1.3. Построение канального уровня системы (L2)
1.3.1. Описание назначения сервисов канального уровня исходя из контекста решаемых задач (п.1.2). Определение способа идентификации служебных и информационных сообщений, пояснение способа адресной и широковещательной доставки сообщений на канальном уровне. Пояснение организации доступа к ФК, решение проблемы коллизий при организации доступа к сети.

В данной радиосистеме на канальном уровне будут осуществляться сервисы такие, как:

-передача сообщения от ЦТ к Т и в обратном направлении.

-проверка достоверности принятого сообщения.

При передаче команды предназначенной конкретному светильнику, поле «Тип адресации» содержит значение «А» -  адресное сообщение, а в поле «Адрес» будет содержаться ID этого терминала.  В случае, если команда предназначена группе светильников, то поле «Тип адресации» будет содержать значение «G» - групповая адресация, а в поле «Адрес» будет содержаться адрес всей группы.  «B» - широковещательная – в случае, если сообщение адресовано всем терминалам, то поле «Адрес» будет отсутствовать, а в поле «Тип адресации» будет находиться значение «В». При передаче сообщений/ответов от Т нет необходимости указывать адрес получателя – это всегда ЦТ.Так же на канальном уровне в определенном поле указывается необходимость передачи отчета о доставке сообщения. В случае ошибочного приема Т отправляет сообщение

Проверка достоверности передачи необходима в связи с возможностью приема сообщения с ошибкой. Проверка осуществляется на основе вычисления контрольной суммы CRC. Сервис определяет, передано ли сообщение с ошибкой или нет. В случае приема без ошибки, при условии что получено сообщение с указанием на необходимость отправки отчета о доставке сообщения, отправляется сообщение-отчет о безошибочной доставке, при получении сообщения с ошибкой отчет не оправляется, если он необходим, и Т ожидает повторного приема сообщения от ЦТ.

Работа сети стандарта 802.11 основана на концепции «общая шина», аналогичной Ethernet. В соответствии с этой концепцией в сети существует единственный широкополосный симплексный канал связи, который может быть занят только одним передающим устройством (АС или АР). Все остальные участники сети находятся в режиме ожидания освобождения канала связи. Если в сети начинается одновременная передача двух и более сетевых устройств, то неизбежно возникает коллизия. Для предотвращения коллизий необходим тщательный контроль уровня сигнала в канале связи (КС). С этой целью в беспроводных сетях стандарта 802.11 применяется подобный протокол CSMA/CА. 


1.3.2. Выделение типов логических каналов связи (ЛКС), используемых на канальном уровне. Краткое пояснение назначения сообщений, передаваемых по каждому ЛКС (в соответствии с п.1.5.6.). Способы обеспечения достоверности принимаемых сообщений в каждом ЛКС.
В данной системе нет необходимости передачи данных больших объемов. Так же нет необходимости в очень высоком быстродействии системы. Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод что нам необходим один ЛКС. В качестве метода множественного доступа к физическому каналу связи используется метода CSMA/CА. 
Существует необходимость введения метода защиты от ошибок ARQ. При отправке сообщения от ЦТ к Т, ЦТ указывает необходимость доставки отчета об исполнении и ждет отчет об исполнении команды. При отсутствии такого ЦТ отправляет команду заново. В случае, когда Т отправляет данные на ЦТ, ситуация аналогична – Т ждет отчета о доставке, если он не поступил, Т отправляет данные снова.
Для оценки достоверности принимаемых данных используется поле контрольной суммы. Контрольная сумма вычисляется на передающей стороне, с математической точки зрения, контрольная сумма – это хэш-функция, вычисленная по небольшому количеству бит, внутри блока данных. Полученное значение помещается в конец пакета, в поле контрольной суммы. На приемной стороне известен алгоритм вычисления контрольной суммы. После приема пакета, по принятым битам вычисляется новая контрольная сумма на приемной стороне, полученное значение сравнивается с принятым. Если результаты совпали, то целостность пакета сохранена, в противном случае – пакет поврежден.
В данной системе нет необходимости передачи данных больших объемов. Так же нет необходимости в очень высоком быстродействии системы. 
1.3.3. Вычисление долевой оценки пропускной способности ЛКС, оценка полного трафика системы. Составление сводной таблицы ЛКС с указанием наименования, назначения и типа КС.
Различные типы сообщений передаются по единственному ЛКС. Они будут занимать 100 % пропускной способности ЛКС.
Возможные варианты сообщений:

- команда запроса от ЦТ к Т о готовности его принять команду управления

- ответ Т о готовности принять команду управления

- команда изменения параметров освещения: увеличение/уменьшение яркости

- передача данных телеметрии

- отчет Т о принятии/исполнении команды

Рассчитаем объем передаваемых пакетов.

Для передачи пакета телеметрии понадобится всего 3 бита, для передачи данных об изменение яркости понадобится от 0 до 1 байта, для изменения цвета понадобится еще 2 байта, для управление ШИМ-сигналом понадобится 1 байт, т.о. мне понадобится 4 байт. Таким образом понадобиться только 1 OFDM символ. Имеется 16 светильников, максимальное время, через которое должен прийти ответ от каждого из них на запрос – 1 сек. Максимальное число пакетов, возможное для передачи будет в том случае, когда с ЦТ отправляется запрос или команда всем Т. Тогда ЦТ в ответ получит 16 пакетов, по одному от каждого Т. В случае получения пакета с ошибкой, передача повторяется. Примем, что максимальное число ошибочных пакетов – 8. Тогда количество ошибочных байт составит 8*4= 32 байт. Тогда полное число пакетов будет 1+16+8=25 пакет по 4 байта. Итого 25*4=100 байт/с – необходимая скорость передачи.

1.3.4. Пояснение структуры сообщения (пакета) канального уровня: описание предполагаемых видов пакетов и необходимых полей.

Структура пакете канального уровня имеет следующий вид:

Рис.7. Структура пакета канального  уровня.
Поле "Заголовок пакета"(18 байт)-содержит в себе следующие поля:

Рис.8. Структура поля "Заголовок пакета".
  • поле управления кадром(16 бит), в котором указываются версия протокола и тип кадра (управления, контроля или данных). Это поле позволяет передавать информацию о необходимых действиях при организации приема-передачи данных в сети стандарта 802.11. В нем также указывается, фрагментирован ли кадр (вмещает кадр все данные или нет) и что означают адресные поля (например, направляется ли кадр в распределительную систему, прибывает из нее), имеется признак повторной передачи пакета;
  • поле идентификации длительности ID(16 бит) -указывает время в микросекундах, которое требуется для передачи МАС-кадра. Иногда в этом поле указывается идентификатор соединения;
  • адресные поля(48 бит) - указывают источник и пункт назначения передаваемого кадра, адрес передающей станции и адрес приемной станции; они интерпретируются в зависимости от значения поля управления кадра;
  • поле управления очередностью кадров(16 бит) -содержит порядковый но-мер кадра и предназначено для того, чтобы не допустить дублирования кадра при выполнении процедуры подтверждения получения данных. В этом поле указываются номер пакета (4 бита), который используется при разбиении исходного сообщения на пакеты и при последующей сборке, и порядковый номер (12 бит), который служит для нумерации кадров, передаваемых между конкретными АС; 
Поле "Тело пакета"(4 байта), содержащее блок данных размером до 2312 байтов. В поле данных передаются либо данные LLC-уровня, либо информация управления уровня MAC;
Поле "CRC"(4 байта)-поле длиной 32 бита, используемое для обнаружения ошибок в принимаемом кадре. Ошибки только обнаруживаются. Исправление ошибок достигается в необходимых случаях повторной передачей по запросу (процедура подтверждения ARQ).
1.3.5. Рассмотрение примера обработки терминалом произвольного служебного сообщения: пояснение последовательности действий, выполняемых терминалом по факту приема сообщения.
После получения терминалом служебного сообщения от точки доступа, например: об изменение яркости, терминал переходит в режим исполнения команд. После изменения яркости, формируется пакет отчета об исполнение. Дальше он вступает  в конкурентный доступ и если выигрывает начинает передачу, отчета о доставке. После этого  дожидается подтверждение о том, что команда была выполнена правильно и терминал переходит в режим ожидания.
1.4. Краткое обоснование состава иерархических моделей выделенного узла сети и терминала в соответствии с рекомендациями OSI на основании п.1.2 и п.1.3. Определение и краткое пояснение основных видов служебных сообщений с указанием служб источников и получателей сообщения. Пояснение процесса формирования и обработки сообщений трафика и подсистемы управления в виде обобщения материала п.1.2 и п.1.3.
Рассматриваемая система радиоуправления освещением довольно простая и для ее реализации необходимо всего 2 уровня: физический уровень и канальный уровень.


Рис.9. Модель OSI.
  Помимо канального и физического уровня, как показано на рисунке, в системе присутствует уровень L3 - мозг системы. На этом уровне закладываются сценарии взаимодействия терминалов с точкой доступа, анализируются принятые сообщения, выполняются команды, принимаются решения такие как: повышение уровня мощности и    решение довести до пользователя информацию о неисправности светильника. 
 Физический и канальный уровни выполняют транспортные функции, доводя до терминалов команды уровня L3 точки доступа и передавая в обратном порядке пакет телеметрии с уровня L3 терминалов. Важен тот факт, что уровни L3, как и канальные не могут общаться непосредственно друг с другом и сообщению необходимо пройти долгий путь, постоянно преобразуясь, чтобы достичь адресата.
Канальный уровень представляет собой два подуровня:
MAC-службы, отвечающие за организацию сообщений канального уровня. На этом уровне, пакет поступивший с L3 уровня и поток битов с физического уровня преобразуются в кадры. Так же содержит в себе три связанных процессов:
1)процесса запроса (зондирования);
2)процесса аутентификации;
3)процесса привязки.
СAС-служб, отвечающая за случайный доступ к ФК. Так же содержит в себе механизм распределенная функция координации DCF на терминале и карту идентификации трафика TIM на ТД.
1.5. Разработка физического уровня системы (L1)
1.5.1. Проработка структуры радиоинтерфейса L1-уровня, обеспечивающего двусторонний обмен пакетами физического уровня. Проработка вида и структуры пакета физического уровня, оценка размерности структуры пакета. Обоснование полей и реализация структуры OFDM символа (в соответствии с выбранным профилем физического уровня ESP8266).
На физическом уровне пакет представляет собой последовательность OFDM символов в виде преамбулы, заголовка (PLCP- заголовок) и поля данных. Блок данных характеризуется переменной длиной, который завершается хвостовыми битами (Tail, равны нулю и предназначены для «сброса» сверточного кодера) и заполняющими битами (Pad),предназначенными для выравнивания длины пакета . Все поля заголовка, кроме поля SERVICE, передаются посредством одного OFDM-символа, причем с наименьшей из возможных скоростей (BPSK, номинальное значение 6 Мбит/с). Оставшаяся часть заголовка и поле данных транслируются с любой заданной скоростью из списка возможных (см. табл.1).


Рис.10.Структура блока данных физического уровня PLCP.
Две длинные настроечные последовательности OFDM-символов следуют за короткими с промежутком в два защитных интервала GI= 0,8 мкс. Каждой из последовательностей соответствуют OFDM-символы, включающие 52 поднесущие. При формировании символов используются двоичная фазовая модуляция (BPSK) каждой поднесущей и сверточный код с кодовой скоростью R = 1/2, длительность символов - 3,2 мкс, защитных интервалов между символами нет. Длинные символы преамбулы предназначены для оценки передаточной функции канала связи и для точной синхронизации временной шкалы приемника.

Рис.11.Последовательность первых OFDM символов пакета физического уровня PLCP.

За преамбулой следует PLCP-заголовок физического пакета. Он состоит из двух частей – фрагмента SIGNAL и поля SERVICE. Фрагмент SIGNAL всегда занимает один OFDM-символ и передается без шифрования посредством BPSK-модуляции со скоростью
кодирования R = 1/2. В этом фрагменте передается информация о скорости передачи сообщения (поле RATE) и о его длине (поле LENGTH, выраженное в байтах). Число битов, передаваемых в одном символе OFDM соответствует 48 для модуляции BPSK. Для надежности в заголовке используются биты контроля четности (Parity). Шесть последних бит (Tail), всегда равных нулю.

1.5.2. Анализ методов помехоустойчивого кодирования, оценка эффективности кодирования. Оценка полной пропускной способности ФК соединения «терминал-БС» («терминал-терминал») с учетом избыточности, вносимой на физическом уровне.

В проектируемой сети для реализации помехоустойчивого кодирования воспользуемся сверточным кодом со скоростью  1/2 (каждому входному биту соответствуют два выходных) с целью получения выигрыша в ОСШ.

В процессе оценки эффективности кодирования в среде Matlab воспользуемся средством bertool: для сверточного кодирования запишем порождающий многочлен (171,133), который был найден Р. Оденвальдером (R.Odenwalder) на заре эры активного освоения техники сверточного кодирования. Этот код вошел во многие стандарты спутниковой и космической связи и получил статус «Planetary Standard Code»(стандартный код для планетных исследований), и в настоящее время широко используется во многих телекоммуникационных системах.

Сверточный код не исправит все ошибки, поэтому необходимо применение прямой коррекции ошибок (Forward Error Correction - FEC), позволяющей исправлять ошибки методом упреждения. Применяется для исправления сбоев и ошибок при передаче данных, путём передачи избыточной служебной информации, на основе которой может быть восстановлено первоначальное содержание посылки. В данной системе будет использован сверточный код с длиной кодового ограничения равного 7.

Перемежение в данной сети используется для обеспечения борьбы с пакетными ошибками. В данной сети будем использовать случайное перемежение. При данном типе перемежения символы расставляются в случайном порядке по всей длине пакета по псевдослучайному закону, который вычисляется только один раз.

Для оценки эффективности кодирования в среде Matlab воспользуемсясредством bertool и построим графики зависимости вероятности битовой ошибки от ОСШ:


Рис. 12. Зависимости вероятности битовой ошибки от ОСШ для BPSK без кодирования и с кодированием.


Для обеспечения заданной вероятности на бит Pb = 10-4 необходимо иметь отношение сигнал/шум на выходе не менее Eb/N0 =8.4 дБ. 

До применения сверточного кодирования, вероятность битовой ошибки BPSK: Eb/N0 =8.4 дБ, с применением сверточного кодирования со скоростью 1/2 Eb/N0 = 5,8 дБ, следовательно, выигрыш составит 2,6 дБ.


1.5.3. Энергетический расчет системы: обоснованный выбор частотного диапазона (на основании документов ГКРЧ); оценка уровня потерь при распространении радиоволн выбранного диапазона; обоснование выбора вида модуляции; расчет отношения сигнал/шум, требуемого для обеспечения заданной вероятности битовой ошибки для выбранного вида и типа модуляции/демодуляции.


Разрабатываемая сеть основана на стандарте IEEE 802.11a. В соответствии с сертификацией предусмотрено использование частотного диапазона 2,4 ГГц и 5 ГГц.  В связи с тем, что диапазон 2,4 ГГц не лицензируем, это позволяет нам существенно снизить затраты на построение системы. В решении ГКРЧ от 06 декабря 2004 г  сказано, что для внутриофисных систем передачи данных можно использовать диапазон частот 2400-2483,5 МГц. Выберем частоту 2,4 ГГц.

Тогда расчет потерь произведем по формуле:


N- дистанционный коэффициент потерь мощности;

f - несущая частота (МГц);

d - расстояние между узлами сети (м);

Lf(n)  - коэффициент потерь за счет прохождения сигнала через пол (дБ);

n - количество этажей между базовой станцией и переносным терминалом (n>=1).

Будем считать, что у нас имеется одноэтажное здание, тогда Lf(n), будет равен 0. Несущая частота 2400 МГц. Для промышленных зданий  N = 20. Расстояние между узлами сети выберем максимально возможное (100 м). Тогда, 


1.5.4. Оценка уровня мощности передачи с учетом необходимого запаса мощности сигнала для его уверенного приема с вероятностью 75 % на границе радиопокрытия, оценка размера зоны радиопокрытия.

Оценим уровень мощности излучения передающего устройства Pизл т при использование BPSK модуляции:

Минимальная полоса пропускания :


Rn=6 Мбит/c-  скорость передачи данных.


Шумовая полоса приемника Пш:


T=296 К-шумовая температура.

k=1,38*10-23 Дж/К-постоянная Больцмана.

Тогда мощность шума Pш:


Мощность излучения передатчика :


 - чувствительность приемника.

L = 140,6 дБ - затухание в канале.

Pз = 10 дБ - резерв по мощности

Чувствительность приемника:


Pш = -170,46 дБ - мощность шума на выходе приемника

С/N - аналоговое ОСШ


Eb/N0=5,8 дБ - цифровое ОСШ

Rn=6 Мбит/с - скорость передачи данных

Пш=22 МГц - шумовая полоса приемника


Тогда, подставим полученные значения в формулы, получим:

Чувствительность приемника:


Мощность излучения передатчика:


Дальность связи:


F=2400 МГц



Rn=6 Мбит/c-  скорость передачи данных.

Тогда исходя из  таблицы 

 
СкоростьЧувствительность
54 Мбит/с-66 дБмВт
48 Мбит/с-71 дБмВт
36 Мбит/с-76 дБмВт
24 Мбит/с-80 дБмВт
18 Мбит/с-83 дБмВт
12 Мбит/с-85 дБмВт
9 Мбит/с-86 дБмВт
6 Мбит/с-87 дБмВт

Pmin= -87 дБм

Мощность передатчика модуля ESP8266 находится в диапазоне от 15.5 до 21.5 дБм. Сравним дальность связи между  15 дБм и 21 дБм. Чувствительность приемника находится в диапазоне от -71 dBm до -98 дБм. Тем самым Pmin удовлетворяет данному требованию. 

Для Pп=15 дБм


Для Pп=21 дБм


Таким образом дальность связи с применением модуля ESP8266 для первого профиля лежит в диапазоне от 295 до 741 м. Отсюда следует, что при минимальной мощности передатчика модуля ESP8266, дальность связи будет удовлетворять ТЗ.




1.5.5. Разработка и подробное описание структурной схемы терминала.


ESP8266 -это целая система на кристалле (SoC), имеющая свой процессор, оперативную память, флэш-память, GPIO и самое главное — Wi-Fi. Модуль можно использовать как с различными микроконтроллерами, так и самостоятельно.  В чипах PSoC встроены массивы аналоговых и цифровых блоков, на порядок более функциональных, чем фиксированная периферия. Такие стандартные элементы микроконтроллеров как АЦП, ЦАПы, таймеры, счетчики,ШИМы, UART легко реализуются в PSoC. Таким образом структурная схема терминала полностью описывается схемой модуля esp8266 без вспомогательных устройств.Таким образом структурная схема терминала соответствует схеме модуля ESP8266 без вспомогательных устройств.



Рис.13.Модуль ESP8266 или терминал.

Как видно на рисунке в модуле ESP8266  присутствует процессор, на процессор заливается программа, которая необходима для управления светильниками. Для того чтобы программу залить на плату выводы RX и TX подключается к конвертору USB и к компьютеру. После настройки модуль ESP8266 может работать самостоятельно. Чтобы проверить ESP8266 достаточно подключить три пина: VCC и CH_PD к питанию 3,3 вольт, а GND к земле. При успешном старте заводской прошивки на модуле ESP8266 загорится красный светодиод (индикатор питания) и пару раз мигнет синий (это индикатор передачи данных) и беспроводной сети должна появится новая точка доступа с именем “ESP_XXXX”, которую сможем увидеть с любого WiFi устройства. Чтобы управлять освещением пользователь формирует команду и отправляет её на терминал, приняв команду в процессоре модуля ESP8266 происходит настройка и устанавливаются нужные параметры. Так как в ТЗ сказано, что управление светом осуществляет ШИМ сигнал, то пользователю необходимо только указать скважность, а модуль сам сформирует ШИМ сигнала. 


Список используемой литературы:

1.Лекции и слайды по курсу  ССПО 

2.http://omoled.ru/publications/view/468

3.Лабораторная работа.Исследование радиоинтерфейса физического уровня системы стандарта 802.11а (Wifi).

4.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОСТРОЕНИИ И ПРИНЦИПАХ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СЕТИ СТАНДАРТА 802.11.

5.http://omoled.ru/publications/view/478

6.http://rfcmd.ru/sphider/docs/GKRCh/GKRCh_04-03-04-003.htm

7.Скляр Б. «Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение». - М.: Вильямс, 2003 г.                         8.http://www.youtube.com/watch?v=ONKM5lSthNY