Descrierea mediului de dezvoltare QualNet

Descrierea mediului de dezvoltare QualNet

QualNet este un software de evaluare a reṭelelor de fidelitate ultra ridicata ce prezice performanta echipamentelor ṣi reṭelelor wireless, cablate sau mixte in diferite scenarii. Dezvolat pentru a se folosi din plin de avantajele oferite de capabilitatile de multi-threading ale procesoarelor multi-core pe 64 de biṭi, Qualnet suporta simulari ce includ mii de noduri de reṭea.

Qualnet este un simulator rapid ce recreeaza cu fidelitate ridicata situaṭii ce se pot intalni in domeniul comunicaṭiilor atat fixe cat ṣi mobile. Simularea diferitelor scenarii inainte ca acestea sa fie implementate prezinta o serie de avantaje importante precum posibilitatea de a testa funcṭionalitatea reṭelelor, determinarea unor eventuale modalitaṭi de optimizare a acestora sau posibilitatea calcularii costurilor de implementare ale unei reṭele considerate.

Acest mediu de dezvoltare este compus din patru module, fiecare cu funcṭii specifice:

1.     Scenario Designer - permite utilizatorului sa proiecteze un scenariu plecand de la distribuṭia geografica, conexiunile de reṭea, subneturi, scheme de mobilitate pentru utilizatorii wireless ṣi alṭi parametrii funcṭionali pentru diverse noduri de reṭea. Utilizatorii pot crea modele de reṭea utilizand metode intuitive ṣi pot personaliza stiva de protocoale ale oricaruia dintre noduri ṣi pot specifica serviciile ṣi traficul de la nivelul aplicaṭie ce strabat reṭeaua.

2.     Animator - executa diverse scenarii pentru reṭelele, subreṭelele ṣi echipamentele definite de utilizator. Utilizatorul poate viziona fluxul de trafic din reṭea.

3.     Analyzer - un modul ce permite vizualizarea graficelor statistice sau a metricilor colectate in timpul simularii unui scenariu considerat. Utilizatorul poate sa personalizeze modul de redare al graficelor studiate.

4.     Packet Tracer - ofera o reprezentare vizuala a pachetelor generate in timpul simularii unui scenariu.

Pentru a crea o simulare trebuie parcurse urmatoarele etape:

a)     Prima etapa este constituita din crearea ṣi pregatirea scenariului ce urmeaza a fi simulat. In aceasta etapa trebuie tinut cont de descrierea sistemului ṣi de masuratorile ce sunt de interes.

b)     A doua etapa presupune executarea scenariului de la etapa intai ṣi colectarea rezultatelor din urma simularii.

c)      A treia ṣi ultima etapa consta in analiza rezultatelor de simulare.

Pentru a parcurge prima etapa, ṣi anume crearea scenariului, trebuie avut in vedere mai multe aspecte. Proprietaṭile generale ce se pot aplica pe toata durata scenariului trebuie configurate, trebuie stabilita topologia de reṭea prin crearea de subreṭele unde este cazul, trebuie amplasate nodurile ṣi definite scenariile de mobilitate pentru anumite noduri - de asemenea unde este cazul. Trebuie de asemenea configurata stiva protocolului pentru toate nodurile, in mod individual sau pe grupuri de noduri. O alta obligaṭie este aceea de a seta parametrii pentru colectarea rezultatelor simularii ṣi controlul performanṭei perioadei de execuṭie.

Scenariul studiat ṣi topologia aferenta

Pentru a demonstra termenul de spaṭiu inteligent sau casa inteligenta am ales un scenariu in care vom amplasa o reṭea de senzori in interiorul unei locuinṭe. O locuinṭa inteligenta poate fi considerata una in care diverse aspecte precum: incalzirea, instalaṭia electrica, iluminatul, partea de ventilaṭie ṣi chiar partea multimedia pot fi uṣor controlate prin intermediul unor reṭele de senzori. Prin acest sistem putem beneficia de nenumarate avantaje din punct de vedere al confortului propriu dar ṣi din punct de vedere economic. Sa presupunem ca, spre exemplu, un geam a fost uitat deschis de catre proprietarul casei. Pentru a nu irosi energie, centrala termica se va opri automat pentru a nu irosi energie dupa ce a detectat acest lucru.

Topologia studiata va consta in:

Un PAN Coordonator - nodul 1. Acest nod este de tip FFD - Full Function Device. El va fi cel ce va incepe formarea reṭelei ṣi va furniza conectivitaṭi intre senzori ṣi celelalte dispozitive. Topologia va fi de tip Stea

Senzori - Fiecare din nodurile 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 reprezinta noduri de tip RFD - Reduced Function Device cu proprietaṭi senzoriale. Fiecare nod va fi echipat cu senzori de miscare, senzori de temperatura ṣi senzori de imagine.

Actori - asa ziṣii actori vor fi reprezentaṭi de nodurile 11 ṣi 12.

o      Nodul 11 reprezinta un hoṭ ce inceara sa intre prin efracṭie;

o      Nodul 12 reprezinta un copil ce este lasat nesupravegheat al carui acces in bucatarie este nepermis datorita pericolelor precum prizele la o inalṭime accesibila sau existenṭa cuṭitelor sau a altor obiecte periculoase.

Descrierea scenariului este urmatoarea: proprietarii locuinṭei vor fi plecaṭi de acasa. In momentul t=0 secunde hoṭul se va apropia de casa urmand ca la momentul t=50 secunde sa intre in casa ṣi sa fie detectat. Mult dupa ce aceasta situaṭie a fost rezolvata, la momentul t=175 secunde copilul ce se afla in camera supravegheata de senzorul 8 va incepe sa se indrepte spre bucatarie, loc interzis, urmand ca in momentul t=275 secunde sa intre in bucatarie, loc monitorizat de nodul 3. De semenea, mult dupa acest eveniment, la momentul t=350 de secunde aragazul se va defecta izbugnind un mini incendiu.

Toate aceste situaṭii se vor rezolva prin trimiterea de mesaje cu rata de bit constant de la nodul constatator catre PAN Coordonator care va lua deciziile corespunzatoare - pornirea alarmei ṣi/sau alertarea poliṭiei in cazul 1, atentionarea guvernantei aflata intr-o alta camera in cazul 2 ṣi pornirea sistemelor anti-incendiu ṣi/sau alertarea pompierilor in cazul 3.

In cadrul simularii se vor folosi nivelele fizic ṣi AMC definite in QualNet pentru IEEE 802.15.4

Figura 6.1 Topologia considerata

Pentru fiecare senzor parametrii nivelului fizic pentru nodurile senzor vor fi:

Pentru nivelul fizic:

Tipul Radio: 802.15.4 Radio;

Puterea de Transmisie: 15dBm;

Castigul antenei: 12dB;

Eficienta antenei: 0.8dB;

Pierderile in cazul nepotrivirii: 0.3dB;

Pierderile in cazul conexiunii: 0.2dB;

Modelul antenei: Omnidirectional;

Temperatura: 290K;

Factor de zgomot: 10dB;

Curentul de transmisie: 20mAmp;

Curentul la receptie: 20 mAmp;

Curentul in starea de Idle: 5 mAmp;

Curentul in starea de Sleep: 1 mAmp;

Modelul de receptie: PHY 802.15.4 Reception Model;

Tipul de modulatie: O-QPSK;

Mod CCA: Carrier Sense;

Pentru nivelul MAC:

Tipul de protocol MAC: 802.15.4;

Intervalul de sondare: 1s;

Ordinul semnalului luminos: 3;

Ordinul supercadrului: 3;

Timpul de start: 0s;

Timpul de stop: 400s;

Tipul echipamentului: RFD;

Timpul de intarziere de propagare: 1ms.

In acest scenariu se observa doua obiecte mobule, nodul 11 ṣi nodul 12. Parametrii nodului 12 - copilul - sunt similari cu cei ai celorlalṭi senzori pentru ca se considera ca el va purta o mica braṭara cu rol de senzor de poziṭie. Modelul bateriei acestui senzor este identic cu cel al celorlalte noduri. Nodul 11 insa reprezinta un hoṭ ṣi deci, in ceea ce priveste modelul bateriei acesta va fi inexistent deoarece practic nodul 11 nu este un nod real ci joaca rolul unui stimul.

Nodurile 11 ṣi 12 se vor deplasa de-a lungul unor puncte intermediare amplasate conform figurii anterioare. De notat este ca un nod se deplaseaza de-a lungul acestor puncte intermediare in ordinea in care acestea au fost plasate pe harta ṣi respectand o diagrama de timp impusa.

Se va simula detectarea in poziṭii nepermise a nodurilor 11 ṣi 12 prin lansarea unui flux de date constant (CBR) de la nodurile 11 ṣi respectiv 12 la nodurile constatatoare 2 ṣi respectiv 3 ṣi acestea la randul lor vor trimite un flux de date constat catre PAN Coordonator din momentul detecṭiei pana in momentul in care am considerat ca pericolele au fost evitate ṣi problemele rezolvate.  Pachetele trimise vor avea dimensiunea de 512 octeti ṣi se vor trimite din secunda in secunda pe durate de cate 50 de secunde. Acest lucru va insemna un total de (50/1)*512=25600 octeti trimisi. Acest lucru implica faptul ca tranzitul teoretic va fi de 25600*8/50=4096biṭi/s.

Se mai cunosc frecvenṭa canalului de 2.4 GHz ṣi limita de propagare de -111dBm.

Timpul de rulare al scenariului va fi de 400 de secunde.

Rezultatele simularii

Iniṭial se va porni de la iniṭierea reṭelei, fapt de care se ocupa nodul 1 PAN Coordinator. Astfel graficul de mai jos este sugestiv

Figura 6.2 Numarul de cereri de asociere acceptate

Modelul baterie

In mod tradiṭional, sursa de alimentare a unui nod este o baterie, fie una primara nereincarcabila fie una secundara reincarcabila.

Figura 6.3 Capacitatea Bateriei

Dupa cum s-a menṭionat anterior, capacitatea bateriei este de 1200mA*h.

Modelul energie

Figura 6.4 Nivelul consumului de energie in modul transmisie

In urma graficului rezultat se poate observa faptul ca nivelul de aproximativ 0.147 al consumului de energie pentru nodul 1 este un maxim. Pentru celelalte noduri consumul este foarte scazut. Aceasta diferenṭa se explica din faptul ca nodul 1 - PAN Coordonator este singurul nod FFD - Full Function Device. Dupa cum s-a explicat pe parcursul lucrarii acest nod este alimentat de la o sursa inepuizabila de energie ṣi este tot timpul activ in reṭea. Celelalte noduri de tip RFD au surse epuizabile de energie ṣi sunt predispuse la somn pentru a putea avea o durata de funcṭionare cat mai lunga.

Figura 6.5 Procentajul din timp petrecut in starea de receptie

Se poate observa ṣi in urma graficului de mai sus cat anume din timp dispozitivele se regasesc in modul de primire a datelor.

In graficul de mai jos se poate observa procentajul de timp petrecut in starea de emisie

Figura 6.6 Procentajul din timp petrecut in starea de emisie

Deoarece am considerat ca nevida valoarea energiei ce se consuma in modul de somn, urmatorul grafic va ilustra acest lucru. Se va observa ca nodul 1 fiind FFD ṣi PAN Coordonator, el nu petrece deloc timp in modul de somn

Figura 6.7 Energia consumata in starea de somn

In graficul urmator se va prezenta energia consumata in starea de aṣteptare. Principalul factor ce se observa in aceasta figura este faptul ca PAN Coordonatorul cand nu este activ iṣi petrece timpul in starea de aṣteptare, nu in starea de somn. Astfel se poate explica energia relativ mare consumata de nodul 1 in acest mare. Deṣi iniṭial poate parea mult, valoarea consumata in acest mod este totuṣi foarte mica, aproximativ 1.62mJ pentru o durata destul de insemnata de 400 de secunde.

Figura 6.8 Energia consumata in starea de aṣteptare

Concluzia ce se trage in urma analizei modelului baterie ṣi a modelului energie este acela ca, pentru tehnologia ZigBee, consumul de energie, daca este gestionat corect, poate conduce catre o durata de viaṭa foarte lunga de timp a echipamentelor. Doar daca observam energia consumata in acest scenariu relativ incarcat, vom trage concluzia ca dispozitivele ZigBee pot funcṭiona pe o perioada foarte indelungata fara a fi nevoie de schimbul bateriilor sau de vreo alta intervenṭie umana.

Analiza la nivelul MAC

Subnivelul MAC al IEEE 802.15.4 controleaza accesul la canalul radio. El dispune de serviciile CSMA-CA - Carrier Sesne Multiple Access Collision Avoidance, pentru a evita coliziunile pe legatura radio.

Pe langa aceasta, nivelul MAC are ṣi alte obligaṭii precum asocierea ṣi disasocierea reṭelei. De asemenea, in cazul care avem de a face cu un sistem ce dispune de securitate aplicata legaturii radio, aceasta este de asemenea o indatorire a nivelului MAC.

Alte sarcini ale nivelului MAC includ fluxul de control, confirmarea ṣi retransmiterea pachetelor - acolo unde este cazul - cadrul de date ṣi sincronizarea reṭelei.

In figura de mai jos vom analiza cine anume trimite semnalele luminoase in reṭea ṣi cate anume sunt ele.

Figura 6.9 Numarul de semnale luminoase trimise

In urma analizei graficului am constatat ca singurul nod ce transmite semnale luminoase este nodul 1, lucru normal dealtfel deoarece acesta este nodul PAN Coordinator.

Numarul semnalelor luminoase trimise de acesta a fost de 3250.

In figura urmatoare insa, se va observa ca nu toate aceste semnale luminoase vor ajunge catre toate celelalte noduri.

Figura 6.10 Numarul semnalelor luminoase primite

Astfel se poate observa ca au existat semnale luminoase ce nu au ajuns la destinaṭie. Spre exemplu, catre nodul 2 au ajuns doar 3222 de astfel de semnale, iar catre nodul 3 3198. Astfel se trage concluzia ca au loc pierderi ṣi la nivelul transmiterii de astfel de semnale luminoase.

Tratarea fluxurilor de trafic

In timpul detalierii scenariului a fost menṭionata existenṭa mai multor fluxuri de date cu rata de bit constanta - CBR. Aṣa cum am specificat in descrierea scenariului au existat 5 astfel de fluxuri, fiecare incepute ṣi sfarṣite la momente diferite de timp. Vom verifica acest lucru cu ajutorul graficelor generate de simulator.

Astfel vom avea: Timpul la care s-a trimis primul pachet:

Figura 6.11 Momentul transmiterii primului pachet

Astfel se observa ca nodul 11 (hoṭul - un nod fals) "transmite" primul pachet la secunda 50, in momentul in care acesta intra prin efracṭie in casa, ṣi acest lucru declanseaza o reacṭie din partea nodului constatator, nodul 2, ce efectureaza la randul lui transmiterea primului pachet catre PAN Coordonator la secunda 50.

Nodul 12 (copilul - un nod real prin dispozitivul purtat de copil pe post de braṭara) trimite primul pachet la secunda 275, in momentul in care se considera ca acesta ajunge in bucatarie,  ṣi acest lucru declanseaza o reacṭie din partea nodului 3, ce efectueaza la randul lui transmiterea primului pachet catre PAN Coordonator la secunda 275.

Nodul 4 detecteaza un inceput de incendiu la secunda 350 ṣi raporteaza imediat acest lucru PAN Coordonator-ului.

Momentul trimiterii ultimului pachet:

Figura 6.12 Momentul trimiterii ultimului pachet

Astfel vom constata ca momentul trimiterii ultimului pachet va fi:

Pentru nodul 11: secunda 99;

Pentru nodul 2: secunda 99;

Pentru nodul 12: secunda 324;

Pentru nodul 2: secunda 324;

Pentru nodul 4: secunda 399.

Numarul total de biṭi transmiṣi va fi:

Figura 6.13 Numarul total de biṭi transmiṣi

Valoarea este de 25600, exact cea calculata anterior.

Numarul total de pachete trimise va fi:

Figura 6.14 Numarul total de pachete trimise

Numarul acestora este de 50, exact cate am presupus in scenariu.

Tranzitul traficului CBR va fi:

Figura 6.15 Tranzitul traficului

Concluzii

In urma rezultatelor simularii am constatat ca exista o oarecare pierdere de informaṭii (vezi exemplul de pierdere al semnalului luminos) iar acest fapt conduce catre o rata de transfer scazuta. De asemenea in cadrul dezvoltarii scenariului am constatat ca modificarea unor parametrii precum frecvenṭa canalului, intervalul de trimitere a pachetelor, dimensiunea pachetelor, durata unui cadru, tipul de trafic, inceputul ṣi sfarṣitul emiterii unui anume tip de trafic etc. conduc catre modificarea performanṭei sistemului imaginat.

De asemenea, modelul antenei folosite este un factor important in ceea ce priveste comportarea reṭelei. Alegerea unei antene omnidirecṭionale poate avea avantajele sau dezavantajele sale in funcṭie de mediul in care este plasata, relativ la o antena directiva spre exemplu.

Faptul ca exista pierderi conduce la ideea ca se poate folosi un model de predicṭie insa trebuie avut in vedere faptul ca modelul de pierderi cel mai frecvent folosit in comunicaṭiile mobile, Okumura-Hata, este nepotrivit pentru un asemenea scenariu. Am menṭionat pe parcursul lucrarii ca ZigBee prefera sa foloseasca frecvenṭe de 2.4 GHz, frecvenṭe ce nu necesita licenṭa, insa trebuie ṭinut cont ca acest model de predicṭie este potrivit doar pentru frecvenṭe de pana la 1.5GHz.

Probabil cel mai important factor in tehnologia ZigBee este managementul puterii. Managementul corespunzator al puterii conduce la un timp de viaṭa foarte mare pentru echipamentele ZigBee, de ordinul lunilor sau chiar al anilor. Se poate face o comparaṭie foarte elocventa cu celelalte tehnologii din acest punct de vedere ṣi se ajunge la concluzia ca spre deosebire de timpul de funcṭionare al bateriilor laptopurilor (de ordinul orelor) sau al telefoanelor (de ordinul zilelor), ZigBee se dovedeṣte a fi foarte eficient. Dupa cum am putut constata din figurile 6.7 ṣi 6.8, nodurile RFD ce nu aveau alimentare de la o sursa inepuizabila de curent au consumat foarte puṭina energie in modul de aṣteptare ṣi extrem de puṭina energie in modul de somn (ṭinandu-se cont totodata de faptul ca am presupus ca in modul de somn, se consuma energie destul de multa comparativ cu cazul real). De fapt, principalul motiv pentru care ZigBee are un consum redus de energie este aceasta abilitate de a permite RFD-urilor sa doarma deoarece un nod dintr-o reṭea ZigBee nu este nevoit sa ramana in contact permanent cu reṭeaua pentru a activa in aceasta.