Оценка уровня принимаемого сигнала и задержки ZigBee в различных условиях. Часть 2

Первую часть статьи читайте здесь.

3.2. Анализ экспериментальных результатов

Рассеяние и помехи сигнала оказывают относительное влияние на производительность ZigBee. Каждый раз колебания RSSI при незначительном изменении условий в помещении и соответствующее им временное отклонение показывают сильную нестабильность сигналов ZigBee и уровня задержки. Результаты показывают, что для отдельного размера фрейма требуется существенно отличающееся время. Удвоение размера фрейма сильно не влияет на скорость задержки, если расстояние одинаково и количество препятствий не меняется. Но при увеличении расстояния фактически возрастает относительное время двух различных по размеру фреймов. Резкое увеличение времени происходило, когда конечный узел находился на предельном расстоянии. Значение RSSI было практически одинаковым для каждой дистанции. В Таблице 11 представлены общие значения RSSI и время задержки для всех исследованных дистанций.

Сценарий

Расстояние (футы)

Среднее количество препятствий

Среднее значение RSSI

Время получения фрейма (с)

15 байт

50 байт

100 байт

1

10

8

−67

0.05

0.09

0.14

2

20

9

−77

0.05

0.09

0.14

3

30

11

−82

0.05

0.08

0.15

4

40

10

−86

0.05

0.10

0.15

5

45

13

−89

0.06

0.09

0.18

Таблица 11. Общая оценка технических характеристик на различных расстояниях.

В Таблице 11 видно, что у наименьшего фрейма размером 15 байт время практически одинаково для всех расстояний, за исключением небольшой разницы при экстремальной дистанции в 45 футов. Поведение фрейма размером 50 байт относительно непредсказуемо во всех случаях, и наименьшее время, затрачиваемое этим размером фрейма, получено для расстояния 30 футов по сравнению с другими дистанциями, а значение RSSI составляет -89 дБм даже для крайнего положения, как показано в Таблице 11. 100-байтовый фрейм демонстрирует последовательное увеличение времени с ростом расстояния и составляет почти 1/5 секунды даже в экстремальном варианте.

График зависимости между количеством помех и соответствующими им значениями RSSI показан на Рисунке 2. Максимальное значение RSSI зафиксировано около -64 дБм на расстоянии 10 футов. Затем оно постепенно уменьшается по мере увеличения количества препятствий. Подобный эффект можно наблюдать в каждом из примеров. Для дистанций 10 и 40 футов наблюдается небольшое, но постоянное снижение значения RSSI в зависимости от количества препятствий. Для других примеров прослеживается девиация и образуется кривая, которая показывает неравномерное изменение значения RSSI.

Рисунок 2. Зависимость значения RSSI от количества препятствий.
Рисунок 2. Зависимость значения RSSI от количества препятствий.

График зависимости между расстоянием и временем, затраченным маленьким, средним и большим фреймом, показан на Рисунке 3.

Рисунок 3. Время получения при увеличении удаленности для фреймов разного размера.
Рисунок 3. Время получения при увеличении удаленности для фреймов разного размера.

Время для 15-байтового фрейма остается неизменным вплоть до удаления на 40 футов, но фактически возрастает при расстоянии в 45 футов, показывая, что в случае использования очень малых объемов данных или небольших элементов для принятия решений, расстояние до 40 футов является достаточно благоприятным для фрейма любого размера при любом количестве препятствий от нуля до 16. Отправка фрейма среднего размера в 50 байт заняла примерно одинаковое время при удаленности в 10 и 20 футов и имеет тенденцию к уменьшению после этого, пока не достигнет 30 футов из-за количества помех. Между 30 и 40 футами снова наблюдается подъем. 100-байтовый фрейм потребовал почти вдвое больше времени, чем 50-байтовый. Но его поведение показывает, что задержка увеличивается линейно при увеличении расстояния, демонстрируя постоянство, которое преобладает до 40 футов. Затем она резко возрастает на экстремальном расстоянии 45 футов, как и в случае с 15-байтовым фреймом.

4. Заключение

ZigBee является достаточно подходящей технологией для беспроводных сенсорных сетей (WSN) благодаря своим характеристикам надежности и эффективности работы, однако у нее есть свои ограничения. Уровень сигнала ZigBee сильно подвержен внешним воздействиям в зависимости от обстоятельств, при которых происходит обмен данными. Это по-разному сказывается на задержке пакета данных и производительности. Он может быть имплементирован в различных приложениях, которые основываются исключительно на его (ZigBee) RSSI. Чтобы проанализировать этот критический уровень сигнала при различных условиях внутри помещений и их относительное влияние на производительность и задержку, была проведена серия тестовых экспериментов. Результаты показали, что в некоторых ситуациях влияние помех на уровень сигнала ZigBee является значительным.

Для успешного приема небольшого фрейма данных размером 15 байт потребовалось в среднем 0,05 секунды, а для 100-байтного фрейма — в среднем 0,15 секунды, но время резко увеличивается при экстремальном расстоянии. Фрейм среднего размера в 50 байт показал случайное изменение задержки почти во всех примерах. Время приема, как оказалось, ведет себя нормально даже на экстремальном расстоянии для этого размера, что показывает надежность среднего размера фрейма ZigBee при любом расстоянии в пределах диапазона и различном количестве препятствий. Данное оценочное исследование направлено на обеспечение всеобъемлющего руководства для возможных будущих исследований в широком диапазоне приложений, чувствительных к уровню сигнала и задержке.

Ссылки

  1. J. Т. Adams, "Введение в стандарт IEEE STD 802.15.4", в Трудах Аэрокосмической конференции IEEE, стр. 8, Биг Скай, Монт, США, март 2006 г. Посмотреть на: Google Scholar

  2. J.-S. Lee, Y.-W. Su, and C.-C. Shen, "Сравнительное исследование беспроводных протоколов: bluetooth, UWB, ZigBee и Wi-Fi", в Трудах 33-й ежегодной конференции Общества промышленной электроники IEEE (IECON '07), стр. 46-51, IEEE, Тайбэй, Тайвань, ноябрь 2007. Посмотреть на: Сайт издателя | Google Scholar

  3. J. Baviskar, A. Mulla, M. Upadhye, J. Desai, and A. Bhovad, "Анализ производительности системы домашней автоматизации реального времени на базе ZigBee" в материалах Международной конференции по коммуникационным, информационным и вычислительным технологиям (ICCICT '15), стр. 1-6, Мумбаи, Индия, январь 2015 г. Посмотреть на: Сайт издателя | Google Scholar

  4. M. S. Habtoor and H. Rowaihy, "Оценка производительности мотов IRIS и LOTUS при коммуникации в реальных условиях", Международный журнал распределенных сенсорных сетей, том 2016, Article ID 7347158, 10 страниц, 2016. Посмотреть на: Сайт издателя | Google Scholar

  5. W. Du, D. Navarro, and F. Mieyeville, "Оценка производительности сенсорных сетей IEEE 802.15.4 в промышленных приложениях", Международный журнал коммуникационных систем, том 28, № 10, стр. 1657-1674, 2015. Посмотреть на: Сайт издателя | Google Scholar

  6. K.-H. Phung, B. Lemmens, M. Goossens, A. Nowe, L. Tran, and K. Steenhaut, "Многоканальная связь на основе расписания в беспроводных сенсорных сетях: комплексное проектирование и оценка производительности", Ad Hoc Networks, том 26, стр. 88-102, 2015. Посмотреть на: Сайт издателя | Google Scholar

  7. M. Tabassum и K. Zen, "Оценка производительности ZigBee внутри и снаружи помещений", в материалах 9-й Международной конференции по ИТ в Азии (CITA' 15), стр. 1-7, Kota Samarahan, Малайзия, август 2015 года. Посмотреть на: Сайт издателя | Google Scholar

  8. K. Gill, S.-H. Yang, F. Yao, and X. Lu, "Система домашней автоматизации на базе ZigBee," IEEE Транзакции по бытовой электронике, том 55, № 2, стр. 422-430, 2009. Посмотреть на: Сайт издателя | Google Scholar

  9. K. Shuaib, M. Alnuaimi, M. Boulmalf, I. Jawhar, F. Sallabi, and A. Lakas, "Оценка производительности IEEE 802.15.4: результаты экспериментов и моделирования," Журнал коммуникаций, том 2, № 4, стр. 29-37, 2007. Посмотреть на: Google Scholar

  10. O. Hyncica, P. Kacz, P. Fiedler, Z. Bradac, P. Kucera, and R. Vrba, "Опыт zigbeee", в материалах 2-го Международного симпозиума по связи, управлению и обработке сигналов, март 2006. Посмотреть на: Google Scholar

  11. K. Benkič, M. Malajner, P. Planinšič, and Ž. Čučej, "Использование значения RSSI для оценки расстояния в беспроводных сенсорных сетях на основе ZigBee", в Трудах 15-й Международной конференции по системам, сигналам и обработке изображений (IWSSIP '08), стр. 303-306, Братислава, Словакия, июнь 2008. Посмотреть на: Сайт издателя | Google Scholar

  12. K. Subaashini, G. Dhivya, и R. Pitchiah, "Уровень радиосигнала ZigBee для определения местоположения в помещении - эксперименты и результаты", в Трудах 15-й Международной конференции по передовым коммуникационным технологиям: Умные сервисы с Интернетом вещей! (ICACT '13), стр. 50-57, IEEE, Пхенчхан, Республика Корея, январь 2013 г. Посмотреть на: Google Scholar

  13. J.-S. Lee, "Оценка производительности IEEE 802.15.4 для низкоскоростных беспроводных персональных сетей", "IEEE Транзакции по бытовой электронике, том 52, № 3, стр. 742-749, 2006. Посмотреть на: Сайт издателя | Google Scholar

  14. L.-J. Chen, T. Sun, and N.-C. Liang, "Исследование оценки поддержки мобильности в сетях ZigBee", Журнал систем обработки сигналов, том 59, № 1, стр. 111-122, 2010. Посмотреть на: Сайт издателя | Google Scholar


Совсем скоро состоится открытое занятие «Преимущества и принцип работы Spanning Tree Protocol», на которое приглашаем всех желающих. Регистрация — по ссылке.