Тема работы:

«Компактная сеть радиодоступа».

Часть 1.

Выполнили:

студенты группы №218

Ведяскина Юлия,

Широких Дмитрий.

Исходные данные к проекту:

 

  Максимальное количество терминалов в сети: 64

  Радиус зоны обслуживания: 50 м

  Топология сети: комбинированная

  Максимальная скорость передачи информационных данных: 2 Мбит/с

  Тип местности: помещения

  Вероятность ошибки на бит, не более Pb: 10-6

  Мощность излучения подвижной станции Ризл : < 0,1 Вт

  Рекомендуемая технология передачи: OFDM

  PR: 95%

  Диапазон частот, вид модуляции выбирается самостоятельно.

 

Задачей данной курсовой работы является разработка компактной сети радиодоступа, которая  предназначается для объединения в единую сеть различных электронных устройств с целью оперативного обмена данными или сбора данных (технология «умный дом»). 

Введение.

            Разработка компактной сети радиодоступа, которая рассматривается в нашей работе, будет учитывать особенности  технологии «умный дом».  Данная технология  представляет собой интеллектуальную систему управления домом, обеспечивающую автоматическую и согласованную работу всех систем жизнеобеспечения и безопасности. Основной особенностью такой технологии является объединение отдельных подсистем и устройств в единый комплекс, управляемый при помощи автоматики. «Умный дом» включает в себя 5 базовых подсистем управления: освещением, микроклиматом,  безопасностью, электропитанием и общую систему управления и связи.

        Перед нами встаёт задача создать модель сети, с помощью которой возможно реализовать технологию «умный дом». Представим пути её решения.

 1.1.Архитектура решения: обоснование функционального состава радиосети, определение источника и получателя сообщений. Краткая характеристика целевого ПО терминала, пользовательского интерфейса (интерфейса взаимодействия с внешним объектом). Описание обобщенных функциональных схем терминала и выделенного узла сети, пояснение цели и места радиомодуля в составе терминала. Пояснение роли выделенного узла сети, анализ основных видов поддержки, оказываемых выделенным узлом терминалам сети.

1.1.1  Обоснование функционального состава радиосети, определение источника и получателя сообщений.

Структура проектируемой сети выглядит следующим образом (рис 1):

ТОПОЛОГИЯ СЕТИ – КОМБИНИРОВАННАЯ


Рис.1 − Схема компактной сети радиодоступа

При разработке функциональной схемы учитывалась исходная информация о топологии сети (комбинированная). В конкретном случае данная топология подразумевает комбинацию структурированной сети и сети типа AdHoc, что в свою очередь предполагает наличие:                             

-точки доступа;                                                                                                                                          

 - терминалов, имеющих возможность связаться с точкой доступа напрямую;                                            

- терминалов, которые вследствие своего местоположения не попадают в зону обслуживания точки доступа, но имеют возможность связаться с ней посредством других терминалов.

 Разрабатываемая сеть включает в свой состав неподвижную точку доступа (АР) и терминалы, которые принадлежат  одной из пяти базовых подсистем управления, описанных ранее.

    Наличие точки доступа (неподвижной) обуславливается следующим:   

  каждому терминалу необходимо осуществлять приём или передачу данных  от другого  терминала в реальном масштабе времени, так как количество терминалов может достигать 64, то с точки зрения экономии мощности и эффективности использования канального ресурса разумнее всего осуществлять передачу  с помощью точки доступа.

  значительное число терминалов сети является неподвижным, следовательно, при использовании неподвижной точки доступа, можно упростить расчёт энергетических параметров сети, а  также исключить необходимость использования авторегулировки усиления сигнала в этих терминалах.

Источником и получателем сообщений в сети может выступать устройство при терминале, устройство управления технологии «Умный дом» (так называемый, «мозг» системы) и пользователь.

Источником и получателем служебных сообщений сети может быть как терминал, так и точка доступа.

1.1.2   Краткая характеристика целевого ПО терминала, пользовательского интерфейса (интерфейса взаимодействия с внешним объектом).

Организация сети требует  определенного программного обеспечения для  своих компонентов. Технология «Умный дом» предоставляет пользователю возможность контролировать работу устройств, находясь  как внутри дома, так и далеко за его пределами. Поэтому для управления системой будет достаточно иметь устройство с выходом в Internet, которое было бы способно работать со страницами HTML (то есть наличие браузера). Терминалы, как и точка доступа, будут запрограммированы на языке С.

Обобщенная схема работы сети представлена на рис.2.


Рис.2 − Обобщённая схема работы сети

        Рассмотрим принцип работы сети на конкретном примере. Предположим, что пользователю необходимо включить освещение в гостиной, для этого при помощи пользовательского устройства с выходом в Internet он открывает в браузере  главную HTML – страницу «Умного дома», после чего по соответствующим ссылкам переходит на страницу управления освещением в гостиной, где устанавливает нужный уровень освещения. Затем изменения страницы в виде сообщения попадают на маршрутизатор, который при помощи технологии Ethernet отправляет это сообщение в сеть Internet . Аналогичным образом сообщение попадает в маршрутизатор, который находится при устройстве управления «Умным домом» (в случае, если пользователь находится в доме, сеть Internet не используется, и используется только один маршрутизатор). Маршрутизатор перенаправляет сообщение в устройство управления, которое, в свою очередь, генерирует команду и направляет ее на точку доступа. АР постоянно проводит опрос терминалов с целью получения сведений об их активности. После того, как запрос от пользователя попал на точку доступа, генерируется сообщение, содержащее пользовательскую команду. Это сообщение записывается в буфере АР. В момент опроса терминала, отвечающего за освещение в гостиной, сообщение, содержащее команду пользователя, преобразуется на L2 уровне (добавление служебных полей), а затем на L1 уровне (модуляция, кодирование и т.д.). На следующем этапе терминал принимает сообщение от АР, которое преобразуется на L1 уровне (демодуляция, декодирование и т.д.), затем на L2 уровне (выделяется информационная часть сообщения), после чего терминал отвечает точке доступа, что принял верный запрос. Следующим шагом терминал отправляет это сообщение на блок управления устройством при терминале (в данном случае устройство управления освещением в гостиной), который в свою очередь устанавливает требуемый уровень освещения. Далее во время следующего опроса терминал отправляет на АР данные о своем новом состоянии (установленный уровень освещения, показания с фотоэлементов, уровни напряжения и т.д.), а после этого данные в обратном порядке попадают на HTML – страницу, где становятся доступными пользователю.

 

1.1.3  Описание обобщенных функциональных схем терминала и выделенного узла сети, пояснение цели и места радиомодуля в составе терминала.

Под терминалом (рис. 3) понимается особый  модуль, выполняющий функции:

  Приём команды с радиоканала и доведение её до управляемого устройства.

  Считывание данных с управляемого устройства и передача их по радиоканалу.

  Дежурный приём по каналу ВССН.

  Переход в спящий режим для экономии энергии.

 Приём/отправка заявок на регистрацию.

    Рассмотрим взаимодействие элементов в составе терминала (рис.3) на примере приёма команды (для устройства при терминале – трафик). Сообщение, пришедшее на приёмное устройство терминала, в первую очередь декодируется (блок FEC в составе радиомодуля), после чего из нескольких сообщений L1 уровня формируется сообщение L2 уровня (сборка пакета). После этого производится проверка целостности принятого пакета. В случае целостности пакет поступает на блок обработки и формирования сообщения трафика, откуда в виде команды попадает на управление устройством при терминале. Каждый раз при приёме сообщения производятся радиоизмерения, результат которых попадает в блок принятия решения, где в зависимости от результатов радиоизмерений, будет приниматься сообщение о необходимости  формирования служебного сообщения о назначении этому терминалу транзитного терминала (перевыборе транзитного терминала или об исключении транзитного терминала). Также на блок принятия решений поступает информация с блока проверки целостности. В случае поврежденного пакета принимается решение о запросе на его повторную отправку. В информационной подсистеме будут храниться результаты радиоизмерений всех устройств, с которых они проводились (кроме того, в ней хранятся сведения о времени, когда терминалу нужно будет просыпаться для обмена с АР и с другим терминалом в случае транзита). Это нужно для принятия решения, связанного с выбором транзитного терминала. Также в информационной подсистеме содержатся данные пакетов, которые необходимо запросить на повторную отправку. Блок обработки формирования служебных сообщений формирует служебные сообщения (о переотправке нецелостного пакета или о назначении транзитного терминала), а также обрабатывает служебные сообщения при их приёме.


                                         Рис.3 −  Функциональная схема терминала сети

Радиомодуль в составе терминала предназначен для отправки сообщений по радиоканалу, приёма сообщений, обеспечения помехоустойчивости, избежания коллизий путем синхронизации, а также для оценки качества радиоканала.

 

К функциям узла (рис.4) можно отнести:

   передача широковещательного  ВССН-сигнала (содержащего в себе ID сети, флаг доступности, синхронизацию по времени и частоте), а также передача сведений о терминалах сети по тому же каналу;

  опрос терминалов с передачей команд пользователя и приём данных телеметрии;

  обмен сообщениями с пользователем через сеть Internet;

 приём видеотрафика и оправка его пользователю через Internet;

 изменение параметров сети в зависимости от событий, обеспечение гибкости сети.

        Рассмотрим взаимодействие элементов в составе АР (рис.4) на примере передачи сообщения трафика. Блок управления «Умным домом» в зависимости от режима работы системы или от команды пользователя генерирует команду для отдельного устройства. Эта команда поступает на блок формирования сообщений трафика, где формируется L2 пакет. Также эта команда поступает на блок управления сетью, где точка доступа определяет момент  опроса данного терминала и записывает данное сообщение в буфер в составе информационной подсистемы. В момент опроса сообщение L2 уровня фрагментируется, преобразуется на L1 уровне и отправляется в радиоканал.


Рис.4 − Функциональная схема выделенного узла сети

Радиомодуль в составе точки доступа предназначен для отправки сообщений по радиоканалу, приёма сообщений, обеспечения помехоустойчивости, для установления временной синхронизации в сети, а также для оценки качества радиоканала.

 

1.1.4   Пояснение роли выделенного узла сети, анализ основных видов поддержки, оказываемых выделенным узлом терминалам сети.

Задачи точки доступа делятся на постоянно исполняемые и интерактивные (рис. 5). К постоянно исполняемым относится передача широковещательного сигнала ВССН, опрос терминалов с целью установления активности и обмена трафиком (а также во время опроса может передаваться информация о времени следующего сеанса связи). К интерактивным – регистрация новых терминалов (информация, связанная с необходимостью регистрации нового терминала, поступает с ранее зарегистрированного терминала, который находится в зоне радиопокрытия АР и является активным).

Выделенный узел сети  является ведущим в сети, он обеспечивает работу сети в целом. 

К основным видам поддержки можно отнести:

-каналы синхронизации по частоте и времени;

     -флаги доступности сети;

     -передача сведений о времени следующего сеанса связи с данным терминалом.


Рис.5 - Роль выделенного узла сети

1.2. Обоснование возможности решения поставленной задачи на основании результатов п.1, описание основных моментов функционирования радиосети.

1.2.1 Особенности функционирования сети

При моделировании компактной сети радиодоступа был организован метод опроса активных терминалов. Суть этого метода заключается в том, что точка доступа последовательно опрашивает все терминалы, зарегистрированные в сети. Опрос делится на запрос и ответ. С сообщением запроса передаётся пользовательская команда, а также служебные сообщения.

Особенностью данной сети является возможность управления терминалами, находящимся вне зоны радиопокрытия АР. Терминал Т1, который не может напрямую связаться с точкой доступа, сможет осуществить обмен данными с АР посредством другого терминала Т2, который обслуживается точкой доступа.  Данный терминал Т1 находится в состоянии приёма, пока не получит ответ терминала Т2. После чего Т1 отправляет сообщение со своим идентификатором. В момент следующего опроса Т2 уведомляет точку доступа о наличии Т1, после чего на основании радиоизмерений Т1 АР самостоятельно решает, с кем будет работать Т1.

  Для того, чтобы пронаблюдать особенности данной сети, стоит привести диаграммы состояний АР (рис.6) и терминала (рис. 7).


Рис.6 − Диаграмма состояний АР

Точка доступа последовательно опрашивает все терминалы и передает широковещательное сообщение ВССН. Из этого состояния АР может перейти в состояние ожидания (если в данный момент отсутствует видеопоток) При наличии видеопотока основным состоянием точки доступа будет приём видео. Из этого состояния АР может перейти в состояние опроса какого-либо терминала, либо в состояние ожидания (если опрос производит транзитный терминал). Из состояния опроса точка доступа может перейти в состояние ожидания на время возможной регистрации в сети или в состояние передачи широковещательных сообщений в случае, если сеть недоступна для регистрации в данный момент.

.


Рис.7 − Диаграмма состояний терминала сети

 Основное состояние терминала – это режим ожидания. Из него терминал может перейти в состояние приёма ВССН или опроса (опрашивать данный терминал может точка доступа или другой терминал, а также возможен случай, когда данный терминал опрашивает другой терминал). После опроса терминал может перейти в состояние приема заявок на регистрацию или состояние приема ВССН, если сеть недоступна для регистрации. Из состояния приема ВССН можно перейти в состояние ожидания (либо в рамках одного кадра, либо на протяжении нескольких кадров) или в состояние опроса (если видеопоток не передается).

Список используемой литературы:

1.Бакке А.В. "Лекции по курсу: Системы и сети связи с подвижными объектами".

2. http://www.razumdom.ru/technology

3.Дж. Гейер «Беспроводные сети»