Министерство науки и высшего образования РФ

ФГБОУ ВО РГРТУ

Кафедра ТОР 

 

Курсовая работа по дисциплине

«Системы и сети связи с подвижными объектами»

На тему:

 

«Радиосеть сбора данных с ПО»

Часть 1 

 

Виноградов Н. С. гр. 619

 

 

 

         В данной курсовой работе необходимо разработать радиосеть беспроводного сбора данных с подвижных объектов в процессе их движения по определенному маршруту. Точки доступа располагаются вдоль трассы предполагаемого движения подвижного объекта и обеспечивают получение оперативных данных с датчиков, расположенных на подвижных объектах.

Исходные данные:

 

-      Радиус зоны радиопокрытия: 300м (PR=90% покрытие на границе обслуживания);

 

-     Максимальное количество объектов в зоне радиопокрытия: 30;

 

-      Вероятность ошибки на бит Pb: 2*10-7;                                

 

-      Мощность излучения подвижной станции Ризл : < 150 мВт;

 

Диапазон частот, вид модуляции выбирается самостоятельно.

 

1.            Постановка задачи и формулирование технических условий функционирования сети

 

1.1.    Интерпретация назначения сети в виде произвольного прикладного решения в контексте заданной темы. Формализация телекоммуникационной услуги на основании анализа отношений "пользователь-сеть", схематизация отношений. Задачи терминального оборудования и интерфейса пользователя/объекта управления

1.1.1. Интерпретация назначения сети в виде произвольного прикладного решения в контексте заданной темы.

         Рассмотрим применение данной радиосети в обеспечении сбора информации с патрулей, которые охраняют некоторый объект. Охраняемый объект находится в лесистой местности, вокруг него проложен маршрут патрулирования. Пример маршрута патрулирования изображен на рис. 1. По маршруту патрулирования будут передвигаться вооруженные охранники по двое. Между каждой парой будет некоторое заданное расстояние. Каждый охранник будет оснащен датчиками, которые будут измерять необходимые параметры. Вдоль указанных маршрутов на контрольных точках будут установлены точки доступа (ТД), которые будут принимать информацию с терминалов (Т) охранников и передавать ее на пункт охраны, который расположен на охраняемом объекте.

         Измеряемые параметры:

- кровяное давление в теле;

- пульс;

- температуру тела;

- наличие произведенных выстрелов;

- координаты охранников.

 


рис.1 Схема маршрута патрулирования

                Каждый охранник имеет при себе дисплей, на который оператор пункта охраны может присылать короткие текстовые сообщения. Датчики состояния охранников и терминал расположены в экипировке охранников, а датчик наличия произведенных выстрелов на оружии. Данные с датчиков поступают на терминал по беспроводной связи через интерфейс Bluetooth. Далее вся информация с терминалов передается через радио терминал на точки доступа (ТД), а затем на пункт охраны с помощью 4G модема.

         Стоить отметить, что расположение ТД выбирается таким образом, чтобы зоны радиопокрытия всех ТД покрывали весь путь патрулирования, и не было участков, где охранник мог выйти за зону радиопокрытия. Это делается с учетом того, что на охранников могут напасть и, чтобы в таком случае сразу среагировать, необходимо, чтобы в этот момент терминалы охранников могли передать данные на пункт охраны. Если на пункте охраны будут замечены нежелательные показатели состояния охранника, то с пункта охраны будет передано сообщение всем охранникам, предупреждающее, что в конкретной точке с охранником что-то случилось, возможно нападение.

         Также на каждой точке доступа будет располагаться видеокамера, которая будет снимать часть маршрута. Каждая камера оборудована механизмом поворота, для изменения угла съемки. Весь поток видеотрафика будет передоваться на пункт охраны. С пункта охраны же будут передаваться команды управления на камеру, которые позволят вращать камеру, либо изменять качество съемки при плохом уровне связи.

 

1.1.2. Формализация телекоммуникационной услуги на основании анализа отношений "пользователь-сеть", схематизация отношений.

         Отношение “пользователь-сеть” рассмотрим в виде нескольких уровней детализации.  На первом уровне детализации (рис.2) будет показано взаимодейтсвие оператора пункта охраны с устройством видеосъемки, датчиками и охранником.

            Оператор пункта охраны передает короткие текстовые сообщения охраннику и управляет видеокамерой (изменяет угол съемки и качество). Устройство видеосъемки включает в себя видеокамеру и механизм вращения камерой. Данные с датчиков и видеокамеры передаются оператору пункта охраны.

Рисунок 2. Первый уровень детализации

 

Так как оператор пункта охраны, устройство видеосъемки, охранник и датчики не могут на прямую взаимодействовать, то необходимо оборудование, которое будет передавать данные между ними. На втором уровне детализации было учтено это оборудование (рис.3)

           Оборудование пункта охраны осуществляет взаимодействие с точкой доступа (ТД), а ТД с терминалом. Эти устройства и будут являться сетевыми объектами.

Рисунок 3. Второй уровень детализации

 

 

На третьем уровне детализации (рис.4) будут рассмотрены службы, которые обеспечивают передачу данных между сетевыми объектами, а также интерфейсы взаимодействия пользователей с оборудованием.

Оборудование пункта охраны включает в себя службу передачи команд управления, предназначенные для службы управления устройством видеосъемки, которая находится на ТД. Оборудование пункта охраны также включает в себя интерфейс, который позволяет оператору отслеживать все данные, поступающие на пункт охраны, в понятном ему виде, а также отдавать команды управления камерой и посылать текстовые сообщения охранникам.

Оборудование терминала также имеет интерфейс для вывода текстовых сообщений, переданных с пункта охраны на дисплей охранника.

            У всех сетевых объектов имеется служба сбора данных, которая накапливает данные, предназначенные для отправки или дальнейшего хранения. Также все они имеют службу передачи данных, которая позволяет сетевым объектам взаимодействовать друг с другом и передавать данные.

Рисунок 4. Третий уровень детализации

 

 

         Четвертый уровень детализации (рис.5), в нашем случае последний, включает в себя оборудование для физической передачи данных между сетевыми объектами.

         Оборудование пункта охраны взаимодействует с ТД посредством 4G интерфейса. ТД и терминал взаимодействуют через радиотерминал. Данные с датчиков передаются на терминал через интерфейс Bluetooth.
        Также на данном уровне детализации рассматривается передача идентификаторов ТД и терминалов на пункт охраны. Далее эти идентификаторы сверяются в журнале идентификационных номеров и оператор пункта охраны понимает с какой ТД и с какого терминала пришли данные. 

Рисунок 5. Четвертый уровень детализации

 

Таким образов, подытожив выше сказанное, можно сделать вывод, что телекоммуникационная услуга состоит в передачи данных телеметрии с датчиков и видеотрафика с камеры на пункт охраны, а также передача с пункта охраны команд управления на устройство видеосъемки и коротких текстовых сообщений на терминал.

 

Также каждый терминал имеет свой идентификационный номер, который позволяет уточнять, данные какого охранника оператор отслеживает. В момент прошивки терминала ему присваивается идентификатор, этот идентификатор затем сопоставляется с данными охранника, которому этот терминал был выдан.  Данный идентификатор после прихода на пункт охраны сверяется с журналом идентификационных номеров и при нахождении совпадения выдает результат в виде имени и фамилии охранника оператору.

 

1.1.3. Задачи терминального оборудования и интерфейса пользователя/объекта управления.

 

Задачи терминального оборудования: сбор данных с датчиков через Bluetooth интерфейс и передача их на точку доступа. Далее данные с точки доступа через интерфейс 4G будут передаваться на пункт охраны.

Также реализована передача с пункта охраны коротких текстовых сообщений на терминалы, которые затем выводятся на дисплей охранников, и передача команд управления на устройство видеосъемки.

Задача интерфейса взаимодействия оператора пункта охраны с оборудованием пункта охраны: прием и вывод на экран данных телеметрии, а также видео от каждого терминала. Задача интерфейса взаимодействия охранника с терминалом: вывод текстовой информации, переданной с пункта охраны, на дисплей.

 

 

1.2.         Пояснение сеанса предоставления телекоммуникационной услуги, выявление ключевых параметров сеанса. Характеристика информационного трафика в прямом и обратном направлениях передачи: вид трафика, производительность или предполагаемый объем сообщений и т.п. Формализация требований к качеству и условиям предоставления услуги.

 

1.2.1.  Пояснение сеанса предоставления телекоммуникационной услуги, выявление ключевых параметров сеанса.

 

Сеанс связи ТД с пунктом охраны организуется следующим образом:

ТД постоянно передает видео трафик с камеры на пункт охраны. Когда на ТД поступают данные телеметрии с терминалов, то вместе с видео трафиком она передает на пункт охраны и данные телеметрии.

 На пункте охраны производится проверка сообщений. В случае, когда передаются данные телеметрии, то пункт охраны всегда отправляет сообщение о достоверности приема, вследствие чего передача телеметрии на пункт охраны с ТД оканчивается, либо идет повторная отправка сообщений.

В случае приема видео трафика, проверка сообщений на ошибки не производится, так как видео передается в реальном масштабе времени и не хранится в памяти на ТД, то есть осуществить заново передачу сообщений  видео трафика не получится.

Когда появляется необходимость передачи сообщения с пункта охраны на терминалы, то пункт охраны отправляет это сообщение на ТД. После успешного приема этого сообщения, ТД отправляет подтверждение на пункт охраны об успешном приеме и начинает ретранслировать сообщение терминалам.

Команды управления устройством видеосъемки отправляются с пункта охраны на ТД, затем эти команды поступают на устройство видеосъемки. В случае неудачного приема команд управления, производится повторная отправка.

Сеанс связи ТД с терминалом организуется следующим образом:

Когда терминал обнаруживает широковещательный сигнал с ТД, он сообщает ТД о готовности передачи данных телеметрии. После этого ТД выделяет терминалу необходимые ресурсы для связи и терминал начинает передачу данных. Когда передача успешно завершена, то терминал, дождавшись подтверждения передачи, объявляет о завершении сеанса.

Если на ТД пришло сообщение с пункта охраны, предназначенное для передачи на терминал, то ТД ретранслирует его терминалам. Терминал же, поняв, что данное сообщение предназначено ему, принимает его, сообщает ТД об успешном приеме и выводит это сообщение на дисплей охранника.

1.2.2.  Характеристика информационного трафика в прямом и обратном направлениях передачи: вид трафика, производительность или предполагаемый объем сообщений и т.п.

Информационный трафик в данной сети имеет двунаправленный характер.

В прямом направлении с пункта охраны на терминалы через ТД передаются сообщения, предназначенные для вывода на дисплей. Эти сообщения являются текстовыми и должны быть краткими и понятными, чтобы охранник сразу смог понять, что от него хотят. В виду этого для передачи этих сообщений не нужна большая скорость передачи. В данной сети они будут передаваться со скоростью 16 кбит/с, чего вполне достаточно.

Помимо этого в прямом направлении с пункта охраны на ТД передаются команды управления устройством видеосъемки. Команды управления поворотом видеокамеры и сменой режима качества съемки могут приходить с задержкой, так как не требуют моментального реагирования. Поэтому команды управления будут передаваться со скоростью 8 кбит/с.

В обратном же направлении идет передача видео трафика с ТД и данных телеметрии с терминалов. Если рассматривать передачу данных телеметрии, то объем передаваемого трафика больше, нежели передача коротких текстовых сообщений, рассматриваемая до этого, поэтому для передачи данных телеметрии будет использоваться скорость в 64 кбит/с.

Видео трафик является самым требовательным к скорости передачи, нельзя допустить зависания картинки. Были произведены расчеты видео потока (рис.6). Скорость передачи будет 10 Мбит/с для качества видео  1200x720. Также возможно понижение качества съемки из-за плохого качества связи ТД с пунктом охраны. Пониженное качество видео 800х600, при этом скорость для передачи видеотрафика будет составлять в два раза меньше: 5Мбит/с.

Рисунок 6. Расчёт видео потока

1.2.3.  Формализация требований к качеству и условиям предоставления услуги.

При передаче данных телеметрии, команд управления и тестовых сообщений необходимо добиться безошибочной их передачи. Ошибочные данные могут привести к серьезным проблемам: показания состояния охранников могут зашкалить, переданное текстовое сообщение с пункта охраны может быть искажено и не понятно, вследствие чего охранники не смогут правильно отреагировать на предупреждение или команду. Поэтому при передаче этих данных производится проверка на ошибки, если произошли ошибки, передача производится повторно.

При передаче видеотрафика, требования к качеству намного ниже, так как потеря нескольких пакетов не приведет к полному искажению картинки, более того передача видео должна осуществляться в реальном масштабе времени и нет возможности постоянно пытаться передать пакеты без ошибки, это приведет к огромной задержке. В случае, если качество видео стало недопустимым, предусмотрена смена качество видео на пониженное, путем отправки команды управления с пункта охраны на устройство видеосъемки.

 

 

 

1.3.    Обоснованный выбор архитектуры радиосети. Разработка многозвеньевой модели сети, описание ключевых звеньев доставки сообщений. Проработка сценария выполнения телекоммуникационной задачи с использованием многозвеньевой модели взаимодействия элементов сети.

1.3.1. Обоснованный выбор архитектуры радиосети.

            Основными сетевыми элементами являются терминалы (Т), точки доступа (ТД) и пункт охраны. Основная задача сети: передача данных телеметрии с терминалов на пункт охраны, поэтому архитектуру сети выберем типа “дерево”, как изображено на рис. 3.

рис. 7. Архитектура разрабатываемой сети связи

 

 

 

 

1.3.2. Разработка многозвеньевой модели сети, описание ключевых звеньев доставки сообщений. Проработка сценария выполнения телекоммуникационной задачи с использованием многозвеньевой модели взаимодействия элементов сети.

 

В данной сети присутствуют три главных элемента, как говорилось ранее. Соответственно разработаем трехзвеньевую модель взаимодействия элементов сети (рис. 4).

Телекоммуникационная услуга состоит в передачи данных телеметрии с терминалов на пункт охраны, также передача видеотрафика с ТД. Помимо этого в данной сети предусмотрена обратная связь пункта охраны с терминалами, для передачи им сообщений, которые выводятся на дисплей.

Вначале, после включения аппаратуры пункта охраны, он опрашивает ТД о готовности к работе. Получив подтверждение работоспособности от точек доступа, пункт охраны передает уведомление о параметрах сети и выделенных ресурсах для конкретной ТД для передачи трафика. После выделения ресурсов ТД начинает передавать видео трафик с камеры на пункт охраны.

рис.8 . Трехзвеньевая модель взаимодействия элементов сети

 

Также ТД начинает излучать широковещательный сигнал (ШВС), который передает профиль настройки физического уровня, пакеты временной и частотной синхронизации. В то время, когда терминал попадает в зону радиопокрытия ТД, он принимает ШВС и подает запрос о передаче на ТД. Получив запрос от терминала, ТД передает уведомление о параметрах сети и выделенных ресурсах на терминал. После этого терминал начинает передачу данных телеметрии. Когда все данные переданы, ТД проверяет достоверность переданных данных и отправляет на терминал отчет о приеме. Если все данные были переданы без ошибок, то терминал передает сигнал о завершении сеанса. Если же данные были переданы с ошибкой, то терминал повторяет отправку данных телеметрии.

При возникновении необходимости передачи сообщения с пункта охраны на все или конкретные терминалы, происходит передача этого сообщения на ТД, после чего ТД, уведомив пункт охраны об успешном приеме, ретранслирует его терминалам.

 

1.4.    Формулирование и пояснений стратегии поведения сетевых объектов, введенных в п.1.3. Обоснование требований к функциональному составу  сетевого терминала и выделенного (командного) узла.

         Как уже говорилось выше, в данной сети присутствуют 3 главных сетевых объекта: пункт охраны, точка доступа и терминал. Рассмотрим стратегии поведения данных объектов, а также их функциональный состав.

1.4.1. Стратегия поведения и функциональный состав пункта охраны.

         Пункт охраны является центральным элементом сети, именно на него должны прийти все данные, которые сеть собирает. В его стратегию входят следующие основные пункты:

-         при первичном запуске сети с пункта охраны на ТД должен отправиться запрос об активности, который послужит сигналом к запуску сети, т. е. начнется передача видео трафика на пункт охраны, а также попытки обнаружения терминалов в зоне радиопокрытия ТД;

-         также пункт охраны должен проверять целостность данных телеметрии, приходящих на него;

-         при возникновении ошибок при передаче телеметрии производить повторный запрос на передачу этих данных;

-         пункт охраны должен иметь интерфейс взаимодействия с пользователем, позволяющий выводить данные телеметрии на экран в понятном пользователю виде и выбор с какой ТД выводить видео на экран;

-         запись в память всех видео трафиков и данных телеметрии, поступающих на него;

-         также на пункте охраны производится сверка пришедших идентификационных номеров ТД и терминалов с базой идентификационных номер, для вывода на экран пользователя информации с какого терминала и ТД пришел трафик;

-         при необходимости передать сообщение охранникам, пользователь вводит данные, указывает какому терминалу необходимо передать сообщение и пункт охраны посылает это сообщение всем ТД.

-         при необходимости смены качество видео или изменения угла съемки видеокамеры, пользователь вводит команды управления конкретной видеокамерой и пункт охраны отправляет эти команды на заданную ТД.

рис.9. Функциональный состав пункта охраны

 

рис.10. Структурный состав пункта охраны

 

Операционная система (ОС) – Является связующим звеном. Она предназначена для управления взаимодействием всех функциональных модулей терминала.

4G модем используется для связи с ТД;

ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) хранит весь объем видео трафика, передаваемого с ТД, а также данные телеметрии с терминалов;

База данных идентификаторов позволяет понимать, с какой ТД пришло видео, а также, с какого терминала пришли данные телеметрии;

Интерфейс пользователя преобразует данные и видео трафик в понятный пользователю вид, а также позволяет пользователю выбирать, видео с какой камеры и данные какого охранника  просматривать;

Блок питания обеспечивает бесперебойное питание пункта охраны.

1.4.2. Стратегия поведения и функциональный состав точки доступа.

            Точка доступа является промежуточным элементом сети, она должна выполнять следующие функции :

-         при получении от пункта охраны запроса об активности, ТД должна начать передачу на пункт охраны видео трафика, приходящего с камеры, а также начать вещать ШВС для обнаружения терминалов в зоне радиопокрытия;

-         при поступлении от пункта охраны команд управления устройством видеосъемки, проверить их целостность, при успешном приеме  передать их на устройство видеосъемки.

-         при поступлении от терминала заявки в обслуживании, выделить ресурсы для терминала и передать на терминал служебное сообщение, которое несет информацию о параметрах сети и, соответственно, о выделенных ресурсах для связи;

-         после получения данных от терминала проверить их целостность;

-         в случае возникновения ошибок передавать запрос о повторной передаче ошибочных пакетов;

-         после удачной проверки данных телеметрии передать их вместе с видео трафиком на пункт охраны, при этом за счет специальных битовых флагов в пакете, предупредив пункт охраны о передаче в одном пакете вместе с видео трафиком данных телеметрии;

-         при запросе от пункта охраны повторной передачи данных телеметрии, осуществить ее;

-         при удачной передаче данных телеметрии, стереть переданные данные из буфера;

-         при приеме сообщения от пункта охраны, адресованное конкретному терминалу, проверить его на целостность;

-         если возникли ошибки при передаче, запросить повторную передачу;

-         если сообщение удачно принято, ретранслировать его.


рис.11. Функциональный состав ТД






рис.12. Структурный состав ТД

 

Микроконтроллер (MCU) –  микросхема, предназначенная для управления взаимодействием всех функциональных модулей ТД;

4G модуль используется для связи с пунктом охраны;

Радио модуль используется для связи с терминалами;

Устройство видеосъемки включает в себя видеокамеру, которая обеспечивает формирование видеотрафика, а также механизм поворота видеокамеры;

Буфер памяти позволяет хранить данные телеметрии, принятые с терминала до успешной передачи их на пункт охраны;

Блок питания обеспечивает бесперебойное питание ТД.

 

1.4.3. Стратегия поведения и функциональный состав терминала.

            Последним объектом сети является терминал. Он располагается непосредственно на охранниках, и он выполняет следующие задачи:

-         терминал должен считывать данные телеметрии с датчиков, расположенных на охраннике и оружии, через интерфейс Bluetooth, а также считывать информации с GPS-модуля, расположенного в терминале;

-         при переполнении памяти, рассчитанной на хранение данных, производить удалении наиболее старых показаний;

-         при приеме ШВС от ТД произвести запрос на передачу данных;

-         после получения параметров сети и информации о выделенных ресурсах, произвести передачу данных телеметрии;

-         при запросе о повторной передаче данных вследствие нарушения целостности данных, произвести повторную их передачу;

-         при удачной передаче данных, отправить уведомление о завершении сеанса связи с ТД;

-         при приеме от ТД сообщения, переданное с пункта охраны именно данному терминалу, проверить его на целостность, при ошибке передать запрос на ТД о повторной отправке;

-         после удачного приема данного сообщения, вывести принятые данные на дисплей, чтобы охранник мог увидеть сообщение, отправленное с пункта охраны.

рис.13. Функциональный состав терминала



рис.14. Структурный состав терминала

    Микроконтроллер (MCU) –  микросхема, предназначенная для управления взаимодействием всех функциональных модулей терминала; 

Радио модуль используется для связи с ТД;

Модуль Bluetooth используется для приема информации с датчиков;

GPS-модуль обеспечивает определение местоположения и передает эти данные на микроконтроллер;

Дисплей позволяет выводить сообщения, переданные с пункта охраны;

Буфер памяти обеспечивает хранение и перезапись данных, принятых с датчиков и GPS-модуля;

Аккумулятор обеспечивает питание терминала.

 

 

 

 

         Библиографический список:

1.     Бакке А.В. – лекции по курсу "Системы и сети связи с подвижными объектами"

2. И.Г. Фадькин - Радиосеть сбора данных с подвижных станций. Часть 1 http://omoled.ru/publications/view/1278

3. П.Б. Никишкин - КП "Система сбора данных с подвижных станций". Часть 1. Исправленная http://omoled.ru/publications/view/432

4.      Определениепропускной способности ЛВС для видеонаблюдения.