Doktora Tez Savunması · Karadeniz Teknik Üniversitesi · Fen Bilimleri Enstitüsü · 2022

IoT Ağlar İçin Akıllı Anten Tabanlı Çizelgeleme Algoritmalarının İncelenmesi

Analysis of Smart Antenna Based Scheduling Algorithms for IoT Networks
Sercan Külcü
Bilgisayar Mühendisliği · Danışman: Doç. Dr. Sedat Görmüş · Savunma: 22 Eylül 2022
Problem6TiSCHAkıllı antenlerAnten modelleriUzamsal ayrım AnahtarlanabilirDöner yönlüMerkeziSonuç
Tezin tam metni (PDF) · English presentation · Gezinmek için ← → ya da Boşluk, tam ekran için F

Özet

Bir Bakışta

6TiSCH radyo kaynaklarını zaman ve frekans boyutunda çizelgeler. 2,4 GHz bandı kalabalık ve ağ yoğun olduğunda iki kaynak da yetmez. Akıllı ve yönlü antenler üçüncü bir boyut ekler: uzam.

Cooja'ya eklenen anten modeli2anahtarlanabilir, döner yönlü
Paylaşımlı hücrede iletim2–3 katMinimal Config. ve Orchestra
Uçtan uca gecikme≈ −%50anahtarlanabilir huzme, Tablo 3
Enerji, merkezi−%20'ye kadardağıtık çizelgelemeye göre
Tanı

Sahte İşaretçi paketi, düğümlerin ağa senkronize olmadan komşularını ve yönlerini öğrenmesini sağlar.

Yönel

RSSI tabanlı en iyi yön takibi, her komşu için en güçlü anten yönünü saklar.

Çizelgele

İki hibrit çizelgeleyici: dağıtık + özerk ve merkezi + özerk.

1 · Problem Tanımı · Etkileşimli

Kalabalık 2,4 GHz Bandı

IEEE 802.15.4 16 kanal sunar, ancak bandı Wi-Fi, Bluetooth ve diğer 802.15.4 ağları da kullanır. Wi-Fi kanallarını açıp kapatın:

boş 802.15.4 kanalıçakışan

1.2–1.3 · Problem ve Motivasyon

Kısıtlı Düğümler, Paylaşımlı Hücreler, Boşa Giden Enerji

  • Duyarga düğümleri küçüktür: örneğin TelosB'de 250 kbps 802.15.4 radyo, 8 MHz MSP430 ve 10 kB bellek bulunur. Kararlarını yalnızca yerel bilgiyle verirler.
  • Erişilmesi zor yerlerdeki düğümler pilleri kadar yaşar: ağın ömrünü enerji belirler.
  • Yeni düğümler ağa paylaşımlı hücrelerden katılır: herkes aynı dilim ve kanalda dinler, çarpışma ve girişim sıktır.
  • Tüm yönlü antenler her yöne yayın yapar; mevcut radyo görev döngüsü anten yönünü dikkate almaz, standart ortam erişim protokolleri yönlü antenlere uygun değildir.
Enerjiyi azaltmanın üç yolu

(1) akıllı antenle daha az atlamada daha uzağa gönderim, (2) radyoyu yalnızca gerektiğinde açan çizelgeleme, (3) gecikmeyi azaltıp kontrol trafiğini sağlıklı tutan akıllı çizelgeler.

Araştırma boşluğu

6TiSCH performansını akıllı antenlerle artırma fikri çalışılmamıştı: kaynaklar iki boyutlu kalmıştı.

1.4 · Amaç ve Sunulan Katkılar

Katkılar

Cooja ve Contiki'de anten modelleri

Senaryo dosyasından ayarlanabilen (anten sayısı, huzme genişliği) anahtarlanabilir huzme ve döner yönlü anten modelleri.

Anahtarlanabilir antenle dağıtık çizelgeleme (SF-DA)

Yönü dikkate alan kaynak planlama, en iyi anteni tutan komşuluk tablosu, Minimal Configuration ve Orchestra ile testler.

Döner yönlü antende hızlı komşu keşfi

Sahte İşaretçi paketi, komşu yönüne işaretçi gönderimi ve kontrol paketleri için özerk çizelge.

RSSI tabanlı en iyi yön

En yüksek alım gücünün elde edildiği yön her komşu için saklanır ve zamanla iyileştirilir.

Yönü dikkate alan TASA

Bilinen merkezi TASA algoritması anten yönlerine uyarlandı, ardından uçtan uca gecikme için geliştirildi.

Çift yönlü merkezi çizelgeleyici

Hücreler paketin toplayıcıya giden yolunu ve cevabın geri dönüş yolunu izler; gidiş-dönüş gecikmesi en aza iner.

2.1 · 6TiSCH Protokol Yığıtı

Kısaca 6TiSCH

CoAP · UDP · ICMPv6uygulama ve kontrol
IPv6 · 6LoWPAN · RPLadresleme, başlık sıkıştırma, köke doğru yönlendirme
6top (6P) + Çizelgeleme Fonksiyonuhangi hücre kime
IEEE 802.15.4 TSCHzaman dilimi + frekans atlama
Hücre = (zaman dilimi, kanal ofseti)

Çerçeve tekrar eder; her hücre TX, RX ya da paylaşımlıdır. Frekans atlama her çerçevede fiziksel kanalı değiştirir.

Çizelgeyi doldurmanın üç yolu

Özerk: düğüm kimliklerinden karmayla hücre (Orchestra). Dağıtık: komşular 6P ile anlaşır (SF0). Merkezi: tüm ağı gören çizelgeleyici (TASA, AMUS).

Bu tezde

Hücre (zaman dilimi, kanal, anten yönü) üçlüsü olur.

2.2 · Akıllı Antenler · Tablo 1 · Etkileşimli

Akıllı Antenler ve Yönlü Ortam Erişim Protokolleri

Anahtarlanabilir huzme

Bir RF anahtarın arkasında sabit yönlü birkaç anten (örneğin 6 antenli SPIDA). Komşuya bakan anten seçilir.

Döner yönlü (ESPAR)

Elektronik olarak döndürülen tek huzme: baktığı yönde yüksek kazanç, diğer yönlere karşı koruma; ancak doğru yön hesaplanmalıdır.

ÇalışmaYaklaşımKısıt
Schandy vd.SPIDA, 6 anahtarlamalı anten, ContikiMAC, RSSI ile anten seçimisenkron değil; çok anten zaman dilimini uzatır
Voigt vd.LoRaSim'de SPIDA, 4 ve 8 dBiLoRa, 802.15.4 değil
Varshney vd.toplu aktarım için yönlendirilebilir anten, 214 kbit/ssenkronizasyon yok, tek kanal
Nur vd.DCD-MAC, DRTS/DCTSyeni çerçeve yapısı, tüm yönlü ve yönlü karışık
Zhang vd.tanıma, tahsis ve veri aşamalarıüç yollu anlaşma, kontrol paketi maliyeti yüksek
Jakllari vd.PMAC, tüm yönlü tanıma ve RTS/CTSkontrol trafiği tüm yönlü
Huang vd.DBTMA/DA, meşgul tonuiki kanal, çok kanallı veri yok
Korakis vd.CDR-MAC, tüm yönlere sırayla RTSantenleri sırayla taramak zaman alır

3 · Geliştirilen Anten Modelleri

Contiki ve Cooja'da İki Anten Modeli

Contiki cihaz yazılımıCC2420 sürücüsü anteni ya da yönü seçer
→
SPI portlarıradyo 1: 1,3 · radyo 2: 2,6 · radyo 3: 3,5
→
Exp5438 düğümüMSP430F5437 + emüle edilmiş birden çok CC2420
→
UDGM radyo ortamımesafe, göreli açı ve huzme alımı belirler
Anahtarlanabilir huzme (3.1)

Her biri 180° ya da 120° kapsayan 2 veya 3 anten. Paylaşımlı hücrede tümegönderim tüm antenlerle yapılır; tekil gönderim yalnızca hedefe bakan antenle, EB paketinin alındığı anten bilgisine göre yapılır.

Döner yönlü (3.2)

Yön ve huzme genişliği için iki yazmaç. Kazanç Denklem (3)'e göre: G(θ) = 10(1 + cos θ) − 15 dBi. RSS, Denklem (4)'teki log-normal yol kaybı modeliyle: Ptx = 0 dBm, 1 m'de −40 dB kayıp, katsayı 2,5.

3 · Denklem (2)–(4) · Etkileşimli

Anten Laboratuvarı: Örüntüler ve Bağlantı Bütçesi

A'nın yönü
B'nin yönü
Mesafe

0° = diğer düğüme bakıyor. Eşik, Cooja'daki 50 m tüm yönlü menzilden türetildi; Tablo 6 akıllı anten için 15–80 m verir.

3–6 · Uzamsal Ayrım · Etkileşimli

Uzamsal Ayrım: Aynı Dilim, Aynı Kanal

Dilim

Tez sonucu değil, gösterim: 40 m aralıklı 25 düğüm, tek yönlendirme ağacı, açgözlü TASA benzeri çizelgeleyici; iki bağlantı aynı dilimi ve kanalı ancak alıcılardan hiçbiri diğer göndericiyi −90 dBm üzerinde duymuyorsa paylaşır. Renkler kanalları gösterir.

4.1 · Anahtarlanabilir Anten ile Dağıtık Çizelgeleme

SF-DA: Yönü Dikkate Alan Dağıtık Çizelgeleme

çerçevedeki her dilim için:
  PAYLAŞIMLI dilimse:
    tampon boşsa: tüm antenlerden dinle
       alımda: komşu(hedef, anten) güncelle
    değilse: tüm antenlerden gönder
  TX dilimi ve tampon dolu ise:
    tümegönderimse: tüm antenlerden gönder
    değilse: anten[komşu(hedef)] ile gönder
  RX dilimi: çizelgedeki komşuya
             bakan antenden dinle
  • Hücreler üçlüdür: (dilim, kanal, anten ofseti).
  • İstatistikler hücre bazlı değil anten bazlı tutulur: farklı yönlere bakan antenler farklı kanal koşullarıyla karşılaşır.
  • Birbirinden uzağa bakan bağlantılar aynı kanalda eşzamanlı haberleşebilir.
  • Paylaşımlı hücreler tüm antenleri kullanmaya devam eder; ağa katılım ve kontrol trafiği çalışır.

4.3 · Test Sonuçları

Anahtarlanabilir Huzme: Testler Ne Gösterdi?

AyarDeğer
Topoloji25 düğümlü ızgara, 200 m × 150 m, kök ortada
Dilim / çerçeve15 ms / 15 dilim
Menziller50 m iletim, 100 m girişim, düğümler arası 40 m
MACgeri çekilme 1–7, 5 tekrar gönderim, tampon 5, 127 bayt çerçeve
Koşum2 saat, 10 farklı rastgele tohum
Paylaşımlı hücre çizelgeleyicileri

Minimal Configuration ve Orchestra ile yönlü antenler paket iletim oranını 2–3 kat artırır; anten sayısı arttıkça, huzme daraldıkça kazanç büyür.

SF-DA

Kanal kısıtlıyken iletim oranında %100'e varan iyileşme; bağlantı kalitesi düştükçe (%90, %80 alım) etki belirginleşir.

Sınır

4'ten fazla kanalda kazanç kaybolur: yönlü antenler yoğun ve girişimin sınırladığı ağlarda değerlidir.

4.3, 5.6 · Tablo 3–4 · Etkileşimli

Ağ Büyüklüğüne Göre İletim, Gecikme ve Enerji

tüm yönlü2 anahtarlı3 anahtarlıdöner yönlü

4 kanal, %100 alım olasılığı, düğüm başına saniyede 1 paket. Tablo 3: 25, 49, 73, 101 düğüm; Tablo 4 81 düğümü ve döner yönlü anteni ekler.

5 · Döner Yönlü Anten ile Dağıtık Çizelgeleme

Dar Huzme Ağa Katılımı Neden Yavaşlatır?

Çarpışma

EB paketleri paylaşımlı hücrede çarpışma ve girişim yüzünden kaybolur.

Frekans atlama

Katılan düğüm, işaretçinin gönderildiği kanaldan farklı bir kanalı dinler.

Dar kapsama

Yanlış yöne bakan huzme işaretçiyi hiç duyamaz.

Sahte İşaretçi (5.2). Senkronize olmamış düğümler EB yerine Sahte İşaretçi yayar. Diğer senkronize olmamış düğümlerin radyosu açık olduğundan bu paketi kolayca alır, gönderen kimliğini, yönü ve RSSI'yi ağa katılmadan önce sanal komşu listesine yazar.

Komşuya yönelme (Alg. 4). Paylaşımlı hücrede düğüm listeden rastgele bir komşuya, yeni düğümleri de bulabilmek için 1/(komşu sayısı + 1) olasılıkla rastgele bir yöne döner.

id'den paket alınınca:              (Alg. 3)
  n = komşu(id)
  n yeni ise: ekle(id, yön, rssi)
  değil ve rssi > n.rssi ise:
     n.yön = yön; n.rssi = rssi
# en çok 8 komşu → Θ(1)

5.3 · Denklem (5)–(7) · Etkileşimli

Tümegönderim Trafiği için Özerk Hücreler

Döndürülen tek bir yayın tüm komşulara ulaşamaz; bu yüzden her tümegönderim komşu başına kopyalanıp tekil olarak gönderilir: SF0 hücrelerinden ya da iki kimlikten karmayla hesaplanan özerk hücrelerden.

tTX = ((IDk+1)·7 + (IDo+1)·13) mod 251 · tRX = ((IDo+1)·7 + (IDk+1)·13) mod 251 · f = (IDo+IDk) mod Lfas

Maliyet (5.5)

Düğüm başına ek hücre: Ca = 2·Nn·Ls/La; ağ büyüklüğüyle değil komşu sayısıyla artar.

5.6 · Test Sonuçları

Döner Yönlü Anten: Sonuçlar

Senkronizasyon süresi−%40rastgele yöne göre
Ağın oluşma süresi−%25rastgele yöne göre
Paket iletim oranı+%5–1081 düğümlü ızgara, tüm yönlüye göre
Tarama paketleri≈ −%25senkronizasyon, yoğunluğa bağlı
Tüm yönlüden hâlâ yavaş

Dar huzmeyle katılım tüm yönlü antenden yavaş kalır; ancak özerk hücreler en iyi senkronizasyon süresini verdi.

Enerji ödünleşimi

Bağlantılar kusursuzken çoğaltılan tümegönderimler enerji harcatır; kalite düştükçe ya da trafik arttıkça döner yönlü anten öne geçer.

Daha az atlama

80 m'ye varan menzil daha az röle demektir; kötü bağlantılar 50 m'lik tüm yönlü bağlantılara göre daha az etkiler.

6.1 · Döner Yönlü Anten ile Merkezi Çizelgeleme · Tablo 5 · Etkileşimli

Yönü Dikkate Alan TASA (DATASA)

Düğümler ata düğüm, komşu ve ölçtükleri yön bilgisini sınır yönlendiricinin arkasındaki çizelgeleyiciye gönderir. Çizelgeleyici bağlılık, girişim (2 atlama), çakışma, yön ve trafik matrislerini kurar, özerk hücreleri ekler ve her dilim için tekrarlar:

  1. Uyumlama: çakışmasız bağlantılar, trafiği en çok olan önce.
  2. Boyama: kanal ataması; birbirinden uzağa bakan bağlantılar aynı kanalı paylaşabilir.

20 düğüm ve tek kanallı örnekte: tüm yönlü antenle 32, döner yönlü antenle 25 dilim.

6.2–6.3 · Yol Tabanlı ve Çift Yönlü Çizelgeleme · Tablo 7 · Etkileşimli

Paketin Yolu Boyunca Çizelgeleme

Yol tabanlı TASA (6.2)

Yeni paket alan düğüm önce iletir, paketler röle tamponlarında beklemez: %10–15 daha düşük gecikme.

Çift yönlü çizelgeleyici (6.3)

PCE hücreleri toplayıcıya kadar atlama atlama, cevabı da geri dönüş yolunda planlar; dağıtığa göre %20'ye varan enerji tasarrufu.

merkezi · tüm yönlümerkezi · döner yönlüdağıtık · tüm yönlüdağıtık · döner yönlü

Tablo 7, istek + cevap gecikmesi. Merkezi çizelgeleme her durumda dağıtığı geçer; 49 düğümde dağıtık çizelgelemede döner yönlü anten tüm yönlüyü geçer.

4–6 · Değerlendirme

Hangi Yaklaşım, Ne Zaman?

Anahtarlanabilir huzme

  • basit RF anahtar, yön araması yok
  • en düşük enerji (dar huzme, az güç)
  • dağıtık 6TiSCH'e doğrudan uyar

Döner yönlü

  • uzun menzil, az atlama
  • büyük ağlarda en iyi iletim (81 düğümde %82,6)
  • keşif desteği ister: Sahte İşaretçi, özerk hücreler

Dağıtık

  • ölçeklenir, yerel olarak uyum sağlar
  • rastgele hücreler: yüksek ve değişken gecikme

Merkezi

  • en kısa çizelge, en düşük gecikme ve enerji
  • ölçeklenmez: 49 düğüme kadar test edildi; durağan, küçük ağlar için

7 · Sonuç

Sonuç

  • 6TiSCH'te anahtarlanabilir huzme, paylaşımlı hücredeki çarpışmaları azaltır; kanal kısıtlıyken iletim oranı, enerji ve gecikmeyi iyileştirir.
  • Döner yönlü anten ağa katılımda desteğe ihtiyaç duyar; dağıtık ve özerk çizelgelemenin birleşimi ile Sahte İşaretçi senkronizasyon, tümegönderim ve komşu keşfi sorunlarını çözer.
  • Çift yönlü, yol tabanlı merkezi çizelgeleyici küçük ve durağan ağlarda dağıtık çizelgelemeden daha düşük gecikme ve enerji sağlar.
  • Zaman, frekans ve uzam boyutunda çizelgeleme, yalnızca zaman ve frekansa göre iletim oranı, enerji ve gecikmede daha üstündür.

7 · Gelecek Çalışmalar · İlgili Yayınlar

Gelecek Çalışmalar ve Yayınlar

  • Anahtarlanabilir ve döner yönlü antenli gerçek bir test ortamında doğrulama.
  • 2,4 GHz bandını paylaşan diğer teknolojilerin yoğun girişimi altında değerlendirme.
  • En iyi yön bulma ve dağıtık çizelgelemede hücre seçimi için makine öğrenmesi.
  • Çok yollu yönlendirmenin döner yönlü antenlerle bütünleştirilmesi.

Tekrar

Kontrol Soruları

  1. Kalabalık 2,4 GHz bandı 6TiSCH'i neden sınırlar, yönlü anten ne katar?
  2. Paylaşımlı hücrede tümegönderim neden tüm antenleri, tekil gönderim neden tek anteni kullanır?
  3. Döner yönlü anten ağa katılımı neden yavaşlatır, Sahte İşaretçi nasıl yardım eder?
  4. İki komşu mesajlaşmadan ortak bir özerk hücreyi nasıl bulur?
  5. Merkezi çizelgeleme ne zaman daha iyi bir seçimdir, ne zaman değildir?
Cevapları göster
  1. Wi-Fi'den bağımsız az sayıda kanal kalır ve frekans çeşitliliği kaybolur; yönlü antenler birbirinden uzağa bakan bağlantıların aynı dilimi ve kanalı paylaşmasını sağlar (uzamsal ayrım).
  2. Paylaşımlı hücrede herhangi bir komşu dinliyor olabilir, tüm yönler kapsanmalıdır; tekil gönderimin hedefi komşuluk tablosundan bilinir ve tek anten daha az girişim yaratır.
  3. Huzme doğru zamanda, doğru kanalda doğru komşuya bakmalıdır; Sahte İşaretçi senkronize olmamış düğümlere komşularını ve yönlerini önceden öğretir, işaretçiler işe yarar yönlere gönderilir.
  4. İkisi de kimlik çiftinin karmasını hesaplar (Denklem 5–7): bir düğümün TX dilimi diğerinin aynı kanal ofsetindeki RX dilimidir.
  5. Kanalın kısıtlı, gecikmenin kritik olduğu küçük ve durağan ağlarda; büyük ya da değişken ağlarda değil, çünkü topoloji toplamak ve çizelge dağıtmak pahalıdır.

Kaynaklar

Seçili Kaynaklar

  • Vilajosana, X., Watteyne, T., Chang, T., Vučinić, M., Duquennoy, S., Thubert, P. (2019). IETF 6TiSCH: A tutorial. IEEE Commun. Surveys Tuts., 22(1), 595–615.
  • Palattella, M. R., Accettura, N., Dohler, M., Grieco, L. A., Boggia, G. (2012). Traffic aware scheduling algorithm for reliable low-power multi-hop IEEE 802.15.4e networks. IEEE PIMRC, 327–332.
  • Duquennoy, S., Al Nahas, B., Landsiedel, O., Watteyne, T. (2015). Orchestra: Robust mesh networks through autonomously scheduled TSCH. ACM SenSys, 337–350.
  • RFC 8180 (2017). Minimal IPv6 over the TSCH Mode of IEEE 802.15.4e (6TiSCH) Configuration. IETF.
  • Schandy, J., Olofsson, S., Gammarano, N., Steinfeld, L., Voigt, T. (2021). Improving sensor network performance with directional antennas: A cross-layer optimization. ACM Trans. Sens. Netw., 17(4), 1–21.
  • Varshney, A., Mottola, L., Carlsson, M., Voigt, T. (2015). Directional transmissions and receptions for high-throughput bulk forwarding in wireless sensor networks. ACM SenSys, 351–364.

Tez 140 kaynağa atıf yapar; tam liste için tezin tam metnine bakın. Slaytlardaki grafik ve şemalar tezden yeniden çizilmiştir.

Teşekkürler

IoT Ağlar İçin Akıllı Anten Tabanlı Çizelgeleme Algoritmalarının İncelenmesi
Atıf: Külcü, S. (2022). IoT Ağlar İçin Akıllı Anten Tabanlı Çizelgeleme Algoritmalarının İncelenmesi [Doktora tezi, Karadeniz Teknik Üniversitesi]. PDF
sercan.kulcu@giresun.edu.tr · Tüm yayınlar
1 / 1