Тема курсовой работы:
«Радиосеть сбора данных»
Часть 1
Выполнили: студенты группы 218
Холмогорцев И.А.
Исходные данные к проекту:
Максимальное количество абонентов в зоне радиопокрытия: 150
Радиус зоны обслуживания точки доступа: 300 м
Тип местности: городские условия
Вероятность ошибки на бит Pb: 10-6
Мощность излучения подвижной станции Ризл : < 0,3 Вт
Тип CRC: CRC-12
PR: 90%
Диапазон частот, вид модуляции выбирается самостоятельно.
Цель: в курсовой работе требуется спроектировать радиосеть, которая предназначается для обеспечения беспроводного сбора данных с удаленных объектов (датчиков). Точка доступа является подвижной и в процессе движения обеспечивает идентификацию датчиков и получение от них оперативных данных. Информация о прошедших через точку доступа объектах, а также считанные сведения с датчиков, передаются в центр сбора информации.
Расчетная часть
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.
Наша разрабатываемая сеть будет применяться для
ежемесячного сбора показаний с электронных счётчиков воды, газа и тепла,
установленных в каждой квартире многоэтажного дома. Для расчётов примем число
квартир в каждом доме равное 100. Хотелось бы добавить, что дата сбора
показаний со счетчиков может варьироваться по инициативе БС (непосредственно
задается в ЦСИ). БС при диалоге с Т
указывает дату, в которую она в следующий раз появится для сбора. Стандартное
время ожидания БС при выходе терминалом в эфир составляет 3 часа (пример:c 10:00 до 13:00) – оно постоянное и не варьируемое, это
приведет к небольшой потере энергии, зато даст синхронизацию в сети. Если же
произошла серьезная поломка БС в ЦСИ всегда будет иметься аналогичная ей вторая
базовая станция, которая будет запущена для сбора информации на следующий день,
однако время, которое она будет указывать Т для выхода в эфир в следующий раз
будет равно Time-1, где Time - длина временного
промежутка для выхода в эфир, установленная на первой (поломавшейся) БС. Так же хотелось бы упомянуть о том, что
вторая БС не имеет за собой определенную задачу – сбор информации при поломке 1
БС. Она так же может быть выпущена через день после сбора БС 1 данных с о всех
возможных терминалов для сбора данных с Т, с которыми не удалось связаться.
Рассмотрим функциональный состав радиосети (Рисунок 1).
Рисунок 1 - Функциональный состав радиосети
В проектируемой системе наша точка доступа (ТД)
находится на подвижной транспортной станции, передвигающейся по какому-то
данному ей маршруту. Базовая станция (БС) оснащена GPS– навигацией для определения собственного
местоположения. Что касаемо всех Т, у каждого из них есть свои встроенные часы,
питание которых происходит постоянно от аккумуляторов, изредка подпитываемых от
сети, как и весть Т в целом. Зная собственные координаты, ТД, посредством
которой происходит сбор информации, имеет список терминалов (Т), находящихся в
зоне её радиопокрытия и далее выполняет целевой опрос в соответствии с текущим
списком терминалов. Каждый терминал сети имеет привязку к конкретному
физическому лицу (владельцу квартиры), а также к географическим координатам
своего местоположения, что помогает точке доступа создать перечень доступных
терминалов в данный период времени и в данной точке земли. Все данные,
приходящие на БС сохраняются на USB накопитель
для последующей передачи в Центр Сбора Информации (ЦСИ). Источником сообщений трафика (сообщений с данными) будет являться терминал при счётчиках, а
конечным получателем - ЦСИ. Если
говорить о служебных (командных) сообщениях, то здесь так же и Т и ТД будут являться как отправителем, так и
получателем.
Краткая характеристика целевого ПО терминала, пользовательского
интерфейса (интерфейса взаимодействия с внешним объектом).
Рисунок 2 - Характеристика целевого ПО терминала
ПО на
БС будет устроено таким образом, чтобы сохранять собираемую информацию на
внешний USB-накопитель в виде, в котором ПО на ПК в центре сбора информации
будет способно эту информацию "прочитать", обработать и вывести в
доступном для пользователя виде. Организация сети требует определенного программного
обеспечения для своих компонентов. Основной задачей, возлагаемой на ПО
рассматриваемой сети, является обеспечение удаленного качественного сбора
данных точкой доступа с любого доступного ей терминала из сформированного списка.
Для этого требуется достоверная доставка команд от ТД к Т и в обратном
направлении.
Сформированный
на уровне L2(по посылу от L3) точки доступа
запрос на передачу данных поступает на L1 точки доступа и происходит его
транспортировка на уровень L1 терминала.
После
проведения радиоизмерений терминалом одновременно происходит передача с уровня L1 значения
уровня мощности принятого запроса на L3, где принимается решение о том,
является ли этот уровень достаточным для дальнейшей безошибочной работы
терминала или необходимо формирование запроса на корректировку мощности ТД по
маршруту L3-L2-L1 от терминала к L1 точки доступа и дальнейшей обработки этого запроса
на L2-L3 уровнях.
Если
адресат успешно распознан и уровень мощности сигнала является удовлетворительным,
то после L1 уровня сообщение поступает на L2,откуда ведется запрос-команда
микроконтроллеру на сбор показаний со счетчиков и формирования сообщения
трафика, которое потом проследует по маршруту L2-L1 терминала к L1-L2-физический
интерфейс точки доступа (Рисунок 2).
А если
же адресат даже не смог распознать себя,
то он просто игнорирует это сообщение. Только при распознанном адресе может
быть произведен диалог с ТД. Иначе могут
возникнуть коллизии в системе (если несколько терминалов начнут передавать
сообщения на основании проведенных радиоизмерений, не взирая на то, что
сообщения были адресованы даже не им – с учетом дальнейшего рассмотрения метода
доступа к каналу (TDMA)).
В
случае, если ТД получит ответное сообщение о корректировках мощности от Т она
произведет их, решив об этом на L3 и, как и в терминале
будет сгенерировано сообщение с корректировками по мощности для определенного
терминала, если это нужно (по измеренному уровню мощности принятого сообщения
от Т). Четкой идентификации в данном сообщении (но она присутствует, от
терминала к БС) не требуется в силу того, что начат диалог с БС, и только она
может быть потенциально получателем сообщений.
Описание обобщенных функциональных схем терминала и выделенного узла сети, пояснение цели и места радиомодуля в составе терминала.
Терминалом является устройство сети, выполняющее
следующие функции:
- приём команды и обработка её службой управления
терминалом, т. е. определение типа команды и принятие решения о её дальнейшем
направлении (на уровень L3, либо на
микроконтроллер для передачи данных, или же бездействие);
- формирование пакета сообщений трафика и передача его
ТД после запроса;
- формирование служебных сообщений, т. е. сообщений о
требуемых корректировках мощности и ACK/NAK;
- переход в режим энергосбережения , т. е. после
каждого сеанса связи каждый терминал переходит в режим сна на указанный точкой
доступа период в 13:00.
Функциональная схема терминала, отражающая все эти
функции представлена на Рисунке 3.
Рисунок 3 - Обобщённая функциональная схема терминала
Сообщение, пришедшее на приёмное устройство, в первую
очередь, декодируется (FEC), затем происходит формирование сообщения L2 уровня, которое поступает на блок проверки целостности поступившего
сообщения. Информация о проверке направляется на блок принятия решений, в случае повреждения принимается решение
о запросе на повторную отправку. Каждый раз производятся радиоизмерения,
результат которых попадает так же в блок
принятия решений. В зависимости от результатов будет приниматься решение
о необходимости формирования служебного сообщения об увеличении уровня мощности
точки доступа. В информационной
системе хранятся координаты местонахождения терминала и привязка к
физическому лицу, а также данные сообщений, которые возможно будут запрошены на
повторную отправку в случае ошибки или каких-либо неполадок. Блок обработки и формирования служебных сообщений
служит для обработки принятых служебных сообщений и их оценки, и в то же время
для формирования служебных сообщений для ТД (таких, как требования по
увеличению мощности).Блок формирования
и обработки сообщений трафика, в свою очередь, служит конкретно для
формирования сообщений, содержащих показания счётчиков, по запросу ТД.
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 сети относятся:
-определение собственного местоположения с
помощью GPS - приёмника и формирование списков доступных
терминалов в данной зоне радиопокрытия;
- опрос доступных терминалов для получения данных;
- отправка повторного запроса при возникновении
неполадок;
- генерация и отправка служебных сообщений, таких как
требования по увеличению уровня мощности и ARQ - сообщения (ACK - положительное, NAK -
отрицательное).
Функциональная схема узла сети, отражающая все
перечисленные функции представлена на Рисунке 4.
Рисунок 4 - Функциональная схема выделенного узла сети
Как только GPS – приёмник принимает координаты местоположения ТД,
точка доступа обращается к информационной
подсистеме, которая содержит в себе базу координат всех терминалов.
Исходя из этого, формируется список доступных терминалов в специально
выделенном для этого блоке. И далее уже по полученному списку формируется
запрос данных у Т в виде служебного сообщения. Основной задачей узла сети
является приём данных со счётчиков (приём сообщений трафика). Радиоизмерения
производятся аналогично терминалу. Принятое сообщение должно быть декодировано,
произведена синхронизация, сборка сообщения и проверка его целостности. Далее
информация поступает на блок
обработки сообщений трафика, и данные фиксируются в информационной подсистеме. Блок обработки и формирования служебных
сообщений необходим для формирования команд для Т, указанных выше в
функциях узла сети. Решение о корректировки мощности происходит в блоке принятия решений.
Пояснение роли выделенного узла сети, анализ основных видов поддержки, оказываемых выделенным узлом терминалам сети.
Роль выделенного узла сети:
-Он является ведущим в сети, обеспечивая работу сети в
целом;
-Начало сеанса связи начинается с сообщений, сгенерированных
именно точкой доступа, и никак по – другому;
-Хранение базы данных для опроса в виде списка, которая,
в свою очередь является пополняемой;
-Сбор данных, что и является целью разрабатываемой
сети.
Виды поддержки:
-Осуществляется синхронизация по времени, что позволяет
избежать возникновения коллизий;
-ARQ сообщения терминалам.
Рисунок 5 - Роль выделенного узла сети
На данном рисунке (Рисунок 5) мы видим, что список
доступных терминалов является пополняемым в силу наличия координат терминалов в
ПО. Исходя из этого списка по мере продвижения ТД исполняет различные типы
задач: постоянно выполняемы и интерактивны.
К постоянно выполняемым задачам относится
только функция транспортировки сообщений. А к интерактивным
задачам отнесём изменение уровня мощности, происходящее в процессе
радиоизмерений, передача запроса от ТД при достижении точки маршрута, передача ARQ,
а также передача терминалу информационной команды «сон в течение интервала
времени time(time-1)».
Обоснование возможности решения поставленной задачи на основании результатов п.1, описание основных моментов функционирования радиосети. Пояснение роли выделенного узла сети.
Основные моменты функционирования радиосети:
1) используется метод поочерёдного опроса доступных
терминалов сети. Среди особенностей данной сети можно выделить использование
GPS – устройства, что позволяет существенно упростить алгоритм множественного
доступа.
2) В системе имеется режим
энергосбережения, т.е. наш терминал отключается на определенное время после
передачи нужных данных точке доступа, причём данный промежуток времени может
быть разным, но для всех терминалов сразу( его задают при запуске БС в ЦСИ).
3) Для увеличения надежности передачи в сети следует предусмотреть наличие ARQ- метода автоматического запроса подтверждения о приёме. Существует два вида подтверждения о приёме: положительное (ACK) и отрицательное (NAK). ACK говорит об удачном приёме и дальнейших действий от терминала не требуется, а NAK - сообщение говорит об ошибочном приёме, в нём также указывается номер пакета, который Т должен передать повторно.
4) Наличие РИ (радиоизмерений) в
системе делает её более усовершенствованной и готовой к различным
неблагоприятным эффектам (порча оборудования радиопередатчика с течением
времени и т.д.).
Ориентируясь на данные моменты
функционирования радиосети, выделим соответствующие режимы работы выделенного
узла сети и составим его диаграмму состояний (Рисунок 6).
При запуске БС в ЦСИ задается время Time, которое она будет указывать всем
терминалам для выхода в эфир в следующий раз и она начинает маршрут. При
движении по нему ориентируясь на GPS приемник она формирует список терминалов, находящихся в зоне ее
радиопокрытия ( БС располагает
координатами всех Т). Происходит опрос по списку всех терминалов поочередно.
После запроса конкретному адресату идет ожидание ответа и передача запроса еще
2 раза. После 3 запросов без ответа ставится пометка о том, что с терминалом не
удалось связаться. Если терминал принял запрос, распознал себя по адресу, но
необходимы корректировки по мощности со стороны ТД , он отправляет запрос и ТД
обрабатывает данный запрос, вносит корректировки и формирует запрос на
корректировки по мощности Т если это нужно, после чего идет повторная передача
запроса на прием данных. После получения данных от Т формируется 2 вида ответа
терминалу – NAK или ACK. Если все принято успешно – то ACK, если необходим повтор – NAK. Сопутствующим сообщением передаётся
время следующего выхода в эфир терминалу, после чего идет переход к следующему
терминалу списка, а если опрошенный терминал являлся последним в списке, то
запускается процесс формирования нового списка путем дополнения к старому на
основе изменившегося местоположения и с учетом зоны радиопокрытия.
Рисунок 6 - Диаграмма состояний выделенного узла сети
Список используемой литературы:
1. Бакке А.В. "Лекции по курсу Системы и сети связи с подвижными объектами".
2. http://omoled.ru/publications/view/104 .
3. Маковеева М.М., Шинаков Ю.С. "Системы связи с подвижными объектами".