О некоторых особенностях перегрузки в радиочастотном диапазоне 2,4 гГц при совместном использовании Wi-Fi и устройств mesh-сетей | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 13 марта, печатный экземпляр отправим 17 марта.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: Информационные технологии

Опубликовано в Молодой учёный №6 (348) февраль 2021 г.

Дата публикации: 04.02.2021

Статья просмотрена: 1 раз

Библиографическое описание:

Павлов, Н. А. О некоторых особенностях перегрузки в радиочастотном диапазоне 2,4 гГц при совместном использовании Wi-Fi и устройств mesh-сетей / Н. А. Павлов. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2021. — № 6 (348). — С. 81-85. — URL: https://moluch.ru/archive/348/78399/ (дата обращения: 01.03.2021).



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.

Расположение сетевых устройств при исследовании в пересечении прямолинейного коридора и другого помещения

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:

  1. М. Шейкин. Сетевые технологии ZigBee. Обзор элементной базы // Электроника: НТБ. — № 6, 2011 (00112). — стр. 36–40.
  2. Gislason D. ZigBee Wireless Networking. [Текст] / D. Gislason — Boston, Massachusetts: Newnes, 2008. — 427 с.
  3. Козлов И. Детальный разбор стандарта ZigBee. Формирование и анализ работы сети. [Текст] / И. Козлов. — Саарбрюккен: LAP Lambert Academic Publishing, 2015. — 80 стр.
  4. Лиэри Дж., Рошан П. Основы построения беспроводных локальных сетей стандарта 802.11. [Текст] / Дж. Лиэри, П. Рошан. — М.: Издательский дом «Вильямс», 2004. — 304 с.
  5. 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.
  6. Росс, Дж. Wi-Fi. Беспроводная сеть. [Текст] / Дж. Росс. — М.: NT Press, 2007. — 309 с.
  7. Shin S. Y. Coexistence Study on Low Rate Wireless Personal Area Networks. [Текст] / S. Y. Shin. — Saarbrücken: LAP Lambert Academic Publishing, 2013. — 92 c.
Основные термины (генерируются автоматически): IEEE, канал, ISM, сеть, пересечение коридора, прямолинейный коридор, устройство, измеренный коэффициент приема пакетов, помещение, EEE.


Ключевые слова

анализ трафика, Wi-Fi сети, mesh-сети, перекрытие каналов, предотвращение перегрузки
Задать вопрос