Skip to main content
SUPERVISOR
Rasoul Dehghani,Mehdi Mahdavi
رسول دهقانی (استاد راهنما) مهدی مهدوی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Saeed Aghakhani
سعید آقا خانی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1393

TITLE

Reduction of Power Consumption in the 2.4 GHz ZigBee Transceiver by Implementation of an Improved CSMA/CA Algorithm on FPGA
Nowadays, life without wireless communications is inconceivable. Advances in CMOS technology and the creation of smaller and smaller circuits led to the use of wireless circuits in most today electronic devices. This progress also caused the development of micro-sensors. These micro-sensors have the ability to do numerous senses in things like voice recognition for sensing the earthquake. As well as, it has provided the collection of information in remote areas and places that are not suitable for human explorations. Therefore, recent advances in fabrication of small-scale integrated circuits in one hand and development of wireless communications technology on the other hand have created great motivation for researchers and engineers in the field of research and design of sensor networks. According to the development of wireless sensor networks, creation of simple and efficient communication with low power consumption and low cost between sensor nodes is an important and vital issue. In most of these types of networks, battery is used as an energy source. As changing the battery in a short time interval is impossible or costly in this type of networks, life of node comes to end with completion of battery energy. So in order to extend the lifetime of the network, it is required to manage the communication of nodes with each other and their energy consumption by using an appropriate protocol. That is why the subgroup 4 started working with similar purpose in Commission IEEE 802.15 that undertook the task of standardization in the field of personal wireless networks. Efforts of subgroup 4 from the Commission IEEE 802.15 led to provide IEEE 802.15.4 standard for two layers of PHY and MAC and the mentioned Union's efforts in 2004 led to provide a set of standards based on IEEE 802.15.4 standard with brand ZigBee . Because of the capabilities and benefits such as energy management, high throughput rates and scalability, IEEE 802.15.4 Protocol is a suitable options for wireless sensor networks. In this protocol, nodes compete with each other using the CSMA/CA algorithm in order to achieve the channel and sending their packs to destination. The algorithm consists of several different parameters that their regulation has a great impact on network throughput rate and nodes energy consumption. The aim of this thesis is to provide a solution to reduce the power consumption of ZigBee transmitter-receiver by improving the CSMA/CA algorithm that is used as node in wireless sensor networks. The main causes of energy loss in a wireless sensor node is the collision of data frames because of simultaneous sending action of different nodes and CSMA/CA overheads, including the additional clear channel assessment. Therefore, two methods to remove additional clear channel assessment and a method to remove collision in wireless sensor networks with star topology and smaller than 256 nodes have been proposed in this thesis which star topology may be a cluster of large network. In methods which have been proposed for additional clear channel assessment , sending of the acknowledgement frame from the coordinator is done only after 192 microseconds so that the rece iver does not clear up more time. In the first proposed method, location of the sending some data frames with a certain length is changed in Backoff. in the second method, one to three zero-byte is added to the end of the data frame according to length of some data frames. To remove the collision , a new algorithm has been proposed as a third method for slotted CSMA/CA , and each node in several specified Backoff performs the clear channel assessment to avoid a collision between data frames. Except for simulatione, implementation and performance verification of the proposed methods, the need to create a sensor network with at least two nodes and one coordinator was essential. Therefore, part of the MAC layer and CSMA/CA algorithm was implemented on FPGA using VHDL hardware language and ARM microcontroller and NRF24L01 transmitter-receiver as the physical layer. After creating wireless sensor network, coordinator LCD shows the sensor amount of nodes temperature and CRC error percentage. In addition to collision percent and reductions in power consumption, parameters of CSMA/CA algorithm can be also changed using the keyboard and nodes are shown on LCD. Keywords CSMA/CA algorithm, Variables BE and CW, Clear Channel Assessment (CCA), Collision of data frames
امروزه، زندگی بدون ارتباطات بی سیم قابل تصور نیست. پیشرفت فن آوری CMOS و ایجاد مدارات کوچک و کوچک تر باعث شده است تا استفاده از مدارهای بی سیم در اغلب وسایل الکترونیکی امروزی ممکن شود. این پیشرفت همچنین باعث توسعه ی ریزحسگر ها شده است. این ریزحسگر ها توانایی انجام حس های بی شمار در کارهایی مانند شناسایی صدا برای حس کردن زلزله را دارا می باشند همچنین جمع آوری اطلاعات در مناطق دورافتاده و مکان هایی که برای اکتشافات انسانی مناسب نیستند را فراهم کرده است. لذا پیشرفت های اخیر در فن آوری ساخت مدار های مجتمع در اندازه های کوچک از یک سو و توسعه ی فن آوری ارتباطات بی سیم از سوی دیگر انگیزه ی زیادی را برای محققان و مهندسان در زمینه ی پژوهش و طراحی شبکه های حسگر به وجود آورده است. با توجه به توسعه ی شبکه های حسگر بی سیم، ایجاد ارتباطی ساده و مؤثر با توان مصرفی کم و هزینه ی پایین، بین گره های حسگر یک مسئله مهم و حیاتی است. در بیشتر این نوع شبکه ها از باتری به عنوان منبع انرژی استفاده می شود. از آنجا که در این نوع شبکه ها عوض کردن باتری در یک بازه ی زمانی کوتاه غیرممکن یا هزینه بر است با اتمام انرژی باتری، عمر گره به پایان می رسد. بنابراین به منظور افزایش طول عمر شبکه نیاز است تا با استفاده از پروتکلی مناسب نحوه ی ارتباط گره ها با یکدیگر و مصرف انرژی آنها را مدیریت کرد. به همین دلیل در کمیسیون IEEE 802.15 که وظیفه استاندارد سازی در حوزه ی شبکه های بی سیم شخصی را بر عهده داشت، زیر گروه 4، با هدفی مشابه شروع به کار کرد. تلاش های زیرگروه 4 از کمیسیون IEEE 802.15 ، منجر به ارائه استاندارد IEEE 802.15.4 برای دو لایه ی PHY و MAC و تلاش های اتحادیه مذکور در سال 2004 منجر به ارائه مجموعه استانداردهایی مبتنی بر استانداردIEEE 802.15.4 ، با نام تجاری زیگ بی شد. پروتکلIEEE 802.15.4، به دلیل قابلیت ها و مزایایی مانند مدیریت مصرف انرژی، نرخ گذردهی بالا و مقیاس پذیری گزینه ی مناسبی برای شبکه های حسگر بی سیم است. در این پروتکل گره ها با استفاده از الگوریتم CSMA/CA به منظور دستیابی به کانال و ارسال بسته های خود به مقصد با یکدیگر رقابت می کنند. این الگوریتم شامل چند پارامتر مختلف است که تنظیم آنها تأثیر زیادی بر روی نرخ گذردهی شبکه و انرژی مصرفی گره ها دارد. هدف از این پایان نامه ارائه راهکاری جهت کاهش توان مصرفی فرستنده- گیرنده های زیگ بی، از طریق بهبود الگوریتم CSMA/CA است که به عنوان گره در شبکه های حسگر بی سیم استفاده می شوند. عوامل اصلی اتلاف انرژی در یک گره حسگر بی سیم، برخورد قاب های داده، به دلیل اقدام به ارسال همزمان گره های مختلف و سربار های CSMA/CA است که از جمله ی آن ارزیابی کانال خالی اضافی است. به همین منظور در این پایان نامه دو روش برای حذف ارزیابی کانال خالی اضافی و یک روش برای حذف برخورد در شبکه های حسگر بی سیم با همبندی ستاره و کوچکتر از 256 گره ارائه شده است که این همبندی ستاره ممکن است یک خوشه از شبکه بزرگ باشد. در روش هایی که برای ارزیابی کانال خالی اضافی ارائه شده است ارسال قاب تصدیق از طرف هماهنگ کننده، فقط بعد از 192 میکروثانیه انجام می شود تا گیرنده زمان بیشتری را روشن نماند. در روش اول، مکان ارسال بعضی قاب های داده با طول خاص، در Backoff تغییر داده می شود. در روش دوم، با توجه به طول بعضی از قاب های داده یک تا سه بایت صفر به انتهای قاب داده اضافه می شود. در روش سوم برای حذف برخورد، یک الگوریتم جدید برای CSMA/CAشیار دار ارائه شده و هر گره در چند Backoff مشخص، ارزیابی کانال خالی را انجام می دهد تا برخوردی بین قاب های داده به وجود نیاید. اما برای شبیه سازی، پیاده سازی و بررسی صحت عملکرد روش های پیشنهادی، نیاز به ایجاد یک شبکه حسگر با حداقل دو گره و یک هماهنگ کننده بود. به همین منظور بخشی از لایه ی MAC و الگوریتم CSMA/CA بر روی FPGA با استفاده از زبان سخت افزاری VHDL پیاده سازی شد و برای پیاده سازی لایه ی فیزیکی از میکروکنترولر ARM و فرستنده- گیرنده NRF24L01 استفاده شد. پس از ایجاد شبکه حسگر بی سیم، LCD هماهنگ کننده به طور لحظه ای مقدار حسگر دمای گره ها و درصد خطای CRC را نشان می دهد. علاوه بر درصد برخورد و میزان کاهش توان مصرفی، با استفاده از صفحه کلید پارامتر های الگوریتم CSMA/CAنیز، قابل تغییر است و بر روی LCD گره ها نشان داده می شود. واژه های کلیدی: 1- الگوریتم CSMA/CA 2- متغیرهای BE و CW 3- ارزیابی کانال خالی (CCA) 4- برخورد قاب های داده

ارتقاء امنیت وب با وف بومی