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Università degli studi di TriesteFacoltà di Ingegneria
Laurea Specialistica in Ingegneria delle Telecomunicazioni
Prova Finale in Trasmissione Numerica
L’IMPATTO DELLE ANTENNE
SWITCHED BEAM IN RETI
WIRELESS DI SENSORI
Relatore:
Chiar.mo Prof. Fulvio Babich
Correlatore:
Dott. Massimiliano Comisso
Dott. Aljosa Dorni
Laureando:
Mouhammad Issa
A.A. 2010/2011
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Obiettivo: Studio dell'impatto delle antenne switched-beam e flat-topped in reti di sensori wireless.
Realizzazione: Estensione del simulatore ibrido NS-2 Matlab.
Risultati: Vantaggi in termini di throughput e trasmissioni simultanee.
1
Motivazione
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Sommario
Wireless Sensor Network Standard IEEE 802.15.4 Antenne switched-beam e flat-topped Simulatore Risultati Conclusioni e sviluppi futuri
2
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Wireless Sensor Network
3
Sensori Wireless
Dispositivi elettronici che misurano grandezze fisiche
Trasmettono le misure a un sistema di elaborazione
Wireless Sensor Network
Reti composte da sensori wireless
Per applicazioni:
Ambientali Mediche Industriali e domotiche
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IEEE 802.15.4
Standard utilizzato in WSN
Livello fisico Livello MAC
Sviluppato per:
Basso consumo Basso costo
Di conseguenza un basso bit rate
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Banda di Freq Modulazione Bit Rate
868-868.6 MHz BPSK 20 kbps
902-928 MHz BPSK 40 kbps
2400-2483.5 MHz O-QPSK 250 kbps
5
IEEE 802.15.4 (2)
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Antenne
WSN usano antenne omnidirezionali
Basso throughput dovuto a:
Interferenze e Multipath Non permettono trasmissioni simultanee
6
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Antenne (2)
7
Soluzione proposta:
Direzionalità:
Switched-beam antenna Flat-topped antenna
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Antenne (3)
Antenna con diagrammi di radiazione preimpostati Coprono 360 gradi Viene usato un diagramma in base all'esigenza
Antenne switched-beam
Antenne flat-topped
Diagramma con guadagno uno in fascio limitato Il resto con guadagno medio minore di uno Viene ruotato per coprire 360 gradi
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Matlab
Implementata la funzione GPG che calcola il diagramma di radiazione
Simula una schiera circolare di 6 elementi radianti
Stima le direzioni di arrivo con algoritmo MUSIC
Calcola le eccitazioni della schiera con algoritmo LMS
Ritorna il diagramma di radiazione
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Matlab (2)
MUSIC, MUltiple SIgnal Classification
Tecnica di stima direzione di arrivo Con riferimento spaziale Rumori incorrelati
Constrained Least Mean Square
Massimizza il rapporto segnale rumore interferenza Stima i pesi da applicare su elementi schiera
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Matlab (3)
Calcolo del diagramma di radiazione di base
Utilizzati 6 nodi in posizioni diverse 4 nodi interferenti
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Realizzazione
Utilizzato il simulatore di rete NS-2
Creata una classe in C++ per simulare le antenne Interfaccia Matlab - NS-2 per calcolare il diagramma di radiazione
Simulazioni in diverse topologie di rete
Confronto nel caso di:
Antenna switched-beam Antenna flat-topped Antenna omnidirezionale
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Simulatore Modifiche sul codice sorgente del simulatore
SendUp
idTx=idpref
Pacchetto ricevuto
Passa al livello fisico
Si
No
Nodi ricevono solo dal nodo preferito
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Simulatore (2)
Estrapolato tempo di trasmissione Aggiunta possibilità di ottenere l'id del nodo trasmettitore Aggiunta possibilità di ottenere le coordinate nodo trasmettitore Aggiunto controllo del SINR
Garantire perdita pacchetti < 1%
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Simulatore (3)
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Usata da ogni nodo in ricezione Contiene:
Id nodo preferito Coordinate del nodo Numero elementi schiera Numero nodi nella simulazione
Controlla le coordinate in caso di mobilità Chiama GPG in Matlab per il diag. di radiazione Ruota il diagramma di radiazione in altre posizioni
La classe SwitchedAntenna
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Simulatore (4)
Contiene diverse funzioni
GainCalc:
Assegna diagramma di radiazione Calcola il guadagno Calcola e ritorna il valore di SINR
CalcDistDoa:
Calcola distanza dal nodo trasmettitore Calcola direzione di arrivo nodo trasmettitore
GetRxGain:
Ritorna il guadagno calcolato
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Pacchetto
Estrapola dati nodoAssegna
diagramma
Controllo interferenti
Calcolo PotenzaInterferenti e
Preferito
Calcolo SINR
Controllo Soglia SINR
Passa pacchetto a livello superiore
Si
No
wireless-phy.cc switched-antenna.cc
Scartapacchetto
GainCalc
CalcDistDoaCalcDistDoa
CalcDistDoainterferente
SendUp
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Simulatore (5)
Stesse procedure di prima Calcolo del lobo a 3 dB
Modificato il diagramma calcolato da GPG Calcolo angolo con guadagno <1/2 (3dB) Guadagno fascio messo a uno Altre direzioni con guadagno calcolato medio
La classe FlatToppedAntenna
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Scenario
Senario 1 collegamenti paralleli
Senario 2 collegamenti in cerchi concentrici
Scenario 3 Collegamenti casuali
Simulati tre scenari:
Ciascuno con:
Antenna omnidirezionale Antenna flat-topped Antenna switched-beam
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Kbps
Tempo in S
Nodi in due collegamenti paralleli con antenna omnidirezionale
Throughput aggregato 96 kbps
Throughput per collegamento circa 48 kbps
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Kbps
Tempo in S
Nodi in due collegamenti paralleli con antenna switched-beam
Throughput aggregato 248 kbps
Throughput per collegamento circa 124 kbps
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Nodi in cerchi con antenna omnidirezionale
Throughput aggregato 80kbps
Throughput per collegamento circa 27 kbps
Kbps
Tempo in S
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Nodi in cerchi con antenna switched-beam
Throughput aggregato 240kbps Comunicazioni simultanee
Kbps
Tempo in S
Throughput per collegamento circa 40 kbps
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Omnidirezionale Flat-Topped Switched-Beam
Due Collegamenti
96 kbps 130 kbps 248 kbps
Cerchi concentrici
80 kbps 180 kbps 240 kbps
Posizioni casuali
115 kbps 205 kbps 231 kbps
Risultati in termini di throughput aggregato:
Risultati
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Conclusioni
Vantaggi della direzionalità
Comunicazioni simultanee tra i nodi
Sviluppata estensione NS-2 Introdotta direzionalità in ricezione Utilizzate antenne switched-beam e flat-topped
Aumento del throughput
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Sviluppi Futuri
Utilizzo della nuova classe sia in trasmissione che in ricezione
Modifiche al livello MAC
Valutazione dell'impatto sui consumi utilizzando direttività Utilizzo di tecniche di codifica di canale