Радиосистема дистанционного видеоконтроля.

Часть 2 (Доработанная)

(Лукашин И.В., РГРТУ, гр.9110)

 

 

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

 

         Модель OSI описывает схему взаимодействия сетевых объектов, определяет перечень задач и правила передачи данных. В эталонной модели OSI отдельные уровни взаимодействуют друг с другом посредством четко определенных интерфейсов. На каждом уровне реализуется определенное количество базовых функций при помощи набора функций, определенных в эталонной модели OSI нижележащего уровня. Каждый уровень предоставляет набор услуг находящемуся над ним уровню, причем на вышележащем уровне неизвестны детали реализации услуг, предоставляемых нижележащим уровнем.

        Рассмотрим данную модель применимо к разрабатываемой радиосистеме и решаемым ею задач (Рис.1). В силу относительной несложности разрабатываемой радиосистемы, три верхних уровня классической модели OSI – прикладной, представительский и сеансовый – объединим в один уровень, являющийся интеллектуальным центром системы. На данном уровне на основе данных информационной системы и данных, полученных с нижнего уровня, будут приниматься все решения в системе. Поэтому данный уровень назовем уровнем «принятия решений». Задача этого уровня – это анализ полученных с нижних уровней данных,  на его основании принимается решение о дальнейших действиях системы. На этом уровне используются 2 типа сообщений: информационные сообщения и служебные сообщения. Уровень принятия решения тесно связан с информационной системой (ИС) и с остальными уровнями; принимает решения, о том кому из роботов предназначен какое-либо сообщение. Решения о функционировании сети принимаются исходя из служебных сообщений, а также на основе сценариев взаимодействия Т с ТД, прописанных в программном обеспечении ТД и терминалов.

        Следующий уровень в иерархии  - транспортный. Он обеспечивает надежный механизм обмена данными, контролирует отсутствие ошибок в принимаемых данных, расположение пакетов в соответствующем порядке, их полноту [1]. В разрабатываемой системе канальный уровень выполняет все перечисленные функции транспортного уровня. Поэтому в наличие отдельного транспортного уровня нет необходимости.

        Далее в структуре OSI сетевой уровень. Сетевой уровень служит для образования  единой транспортной системы, между сегментов подвижных роботов (СПР) и сегментом управления (СУ). Сети этих сегментов построены по различным принципам. Сеть СУ является проводной и построена с помощью технологии Ethernet и описывается стандартами IEEE группы 802.3 [2]. А построение сети СПР является основной задачей данного проекта. 

 

  

Рис. 1. Модель OSI.

 

         Канальный уровень определяет функции, отвечающие за организацию канала передачи данных. Канальный уровень необходим для осуществления надежной доставки сообщений различных логических каналов между терминалами и ТД. На канальном уровне решаются следующие задачи: формирование пакетов, выделение сообщений из потока бит, возможность обнаружения и коррекции ошибок, адресация сообщений, а также организация доступа к физическому каналу связи (ФКС) и резервирование КС.

          Организация доступа к ФКС осуществляется на основе метода множественного доступа с фиксированным распределением – FAMA (Fixed Assigned Multiple Access). Метод FAMA, как известно, эффективен в системах, работающих в реальном масштабе времени. Разрабатываемая система видеонаблюдения как раз является такой. Метод FAMA основан на постоянном закреплением терминалов за определенным физическим каналом. Для реализации этого метода ТД формирует шкалу распределения временных интервалов, эта шкала содержит сведения о том какой временной интервал закреплен за каким терминалом. Для возможности выбора модификации стандарта MPEG-4 с лучшим качеством видеоизображения необходимо предусмотреть некоторые дополнения метода FAMA. Основным дополнением является возможность резервирования дополнительного КС для того, чтобы терминал имел возможность передачи видеопотока в соответствии с модификацией с лучшим качеством видеоизображения. Резервирование дополнительного КС возможно, если в радиосети не функционирует хотя бы один терминал. В случае, если в сети зарегистрировался новый терминал, то дополнительно назначенные КС сбрасываются, и далее передача видеопотока осуществляется в соответствии со шкалой распределения временных интервалов (ШРВИ).

          В задачи физического уровня входит реализация физического соединения, обеспечивающего передачу видеопотока от Т к ТД, и передачу служебных сообщений от ТД к Т. При организации радиосети на этом уровне должны быть реализованы такие технические решения, которые обеспечат достоверный прием бит. 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.

            Существуют различные способы организации физических каналов т.е. способы доступа к физической среде. Это FDMA (Frequency Division Multiple Access), TDMA (Time Division Multiple Access), CDMA (Code Division Multiple Access). Одним из требований к разрабатываемой радиосети является минимальный диапазон используемых частот. Исходя из этого требования в качестве метода доступа к среде может быть использован TDMA. При TDMA физическим каналом является временной слот с определенным номером, которой отводится под определенный сеанс связи.

          В зависимости от качества КС можно реализовать несколько профилей функционирования системы и возможность адаптивное изменение мощности передачи терминалов (см. пункт 2.2). Профили функционирования будут отличаться только видом модуляции сообщений. Для того чтобы смена профиля была возможной, на физическом уровне в состав ТД входит модуль проведения оперативных измерений [3]. Этот модуль передает сведения об измеренном уровне мощности в каждом физическом канале на уровень принятия решений. В случае, если качество изменилось (например, уменьшилось отношение сигнал-шум) уровень принятия решений формирует команду на смену профиля функционирования, адресуемую терминалу. И далее, сама ТД меняет профиль функционирования

       Для борьбы с пакетами ошибок в системе предусмотрено перемежение. Смысл перемежения заключается в перестановке бит кодированной последовательности до ее модуляции и восстановлении исходной последовательности после демодуляции. В разрабатываемой радиосистеме будет использоваться блочный перемежитель.

          Для устранения последствий интерференции и многолучёвости будет использоваться технологии ортогонального частотного мультиплексирования (OFDM).

          Сведем все выше описанное в единую структуру взаимодействия радиосети СПР и локальной сети СУ (Рис.2). Структура СУ объединяет маршрутизатор, все рабочие места операторов, сервер хранения данных, накопители с помощью технологии Ethernet. Доступ к физической среде обеспечивается протоколом 802.3u (100BASE-T), обеспечивающий скорость передачи данных ~100Мбит/с. Требования по скорости диктуются ТД, точнее выбранной модификацией стандарта MPEG-4 (10 каналов по 1400 кбит/с). Для взаимодействия рабочего места оператора и видеокамеры в ТД содержится журнал взаимодействия сетей, в котором отражены IP-адреса локальной сети и соответствующие IDТ радиосети.

 

Рис. 2. Упрощенная структура взаимодействия протоколов радиосети СПР и локальной сети СУ.


2. Проработка задач верхнего уровня.

 

2.1. Определение и краткая характеристика возможных режимов работы абонентского терминала, отражающее решения выполненных ранее в первой части [3]. Проработка понятия сеанса соединения, атрибутов соединения.

 

          В разрабатываемой радиосистеме терминалы достаточно простые устройства.

В них предусмотрено всего три режима работы:

- режим поиска сети;

- режим регистрации;

- активный режим.

 

          Режим поиска сети - этот режим предназначен для того, чтобы терминалы могли идентифицировать сеть (своя/чужая), а также для того, чтобы в ИС терминала появились сведения о закрепленном за ним интервале в рамках ШРВИ. В состав ШРВИ входят IDТ и соответствующий этому IDТ  номер временного интервала.

          Режим регистрации - этот режим предназначен для того, чтобы в ИС ТД, а точнее в журнале активных терминалов, появились сведения о терминалах функционирующих в сети. Это необходимо для того, чтобы ТД знала число функционирующих терминалов для возможности смены модификации стандарта MPEG-4, а также для предоставления сведений СУ о наличии того или иного терминала. Отметим, что терминал считается функционирующим, если он прошел процедуру регистрации в сети. После прохождения режима регистрации в соответствующем программном обеспечении (ПО) рабочего места оператора появляется информация о наличии того или иного терминала, и оператор может осуществить управление выбранной им видеокамеры. После выбора видеокамеры наступает следующий режим.

          Активный режим - этот режим необходим для возможности управления видеокамерой с одной стороны (СУ), и для передачи видеопотока с другой (видеокамера). После того, как оператор выбрал видеокамеру на ТД поступает команда активации видеокамеры. При получении этой команды ТД закрепляет за IP-адресом рабочего места оператора терминал с IDТ. Таким образом заполняется журнал взаимодействия сетей. И далее, эта команда передается на терминал, и он начинает передачу видеопотока. При этом оператор может осуществлять управление выбранной им видеокамерой. Действие этого режима заканчивается в момент, когда оператор отказывается от управления выбранной видеокамерой. После этого терминал переходит в поиска сети.

 

2.2. Проработка способов обеспечения энергосбережения для всех режимов работы терминалов. Разработка и пояснение способа адаптивного изменения скорости и мощности передачи данных.

 

          Электропитание роботов осуществляется от автономного источника энергии. И в этой связи обеспечения энергосбережения является важнейшей задачей с точки зрения длительности функционирования роботов. Терминалы располагающиеся на роботах потребляют достаточно большое количество энергии. В основном эта энергия затрачивается на передачу. Рассмотрим возможные пути энергосбережения в для всех режимов работы:

1. В режиме поиска сети мер по энергосбережению не предпринимается, т.к. в этом режиме Т работает только на прием.

2. В режиме регистрации удается обеспечить энергосбережение за счет того, что ТД является инициатором регистрации, а терминалы только подтверждают свое наличие в интервале определенным ШРВИ.

3. В активном режиме удается сэкономить энергию за счет адаптивного изменения мощности  передачи, а также за счет того, что терминал осуществляют передачу сообщений  только в интервале, определенном ШРВИ.

          Адаптивное изменение мощности состоит в следующем:

1) ТД измеряет уровень сигнала в каждом активном канале и сравнивает их с уровнем сигнала достаточным для достоверного приема (стандартный уровень). Этот уровень хранится в ИС ТД;

2) если уровень сигнала в активном канале превышает стандартный уровень, то  ТД передает Т команду на уменьшение мощности передачи. Данная ситуация возможна когда терминалы функционируют вблизи ТД;

3) если уровень сигнала в активном канале меньше стандартного уровня, т.е. не обеспечивается достоверный прием, то ТД дает команду Т на смену профиля функционирования на более помехоустойчивый. Если это не помогает, то ТД подает Т команду на увеличение мощности передачи. Данная ситуация возможна когда терминалы удалены на значительные расстояния от ТД.

        Изменение скорости передачи данных возможна только по инициативе оператора. После того, как терминалы прошли режим регистрации в журнале активных терминалов, соответствующим флагом отмечаются функционирующие терминалы. Далее, с рабочего места оператора на ТД поступает команда на активацию видеокамеры и осуществляется передача видеопотока, все эти действия осуществляются согласно ШРВИ. При поступлении с СУ команды на смену модификации стандарта MPEG-4 на модификацию с лучшим качеством. Далее, ТД проверяет сколько терминалов зарегистрировано. Если ТД обнаруживает, что зарегистрировались не все терминалы, то ТД принимает решение о том что возможна смена модификации. ТД резервирует первый не занятый канал для передачи видеопотока, а так же резервируется канал по которому передаются команды управления. Далее, ТД сообщает терминалу о том, что за ним дополнительно закреплен еще один канал. Эта информация сохраняется в ИС Т в блоке информация о терминале. И потом, на Т следует команда на смену модификации. Также может быть такая ситуация, что все терминалы зарегистрированы, тогда ТД отправляет на рабочее место оператора сообщение о том что нет возможности сменить модификацию. В случае, если с другого рабочего места оператора поступает команда на активацию видеокамеры другого терминала, то происходит сброс всех ранее дополнительно назначенных каналов, ТД передает терминалам команду на смену модификации с худшим качеством. И передача видео потока и команд управления осуществляется согласно ШРВИ.  Не стоит забывать о том, что в дальнейшем в составе мультикадра необходимо предусмотреть интервал, в котором будет происходить регистрация терминалов согласно ШРВИ.

 

2.3. Разработка сценариев взаимодействия абонентских терминалов с точкой доступа или другими терминалами в сети во всех режимах работы. Проработка условий перехода терминала из одного состояния в другое. Построение диаграмм состояний точки доступа и терминала, отражающих рассматриваемые сценарии. Определение необходимых для взаимодействия идентификаторов и широковещательных параметров сети.

         Опишем сценарий взаимодействия между терминалами с ТД во всех  режимах работы.

1. Режим поиска сети. В этом режиме Т прослушивает широковещательный канал, и определяет наличие или отсутствие широковещательного сообщения.

Широковещательное сообщение (ШВС) включает в себя следующие полей:

- IDТД – необходим для того чтобы Т идентифицировал сеть (ТД), а также для последующей передачи служебных и информационных сообщений точке доступа;

- шкала распределения временных интервалов между терминалами. Наличие этого поля необходимо на этапе регистрации терминалов в сети для избегания коллизий. Это поле включает в себя идентификационные номер терминалов IDТ (данный список хранится в журнале адресов ИС ТД) и соответствующие им временные интервалы. Также порядок распределения этой шкалы необходим на этапе организации видеопотока т.е. передача видеопотока осуществляется в заранее распределенный временные интервалы. После нахождения широковещательного сообщения Т фиксирует в журнале идентификаторов точки доступа информационной системы (ИС), что он зарегистрировался в сети с IDТД, и что осуществлять передачу на ТД нужно в обозначенный интервал. Далее Т переходит в режим регистрации.

2. Режим регистрации. В данном режиме ТД осуществляет поочередный опрос всех терминалов. В ИС ТД в журнале активных терминалов хранится список идентификационных номеров терминалов IDТ. Операция поиска терминалов происходит периодически, опрашиваются  как активные терминалы, так и неактивные. После того, как терминалы прошли режим регистрации в журнале активных терминалов, соответствующим флагом отмечаются функционирующие терминалы. После прохождения этой процедуры оператор может осуществить управление выбранной им видеокамеры.

3. Активный режим.  Оператор выбирает с помощью ПО видеокамеру активного терминала. Маршрутизатор определяет по указанному IP-адресу, что данный запрос предназначается радиосети, и направляет его на ТД. ТД в журнале активных терминалов производит поиск: за каким Т закреплена запрашиваемая видеокамера. В случае, если видеокамерой не управляет другой оператор, то ТД закрепляет за IP-адресом рабочего места оператора терминал с IDТ. Далее, ТД резервирует канал связи для передачи видеопотока, номер канала соответствует ШРВИ между терминалами. В случае, если запрашиваемой видеокамерой уже осуществляется управление , то оператору поступит оповещение об этом. ТД  дает Т команду на включение видеокамеры и на передачу видеопотока. Т осуществляет передачу видеопотока, согласно модификации с минимальной скоростью потока. Далее, ТД перенаправляет видеопоток, по известному IP-адресу рабочего места оператора в СУ. В СУ маршрутизатор направляет видеопоток  на рабочее место оператора. Стоит отметить, что получать видеопоток могут все рабочее места операторов.

          Если оператор желает улучшить качество видеоизображения или осуществить управление видеокамерой, то сценарий активного режима повторяется. Разница заключается лишь в не которых действиях ТД и Т. Итак, оператор  с помощью ПО осуществляет управление видеокамерой. Маршрутизатор определяет по указанному IP-адресу, что данная команда предназначается радиосети, и направляет её на ТД. ТД в журнале активных терминалов производит поиск: за каким Т закреплена запрашиваемая видеокамера. Если IP-адрес рабочего места оператора совпадает с IP-адресом, хранящимся в журнале взаимодействия сетей, то оператор может осуществлять управление видеокамерой. Далее, ТД обращается к журналу активных терминалов и определяет, сколько терминалов сейчас осуществляют передачу видеопотока, и какая у этих потоков модификация стандарта MPEG-4. В случае, если нет возможности улучшить качество, то ТД уведомляет об этом рабочее место оператора. Если же есть такая возможность, то ТД  резервирует канал связи для передачи видеопотока. ТД дает Т команду на смену модификации стандарта MPEG-4. Т адресует эту команду видеокамере, которая меняет модификацию стандарта MPEG-4. И потом Т осуществляет передачу видеопотока, согласно выбранной модификации. Далее, ТД перенаправляет видеопоток, по известному IP-адресу рабочего места оператора в СУ. В СУ маршрутизатор направляет видеопоток  на рабочее место оператора.

         Диаграмма состояний, отражающая функционирование  Т и ТД  изображены на Рис. 3 и Рис. 4, соответственно.

 

 

Рис. 3. Диаграмма состояний терминала.

 

 

 

Рис. 4. Диаграммы состояний, отражающая функционирование ТД.

 

 

 

 

Список литературы.

1) Весоловский К. – Системы подвижной радиосвязи, М.: Горячая линия – Телеком, 2006

2) http://optikcable.ru/model-isoosi-i-standart-ieee-8023-v-setyah-ethernet

3) Лукашин И.В. Радиосистема дистанционного видеоконтроля. Часть 1 (Доработанная)  

http://omoled.ru/publications/view/453

4) Ламтев К. Система сбора данных с подвижных станций. Часть 2.

http://omoled.ru/publications/view/321

5) Милованов С.А. - Система сбора данных с подвижных станций (Часть 2)

 http://omoled.ru/publications/view/324