Технические науки /6. Электротехника и радиоэлектроника

П.В. Галкин, С.В. Кукунин, О.В. Тимофеева

Исследование влияния различных факторов на дальностЬ связи беспроводных модулей ZIGBEE

Харьковский национальный университет радиоэлектроники

Широкое применение беспроводных технологий ZigBee основывается на быстрой применимости таковых для построения беспроводных сенсорных сетей с небольшой скоростью передачи, до 250 кбит/с. Технология ZigBee применяется для построения различных систем «умного дома»: управление освещением, кондиционированием-обогревом, охранными датчиками и бытовыми приборами. В большинстве случаев сети ZigBee развертываются внутри помещений, а производители указывают дальность действия приемопередатчиков на открытом пространстве, поэтому ответить на вопрос о дальности связи в реальных условиях затруднительно. Именно с этой целью были проведены исследования по определению влияния преград внутри помещения, а также влияния городской застройки на дальность связи на открытом пространстве.

Для проведения исследований дальности связи с использованием беспроводных модулей ZigBee, доступных на данный момент на территории Украины, использовались приемопередатчики XBee производства компании Digi (MaxStream), рисунок 1.

Рисунок 1 – Внешний вид используемого модуля XBee в эксперименте

Основная задача, которая ставилась при эксперименте – определение реальной дальности связи с использованием беспроводных модулей XBee в помещении и вне помещений в условиях городской застройки, а также разработка практических рекомендаций по их использованию.

Для исследования дальности связи беспроводных модулей XBee в условиях помещения применялось два модуля, эксперимент проходил на базе Харьковского национального университета радиоэлектроники. Полученные в ходе эксперимента результаты приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Зависимость качества приема сигнала от расстояния между модулями в помещении

Пакеты			Уровнь сигнала на входе приемника, дБ	Расстояние между модулями, м	Размер пакета, байт
принятые	непринятые	Процент принятых пакетов,%
77	23	77	-85	30	2
97	3	97	-82	25
98	2	98	-78	20
100	0	100	-70	15
100	0	100	-63	10
100	0	100	-55	5
100	0	100	-40	0
73	27	73	-88	30	8
83	17	83	-85	25
100	0	100	-78	20
97	3	97	-75	15
100	0	100	-65	10
100	0	100	-57	5
100	0	100	-40	0
83	17	83	-85	30	32
88	12	88	-83	25
96	4	96	-80	20
100	0	100	-70	15
100	0	100	-69	10
100	0	100	-61	5
100	0	100	-40	0

Проанализировав полученные данные можно сделать вывод, что количество не принятых пакетов, вне зависимости от размера передаваемого пакета, резко уменьшается после 20-25 метров, как показано рисунках 2-4.

Рисунок 2 – График зависимости процента принятых пакетов от расстояния при размере пакета 2 байта

Рисунок 3 – График зависимости процента принятых пакетов от расстояния при размере пакета 8 байт

Рисунок 4 – График зависимости процента принятых пакетов от расстояния при размере пакета 32 байта

Все измерения проводились при помощи специализированной программы X-CTU компании Digi, рисунок 5.

Рисунок 5 – Внешний вид программы X-CTU для работы с модулями XBee

Программа X-CTU позволяет оценивать уровень сигнала (в дБ), и подсчитывать процент принятых пакетов (в %).

В большинстве практических реализаций, сети ZigBee эксплуатируется внутри помещений, а не на открытом пространстве в условиях прямой видимости между узлами. Для таких случаев часто применима моделей распространения радиосигналов внутри помещений – модель логарифмически-нормального распределения потерь в тракте [1]:

где d –расстояние между передатчиком и приемником (м); d0 – эталонное расстояние (м); α – показатель степени потерь в тракте; – случайная гауссова переменная с нулевым средним и дисперсией (дБ).

Для эксперимента вне закрытого помещения также использовалось два беспроводных модуля. Условия эксперимента приведены на рисунке 6, пунктирной прямой красного цвета показано перемещение одного из модулей в ходе эксперимента, красной точкой показан стационарно расположенный модуль.

Рисунок 6 – Место проведения эксперимента

Для модели распространения в свободном пространстве предполагается, что между передатчиком и приемником нет преград или отражающих объектов. Следующая формула позволяет найти величину ослабления в свободном пространстве в зависимости от расстояния между модулями:

,

где R – расстояние между передатчиком и приемником (метры), – длина волны (в данном случаи 2,4 ГГц), –потери на трассе распространения радиосигнала.

На открытом пространстве, в условиях города, все же существуют преграды (металлоконструкции зданий, перемещение персонала, студентов и т.д.), именно такими были условия приводимого эксперимента. Полученные в ходе эксперимента результаты отражены в таблице 2.

Таблица 2 – Зависимость количества принятых пакетов данных от расстояния между модулями для открытого пространства

№ опыта	Временной интервал между пакетами, мс	Пакеты			Уровнь сигнала на входе приемника, дБ	Расстояние между модулями, м	Размер пакета, байт
		принятые	непринятые	Процент принятых пакетов,%
1	1000	190	10	94,5	-86	110	32
2		196	4	98	-78	100
3		200	0	100	-76	90
4		191	9	95,5	-83	80
5		171	29	85,5	-83	70
6		196	4	98	-82	60
7		200	0	100	-82	50
8		200	0	100	-73	40
9		177	23	88,5	-79	30
10		200	0	100	-74	20
11		200	0	100	-68	10
12		200	0	100	-40	0

На рисунках 7 и 8 приведёны графики зависимости процента принятых пакетов и затухания сигнала в зависимости от расстояния.

Рисунок 7 – График зависимости процента принятых пакетов от расстояния в условиях открытого пространства

Рисунок 8 – График зависимости затухания сигнала от расстояния в условиях открытого пространства

Анализируя полученные данные можно сделать вывод, что явные уменьшения количества принимаемых пакетов, как видно на рисунке 7, объясняется наличием двух переходов между корпусами университета. Наличие прямой видимости предполагает, что первая зона Френеля полностью открыта. В условиях нашего эксперимента происходит частичное закрытие первой зоны Френеля препятствиями (переходом), увеличивая количество переотражений и временные задержки радиосигнала, что приводит к еще более значительным замираниям радиосигнала в приемнике, потере пакетов данных и деградации канала связи.

Перемещение людей также приводит к изменению качества связи. Это объясняется тем, что в точке приема сходятся сигналы, отраженные от множества окружающих предметов (многолучевой прием). При этом в зависимости от взаиморасположения окружающих предметов сигналы в точке приема могут как усиливаться, так и ослабляться. Сильное влияние отраженных сигналов подчеркивают наблюдения в ходе эксперимента.

Проанализировав теоретические и полученные практические результаты можно сделать вывод, что рекомендуемым расстоянием между узлами, внутри помещений, является расстояние не превышающее 25 метров, а для открытого пространства с учётом возможных преград – 60 метров. При наличии явных преград нужно использовать ретранслятор. Использование эффективного маршрута передачи данных обеспечивает внедрение технологии ZigBee в повседневную жизнь.

Коллектив авторов выражает благодарность Карловскому Дмитрию, магистру Одесской национальной академии связи им. А. С. Попова, за критические замечания и советы по исследованию дальности связи для технологии ZigBee.

Литература

1. Баскаков С.С. Стандарт ZigBee и платформа MeshLogic: эффективность маршрутизации в режиме "многие к одному". – Первая миля, 2008, № 2, с. 32–37.