П.Б. Никишкин

 КП «Система сбора данных с подвижных объектов»

Часть 2.

Описание иерархических моделей выделения узлов сети и терминалов в соответствие с рекомендациями OSI. Краткий анализ необходимых уровней с обоснованием основных выполняемых задач. Оценка необходимости наличия сетевого и транспортных уровней в разрабатываемой системе.

Каждый из уровней OSI отвечает за выполнение определенных действий по подготовке информации к передаче по сети.

Модель OSI описывает, каким образом информация проделывает путь по среде распространения от одной прикладной программы, к другой прикладной программе. По мере того, как данные готовы к передаче, они проходят вниз через уровни системы, становясь все меньше похожими на «человеческий язык» и все больше похожими на «единицы» и «нули». Эталонная модель OSI делит задачу перемещения информации через среду распространения на семь менее крупных и, следовательно, более легко разрешимых подзадач. Каждая из этих семи подзадач выбрана потому, что она относительно автономна и, следовательно, ее легче решить без чрезмерной опоры на внешнюю информацию. Такое разделение на уровни называется иерархическим представлением. Каждый уровень соответствует одной из семи подзадач (рисунок 1).

Рисунок 1. Модель OSI.

Рассмотрим уровни модели OSI необходимые в разрабатываемой системе. Верхние три уровня (прикладной, представительский и сеансовый) объединим в один, который назовем прикладным уровнем. В рамках данного уровня выполняются следующие задачи:

1. Доступ к сети и обслуживание пользователей.
2. Определяет, пригодны ли данные для работы с ними, если нет, то преобразует в необходимый формат.
3. Шифрование, дешифрование, сжатие данных, а также управление выводом периферийного устройства.
4. Установление сеанса связи между двумя сторонами.
5. Распознавание участников системы, регистрацию и администрирование.

В рамках данного уровня выполняются такие задачи, как взаимодействие точки доступа и участников соревнования (терминалов). Проводится анализ полученных данных с нижележащих уровней. В ходе анализа, данные могут быть либо с информацией от датчиков, либо с сообщениями контроля и управления. Таким образом, прикладной уровень, непосредственно связан с информационной подсистемой, для возможности сохранения или считывания данных с журналов ИС.

Транспортный уровень во многом дублирует расположенный ниже сетевой уровень, однако в отличие от него действует локально. Если по каким-либо причинам соединения становится недоступно, он может хранить данные, до тех пор соединение не будет восстановлено. Именно транспортный уровень обеспечивает контроль за тем, чтобы данные были приняты полностью и в правильной последовательности. Пришедшие на вход транспортного уровня данные, еще чем-то похожи на те которые были в момент создания. На транспортном уровне, данные разбиваются на пакеты одинакового размера. На приемной стороне, приняв все пакеты, транспортный уровень собирает из них исходную информацию. Чтобы можно было восстановить правильную последовательность пакетов, в случае их неупорядоченного прибытия, уровень нумерует каждый их них. Транспортный уровень выступает в качестве посредника между вышележащими и нижележащими уровнями, связанными с сетью. В разрабатываемой системе наличие транспортного уровня не требуется, т.к. его основная часть осуществляется на канальном уровне.

Сетевой уровень обеспечивает адресацию сообщений внутри сетей и между сетями. Выбирает физический маршрут передачи данных, исходя из состояния сети. Одной из задач сетевого уровня является доставка пакетов сетевого уровня любому узлу сети, коммутация каналов. В разрабатываемой системе сложную маршрутизацию использовать не имеет смысла, так как передаются сообщения от терминала к точки доступа и наоборот. Поэтому будем считать, что наличие сетевого уровня в данной системе не обязательно.

Канальный уровень берет символы из потока, предоставляемого физическим уровнем, и составляет из них пакеты, считая для каждого, так называемую контрольную сумму. Также канальный уровень отвечает за установление соединений между узлами сети и передачу сообщения канального уровня средствами физического. Этот уровень решает следующие задачи: выделение пакетов из потока, формирование пакетов, проверка целостности пакетов, адресация сообщений, организация доступа к физическому каналу.

Канальный уровень обычно состоит из двух подуровней. Это подуровень управления доступом к физической среде – CАС (Channel Access Control) и подуровень МАС (Media Access Control).

На САС подуровне должна минимизироваться частота возникновения коллизий. На МАС подуровне реализуются адресная передача сообщений, проверка целостности, на основе расчета контрольных сумм CRC, сбор и разбор пакетов канального уровня.

В разрабатываемой системе адресными являются сообщения от точки доступа до терминалов и от терминала до точки доступа. Например, с помощью оператора находящегося в ЦСИ, на точку доступа поступает запрос с целью получения дополнительной услуги. Точка доступа пересылает запрос предоставления дополнительной услуги на терминал по каналу трафика. Широковещательные сообщения точки доступа (ВССН), являются не адресными, и предназначены всем терминалам.

Рассмотрим физический уровень. Как следует из названия, этот уровень имеет дело с физическим оборудованием. Через него общаются с внешним миром все остальные рассмотренные нами уровни. На физическом уровне пересылаются потоки нулей (0) и единиц (1), которые он получает от вышележащего канального уровня и преобразует их в оптические или электрические сигналы. Эти сигналы посылаются через среду передачи на точку доступа. С точки зрения физического уровня осуществляется передача неформатированного потока данных бит за битом, физический уровень “не понимает” формата фреймов или пакетов.

Для борьбы с замираниями и как следствием возникновением пакетов ошибок, в системе необходимо предусмотреть процедуру 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.

В разрабатываемой системе связи расстояния передачи относительно не большие, поэтому возможно использовать относительно не глубокое перемежение.

Для повышения достоверности передачи данных путем устранения битовых ошибок будем использовать помехоустойчивое кодирование (FEC).

Для  эффективной передачи информации по радиоканалу, необходимо наличие модулятора.

Для согласованной работы точки доступа и терминала необходимо предусмотреть наличие временной и частотной синхронизации. Частотная синхронизация означает согласованность генераторов устройств сети по частоте, т.е. все генераторы работают с одинаковой частотой. Временная синхронизация предусматривает, что устройства сети имеют единое время [14].

Для формирования пакетов канального уровня необходима служба сбора/разбора пакетов.

Для устранения последствий интерференции и многолучевости будем использовать эквалайзер, опирающийся на передаваемую настроечную последовательность, добавляемую в специальное поле пакета физического уровня [7].

Для управления профиля физического уровня, необходима система радиоизмерений. С помощью радиоизмерений появляется возможность адаптации к помеховой обстановке в канале связи и обеспечить передачу данных с необходимым качеством.

Определение и краткая характеристика возможных режимов работы абонентского терминала. Проработка понятия сеанса соединения, атрибутов соединения.

Рассмотрим режимы работы терминала, которые возможны в данной системе.

Режим идентификации сети. Точка доступа передает широковещательную информацию о сети, состоящей из идентификатора точки доступа, профиля настройки физического уровня, пакетов временной и частотной синхронизации, номера цикла передачи^[1]. Терминал принимает эту информацию. При успешном сравнении найденного идентификатора с хранящимся в информационной подсистеме, терминал понимает, что находится в зоне обслуживания «своей» точки доступа, и имеет право передавать сообщения.

Режим ведения связи – происходит передача текущих данных, на основе конкурентной борьбы. Рассмотрим, каким образом это осуществляется. Терминал, загадывает случайным образом время задержки, т.е. число канальных интервалов в диапазоне от 1 до N^[2], в течение которых воздерживается от передачи, при этом постоянно опрашивая службу радиоизмерений на предмет незанятости канала связи. По истечении загаданной времени задержки и незанятости канала связи, терминал незамедлительно по каналу случайного доступа отправляет на точку доступа свой идентификатор и текущие данные, необходимые для передачи. Например, в зоне обслуживания появились 3 терминала (Т1, Т2, Т3). Терминал Т1 загадал число 6, терминал Т2 число 4, Т3 – 1. Выбирается наименьшее загаданное число, т.е. терминал Т3 получает доступ к каналу связи, терминалы Т1 и Т2 отнимают от своих загаданных чисел единицу (т.к. Т3 загадал только 1 канальный интервал), и снова вступают в конкурентную борьбу за канал. Теперь у Т1 число 5, у Т2 число 3, т.е. передачу осуществляет терминал Т2 и т.д. Проигравшие терминалы на время передачи переходят в спящий режим. После осуществления передачи данных, терминал должен получить сообщение подтверждения. Если он не получил такого сообщения, то терминал заново вступает в конкурентный доступ за канал (рис. 2).

Рассмотрим вопрос, связанный с коллизией, когда два конкурирующих терминала загадали одно и то же число канальных интервалов, и как следствие не получили пакет подтверждения. В этом случае терминалы пропускают 3 цикла передачи от текущего номера цикла передачи, генерируют новое число и снова вступают в конкурентную борьбу. Если при второй попытке у терминала снова возникает коллизия, то он пропускает 2 цикла, и снова повторяет описанную выше операцию. В последующих попытках терминал пропускает 1 цикл.

Режим предоставления дополнительной услуги. Оператор, находящийся в ЦСИ, отправляет на точку доступа запрос о предоставлении дополнительной услуги от конкретного терминала. Точка доступа, по выделенному каналу связи, посылает сообщение конкретному терминалу, с целью получения от него дополнительной информации, требующейся в ЦСИ.

Спящий режим – данный режим используется, чтобы продлить срок службы батареи терминала, так сказать режим сниженного энергопотребления. Используется при ожидании терминалом своей очереди обслуживания точкой доступа, в результате конкурентной борьбы.

Проработка способов обеспечения энергосбережения для всех режимов работы терминала.

Способы обеспечения энергосбережения были описаны в первой статье [15].

Разработка и пояснение способа адаптивного изменения скорости и мощности передачи данных.

Основными требованиями к системе является минимально возможная мощность излучения терминалов. Так как расстояние между терминалом и точкой доступа невелико, то адаптивного изменения мощности не требуется. При передаче сообщения, терминал занимает весь канал связи, поэтому скорость передачи данных должна быть на высоком уровне. Из этого следует, что в адаптивном изменении скорости также нет необходимости.

Разработка сценария взаимодействия терминалов с точкой доступа. Построение диаграмм состояний, отражающих рассматриваемые сценарии.

Рисунок 2. Диаграмма взаимодействия терминала с точкой доступа. 

При рассмотрении режимов работы терминала были затронуты вопросы взаимодействия терминала с точкой доступа. Кратко опишем еще раз. При включении терминал осуществляет поиск сети. Если сеть найдена и в ней разрешена передача, терминал начинает конкурентную борьбу за канал. Если терминал проиграл, то он уходит в спящий режим, на определенное время и затем снова вступает в конкурентную борьбу за канал. Если терминал выиграл, то осуществляется передача данных по каналу случайного доступа. Также терминал анализирует, получил ли он от точки доступа запрос на дополнительную услугу. Если такой запрос был, то терминал в своем сообщение передает данные относящиеся как к основной услуге, так и к дополнительной. Если такого запроса не было, то только данные относящиеся к основной услуге. После этого на терминал с точки доступа должно придти подтверждение получения сообщения. Если оно пришло, терминал в поле Marker журнала хранения данных ИС терминала ставит значение 1. В противном случае терминал заново вступает в конкурентную борьбу.

Определение необходимых для взаимодействия идентификаторов и широковещательных параметров сети.

Как говорилось в первой статье, для правильного функционирования системы, необходимо наличие идентификаторов терминалов и точек доступа, которые назначаются операторов в ЦСИ перед началом соревнования. Перед стартом в журнал ИС терминала, записываются идентификационные номера всех точек доступа, через которые пройдем терминал в процессе гонки. Точно также в журнал ИС точки доступа, записываются идентификационные номера всех терминалов (участников соревнования).

Как уже говорилось ранее, точка доступа в широковещательных сообщениях передает: идентификатора точки доступа, профиля настройки физического уровня, пакеты временной и частотной синхронизации, номер цикла передачи.

Построение и описание диаграммы состояний, отражающих функционирование точки доступа.

Рисунок 8. Диаграмма состояний точки доступа.

Опишем кратко функционирование точки доступа. Точка доступа, успешно собрав информацию с терминалов, отправляет эту информацию в ЦСИ, через сеть интернет. После успешного получения в ЦСИ всех данных, на точку доступа поступает подтверждение успешного получения, и очистка журналов. После очистки журналов точка доступа выключается на определенное время.