1.5 Эффективная скорость передачи данных

В стандарте 802.15.4 для частот в диапазоне 2,4 ГГц определена максимальная скорость передачи 250 Кбит/с. На практике она оказывается меньше из-за дополнительных служебных полей, включенных в каждый передаваемый пакет.

В стандарте определен алгоритм доступа к среде передачи данных CSMA/CA.

Рассчитаем время, затраченное на подготовку к передаче данных:

а) Каждый раз, когда устройство передает данные, оно ждет случайный промежуток времени из диапазона , после чего определяет занятость канала (CCA). Если канал свободен, устройство передает данные, иначе оно снова ждет случайный промежуток времени. Обычно показатель BE устанавливается равным 3, поэтому в самом худшем случае время, затраченное на подготовку к передаче, будет равно:

мс Время CCA равно 8 символьным периодам, время aUnitBackOffPeriod равен 20 символьным периодам, 1 символьный период равен 16 мкс.

Теперь рассмотрим необходимое время на передачу данных:

б) Согласно стандарту 802.15.4 максимальный размер полезной нагрузки фрейма равен:

,

где , .

Как видно, размер полезной части зависит от длины служебных полей. Более поздняя версия стандарта 802.15.4b позволяет увеличить полезную нагрузку фрейма, когда используются короткие адреса (16 бит вместо 64). В этом случае объем данных будет равен 114 байтам.

Таким образом, время передачи данных составит:

мс

в) После отправки пакета данных необходимо отправить кадр подтверждения. Кадр подтверждения приема данных состоит из 11 байт. Если принять скорость на входе равной 250 Кбит/с, то передача займет 0,352 мс. Следует отметить, что при передачи подтверждений не используется алгоритм разрешения конфликтов CSMA-CA.

Перед отправкой подтверждения есть задержка в 192 мкс, связанная с тем, что устройство должно перейти из режима приема в режим передачи. Кроме того, чтобы дать устройствам достаточно времени на обработку принятых данных, в стандарте определены минимальные задержки, которые следуют после кадра подтверждения:

• для кадров длиной до 18 байт включительно – 18 символьных периодов.

• для кадров длиной более 18 байт – 40 символьных периодов. Как правило, эти задержки охватываются при подготовке к передаче очередного кадра данных.

Используя приведенные выше расчеты, определим эффективную скорость передачи по стандарту 802.15.4:

Действие	Время (в мс)
CSMA/CA	2,368 мс
Передача кадра	4,256 мс
Задержка после передачи	0,192 мс
Передача подтверждения	0,352 мс
Общее время (TΣ)	7,168 мс

Таблица 2: Временные затраты

Эффективная скорость: Кбит/с.

1.6 Расчет энергопотребления и времени работы

Энергопотребление – один из ключевых вопросов для сенсорных сетей, так как устройства питаются в основном от батареек.

Информация о потреблении энергии в различных режимах взята из технического описания микроконтроллеров компании Jennic, производящей готовые модули по стандарту 802.15.4.

Режим	Потребление тока, мА
Активный	12
Режим сна	0,003
Передача	125
Прием	45

Таблица 3: Энергопотребление микроконтроллера фирмы Jennic

Таблица 3 показывает, что сенсор в базовом (активном) режиме потребляет примерно в несколько тысяч раз больше энергии, чем в режиме сна. Отправка сообщений увеличивает энергопотребление по сравнению с базовым режимом. Вполне естественно, что соотношение между показателями может отличаться для разных производителей. Но в любом случае очевидно то, что спящий режим требует наименьшего количества энергии.

Время активности устройства за один раз составлять 16мс. 3мс тратится на передачу собранных данных и столько же тратится на их прием. Время подготовки к передаче данных составляет примерно 2мс. Таким образом, один цикл составляет 24мс.

Теперь необходимо рассчитать сколько раз в секунду будет устройство работать в активном режиме, в режиме приема и в режиме передачи:

1000/24=41 раз. Оставшееся время 16мс устройство будет собирать данные для передачи.

В стандарте 802.15.4 указана максимальная скорость передачи данных 250 Кбит/с. Реальная скорость, которая была рассчитана выше, несколько меньше, поскольку кадры имеют определенный формат, включающий в себя адреса приемника и передатчика и некоторые другие поля. Произведем расчет для обеих скоростей.

Микроконтроллер может погружаться в режим сна при котором ток потребления является минимальным. Данный режим применяется в сенсорах для более длительного срока службы батареи, а, следовательно, и большим временем работы устройства, однако, в нашем случае, устройство не может переходить в режим сна при работе на прием, передачу и при формировании данных. Поэтому расчеты будут производиться исходя из этих трех режимов.

Рассчитаем среднее потребление тока за время t = 1с. Оно будет равно:

мА.

Предположим, для питания сенсорной платы используются две батарейки АА. Емкость каждой батарейки приблизительно равна 2122 мАч. Тогда устройство будет работать в течение:

час или 5 дней и 21 час.

Для рассчитанной скорости получаем:

мА

часа или 4 дня и 7 часов.

Если сравнить время работы данного устройства со временем работы аналогов, то нетрудно заметить, что оно значительно превышает его, и поэтому система, построенная из таких устройств, может стать конкурентоспособной на рынке радиосвязи.

Заключение

В соответствии с техническим заданием был дан общий обзор области, к которой относится тема дипломной работы, рассмотрены и проанализированы альтернативы для реализации поставленной задачи. Программный комплекс OMNET++ и симулятор Castalia, по результатам анализа, признаны отвечающими поставленным требованиям.

Был дан обзор возможностей и функционала беспроводных сенсорных сетей на базе стандарта 802.15.4. Приведены расчеты эффективной скорости передачи данных, энергопотребления и времени работы при заявленной и рассчитанной скорости.

В ходе выполнения дипломного проектирования была построена событийно-имитационная модель беспроводной сенсорной сети, на ее основе сымитирована работа и определено максимальное время работы сети (130 часов).

В технологической части изложен процесс установки, настройки и проверки работоспособности программного комплекса OMNET++ и симулятора Castalia.

В разделе «Экономическая часть» был проведен анализ экономической эффективности данного дипломного проекта.

В разделе «Охрана труда» приведены обзор и рекомендации по защите здоровья от вредных и опасных факторов, возникающих при работе с ЭВМ, таких как: поражение электрическим током и влияние излучение монитора на здоровье человека.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. E. Egea-López, J. Vales-Alonso, A. S. Martínez-Sala, P. Pavón-Mariño, J. García-Haro Simulation Tools for Wireless Sensor Networks // Summer Simulation Multiconference - SPECTS 2005 // - 2005. - P. 2 - 9.

2. IEEE Standards 802.15.4. Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs). - IEEE Computer Society, 2003.

3. Акимов Е.В., Кузнецов М.Н. Вероятностные математические модели для оценки надежности беспроводных сенсорных сетей // Электронный журнал «Труды МАИ». Выпуск № 40// URL: http://www.mai.ru/science/trudy/

4. Ахо А., Хопкрофт Д., Ульман Д. Структуры данных и алгоритмы. - М.: Вильямс, 2000. - 384 с.

5. Гейер Дж. Беспроводные сети. Первый шаг. / Пер. с англ. - М.: Вильямc, 2005. - 192 с.

6. Нечаев Д.Ю., Чекмарев Ю.В. Надежность информационных систем. - М.: ДМК Пресс, 2012. - 64 с.

7. Острейковский В.А. Теория надежности. - М.: Высшая школа, 2000. - 464 с.

8. Половко А.М., Гуров С. В. Основы теории надежности. - СПб.: БХВ-Петербург 2006. - 560 с.

9. Смелянский Р. Л. Компьютерные сети. В 2 томах. Том 1. Системы передачи данных. - М.: Академия, 2011. - 304 с.

10. Тель Ж. Введение в распределенные алгоритмы. Пер. с англ. В. А. Захарова. - М.: МЦНМО, 2009. - 616 с.

11. Ушаков И.А. Вероятностные модели надежности информационно-вычислительных систем. - М.: Радио и связь 1991. - 132 с.

12. Шахнович И.А. Современные технологии беспроводной связи. - М.: Техносфера, 2006. - 288 с.

13. Шубин В.И., Красильникова О. С. Беспроводные сети передачи данных. - М.: Вузовская книга, 2012. - 104 с.

14. Страница «Время технологий», http://www.russianelectronics.ru/leader- r/review/40498/doc/44411/