1.4.Построение иерархической модели разрабатываемой системы в соответствии с рекомендациями OSI. Краткий анализ необходимых уровней и подуровней модели с обоснованием основных выполняемых задач. Оценка необходимости наличия сетевого и транспортных уровней в разрабатываемой системе.
Самый нижний уровень модели OSI– физический. На нем определяются правила электрического и конструктивного соединения двух сетевых устройств [1]. На физическом уровне существует только соединение «точка-точка». Информационной единицей здесь служат символы (биты). Физический уровень отвечает за установление и разъединение физических соединений, а также поддержку физического соединения. Задачи, решаемые на физическом уровне: реализация метода доступа к среде; символьная, битовая синхронизация; восстановление параметров радиосигнала, устранение интерференции; модуляция-демодуляция; перемежение-деперемежение; помехоустойчивое кодирование-декодирование. Исходя из этих задач, необходимо оптимальным образом выбрать вид модуляции, кодирования, параметры перемежения, предусмотреть способы устранения интерференции. В зависимости от различных внешних факторов качество канала связи на протяжении дистанции может отличаться, поэтому необходимо предусмотреть два профиля функционирования системы с точки зрения качества канала. Эти профили будут отличаться используемым видом модуляции и помехоустойчивого кодирования. В случае нормального канала (будет использоваться по умолчанию) целесообразно использование фазовой модуляции с M>=8, как обладающей высокой скоростью передачи данных, хоть и при низкой помехоустойчивости, и кодирования с минимально возможным числом избыточных бит на 1 бит передаваемых данных. При ухудшении качества канала необходим переход к фазовой модуляции с малым M, характеризующейся лучшей помехоустойчивостью, но меньшей скоростью передачи. Выбор того или иного профиля осуществляется точкой сбора данных посредством определения количества ошибок в принятых сообщениях и сравнения его с определенным порогом. Команда об использовании другого профиля посылается в процессе опроса мобильных терминалов совместно с другой служебной информацией. В разрабатываемой системе необходима тактовая и битовая синхронизация. Для реализации битовой синхронизации будем использовать петлю фазовой автоподстройки частоты, подходящей для совместного использования с фазовой модуляцией. Тактовая синхронизация будет выполняться посредством извлечения таймерного сигнала из принимаемой информации. Исходя из использования временного разделения каналов, необходима также кадровая синхронизация. Для этого будет использоваться специальная синхронизирующая кодовая метка в заголовке сообщения. Эта метка известна на приемной стороне, поэтому с помощью корреляционной обработки сообщения будет найдено начало информационного кадра. После анализа физического уровня системы получаем его схему (рис.1):
Рис.1. Структура физического уровня системы.
Далее рассмотрим второй уровень модели OSI – канальный. Он определяет функции, отвечающие за организацию канала передачи данных [1]. Канальный уровень обеспечивает доставку сообщения между любыми узлами однотипной сети с едиными правами адресации. Информационной единицей здесь является уже блок битов. Основное назначение канального уровня – надежная доставка пакета между узлами. Задачи, решаемые на канальном уровне: проверка доступности физического канала; реализация алгоритма множественного доступа; обнаружение и исправление ошибок в пакете; выделение пакетов из потока бит, формирование пакетов при отправке сообщения; реализация адресной пересылки сообщений; пакетная синхронизация, управление потоком пакетов. Канальный уровень обеспечивает передачу пакетов, поступающих от объектов верхнего уровня.
Канальный уровень делится на два подуровня: подуровень управления доступом к среде (УДС) и подуровень, отвечающий за адресацию и формирование всех видов пакетов (MAC). Подуровень УДС использует механизм CSMA/CA, предусматривающий конкурентную борьбу за канал связи [2]. Сначала точка сбора данных (ТСД) производит опрос радиомаяков, передавая свой идентификатор, данные для синхронизации и служебные данные, касающиеся режима и профиля функционирования сети. Далее подвижные терминалы, оказавшиеся в зоне радиопокрытия ТСД, выждав короткий защитный интервал, включают таймер случайной задержки, имеющий малую разрядность вследствие крайне низкой вероятности возникновения коллизии. Сразу после его обнуления терминал начинает передачу телеметрических данных. При этом во время работы таймера терминал осуществляет контроль уровня несущей и если появляется сигнал, то счетчик останавливается, и его значение сохраняется для использования в конкурентной борьбе после следующего широковещательного сигнала опроса от ТСД. После приема данных ТСД выжидает такой же короткий защитный интервал и передает сигнал подтверждения правильного приема, либо оставляет этот временной слот пустым при ошибке на приеме. Соответственно, мобильный терминал, не получивший подтверждения, после следующего сигнала опроса вновь участвует в конкурентной борьбе. Все эти процедуры во временной области образуют мультикадр (рис.2):
Рис.2. Структура мультикадра.
На подуровне MAC имеются идентификаторы всех зарегистрированных в сети устройств, чем и обеспечивается выполнение задачи адресации сообщений этим подуровнем. Также этим обеспечивается обработка данных только от этих устройств, т.е. защита на случай появления сигнала извне. Кроме того, на подуровнеMAC осуществляется формирование пакетов 3 видов: пакет опроса, пакет данных и пакет подтверждения правильного приема. Подробную проработку структуры пакетов произведем при построении канального уровня системы.
Третий уровень – сетевой. Он служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей [1]. Основными задачами сетевого уровня являются доставка пакета любому узлу и маршрутизация – прокладка маршрута между узлами. В проектируемой системе связи осуществляется только передача пакетов исключительно внутри одной сети по простейшим маршрута: радиомаяк – ТСД и ТСД – центр сбора информации. В таком случае адресную доставку пакетов выполняет канальный уровень, и необходимости наличия сетевого уровня нет.
Четвертый уровень – транспортный. Он обеспечивает приложениям верхнего уровня передачу данных с той степенью надежности, которая требуется [1]. Т.е. транспортный уровень обеспечивает гарантированную доставку сообщения для уровня приложений двух узлов сети. В проектируемой системе гарантированная доставка осуществляется передачей сигнала подтверждения правильного приема, и эта задача решается на канальном уровне, а значит, необходимости в транспортном уровне нет.
Остальные три уровня (сеансовый, представительский и прикладной) можно объединить в один – уровень приложений, который будет осуществлять обработку полученных данных, статистику работы сети и непосредственный диалог с оператором.
Таким образом, получаем иерархическую модель разрабатываемой системы (рис.3):
Рис.3. Иерархическая модель системы связи.
1.5.Определение и краткая характеристика возможных режимов работы абонентского терминала, отражающих решения выполненных ранее п.1.1-1.3. Построение целостной диаграммы состояний терминала, отражающей функциональные связи режимов работы.
В процессе функционирования системы связи возможны следующие режимы работы абонентского терминала (радиомаяка) применительно к высшему уровню: режим ожидания, режим конкурентной борьбы за канал связи, режим передачи данных, ожидание подтверждения правильного приема. Функциональные связи этих режимов работы иллюстрирует рис.4. После получения сигнала опроса от ТСД радиомаяк переходит из режима ожидания в режим конкурентной борьбы. Далее, если он выигрывает борьбу, то переходит в режим передачи данных. После окончания передачи он ожидает подтверждения правильного приема. При приеме этого сигнала он переходит в режим ожидания опроса новой ТСД с занесением идентификатора данной ТСД в список игнорируемых точек сбора и далее уже не реагирует на сигнал опроса данной ТСД. Если борьба за канал проиграна, или не получено подтверждение правильного приема, то радиомаяк переходит в режим ожидания опроса ТСД. Для избежания путаницы назовем режим ожидания опроса новой ТСД режимом «сна».
Рис.4. Диаграмма состояний терминала.
1.6.Проработка сценариев взаимодействия абонентских терминалов с базовой станцией (точкой доступа) или другими терминалами сети – в зависимости от выбранной в пп.1.1, 1.2 концепции построения сети. Определение необходимых для взаимодействия идентификаторов и широковещательных параметров сети. Анализ способов обеспечения энергосбережения.
Энергосбережение, как уже отмечалось ранее, обеспечивается нахождением радиомаяков в состоянии «сна» большую часть времени и их активизацией только для передачи телеметрических данных после опроса ТСД.
Рассмотрим сценарии взаимодействия абонентских терминалов с ТСД применительно к физическому и высшему уровням. На высшем уровне взаимодействие происходит путем получения подвижным терминалом команд от ТСД. Здесь используются идентификаторы зарегистрированных в сети подвижных терминалов и ТСД, по которым определяется необходимость выполнения тех или иных действий. Идентификаторы подвижных терминалов нужны центру сбора информации для определения, какому именно участнику принадлежат полученные телеметрические данные. Идентификаторы ТСД нужны центру сбора для определения, с какой контрольной точки поступают данные об участниках, а также они нужны мобильным терминалам для своевременногопогружения в «сон» после передачи требуемых данных. ТСД в своих широковещательных сигналах опроса указывают, какой профиль функционирования системы действует в данный момент. Подвижные терминалы передают свои данные уже исходя из требуемого профиля. Итак, после сигнала опроса радиомаяки формируют свое сообщение и передают его в случае победы в конкурентной борьбе. Далее ТСД при правильном приеме данных дает (своим подтверждением) команду подвижному терминалу погрузиться в «сон». Что же касается физического уровня, то сценарий взаимодействия радиомаяка и ТСД следующий:
ТСД формирует пакет опроса, в который входят метки синхронизации. Далее происходит процесс синхронизации устройств. Для реализации кадровой синхронизации коррелятор подвижного терминала производит настройку на кодовую метку, содержащуюся в заголовке пакета опроса. Так определится время начала временного слота. Далее в работу включается ФАПЧ радиомаяка. По принятому пакету производится подстройка фазы и частоты гетеродина приемника.После окончания синхронизации радиомаяк производит конкурентную борьбу за канал и начинает передачу сформированного пакета сразу после победы. Далее ТСД отправляет подтверждение правильного приема, если передача удалась. Подвижные терминалы, в зависимости от ответа ТСД, либо погружаются в «сон», либо проводят повторную передачу пакетов. Сценарий взаимодействия на физическом уровне иллюстрируется рис.5:
Рис.5. Сценарий взаимодействия мобильного терминала и ТСД на физическом уровне
Использованная литература:
1.  Лекции и слайды по дисциплине "Системы и сети связи с подвижными объектами".
2.  Основы построения беспроводных сетей стандарта 802.11: методические указания к лабораторной работе / Рязан. гос. радиотехн. ун-т; сост.: А.В. Бакке. -Рязань, 2008. -52 с.