Краткое описание: Система
предназначается для построения сетевой платформы сети беспроводного управления
малоподвижными и неподвижными объектами по типу «умный дом». Каждый терминал
сети имеет определенное назначение, свойствами которого требуется управлять
дистанционно. Основные требования к системе:
- минимально возможная мощность излучения
терминалов;
- сеть должна поддерживать автоматическую
реконфигурацию;
- сеть должна обеспечивать трансляцию
одного речевого и одного видео каналов;
- система должна быть способной
функционировать в непосредственной близости от подобных систем.
Исходные данные к проекту:
Радиус зоны радиопокрытия сети: 60м
Модель предсказания потерь: выбрать
самостоятельно
Максимальное количество терминалов в сети:
не более 10
Вероятность ошибки на бит : 1*10-6
Мощность излучения подвижной
станции : < 150 мВт
1.Расчетная часть
1.1 Анализ поставленной задачи и исходных
данных.
Для лучшего понимания
задачи можно привести пример реализации системы. В комнате находится
некоторое количество датчиков разного типа: света, температуры, влажности.
Помимо датчиков можно использовать модули управления телевизором, дверьми,
механизмом жалюзи, кондиционером и светом.
В контексте решаемой задачи будем рассматривать взаимодействие двух типов узлов
– Точки Доступа (АР), получающая команды от панели управления или приложения на
телефоне, и Терминалов (Т), соединенных с оконечным оборудованием. Все обмены
пакетами данных производятся через точку доступа.
Трафик в данной
системе пульсирующий (burst) – терминалы и точка доступа генерируют короткие
сообщения и потоковый (stream) – некоторые датчики
генерируют речевой и видео поток.
Система должна
использовать минимальный частотный диапазон, так как частотный ресурс является
дорогим удовольствием. По заданию рекомендуемой технологией передачи является
OFDM, одним из достоинств которой является высокая эффективность использования
радиочастотного спектра, объясняемая почти прямоугольной формой огибающей
спектра при большом количестве поднесущих.
Одним из недостатков
радиосети является худшее качество передачи данных по радиоканалу по сравнению
с проводными линиями связи – вероятность появления ошибок при передаче сообщения
по радиоканалу 10-3 и даже больше. По заданию вероятность ошибки 1* 10-6 поэтому для ее
уменьшения понадобится применять метод помехоустойчивого кодирования (FEC) и
автоматический запрос повторной передачи (англ. Architectural Research
Quarterly – ARQ). Передача
данных может быть прозрачной и непрозрачной. При прозрачной, которая характерна
для потоковых передач (речь, видео) процедура ARQ не выполняется. В
непрозрачной используются протоколы защиты от ошибок (RLP) с поддержкой ARQ.
Основной услугой для
данной системы обмен сообщениями с терминалами и мониторинг состояния
помещения. Дополнительные услуги: управление голосовыми командами.
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
аргументированное пояснение их задач. Обоснование и выбор интерфейсов
взаимодействия разрабатываемой сети с внешними компонентами (при
необходимости).
Обобщенная функциональная схема системы изображена
на рис.1
Рис.1 Обобщенная функциональная схема системы
Основными компонентами
схемы являются: терминалы(Т), точка доступа(АР) и пользователь. АР соединена с
сервером управления по протоколу Ethernet. Терминалы являются
оконечным устройством датчиков системы. Центр управления выполняет роль
информационной системы и является одним из источников сообщений в данной
системе.
Функции ЦУ:
1) Отслеживание
работоспособности системы
2) Сбор статистики
3) Сигнализация о
неисправности датчиков
4) Регулирование работы
системы
5 хранение
информационной системы
К задачам АР
относятся: опрос ведомых терминалов, так как количество терминалов имеет
фиксированное число, АР может с легкостью распоряжаться
радиоресурсом–распределять время приема и передачи сообщений для терминалов.
Рассмотрим концепцию
функционирования сети.
Прежде всего, терминал
должен пройти процедуру поиска и регистрации в сети.
АР производит рассылку
широковещательной информации, содержащей идентификатор сети (SSID). При
включении терминал осуществляет поиск сети и при обнаружении данной информации
выделяет SSID и сравнивает его с тем, что хранится
в его информационной системе. При совпадении данных параметров терминал
переходит к регистрации, отправляя сети свой идентификатор. АР проверяет полученные данные, обращаясь к
своей информационной системе. В случае если хранящийся в ней идентификатор совпал с
принятым, процедура регистрации считается завершенной, и в журнале абонентов ИС точки доступа
будет поставлен флаг, указывающий, что Т активен. После этого Т переходит в режим
энергосбережения, а АР будет периодически отправлять Т сигнальные пакеты для их
проверки. Пользователя
будем считать подвижным терминалом, для упрощения логики работы сети. АР будет
опрашивать его на том же основании что и «рядовые» терминалы.
При формировании
запроса от пользователя или от центра управления на изменение параметров
системы от АР формируется запрос на конкретный Т, являющийся оконечным
устройством.
В рамках данной концепции можно
сформулировать следующие задачи, решаемые основными узлами сети.
Задачи АР (функциональная схема АР
представлена на рис.2):
- Организация приема и
обработки любых запросов, поступающих от пользователя;
-Организация доступа терминалов к сети;
- Передача общей
информации о сети: передача идентификатора сети (ID), наименование сети,
параметров доступа к сети;
- Синхронизация всех
терминалов в зоне радиопокрытия АР;
- Предоставление
терминалам каналов связи для передачи трафика с заданным качеством;
-Предоставление
терминалам каналов связи для приема трафика с заданным качеством;
- Формирование
запросов на повторную передачу.
Рис.2. Функциональная схема АР
Радиомодуль представляет собой приемо-передающее устройство, выполняющее доставку и прием информационных потоков. Все принятые потоки поступают далее на модуль извлечения информационных сообщений, где происходит выделение сообщений и разделение их на информационные и служебные. Затем все сообщения поступают в блок управления, который определенным образом реагирует на служебные сообщения и перенаправляет информационные в информационную систему, где им ставится в соответствие IDT и номер потока. В дальнейшем с помощью Ethernet контроллера они направляются во внешнюю сеть. Для адаптивного изменения мощности в состав АР входит модуль проведения радиоизмерений, данные с которого поступают на блок управления. Буфер предназначен для временного хранения данных, так как возможна повторная передача сообщения по методу ARQ.
Задачи
Терминала
- Приём и обработка сигналов и запросов от
АР;
- Приём/передача пакетов;
- Формирование запросов на повторную
передачу от АР.
Функциональная схема похожа на АР, но сильно упрощена и включает в себя:
радиомодуль, буфер, модуль извлечения информационных сообщений, модуль
управления ресурсами терминала и модуль проведения радиоизмерений.
1.3. Определение и обоснование структуры
информационной подсистемы сети. Выявление важнейших модулей информационной
подсистемы выделенного узла сети и терминалов, описание их назначения и
пояснение необходимых связей между модулями.
Информационная
подсистема сети представляет собой базу данных, содержащую информацию,
необходимую для функционирования сети. Она включает в себя несколько элементов
- информационные системы АР и Т. Рассмотрим подробнее структуру каждого
из них.
Журнал абонентов содержит в себе всю необходимую информацию о пользователях
радиосети (идентификаторы Т, их активность).
Журнал статистики содержит такую информацию о входящем/исходящем трафике, времени
активности терминала, продолжительности сеансов Т.
Журнал статистики содержит такую информацию о входящем/исходящем трафике, времени
пребывания в сети, продолжительности сеансов Т.
В
блоке сведения о сети, происходит сбор
статистических данных о работе сети для дальнейшего управления и адаптации к
изменениям условий сети. Модуль управления, получив сведения о сети, выбирает
необходимый сценарий взаимодействия сети в конкретной ситуации (изменение
профиля).
В регистре
принятых сообщений хранятся пронумерованные потоки URL-адресов,
запрашиваемых пользователем. Каждому запрошенному потоку ставится в
соответствие идентификатор Т.
Сведения о АР –
необходимые сведения (идентификатор АР, наименование сети) для регистрации
терминала в сети.
Информация о терминале – персональный
идентификатор Т, информация с каким датчиком связан.
Журнал статистики – информация о времени вхождения в
сеть, времени отключения от неё, входящий и исходящий трафик.
Общая информация о всей сети
накапливается на сервере, куда попадают резервные копии информационных систем
всех терминалов и АР.
1.4. Описание иерархических моделей выделенных узлов сети и терминалов в
соответствии с рекомендациями OSI. Краткий анализ функциональности необходимых
уровней моделей выделенного узла и терминалов - формулируемые задачи каждого
уровня должны непосредственно следовать из проработанного в п. 1.1-1.3
материала. В моделях должны быть обязательно отражены объекты, являющиеся
источником и/или получателем сообщений (как служебных, та и информационных).
В рамках разрабатываемой системы
ограничимся трехуровневой моделью, вместо стандартной семиуровневой (рис. 3):
Рис.3. Модель OSI разрабатываемой системы.
Верхние уровни в данном случае, объединены
в один Уровень принятия решений, который на основе данных, полученных с нижних
уровней, принимает решения о дальнейших действиях системы. На данном уровне
решаются задачи:
- регистрации Т;
- анализ сообщений от Т;
- выбор профиля системы;
- выделение канального ресурса;
- управление мощностью.
К функциям канального уровня относятся:
- упаковка информации в кадры определенной
длины;
- формирование контрольных сумм и их
проверка;
- формирование подтверждений о приеме
кадров;
- организация логических каналов;
- обеспечение множественного доступа к
каналам;
- повторная передача неподтвержденных
кадров.
Канальный уровень подразделяется на два
подуровня – контроля доступа к физической среде (MAC-подуровень) и управления
логическим соединением (LLC-подуровень).
На физическом уровне происходят процессы,
необходимые для передачи потока битов по заданному каналу связи с необходимым
качеством. К ним относятся:
- модуляция;
- кодирование;
- перемежение;
- синхронизация;
- сборка пакетов.