Тема работы:
«Интерактивная сеть мультимедийного
вещания».
Часть 1.
Выполнил:
студент группы №218
Гвардин Андрей.
Исходные данные к проекту:
Максимальное
количество активных абонентов в зоне радиопокрытия: 50
Радиус зоны обслуживания: 500 м
Максимальная
скорость передачи данных (вещания): 128 Кбит/с
Тип
местности: городская застройка
Вероятность
ошибки на бит, не более Pb: 10-6
Мощность
излучения подвижной станции Ризл : < 0.1 Вт
Рекомендуемая
технология передачи: OFDM
PR: 80%
Диапазон частот, вид модуляции выбирается
самостоятельно
Задача:
Построение
системы передачи мультимедиа подвижным объектам, где каждый из абонентов может
подключиться к любому желаемому из имеющихся на объекте вещания мультимедийному
потоку.
Введение:
Исходя из ТЗ, можно
отметить следующие особенности проектируемой системы:
Первое – условия городской застройки и ограниченная мощность
подвижных станций. Возможно, на предельных дальностях зоны обслуживания и/или
при высокой плотности застройки возникнут проблемы передачи служебных сообщений
от абонентских станций к станции, предоставляющей потоки информации. Учитывая,
что объекты в сети подвижны, и имеют возможность постоянно менять свое
положение в пространстве, нужно предусмотреть такой способ взаимодействия всех объектов,
при котором будет обеспечена доставка служебных сообщений от принимающих
терминалов к передающему.
Второе – небольшая максимальная скорость вещания. Можно
предположить, что данная сеть предназначается для трансляции радио, передачи
текстовых сообщений, документов и
графических файлов.
Третье – как и для любой радиосистемы, нужно стремиться к
максимально полному использованию радиочастотного ресурса, для чего выбран
одночастотный план с временным разделением каналов.
Четвертое – поскольку в подобной системе одна станция обслуживает
все остальные, стоит принять меры для ее максимальной разгрузки от операций,
которые оконечные терминалы могут выполнять самостоятельно, например,
поочередный опрос с целью определения активности терминала неприемлем. Также
желательно отказаться от использования заранее известных адресов оконечных
устройств, что даст им возможность
подключаться к требуемому потоку самостоятельно – т.е. мы избавимся от необходимости каждый раз
настраивать сеть перед ее запуском.
Возможные варианты применения данной системы – интернет-радио,
системы оперативного оповещения (громкоговорители) на ж/д вокзалах, координация
масштабных культурно-развлекательных мероприятий (пиротехнические шоу,
исторические реконструкции и т.п.), диспетчерская служба такси, и другие,
требующие оперативного информирования.
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.
Обоснование
функционального состава радиосети, определение источника и получателя
сообщений.
Проектируемая сеть состоит из пользовательских терминалов, и
основной станции, состоящей из точки доступа и мультимедийного сервера,
формирующего требуемые потоки. Точка доступа решает вопросы взаимодействия
терминалов в сети, а мультимедийный сервер предоставляет требуемую
мультимедийную информацию. Пользовательские терминалы выполняют функцию
оконечных устройств взаимодействия пользователя с сетью (прием и отображение
принятой информации)
На первый взгляд кажется
обоснованным выбор топологии «звезда». Однако, если вспомнить об ограниченной
мощности подвижных терминалов и их подвижности, становится понятно, что
«звездная» топология не обеспечит гарантированного приема основной станцией служебных
сообщений от подвижных устройств. Выходом из положения видится такой механизм
взаимодействия терминалов, при котором, в случае неудачной попытки передачи
сообщения стационарной станции напрямую, будет предпринята попытка передачи с
помощью близкорасположенных терминалов, расположенных в более благоприятных для
передачи условиях.
С учетом вышесказанного, выбрана смешанная, или комбинированная
топология (см. рис. 1). Хотя она и похожа на древовидную, на деле она таковой
не является, т.к. во время работы она может произвольно менять свой вид.
Благодаря этому она должна обеспечить надежное взаимодействие оконечных
терминалов и основной станции до тех пор, пока любой отдельно взятый терминал
находится в зоне радиопокрытия основной станции, вплоть до ситуации,
представленной на рис.2.
Рис.1. Топология сети
Рис.2. Частный случай изменения топологии
при изменении расположения терминалов в пространстве.
В этом случае стоит помнить о возможном уменьшении скорости
передачи либо увеличении времени регистрации терминалов в сети, и правильно
выбрать пропускную способность точки доступа и производительность
мультимедийного сервера.
Особенности функционирования сети во многом определяются
изложенными во введении к работе (см. стр. 2) особенностями проектируемой
системы. Стоит также отметить необходимость борьбы с многолучевостью,
неизбежной в условиях городской застройки, и ошибками приема. Причем
исправление ошибок или отправка запроса на повторную передачу более приоритетны
для графических и текстовых файлов, нежели для потоковой трансляции, где более
важна непрерывность воспроизведения.
Источником мультимедийных сообщений в сети может являться только
основная станция, а получателем такого сообщения - любой пользовательский
терминал или их группа, если группой запрошен
один и тот же ресурс. В таком случае мультимедийный сервер формирует
общий, а не создает каждому терминалу свой поток, что позволяет экономить
ресурсы сервера. Мультимедийные потоки могут исходить от акустоэлектрических
преобразователей, устройств воспроизведения или сети Интернет
Служебные сообщения, предназначенные для обеспечения
взаимодействия между всеми составляющими сети, могут быть отправлены и получены
любым узлом сети.
Краткая
характеристика целевого ПО терминала, пользовательского интерфейса (интерфейса
взаимодействия с внешним объектом).
Обеспечение взаимодействия компонентов сети требует для них определенного
программного обеспечения. Оправданным и
перспективным считаю использование Java-технологий, как для сервера, так и для терминалов. Основная
причина тому – широкая распространенность и мультиплатформенность.
Обобщенная схема работы сети представлена на рис.3.
Рис.3. Обобщённая схема работы сети.
Описание блоков схемы:
Свв, Свыв - средства
ввода и вывода - экран, динамик, клавиатура и т.д.
ПО пользователя - блок, предназначенный для взаимодействия
подвижного терминала и пользователя – пользовательский интерфейс. В частности, с помощью этого
блока пользователь выбирает нужный ему поток мультимедиа.
Буфер - данные блоки требуется для предотвращения потери
данных мультимедиа, могут использоваться для хранения сведений сервера и содержания текущей команды (ОЗУ).
ИУ(USB, Ethernet) - интерфейсные
устройства, предназначенные для согласования устройств, чтения и записи информации. Применение ИУ Ethernet между мультимедийным сервером и точкой
доступа обусловлено наибольшим в схеме объемом передаваемых данных. Такое ИУ может находиться также между
источником данных и сервером мультимедиа. На остальных участках сети
используется USB, как
более удобный и распространенный.
БСВ терминала, БСВ точки доступа - блоки сценариев взаимодействия, назначение
которого состоит в обработке команд
управления пользователя с целью последующей ее передачи на L2 уровень, формирование исполняемого кода,
а также представление информации об адресе (адресах) терминалов-получателей
команды. Блок сценария взаимодействия терминала также выполняет функции поиска
близкорасположенных подвижных терминалов и выбора из них наиболее подходящих для
передачи. Данные блоки должны включать в себя функции буфера служебных
сообщений.
L2 - блок, предназначенный для
обозначения канального уровня сетевого взаимодействия, который формирует
конечный адрес, проверяет контрольные суммы и делит данные на пакеты.
L1 -
блок, предназначенный для обозначения физического уровня сетевого
взаимодействия, который выполняет функции, необходимые для успешной передачи
данных в радиоканал.
БФП - блок формирования потоков. Управляется с помощью блока ПО сервера
аппаратурой настройки(контроль доступного абонентам мультимедиа), и командами от точки доступа (контроль востребованности
потоков).
ПО сервера - программное обеспечение сервера, управляющее автономной работой
сервера, определяющее его реакцию на различые команды, поступающие от точки
доступа, содержащее параметры, задаваемые с помощью аппаратуры настройки.
В качестве аппаратуры
настройки подразумевается подключаемый через USB ПК, а в качестве источников
информации, как было сказано выше – сеть Интернет, устройства
воспроизведения, микрофоны и др. Стоит отметить, что для разных источников
требуются свои интерфейсные устройства, или нескольких устройств, поэтому его
тип на схеме не указан.
Обобщенное описание работы
сети:
При первоначальном запуске сети работа сервера настраивается
изменением параметров ПО мультимедийного сервера. Эта операция осуществляется с
помощью ПК, подключаемого к серверу через ИУ USB, и состоит, в основном, в назначении
доступных пользователям ресурсов. В дальнейшем, при необходимости, возможно
изменение этих параметров, но большую часть времени сервер работает сам,
основываясь на заложенных в его ПО параметрах. Точка доступа передает
информацию о доступных ресурсах на терминалы, где пользователи выбирают
требуемое. Команды от пользователей с средств ввода под управлением ПО
поступают в терминал через буфер, снижающий вероятность потери данных, и
интерфейсное устройство, обеспечивающее связь на физическом уровне. В терминале
команды под контролем блока БСВ, отслеживающего обстановку в сети и
обеспечивающего порядок работы, проходят через блоки L2 и L1, где преобразуются в радиосигнал и
передаются через радиоканал на уровень L1 точки доступа, если есть такая
возможность, или терминала. Выбор – кому передать сообщение – точке доступа или
терминалу, а если терминалу, то какому, более подробно рассматривается в п.1.2.
В общем случае решение принимается на основе принятых из сети служебных
сообщений. Под служебными сообщениями понимаются команды терминалов и точки доступа, регулирующих
корректную работу сети и передаваемых по предназначенным для них логическим
каналам. Источником и получателем данных сообщений в проектируемой сети могут
быть как терминалы, так и точка доступа.
Предположим, что отправляющий сообщение терминал находится в
подходящих условиях для взаимодействия непосредственно с точкой доступа. В
таком случае радиосигнал от него, поступившее на уровень L1 точки доступа, демодулируется, проходит
далее на уровень L2,
где разбирается на каналы и представляется в виде кода, передаваемого затем на
БСВ. БСВ, получив необходимую информацию
о востребованности ресурса, передает ее через ИУ и буфер сервера на блок ПО
сервера, который дает команду БФП на формирование потока.
Таким образом точке доступа предоставляется затребованный
пользователем терминала поток информации. Точка доступа формирует логический
канал, предназначенный для передачи этого потока, передает терминалу
пользователя информацию об этом канале, и в дальнейшем производит передачу
запрошенного пользователем потока по этому каналу до тех пор, пока поток
остается востребованным.
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.
Абонентский терминал должен
выполнять следующие функции:
1. Прием и передача радиосигнала в назначенном частотном
диапазоне, содержащего сообщения трафика и служебные сообщения, с требуемой
скоростью.
2.Обеспечение достоверности принимаемых сообщений и уменьшение
влияния помех в радиоканале на количество ошибок.
3.Обнаружение близкорасположенных подвижных терминалов,
совершивших радиообмен с точкой доступа, измерение мощности их сигнала с
фиксированием присвоенного им точкой доступа адреса.
4.Занесение обнаруженных терминалов в журнал “адрес –
соответствующая мощность сигнала”, выбор из этого списка по определенному
правилу одного из них в случае невозможности радиообмена напрямую с точкой
доступа.
5.Ведение журнала активных потоков с информацией о канале,
присвоенного каждому активному потоку.
6.Борьба за доступ к радиоканалу при необходимости передачи
сообщения.
7.Отклик на периодический запрос точки доступа о подтверждении
востребованности одного из передаваемых ей потоков.
8.Организация транзитной передачи запроса к точке доступа на
предоставление потока от терминала, который не смог самостоятельно
«достучаться» до главной станции.
9.Взаимодействие с
оконечным устройством пользователя.
Таким образом, исходя из вышеперечисленных требований, в составе функциональной
схемы терминала ( Рис.4) можно выделить следующие блоки:
- Радиомодуль(РМ).
Отвечает за выполнение функции 1.
-Блок помехоустойчивого кодирования/декодирования(К/Д).
Функция 2.
-Блок управления(БУ),
журналы обнаруженных терминалов(ОТ), активных потоков(АП), блок радиоизмерений(БР). На них возложено
выполнение функций 3-8. Работают в тесном взаимодействии под контролем блока
управления, который реализует сценарий взаимодействия узлов сети посредством
сбора, анализа информации с окружающих
блоков и принятия решения согласно прописанной в нем программе.
- Интерфейсное
устройство(ИУ). Функция
9.
Рис.4.
Функциональная схема терминала сети.
В общем описании работы сети было отмечено, что терминал во время
работы может взаимодействовать как непосредственно с точкой доступа, так и с
другими терминалами. Тогда для упрощения аспект взаимодействия “терминал-терминал”
был отложен, однако при описании
функционала терминала в пунктах 3,4 и 8 были упомянуты функции терминала,
непостредственно относящиеся к данному аспекту. Для объяснения необходимости
этих функций рассмотрим следующую упрощенную
ситуацию (Рис.5.).
Рис.5. Иллюстрация
выбора терминала для транзитной передачи
Положим, терминалу 1 требуется передать запрос на требуемый
пользователем поток. Самостоятельно провести радиообмен он не в состоянии – мал
радиус покрытия. У него есть три варианта выбора терминала для транзитной
передачи – терминалы 2,3 и 4. Какой из них выбрать?
Оптимальный выбор – терминал 3, т.к. остальные расположены так,
что расстояние либо до точки доступа, либо до терминала 1 критически велико.
Для этого и нужен механизм выбора транзитного терминала, при котором Т1
прослушивает радиоканал, фиксирует все терминалы, радиообмен которых с точкой
доступа подтвержден и мощность их сигнала, после чего выбирает в качестве
транзитного тот, у которого уровень сигнала наиболее близок к среднему
значению.
Окончательно механизм взаимодействия терминалов в сети будет
прояснен в п.1.2.
Требования к функционалу
выделенного узла сети:
1.Прием и передача
радиосигнала в назначенном частотном диапазоне, содержащего сообщения
трафика и служебные сообщения, с требуемой скоростью.
2.Обеспечение достоверности принимаемых сообщений и уменьшение
влияния помех в радиоканале на количество ошибок.
3.Организация доступа терминалов к радиоканалу.
4.Предоставление пользователям информации об имеющихся информационных ресурсах.
5.Предоставление по требованию
подвижным терминалам информации о канале, содержащем требуемый поток.
6.Проверка востребованности передаваемых мультимедийных потоков, ведение
журнала востребованных потоков.
7.Взаимодействие с
мультимедийным сервером.
Следовательно, схема выделенного узла может выглядеть, как на рис. 6.
Рис.6. Функциональная схема выделенного
узла сети.
Где:
ВП – журнал востребованных потоков. В него блоком управления БУ
вносятся потоки, необходимость в дальнейшей трансляции которых подтверждена.
Нужен для формирования списка потоков, отсылаемых серверу с запросом на их
предоставление точке доступа.
Остальные блоки идентичны схеме терминала. Разделение по
функционалу: РМ – функция 1; К/Д – функция
2; К/Д,
БУ и ВП при совместной работе –
функции 3-6; ИУ – функция 7.
Относительно функциональной схемы работы сети блоки в схемах
терминала и выделенного узла распределяются следующим образом:
- Радиомодули(РМ),
интерфейсное устройство(ИУ) терминала - блок
L1.
-Блок помехоустойчивого кодирования/декодирования(К/Д),
интерфейсное устройство(ИУ) точки доступа
- блок L2.
-Блоки управления(БУ),
журналы обнаруженных терминалов(ОТ), активных потоков(АП), востребованных
потоков(ВП), блок радиоизмерений(БР) - блоки сценариев взаимодействия (БСВ).
Под активным потоков подразумевается поток, передающийся в
определенный момент времени, а под востребованным – поток, в отношении которого
точка доступа получила подтверждение необходимости его дальнейшей передачи. Необходимость
ведения журнала востребованных потоков для точки доступа и журналов активных потоков и обнаруженных
терминалов для подвижных терминалов обуславливает упомянутую в описании блоков
обобщенной функциональной схемы работы сети необходимость возможности
буферизации блоками БСВ служебных сообщений.
1.2. Обоснование возможности решения
поставленной задачи на основании результатов п.1, описание основных моментов
функционирования радиосети.
Реализация задачи представляется возможной на основе временного
разделения каналов при работе на одной
частоте, используемой как терминалами, так и точкой доступа для приема и
передачи. В силу специфики топологии радиосети, каждый терминал должен также
выполнять транзитные функции.
Рассмотрим основные моменты функционирования проектируемой сети. Точка
доступа при включении рассылает широковещательное сообщение, в котором
содержится информация о доступных к трансляции потоках. Терминалы принимают это
сообщение, передают его пользовательскому устройству, пользователь выбирает
требуемый ресурс, и запрос передается терминалу. Учитывая, что всеми
терминалами используется один ресурс для передачи/приема, требуется механизм
его распределения между всеми участниками сети, в своей сети я выбрал метод CSMA/CA. После окончания борьбы за канал выигравший терминал
передает требование на ресурс, а точка доступа передает ему ответ на его
требование. Ответ от точки доступа содержит информацию о канале, по которому
будет передаваться запрошенный поток, назначенный терминалу номер для
транзитной передачи, и маркер окончания передачи, запускающий следующий цикл
борьбы за канал.
Во время радиообмена «терминал-точка доступа» и «точка
доступа-терминал» остальные терминалы не должны переходить в состояние покоя –
они постоянно прослушивают канал. За счет этого они получают информацию об
активированных каналах и передаваемых по ним потоках, о терминалах вокруг них,
которые успешно провели радиообмен с точкой доступа, их номера-идентификаторы
для возможной транзитной передачи, проводят радиоизмерения. Таким образом,
переход терминалов в состояние покоя для осуществления энергосбережения мне не
представляется возможным.
После получения терминалами маркера окончания передачи от точки
доступа конкурентная борьба возобновляется, и описанные выше процессы
повторяются для каждого терминала-победителя, за исключением того, что в
составе ответа от точки доступа содержатся сформированные каналы, содержащие
запрошенные ранее потоки мультимедиа.
Терминалы, получившие доступ к нужному ресурсу, не участвуют далее
в борьбе. После того, как все находящиеся в зоне возможного непосредственного
радиообмена терминалы получат требуемое,
на очередной маркер окончания передачи от точки доступа никто не откликнется.
Тогда точка доступа дает команду начать конкурентную борьбу за право транзитной
передачи, указывая в ответе победителю, что он теперь является транзитным. К
этому моменту времени терминалы, находящиеся в неблагоприятных условиях, на
основе радиоизмерений уже решили, к кому будут обращаться за помощью, и те из
них, которые выбрали в качестве транзитного терминал-победитель, начинают
конкурентную борьбу за передачу через этот терминал. Победивший в этой борьбе осуществляет
транзитную передачу запроса через выбранный им терминал, и получает свой
маркер-идентификатор для транзитной передачи, нужный другим, еще дальше
расположенным устройствам.
Если при получении маркера транзитной передачи к терминалу никто
не обращается за помощью, он больше не участвует в борьбе за этот маркер.
Поскольку сообщения трафика содержатся в ответе терминалу от точки
доступа, скорость передачи данных мультимедиа может падать в случае неудачного
расположения терминалов в зоне радиопокрытия точки доступа (см. рис. 2).
Получается, что пока происходит борьба
терминалов за радиоресурс для транзитной передачи, точку доступа можно
перевести в спящий режим на некоторый фиксированный промежуток времени Т*N, где N – количество транзитных терминалов в
цепочке от передающего запрос терминала до точки доступа.
На рис. 7, рис.8 приведены диаграммы состояний терминала и точки
доступа.
Рис.7. Диаграмма состояний терминала.
Рис.8. Диаграмма состояний точки доступа.
Список используемой литературы:
1. Бакке А.В. "Лекции по курсу: Системы и
сети связи с подвижными объектами".
2. Ресурсы сайта Omoled.ru.