Тема работы:

«Радиосистема управления беспилотным аппаратом»

Часть 2.

                                                                                                                                   Выполнил: студент группы №218

                                                                                                                                       Названов А.С.(канальный уровень)

1.3. Канальный уровень: разработка подсистемы управления доступом к среде, проработка процедур гарантированной/негарантированной доставки служебных и информационных сообщений.

•  1.3.1. Определение и краткая характеристика возможных режимов работы терминала разрабатываемой радиосети (на основании п.1.1 и 1.2). Выделение активного и пассивного состояний терминала, характеристика задач, выполняемых терминалом в этих состояниях. Анализ возможных решений по обеспечению энергосбережения.

    В разрабатываемой сети предусмотрены следующие виды работ терминала(при БПЛА):

1)Пассивный

2)Активный

    Активный режим предполагает наличие излучения в эфир. В активном режиме терминал переходит только при передаче сообщений. Прием сообщений запроса не означает переход в активный режим (сообщение запроса содержит команду о переходе в активный режим, это необходимо, если пользователь пытается скрыть местоположение БПЛА). После взлёта и до посадки БПЛА, терминал в пассивном состоянии находиться не может. Пассивный режим не предполагает наличие излучений в эфир.

Задачи, выполняемые в пассивном состоянии:

     а)режим ожидания(IDLE)

     б)прием сообщения запроса

     в)поиск сети

     г)радиоизмерения

     д)временная синхронизация

 

Задачи, выполняемые в активном состоянии:

     а)передача сообщения ответа на запрос

     б)прием команд

     в)передачу трафика

 

Энергосбережение обеспечивается в спящем режиме, так как для обеспечения его работы требуется использование радиоаппаратуры наименьшим образом.

  

Рис.1. Диаграмма состояния терминала при БПЛА.

    При включения терминала (1) происходит поиск сети (2), после обнаружения сети и временной синхронизации происходит прием запроса (3) и одновременно с ним производятся радиоизмерения (4). Эти процессы относятся к пассивному режиму. После приема запроса терминал переходит в активный режим, в котором происходит передача ответа (5). В случае если для терминала при БПЛА есть команда (6) (о наличие команды терминал при БПЛА узнает из содержания служебного сообщения запроса) терминал переходит в состояние приема команды, затем (или в случае отсутствия команды, сразу после получения ответа), в случае наличия трафика для терминала при КП (8) происходит передача трафика (9). О наличии трафика терминал при БПЛА уведомляет те терминал при КП в сообщении ответа. После передачи трафика (либо в случае если трафика нет, то после состояния 8). Терминал переходит в IDLE (10), где находится в течении периода, указанного в сообщении запроса. После состояния 10 терминал при БПЛА переходит в состояние 3.

•    1.3.2. Обоснование назначения, способа реализации и основных параметров физических каналов связи. Аргументированный выбор способа организации доступа к физическим каналам, подробное пояснение алгоритма множественного доступа. Анализ возможных причин возникновения коллизий в радиосети и пояснение решения по их устранению.

Физический канал выделяется во время процедуры опроса-это наилучший вариант в системе точка-точка.

Множественный доступ в разрабатываемой системе не нужен, так как доступ к каналу связи выделяется КП во время процедуры опроса.

Коллизий в данной системе не может быть в виду топологии сети точка-точка. Возможно наложение пакетов в следствии временной рассинхронизации, но из-за использования временной и частотной синхронизации данный вариант коллизий можно не рассматривать.

•  1.3.3. Пояснение способа двустороннего обмена сообщениями по радиоинтерфейсу.

Рис.2. Временная диаграмма работы сети.

    Временная диаграмма работы сети иллюстрирует взаимодействие узлов сети в случае максимальной загруженности. Терминал при КП отправляет в радиоканал синхропоследовательность  с определенной периодичностью (о длине интервала повторения синхронизирующей последовательности терминал при КП уведомляет терминал при БПЛА во время процедуры опроса, существует несколько режимов работы с различным интервалом повторения этих сообщений). Интервал повторения синхронизирующей последовательности и будет являться длительностью кадра. После синхронизирующей последовательности терминал при КП отправляет терминалу при БПЛА служебное сообщение запроса, в случае когда терминал при БПЛА работает в активном режиме (о режиме работы терминала при БПЛА говорится в сообщении запроса). В активном режиме терминал при БПЛА отправляет терминалу при КП сообщение ответа. При наличии команды от КП (длина сообщения команды содержится в сообщении запроса) терминал при КП начинает передачу сообщения команд. После этого, в случае наличия трафика (длина сообщения трафика указана в сообщении ответа). Терминал при БПЛА начинает передачу трафика терминалу при КП. Затем в случае, если длительность кадра не истекла терминал при КП дожидается этого момента и отправляет синхропоследовательность.                                                                                      После отправки каждого служебного сообщения, а также во время и после отправки сообщения трафика  предусмотрен запрос на повторную передачу сообщения (фрагмента сообщения) в случае его нецелостности ASK.

Рис.3. Структура кадра.

На рисунке, представленном выше изображена структура кадра при наибольшей длине. Условимся таким понятием как временной интервал. За временной интервал предположим одно сообщение физического уровня, таким образом максимальная длина кадра составляет 8452 временных интервала из которых и отводится на синхропоследовательность, по одному на сообщения запроса/ответа, до 255 на сообщение команды, до 8191 на сообщение трафика и (в случае отсутствия команд и трафика) до 8446 временных интервалов на режим ожидания. Режима ожидания(NOC) может не быть.  

•              1.3.4. Обоснование необходимости и пояснение способа контроля качества радиоканала. Пояснение сценария контроля качества канала связи, реакция сценария на ключевые состояния качества радиоканала.

Рис.4.Способ контроля качества радиоканала

На L1 уровне оценивается уровень сигнала от КП, результаты радиоизмерений отправляются на верхний подуровень L2, где происходит принятие решения о необходимости изменения уровня мощности сигнала со стороны КП. Это решение поступает на нижний подуровень, где в подготавливаемом сообщении ответа изменяется значение поля, отвечающего за изменение уровня мощности от КП. Подготовленное сообщение отправляется в радиоканал, после приема сообщения запроса. Терминал при КП, получая это сообщение отправляет его сначала на нижний (для проверки целостности), а затем на верхний подуровень. В следствии чего происходит измерение мощности сигнала при КП. 

•  1.3.5. Построение сценария установления соединения и доставки сообщений верхнего уровня. Пояснение графической диаграммы состояний сетевого узла, отражающей основные элементы разрабатываемого сценария.

 

Рис.5.Сценарий установлениясоединения и передача  сообщений верхнего уровня терминалом при БПЛА.

Под сообщением верхнего уровня понимаем трафик и команды управления БПЛА. Терминал при КП отправляет в канал синхропоследовательность и сообщение запроса, после включения (1) терминал при БПЛА пытается найти синхропоследовательность (2). Если её находит терминал при БПЛА, то он синхронизируется по времени (3) с терминалом при КП и принимает запрос (4), одновременно с этим производятся радиоизмерения (5). В случае если  в запросе указано пассивное состояние терминала при БПЛА, он переходит в состояние ожидания (9) до появления следующей синхропоследовательности. В случае если указывается активное состояние терминал при БПЛА отправляет сообщение ответа (6). В случае наличия команды (7) терминал при КП передает команды, в случае наличия трафика (8), передается трафик со стороны БПЛА. После трафика (в случае его наличия) терминал при БПЛА переходит в режим ожидания следующей синхропоследовательности.

Рис.6.Диаграмма состояния терминала при КП.

После включения терминала(1) происходит отправка синхропоследовательности(2), которая производится периодически с интервалом равным  длительности кадра. После этого происходит отправка служебного сообщения запроса(3). Если есть сообщение ответа(4) терминал при КП переходит в состояние получения ответа(6), в случае если ответа нет, то переходит в IDLE(5). Параллельно с приемом ответа производятся радиоизмерения(11). В случае наличия команды(7) производится её передача(8). В случае наличия трафика(9) производится прием (10). После(вместо) приема трафика терминал переходит в состояние 5, где находится до следующей отправки синхропоследовательности.

•  1.3.6. Анализ задач, выполняемых на канальном уровне. Выделение типов логических каналов связи (ЛКС), которые будут использоваться на канальном уровне, и краткое пояснение назначения сообщений ЛКС. Способы обеспечения достоверности принимаемых сообщений в каждом ЛКС, анализ необходимости подтверждения доставки сообщений и механизма ARQ в процессе передачи.

         Для обеспечения возможности выполнения своих функций в нашей сети предусмотрены следующие виды ЛКС:

·        ACCH-предназначен для опроса терминала на предмет его активности и для обмена служебной информации.

·        TCH-выделяется для передачи команд и трафика.

·        SCH-отвечает за проведение процедур временной синхронизации.

К функциям, которые выполняются на канальном уровне можно отнести:

- Организация доступа к физическому каналу.

- Выделение ЛКС.

- Организация множественного доступа (в нашей сети нет необходимости применять).

Канальный уровень разделен на 2 подуровня: верхний и нижний.

На верхнем уровне обеспечивается:

- Проверка целостности.

- Сборка пакета L2 уровня.

- Связь с верхними уровнями модели( для предоставления пользователю/устройству трафика/команд).

На нижнем уровне:

- Доступ к ФКС.

Задачи на канальном уровне(относящиеся к данной сети):

- Достоверный обмен сообщениями верхнего уровня(определение целостности ARQ).

- Возможность изменения сценария работы сети во время обмена(варьируя длинной кадра).

- Возможность терминала при БПЛА находиться в сети, не выдавая при этом своего местоположения( в пассивном режиме).

 ARQ:

            Служебные сообщения повторяются в случае некорректности. Также фрагменты сообщений верхнего уровня могут быть повторно отправлены для проведения этой процедуры, предусматривается наличие сообщения ASK и полинома контрольных сумм в составе каждого сообщения L2 уровня. Сообщения трафика и команд делятся на 3 фрагмента. После каждого фрагмента производится расчет контрольных сумм и отправка сообщения ASK. В случае если из-за  корректности нескольких блоков время необходимое для передачи  превышает длину кадра, то эти сообщения будут переданы в составе следующего кадра. Видеопоток делению на фрагменты и повторную отправку не подлежит.

 

•   1.3.7. Проработка протокола передачи данных канального уровня: пояснение правила передачи сообщений различных ЛКС, обоснование структуры полей сообщений канального уровня, построение блок-схем алгоритмов приема/передачи сообщений.

Рис.7.Состав сообщения запроса.

         В состав сообщения запроса входят следующие поля:

·        ARQ(1 бит)- флаг, означающий необходимость отправки последнего сообщения ответа.

·        Длина интервала(2 бит)- определяет один из 4 различных вариантов длительности кадра, максимальная длительность см. Рис.3.

·        Режим работы(1 бит)- флаг в котором указывается режим работы, в котором должен работать БПЛА, 0-пассивный,1-активный.

·        Длина сообщения команд(8 бит)- определяет длину  последующего сообщения команд во временных интервалах, таким образом длительность максимального сообщения команд достигает до 255 временных интервалов.

·         Профиль физического уровня(2 бит)- определяет профиль физического уровня, который необходимо использовать в дальнейшей работе( со следующего кадра).

·         Уровень мощности(10 бит)- определяет уровень мощности передачи терминала при КП.

·         CRC(16 бит)- полином для расчета контрольных сумм, для определения подлинности принимаемого сообщения.

Рис.8.Состав сообщения ответа.

            В состав сообщения ответа входят следующие поля:

·        ARQ(1 бит)- флаг, означающий необходимость отправки последнего сообщения ответа.

·        Длина сообщения трафика(13 бит)- определяет длину  последующего сообщения трафика во временных интервалах, таким образом длительность максимального сообщения трафика достигает 8191 временного интервала.

·         Уровень мощности(10 бит)- определяет уровень мощности передачи терминала при БПЛА.

·         CRC(16 бит)- полином для расчета контрольных сумм, для определения подлинности принимаемого сообщения.

Рис.9.Состав сообщения команд.

         Команды состоят из следующих полей:

·        Блок команд N(69 бит)- фрагмент сообщения верхнего уровня. Делится на блоки для того чтобы организовать ARQ с фрагментами сообщений.

·         CRC(16 бит)- полином для расчета контрольных сумм, для определения подлинности принимаемого сообщения.

Рис.10.Состав сообщения трафика.

Сообщение трафика состоит из следующих полей:

·         VIDEO(7936 бит)- видеопоток.

·         Блок трафика N(69 бит)- фрагмент сообщения верхнего уровня. Делится на блоки для того чтобы организовать ARQ с фрагментами сообщений.

·         CRC(16 бит)- полином для расчета контрольных сумм, для определения подлинности принимаемого сообщения.

•         1.3.8. Расчет пропускной способности канала трафика, вспомогательных каналов. Оценка требуемой пропускной способности физического канала.

Пропускная способность ограничивается снизу, использованием в сети непрерывного видеопотока. Видеопоток занимает 93,89% общего потока.

Ниже приведены параметры используемого формата видео и типа сжатия:

Таблица 1. Параметры используемого формата.

Формат	Владелец	Дискретизация	Глубина цвета	Битрейт (Мбит/с)	Тип компрессии	Степень сжатия	Размер кадра (пикселей)
Betacam SX	Sony	4:2:2	10 бит	18/170	MPEG-2	10:1	720×576(PAL) 720×480(NTSC)

            Рассчитаем необходимую пропускную способность для данного типа видео:

720*480*10=3456000 бит(где 720-ширина кадра в пикселях, 480-высота, 10-глубина цвета).

         Так как в сети видеопоток необходим для непосредственного радиоуправления БПЛА в режиме реального времени, используем 25 кадров в секунду:

         3456000*25=86400000 бит-видеопотока в секунду.

         Учитывая сжатие 10:1 получается:

         86400000:10=8640000 бит

         Так как видеопоток занимает 93,89% трафика, то необходимая пропускная способность на канальном уровне:

         8,64/0,9389=9,2 Мбит/с.

 Учитывая кодирование(сверточное ¾), наличие корреляционных последовательностей для обеспечения тактовой синхронизации:

9,2/3*4*1,1=13,5 Мбит/с-пропускная способность L1 уровня.

Список используемой литературы:

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

     2) http://omoled.ru/publications/view/836

     3) http://omoled.ru/publications/view/830

     4) https://ru.wikipedia.org

2