Для реализации поставленной задачи я взял следующий пример. В помещении располагаются несколько датчиков, отвечающие за свет, температуру, влажность. 

         В данной системе будет происходить взаимодействие Точки Доступа (АР), получающая команды от панели управления либо портативного устройства (например смарфона) с помощью соответствующего приложения, и Терминалов (Т), соединенных с оконечным оборудованием. Все обмены пакетами данных производятся через точку доступа (Рис.1)

Система должна использовать минимальный частотный диапазон. Рекомендуемая технология передачи – OFDM.

Технология имеет следующие плюсы:

·         Высокая эффективность использования радиочастотного спектра, объясняемая почти прямоугольной формой огибающей спектра при большом количестве поднесущих.

·         Простая аппаратная реализация: базовые операции реализуются методами цифровой обработки.

·         Хорошее противостояние межсимвольным помехам (ISI — intersymbol interference) и интерференции между поднесущими (ICI — intercarrier interference). Как следствие — лояльность к многолучевому распространению.

·         Возможность применения различных схем модуляции для каждой поднесущей, что позволяет адаптивно варьировать помехоустойчивость и скорость передачи информации.

Но также имеет и свои недостатки:

·         Необходима высокая синхронизация частоты и времени.

·         Чувствительность к эффекту Доплера, ограничивающая применение OFDM в мобильных системах.

·         Не идеальность современных приёмников и передатчиков вызывает фазовый шум, что ограничивает производительность системы.

·         Защитный интервал, используемый в OFDM для борьбы с многолучевым распространением, снижает спектральную эффективность сигнала.

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. По заданию вероятность ошибки - 1*10^(-6), поэтому для ее уменьшения понадобится применять метод помехоустойчивого кодирования (FEC) и автоматический запрос повторной передачи (Architectural Research Quarterly – ARQ).

Основная задача нашей системы - обмен сообщениями с терминалами и мониторинг состояния помещения.

                                                              Рис.1. Обобщенная схема сети радиодоступа

Основные компоненты схемы: центр управления, терминалы (Т), точка доступа (АР) и пользователь.

АР соединена с сервером управления по протоколу Ethernet. Терминалы являются оконечным устройством датчиков системы. Центр управления (ЦУ) 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 задаче АР относится: 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.

Первым делом, 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 производит регистрацию, с помощью своего идентификатора. Затем АР проверяет полученные данные. Если идентификатор совпал с принятым, процедура регистрации считается завершенной, и в журнале абонентов ИС (инофрмационное сообщение) 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. АР будет опрашивать его на том же основании что и терминалы.

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.

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.

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.

1.2. Проработка сценария взаимодействия сетевых объектов.

1.2.1.Обоснованный выбор способа организации физических каналов (ФК). Краткое описание процедуры множественного доступа служб L2-уровня к ФК, пояснение способа организации двустороннего обмена сообщениями. 

Доступ к физическому каналу осуществляется на основе метода множественного доступа с фиксированным распределением – FAMA.  В получаемой терминалами ШВС (широковещательного сообщения) содержится ШРВИ (шкала распределения временных интервалов), в которой указано за каким терминалом закреплен тот или иной временной интервал. Далее, АР осуществляет поочередный опрос всех терминалов. Терминалы отправляют сообщения подтверждения о своем наличии в сети согласно ШРВИ. (Рис.3)

Рис.3. Доступ к физическому каналу

АР оповещает терминалы о начале конкурентной борьбы. После АР прослушивает канал, ожидая заявки от терминалов. В заявке указаны адрес терминала и время, требуемое ему для передачи сообщения. Сформировав ШРВИ, АР передает эту информацию всем терминалам через широковещательное сообщение. В этом широковещательном сообщении содержится график закрепления ФК за терминалами.

1.2.2.Краткий анализ развития событий, связанных с терминалом, начиная с момента его включения/активизации до момента его выключения. 

Для регистрации терминалов в сети, при включении системы, АР начинает вещать для каждого терминала (отправка широковещательных сообщений), ожидая ответ от каждого. АР будет вещать до тех пор, пока все терминалы не откликнутся. Это требуется определения активности терминалов и построения журнала опроса терминалов. В момент опроса велика вероятность коллизии, поэтому опрос происходит длительное время. (Рис.4)

                         Рис.4. Поиск точкой доступа терминалов.

Обмен сообщениями происходит через АР. Терминалы находятся в IDLE, ожидая следующего, заранее определенного АР, сеанса опроса, в котором терминалы оставляют заявки на резервирование канала связи. Так как каждый терминал имеет свой уникальный идентификатор, АР на основе полученных заявок формирует порядок опроса терминалов.

1.2.3.Определение и краткая характеристика возможных режимов работы сетевых терминалов на основании описания п.1.2.2. Построение и описание графической диаграммы, отражающей взаимодействие режимов работы терминалов и поясняющей условия перехода терминалов из одного режима в другой. 

В разрабатываемой радиосистеме терминалы достаточно простые устройства.

В них предусмотрено всего три режима работы:

- режим ожидания;

- режим регистрации;

- активный режим.

Режим ожидания начинается с момента включения терминала и заканчивается моментов поиска сети. В этом режиме Т прослушивает широковещательный канал, и определяет наличие или отсутствие широковещательного сообщения.

Режим регистрации начинается с момента нахождения сети и заканчивается прохождением процедуры регистрации.  Во время действия этого режима в ИС Т появляется информация о сети ,а в ИС АР фиксируются терминалы прошедшие регистрацию в сети . Активный режим, начинает свое действие с начала закрепленного интервала времени вещания терминала, по окончании этого интервала терминал переходит в энергосберегательный режим.

Взаимодействие пользователя с сетью происходит так же, как и с «рядовым» терминалом. АР периодически опрашивает пользователя (как и «рядовые» терминалы) на наличие у него сообщений.

 Активный режим – в процессе широковещательного опроса АР не только узнает о необходимости выделения Т канального ресурса, но и сообщает Т о наличии/отсутствии информационных сообщений для них. При приеме такой информации от АР Т выходит из режима IDLE и отправляет подтверждение о готовности к приему, после чего начинается передача данных от АР. Завершение приема аналогично завершению режима передачи.

Диаграмма режимов работы терминала изображена на Рис.8.

1.2.4.Обоснование необходимости и пояснение способа обеспечения энергосбережения сетевыми узлами. 

IDLE (режим пониженного энергопотребления) – этот режим является пассивным. Т настроен на широковещательную несущую, по которой принимает сообщения, ожидая вызова или начала опроса. Из этого режима Т выходит только для передачи/приема сообщений, находясь в нем большую часть времени.

Большую часть времени терминал будет находится в режиме IDLE. Это объясняется циклом работы АР. Точке доступа требуется опросить все терминалы, провести радиоизмерения, отправить собранные с терминалов данные на компьютер, передать терминалам сообщения, если требуется, так же АР выделяет интервал времени, предназначенный для общения с пользователем. Поэтому терминал будет выходить на связь в установленные точкой доступа интервалы времени. (Рис.5)

                                                         Рис.5. Фрагмент работы сети

1.2.5.Обоснование необходимости контроля качества канала связи (организация радиоизмерений) как в активном, так и в пассивном состояниях сетевых узлов. Определение последовательности действия решения данной задачи и пояснение маршрута доставки данных контроля качества службе-получателю. Пояснение способа использования информации о качестве канала связи (изменение мощности передачи, переключение на другой профиль физического уровня и т.п.).

Так как беспроводные сети характеризуются худшим качеством передачи данных по сравнению с проводными из-за нестабильности помеховой обстановки в радиоканале, то необходимо постоянно получать информацию о состоянии окружающей среды. Кроме того, некоторые из терминалов могут быть мобильными, следовательно, имеет место проблема многолучевого распространения радиосигнала, что также негативно влияет на качество связи. Поэтому в состав АР входят устройства, производящие радиоизмерения, которые периодически производятся в свободные от передачи/приема сообщений временные интервалы. Данные, получаемые с помощью этих устройств, поступают в блок управления АР, и в зависимости от них блоком управления может быть принято решение о смене профиля физического уровня.

АР проверяет количество ошибок, которые были обнаружены при проверке контрольных сумм, и исходя из уровня сигнала от терминалов, а затем принимает решение о выполнении параметров процессов, выполняемых на физическом уровне (вид модуляции, скорость кодирования)

1.2.6.Пояснение понятия сеанса соединения, описание используемых характеристик соединения: длительность передачи (количество передаваемых блоков сообщения), требуемое качество соединения, необходимость подтверждения получения информационного блока, актуальность механизма ARQ в процессе доставки и т.п.  Подробное описание процесса доставки информационного сообщения от узла-источника до узла-получателя (с учетом п.1.2.1, п.1.2.4 и п.1.2.5),  пояснение требуемых для адресной доставки идентификаторов и широковещательных параметров сети. Построение и подробное пояснение графической диаграммы, отражающей рассматриваемый сценарий, на основе практического примера доставки сообщения. 

Опишем сценарий соединения терминалов с АР.

• Режим ожидания. В этом режиме Т прослушивает широковещательный канал , и определяет наличие или отсутствие широковещательного сообщения.

Широковещательное сообщение включает в себя следующие полей:

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

После нахождения широковещательного сообщения Т фиксирует в журнале идентификаторов точки доступа информационной подсистемы (ИС), что он зарегистрировался в сети с IDАР, и чтобы осуществлять передачу на АР нужно отправить заявку на резервирование канала. Далее Т переходит в режим регистрации.

•   Режим поиска сети – Т прослушивает широковещательные канал на наличие широковещательных сообщений от АР, включающих SSID  АР, и сравнивает этот SSID с тем, что хранится в информационной системе. В случае несовпадения или отсутствия широковещательной информации поиск сети продолжается. (Рис.4)
•  Режим регистрации. В данном режиме АР осуществляет передачу широковещательного сообщения . Как уже отмечалось, что АР заранее известен список идентификационных номеров терминалов . Операция поиска терминалов происходит периодически. Активные терминалы подтверждают свое наличие в сети, эта информация заносится журнал активных терминалов. 

Передача широковещательной информации будет проходить до тех пор, пока не ответят все терминалы. В противном случае через некоторое время пользователю будет отправлено сообщение о неисправности не ответившего терминала.

• Режим передачи данных (Рис.6)  - после окончании регистрации Т переходит в режим IDLE и, чтобы передавать данные ему необходимо дождаться этапа конкурентной борьбы, чтобы оставить заявку на резервирование канала связи. Т отвечают сообщением о предоставлении канала, при этом они должны передавать их в разные временные интервалы для предотвращения коллизий. После получения канального ресурса происходит непосредственная передача данных. Передача данных заканчивается только после получения подтверждения о правильности приема, затем Т переходит в пассивный режим.

• Активный режим – в процессе широковещательного опроса АР не только узнает о необходимости выделения Т канального ресурса, но и сообщает Т о наличии/отсутствии информационных сообщений для них. При приеме такой информации от АР Т выходит из режима IDLE и отправляет подтверждение о готовности к приему, после чего начинается передача данных от АР. Завершение приема аналогично завершению режима передачи. (Рис.7)

 Основная услуга системы – передача данных. Для обеспечения лучшего качества обслуживания применяют гарантированную доставку адресных сообщений, когда принимающая сторона отправляет подтверждение о правильности полученных данных. В случаях, если подтверждение не было получено или была получена информация о неправильности принятых данных, передающая сторона повторяет передачу (Рис.10 и Рис.11).

     Рис.10. Повторная передача данных при получении NACK– сообщения о повреждении пакета данных.

   Рис.11. Повторная передача данных при отсутствии подтверждения о приеме.

Список используемой литературы:

1. В. А. Григорьев, О. И. Лагутенко, Ю. А. Распаев - "Сети и системы радиодоступа".
2. Бакке А.В. - "Лекции по курсу ССПО".
3. Джон Парк, Стив Маккей - "Сбор данных в системах контроля и управления"