مقاله مطالعه عملکرد شبکه های zigbee تحت مداخله wifi

بخشی از مقاله

مطالعه عملکرد شبکه های zigbee تحت مداخله wifi
خلاصه
به دلیل اینگه zigbee و wifi از باند فرکانس یکسانی استفاده می کنند.ممکن است با هم تداخل کنند.روشهایی برای این عمل پیشنهاد شده از جمله تغییر پارامتر های mac و ack اگر چه روش های معمولی برای پیاده سازی آسان نیستند. در این مقاله ما یک مطالعه کارا روی یک شبکه zigbee تحت تداخل wifi ارائه می دهیم. در نتیجه با قرار دادن یک فاصله زمانی((time interval بین بسته های wifi نرخ ورود های zigbee بهبود می یابد.در این مقاله چگونگی همزیستی استاندارد ieee 802.11a,b,g و استاندارد zigbee را بررسی می کنیم که بدون تداخل باشند. یک الگوریتم اجتناب از تداخل میان شبکه های wlan و zigbee بر اساس سوئیچینگ کانال ارائه شده است ،این روش نیاز به تعامل با هماهنگ کننده( (cordinator شبکه برای تشخیص تداخل دارد که هزینه شبکه را به طور قابل توجهی افزایش می دهد.

واژه های کلیدی: شبکههای حسگر بیسیم، کاهش تداخل، پروتکل zigbee

.1 مقدمه
انرژی کم، هزینه کم، نرخ پایین شبکه های بیسیم [10] Zigbee و مکمل آن تکنولوژی های نرخ داده بالا از قبیل شبکههای بیسیم محلی .[20](wlan) انرژی مصرفی کم اجازه می دهد باتریها طول عمر بیشتر و اندازه کوچکتری داشته باشند. با توجه به هزینه پایین تکنولوژی zigbee انتظار میرود که در کاربردهای نظارت و کنترل به طور گستردهای استفاده شوند.در حال حاضر تداخل با شبکههای با توجه به قدرت مخابره بالاتر و استقرار گسترده دستگاههای wifi به یک مساله جدی برای شبکههای zigbee تبدیل شده است . تحقیقات دیگر در حال حاضر در مورد مسائل همزیستی میان استاندارد ieee 802.11a,b,g و استاندارد zigbee مورد بررسی قرار می گیرد.نتایج آزمایشی در [4]-[1] گزارش شده است و نتایج تحلیلی در [5]-[8] گزارش شده است. علاوه بر این روشهای بهبود کارایی برای حل مساله تداخل میان شبکه zigbee و wlan پیشنهاد شده است.یک الگوریتم اجتناب از تداخل بر اساس تغییر کانال در [10]-[9] پیشنهاد شده است.
این روش به تعامل با هماهنگ کننده شبکه برای تشخیص تداخل و هماهنگی تغییر عملیات کانال نیاز دارد.روش [11] تداخل را به وسیله تنظیم ارزیابی کانال روش (CCA) تشخیص آستانه انرژی (ED) نود zigbee(ieee802.15.4) ارائه میکند که آستانه برای شناسایی در دسترس بودن کانال استفاده میشود.روشی برای بهبود توان عملیاتی به وسیله تنظیم زمان انتقال ack در [12] ارائه شده است.در [13]، سرآیند و payload قالب تکراری است که کد reedsolomon استفاده شده و نرخ ورود به %70 بهبود یافته است.در [14]، یک مکانیزم همزیستی تطبق پذیر با بهره گیری از نشان دهنده قدرت سیگنال دریافتی((rssi و کانال استفاده از اطلاعات موجود در فریم wlan becon ارائه شده است این طرح نیاز به همکاری بین wlan و شبکه حسگرهای بیسیسم zigbee دارد که آسان و انعطاف پذیر نیست.علاوه بر این دیگر پژوهشگران روی بهبود عملکرد csma/ca برای IEEE802.15.4 wsn به وسیله تظیم پارامترهای mac به صورت پویا ارائه کرده اند..[15]-[16]

.2 باند مشترک
SVM با استفاده از افزایش دستگاهای عامل در باند 2.4GHZ ،wlan و دستگاهای zigbee به احتمال زیاد به یکدیگر نزدیک هستند و تداخل به عنوان یک نتیجه ممکن است. برای درک این مشکل طیف RF در 2.4GHZ و کانال های موجود wifi و zigbee در شکل 1 نشان داده شده است.همانطور که در شکل می بینید کانال RF درzigbee و wifi همپوشانی دارند. این همپوشانی یک مشکل است است.در شکل 1 دوpc که با ap با هم ارتباط دارند با استفاده از استاندارد ieee802.11g ،فاصله بین دو 2 pcمتر و ap در وسط محل این دو قرار گرفته شده است.یک ترافیک UDP از یک PC به PC دیگر تولید شده است.اندازه پیام 1000 بایت است و یک ترمینال xbee در موقعیت 50cm از ap واقع شده است طول پیام 32 بایت می باشد.فاصله انتقال 1 ثانیه است.

.3 روش پیشنهادی:
در این مطالعه ما یک روش جدید برای بهبود نرخ ورود بسته های zigbee توسط کاهش تداخل با wifi ارائه میدهیم.و امکانپذیری آن را به طور آزمایشی مورد بررسی قرار می دهیم.روش های معمولی باید ساختار فریم های mac یا پارامتر های آن را تغییر دهند.در این روش ارائه شده یک نود wifi تداخل با zigbee را شناسایی می کند.و الگوی ارسال را تغییر می دهد و تاثیر تداخل را کاهش می دهد.برای تشخیص تداخل و کاهش تداخل تغییر پارامتر ها برای بهبود کارایی ضروری است برای تشخیص تداخل ما از RSSI و نرخ از بین رفتن بسته ها ی ارتباط wifi استفاده می کنیم.به طور کلی اگر rssi کاهش یابد نرخ ازبین رفتن بسته ها هم افزایش میابد ، با این حال اگر نرخ از دست رفتن بسته علیرغم (RSSI ثابت افزایش یافت برآورد ما این است که تداخل رخ داده است. ما همچنین الگوی انتقال شبکه wifi را تغییر می دهیم. یک فاصله زمانی بین انتقال بسته ها اضافه می کنیم. این فاصله احتمال همپوشانی((overlap سیگنال را کاهش میدهد.و فرصت دریافت فریم های zigbee را به درستی می دهد.جریان نودهای wifi در شکل 2 نشان داده شده است.

.4 مزایا و معایب کنترل به وسیله لایه کاربرد:
یک مزیت کنترل لایه کاربرد این است که نیازی به تغییر سخت افزار موجود و پرتکل mac ندارد. برای پیاده سازی ساده و راحت است.ولی دقت کشف تداخل آن پایین است. تشخیص تداخل در لایه کاربرد غیر مستقیم و در مواردی نادرست است.

.1.4 سنجش و ارزیابی عملکرد:
به منظور بررسی امکان سنجی روش ارائه شده ، ما یک شبکه در محیط واقعی ساخته ایم و نرخ ورود بسته ها و RSSI را بررسی کرده ایم.
آزمایشات روابط زیر را تعیین می کند: -1بررسی تاثیر تداخل وفاصله نودهای zigbee -2بررسی تاثیر تداخل و کانال wifi -3بررسی تاثیر تداخل واندازه داده های wifi
-4بررسی تاثیر تداخل و اندازه داده های zigbee
-5بررسی تاثیر تداخل و فاصله((interval انتقال داده های wifi -6بررسی تاثیر تداخل وفاصله انتقال داده های zigbee -7بررسی نرخ ورود داده ها و rssi در محیط تداخل.

.5 نتایج آزمایش:
.1.5 بررسی تاثیر تداخل و فاصله نودهای zigbee
هدف از این آزمایش امتحان کردن نرخ ورود ارتباط های zigbee در ارتباط با فاصله بین نودهای zigbee است. پارامترهای مورد استفاده در این آزمایش در جدول 1 نشان داده شده است.

شکل 3 نتیجه آزمایش نرخ ورود zigbee در محیط تداخل را نشان می دهد، اگر نود ها 2 متر یا بیشتر از هم باشند ،اثر تداخل قابل توجه است.

.2.5 بررسی تاثیر تداخل و کانال : wifi
هدف از این آزمایش امتحان کردن نرخ ورود ارتباط های zigbee در ارتباط با کانال ارتباطی wifi می باشد. پارامترهای مورد استفاده در این آزمایش در جدول2 نشان داده شده است.شکل 4 نتیجه آزمایش را نشان می دهد.کانال 1 تا 7 تداخل با wifi را نشان می دهد. و کانال8 تا 11 تداخل را نشان نمی دهد.

در شبکه های wifi تداخل می تواند اجتناب شود اگر کانال به کانال های 5 و 6 تغییر یابد با این حال شبکه های zigbee نمی توانند از تداخل اجتناب کنند حتی اگر 6 کانال wifi تغییر کند.بنابراین تغییر کانال نمیتواند یک روش موثر برای کاهش تداخل باشد.

.3.5 بررسی تاثیر تداخل و اندازه داده : wifi
هدف از این آزمایش امتحان کردن نرخ ورود ارتباط های zigbee در ارتباط با اندازه داده ارتباطات wifi می باشد. پارامترهای مورد استفاده در این آزمایش در جدول3 نشان داده شده است.شکل 6 نتایج آزمایش نرخ ورود zigbee با کاهش اندازه بسته ها ، اثر تداخل کاهش میابد. با این حال این اثر برای تمام اندازه های بسته کوچک است.

.4.5 بررسی تاثیر تداخل و اندازه داده های : zigbee
هدف از این آزمایش امتحان کردن نرخ ورود ارتباط های zigbee در ارتباط با اندازه داده ارتباطات zigbee میباشد. پارامترهای مورد استفاده در این آزمایش در جدول4 نشان داده شده است.
شکل 6 نتایج آزمایش نرخ ورود zigbee ،با کاهش اندازه پیام های ارتباط zigbee را نشان می دهد .اثر تداخل کاهش پیدا کرده است. بااین حال کشف تداخل در ترمینال zigbee آسان نیست به همین دلیل وقتی که اندازه پیام بزرگ است نرخ ورود zigbee کاهش میابد ،پیام به تعدادی بسته تقسیم می شود و در زمان های مختلف ارسال می شود، این تاثیر تداخل را