1. Расчетная часть
1.1.Анализ поставленной задачи и исходных данных, выявление особенностей работы системы. Цель – проработка идеи создания сети как целостной системы. Краткое описание концепции функционирования системы связи на основе проведенного анализа. Определение списка основных и дополнительных услуг системы, предоставляемых пользователям. Обоснование необходимости организации различных профилей функционирования.
В данном курсовом проекте требуется разработать систему сбора данных с подвижных станций. Система предназначается для обеспечения беспроводного сбора данных с подвижных объектов с целью фиксации факта их прохождения через контрольные точки. Терминалы сбора данных располагаются вдоль трассы движения объектов и обеспечивают получение данных с радиомаяков, располагающихся на объектах. Информация о прошедших через контрольную точку объектах, а также дополнительные телеметрические данные с объектов передается в центр сбора информации. Особенностью данной системы является одновременное обслуживание нескольких подвижных объектов. Основными требованиями, предъявляемыми к системе, являются минимально возможная мощность излучения мобильных терминалов и минимальный диапазон используемых частот.
Разработаем систему связи для решения поставленной задачи применительно к спортивным соревнованиям, а именно к марафонскому забегу. Марафон – дисциплина лёгкой атлетики, представляющая забег на дистанцию 42 км 195 метров (26 миль 385 ярдов). Марафон является тяжелейшей нагрузкой для организма человека, поэтому может быть полезным не только определение порядка прохождения контрольных точек участниками соревнования, но и мониторинг их состояния (по большому счету это измерение пульса и температуры тела спортсмена). При организации марафонского забега предъявляются жесткие требования к внешним условиям: температура воздуха, содержание загрязняющих веществ в нем, профиль дистанции. Третье требование выполняется заблаговременно – выбором трассы, а вот первые два непрерывно меняются на протяжении забега, значит целесообразно производить и их мониторинг. Ввиду громоздкости оборудования для определения уровня загрязнения воздуха будем учитывать только его температуру. Причем необходимость в контроле за температурой воздуха возникает только в случае резкого изменения погодных условий. Например, после облачной погоды во время старта на определенном этапе вышло солнце, и начался интенсивный прогрев. Организаторы соревнований, наблюдая это, через центр сбора информации опрашивают участников о температуре на дистанции и принимают решение о возможности дальнейшего проведения соревнований в случае превышения критических значений (t > +28 °C). Таким образом, при прохождении спортсменом контрольной точки радиомаяк должен всегда передавать данные о пульсе и температуре тела и только по требованию – о температуре воздуха. Эти два режима отражают профили функционирования системы. Учитывая протяженность дистанции, зададимся расстоянием между контрольными точками 7 км. Итого получаем 7 терминалов сбора данных. Между двумя последними из них расстояние будет 7 км 195 м, чтобы последняя контрольная точка оказалась на финише.
На старте забега первая точка сбора данных производит регистрацию всех мобильных терминалов, расположенных на поясе спортсменов, а также синхронизирует их со своими часами, которые, в свою очередь, синхронизированы с главными точными часами, расположенными в центре сбора информации. Синхронизация по времени обеспечивает точную регистрацию прохождения мобильных терминалов через контрольные точки. Все остальные точки сбора данных уже производят беспроводной сбор данных с зарегистрированных подвижных объектов в процессе забега. В обычном режиме работы терминалы только передают информацию о пульсе и температуре тела спортсмена, а время, когда это происходит, указывает на момент прохождения контрольной точки. Второй профиль функционирования предполагает передачу данных о динамике температуры воздуха на дистанции за пройденные 7 км с момента прошлой фиксации данных. Обмен данного вида информацией производится только по требованию центра сбора информации и не со всеми мобильными терминалами, а с первым и далее с периодом, задаваемым центром.
1.2.Проработка обобщенной функциональной схемы системы: выявление основных ее компонент и определение возможных функциональных связей. Анализ подходящих топологий организации сети и обоснованный выбор достойного решения.
Рис.1. Обобщенная функциональная схема системы.
Обобщенная функциональная схема системы представлена на рис.1 (ссылка на полноразмерный рисунок http://i064.radikal.ru/1112/83/4f78bcdb16c9.jpg). Весь обмен данными в системе производится по радиоинтерфейсу, для обеспечения чего в каждом субъекте сети имеется радиомодем. Радиомаяки и точки сбора информации находятся на дистанции, а значит нет возможности питать их от сети, поэтому в каждом устройстве предусмотрены узлы питания. Исходя из наличия двух видов информации, которые необходимо передавать в разных режимах работы, память подвижных терминалов делится на оперативную и неоперативную. Порты чтения и передачи данных служат, соответственно, для передачи требуемых данных в точку сбора данных. При регистрации в сети на старте забега и далее при связи с каждой точкой сбора терминалы синхронизируются по времени, для чего и служит блок синхронизации. В отличие от мобильных терминалов, в терминалах сбора данных и центре сбора информации имеется дополнительный раздел памяти для служебных данных. В этом разделе хранятся идентификаторы всех зарегистрированных терминалов, а в центре сбора информации – еще и идентификаторы всех терминалов сбора данных. В точках сбора данных ив центре сбора информации есть специальные блоки для управления устройствами нижнего уровня. Так точки сбора данных управляют мобильными терминалами, а центр сбора информации – точками сбора. Ну и наконец, в центре сбора информации производится анализ телеметрических данных с подвижных терминалов для вывода их оператору.
Из существующих базовых топологий организации сети (шина, звезда, кольцо) мы выбирает топологию «звезда», так как она полностью отражает задуманную идею функционирования сети, когда на каждом этапе (связь мобильных терминалов с точкой сбора данных, связь точек сбора данных с центром сбора информации) существует одно управляющее звено и несколько подчиненных, или ведомых.
По техническому заданию требуется использовать минимальный диапазон частот, поэтому целесообразно выбрать временное разделение каналов (TDMA) с использованием одного общего широкополосного канала связи. По времени он будет разделен на шесть этапов, повторяющихся периодически:
1) передача служебной информации от центра сбора информации к точке сбора данных (это указание режима работы сети, команда на включение или выключение точки сбора, подтверждение правильного приема данных);
2) подтверждение приема точкой сбора сигнала от центра;
3) передача служебной информации от точки сбора к подвижным терминалам (вызов находящихся в зоне радиопокрытия маяков, сообщение о виде данных, требуемых для передачи);
4) передача данных мобильным терминалом в точку сбора;
5) подтверждение приема точкой сбора сигнала от терминала;
6) трансляция данных от точки сбора в центр;
7) повторение п.1 и т.д.
Точки сбора данных ввиду специфики трассы используются только один раз за гонку. Все остальное время они находятся в режиме ожидания. После регистрации на старте забега всех участников первой точкой сбора данных центр дает ей команду отключения. Далее центр оповещает все точки сбора о количестве зарегистрированных участников. Своим следующим сигналом центр дает команду включиться второй точке сбора, после чего она сразу начинает опрос подвижных терминалов. Некоторое время после старта диалог производится только между центром и точкой сбора, так как участники еще не преодолели расстояние до первой контрольной точки. Как только первый радиомаяк зафиксировал широковещательный сигнал точки сбора, то начинается борьба за этот канал с помощью метода CSMA/CA. Хотя вероятность того, что сразу два терминала одновременно зафиксируют сигнал точки сбора, крайне мала, учитывая периодичность опроса порядка микро- и миллисекунд, но вероятность коллизии все же есть. Этим обусловлена необходимость конкурентной борьбы. Время, отводимое на передачу данных мобильным терминалам, делится на короткий интервал конкурентной борьбы и, собственно, интервал для передачи данных. После этого точка сбора при правильном приеме данных посылает сигнал подтверждения приема мобильному терминалу. Здесь возникает следующая проблема: мобильный терминал во время следующего сигнала опроса точки сбора может вновь вступить в конкурентную борьбу. Во избежание этого предусмотрим передачу в широковещательном сигнале опроса идентификатора точки сбора. Мобильный терминал запоминает его, и после получения сигнала правильного приема он игнорирует сигнал опроса от этой точки сбора. Если сигнал подтверждения не был получен (возникла коллизия), то терминал вновь участвует в конкурентной борьбе после следующего широковещательного сигнала точки сбора. Далее возникает вопрос о времени включения следующей точки сбора. Ждать для этого прохождения всеми участниками данной контрольной точки нецелесообразно, так как возможны сходы с дистанции и, соответственно, можно «прозевать» прохождение первыми участниками следующей контрольной точки. Для решения этой проблемы произведем небольшой анализ: согласно действующему рекорду мира для данной дистанции средняя скорость передвижения составляет 5,688 м/с. Это соответствует времени на прохождение 7 км между двумя контрольными точками 20 мин 31 сек. Превзойти этот режим хотя бы на пять минут невозможно, поэтому через 15 мин после приема центром данных от первого участника подается команда на запрет передачи данной точкой сбора данных центру, после чего центр включает следующую точку сбора. Точка сбора, получившая сигнал запрета, начинает записывать оставшиеся данные в свою память. Эти данные снимаются с нее уже после окончания соревнования. После прохождения всеми участниками точки сбора, хранящей в памяти их количество, она автоматически выключается. Также она может отключиться и по команде от центра, если оператор узнает о сходе с дистанции каких-либо участников. Мобильные терминалы – достаточно миниатюрные устройства, а значит и аккумуляторные батареи должны быть малого размера и веса. Для выполнения этого требования все мобильные терминалы в свободное от передачи время будут находиться в «спящем» режиме, обеспечивая энергосбережение. Возможен также вариант, при котором сначала точка сбора снимает телеметрические данные со всех радиомаяков, а затем все их передает в центр сбора информации. Необходимость одновременного обмена данными между точкой сбора и с подвижными терминалами, и с центром сбора информации вызвана требованием своевременного поступления данных в центр и их анализа, иначе они могут стать ненужными.
1.3.Определение и обоснование структуры информационной подсистемы сети. Выявление важнейших регистров подсистемы, пояснение необходимых информационных связей.
Рис.2. Информационная подсистема сети.
На рис.2 представлена информационная подсистема сети. Одним из важнейших регистров подсистемы является регистр аутентификации. В нем хранятся идентификаторы всех зарегистрированных участников сети, как точек сбора данных, так и подвижных терминалов. Через него осуществляется процедура аутентификации, то есть проверка подлинности абонентов по их идентификаторам. Здесь также возможно хранение ключей шифрования для передаваемой информации, но ввиду того, что эта информация не несет коммерческой выгоды и является актуальной только для центра сбора информации, быстро устаревая, в данной системе шифрование не будет использоваться. Подсистема технического состояния терминалов сбора данных представляет собой передачу сигнала неисправности, обнаруженной в процессе эксплуатации терминала. Этот сигнал поступает к оператору, который уже должен принимать решение о возможностях дальнейшего функционирования системы. В информационной подсистеме нужно также отметить передачу самих телеметрических данных, фиксируемых в регистрах памяти входящих в систему терминалов. При правильном приеме этих данных посылается сигнал подтверждения приема. Терминал сбора данных имеет регистр числа радиомаяков. Данные, хранящиеся в этом регистре, устанавливаются центром сбора информации (регистр активных терминалов) и служат для автоматического выключения терминалов сбора данных после выполнения ими поставленных задач. Подсистема управления работой точек сбора является главным звеном информационной подсистемы сети. Она служит для подачи сигналов включения-выключения терминалов сбора данных, синхронизации, выбора профилей работы сети, определяющих виды передаваемой подвижными терминалами информации. Таким образом, эта подсистема управляет и работой всех подвижных терминалов через точки сбора данных. При работе подсистемы управления используются данные всех регистров информационной подсистемы сети, т.е. полная информация обо всех подвижных терминалах и точках сбора данных.
Использованная литература:
  1. Лекции и слайды по дисциплине "Системы и сети связи с подвижными объектами".
  2. Методические указания к лабораторным работам по изучению стандартов 802.11а (WiFi) и 802.15.1 (Bluetooth).
  3. http://ru.wikipedia.org/wiki/Марафон