Porównanie protokołów ze względu na strukturę sieci: bezpośrednia , płaska, hierarchiczna
Dla każdego scenariusza przeprowadzono symulacje wszystkich zaimplementowanych protokołów. Do opisu właściwości sieci wybrano scenariusz składający się z 50 węzłów, których rozmieszczenie zostało przedstawione na rysunku 4.7. Szczegółowe wyniki pozostałych symulacji załączono na końcu pracy, w głównej części pracy użyto ich do sporządzenia wykresów zbiorczych.
Dla symulacji właściwości energetycznych oraz sprawności transmisji wybrano protokoły rutingu oparte na metodzie wielodostępu CSMA (Carrier Sense Multiple Access) w warstwie łącza danych.
Badanie właściwości energetycznych.
Symulacje właściwości energetycznych miały na celu wykazać czas życia oraz rozkład energii dla poszczególnych sensorów w sieci. Parametry te są istotne dla sieci sensorowych, ponieważ nie jest pożądana sytuacja w której zdecydowanie dłużej działa jedynie kilka sensorów w sieci. Z punktu widzenia projektanta sieci sensorowej najlepszym rozwiązaniem jest, gdy wszystkie sensory w sieci są obciążone równomiernie a co za tym idzie ich czas życia jest zbliżony.
Struktura bezpośrednia
Wykres 5.1 Liczba działający sensorów w czasie dla protokołu o strukturze bezpośredniej.
Wykres 5.2 Rozkład energii w czasie dla protokołu o strukturze bezpośredniej.
Jak łatwo zauważyć przy użyciu protokołu o bezpośredniej strukturze w sieci znajdują się węzły nie biorące udziału w transmisji (znajdują się poza zasięgiem węzła zdarzeniowego i nie odbierają generowanych przez niego danych).
Struktura płaska
Wykres 5.3 Liczba działający sensorów w czasie dla protokołu o strukturze płaskiej.
Wykres 5.4 Rozkład energii w czasie dla protokołu o strukturze płaskiej.
Z powyższych wykresów wynika, że sieci oparte na protokołach o strukturze płaskiej, nadmiernie obciążają węzły znajdujące się najbliżej węzła nadrzędnego. Sytuacja taka nie jest wskazana, powoduje ona nierównomierne obciążenie wszystkich węzłów w sieci przez co skraca jej czas pracy.
Struktura hierarchiczna
Wykres 4.5 Liczba działający sensorów w czasie dla protokołu o strukturze hierarchicznej.
Wykres 5.6 Rozkład energii w czasie dla protokołu o strukturze hierarchicznej
W protokołach o strukturze hierarchicznej wszystkie węzły mają zbliżony czas pracy. Protokoły tego typu równomiernie obciążają wszystkie węzły w sieci co daje im bardzo dobre parametry pod względem energetycznym. Należy nadmienić, że mimo zwiększonego poboru energii wynikającego z potrzebnej protokołowi mocy obliczeniowej to właśnie on okazał się najdłużej działającym i wykorzystującym wszystkie węzły w zaimplementowanej przestrzeni. (nie bierzemy pod uwagę sytuacji w której przy życiu pozostają węzły pozostające poza zasięgiem działania sieci).
Porównanie właściwości energetycznych
Porównanie ma na celu przybliżyć i porównać właściwości protokołów w zależności od rozmiaru sieci. Szczegółowe wyniki dla poszczególnych protokołów zostały dodane na końcu pracy.
Wykres 5.7 Czas życia przynajmniej jednego węzła w sieci dla różnych protokołów.
Wykres 5.8 Czas życia przynajmniej 20% węzłów w sieci dla różnych protokołów.
Wykres 5.9 Czas życia przynajmniej 50% węzłów w sieci dla różnych protokołów.
Z wykresów zbiorczych dla wszystkich trzech typów protokołów rutingu wynika że najlepsze właściwości jeżeli chodzi o gospodarowanie energią, mają protokoły o strukturze hierarchicznej. Mimo że pozornie sieć typu bezpośredniego żyje dłużej (wykres 5.1), to tak naprawdę żyją w niej jedynie węzły znajdujące się poza obszarem transmisji i sieć w rzeczywistości już nie działa.
Udowodniono również poważną wadę protokołów o strukturze płaskiej. Protokoły tego typu przy rosnącej liczbie węzłów zachowują się coraz gorzej, tworzą nadmierny ruch, przez co znacznie skracają czas życia sieci. Z naszego punktu widzenia najlepsza sieć to taka, w której wszystkie węzły żyją maksymalnie długo i „umierają” jednocześnie. Nasze założenia dobrej sieci spełnia pod względem energetycznym jedynie sieć typu hierarchicznego.
Badanie jakości transmisji.
Przeprowadzone symulacje jakości transmisji miały na celu ukazanie wad i zalet badanych protokołów rutingu. Jakość transmisji to bardzo ważna cecha każdej sieci. W rzeczywistych warunkach często trzeba wybierać pomiędzy dużą niezawodnością a niewielkim opóźnieniem.
Struktura bezpośrednia
Wykres 5.10 Liczba pakietów odebranych przez węzeł nadrzędny dla protokołu o strukturze bezpośredniej.
Wykres 5.11 Średnie opóźnienie pakietu odebranego przez węzeł nadrzędny dla protokołu o strukturze bezpośredniej.
Dla protokołów o strukturze bezpośredniej potwierdzają się nasze założenia pakiety docierają z minimalnym opóźnieniem na które składa się jedynie czas propagacji sygnału radiowego. Na liczbę pakietów odebranych składają się jedynie pakiety z danymi sieć z rutingiem tego typu pozbawiona jest pakietów nadmiarowych.
Struktura płaska
Wykres 5.12 Liczba pakietów odebranych przez węzeł nadrzędny dla protokołu o strukturze płaskiej.
Wykres 5.13 Średnie opóźnienie pakietu odebranego przez węzeł nadrzędny dla protokołu o strukturze płaskiej.
Sieć oparta na protokołach rutingu o strukturze płaskiej, posiada znaczne i trudne do przewidzenia opóźnienia wynikające z różnej często losowej drogi pakietu pomiędzy źródłem a węzłem nadrzędnym. Opóźnienia te stanowią znaczną wadę dla tego typu rozwiązań.
Struktura hierarchiczna
Wykres 5.14 Liczba pakietów odebranych przez węzeł nadrzędny dla protokołu o strukturze hierarchicznej.
Wykres 5.15 Średnie opóźnienie pakietu odebranego przez węzeł nadrzędny dla protokołu o strukturze hierarchicznej.
W protokołach rutingu o strukturze hierarchicznej liczba pakietów odbieranych zależy w sposób liniowy od czasu. Opóźnienie ma natomiast niewielki wymiar gdyż pakiet po ustaleniu trasy wędruje jedynie między głównymi węzłami klastrów a węzłem nadrzędnym.
Porównanie jakości transmisji
Porównanie jakości transmisji ma na celu przybliżyć zachowanie się protokołów dla sieci składającej się z różnej liczby węzłów. Szczegółowe wyniki zostały zamieszczone na końcu pracy.
Wykres 5.16 Liczba pakietów odebranych przez węzeł nadrzędny dla różnych protokołów rutingu.
Wykres 5.17 Średnie opóźnienie pakietu odebranego przez węzeł nadrzędny dla różnych protokołów rutingu.
Wykres 5.18 Średnie opóźnienie pakietu odebranego przez węzeł nadrzędny dla protokołów o strukturze bezpośredniej i o strukturze hierarchicznej
.
Wykres 5.19 Jakość transmisji dla różnych protokołów rutingu.
Z przyjętych przez nas założeń i kryteriów oceny, dobry protokół rutingu powinien pod względem transmisji charakteryzować się jak najmniejsza ilością pakietów nadmiarowych, minimalnym opóźnieniem pakietu, oraz jak największą sprawnością.
Jak łatwo się zauważyć idealne parametry posiadają protokoły o strukturze bezpośredniej. Protokoły tego typu są w stanie przesłać największą liczbę danych, wynika to z braku dodatkowego czasu potrzebnego na ustalanie struktury sieci, czy wędrowanie pakietu po kolejnych węzłach. Niestety bezpośredni sposób rutowania jest bezskuteczny gdy węzły są poza zasięgiem radiowym, a należy pamiętać że im większy zasięg a tym samym moc nadajnika, tym większy pobór energii z baterii. Jeśli wziąć uwagę ilość energii zużywanej przez protokoły o strukturze bezpośredniej na transmisję danych przy duże odległościach, to również w tym wypadku najlepszym rozwiązaniem wydają się protokoły o strukturze hierarchicznej.
Podsumowanie
Podsumowując wyniki symulacji dla podziału ze względu na strukturę sieci: bezpośrednią, płaską i hierarchiczną można wysunąć następujące wnioski:
Każdy z wymienionych typów rutowania posiada wady i zalety (które potwierdzają założenia opisane w części teoretycznej naszej pracy).
Protokoły o strukturze bezpośredniej spełniają znakomicie swoją funkcje jeśli węzeł nadrzędny nie leży zbyt daleko od węzłów sensorowych. Zbyt wielka odległość powoduje nadmierne zużycie energii oraz czasami wręcz uniemożliwia transmisję. Ten tryb transmisji charakteryzuje się minimalnym opóźnieniem oraz nie wymaga wielkiej mocy obliczeniowej podczas rutowania.
Protokoły o strukturze płaskiej z powodzeniem wypierają protokoły o bezpośredniej strukturze sieci jeśli mamy do wypełnienia obszar na tyle spory że bezpośrednia transmisja jest niemożliwa, bądź zbyt kosztowna. Protokoły te potrzebują już jednak zasobów obliczeniowych zużywanych podczas rutowania, wprowadzają pakiety nadmiarowe. W przypadku znacznej liczby węzłów rośnie opóźnienie oraz zużycie mocy obliczeniowych. Zwiększając zagęszczenie węzłów w sieci doprowadzamy do jej samounicestwienia.
Protokoły o strukturze hierarchicznej pozbawione są wad protokołów o strukturze płaskiej. Posiadają niewielkie opóźnienie w transmisji pakietu niezależne od ilości węzłów. Cała sieć obciążona jest równomiernie i nie ma sytuacji gdy część sensorów pozostaje bezużyteczna znajdując się poza zasięgiem sieci. Znaczne zalety protokołów o strukturze hierarchicznej okupione są niezbędną znaczną mocą obliczeniową oraz interwałami czasu potrzebnymi na ustalenie struktury sieci.
komentarze
Copyright © 2008-2010 EPrace oraz autorzy prac.