Курсовая работа по дисциплине

  «Системы и сети связи с подвижными объектами».

Тема: «Радиосеть сбора данных»

Часть 2



1.5.1. Определение и краткая характеристика возможных режимов работы терминала разрабатываемой радиосети. Выделение активного и пассивного состояний терминала, характеристика задач, выполняемых терминалом в этих состояниях. Анализ возможных решений по обеспечению энергосбережения.

 

В проектируемой сети, включенные терминалы могут находиться в двух состояниях: активном и пассивном. В активном состоянии терминал находится тогда, когда есть необходимость в передаче или приеме сообщений, а на все остальное время терминал переходит в пассивное состояние. В пассивном состоянии терминал находится большую часть времени, тем самым обеспечивая экономное энергопотребление.

 

          Для терминалов предусмотрено четыре режима работы:

- режим поиска сети

- режим опроса и ожидания команды

- режим обработки команд

- режим транслирования видео.

 

          Режим поиска сети - в этом режиме терминал (Т) прослушивает широковещательный канал, и определяет наличие или отсутствие широковещательного сообщения (ШВС). В случае обнаружения сети терминалы начинают  идентифицировать сеть (своя/чужая), если она своя, то Т переходит в режим опроса и ожидания команды.

          Режим опроса и ожидания команды – в этом режиме точка доступа (ТД) поочередно опрашивает  терминалы на предмет активности, если запрос принимается, то они заявляют о себе, если терминал не смог зарегистрироваться сразу, у него есть ещё 3 попытки. В случае, если у него не получается пройти регистрацию за дополнительные попытки, он возвращается в режим поиска сети, точка доступа передаёт информацию об активных терминалах на рабочее место оператора. Далее, терминал переходит в состояние ожидания (энергосбережения), как только приходит команда с рабочего места оператора, наступает режим обработки команд.

          Режим обработки команд – терминал каждые 5 секунд выходит из состояния ожидания и входит в режим обработки команд для проверки на предмет возможности поступления команды на трансляцию видео, если её нет, то он обратно возвращается в предыдущее состояние. Если команда поступила, то терминал переходит в режим трансляции видео.

          Режим транслирования видео – в этом режиме происходит передача терминалом видеопотока, поступающего от камеры. Не прекращая трансляцию видео, терминал каждые 5 секунд проводит проверку на поступление новый команды, в случае её отсутствия, он продолжает передачу видеопотока. Как только поступает команда на прекращение трансляции, терминал переходит в режим опроса и ожидания команды.

 


 

Рис. 1. Диаграмма состояний терминала.

 

 

 

Анализ возможных решений по обеспечению энергосбережения.

 

          Терминалы, располагающиеся на автомобилях, потребляют несущественное количество энергии, исходя из возможностей источника питания. В основном эта энергия затрачивается на передачу, но тем не менее рассмотрим возможные пути энергосбережения в для всех режимов работы:

1. В режиме поиска сети мер по энергосбережению не предпринимается, т.к. в этом режиме энергопотребление терминал минимально и полностью направлено на прослушивание канала.

2. В режиме опроса и ожидания команд электропотребление также минимально за счёт того, что терминал ожидает, когда точка доступа даст команду на регистрацию в сети, а после регистрации терминал ожидает команду на включение трансляции видео.

3. В режиме обработки команд удаётся обеспечить энергосбережение за счет того, что

терминал в этот режиме находится не постоянно, а раз в 5 секунд проверяет возможные  поступившие команды.

4. В активном режиме удается сэкономить энергию за счет адаптивного изменения мощности передачи, а также за счет того, что терминал осуществляют передачу сообщений  только в определённом таймслоте кадра .

          Адаптивное изменение мощности состоит в следующем:

1) Точка доступа измеряет уровень сигнала в каждом активном канале и сравнивает их с уровнем сигнала достаточным для достоверного приема (стандартный уровень). Этот уровень хранится в информационной системе точки доступа;

2) если уровень сигнала в активном канале превышает стандартный уровень, то  точка доступа передает терминалу служебное сообщение на уменьшение мощности передачи. Данная ситуация возможна, когда терминалы функционируют вблизи точки доступа;

3) если уровень сигнала в активном канале меньше стандартного уровня, т.е. не обеспечивается достоверный прием, то точка доступа формирует служебное сообщение терминалу на смену профиля функционирования на более помехоустойчивый. Если это не помогает, то точка доступа передаёт ещё одно служебное сообщение на увеличение мощности передачи. Данная ситуация возможна когда терминалы удалены на значительные расстояния от ТД.



1.5.2. Обоснование назначения, способа реализации и основных параметров физических каналов связи. Аргументированный выбор способа организации доступа к физическим каналам, подробное пояснение алгоритма множественного доступа. Анализ возможных причин возникновения коллизий в радиосети и пояснение решения по их устранению.


Для получения доступа к физическому каналу в проектируемой сети используется метод множественного доступа TDMA. Для передачи сообщения терминалу сначала необходимо дождаться, когда точка доступа выделит канал на время передачи данных. Принцип  процедуры TDMA построен так, чтобы избегать коллизий. Иллюстрация представлена на рис. 2..


1) ТД формирует и отправляет широковещательное сообщение, по каналу общей информации (BCCH), содержащее в себе информацию о ней и о сети. Если оператор запросил трансляцию с видеокамеры активного терминала, точка доступа передаёт информацию для этого терминала, в которой указано какой закреплен временной интервал за ним. После того, как терминал занял канал, он начинает  передачу видеопотока.

2)По каналу вызову (PCH), ТД поочерёдно опрашивает терминалы на предмет активности, чтобы они прошли регистрацию в сети.

3) По каналу доступа (SACCH), Т заявляет о себе, чтобы ТД могла передать информацию об активных терминалах на рабочее место оператора

4) Терминалы занимают каналы трафика (TCH) и начинают передачу видеопотока, Как только оператор получил интересующую информацию, он останавливает передачу видеопотока. ТД передаёт эту команду управления (КУ) терминалу, и он переходит в режим опроса и ожидания команды.

 

ТД с помощью модуля проведения оперативных измерений осуществляет оценку мощности (радиоизмерения) в каждом временном интервале.

  

 


            В связи с тем, что доступ к физическому каналу осуществляется на основе метода множественного доступа TDMA. Это говорит о том, что канальный ресурс разбит временные интервалы, каждый интервал закреплён за определённым терминалом и имеет защитный интервал, поэтому наложения потоков бит не могут быть (возможной причиной коллизии могло бы быть рассогласования шкал времени, но в связи с тем, что терминалы функционируют на небольшой территории, такой проблемы не будет), причин возникновения коллизий в радиосети нет.

 

 

1.5.3. Пояснение способа двустороннего обмена сообщениями по радиоинтерфейсу.

 

В разрабатываемой радиосети мультикадр состоит из двух кадров, для распространения между Т и ТД, отведен 1 слот для BCCH, 1 слот для PCH/SACCH, 5 слотов для TCH.

Кадры следуют последовательно, и после окончания текущего, процедура повторяется циклично. Таким образом, во главе структуры программного обеспечения терминала и точки доступа будет лежать цикл, повторяющийся со временем, которое соответствует длительности кадра.

Как описывалось выше обмен данными по радиоинтерфейсу (рис.3) осуществляется по запросу совместно с временным разделением каналов, но в начале каждого кадра ТД посылает в канал общей информации широковещательное сообщение со всей необходимой терминалу информацией. Далее происходит процедура опроса-ответа, и после этого терминалу сообщается закрепленный за ним временной интервал.  Терминал занимает указанный ему физический канал, и как только он его занял, начинает трансляцию. Первые два там слота всегда заняты под канал общей информации и канал опроса (ответа), остальные же (каналы трафика) распределяются между терминалами.

 

 


 

1.5.4. Обоснование необходимости и пояснение способа контроля качества радиоканала. Пояснение сценария контроля качества канала связи, реакция сценария на ключевые состояния качества радиоканала.

 

Контроль качества радиоканала в нашем случае просто необходим, так как соединение происходит в условиях городских застроек под открытым небом, и есть множество факторов, влияющих на качество связи, например, погодные условия, поэтому всё что угодно может стать ничем иным, как помехой. Контроль уровня принимаемого сигнала предусматривается на этапе рассылки широковещательных сообщений. При передачи команды управления по каналу трафика, задаются параметры уровня мощности при дальнейшем функционировании устройств, а также параметры уровня мощности должны быть разосланы и применены при следующей процедуре перерегистрации терминалов в сети (в составе BCCH-сообщения).


                Рис. 4. – процедура проведения радиоизмерений

На уровень принятия решений поступают результаты проведения радиоизмерений. Это необходимо, так как только данный уровень может принять решение о формировании служебного сообщения терминалу на смену профиля функционирования на более помехоустойчивый или на увеличение мощности передатчика. На рисунке 4 представлен процесс обмена сервисной информацией внутри отдельного терминала. Если уровень сигнала ниже порогового значения, верхним уровнем принимается решение формирования и передачи служебного сообщения терминалу, если ничего не меняется, принимается решение на передачу снова.

            Измерения проводятся на физическом уровне, и полученные данные пересылаются на L3, где сравниваются с пороговым значением. Сетевой уровень анализирует их и возвращает на физический уровень команды об изменении мощности излучения, что в конечном итоге положительно сказывается на энергопотреблении сети и на вероятности принять ошибочную последовательность битов. Терминал принявший сигнал, распаковав сообщение L3, определяет уровень мощности, с которым сигнал был передан ТД, а информация, полученная со службы L1 предоставляет возможность сравнить заявленную мощность с полученной и на основании этого  сделать выводы, требуется ли увеличить мощность сигнала или понизить.

Так как радиоизмерения проводятся с приходом каждого пакета физического уровня, то управление режимом передачи происходит достаточно оперативно. Для экономии энергии по умолчанию можно установить профиль с низкой помехозащищенностью передачи данных, который настроится оптимальным образом в процессе приёма данных. 

 

1.5.5. Построение сценария установления соединения и доставки сообщений верхнего уровня. Пояснение диаграммы состояний сетевого узла, отражающей основные элементы разрабатываемого сценария

 

Процедура обмена сообщениями между терминалами и ТД во всех  режимах работы соответствует сценарию, описанному выше. Процедура, соответствующая режиму поиска и режиму опроса и ожидания команд представлена на Рис. 6. Процедура, соответствующая режиму обработки команд и активному режиму представлена на Рис. 7.

 

 

 


Рис. 5. Процедура, соответствующая             Рис.6. Процедура, соответствующая

режиму поиска и режиму опроса и                 режиму обработки команд и активному

ожидание команд.                                             режиму.

 

 

 

 


                                  Рис.7. Диаграмма состояний сетевого узла

 

Точка доступа начинает передавать ШВС, чтобы терминалы могли получить служебную информацию. Далее, ТД начинает поочерёдно опрашивать терминалы, и если она не получила запрос на регистрацию от того или иного терминала, то она опросит его ещё (если терминал не ответит в общей сложности 4 раза, то он считает неактивным).

В ИС ТД в журнале активных терминалов хранится список идентификационных номеров терминалов IDТ. Операция поиска терминалов происходит периодически, опрашиваются  как активные терминалы, так и неактивные. После того, как терминалы прошли режим регистрации в журнале активных терминалов, соответствующим флагом отмечаются функционирующие терминалы. Оператор выбирает с помощью ПО видеокамеру активного терминала, ТД в журнале активных терминалов производит поиск: за каким Т закреплена запрашиваемая видеокамера. Далее, резервируется канал связи для передачи видеопотока. Терминал же, каждые 5 секунд, выходит из состояния ожидания и входит в режим обработки команд для проверки на предмет возможности поступления команды на трансляцию видео, если её нет, то он обратно возвращается в состояние ожидания. ТД дает Т команду на передачу видеопотока по каналу трафика, и как только она поступила, то Т переходит в режим трансляции видео.


1.5.6. Анализ задач, выполняемых на канальном уровне. Выделение типов логических каналов связи (ЛКС), которые будут использоваться на канальном уровне, и краткое пояснение назначения сообщений ЛКС. Способы обеспечения достоверности принимаемых сообщений в каждом ЛКС, анализ необходимости подтверждения доставки сообщений и механизма ARQ в процессе передачи.

 

            Выделение различных типов логических каналов связи осуществим на основе ранее рассмотренного сценария взаимодействия Т и ТД [в пункте 1.5.5.]. ТД передает всем терминалам ШВС. Для передачи этой информации  необходимо организовать широковещательный канал BCCH( и для передачи сообщений сигнализации (сообщение о смене профиля функционирования системы или сообщение  об изменении мощности передачи терминала)). После  прохождения ШВС, ТД опрашивает терминалы на предмет активности, для этого организуется канал вызова PCH, т.к. инициатором проведения регистрации является ТД. Для того, чтобы Т мог заявить в информационной системе (ИС), что он в сети с IDТД, организуется канал доступа SACCH.  По запросу с рабочего места оператора на трансляцию с определённой камеры активного терминала, ТД резервирует канал за этим терминалом, в этот момент в ИС ТД в журнале активных терминалов ставится флаг, что этот канал, закрепленный за этим терминалом. Процедура регистрации осуществляется следующим образом: активный терминал, получив сообщение, в котором говорится о том, что Т должен зарегистрироваться в сети, осуществляет подтверждение по каналу SACCH о том, что он активен, и эти сведения заносятся в ИС ТД, итак происходит опрос всех терминалов. Такая процедура периодически повторяется.  

           После того как терминал занял зарезервированный канал, он начинает трансляцию видео по каналу трафика TCH. Если команда на трансляцию видео по такому-то каналу  не приходит, и Т не посылает видеопоток, ТД ещё раз отправит команду. В случае, если ничего не будет приходить от Т, ТД может повторить 4 раза отправку команды, после того как попытки будут исчерпаны, в ПО оператора вылетит уведомление о невозможности трансляции. Поэтому в системе не требуется автоматический запрос повторной передачи (англ. Architectural Research Quarterly – ARQ).

           



1.5.7. Проработка протокола передачи данных канального уровня: пояснение правила передачи сообщений различных ЛКС, обоснование структуры полей сообщений канального уровня, построение блок-схем алгоритмов приема/передачи сообщений.

 

 

              Основным каналом передачи данных является канал передачи трафика TCH. Именно с него начнем пояснение структуры сообщений КУ.  TCH содержит в себе блок размерностью 182 бита (рис. 7):

           

                       Рис.8. Структура сообщений TCH

 

Сообщение канала ВССН состоит из полей (рис. 10):

- тип сообщения (1 – служебное)

- DATA (в нем содержится IDТД, команды для терминалов и другая информация, которая может понадобиться)

- поле контрольной суммы

              

                

                       Рис.9. Структура сообщений BCCH

 

Служебные сообщения, передающиеся по каналу PСН  (рис. 11), будут иметь похожую структуру с сообщениями по каналу SACCH:

              

 

 

                          Рис.10. Структура сообщений PCH и SACCH


                         Рис.11. Блок-схема алгоритма передачи сообщения


Рис.12. Блок-схема алгоритма приёма сообщения



1.5.8. Расчет пропускной способности канала трафика, вспомогательных каналов. Оценка требуемой пропускной способности физического канала.


         Выберем модификацию стандарта MPEG-4 с расширением 640*480 точек, 20 fps и с настройкой качества 1024Kbps. Выбранная настройка качества примерно соответствует  степени сжатия равной 15. В разрабатываемой системе видеонаблюдения используется видеокамера с глубиной цвета 24 бита. Рассчитаем необходимую пропускную способность для данного типа видео:

640*480*24 = 7372800 бит (где 640-ширина кадра в пикселях, 480-высота, 24 -глубина цвета).

Так как в сети видеопоток необходим для непосредственного наблюдения за учеником на автодроме в режиме реального времени, используем 20 кадров в секунду: 7372800*20 = 147456000 бит/сек.

Учитывая сжатие 15:1 получается: 184320000/15 = 9830400 бит/c

С учетом того, что на физическом уровне будет осуществляться помехоустойчивое кодирование со скоростью 1/2, то общая пропускная способность канала трафика TCH составляет:  18,75 Мбит/с.

Для передачи сообщений каналов ВССН, PCH, SACCH будет достаточно скорости передачи 10 Кбит/с..

Но в радиосети пять камер могут работать одновременно, исходя из этого требуемая пропускная способность физического канала приблизительно 93.75 Мбит/с.





Юсупов Р.Р.



Список используемой литературы:

1) Бакке А.В. «Лекции по курсу ССПО»

2)  Маковеева М.М., Шинаков Ю.С. "Системы связи с подвижными объектами".

3) http://omoled.ru/publications/view/447

4) http://omoled.ru/publications/view/970

5) http://omoled.ru/publications/view/845

6)http://omoled.ru/publications/view/995