توصيفگر ها :
اينترنت اشيا , بلوتوث كم انرژي , بلوتوث مش , شبيه ساز , پياده سازي , تنظيم ناهمگون و تطبيقي
چكيده فارسي :
امروزه فناوري بلوتوث كم انرژي، در اكثر گوشي هاي همراه، رايانه ها و وسايل الكترونيكي عمومي به كار برده شده است. در نتيجه اين فناوري در بسياري از كاربردهاي اينترنت اشيا مورد استفاده قرار مي گيرد و داراي مزاياي زيادي از جمله مقاومت بيشتر، سهولت پياده سازي، مصرف انرژي پايين و قيمت كم است. از معايب اين فناوري مي توان به گستره ي انتقالي كوتاه و محدوديت در تعداد دستگاه هاي متصل اشاره نمود در سال 2017قابليت چند گامي تحت عنوان بلوتوث مش، به بلوتوث كم انرژي اضافه شد و اين قابليت توانست گستره ي انتقالي و تعداد دستگاه هاي متصل در يك شبكه بلوتوث كم انرژي را افزايش دهد.
با توجه به جديد بودن فناوري بلوتوث مش، اين فناوري در كاربردهاي اينترنت اشيا مورد توجه قرار گرفت. در اين كاربردها نياز است كه پارامترهاي مختلف شبكه به درستي تنظيم شوند زيرا روي كارايي شبكه تاثير زيادي مي گذارند. بنابراين بررسي اين فناوري اهميت پيدا كرد براي بررسي كامل كارايي شبكه هاي بلوتوث مش، به يك شبيه ساز دقيق و كامل كه همه ي ويژگي هاي شبكه هاي بلوتوث مش را پشتيباني كند، نياز است. در اين پژوهش، ابتدا يك شبيه ساز كامل به نام BMSim براي شبكه هاي بلوتوث مش طراحي شده است. در اين شبيه ساز قابليت تنظيم كردن پارامترهاي شبكه، ويژگي هاي گره، مدل ها و توپولوژي شبكه در زمان اجرا وجود دارد. بنابراين شبكه هاي متحرك پويا و شبكه هايي كه در زمان اجراي شبكه تنظيم مي شوند، با اين شبيه ساز قابل شبيه سازي هستند. براي تصديق عملكرد شبيه ساز ،BMSim نتايج شبيه سازي آزمايش هاي انجام شده با اين شبيه ساز، با نتايج حاصل از آزمايش هاي واقعي با سخت افزارهاي nRF52840 ساخت شركت نورديك مقايسه شده اند. درصد اختلاف كم در اين مقايسه ها صحت عملكرد شبيه ساز BMSim را نشان مي دهد. از شبيه ساز BMSim براي بررسي عملكرد شبكه هاي بلوتوث مش استفاده شده است. اثر پنج پارامتر بازه تبليغ، پنجره ي اسكن، بازه توليد، تعداد انتقال هاي مجدد درگره هاي توليد كننده و بازپخش كننده و بازه توليد پيام هاي ضربان قلب بر روي معيارهاي كارايي شبكه، مورد بررسي قرار گرفته است.
در ادامه ي پژوهش، شبكه هاي بلوتوث مش متحرك معرفي و عملكرد آنها بررسي شده است. گوشي هاي هوشمندي كه توسط انسان ها حمل مي شوند، شبكه هاي متحرك بلوتوث مش را در محيط هاي مختلفي مانند خيابان، خانه، محل كار، مراكز خريد، كارخانه ها و بيمارستان ها ايجاد مي كنند. از اين شبكه ها براي اهداف مختلفي مانند ارتباط هاي اجتماعي، سنجش جمعي و جمع آوري داده ها در اينترنت اشيا استفاده مي شود. تاكنون، تمركز كارهاي تحقيقاتي انجام شده، بر روي شبكه هاي ثابت و يا شبكه هايي با تعداد محدود گره هاي متحرك بوده است، اما عملكرد شبكه ها بلوتوث مش متحرك عليرغم كاربرد بالايشان در اينترنت اشيا، هنوز مورد بررسي قرار نگرفته است. استاندارد بلوتوث مش به خاطر استفاده از روش ارسال سيل آسا در لايه ي شبكه، براي شبكه هاي متحرك مناسب است. در اين پژوهش با بررسي هايي كه در شبيه سازي ها و پياده سازي هاي واقعي با دستگاه هاي شركت نورديك انجام شد، نشان داده شد كه اين شبكه ها داراي معيارهاي كارايي قابل قبولي هستند. همچنين سعي شد بخشي از عملكرد اين شبكه ها مورد بررسي قرار گيرد. به طور خاص به بررسي سه عامل مهم 1- ويژگي هاي خاص شبكه هاي متحرك در مقايسه با شبكه هاي ثابت، 2- اثر نسبت بازه ي توليد به بازه ي تبليغ روي تعداد گره هاي بازپخش كننده ي اشباع شده ي شبكه و 3- اثر انتقال هاي مجدد در گره هاي توليد كننده و بازپخش كننده روي كارايي شبكه پرداخته شده است.
در انتها تنظيم ناهمگون و تطبيقي پارامتر هاي شبكه هاي بلوتوث مش در جهت افزايش كارايي اين شبكه ها مورد مطالعه و پژوهش قرار گرفت و نشان داده شد كه با توجه به اينكه شرايط گره هاي شبكه با گذشت زمان تغيير مي كند و گره هاي شبكه در موقعيت هاي متفاوتي از شبكه قرار دارند، تنظيمات ناهمگون و تطبيقي پارامترهاي گره هاي شبكه نسبت به تنظيمات ثابت و يكنواخت آن ها به طور قابل توجهي باعث بهبود كارايي شبكه هاي بلوتوث مش مي شود. دو الگوريتم براي تنظيم ناهمگون و تطبيقي پارامترهاي گره ها ارائه شده است. در الگوريتم اول با توجه به مشخصه هاي هر گره ي شبكه، پارامترهاي اصلي آن گره به طور ناهمگون و تطبيقي تنظيم مي شوند كه موجب افزايش كارايي شبكه مي شود. در الگوريتم دوم به تنظيم تطبيقي و ناهمگون چرخه ي كار گره هاي شبكه در جهت كاهش مصرف انرژي پرداخته شده است.
چكيده انگليسي :
The Bluetooth Low Energy (BLE) technology is being used in a wide range of mobile phones, computers, and electronic devices. Consequently, it serves a crucial role in numerous Internet of Things (IoT) applications, providing advantages such as robustness, ease of implementation, low energy consumption, and affordability. However, there are weaknesses associated with this technology, including short transmission range and limitation in terms of the number of connected devices. In 2017, multi-hop communication was added to Bluetooth Low Energy as a new technology named Bluetooth Mesh (BM). The BM technology expanded the communication range and the number of connected devices within a BM network.
The BM technology has been a surge of interest in various IoT applications. Within these applications, precise configuration of network parameters is essential, as these settings play a crucial role in the performance of the BM network. Consequently, a thorough examination of this technology’s performance has become essential. To conduct a comprehensive analysis of BM networks, the development of a precise and comprehensive simulator that supports full specifications of BM protocol features is necessary. In this research, a comprehensive simulator, called BMSim, has been designed and implemented for performance evaluation of Bluetooth Mesh networks. BMSim supports dynamic adjustment of network parameters, node characteristics and model settings. This run-time reconfigurability enables the simulation of mobile networks and adaptive network settings. BMSim is made available to the research community in an open-source format. To validate its accuracy, simulation results from BMSim were compared with the results of similar real-world experiments conducted using Nordic nRF52840 wireless transceivers. The low deviation observed in these comparisons confirms the capabilities of BMSim to accurately estimate the performance of BM networks. BMSim is then employed to assess the performance of Bluetooth Mesh networks in a variety of scenarios and under different network circumstances. This investigation specifically focuses on the influence of five pivotal protocol parameters: advertising interval, scan window, generation interval, the number of retransmissions in source and relay nodes, and the generation interval of heartbeat messages.
In this thesis, mobile Bluetooth mesh networks have been introduced and their performance is examined. The presence of smartphones carried by individuals results in the formation of mobile Bluetooth mesh networks in diverse environments such as streets, homes, workplaces, shopping malls, factories, and hospitals. These networks serve various purposes, including social communication, crowd-sensing, and IoT data collection. While previous research has focused on either fully static BM networks or networks with a limited number of mobile nodes, the performance of mobile Bluetooth mesh networks has remained unexplored. We argue that mobile Bluetooth mesh networks can be a proper networking solution for many applications, thanks to the native support of topology dynamics by the flooding-based end-to-end data delivery of this protocol. This research, presents and evaluates the performance of mobile Bluetooth mesh networks and explores the impact of various conditions and parameters on these networks. Additionally, we conduct real-world experiments to demonstrate that mobile Bluetooth mesh networks are feasible and offer relatively good performance. The study specifically investigates three crucial factors: 1) the distinctive characteristics of mobile networks in contrast to static networks, 2) the impact of the ratio of packet generation to advertising intervals on the number of saturated relay nodes, and 3) the influence of retransmissions in both source and relay nodes performance.