CoSense : Heterojen Kablosuz Ağlarda ZigBee Parazitleri

ZigBee Nedir ?

ZigBee, adını arıların çiçekler arasındaki zig-zaglı karmaşık hareket yapılarından almıştır. Bu zig-zaglı yapı mesh (karmaşık) ağındaki düğümler arası haberleşmeyi sembolize eder. ZigBee Ağ bileşenleri kraliçe arı, erkek arı ve işçi arıları temsil eder.

Günümüzde teknoloji büyük bir şekilde ivmelenerek günlük yaşamımızın olmazsa olmazı olmuştur. İnsanoğlu çoğu işlemini artık teknoloji yardımıyla halletmektedir. Teknoloji üreticileri kullanılan teknolojinin enerji ve batarya talebini karşılama noktasında probleme düşmektedirler.

İnsanoğlu çoğu işlemini artık teknoloji yardımıyla hallederken Teknoloji üreticileri kullanılan teknolojinin enerji ve batarya talebini karşılama noktasında probleme düşmektedirler.

Dolayısıyla artık üretilen her teknoloji için aranılan şartlardan biri düşük güç tüketimi olmaktadır. Bunu ön gören mühendisler Zigbee Kablosuz Haberleşme Modülünü geliştirmişlerdir.

ZigBee ‘yi diğer cihazlardan ayıran temel özellikleri;

• Düşük hızlı kablosuz kişisel ağ haberleşme teknolojisi LR-WPAN, Low-Rate Wireless Personal Area Network)
• Küçük boyutta veri alışverişi ile gerçekleştirilmesi mümkün uygulamalarda düşük maliyetli olması
• Minimum güç tüketme prensibine dayanması
• Kurulumunun kolay ve esnek yapıda olması

açısından büyük oranda tercih edilmektedir.

Bu teknoloji sayesinde karmaşık ağ yapıları kurmak, bunları genişletmek ve bu yapıların diğer teknolojilerle haberleşmesini sağlamak mümkün olmaktadır.

IEEE 802.15.4

ZigBee; IEEE 802.15.4 temelinde özelleşmiş, özel olarak kontrol ve sensör ağları için oluşturulmuş bir teknolojik standarttır. IEEE içerisinde 802 numaralı grup ağ operasyonları ve teknolojilerini içeren bölümdür.

Grup 15 daha temel olarak kablosuz ağlarla(WLAN) ilgili detayları içerir. Görev grubu 4 ise 802.15.4 kablosuz kişisel alan ağlarında(WPAN) düşük veri hızları standartını içerir.

WPAN düşük veri hızıyla beraber aynı zamanda düşük güç kullanımını ve düşük karmaşıklığı de kapsar. Veri hızı endüstriyel, bilimsel ve medikal (ISM) banda göre global 2.4 GHz’ de 250 kbps.

Avrupa’da kullanılan banda göre 868 MHz’ de 20 kbps ve Kuzey Amerika ve Avustralya için 915 MHz’ de 40 kbps’ dir. ZigBee IEEE standartında oluşturulmuştur ve uzaktan denetim ile sensörlü ağ uygulamalarının kontrolünü adresler.

ZigBee, ilk olarak bu standarta uyan kontrol cihazını üretmeye çalışan birçok şirket ve endüstri liderleri tarafından oluşturulmuştur.

802.15.4; frekans ve veri hızı gibi özellikleri adresleyen orta erişim kontrolü katmanını (Medium Access Control – MAC) ve fiziksel katmanı (Physical – PHY) geliştirmiştir.

ZigBee ayrıca uygulama destek alt katmanını, ZigBee aygıt nesnesini ve son olarak ta güvenlik servisini içeren ağ katmanı ile uygulama katmanını geliştirmiştir.

Band Genişlikleri

Wi-Fi, Bluetooth ve ZigBee, genel olarak aynı 2,4 GHz ISM bandını paylaşır. IEEE 802.15.4 standardı [15], her biri 3MHz kanallar arası boşluk ile her biri 2MHz genişliğinde on altı kanalı tanımlar.

Aynı 2.4 GHz ISM bandında 802.11 standardı on üç kanalı tanımlar. Her 802.11 kanalı 22MHz’yi kaplar ve dört adet ortogonal ZigBee kanalıyla örtüşür. Geniş bant kullanımına ek olarak, bir 802.11 radyo 802.15.4 telsizden 10 ila 100 kat daha fazla güç iletir.

Bu faktörler Wi-Fi’den ZigBee düğümlerine kadar olan parazit potansiyelini arttırır. Bluetooth ayrıca ISM bandını 2400MHz’den 2483.5MHz’e kadar kaplar. 1 MHz aralıklı yetmiş dokuz kanalı tanımlar.

CoSense

Wi-Fi, Bluetooth ve ZigBee gibi heterojen kablosuz ağların eş zamanlı dağıtımı, 2.4GHz ISM bandında ciddi parazit sorunlarına yol açmıştır.

Özellikle, ZigBee ağları diğer kablosuz teknolojilerin müdahalelerine karşı hassastır. Örneğin, güçlü Wi-Fi sinyalleri düşük güçte boşta dinleme yapan ve kayda değer enerji israfına neden olan ZigBee cihazına yanlış alarmlar tetikler.

Bunun için ZigBee sinyallerini doğru olarak tanımlayan CoSense adlı yeni bir ZigBee algılama şeması geliştirilmiştir.

CoSense üç ana faydası bulunmaktadır. Bunlardan

ilki

sahte uyanmayı azaltır. Daha önceden belirtildiği gibi sahte uyanma gereksiz enerji tüketimine sebep olmaktadır.

Bu problemi çözmek için ContikiMAC iki sonuç veren CCA ve ZiSense gerçekleştirir ve ek olarak ZigBee aktarımlarının varlığını tekrar sağlamak için kural tabanlı bir RSSI model sınıflandırması kullanır.

Bununla birlikte, RSSI tabanlı çözümlerin, RSSI işlemenin belirsizlik özelliği nedeniyle performans geliştirmede sınırlamaları olabilir.

CoSense bu sayede zayıf ZigBee sinyallerinin Wi-Fi gibi güçlü sinyallerle karıştığı heterojen ağ ortamlarında  % 63’e varan enerji tasarrufu sağlamıştır.

İkincisi

heterojen girişim senaryolarına karşı dayanaklıdır. Bu makalede asıl amaç; heterojen kablosuz ağlarda diğer cihazlardan gelen parazitlerin etkisini en aza indirmek ve doğru sinyali algılayabilmektedir.

Üçüncü

Son faydası ise geriye dönük uyumlu olmasıdır.

Verimli bir enerji tasarrufu ZigBee MAC protokollerinde gerçekleştirilen iletişim mekanizması ile gerçekleşmiştir. Bu MAC protokolleri Asenkron yaklaşım ve Senkronize yaklaşım olmak üzere iki şekilde sınıflandırılmaktadır.

Asenkron mekanizmalar gürültülü koşullarda senkronize çözümlere göre daha pratik ve enerji verimli olduğundan asenkron mekanizmalar kullanılmaktadır.

İki tür asenkron görev döngüsü MAC protokolü vardır. Gönderici tarafından ve alıcı tarafından başlatılan buluşma mekanizmalarıdır.

Bir gönderici tarafından başlatılan şema olan Box-MAC’ da, bir alıcı periyodik olarak her görev döngüsü aralığında ZigBee sinyallerinin varlığını kontrol etmek için uyanır.

Ortamın boşta mı yoksa meşgul mü olduğunu anlamak için Clear Channel Assessment (CCA) işlemini gerçekleştirir.

Alıcı bir orta aktiviteyi algılarsa, potansiyel paketi beklerken uyanık kalır. Bir gönderici, bir kabul paketi alınana veya görev süresinin sonuna ulaşana kadar veri paketlerini başarılı bir şekilde iletir.

Box-MAC, TinyOS’ ta uygulanmıştır ve çeşitli Kablosuz Sensör Ağlarında (WSN)  yaygın olarak kullanılmaktadır.

Alıcı tarafından başlatılan şemalarda, bir alıcı periyodik olarak bir problama paketini her görev döngüsü aralığında iletir.

Bir gönderenin gönderilecek bir paketi varsa, telsizi açar ve bir problama paketini bekler. Gönderici bir tarama paketini aldıktan sonra, amaçlanan alıcıya bir veri paketi iletir.

Enerji tüketimini azaltmak ve ağ ömrünü uzatmak için ZigBee ağları, RF alıcı-vericisini periyodik olarak açıp kapatan düşük güçte görev döngüsü mekanizmaları kullanır.

Görev döngüsü, her zaman açık olan yaklaşımın doğasında olan boşta dinleme ve kulak misafiri problemlerini önemli ölçüde azaltır.

Ayrıca, gönderici tarafından başlatılan MAC protokolleri, alıcı tarafından başlatılan protokollerden daha popülerdir.

Bu makalede,

Düşük Güç Dinleme (LPL)

adı verilen gönderici tarafından başlatılan buluşma mekanizması ele alınmış.

Şekil 7, sadece CCA yöntemine dayanan geleneksel LPL şemasının yanlış uyanma hızını göstermektedir.

Tipik bir evde daha az sayıda cihaz bulunduğundan, girişim ortamındaki yoğunluğun nispeten düşük olduğunu görürüz.

Bununla birlikte, sürekli olarak% 10,9’luk yanlış uyanma oranına sahip olan müdahalenin etkisinde kalmaktadır. Ofis ortamında daha sık müdahale ediliyor.

Çoğu zaman, yanlış uyanma oranı% 30’u aşar ve ortalama oran% 34.5’tir. Bu, ofiste çok sayıda farklı kablosuz aygıtın kullanıldığı gerçeğini yansıtır. Bu gözlemler, geleneksel CCA yönteminin gerçek ortamlardaki çarpışmalara karışma eğilimi gösterdiğini doğrulamaktadır.

RSSI örnekleyici belirlenen bir frekansta bir ZigBee alıcı-vericisinin RSSI kaydından okur. Ardından, kanal tahmincisi, kanalın boşta mı yoksa meşgul durumda mı olduğunu belirlemek için bir dizi RSSI örneğini işler.

Sinyal örnekleyici, ham sinyal örneklerini toplar ve özellik detektörü, ZigBee sinyallerinin varlığını doğru olarak kontrol etmek için önceden tanımlanmış ZigBee imzası ile ilişkilendirir.

Sonuçları hem kanal tahmincisinden hem de özellik çıkarıcıdan birleştiren, telsiz görev çevrimi kontrolörü telsizin açılıp kapanmayacağına karar verir.

CoSense’in ana amacı yanlış alarmlardan kurtulmaktı. Düğüm sadece kanal meşgul olduğunda ve özellik dedektörünün sonucu doğru olduğunda uyanır. CoSense normal ZigBee aktarımlarını etkilemez ve mevcut ZigBee ağlarıyla uyumludur.

CoSense Tasarım Hedefleri

1.Sağlamlık: ZigBee düğümlerinin, enterferans eğilimli ortamlarda çalışması bekleniyor. Müdahalelerin kaynakları sadece Wi-Fi ve Bluetooth gibi heterojen kablosuz iletişim teknolojilerini değil, aynı zamanda mikrodalga fırınları, bebek monitörlerini ve benzerlerini de içerir.

Bu girişim kaynaklarının bazıları, güçlü olanları ZigBee’ninkinden daha büyük olan bir emir sinyali verir. CoSense böyle sert bir ortamda iyi performans göstermesi için sağlam olmalıdır.

2.Düşük güç : Bazı düğümlerin madeni para büyüklüğünde pillerle çalışabilmesi nedeniyle ZigBee ağları için bu özellikle önemlidir. Kablosuz alıcı-verici, potansiyel aktarımları bekleyen boş dinleme durumunda çok fazla enerji tüketir.

Önceki çalışmaların çoğu girişimsiz ortamları kabul etti ve yanlış alarm problemini görmezden geldi. ZiSense’de gösterildiği gibi, etkileşimler gerçekçi ortamlarda ciddi bir sorun olabilir.

3.Geriye dönük uyumluluk : Ticari olarak uygulanabilir olmak için CoSense, CoSense’in işlevleri olmadan sıradan ZigBee düğümleriyle birlikte olmalıdır. CoSense, başlık uzunluğunun küçük yükü ile 4 bayt imza ekler, normal düğümlerin doğru çalışmasını etkilemez.

Parazitlerin Varlığında CoSense İşlemi Nasıl Gerçekleşir ?

CoSense mekanizmasını daha ayrıntılı olarak inceleyelim. Daha önce belirtildiği gibi, CoSense, ZigBee sinyallerinin doğru bir şekilde tanınması için CCA tabanlı saptamayı değiştirir.

CCA tabanlı tespit şeması, diğer teknolojilerin müdahalelerine karşı savunmasızdır. Güçlü tespitler yapmak için ikili bir kontrol mekanizması oluşturulur.

Kanal tahmincisi, geleneksel CCA yöntemine benzer. RSSI belirli bir eşiğin altında olduğunda, boşta durumunu belirtir ve kanal tahmincisi pozitif olarak döner.

Aksi halde sonuç yoğun bir durumu gösterir. CC2420 telsiz alıcı-vericisi, stabil bir kanal değerlendirmesi için gereken minimum süreyi 0.128 ms olarak tanımlar.

Sinyalleme faaliyetlerini hızlı bir şekilde ayırt edebilmesine rağmen, sinyallerin kaynağını tespit edememektedir. Bu dezavantajın üstesinden gelmek için, CoSense çapraz korelasyon yöntemini ekler.

Sinyal korelasyon bilinen sinyal modellerini tespit etmek için kullanılan yaygın bir tekniktir. CoSense donanımlı verici ve alıcı önceden belirlenmiş Sözde rasgele Gürültü (PN) dizisini paylaşır.

Gönderen, giriş bölümünün önüne 4 bayt uzunluğunda bir imza yerleştirir.

PN sekanslarının sinyal korelasyonu, kusurlu radyo parametresi ayarlaması için son derece sağlamdır ve çok düşük SINR’de bile güvenilir bir tespit yapılmasına izin verir. Böylece, imzanın bir giriş ile önceliğe sahip olması gerekmez.

Y [n] ve L öğelerini sırasıyla göndericiden alınan n’inci sembol ve gönderenin uzunluğu olarak kabul edin. Daha sonra, bir değişiklik pozisyonunda korelasyon değeri şu şekilde hesaplanabilir:

Korelasyon Değeri Hesaplama

Burada [k] önceden tanımlanmış imza sembollerine atıfta bulunur ve s*[k] karmaşık konjugatını temsil eder. Alınan imza s[.]’nin başlangıcıyla mükemmel bir şekilde hizalandığında, korelasyon değeri çok düzgün bir şekilde yükselir.

Korelasyon değeri belirli bir eşiğin üzerinde olduğunda alıcı hala bir ZigBee imzasının varlığını tanır. Gerçek ortamlarda algılama performansını ölçmek için çeşitli deneyler gerçekleştirildi.

Çapraz korelasyonun yanlış pozitif olasılığı, enerji bazlı değerlendirmeyle karşılaştırıldığında aşırı derecede düşük,% 0,035’den azdır. IV.B altbölümündeki ampirik sonuçları tartışıldı.

Şekil 9, CoSense göndericisinin ve alıcının LPL işlemlerini göstermektedir. Bir gönderici ilk boşta ortamı algılar ve tüm görev döngüsü aralığında, her biri bir ZigBee imzası içeren bir dizi veri paketi iletir.

Gönderen, ilk iletim girişimi için diğer parazitlerden kaçınmak için yalnızca enerji tabanlı CCA’yı kullanır. Bir alıcı periyodik olarak her görev döngüsü aralığını uyandırır ve Şekil 10 kullanarak ZigBee aktarımlarını tespit etmek için sinyal korelasyonu gerçekleştirir.

Gerçek sinyalleri parazitlerden ayırarak, güçlü girişim sinyalleri olmasına rağmen, düğüm uyku durumuna geçer. Bu, alıcının yanlış boşta dinlemekten kaçınmasını sağlar.

CoSense, ZigBee imzasını barındırmak için geleneksel ZigBee paket formatını değiştiren ek bir dijital kodlama bloğu ekler. PN dizisi bir girişin önüne gömüldüğünden, eski bir ZigBee düğümü bunu başlangıç ekinden önce arka plan gürültüsü olarak kabul eder.

Bu nedenle, CoSense eski ZigBee düğümleriyle geriye dönük olarak uyumludur. Ayrıca, PN dizilerinin 4 bayt uzunluğa sahip olduğu ve bunun biraz yüke neden olduğu bilinmelidir.

Nanoparçacık Üretimi ve Kullanımı