Диссертация (1137248), страница 8

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 8)

Далее приведена более точная схема расчета.Доступ к каналуСтандарт IEEE 802.15.4 [82] использует распространенную схему распре­деленного множественного доступа к общей среде передачи CSMA/CA [51].Согласно данной схеме, каждый раз, когда устройству нужно передать дан­ные, оно сначала ждет случайный промежуток времени, после чего опреде­ляет занятость канала (Clear Channel Assignment – CCA).

В стандарте IEEE802.15.4 определена следующая формула для времени ожидания: = * .R представляет собой целое число, выбираемое каждый раз случайным обра­зом из диапазона [0..2 − 1]. По умолчанию показатель степени равен3. aUnitBackOffPeriod представляет собой константу, равную 20 символьнымпериодам. Во всех редакциях стандартах IEEE 802.15.4 для частотного диа­пазона 2.4 ГГц один символьный период равен 16 мкс.Если канал свободен, устройство передает данные, в противном случаевыбирается новое время ожидания.

В худшем случае, когда R выбираетсяравным 7, время ожидания будет равно 2,24 мс.49Время прослушивания канала для определения его занятости по­стоянно и равно восьми символьным периодам или 128 мкс.Формат кадраФормат кадра IEEE 802.15.4 представлен на рис. 2.4.Рис. 2.4. Формат кадров канального и физического уровней стандарта IEEE 802.15.4Максимальный размер полезной нагрузки зависит от длины служебныхполей кадра. Стандартом оговорена максимальная длина кадра физическогоуровня = 127байт.

Если используется минимальныйпо размеру формат адресации (4 байта), максимальный размер полезной на­грузки равен 112 байтам. При максимальном содержании адресной части по­лезная нагрузка ограничивается 96 байтами.Стандарт определяет в частотном диапазоне 2.4 ГГц канальную скоростьпередачи = 250кбит/с. Поэтому время, затрачиваемое на передачу данных,можно вычислить по следующей формуле: =+,где L – размер пакета в битах,O (Overhead) - размер служебных полей в битах.50(2.6)Прием подтвержденияКадр подтверждения приема данных состоит из 11 байт, его структурапоказана на рис. 2.5.Рис.

2.5. Формат кадра подтверждения стандарта IEEE 802.15.4Используя формулу (2.6), находим время на непосредственную передачуподтверждения: = 0.352Перед отправкой подтверждения есть задержка в 192 мкс, связанная с необхо­димостью перехода устройства из режима приема в режим передачи. Крометого, чтобы дать устройствам достаточно времени на обработку принятыхданных, в стандарте определены минимальные задержки, которые следуютпосле кадра подтверждения:∙ Для кадров длиной до 18 байт включительно - 18 символьных периодов(288 мкс)∙ Для кадров длиной более 18 байт - 40 символьных периодов (640 мкс)Как правило, эти задержки покрываются во время подготовки к переда­че нового кадра.Таким образом, при передаче каждого кадра устройство проходит четы­ре различных стадии - пассивного ожидания (WAIT), прослушивания канала51(а).

R=3(б ). R=7Рис. 2.6. Распределение времени по стадиям передачи пакета в цифровой сети стандартаIEEE 802.15.4(CCA), передачи кадра (DATA) и приема подтверждения (ACK). Следуетотметить, что данная последовательность характерна для всех стандартов,использующих механизм CSMA/CA. Диаграмма распределения времени на­хождения устройства на разных стадиях приведена на рис. 2.6 для двух зна­чений R.Для сенсорных сетей это распределение важно с точки зрения сопостав­ления каждой стадии передачи режиму работы устройства и потребляемоймощности.

Данное сопоставление представлено в таблице 2.1.Стадия передачи Режим работыWAITАктивныйCCAПриемDATAПередачаACKПриемТаблица 2.1. Соответствие стадии передачи пакета и режима работы устройства БССТогда средняя мощность устройства в течение всей процедуры передачиданных, будет равна: = + + + ,где = + + + .52Расчитаем время жизни оконечного устройства сети для реального прак­тического примера. Пусть рассматривается устройство, работающее по схе­ме 2.2 с периодом выхода в активный режим , при этом его процессор ра­ботает на частоте , одна операция занимает в среднем процессорныхциклов и требуется выполнить операций для измерений, обработки ре­зультатов и подготовки пакета для передачи в сеть.

Кроме того, необходимоучитывать время выхода из режима сна . Тогда время, необходимое длявыполнения всех действий в активном режиме, будет равно: = ·+ Возьмем типовые значения параметров: 0 = 20кДж (два элемента пи­тания типоразмера AA), = 3, = 5000, = 16МГц, = 100, = 2с, = 8мс. В этом случае оконечное устройство сможет работать больше трехлет от батарей. Для сравнения при = 0, 5с время составит уже около 320дней.Возьмем также для примера ретранслятор, обрабатывающий суммарныепотоки разного количества подключенных к нему оконечных устройств. Нарис.

2.7 приведена важная зависимость, показывающая границы примененияпредлагаемых в диссертационной работе методов. Из графика видно, что прибольшом значении , близком к и , время жизни не зависит от ко­личества подключенных устройств. В то же время при малых значениях есть возможность реконфигурировать сеть таким образом, чтобы увеличитьвремя ее жизни.53Рис. 2.7. Зависимость времени жизни ретранслятора от количества подключенных узлови мощности в режиме ожидания 2.4. Показатели времени жизни сетиВ общем случае время жизни сети складывается из того, как долго рабо­тают отдельные ее элементы.

Однако учитывая различные требования при­ложений по качеству обслуживания, а также то, что в сети часто заложенаизбыточность, могут использоваться разные показатели времени жизни всейсети.2.4.1. Показатель, основанный на количестве работающих узловОбщее обозначение данного показателя – время, пока по меньшей ме­ре k из n узлов сети работают [27, 30, 44, 72]. В общем виде он имеет серьезныйнедостаток, так как не различает типы узлов. В частности, в большинстве рас­пределенных сетей имеется ряд ключевых ретранслирующих узлов, обычнорасположенных в центре, выход из строя которых автоматически приводит кнеработоспособности сети. Поэтому в ряде работ [37, 62] при анализе временижизни сети выделяются критически важных элементов, которые все вре­мя должны быть активными.

Например, они могут быть головными узламилокальных кластеров [67]. Для остальных узлов применяется метрика − .54Часто исследователями применяется частный случай показателя , вкотором = . В таком случае сеть считается работоспособной, только покавсе ее узлы работают, или: = min ,∈(2.7)где – множество узлов сети; – время жизни i-го узла.2.4.2.

Показатели, основанные на размере зоны покрытия сетиИспользование данных показателей обусловлено назначением сенсорныхсетей – наблюдением за некоторыми параметрами в определенной области.Есть два подхода к определению показателей данной группы. Согласно перво­му подходу сеть считается работающей, пока процентов от целевой областипокрыто хотя бы одним сенсорным узлом (-покрытие) [77]. Второй подход,направленный на обеспечение избыточности, требует, чтобы каждая точкацелевой области была покрыта по крайней мере k узлами (k-покрытие) [50].Недостатком описанных выше показателей является сложная формали­зуемость в виде алгоритмов.2.4.3.

Показатели, основанные на связности графа сетиТак как сенсорная сеть представляет собой распределенную систему сбо­ра данных, то помимо непосредственного считывания информации с датчи­ков, важно доставить ее до точки или точек назначения. При передаче данныепроходят через ряд промежуточных ретрансляторов, которые должны бытьв активном состоянии. Поэтому при использовании данной группы показате­лей сеть считается работоспособной до тех пор, пока существуют маршрутыдоставки событий от всех оконечных устройств (или от определенной доли55оконечных устройств) до стока [23, 24, 49].2.4.4. Показатель, основанный на задержках передачи данныхПо мнению многих исследователей этот показатель наиболее приближенк практике использования систем сбора данных, так как именно он определя­ет качество работы таких систем.

Наиболее полное определение показателясодержится в статье [30], расширим его еще дальше так, чтобы оно включалов себя и другие, ранее описанные группы показателей.Пусть в среде, мониторинг которой осуществляется с помощью сенсорнойсети, время от времени возникают некоторые события, которые нужно фик­сировать. В качестве событий могут рассматриваться как некоторые внешниеявления, например, срабатывание тревожного датчика, изменение температу­ры, так и внутренние детерминированные события, например отправка регу­лярных сообщений о состоянии отдельных устройств. Пусть также имеетсянабор точек или зон, в которых могут возникать указанные выше события:Введем показатель качества работы сети для каждой зоны покрытияв момент времени t.

Для этого рассмотрим некоторый интервал времени( − ∆ , ). Пусть () – общее количество событий, возникших в зоне в данный интервал времени, а () – количество событий из общего числа (), доставленных до стока за допустимое время. Допустимое время мо­жет задаваться как в целом для области k, так и для каждого типа события,возникающего в ней.

Значение параметра ∆ выбирается исходя из интенсив­ности событий в конкретной зоне и требований приложения по обеспечениюкачества обслуживания. Тогда показателем качества работы сети в зоне k в56Рис. 2.8. Изменение показателя времени жизни сети со временеммомент времени t будет: () =⎧⎪⎨ () , если () ̸= 0 ()⎪⎩1,если () = 0Пусть – пограничное значение показателя , ниже которого сеть счи­тается неработоспособной. Тогда одним из возможным определений времениавтономной работы сети будет такое максимальное время 1 :∀ < 1 , ∀ ∈ [1..] : () ≥ (2.8)Однако данное определение не учитывает возможного самовосстановле­ния сети.2.4.5.

Время жизни самовосстанавливающихся сетейПродолжим описание сети, начатое в предыдущем разделе. Представимнекоторый теоретический график изменения показателя () (рис. 2.8). Изрисунка видно, что в некоторые моменты времени, определяемые выходомиз строя отдельных узлов либо внешними факторами, значение показателяопускается ниже допустимой границы, однако после перестроения сети вновьвходит в допустимый интервал.57Зададим через Θ множество точек во времени, в которых переходитчерез границу сверху вниз и обратно:Θ = { , = 1, 2, . . .

: ( ) ≥ ∧ ( ( + ) < ∨∨ ( − ) < ), < +1 , → 0}На рис. 2.8 множество Θ представлено точками 1 , 2 , . . . , 5 .Пусть максимальное время восстановления сети после сбоев, вызванныхотказами узлов либо внешними факторами, ограничено некоторой величиной . Определим подмножество Θ′ ⊆ Θ точек перехода через границу сверху вниз, таких, что последующий переход в обратную сторону происходитпозже , либо не происходит вовсе.Θ′ = {() , = 1, 2, . . . : () ∈ [1..|Θ | − 1] : ∀ ∈ (() ..(+1) ) () < ∧ ()+1 − () > } ∪ {|Θ | }Для зависимости, представленной на рис. 2.8, оно будет включать точки3 , 5 , так как после 1 восстановление происходит за допустимое время (2 −1 < ).Тогда моментом времени, после которого сеть выходит из строя для от­дельной зоны , будет = inf Θ′ , а временем жизни всей сети: = min Несмотря на некоторую сложность математического описания, определе­ние имеет простой смысл - оно фиксирует момент времени, после которогособытия, возникающие в одной из областей сети, перестают доходить до сто­58ка за допустимое время, а восстановление либо не происходит, либо занимаетвремя, превышающее установленный порог .Определение имеет и вполне четкую практическую применимость.

Характеристики

Список файлов диссертации