В статье анализируется проблематика сосуществования устройств, работающих по стандарту IEEE 802.11 (Wi-Fi сети) и IEEE 802.15.4 (ZigBee сети). Рассматриваются исходные условия для проведения исследований; приводятся результаты анализа перегрузки в радиочастотном диапазоне 2,4 гГц в случае одиночного протяженного коридора и пересечения коридора с другими помещениями и предлагаются способы ее снижения.
Ключевые слова: Wi-Fi сети, mesh-сети, анализ трафика, перекрытие каналов, предотвращение перегрузки.
The article analyzes the problems of coexistence of devices operating under the IEEE 802.11 standard (Wi-Fi networks) and IEEE 802.15.4 (ZigBee networks). Discusses the initial conditions for carrying out research; presents an analysis of congestion in a radio frequency of 2.4 GHz in the case of a single long corridor and crossing the corridor to other areas and suggests ways to reduce it.
Keywords: Wi-Fi networks, mesh networks, traffic analysis, channel overlap, congestion prevention.
1. Введение. Нелицензионный диапазон ISM 2,4 гГц используется различными устройствами, стандартами и приложениями. В последнее широко внедряются ячеистые (mesh) ZigBee сети [1–3 и др.], предназначенные для функционирования IoT-устройств (устройств «интернета вещей») стандарта EEE 802.15.4. В составе ZigBee сетей обычно присутствуют следующие виды устройств. Координатор (ZigBee Coordinator) — устройство инициирует сеть и команды для управления действиями сети, а также обеспечивает безопасность всех процессов. Маршрутизатор (ZigBee Router) — маршрутизирует данные и обеспечивают восстановление устройств в случае перегрузки или неисправности сети; соединен с координатором, другими маршрутизаторами, а также с периферийными устройствами. Конечное устройств (ZigBee End Device) — предназначено для получения и отправки пакетов данных, подключается к координатору и маршрутизаторам, и обеспечивает функционирование сенсоров, контроллеров и т. п., выполняющих команды.
Сети Wi-Fi функционирует в нелицензионных диапазонах ISM 2,4 ГГц и 5 ГГц [4–6 и др]. Поскольку в статье рассматривается вопрос о совместном использовании Wi-Fi и ZigBee устройств, следует ограничить проблематику диапазоном 2,4 ГГц. Стандарты IEEE 802.11 b/n работают в 13 каналах, доступных в диапазоне 2,4 ГГц, и соответственно пронумерованных от 1 до 13, каждый с полосой пропускания 22 МГц и разделением каналов 5 МГц. Полоса пропускания каналов ZigBee составляет 2 МГц и разделена 5 МГц, доступно 16 каналов в диапазоне 2,4 ГГц, пронумерованных от 11 до 26.
При этом возникает проблема сосуществования устройств [7 и др.], работающих по стандарту IEEE 802.11 (Wi-Fi сети) и IEEE 802.15.4 (ZigBee сети). Это особенно сказывается на сетях ZigBee, которые разделяют диапазон ISM 2,4 гГц с устройствами Wi-Fi, способными в сотни раз увеличивать мощность передатчика.
2. Описание исходных условий для проведения исследования. В организации существует беспроводная локальная вычислительная сеть (БЛВС), сигнал Wi-Fi генерируется устройствами D-Link DAP-2590, работающими в частотном диапазоне 2,4 гГц (стандарт 802.11n), каналы 1, 4, 8, 11, мощность 60 мВт. При проведении исследования перебирались все 13 каналов указанного частотного диапазона.
На Рисунке 1 представлена диаграмма измеренного программно-аппаратным анализатором уровня сигнала от 4 точек доступа, размещенных в здании организации, а также распределение уровня сигнала в пространственных объемах зон. Отметим, что максимальный уровень сигнала практически во всех зонах (соответствующие помещения в здании организации), кроме раздевалки, имеет высокие значения и составляет в среднем (-57…-60 дБм). При этом основные проблемы по мнению заказчика исследования наблюдаются в протяженных коридорах, а также на их пересечении, что обусловило дальнейший выбор пространственной конфигурации исследуемых помещений. Также по согласованию с заказчиком исследования было принято решение считать, что канал ZigBee, коэффициент приема пакетов которого меньше или равен 65 %, настроен на перекрывающийся канал Wi-Fi (и наоборот), исходя из того, что в этом случае приемник не может принимать два или более последовательных пакета.
3. Прямолинейный протяженный коридор. Первое исследование выполнялось в прямолинейном коридоре (см. Рисунок 2), соединяющем помещение «Под реконструкцией» и «Склад 1» (см. Рисунок 1). Отправитель ZB1, находящийся в сети ZigBee (датчик температуры, осуществлялся плавный нагрев промышленным феном и последующее остывание), передал по каждому из каналов сети 100 пакетов получателю ZB2. Одновременно c узла WF1, находящегося в БЛВС Wi-Fi, потоковое видео объемом 2 гигабайта на узел WF2 по каждому из каналов Wi-Fi.
|
|
|
|
Рис. 1. Диаграмма измеренного уровня сигнала (дБм) в помещениях организации |
Рис. 2. Расположение сетевых устройств при исследовании в прямолинейном коридоре |
Результаты исследования приведены в Таблице 1, значения показывают количество принятых получателем ZigBee-сети пакетов для 100 пакетов, сгенерированных отправителем.
Таблица 1
Измеренный коэффициент приема пакетов при соседстве Wi - Fi и ZigBee сети (прямолинейный коридор)
|
Кан. ZigBee |
Каналы Wi-Fi |
Ср.знач. |
||||||||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
||
|
11 |
14 |
100 |
99 |
100 |
100 |
100 |
95 |
100 |
100 |
100 |
100 |
94 |
100 |
92 |
|
12 |
11 |
32 |
91 |
99 |
96 |
82 |
100 |
92 |
100 |
80 |
100 |
100 |
100 |
83 |
|
13 |
100 |
12 |
19 |
64 |
69 |
98 |
99 |
95 |
99 |
100 |
100 |
100 |
100 |
81 |
|
14 |
33 |
21 |
15 |
19 |
99 |
100 |
95 |
100 |
99 |
100 |
100 |
100 |
100 |
75 |
|
15 |
64 |
1 |
25 |
51 |
76 |
87 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
77 |
|
16 |
99 |
95 |
80 |
65 |
22 |
34 |
97 |
99 |
99 |
96 |
99 |
100 |
100 |
83 |
|
17 |
100 |
82 |
62 |
37 |
25 |
47 |
53 |
99 |
99 |
100 |
100 |
100 |
100 |
77 |
|
18 |
95 |
100 |
100 |
90 |
44 |
76 |
52 |
36 |
100 |
100 |
99 |
100 |
100 |
84 |
|
19 |
84 |
90 |
80 |
90 |
76 |
7 |
8 |
1 |
1 |
89 |
87 |
62 |
64 |
56 |
|
20 |
95 |
90 |
90 |
94 |
88 |
73 |
34 |
27 |
12 |
48 |
96 |
38 |
51 |
64 |
|
21 |
99 |
99 |
98 |
98 |
89 |
83 |
70 |
1 |
12 |
19 |
6 |
44 |
96 |
62 |
|
22 |
98 |
100 |
80 |
77 |
74 |
92 |
98 |
82 |
17 |
10 |
18 |
57 |
100 |
69 |
|
23 |
94 |
98 |
75 |
100 |
88 |
99 |
99 |
100 |
99 |
81 |
25 |
26 |
29 |
77 |
|
24 |
98 |
100 |
99 |
99 |
100 |
98 |
99 |
99 |
100 |
78 |
20 |
12 |
3 |
77 |
|
25 |
96 |
90 |
100 |
90 |
93 |
99 |
99 |
100 |
98 |
95 |
99 |
99 |
40 |
92 |
|
26 |
99 |
100 |
100 |
100 |
94 |
99 |
99 |
100 |
100 |
100 |
100 |
97 |
100 |
99 |
|
Кол-во перекр. кан. |
4 |
4 |
4 |
4 |
3 |
3 |
4 |
4 |
4 |
3 |
4 |
6 |
5 |
4 |
Анализ Таблицы 1 показывает, что для канала 1 Wi-Fi существуют перекрывающиеся каналы ZigBee, а именно 11, 12, 14 и 15. Для канала 2 Wi-Fi перекрывающиеся с ZigBee каналы — 12, 13, 14 и 15. Для канала 3 перекрывающимися каналами ZigBee являются 13, 14, 15 и 17, и т. д. Среднее значение переданных в mesh-сети пакетов имеет недопустимые значения на трех каналах ZigBee: 19, 20 и 21. При этом среднее количество Wi-Fi каналов, перекрывающихся с каналами ZigBee, составляет 4.
4. Пересечение коридора с другим помещением. Второе исследование выполнялось для пересечения коридора и помещения «Дирекция» (см. Рисунок 1, Рисунок 3). Настройка пакетной передачи в сети ZigBee и загруженность Wi-Fi сети аналогична первому исследованию.
Результаты исследования приведены в Таблице 2.
Рис. 3. Расположение сетевых устройств при исследовании в пересечении прямолинейного коридора и другого помещения
Таблица 2
Измеренный коэффициент приема пакетов при соседстве Wi - Fi и ZigBee сети (пересечение коридора и помещения)
|
Кан. ZigBee |
Каналы Wi-Fi |
Ср. знач. |
||||||||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
||
|
11 |
3 |
82 |
100 |
97 |
81 |
71 |
83 |
68 |
100 |
100 |
65 |
49 |
76 |
75 |
|
12 |
3 |
26 |
68 |
71 |
83 |
76 |
83 |
77 |
79 |
78 |
79 |
83 |
76 |
67 |
|
13 |
6 |
53 |
70 |
65 |
83 |
76 |
83 |
77 |
79 |
78 |
70 |
83 |
76 |
69 |
|
14 |
83 |
76 |
65 |
34 |
98 |
77 |
76 |
81 |
73 |
83 |
95 |
75 |
100 |
78 |
|
15 |
71 |
76 |
74 |
2 |
45 |
81 |
95 |
96 |
79 |
83 |
79 |
81 |
97 |
73 |
|
16 |
59 |
78 |
50 |
62 |
73 |
73 |
73 |
83 |
95 |
96 |
62 |
55 |
90 |
73 |
|
17 |
69 |
78 |
45 |
4 |
5 |
4 |
10 |
75 |
58 |
81 |
65 |
49 |
79 |
47 |
|
18 |
77 |
74 |
90 |
68 |
10 |
49 |
14 |
6 |
76 |
82 |
83 |
72 |
75 |
59 |
|
19 |
69 |
85 |
86 |
80 |
75 |
47 |
7 |
2 |
5 |
61 |
72 |
79 |
84 |
57 |
|
20 |
48 |
74 |
70 |
82 |
71 |
59 |
1 |
3 |
7 |
26 |
75 |
66 |
81 |
51 |
|
21 |
82 |
77 |
81 |
72 |
75 |
72 |
73 |
4 |
2 |
5 |
11 |
12 |
14 |
44 |
|
22 |
78 |
83 |
85 |
76 |
72 |
78 |
40 |
6 |
2 |
3 |
66 |
68 |
76 |
56 |
|
23 |
87 |
85 |
72 |
80 |
76 |
81 |
80 |
75 |
85 |
62 |
36 |
79 |
88 |
75 |
|
24 |
79 |
71 |
76 |
77 |
82 |
90 |
80 |
81 |
75 |
70 |
5 |
40 |
50 |
67 |
|
25 |
68 |
74 |
67 |
86 |
83 |
80 |
78 |
76 |
77 |
61 |
48 |
20 |
3 |
63 |
|
26 |
88 |
87 |
84 |
84 |
85 |
85 |
86 |
85 |
84 |
84 |
81 |
88 |
85 |
85 |
|
Кол-во перекр. кан. |
5 |
2 |
2 |
4 |
3 |
4 |
5 |
5 |
5 |
6 |
5 |
6 |
3 |
4,23 |
Для пересечения коридора и помещения, а тем более пересечения двух протяжённых коридоров влияние Wi-Fi на сеть ZigBee оказывает большее влияние на количество переданных пакетов: по сравнению с расположением устройств в одном коридоре наблюдается как более чем двухкратный рост каналов ZigBee, где среднее значение переданных в mesh-сети пакетов имеет недопустимые значения (17, 18, 19, 20, 21 и 22 каналы), так и снижение величины среднего значения. Кроме того, увеличивается среднее значение количества Wi-Fi каналов, перекрывающихся с каналами ZigBee с 4 % до 4,23 %; прирост составляет 5,7 %.
Результаты и их обсуждение. Проведенные исследования показывают, что при совместном использовании сетей 802.11и 802.15.4 могут возникать помехи даже между устройствами на каналах, считающимися неперекрывающимися, что особо проявляется в случаях, когда устройства находятся близко друг к другу и/или точка доступа Wi-Fi генерирует мощный по величине сигнал. Очевидно, что взаимное влияние может быть уменьшено или устранено, во-первых, за счет увеличения расстояния между устройствами. Во-вторых, в случае если оборудование ZigBee поддерживает выбор фиксированного канала, рекомендуется использование 26-го канала: в этом случае достигается максимальная величина среднего значения переданных пакетов. В-третьих, если выбор фиксированного канала в оборудовании mesh-сети невозможен, следует опытным путем подобрать канал Wi-Fi канал, обеспечивающий минимальное перекрытие с каналами ZigBee, при этом для уменьшения временных затрат следует начинать проводить эксперименты с 5 или 6 канала Wi-Fi.
Заключение. Методы, предложенные в данной статье, позволяют минимизировать взаимное влияние устройств Wi-Fi и ZigBee сетей. Для организации — заказчика исследований при внедрении беспроводной сетевой инфраструктуры был применен совместно первый (для части ZigBee устройств) и третий вариант, при этом измеренный коэффициент приема пакетов возрос на 45 %.
Литература:
- М. Шейкин. Сетевые технологии ZigBee. Обзор элементной базы // Электроника: НТБ. — № 6, 2011 (00112). — стр. 36–40.
- Gislason D. ZigBee Wireless Networking. [Текст] / D. Gislason — Boston, Massachusetts: Newnes, 2008. — 427 с.
- Козлов И. Детальный разбор стандарта ZigBee. Формирование и анализ работы сети. [Текст] / И. Козлов. — Саарбрюккен: LAP Lambert Academic Publishing, 2015. — 80 стр.
- Лиэри Дж., Рошан П. Основы построения беспроводных локальных сетей стандарта 802.11. [Текст] / Дж. Лиэри, П. Рошан. — М.: Издательский дом «Вильямс», 2004. — 304 с.
- Смирнова Е. В., Пролетарский А. В. и др. Технологии современных беспроводных сетей Wi-Fi: Учебное пособие. [Текст] / [Е. В. Смирнова, А. В. Пролетарский и др.]. Под общ. ред. А. В. Пролетарского. — М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2017. — 446 с.
- Росс, Дж. Wi-Fi. Беспроводная сеть. [Текст] / Дж. Росс. — М.: NT Press, 2007. — 309 с.
- Shin S. Y. Coexistence Study on Low Rate Wireless Personal Area Networks. [Текст] / S. Y. Shin. — Saarbrücken: LAP Lambert Academic Publishing, 2013. — 92 c.
