Система передачи речевого трафика и данных по сети Ad Hoc.

Статья 1.

Ярославцева А.Е., группа 0110.

 

Система предназначается 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 специальной (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): 80м

-Модель предсказания потерь: выбрать самостоятельно

-Максимальное количество узлов в сети: не более 40

-Количество одновременно транслируемых звуковых потоков: не менее 4

-Вероятность ошибки на бит Pb: 10-5

-Мощность излучения подвижной станции Ризл АС : < 150 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.

 

В качестве модели построения сети будет использоваться модель Ad Hoc.

Сеть Ad Hoc состоит из двух частей:

- группировки датчиков для аудио мониторинга;

- точки сбора информации.

Территория аудио мониторинга имеет вид (Рис. 1.).

 

 

 Для хорошего качества связи на всей площади, необходимо  расположить до 40 датчиков (Д). Они располагаются в непосредственной близости к месту, где находятся объекты аудио мониторинга (люди). 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.


 

 

Точка сбора информации (ТСИ) принимает данные со всех датчиков и обрабатывает их. Связь ТСИ с системой датчиков происходит через один из них – это тот Д, зона радиопокрытия которого пересекается с зоной радиопокрытия 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.

Системные сообщения делятся на синхронные и асинхронные.

К синхронным относятся сообщения передачи речевого трафика (аудио мониторинга). Для передачи речи достаточно 64Кбит/с. 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 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:
            1) сообщения поиска;
            2) сообщения телеметрии;
            3) служебные сообщения.


Все эти сообщения 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 будем использовать несколько способов:

·         канальное кодирование;

·         подсчет контрольной суммы;

·          повторная передача ошибочного пакета.

Сообщения поиска необходимы для заполнения таблицы маршрутизации всех датчиков. Получателем этих сообщений являются другие датчики. При этом датчик определяет, кому адресовано это сообщение. Если ему, то датчик формирует служебное сообщение-ответ, которое означает успешную прокладку маршрута до искомого датчика. Если не ему, то сообщение ретранслируется дальше по сети.

 

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 так как ТСИ в данной системе является ведущим устройством (master), а датчики - ведомыми (slave).

 

Для предотвращения прослушивания речевого трафика, либо подмены информации будет использоваться система аутентификации. 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. 

 

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. 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).     

  

Задачи Д:Для работы сети Ad Hoc важным аспектом является заполнение таблицы маршрутизации. Так как в системе используется максимум 40 датчиков, то таблица рассчитана на 40 элементов. Последовательное заполнение начинается с команды от инженера ТСИ, которая приходит на датчик, находящийся в зоне радиопокрытия ТСИ. Для поиска первого датчика Д1 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 четырёх речевых потоков одновременно, то необходимо определиться со способом доступа к радио ресурсу. Выберем метод временного разделения каналов (TDMA), т.е. для каждого из четырёх потоков отводится свой тайм-слот, в который происходит передача речи. Также, инженер может послать конкретному датчику запрос на предоставлении телеметрии. Из-за того, что 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. 


 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. 

Задачи ТСИ:

1) передача команд управления, прием служебной информации;

2) прием речевых сообщений;

3) прием сообщений телеметрии;

 

Функциональная схема датчика (Рис. 3.) включает в себя:

·         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. 4.) включает в себя:

·         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.


 

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.

 

В ИС датчика содержится (Рис. 5. а.):

1) таблица маршрутизации – хранит данные о маршрутах передачи данных;

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

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

4) ключи аутентификации – ключи установления соединения.

 

В ИС точки сбора информации содержится (Рис. 5. б.):

1) таблица маршрутизации;

2) журнал состояния датчиков;

3) журнал услуг;

4) журнал активных соединений;

5) ключи аутентификации.


 

Список литературы:

1. Бакке А.В. Лекции по курсу ССПО. 2013-2014

2. http://omoled.ru/publications/view/443

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

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