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:

- группировки датчиков для аудио мониторинга;

- точки сбора информации.

Представим себе ситуацию: есть некая территория, которая нуждается в аудио мониторинге (система прослушки) (Рис. 1.).


Рис. 1. Структурная схема сети.

 Необходимо по всей ее площади, с учетом конкретной структуры местности, расположить до 30 датчиков (Д). Они располагаются в непосредственной близости к месту, где находятся объекты аудио мониторинга (люди). На данном рисунке – в каждом строении (черные прямоугольники). Зона радиопокрытия  каждого датчика составляет 100 м. Следовательно, необходимо ,чтобы расстояние между соседними Д было меньше 200 м, иначе зоны их радиопокрытия не пересекутся и невозможно будет обеспечить функционирование сети по технологии Ad Hoc (Рис. 2.). При этом лучше избегать граничного случая, чтобы иметь уверенное качество связи.


Рис. 2. Расположение датчиков относительно друг друга.

Данные со всех датчиков поступают на один выделенный узел – точку сбора информации (ТСИ). ТСИ представляет из себя передвижной замаскированный пункт, в котором находится как минимум два человека: инженер, который отвечает за настройку сети и пользователь, который получает аудио сообщения. Связь ТСИ с системой датчиков происходит через один из них – это тот Д, зона радиопокрытия которого пересекается с зоной радиопокрытия ТСИ.  

В системе имеется два класса сообщений:

1) синхронные;

2) асинхронные.

К первым относятся сообщения передачи речевого трафика (аудио мониторинга). Рассмотрим их подробней. Нужно передавать речь человека, следовательно, хватит потока 64 кбит/с. Но так как не требуется хорошего качества передачи речи, т.е. главное здесь – это смысловая нагрузка сообщения, то для уменьшения полосы частот занимаемой сигналом, воспользуемся технологией сжатия речевого потока. Для этого применим кодек  GSM FR (Full Rate), который преобразует поток скоростью 64 кбит/с в поток 13 кбит/с. Следовательно, и занимаемая полоса частот уменьшится с 64 кГц до 13 кГц на нулевой частоте.

Важной особенностью данного типа сообщений является то, что эти сообщения являются сообщениями реального масштаба времени, т.е. они чувствительны к задержкам. Нельзя допустить, чтобы при передаче каждого нового речевого сообщения происходил поиск маршрута, который включает в себя сообщения запроса и ответа, и, следовательно, между сообщениями речевого трафика возникнут служебные сообщения, в момент передачи которых будет потеряна речевая информация. Для того чтобы избежать данной ситуации необходимо на все время передачи речевого трафика резервировать  физический канал. По этой причине нельзя использовать механизм запроса повторной передачи ошибочно принятого пакета, т.е. механизм ARQ. Следовательно, в сообщениях могут возникать неисправимые ошибки. Но данный недостаток компенсируется другой особенностью данного типа сообщений. Их получателем является пользователь ТСИ или записывающее устройство, на котором будет храниться аудио информация. В любом случае, это сообщение предназначается для того, чтобы его прослушал человек. Следовательно, требования к гарантированности доставки этих сообщений снижается из-за психо-акустического эффекта, т.е. возможности понимать смысл передаваемого сообщения при незначительных искажениях и кратковременных прекращениях передаваемой речи. Из этой особенности вытекает отсутствие надобности применения ARQ.

К асинхронным сообщениям относятся несколько типов сообщений:

1) сообщения поиска;

2) сообщения телеметрии;

3) служебные сообщения.

Все эти сообщения являются сообщениями не критичными к задержкам, то есть они не являются сообщениями реального масштаба времени. Отсюда вытекают особенности, противоположные речевым сообщениям. Характер доставки этих сообщений обязательный (Pb не хуже 10^(-5)). В случае возникновения ошибки, которую не смог исправить канальный декодер, в каком-то поле, а может быть и в нескольких, исказится передаваемая информация и, так как алгоритм работы приемного устройства жестко сопоставляет каждому значению какого-либо поля определенное действие, то в результате ошибки алгоритм исказится и пойдет по другому сценарию. Для решения данной проблемы используется несколько инструментов. Во первых необходимо сделать возможным исправлять ошибки. Для этого применяется канальное кодирование. Но у каждого кодирования есть предел количества исправляемых ошибок, поэтому нужно удостовериться, что в декодированном сообщении нет ошибок. Это выполняет служба CRC. На заключительном этапе, если ошибки все же обнаружены, то не остается ничего другого, как запросить повторную передачу ошибочного пакета. Для этого служит ARQ. 

Рассмотрим предназначение асинхронных сообщений. Сообщения поиска рассылаются по системе в начале ее функционирования и необходимы для заполнения таблицы маршрутизации всех датчиков. Получателем этих сообщений являются другие датчики. При этом датчик определяет, кому адресовано это сообщение. Если не ему, то сообщение ретранслируется дальше по сети, иначе датчик формирует служебное сообщение-ответ, которое означает успешную прокладку маршрута до искомого Д. Подробнее алгоритм заполнения таблицы маршрутизации рассмотрен во второй часте статьи: Воробьев А.Г. КП "Система передачи речевого трафика и данных по сети Ad Hoc". Часть 2(Исправленная).

Сообщения телеметрии предназначены для сбора информации с датчиков. Такой информацией может являться уровень оставшегося заряда батареи. Сообщения телеметрии сохраняются в информационной системе точки сбора информации. После этого информационная часть этих сообщений визуализируется в понятной для инженера ТСИ форме. Эти сообщения формируются конкретным датчиком, когда он получает команду от инженера на передачу телеметрии. 

Служебные сообщения необходимы для обеспечения работы всей системы. К ним относятся сообщения запроса передачи речи или ее прекращения, запрос на передачу телеметрии, сообщение ответ на конкретный запрос. Источником данных сообщений может быть как ТСИ, так и Д. Но Д формируют только сообщения ответы, но не могут формировать запросы. ТСИ в данной системе является ведущим устройством (master), а датчики - ведомыми (slave). 

 В основных требованиях указано, что система должна противостоять атакам типа “черная дыра”, т.е. в систему может вторгнуться приемопередатчик злоумышленника, который будет посылать в систему сообщения о том, что через него идут кротчайшие маршруты до получателя, следовательно, все сообщения будут проходить через него. При этом злоумышленник может осуществлять либо прослушивание речевого трафика, либо может стать сам источником данного трафика, т.е. подменить информацию. Для защиты системы от данных атак необходимо применять систему аутентификации, т.е. проверку подлинности всех датчиков. Исходя из этого, в системе появляется еще один вид сообщений: сообщения аутентификации, которые должны возникать в первую очередь. Аутентификация производится по протоколу TESLA, при котором все датчики выбирают произвольный начальный ключ KN и генерируют по нему цепочку ключей путём повторного вычисления односторонней хэш-функции (KN-1 = H[KN]). После этого датчики принимают значение ключа, вычисляет результат с помощью той же хэш-функции, и сравнивают с рассчитанным.  Если результаты совпадают, то аутентификация осуществлена.  

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 обеспечить минимальную мощность излучения.

Важной деталью является обеспечение энергосбережения. Так как датчики в контексте поставленной задачи должны быть замаскированными, то они имеют малый размер, следовательно, и размер аккумулятора небольшой. Емкость аккумулятора тоже мала и нет возможности оперативной зарядки. Поэтому необходимо предусмотрительно распоряжаться запасенной энергией и не тратить ее впустую. В те моменты, когда датчик не передает аудио трафик, он должен переходить в ждущий режим,  т.е. в режим энергосбережения. В этом режиме снижается частота работы процессора, и уменьшаются потребляемые токи и напряжения. Для того чтобы датчик смог принять сообщение запрос от ТСИ он должен  "просыпаться" в определенные промежутки времени и сканировать эфир на факт наличия сообщений, предназначенных ему. Для этого все участники сети должны знать моменты выхода из режима энергосбережения. Следовательно, все датчики должны быть синхронизированы с точкой сбора информации. Инициатором входа в данный режим должен являться конкретный датчик, иначе для выполнения управления данным процессом точкой сбора информации придется по системе передавать дополнительные команды, и так как в передаче данного сообщения будут задействованы другие датчики, то возрастет их энергопотребление.

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 поставленную задачу подробней (Рис. 3.).  


Рис. 3. Функциональная схема фрагмента сети.

Для функционирование сети Ad Hoc важным аспектом является заполнение таблицы маршрутизации. Заполнение начинается с команды от инженера ТСИ, которая приходит на датчик, находящийся в зоне радиопокрытия ТСИ. Так как в системе используется максимум 30 датчиков, то таблица рассчитана на 30 элементов. Заполнение происходит последовательно, элемент за элементом. Сначала происходит поиск первого датчика. Для этого Д11 широковещательным сообщением передаем близлежащим датчикам сообщение поиск о Д1. Это сообщение ретранслируется дальше в сеть. Когда маршрут до него найден, с Д1 поступает ответ и начинается поиск Д2. Так до тех пор, пока не будут найдены все. При этом при передаче сообщения поиска в таблицу маршрутизации датчиков-ретрансляторов записываются маршруты до предыдущих датчиков.  После нахождения всех маршрутов, пользователь ТСИ может осуществлять прием сообщений аудио мониторинга.  Для этого пользователь говорит инженеру, какой датчик необходимо включить. Инженер посылает команду в сеть о включении определенного датчика на передачу аудио трафика. Так уже известны маршруты, то сообщение доходит до адресата, и тот посылает ответ об успешном включении и начинает передавать трафик. При этом на все протяжении маршрута от ТСИ до искомого Д (т.е. на всех датчиках-ретрансляторах) резервируется канал трафика. Он существует до момента подачи команды инженера ТСИ об отмене передачи речи.

Так как по заданию необходимо обеспечить передачу не менее пяти речевых потоков одновременно, то необходимо определиться со способом доступа к радио ресурсу. Выберем метод временного разделения каналов, т.е. для каждого из пяти потоков отводится свой тайм-слот, в который происходит передача речи. Также инженер может послать конкретному датчику запрос на предоставлении телеметрии. Так как характер сообщений телеметрии не является потоковым, то нет необходимости для передачи телеметрии каждому датчику выделять собственный канал. Сообщения телеметрии от всех датчиков передаются по одному каналу.  

 Следовательно, можно выделить задачи участников сети.

Задачи Д:

1) заполнение таблицы маршрутизации;

2) передача телеметрии;

3) ретрансляция сообщений;

4) передача речевых сообщений;

5) резервирование канала под передачу трафика;

6) иметь возможность входить в режим сниженного энергопотребления. 

Все эти задачи датчики выполняют исходя из команд ТСИ. Единственное за что датчик отвечает - это переход в режим энергосбережения и выход из него. Перход в данный режим возможен при отсутствии передачи датчиком или через датчик поточного сообщения. 

Задачи ТСИ:

1) передача команд управления, прием служебной информации;

2) прием речевых сообщений;

3) прием сообщений телеметрии;

 

Функциональная схема датчика (Рис. 4.).


Рис. 4. 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. 5.).


Рис. 5. 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 (Рис. 6. а.):

1) таблицу маршрутизации;

2) журнал услуг – сообщения речевого трафика или сообщения телеметрии;

3) журнал активных соединений – номер выделенного тайм-слота под канал трафика;

4) ключи аутентификации;

 

Информационная система точки сбора информации хранит в себе (Рис. 6. б.):

1) таблицу маршрутизации;

2) журнал состояния датчиков (не все из 30 датчиков могут использоваться, а у тех, кто используется -  контроль остатка заряда батареи);

3) журнал услуг

4) журнал активных соединений

5) ключи аутентификации;


                                                        а)                                                              б)

Рис. 6. Информационной подсистемы сети.

 

 

 

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

5. http://www.technorate.ru/index.php?id=672