίνησης, σε απόλυτα ελεγχόμενο και ασφαλές για τον Coordinator περιβάλλον. Αντίθετα, τα δίκτυα mesh και tree είναι πολύ πιο εύρωστα και μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές όπου απαιτείται η κάλυψη μεγάλης γεωγραφικής περιοχής. Χάρη στην πολυμορφικότητα της τοπολογίας mesh, στην οποία, επίσης, οφείλεται και το χαμηλότερο end-to-end delay έναντι της tree, η τοπολογία mesh είναι αυτή που προτιμάται και χρησιμοποιείται κατά κόρον. Επί πλέον, η τοπολογία mesh δεν διατρέχει κίνδυνο σημαντικής επίπτωσης στην απόδοσή της σε περίπτωση που πάθει βλάβη κάποιος κόμβος, κάτι που δε συμβαίνει στην περίπτωση της τοπολογίας tree. 59

60 Κεφάλαιο 6. Αποτελέσματα και Μελλοντικές Επεκτάσεις Το πλεονέκτημα της τοπολογίας tree, όμως, είναι η μικρότερη πολυπλοκότητα του συνολικού δικτύου, στο οποίο δεν είναι απαραίτητα επί πλέον συστήματα για τη δυναμική εύρεση των μονοπατιών που θα ακολουθήσουν τα δεδομένα, όπως συμβαίνει στα δίκτυα mesh. Τα δεδομένα ακολουθούν, σε κάθε περίπτωση, το δέντρο για να φτάσουν στον προορισμό τους. Επίσης μόνο η τοπολογία tree δίνει ικανοποιητικά αποτελέσματα στην περίπτωση του handoff στην εφαρμογή του κεφαλαίου 5.6.3.2.2, διότι, χάρη στη απλότητα του δικτύου, είναι επιτυχής η επικοινωνία με κάθε coordinator στη σειρά. 6.2 Μελλοντικές Επεκτάσεις Λόγω της μη πληρότητας του μοντέλου του OPNET για το ZigBee σε θέματα ενέργειας [14], καθώς και της ασυμβατότητάς του με το μοντέλο του WiFi, δεν μπορούν να εξαχθούν ασφαλή συμπεράσματα για τη συμπεριφορά του ZigBee υπό συνθήκες θορύβου ή αποσβέσεων οφειλόμενων στο περιβάλλον. Πληρέστερη ανάλυση υπό αυτό το πρίσμα, θα μπορούσε να πραγματοποιηθεί χρησιμοποιώντας μια πιο πρόσφατη έκδοση του περιβάλλοντος OPNET, ή κάποιον άλλο simulator, όπως τον NS2. Φυσικά, η ιδανική περίπτωση θα ήταν να γίνουν μετρήσεις σε ένα πραγματικό δίκτυο, για να διαπιστωθεί και η ακρίβεια των προσομοιώσεων. Επί πλέον, το OPNET δεν παρέχει καμία πληροφορία για την κατανάλωση ενέργειας των συσκευών, ώστε να διαπιστωθεί αν πράγματι οι μπαταρίες τους θα μπορέσουν να έχουν τον προσδοκώμενο χρόνο ζωής. Σε άλλα περιβάλλοντα προσομοίωσης, γίνεται μέριμνα για την παρακολούθηση της χρήσης της μπαταρίας κάθε συσκευής, ώστε να υπάρχει σαφής εικόνα για τις ακριβείς απαιτήσεις των εφαρμογών όσον αφορά και την επιλογή της τροφοδοσίας των συσκευών. 6.3 Προβλήματα και Δυσκολίες κατά την Υλοποίηση Για την εκπόνηση της παρούσας εργασίας δοκιμάστηκαν παράλληλα, αρχικά, δύο διαφορετικά λογισμικά: το OMNeT++ και το OPNET Modeler 14.5, το οποίο και χρησιμοποιήθηκε τελικά. Το OMNeT++ πρόκειται για έναν Discrete Event Simulator σε περιβάλλον Eclipse. Χρησιμοποιεί μία γλώσσα παρόμοια με την C για τη συγγραφή του κώδικα της προσομοίωσης, ενώ επιτρέπει την εισαγωγή έτοιμων πακέτων με τα επιθυμητά μοντέλα για την εκάστοτε εφαρμογή. Η χρήση του αποκλείστηκε, μετά από πολλές δοκιμές, διότι δεν υπήρχε τρόπος να πραγματοποιηθούν σε αυτό οι επιθυμητές προσομοιώσεις, γεγονός που οφείλεται, εν πολλοίς, στο ελλιπέστατο documentation για το συγκεκριμένο περιβάλλον. Ελλείψει documentation, ο χρήστης είναι υποχρεωμένος να αποκρυπτογραφήσει τη δομή και τον τρόπο λειτουργίας του έτοιμου κώδικα που καλείται να προσαρμόσει στις ανάγκες του, μία διαδικασία που, δυστυχώς γίνεται στα τυφλά και, προφανώς, δεν επιφέρει καρπούς.

6.3. Προβλήματα και Δυσκολίες κατά την Υλοποίηση 61 Το επίσημο documentation του OPNET δεν μπορεί κανείς να ισχυριστεί ότι είναι πολύ πληρέστερο από αυτό του OMNeT++. Ευτυχώς, σε αυτήν την περίπτωση, η βιβλιογραφία κατάφερε να δώσει απαντήσεις και λύσεις σε πολλά προβλήματα που ανέκυψαν. Ενα σημαντικό μειονέκτημα του OPNET είναι η μη πληρότητα των μοντέλων του, όσον αφορά τόσο τα στοιχεία του δικτύου, όσο και τα μοντέλα απόσβεσης και θορύβου που διαθέτει. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί η ασυμβατότητα των μοντέλων του ZigBee και του WiFi, των οποίων η συνύπαρξη αποτέλεσε στόχο της εργασίας. Το περιβάλλον δεν μπορεί να προσομοιώσει μία κατάσταση στην οποία οι δύο αυτοί τύποι δικτύων συνυπάρχουν στον ίδιο χώρο, ακόμα κι αν αυτό είναι δημοφιλές αντικείμενο έρευνας.

62 Κεφάλαιο 6. Αποτελέσματα και Μελλοντικές Επεκτάσεις

Βιβλιογραφία [1] IEEE Standard for Information Technology, Specific Requirements Part 15.4: Specifications for Wireless Medium Access Control and Physical Layer, 2006 [2] Hernandez, Marco, and Ryu Miura. Coexistence of IEEE Std 802.15.6TM-2012 UWB-PHY with Other UWB Systems. 2012 IEEE International Conference on Ultra-Wideband (2012) [3] ISO/IEC stage 7498-1: Open Systems Interconnection Basic Reference Model: The Basic Model, Second Edition, 1994-11-15, International Organization for Standardization, Geneva, Switzerland. [4] Tanenbaum, Andrew S. Δίκτυα Υπολογιστών. 4η έκδοση, Εκδόσεις Κλειδάριθμος, 2003 [5] Buratti, C., and R. Verdone. Performance Analysis of IEEE 802.15.4 Non Beacon- Enabled Mode. IEEE Transactions on Vehicular Technology 58.7 (2009): 3480-493. Web. [6] Lee, Tae-Jin, Hae Rim Lee, and Min Young Chung. MAC Throughput Limit Analysis of Slotted CSMA/CA in IEEE 802.15.4 WPAN. IEEE Communications Letters 10.7 (2006): 561-63. [7] Pollin, S., M. Ergen, S. Ergen, B. Bougard, L. Der Perre, I. Moerman, A. Bahai, P. Varaiya, and F. Catthoor. Performance Analysis of Slotted Carrier Sense IEEE 802.15.4 Medium Access Layer. IEEE Transactions on Wireless Communications 7.9 (2008): 3359-371. [8] Feo, Eduardo, and Gianni A. Di Caro. An analytical model for IEEE 802.15.4 nonbeacon enabled CSMA/CA in multihop wireless sensor networks. Istituto Dalle Molle di Studi sull Intelligenza Artificiale, Lugano, Switzerland, Tech. Rep (2011): 05-11. [9] Yuan, Wei, Jean-Paul M. G. Linnartz, and Ignas G. M. M. Niemegeers. Adaptive CCA for IEEE 802.15.4 Wireless Sensor Networks to Mitigate Interference. 2010 IEEE Wireless Communication and Networking Conference (2010) [10] Huo, Hong-Wei, You-Zhi Xu, Gidlund Mikael, and Hong-Ke Zhang. Coexistence of 2.4 GHz Sensor Networks in Home Environment. The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications 17.1 (2010) 63

64 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [11] Yuan, Wei, Jean-Paul M. G. Linnartz, and Wang, Xiangyu A Coexistence model of IEEE 802.15.4 and IEEE 802.11b/g. Proc. SCVT 07, Delft, The Netherlands [12] http://www.itu.int/net/itu-r/terrestrial/faq/index.html#g013 [13] Thonet, Gilles, Allard-Jacquin, Patrick, Colle, Pierre. Schneider Electric. ZigBee WiFi Coexistence. Grenoble, France: Innovation Department, 2008 [14] Hammoodi, I.s., B.g. Stewart, A. Kocian, and S.g. Mcmeekin. A Comprehensive Performance Study of OPNET Modeler for ZigBee Wireless Sensor Networks. 2009 Third International Conference on Next Generation Mobile Applications, Services and Technologies (2009): 357-62. [15] The ZigBee Alliance. N.p., n.d. Web. 06 July 2015., http://www.zigbee.org/ [16] ZigBee Health Care. The ZigBee Alliance. N.p., n.d. Web. 19 Nov. 2015. <http://www.zigbee.org/zigbee-for-developers/applicationstandards/zigbeehealth-care/>. [17] The MHealth Summit: Local & Global Converge - Kinetics. Kinetics. N.p., 06 Nov. 2009. Web. 19 Nov. 2015. <http://caroltorgan.com/mhealth-summit/>. [18] ZigBee Wireless Sensor Applications for Health, Wellness and Fitness, ZigBee. 2009. <http://www.zigbee.org/?wpdmdl=2124> [19] He Dayu. The ZigBee Wireless Sensor Network in Medical Care Applications. 2010 International Conference on Computer, Mechatronics, Control and Electronic Engineering (CMCE) (2010): 497-500. Web. [20] Ilyas, Mohammad, and Imad Mahgoub. Smart Dust: Sensor Network Applications, Architecture, and Design. Boca Raton: CRC/Taylor & Francis, 2006. 1-2 4. Print. [21] Smart Dust: BAA97-43 Proposal Abstract, POC: Kristofer S.J. Pister [22] Kahn, J. M., R. H. Katz, and K. S. J. Pister. Next Century Challenges: Mobile Networking for Smart Dust. Proceedings of the 5th Annual ACM/IEEE International Conference on Mobile Computing and Networking - MobiCom 99 (1999): 271-78. Web. [23] Tsai, H.-M., C. Saraydar, T. Talty, M. Ames, A. Macdonald, and O. K. Tonguz. ZigBee-based Intra-car Wireless Sensor Network. 2007 IEEE International Conference on Communications (2007): 67-77. Web. [24] Daniel, Alfred. Vehicle to Vehicle Communication Using Zigbee Protocol. Proceedings of the 29th Annual ACM Symposium on Applied Computing - SAC 14 (2014): 715-16 [25] Glielmo, Luigi. Vehicle-to-Vehicle/Vehicle-to-Infrastructure Control. The Impact of Control Technology, T. Samad and A.M. Annaswamy (eds.), IEEE Control Systems Society, 2011, available at www.ieeecss.org. [26] ZigBee Building Automation. The ZigBee Alliance. N.p., n.d. Web. 20 Nov. 2015

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 65 [27] ZigBee Enables Smart Buildings of the Future Today, ZigBee. 2007. <http:// www.zigbee.org/?wpdmdl=2117 > [28] Lu, Zheng, and Hongji Yang. Unlocking the Power of OPNET Modeler. Cambridge: Cambridge UP, 2012. N. pag. Print. [29] Δουδούμης Ι.Ν., Φοροζίδου Ο.Η., Στατική προσοµοίωση του µνηµείου της Ροτόντας Θεσσαλονίκης, στο 14ο Συνέδριο Σκυροδέματος, Κως, 15-17 Οκτ. 2003

66 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

Συντομογραφίες CAP Contention Access Period CCA Clear Channel Assessment CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance FFD Full Function Device ED Energy Detection GTS Guaranteed Time Slot HTTP HyperText Transfer Protocol ISM Industrial Scientific and Medical ISO International Organization for Standardization LLC Logical Link Control LQI Linc Quality Indincation LR-WPAN Low-Rate Wireless Personal Area Network MAC Medium Access Control OSI Open Systems Interconnection PSDU Physical Service Data Unit QoS Quality of Service RFD Reduced Function Device WLAN Wireless Local Area Network 67

68 Συντομογραφίες

Οδηγίες για τη Χρήση του OPNET Modeler Κατά την εκπόνηση της παρούσας εργασίας, παρατηρήθηκε σοβαρή έλλειψη documentation και οδηγών για την προσομοίωση των δικτύων ZigBee στο περιβάλλον OPNET. Αυτό είχε σαν αποτέλεσμα μεγάλο μέρος της έρευνας να αφιερωθεί στην ενασχόληση με το συγκεκριμένο πρόγραμμα, έως ότου βρεθεί ο σωστός τρόπος χρήσης του. Στο κεφάλαιο που ακολουθεί, παρατίθενται μερικές απλές οδηγίες χρήσης του OPNET σε σχέση με τα δίκτυα ZigBee, με την ελπίδα ότι θα χρησιμεύσουν σε μελλοντικούς φοιτητές ή ερευνητές που θα ασχοληθούν με παρόμοιες προσομοιώσεις. Στην εικόνα 1 φαίνεται το περιβάλλον του OPNET και το Object Pallette στα δεξιά, μετά τη δημιουργία ενός empty scenario σε ένα project. Σχήμα 1: Το αρχικό παράθυρο του OPNET Με drag-and-drop ή διπλό κλικ μπορούμε να τοποθετήσουμε στο workspace συσκευές από το Object Pallette. Εστω ένας coordinator, ένας router και δύο end devices, όπως φαίνεται 69

70 Οδηγίες για τη Χρήση του OPNET Modeler στην εικόνα 2. Σχήμα 2: Ενα μικρό δίκτυο ZigBee Εφόσον το δίκτυο έχει στηθεί, πρέπει να επιλεγεί η τοπολογία του. Ολα τα χαρακτηριστικά των κόμβων του δικτύου μπορούν να προβληθούν κάνοντας δεξί κλικ σε κάποιο κόμβο και επιλέγοντας Edit Attributes, οπότε και εμφανίζεται το παράθυρο στην εικόνα 3. Σχήμα 3: Το παράθυρο επεξεργασίας των παραμέτρων της προσομοίωσης

71 Παρατηρούμε πως υπάρχει τρόπος να επιλέξουμε τον προορισμό των πακέτων που παράγονται στον εκάστοτε κόμβο. Είναι πολύ σημαντικό να σημειωθεί ότι αυτό δεν αφορά με κανένα τρόπο την τοπολογία του δικτύου. Για παράδειγμα, για την υλοποίηση της τοπολογίας star δεν είναι σωστό να επιλέξουμε σαν προορισμό όλων των πακέτων τον coordinator στο πεδίο Destination. Τα πακέτα φτάνουν στον προορισμό τους μέσω δρόμων που εξαρτώνται από την τοπολογία, η οποία επιλέγεται στα Network Parameters, όπως φαίνεται στο σχήμα 4. Με την επιλογή της τοπολογίας όπως στην εικόνα εισάγονται κάποιες προεπιλεγμένες τιμές στις παραμέτρους, τις οποίες μπορούμε, αν είναι απαραίτητο, να αλλάξουμε. Σχήμα 4: Επιλογή της τοπολογίας του δικτύου Το δίκτυο είναι, πλέον, έτοιμο να προσομοιωθεί. Το τελευταίο στάδιο πριν την εκτέλεση της προσομοίωσης είναι η επιλογή των στατιστικών που θα συλλεχθούν από το OPNET για αξιολόγηση. Στο μενού DES, επιλέγουμε το Choose Individual Statistics και εμφανίζεται το παράθυρο επιλογής στατιστικών, που φαίνεται στην εικόνα 5. Τσεκάρουμε τις στατιστικές που χρειαζόμαστε και πατάμε ΟΚ. Στη συνέχεια, κάνοντας κλικ στο κουμπί Run Discrete Event Simulation, εμφανίζεται το παράθυρο επιλογών της προσομοίωσης. Πατώντας ΟΚ, εκκινεί η προσομοίωση. Οι στατιστικές που συλλέχθηκαν μπορούν να προβληθούν κάνοντας κλικ στο κουμπί View Results Σημαντικά σημεία για την εύκολη χρήση του λογισμικού: Οταν θέλουμε να αλλάξουμε κάποιο attribute σε πολλούς κόμβους, τους επιλέγουμε και ανοίγουμε το Attribute Window. Μετά τις αλλαγές τσεκάρουμε το πεδίο Apply Changes to All Nodes πριν πατήσουμε ΟΚ. Μεγαλύτερη ευκολία, όταν στο δίκτυο υπάρχει μεγάλος αριθμός κόμβων, προσφέρει το Network Browser, που εμφανίζεται πατώντας την επιλογή Show Network Browser

72 Οδηγίες για τη Χρήση του OPNET Modeler Σχήμα 5: Παράθυρο επιλογής στατιστικών στο μενού View.