1. Канальный уровень: разработка подсистемы управления доступом к среде, проработка процедур гарантированной/негарантированной доставки служебных и информационных сообщений
1.1 Определение
и краткая характеристика возможных режимов работы разрабатываемой радиосети (на
основании п.1.1-1.4). Выделение активного и пассивного состояний терминала,
характеристика задач, выполняемых терминалом в этих состояниях. Анализ
возможных решений по обеспечению энергосбережения.
В разрабатываемой радиосети инициатором связи является ТД.
Она отправляет широковещательные сообщения и запрос на регистрацию терминала в
сети, затем после подтверждения всех запросов, ТД передает терминалу команды
управления полетом и видеокамерой, «контролируя» уровень сигнала и координаты
БПЛА. В свою очередь терминал должен подтвердить активность в сети,
зарегистрироваться и после поступления команд от ТД передать все необходимые
данные.
Исходя из этого, можно выделить следующие режимы работы сети
(рис. 1):
- - режим регистрации в сети;
- - режим ожидания
- - режим передачи данных.
рис. 1. Диаграмма состояний терминала.
Режим регистрации предназначен для
идентификации сети, а также для того, чтобы в информационной системе (ИС) терминала появились сведения о закрепленном
за ним КС. ТД закрепляет за IP-адресом
рабочего места пользователя терминал с IDT. На этом
этапе происходит передача широковещательных сообщений.
Режим ожидания на получение команд управления от пользователя.
Режим передачи данных -
этот режим необходим для возможности передачи видеопотока и телеметрических данных. Действие этого режима заканчивается в момент, когда оператор
отказывается от управления выбранной видеокамерой.
Здесь необходимо выделить два вида состояний терминала: активное и пассивное. Под активным состоянием понимаем обмен трафиком и служебными сообщениями (организация связи и сам процесс ведения связи). В пассивном состоянии терминал находится только в момент регистрации.
Электропитание БПЛА осуществляется от автономного
источника энергии (батареи). Поэтому необходимо обеспечивать достаточное
энергосбережение для увеличения длительности работы терминала. Есть несколько
способов снизить энергозатраты:
1. В режиме регистрации мер по энергосбережению
не предпринимается, т.к. в этом режиме Т работает только на прием, ТД является
инициатором регистрации, а терминал только подтверждают свое наличие в сети.
2. В режиме ожидания и получения команд можно сэкономить энергию за счет адаптивного изменения мощности передачи.
Измерение мощности будет происходить на физическом уровне.
1.2. 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.
Обмен данными по радиоинтерфейсу осуществляется по запросу совместно с
временным разделением каналов. Суть временного разделения каналов в
следующем: время доступа к физическому каналу разделено на интервалы - так
называемые тайм-слоты, которые следуют друг за другом по очереди. В каждый
такой тайм-слот терминал или точка доступа имеют полный доступ к среде передачи
данных. Подробная организация двухстороннего обмена
сообщениями представлена на Рис. 2.
В начале ТД посылает в канал широковещательное сообщение
и запрос на регистрацию со всей необходимой терминалу информацией. Когда Т обнаруживает
BCCH-сообщение он отвечает на него, тем самым устанавливая синхронизацию между участниками сети. Затем
ТД начинает опрашивать терминал «готов к работе? Каков уровень сигнала? Можно
начинать?». После подтверждения запросов начинается активный сеанс связи с
момента, когда ТД запрашивает у терминала включение видеокамеры. Передача видео
осуществляется постоянно, «нон-стопом», а в определенные промежутки времени ТД
запрашивает сведения об уровне сигнала, местонахождении БПЛА и дает команды
управления полетом. После отправки каждого служебного сообщения, а
также во время и после отправки сообщения трафика предусмотрен запрос на
повторную передачу сообщения (либо фрагмента сообщения) в случае его
нецелостности ARQ.
Видео передается в десятки тысяч раз чаще, чем команды. На 10000 пакетов видео передается всего один пакет команды и телеметрии. Из рисунка 2.1 видно, что есть кадр, допустим нулевой, и в этом кадре передаются ВССН, запрос, ARQ, команды, а во всех остальных 9999 кадрах передается видео, если оно есть. Кадр длиться примерно 100 мс, это необходимый период передачи команды управления, и в 10000 раз чаще будет передаваться видеопоток.
рис. 2. Двусторонний обмен сообщениями.
рис. 2.1. Обмен сообщениями с учетом
1.4. Обоснование необходимости и пояснение способа контроля качества радиоканала. Пояснение сценария контроля качества канала связи, реакция сценария на ключевые состояния качества радиоканала.
Т.к. мы проектируем систему управления БПЛА, качество связи может меняться из-за изменения расстояния между ТД и Т. Следует учесть необходимость контроля качества с помощью измерения уровня сигнала и сравнения его с необходимым (прописан в ИС ТД и Т). Изменение мощности сигнала будет осуществляться в подсистеме принятия решений на точке доступа, исходя из команды пришедшей с уровня L3.
Радиоизмерения
терминалом производятся в момент приёма сообщений от ТД. Сообщение, содержащее
сведения о радиоизмерениях, отправляется точке доступа в случае, если измерение
уровня сигнала производится впервые или если значение, полученное в результате
радиоизмерений, отличается от предыдущего значения на величину, большую/меньшую
установленного порога. На уровень принятия решений (L3) поступают результаты проведения
радиоизмерений. На этом уровне определяется необходимость отправлять сообщения
точке доступа. В случае если такая необходимость существует, формируется
сообщение, которое поступает на канальный уровень как сообщение трафика и
отправляется в радиоканал. После приёма этого сообщения ТД принимает решение об
увеличении/уменьшении уровня сигнала.
1.5. Построение сценария установления соединения и доставки сообщений верхнего уровня. Пояснение диаграммы состояний сетевого узла, отражающей основные элементы разрабатываемого сценария.
Рис. 4. Сценарий передачи данных.
ТД формирует широковещательное сообщение. Терминал принимает это сообщение, формирует пакет для передачи и отправляет его. ТД, получив ответ, проверив целостность, формирует сообщение для терминала в зависимости от результатов. Если они положительны, то отправляется отчёт об удачном приёме (ASK) и сетевое сообщение. Но если результаты неудовлетворительны, посылается отчёт о неудачном приёме (NAK), после которого пересылка сообщений совершается заново. После завершения процедуры регистрации при удовлетворительном подтверждении синхронизации терминал переходит в режим ожидания, пока не поступят следующие команды от ТД. Как только на терминал поступает запрос канала ТСН о включении видеокамеры, система переходит в активный режим (1). Далее процедура передачи сообщения будет аналогична режиму регистрации. Запрос на передачу видео не требует подтверждения.
Рис.
5. Диаграмма состояний ТД.
1.6 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.
Основными задачами, выполняемыми на канальном уровне, являются формирование пакетов, выделение пакетов из потока бит, организация доступа к физическому каналу связи, возможность обнаружения и коррекции ошибок, адресация сообщений, управление доступом к физическим каналам.
Будут задействованы
следующие логические каналы связи (ЛКС) (рис. 6.):
·
ВССН: передача широковещательной информации (ID сети, флаг доступности,
синхронизация и т.д.) для регистрации терминала в сети и полноценной
работы системы в целом (канал очень низкой скорости передачи). Направление передачи: F-forward (от ТД к Т);
·
АСН: подтверждение наличия терминалов
в сети. Направление передачи: R-reverse (от Т к ТД).;
· ТСН: универсальный канал, служащий для передачи команд
управления от ТД к Т и передачи телеметрии от Т к ТД, а также для
передачи ACK-NAK -
сообщений и сообщения, содержащего дальнейшие указания терминалу. Направление передачи: F-forward (от ТД к Т) и R-reverse (от Т к ТД).;
·
DTCH:
выделенный канал трафика для передачи видеопотока. Направление
передачи: R-reverse (от Т к ТД).
Для
команд управления видеокамерой, полетом и для сообщений сигнализации требуется гарантированная доставка. Для этого в
системе следует предусмотреть автоматический запрос повторной передачи (англ. Architectural Research Quarterly
– ARQ). В
проектируемой системе будет использоваться так называемый непрерывный запрос ARQ с возвратом (continuous ARQ with
pullback)». Для этого метода
необходим полнодуплексный канал. Передача данных от ТД к Т производится
одновременно. В случае ошибки передача возобновляется, начиная с ошибочного
блока (то есть передается ошибочный блок и все последующие).
1.7. 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.
Целостность пакета DTCH полностью делегируется кодеку MPEG-4, т.к. MPEG-4 сразу предусматривает инструмент защиты и контроля целостности пакета, если произошла ошибка при передаче видео, на экране появляются атавизмы, затем они пропадают, т.к. получен новый видеокадр, дополнительная защита здесь не требуется. На передачу видео приходится около 540 бит.
Сообщения каналов ВССН, ТСН и АСН состоят из полей (рис. 7):
-
тип сообщения (1 – служебное)
-
DATA (в нем содержатся все необходимые данные для передачи сообщений, например, для широковещательных сообщений DATA включается в себя несущую ВССН, для АСН - подтверждение наличия Т в сети, для ТСН (см. рис. 7а): Np - номер пакета, символизирующий начало передачи кадра, код -
- поле контрольной суммы, указывающее на целостность
Рис. 7. Структура сообщений ВССН и АСН.
Рис. 7а. Структура сообщений ТСН.
Рис. 8. Блок-схема работы терминала
Рис. 9. Блок-схема ТД
1.8.
Расчет пропускной способности канала трафика, вспомогательных
каналов. Оценка требуемой пропускной способности физического канала.
Выберем
модификацию стандарта MPEG-4 с
расширением 640*480 точек,
20 fps и с настройкой качества 1024Kbps. Выбранная настройка качества примерно
соответствует степени
сжатия равной 15. В разрабатываемой системе видеонаблюдения используется
видеокамера с глубиной цвета 24 бита. Рассчитаем необходимую
пропускную способность для данного типа видео:
640*480*24
= 7372800 бит (где 640-ширина кадра в пикселях, 480-высота, 24 -глубина цвета).
Так как в сети видеопоток необходим для непосредственного
радиоуправления БПЛА в режиме реального времени, используем 20 кадров в
секунду: 7372800*20
= 147456000 бит/сек.
Учитывая сжатие 15:1 получается: 184320000/15 = 9830400
бит/c
С учетом того, что на
физическом уровне будет осуществляться помехоустойчивое кодирование со
скоростью 1/2, то общая пропускная способность канала трафика DTCH составляет: 9830400/0,5 =
19,66 Мбит/с.
Для передачи сообщений каналов ВССН, АСН и ТСН будет
достаточно скорости передачи 10 Кбит/с.
Исходя из этого требуемая пропускная способность физического
канала приблизительно 19,67 Мбит/с.
Литература:
1. 1. https://markevich.by/obuchenie-proektirovaniyu/opredelenie-neobxodimoj-propusknuyu-sposobnosti-kanala-dlya-sistemy-videonablyudeniya.html
«Определение необходимой
пропускной способности канала для системы видеонаблюдения».
2. 2. http://omoled.ru/publications/view/447
3. 3. «Исследование характеристик радиоканала связи с БПЛА»,
Полынкин А. В., Ле Х. Т., Известия ТулГУ, 2013 г.
4. 4. Бакке А. В. "Лекции по курсу: Системы и сети связи с подвижными
объектами".