В общем случае иерархическая модель OSI выглядит следующим образом:

Рис.1. Структура иерархической модели OSI - 7.

Рассмотрим каждый уровень  модели с позиции необходимости его использования в разрабатываемой системе.

Три верхних уровня, прикладной, представительский и сеансовый, можно объединить в один – уровень управления или уровень принятия решений. Основной задачей этого уровня является анализ, полученных с нижнего уровня, данных и, на основе этого анализа, формирование решения о дальнейших выполняемых действиях системой. На уровне управления используются два вида сообщений: непосредственно информационные данные и сообщения подсистемы сигнализации (управления). В нашем случае информационными являются телеметрические данные, которые уровень управления должен сохранять в регистре данных при их получении и извлекать из него при их отправке. Уровень управления осуществляет фрагментацию передаваемых данных в соответствии с пропускной способностью КС, а затем отправляет их на нижний уровень. При получении сообщения подсистемы сигнализации, уровень управления должен обработать его, сформировать сообщение управления  и отправить его на нижний уровень.

Уровень управления осуществляет выбор оптимального профиля функционирования системы. Выбор профиля осуществляется на основании полученного сообщения сигнализации с нижнего уровня (MAC – подуровня канального уровня) модели, в котором может содержаться информация о том, что начиная с определенного пакета, наблюдается увеличение значения битовой ошибки приема сообщений. На основании полученного сообщения сигнализации, уровень управления формирует сообщение управления и посылает его в соответствующее устройство физического уровня, осуществляющего выбор вида модуляции и кодирования сообщений. Соответственно такое же сообщение управления должно быть передано и сетевому устройству, осуществляющему передачу данных. Для данного сетевого устройства такое сообщение управления будет являться уже сообщением сигнализации, на основании которого уровень управления должен сформировать сообщение управления об изменении профиля функционирования данной системы. Т.о. оба устройства (передающее и приемное) сначала переходят на другой профиль функционирования, а затем осуществляется повторная передача данных.

Также смена профиля может происходить при получении сообщения сигнализации от устройства радиоизмерений, расположенного на физическом уровне, которое информирует о том, что произошло ухудшение качества канала связи.

Транспортный уровень обеспечивает приложениям верхнего уровня  доставку сообщений с той степенью надежности, которая требуется, т.е. осуществляет гарантированную доставку сообщений между приложениями верхних уровней двух сетевых узлов. В нашей системе гарантированная доставка будет означать получение соответствующего пакета подтверждения. В случае неправильного приема или потери пакетов данных, должен быть сформирован запрос на повторную передачу данных. В проектируемой системе наличие транспортного уровня не требуется, т.к. часть его функций делегируется на канальный уровень, а часть на уровень управления.

Сетевой уровень служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей. Основными задачами сетевого уровня являются доставка пакетов сетевого уровня любому узлу сети, маршрутизация – прокладка маршрута между узлами, и коммутация каналов. В разрабатываемой системе передача данных осуществляется по простейшим путям, от РМ к ТС и от ТС к ЦСИ, и не требует формирования сложных маршрутов. Из всего выше сказанного можно сделать вывод о том, что наличие сетевого уровня в разрабатываемой системе не требуется.

Канальный уровень определяет функции, отвечающие за организацию канала передачи данных. Канальный уровень необходим для осуществления надежной доставки пакетов между узлами сети. На канальном уровне решаются следующие задачи: формирование пакетов, выделение пакетов из потока бит, организация доступа к физическому каналу связи, проверка целостности пакетов, адресация сообщений, пакетная синхронизация.

Канальный уровень делится на два подуровня: подуровень адресации и формирования всех видов сообщений (MAC) и подуровень управления доступом к физическому каналу связи (CAC).

На  MAC – подуровне хранятся идентификаторы всех зарегистрированных в сети устройств. Этим и обуславливается возможность адресной передачи сообщений канальным уровнем. Также на МАС – подуровне происходит формирование нескольких типов пакетов: пакет запроса или пакет широковещательной информации (в зависимости от  типа сетевого устройства), пакет данных и пакет подтверждения правильного приема сообщения.

В общем случае структура пакетов канального уровня будет иметь следующий вид:

Рис.2. Пакет канального уровня.

Поле Fl служит индикатором начала пакета. Поле адреса содержит адрес или идентификатор сетевого устройства, к которому осуществляется доступ. Т.к. в системе используются пакеты различных типов (пакет данных, пакет подтверждения и т.д.), то информация о типе передаваемого пакета должна быть указана в соответствующем поле. Поле данных содержит непосредственно передаваемые данные. Поле CRC служит для определения целостности пакета.

На САС – уровне реализуется алгоритм доступа к каналу связи. В данной системе доступ к КС осуществляется на основе протокола CSMA\CA.

После включения ТС, она начинает излучать широковещательную информацию о сети, включающую сетевой идентификатор, информацию о профиле функционирования системы, данные коррекции частоты и временной синхронизации. Радиомаяки, приняв эту информацию, вступают в конкурентную борьбу за канал передачи данных. На основании принятых запросов, ТС формирует пакет оповещения и передает его РМ, выигравшему борьбу за канал. Пакет оповещения является, по сути, пакетом подтверждения о получении точкой сбора заявки на передачу данных. Этот пакет также содержит информацию о профиле функционирования ТС. Каждый радиомаяк может передавать накопленные данные только в фиксированный промежуток времени, т.е. он может передать определенное количество сообщений. Это число должно быть заранее установлено в системе и должно быть известно всем РМ. Поэтому когда один из РМ начинает передачу данных, остальные РМ, не дождавшись пакета оповещения, переходят в состояние «сон» на время равное времени передачи. По истечении этого отрезка времени, РМ включаются и снова вступают в конкурентную борьбу за канал передачи данных. После осуществления передачи данных, РМ должен получить соответствующий пакет подтверждения. Если такого пакета он не получает, то выждав некоторое время снова вступает в борьбу за канал.

Рис.3. Временные диаграммы  алгоритма доступа к физическому КС.

Если РМ вышел за пределы зоны обслуживания ТС, так и не сумев передать накопленные данные, то с ТС на ЦСИ поступает соответствующее сообщение подсистемы сигнализации. ЦСИ формирует сигнал управления и посылает его на следующую, по ходу движения спортсменов, точку сбора. Этот сигнал оповещает о том, что такой-то РМ с таким-то уникальным идентификатором должен быть  первоочередно обслужен точкой сбора вне зависимости от конкурентной борьбы. Т.е. сигнал подтверждения о получении запроса и предоставления канала передачи данных будет отправлен только на РМ с указанным уникальным идентификатором.

Физический уровень – нижний уровень модели OSI. Обеспечивает установление и управление физическим каналом. Реализует механические, электрические, функциональные и процедурные аспекты взаимодействия двух сетевых устройств. Основной задачей ФУ является надежная передача потока битов, поступающего с верхнего (канального уровня). На физическом уровне могут быть реализованы любые технические решения, направленные на повышение достоверности приема битов. Для эффективной реализации поставленных задач необходимо оптимальным образом подобрать параметры функционирования системы связи на физическом уровне.

 К параметрам ФУ относятся:

- вид модуляции;

- тип и параметры помехоустойчивого кодирования;

- глубина перемежения;

- способ обеспечения тактовой, частотной и пакетной синхронизации;

- способы идентификации характеристик канала связи (КС) и последующей компенсации искажений сигнала, полученных в КС.

В зависимости от качества КС необходимо реализовать два профиля функционирования системы: для канала с высоким и низким качеством. Эти профили будут отличаться видом модуляции сообщений и типом помехоустойчивого кодирования. Выбор этих параметров должен осуществляться на основании того, что использование фазовой манипуляции с малой позиционностью обеспечивает более низкую скорость передачи сообщений, но и более низкую вероятность ошибочного приема сообщений, чем использования манипуляции с высокой позиционностью. Вследствие этого, будет целесообразно для канала с плохим качеством использовать модуляцию с малой позиционностью и кодирование с минимальным количеством избыточных бит на один информационный, а для канала с высоким качеством – модуляцию с высокой позиционностью и кодирование с большим числом избыточных бит.

Для того чтобы смена профиля была возможной, на физическом уровне должна присутствовать система индикации качества канала связи. При обнаружении изменения свойств канала, система передает оповещающий сигнал на уровень управления. В свою очередь уровень управления отвечает сигналом о смене профиля функционирования данного физического уровня данного сетевого устройства, а также формирует пакет управления для передачи другому сетевому устройству, при установлении или поддержании сеанса связи.

Для борьбы с замираниями и возникновением связанных с ними пакетов ошибок служит процедура перемежения. Максимальное расстояние, на которое разносятся соседние символы, называется глубиной перемежения. В общем случае выбор глубины перемежения зависит от двух факторов. С одной стороны, чем больше расстояние между соседними символами, тем большей длины пакет ошибок может быть исправлен. С другой стороны, чем больше глубина перемежения, тем сложнее аппаратно-программная реализация оборудования и больше задержка сигнала.

Для борьбы с многолучевым распространением будем использовать сигналы с ортогональной частотной модуляцией (OFDM).

Проведем анализ функционирования физического уровня системы с выявлением необходимых подсистем.

Поступающее с канального уровня сообщение проходит процедуры помехоустойчивого кодирования, перемежения и модуляции. Параметры этих операций зависят от выбранного системой профиля функционирования. Профиль функционирования  выбирается исходя из качества КС. Чтобы оценивать качество КС на физическом уровне должна быть реализована подсистема радиоизмерений. За выбор того или иного профиля функционирования системы на физическом уровне отвечает подсистема управления профилями.

Полученное сообщение физического уровня поступает на вход формирователя OFDM сигналов, где оно разбивается на блоки равной длины. Далее к полученным символам OFDM в виде преамбулы добавляются сообщения синхронизации и коррекции частоты, поступающих в формирователь OFDM – сигнала от соответствующих подсистем.

Рис.4. Структура разрабатываемой системы.

Опишем сценарии взаимодействия радиомаяков с точкой сбора.

Когда все участники соревнований находятся на старте, на первую ТС от ЦСИ поступает команда включения. Каждый спортсмен также включает свой радиомаяк. После включения, РМ осуществляет поиск сети. Если никакая сеть не будет найдена, то РМ перейдет на определенное время, ранее заложенное в системе, в состояние «сон», а затем снова осуществит поиск сети. Если сеть обнаружена, то РМ сделает попытку в ней зарегистрироваться. Регистрация происходит на основе конкурентной борьбы. Прежде чем отправить запрос на предоставление КС, каждый радиомаяк осуществляет контроль качества канала связи, на основе работы подсистемы радиоизмерений, и определяет необходимый профиль функционирования. Информацию о своем профиле РМ передает вместе с запросом по каналу вызова RACH. ТС также осуществляет контроль качества КС.

На основании принятых запросов, ТС формирует пакет оповещения, в котором в частности содержится информация о выбранном для передачи данных профиле функционирования систем, и передает его РМ, выигравшему борьбу за канал. Проигравшие РМ переходят в состояние «сон» на время передачи данных, которое является фиксированным и одинаковым для каждого радиомаяка. Выигравший РМ осуществляет передачу своего уникального идентификатора ID_РМ. ТС сравнивает полученный идентификатор с тем, который записан в ее регистре идентификаторов. Если такой идентификатор есть, то ТС должна отправить на РМ сигнал подтверждения регистрации. Если РМ такого сигнала не получает, то он вновь осуществляет поиск сети. При успешной регистрации РМ записывает в свою память идентификатор сети ID_С, который необходим для последующего доступа в сеть без прохождения процедуры регистрации. 

Рис.5. Сценарий регистрации радиомаяка в сети.

Далее приводится диаграмма состояний РМ, отражающая рассматриваемый сценарий регистрации.

Рис.6. Диаграмма состояний РМ при прохождении процедуры регистрации.

Попав в зону действия следующей точки сбора, РМ принимает широковещательную информацию о сети. Далее он должен сравнить передаваемый идентификатор сети ID_С с записанным в своей памяти. Если они совпадают, то РМ может отправить запрос на предоставление ему канала передачи данных. Если идентификаторы  сети ID_С не совпадают, РМ продолжает поиск сети в которой он зарегистрирован. Если через какое-то время сеть не будет найдена, РМ должен перейти в состояние «сон». Канал передачи данных предоставляется на основе конкурентной борьбы. Приняв запросы, ТС формирует и отправляет выигравшему РМ сигнал оповещения о предоставлении ему канала передачи данных и необходимом для этого профиле функционирования. Проигравшие РМ на время передачи данных переходят в состояние «сон», а затем вновь осуществляют поиск сети и борьбу за канал передачи данных. Выигравший радиомаяк осуществляет передачу данных в фиксированном интервале времени. При успешной передаче он должен получит от ТС сигнал подтверждения. Если такого сигнала он не получает, то переходит в состояние «сон», чтобы через некоторое время снова участвовать в конкурентной борьбе за канал.

Рис.7. Сценарий передачи данных от РМ к ТС.

Диаграмма состояний радиомаяка, отражающая выше описанный сценарий передачи данных.

Рис.8. Диаграмма состояний радиомаяка при передаче данных.

Список литературы:

1. А.В. Бакке. «Лекции по курсу ССПО», Рязань, РГРТУ 2012.

2. http://www.osp.ru/nets/2000/12/141602/#t

3. Система сбора данных с подвижных станций. Часть 1.

Ламтев К.М.