Система передачи речевого трафика и данных по сети Ad Hoc.

Статья 1.

Воробьев А.Г., группа 9110.

В данном курсовом проекте необходимо разработать систему, предназначенную для обеспечения беспроводной передачи звукового трафика и данных в децентрализованной радиосети с произвольной архитектурой. Каждый узел оснащается отдельным каналом передачи звука для локального аудио мониторинга окружающего пространства, а также набором телеметрических датчиков для различных функций дистанционного контроля. Потоки данных с активных терминалов сети должны поступать на специальный (выделенный) узел сети, выполняющий роль точки сбора информации.

Основные требования к системе:

- минимально возможная мощность излучения терминалов;

- сеть должна поддерживать автоматическую реконфигурацию и при возможности обеспечивать прокладку нескольких альтернативных маршрутов соединения;

- сеть должна быть способной противостоять атакам типа «черная дыра».

Исходные данные к проекту:

-Радиус зоны радиопокрытия терминала (АС): 100м

-Модель предсказания потерь: выбрать самостоятельно

-Максимальное количество узлов в сети: не более 30

-Количество одновременно транслируемых звуковых потоков: не менее 5

-Вероятность ошибки на бит Pb: 10^(-5)

-Мощность излучения подвижной станции Ризл АС : < 100 мВт

-Диапазон частот, вид модуляции выбирается самостоятельно.

1.1. Анализ поставленной задачи и исходных данных, выявление особенностей работы системы. Цель – проработка идеи создания сети как целостной системы. В контексте решаемой задачи выделение источников и получателей информационных сообщений, оценка характера трафика и обозначение требований к способу доставки сообщений. Определение списка основных и дополнительных услуг системы, предоставляемых пользователям.

Даная система предназначена для беспроводной передачи информации по сети Ad Hoc.

Она состоит из двух основных частей:

- группировка датчиков для аудио мониторинга;

- точка сбора информации.

Представим себе ситуацию: есть некая территория (помещение), которая нуждается в аудио мониторинге (система прослушки). Необходимо по всей ее площади, с учетом конкретной структуры местности, расположить до 30 датчиков (Д). Данные со всех датчиков будут “стекаться” на один выделенный узел – точку сбора информации (ТСИ). Каждый датчик оснащается микрофоном, запоминающим устройством и приемопередатчиком. Точка сбора информации оснащена приемопередатчиком, системой хранения информации и системой ввода (управление датчиками) и вывода (воспроизведение аудио) информации.

Группировка датчиков является источником сообщений аудио мониторинга и телеметрии. Также датчики являются ретрансляторами, которые передают сообщений от других датчиков на точку сбора информации.

Получателем сообщений аудио мониторинга является оператор ТСИ, который управляет всей системой.

С другой стороны источником сообщений управления является оператор ТСИ, который посылает конкретному датчику или их группе команды на включение/выключение микрофонов и начало/прекращение передачи. Получателями в данном случае являются датчики.

Необходимо определиться с характером данных сообщений. Основными являются сообщения аудио мониторинга. Нужно передавать речь человека, следовательно, хватит потока 64 кбит/с. Так как в требованиях к проекту не ставится цели минимизации занимаемой полосы частот, то будем использовать именно этот поток без сжатия. Передача телеметрии и команд управления требует намного меньшей скорости передачи (сотни бит/с). Для передачи аудио, требования к гарантированности доставки снижается из-за психо-акустического эффекта человека, т.е. возможности понимать смысл передаваемого сообщения при незначительных искажениях и кратковременных прекращениях передаваемой речи. Телеметрия и команды управления приходят на “электронные мозги”, которые не умеют додумывать сообщения, поэтому требования к качеству передачи этих сообщений выше, и вероятность битовой ошибки составляет 10^(-5). Сообщения телеметрии рассылаются с периодичностью, которую меняет оператор, и может составлять от нескольких секунд до нескольких минут.

В основных требованиях указано, что система должна противостоять атакам типа “черная дыра”, т.е. в систему может вторгнуться чужой приемопередатчик, который будет посылать в систему сообщения о том, что через него идут кротчайшие маршруты до получателя, следовательно, все сообщения будут проходить через “чужого” и пропадать в нем, т.е. не доходить до адресата. Для защиты системы от данных атак необходимо применять систему аутентефикации, т.е. проверку подлинности всех терминалов при разрешении им к доступу в сеть.

Но в рассматриваемой системе этого будет мало. Здесь, когда датчики закреплены на своих местах, вообще нельзя допустить возможность их обнаружения, т.е. они должны быть миниатюрными и хорошо спрятанными. Причем спрятанными не только от человеческих глаз. Но и от приборов, сканирующих эфир на предмет приема и передачи. Следовательно, необходимо, во-первых, обеспечить минимальную мощность излучения, а во-вторых, нужно применить систему расширения спектра, чтобы была возможность работать с шумоподобными сигналами, которые трудно засечь даже с помощью радара.

1.2. Проработка обобщенной функциональной схемы системы: выявление основных ее компонент и описание функциональных связей. Краткое описание концепции функционирования сети в виде анализа доставки информационных/служебных сообщений системы по схеме: сообщения для передачи - инициатор сеанса связи – доставка сообщения (сеть) – получатель сообщения. Обоснование наличия выделенных узлов сети и отражение их задач. Выбор интерфейсов взаимодействия разрабатываемой сети с внешними компонентами (при необходимости).          

Рассмотрим предложенную выше концепцию подробней. Система состоит из 30 датчиков (Д), каждый из которых имеет радиус зоны радиопокрытия 100 м. При этом, зоны радиопокрытия соседних датчиков должны перекрываться, чтобы было возможно обеспечить передачу данных по технологии Ad Hoc. Данные со всех датчиков будут “стекаться” на один выделенный узел (ТСИ). Его роль будет выполнять автомобиль с необходимым оборудованием и оператором, который стоит неподалеку от крайнего датчика, таким образом, чтобы зона радиопокрытия ТСИ перекрывалась с зоной радиопокрытия хотя бы одного Д. Этот датчик является шлюзовым (ШД). Через него будет происходить управление всей группой датчиков, а также осуществляться прием речевого трафика и телеметрических данных (Рис. 1.).  

Рис. 1. Функциональная схема фрагмента сети.

Вся информация стекается через ШД в ТСИ и также команды управления поступают во все элементы сети через узел ШД.

Например, чтобы передать информацию от Д8, необходимо проложить маршрут через соседние узлы. Также по возможности нужно организовывать альтернативные пути передачи, и все они должны сходиться в узел ШД. Так как данная сеть развертывается для конкретной территории и является стационарной, то заранее известно взаимное положение всех датчиков относительно друг друга. Данная особенность облегчает построение таблицы маршрутизации, которая будет расположена в информационной системе каждого из датчиков. У каждого датчика в таблице будет прописано по несколько маршрутов до ШД, по которым будет передаваться информация. Для этого датчики, располагающиеся на маршруте должны уметь принимать сообщение, понимать, кто является следующим получателем, и передавать это сообщение дальше. Причем априорным будет маршрут имеющий наименьшее число переприемных участков. Остальные маршруты нужны для обеспечения надежности системы. При ухудшении качества на данном маршруте или при полном ее прекращении (при выходе из строя датчика) выбирается другой маршрут и передача продолжается. ТСИ управляет всей сетью. Он посылает каждому из датчиков сигнал о том, кто из них должен в данный момент вести аудио мониторинг. С датчиков кроме аудио данных на ВУ поступают данные телеметрии (остаток заряда батареи в них и сигнал о том какие из датчиков вышли из строя).

Рассмотрим концепцию функционирования сети:

1) все датчики шлют широковещательную информацию о том, что они активны. Приняв эту информацию, соседние датчики ставят “галочку” в соответствующем поле в таблице маршрутизации;

2) ТСИ отвечает о том, что она активна;

3) далее начинается рассылка телеметрии о состоянии датчиков на ТСИ;

4) оператор шлет команды необходимым датчикам о включении;

5) датчики передают сообщения аудио мониторинга на ТСИ путем ретрансляции этого сообщения, через датчики, входящие в маршрут.

Следовательно, можно выделить задачи участников сети.

Задачи Д:

1) рассылка широковещательной информации;

2) передача телеметрии;

3) ретрансляция сообщений;

4) запись и передача речевых сообщений;

5) иметь возможность входить в режим “сон” (не записывает и не передает).

Задачи ТСИ:

1) передача сообщений об активности;

2) прием речевых сообщений;

3) прием сообщений телеметрии;

4) передача команд управления.

Функциональная схема датчика (Рис. 2.).

Рис. 2. Функциональная схема датчика.

В ее состав входят:

- радиомодуль - отвечает за формирование и достоверный прием потока битов;

- сценарий взаимодействия – отвечает за выполнение заложенных алгоритмов исходя из полученной информации управления;

- таблица маршрутизации – информационная система, необходимая для функционирования всей системы в целом;

- интерфейсное устройство – согласует выход микрофона с входом радиомодуля.

Функциональная схема точки сбора информации (Рис. 3.).

Рис.3. Функциональная схема точки сбора информации.

В ее состав входят:

- радиомодуль - отвечает за формирование и достоверный прием потока битов;

- сценарий взаимодействия – отвечает за выполнение заложенных алгоритмов исходя из полученной информации телеметрии;

- информационная система – хранит информацию об активных датчиках;

- сетевой контроллер – периферийное устройство, обеспечивающее доступ к проводной сети по технологии Ethernet через разъем RJ-45.

1.3. Определение и обоснование структуры информационной подсистемы сети. Выявление важнейших модулей информационной подсистемы и пояснение необходимых связей модулей.

Информационная подсистема датчика хранит в себе информацию о нескольких маршрутах до шлюзового узла, информационная система точки сбора информации хранит в себе информацию о состоянии активных датчиков, и о том какой датчик вышел их строя.

Список литературы:

1. Бакке А.В. Лекции по курсу ССПО. 2012-2013

2. http://omoled.ru/publications/view/295

3. http://omoled.ru/publications/view/313

4. http://omoled.ru/publications/view/425