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.
1.4.1. 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, формирование пакетов физического уровня, оценка активности в канале связи. 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.  Соответственно, кодирование в этом случае будет использоваться с большим числом избыточных бит на 1 информационный. 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. Таким образом, эта команда извлекается из пакета данных на канальном уровне и далее уже передается блокам модуляции и кодирования. Для борьбы с возникновением пакетов ошибок вследствие замираний служит процедура перемежения. Она заключаетсяв перестановке символов кодированной последовательности до ее модуляции и восстановлении исходной последовательности после демодуляции. Данная операция не вносит избыточности, а только изменяет порядок следования бит. Идея перемежения заключается в следующем: исходная кодовая последовательность из L символов разбивается на M блоков по N символов в каждом и преобразуется в матрицу размером L=[NxM], где N — число символов в строке, а M — число столбцов. Операция блочного перемежения заключается в последовательной построчной записи входных данных и считывании этой информации по столбцам. В результате порядок следования символов в выходной последовательности будет изменен. Таким образом, два любых соседних символа входной последовательности будут разнесены в радиоканале на M-1 символ. Максимальное расстояние, на которое разносятся соседние символы (т.е. глубина перемежения) определяется как d=TM (где T — длительность символа). Если время, в течение которого происходил сбой сигнала, меньше глубины перемежения, любой пакет ошибок будет преобразован в группу из M одиночных ошибок, которые легко устраняются блочным кодом. Выбор глубины перемежения осуществляется из компромисса: чем она больше, тем большей длины пакет ошибок может быть исправлен, но тем сложнее реализация блока перемежения и задержка сигнала. 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. Оценка активности в канале связи производится постоянным прослушиванием этого канала. Как только уровень сигнала становится выше порогового, то незамедлительно начинается обработка принятого сигнала. После анализа физического уровня системы получаем его схему (рис.1):
Рис.1. Структура физического уровня системы.
На физическом уровне структура пакетов сообщений различных типов не будет отличаться. Пакет будет состоять из следующих полей: поле канала коррекции частоты (FCCH), поле синхронизации (SCH), поле настроечной последовательности эквалайзера, поле данных, закодированных сверточным кодером (Data) и флаг окончания пакета. Поле канала коррекции частоты необходимо дляподстройки несущей частоты,  так как из-за движения или из-за разницы в работе генераторов частоты могут не совпадать. Поле синхронизации служит для передачи меток синхронизации, по которым будет происходить тактовая и кадровая синхронизация и настройка ФАПЧ приемников. Настроечная последовательно эквалайзера используется для компенсации искажений канала связи. Поле данных представляет собой пакет MAC-уровня, закодированный помехоустойчивым кодом. Флаг окончания пакета передаем, чтобы обозначить его границы. Пакет физического уровня принимает вид рис.2:
Рис.2. Структура пакета физического уровня.
1.4.2. 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, т.е. только между терминалами, которые имеют право обмена информацией в соответствии с концепцией построения данной сети. 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 вместе с обменом сообщениями между ТСД и ЦСИ (п.1.2) во временной области образуют мультикадр (рис.3):
Рис.3. 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 подуровне  MAC осуществляется формирование пакетов 3 видов: пакет опроса, пакет данных и пакет подтверждения правильного приема. Подробную проработку структуры пакетов произведем при построении канального уровня системы.
В системе потенциально возможно возникновение проблемы скрытой станции. Радиус зону действия радиомаяка составляет 120 м, соответственно, ТСД может совершать обмен данными с ним на протяжении 240 м движения спортсмена. Получается, если в зоне действия ТСД находятся два радиомаяка: один только вошел в эту зону, а другой почти ее преодолел; то друг для друга они могут стать «невидимыми». Но, как уже говорилось в п.1.2, скорость спортсменов по сравнению со скоростью обмена данными настолько мала, что все данные с мобильных терминалов будут сниматься сразу же после попадания их в зону действия ТСД, где несколько радиомаяков в любом случае будут «видеть» друг друга.
%
Мне кажется данное объяснение неприменения мер по борьбе со скрытой станцией вполне уместным в соответствии со спецификой данной сети связи, не знаю, что здесь можно добавить.
Взаимное влияние ТСД невозможно, так как они расположены на расстоянии 7 км. Уровень излучаемого ими сигнала будет рассчитан таким образом, чтобы обслуживать мобильные терминалы, находящие в радиусе 120 м от ТСД, соответственно на 7 км такой слабый сигнал точно не распространится. Что касается обмена данными между ТСД и центром сбора информации, то здесь сам центр организует управление тем, какие ТСД с ним работают и исключает их одновременную работу с собой.
%
1.4.3. 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.
1.4.4. 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.
1.4.5. 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.
1.4.6. Таким образом, получаем иерархическую модель разрабатываемой системы (рис.4):
Рис.4. 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 поиска сети,
- режим регистрации в сети,
- режим «сна», 
- режим ожидания повторной передачи,
- режим конкурентной борьбы за канал связи,
- режим передачи данных,
- ожидание подтверждения правильного приема.
Функциональные связи этих режимов работы иллюстрирует рис.5. На старте все участники находятся в режиме поиска сети. Как только они фиксируют сигнал запроса идентификации от первой ТСД, которая выполняет только функцию регистрации участников в сети, то терминалы переходят в режим регистрации, и сразу начинается конкурентная борьба за канал с целью передачи своего идентификатора. В следующем временном слоте ТСД вместе с сигналом запроса  передает идентификатор зарегистрировавшегося мобильного терминала. Если никакой идентификатор не был передан, то произошла коллизия, и происходит удвоение окна конкурентной борьбы. Далее все радиомаяки снова участвуют в борьбе. Размер окна конкурентного доступа может удваиваться только до тех пор, пока его длительность в слотах не станет равной планируемому количеству участников. Мобильный терминал, идентификатор которого был передан в сигнале ТСД, переходит в режим «сна» с занесением идентификатора данной ТСД в список игнорируемых точек сбора. После получения сигнала опроса от новой ТСД (с иным идентификатором) радиомаяк переходит из режима «сна» 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 снова переходит в режим «сна» 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 следующего сигнала опроса данной ТСД (режим ожидания повторной передачи). Далее происходят те же действия, что и при получении терминалом, находящимся во «сне», сигнала опроса новой ТСД. Таким образом, условием выхода из режима «сна» является получение сигнала опроса от новой ТСД, а условиями входа в этот режим: удачная регистрация в сети и удачная передача данных в ТСД.
Рис.5. 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 (IDS – ID slave) и ТСД (IDM – ID master), по которым определяется необходимость выполнения тех или иных действий. IDS нужны центру сбора информации для определения, какому именно участнику принадлежат полученные телеметрические данные. IDM нужны центру сбора для определения, с какой контрольной точки поступают данные об участниках, а также они нужны мобильным терминалам для своевременного  погружения 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.
%
Не совсем понятно замечание "8. Не проработан сценарий поиска сети". В режим поиска сети терминалы входят сразу после включения и до момента приема пакета запроса идентификации. После этого они входят в режим регистрации, сценарий которого изображен на рис.6.
По поводу замечания "9. Как организуется доступ к КС терминалов без конкурентной борьбы - "Волшебный" запрос идентификации?". На диаграмме состояний терминала и при иллюстрации сценария взаимодействия терминала с ТСД на этапе регистрации в сети отражено, что все терминалы при регистрации, как и при обмене данными, участвуют в конкурентной борьбе.
"10. Все-же непонятно, какие имеются условия погружения Т в сон и как/где/чем формируется команда пробуждения?" Терминалы погружаются в сон после окончания обмена данными с определенной ТСД, после чего ее идентификатор IDM помещается в список игнорируемых, и далее мобильный терминал уже не реагирует ни на какие сигналы от этой ТСД. Пробуждение происходит после приема сигнала опроса от ТСД с новым IDM (отсутствующим в списке игнорируемых).
"Рекомендация: рис., поясняющие сценарии, целесообразно отразить в форме "пузырьков"". Мне кажется, что подобным образом у меня уже выполнена диаграмма состояний, а сценарии уже более наглядно отражены в виде рис.6 и 7, учитывающих все возможные варианты развития событий (поражение или победа в конкурентной борьбе, безошибочный прием или прием с ошибкой).На данных рисунках отражена последовательность действий участников сети во времени, мне такая иллюстрация видится более понятной, чем в форме "пузырьков".
%
Сценарий взаимодействия абонентского терминала с ТСД на этапе регистрации в сети для всех возможных вариантов развития событий иллюстрируется рис.6:
Рис.6. Сценарий взаимодействия на этапе регистрации в сети.
Далее представим сценарий взаимодействия абонентского терминала с ТСД на этапе передачи телеметрических данных для всех возможных вариантов развития событий (рис.7):
Рис.7. Сценарий взаимодействия на этапе передачи данных.
 
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.
3.  КП "Система сбора данных с подвижных станций". Часть 1. Доработанная.
4.  КП "Система сбора данных с подвижных станций". Часть 2. Доработанная.