Курсовая работа по дисциплине:

«Системы и сети связи с подвижными объектами»

«Радиосеть сбора данных с подвижных станций. Часть 1».

Выполнил: студенты группы 319 Рыбаков Д.А., Трубников В.А.

Постановка задачи.

         Радиосеть предназначается для беспроводного сбора данных с подвижных объектов в процессе их движения по определенному маршруту. Точки доступа располагаются вдоль трассы предполагаемого движения подвижного объекта и обеспечивают получение оперативных данных с датчиков, расположенных на подвижных объектах.

Основные требования к системе:

Радиус зоны радиопокрытия терминала: 200м

Вероятность ошибки на бит Pb: 3*10-6

Мощность излучения подвижной станции Ризл : < 150 мВт

 

1.1.1.Обоснование предполагаемой архитектуры решения.

 

         Система предназначена для обеспечения беспроводного сбора данных с подвижных объектов (участников марафонских велосоревнований) с целью фиксации факта их прохождения через контрольные точки, сбор данных о скорости, пульсе, давлении, температуре участников. Особенностью системы является одновременное обслуживание нескольких подвижных объектов, малая мощность излучения терминалов.

         Выберем топологию сети типа «дерево» (рисунок 1). Устройством, обеспечивающим передачу данных в точке доступа (ТД), является терминал (Т) на запястье у спортсмена. ТД в постоянном режиме вещает  информацию о сети и о себе. Инициатором начала передачи данных является сам терминал, после анализа данных ТД. Доступ к настройкам сервера и изменение базы данных имеет только оператор сети. Среднее расстояние между ТД  предположим равным 1 км. Длина трассы 100 км. Количество участников – до 100.

Рисунок 1 – иерархия разрабатываемой сети.

 

Перед началом соревнований технический работник  (оператор консоли сервера) записывает в базу данных сервера необходимую информацию о каждом  участнике соревнований: ФИО, год рождения, страну участника. Программное обеспечение сервера присваивает каждому участнику уникальный ID, автоматически регистрирует все терминалы в сети и формирует файл прошивки терминала. После этого оператор через USB порт прошивает память терминала файлом, содержащим ID присвоенного терминалу, ID сети в которой терминал может вещать, ID всех ТД. После этого данные обо всех зарегистрированных терминалах ПО сервера рассылает информационные подсистемы всех ТД.

Для более экономного энергопотребления терминалов мы предусмотрим периодическое прослушивание широковещательной несущей:

«прослушал – передал – получил ответ – заснул». Так же будет изменяться мощность передачи сообщений терминалов, исходя из уровня принимаемого сообщения от ТД: чем больше уровень сигнала, тем меньше уровень передачи.

Средняя скорость движения велосипедиста 25 км/ч. Так как радиус зоны покрытия терминала 200 м легко рассчитать примерное время нахождения велосипедиста в зоне действия одной ТД и, соответственно, рассчитать необходимые параметры передачи.   Для более точных показаний и для более детальных графиков показателей здоровья участников Т должен передавать информацию раз в 5 секунд.

Для того чтобы исключить зависание системы, наложим ещё одно условие на работу сети: если Т не передал данные на двух последовательно расположенных ТД в течении 10 минут (если участник соревнований слишком долго находится в зоне действия одной ТД), то информационная подсистема сервера исключает участника из соревнований.

При ухудшении показателей здоровья, либо ЧП во время соревнований сервер формирует тревожное сообщение для терминала автоматически, либо тренер команды (оператор) данного спортсмена вручную посылает сигнал тревоги на выбранный терминал. Сервер вычисляет в зоне какой ТД находится спортсмен. Сообщение отправляется на две ТД: в зоне которой находится  Т и следующей ТД, если Т выйдет из зоны действия предыдущей ТД. Получая сообщение от ТД микроконтроллер терминала подаёт команду на звуковой динамик и на ЖК индикатор и участник слышит громкий или прерывистый звуковой сигнал, который оповещает его:

                              I.            терминал продолжает работать в обычном режиме передачи сообщений трафика;

                           II.             показатели здоровья подходят к критическому уровню. При этом на экране периодически высвечивается: «Показатели здоровья ухудшаются» и 3 раза издается прерывистый сигнал;

                        III.            показатели здоровья на критическом уровне, но тренер участника принял решения продолжать соревнования. На экране появляется: «Показатели критические. Продолжать соревнование» + 6 раз издаётся прерывистый сигнал;

                       IV.            показатели здоровья на критическом уровне, тренер принял решение завершить соревнования. Экран терминала мерцает красным светом + 30 секунд издаётся громкий непрерывный звуковой сигнал и терминал отключается;

                          V.            во время соревнований произошло ЧП и принято решение об их остановке. На экране высвечивается сообщение ЧП, издаётся громкий сигнал оповещения в течении 30 секунд, после чего терминал отключается.


Устройство предполагаемой сети представим на рисунке 2.

Входя в зону действия ТД, терминалы обрабатывают информацию об уникальном ID ТД и сети, которую получают из сообщения ТД. Терминал расшифровывает ID сети, которую принял от ТД и сравнивает с записанной в его информационной подсистеме. На основании ID ТД, во-первых, рассчитывается количество пройденных ТД и количество оставшихся ТД до финиша (эти данные рассчитываются терминалом исходя из списка всех ТД, записанных в него на этапе регистрации соревнований). Во-вторых, для исключения ситуации когда участник соревнований по каким либо причинам слишком долго находится в зоне действия ТД, необходимо ограничить количество циклов передачи  данных в зоне действия одной ТД. Таким образом Т должен записывать в свою информационную подсистему ID ТД, что бы исключить факт повторной передачи. Дистанция соревнований будет спроектирована таким образом, чтобы участники не проходили одну и ту же ТД несколько раз. Если участник соревнований не находился в зоне действия всех ТД последовательно и не передавал в них информацию, значит он срезал маршрут и исключается из соревнований.

После обработки сообщения от ТД, терминал примет решение на передачу (из совокупности факторов, которые будут рассмотрены в следующих пунктах) данных с датчиков на точку доступа, которая записывает их в свой буфер. По мере сбора информации от терминалов, прошедших её зону действия ТД, и на основании своей загруженности, ТД  формирует сообщения, взятые из буфера, и осуществляет их передачу на сервер обработки информации. Передавать данные ТД должна в «оперативном режиме», чтобы пользователи сети смогли получать актуальную информацию о соревнованиях. Сервер обрабатывает данные и подготавливает их для передачи в сеть Internet на сервер сайта соревнований, где будет отображаться информация.

Оператор сети, тренеры и врачи постоянно мониторят показатели здоровья спортсменов и при их ухудшении могут принять решение на приостановку соревнований для того или иного спортсмена. Тогда сервер обработки информации найдёт, в зоне действия какой ТД находится спортсмен и через инструмент коммутации точек доступа передаст соответствующую команду на ТД, а та, в свою очередь, на терминал.

 

Рисунок 2 – проектируемая сеть.

 

1.1.2.Проработка состава сетевого терминала (выделенного узла сети), отражающего выполнение возлагаемых на объект задач.

 

Для того, что бы осуществлялась беспроводная передача данных от Т к ТД и обратно по каналу связи и для реализации сценария взаимодействия ТД-Т, Т-ТД в терминале будет присутствовать радиомодуль.

На терминале предусмотрен ЖК индикатор – устройство индикации, который уведомляет участника соревнований об уровне заряда батареи, уровне сигнала, о количестве пройденных и оставшихся ТД, о количестве участников перед ним и до него.

Состав сетевого терминала представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 - состав сетевого терминала

Состав Т представлен следующими функциональными блоками:

-Радиомодуль отвечает за формирование и достоверный прием потока битов.

-USB модуль –отвечает за запись данных в информационную подсистему ТД, для корректного функционирования сети.

-Блок формирования сообщений – обеспечивает создание, передачу и прием пакетов данных. Также обнаруживает ошибки при приёме сообщений. Реализует многостанционный алгоритм доступа к каналам связи.

 

-Блок радиоизмерений необходим для реализации режима энергосбережения и управлением уровня мощности излучения, а именно, необходим чтобы измерить уровень широковещательной несущей, для того чтобы запустить процедуру передачи сообщений.

-Информационная подсистема отвечает за выбор сценариев работы терминала и за обработку и пересылку информации. В ней хранится журнал, содержащий информацию о своей сети и обо всех ТД. А также сохраняется вся необходимая информация, передаваемая точкой доступа, для оперативного изменения режима работы в радиосети.

1.1.3.Характеристика и пояснение практической реализации следующих задач терминала: "получение оперативных данных с датчиков, расположенных на подвижных объектах" - виды данных, способы съема информации и подготовки сообщений.

Данные датчиков, которые собирает ТД, это показатели здоровья спортсмена: давление, пульс, температура  и их скорость. Показатели средних значений этих величин будут складываться в информационную подсистему терминала с помощью микроконтроллера в определённую область памяти. С определенным периодом эти данные будут преобразованы в пакеты канального и физического уровня и переданы на точки доступа. Точки доступа, добавляя свои служебные поля, отправят эти данные на сервер обработки информации.

Пользователи сайта проектируемой радиосети, тренеры и врачи должны получать оперативные данные о пульсе, давлении, скорости, температуре, местоположении велогонщика в виде таблицы и графиков на сайте проведения соревнований.  Данные потребуются для дальнейшего медицинского анализа их состояния. Графики будут строиться по мере поступления информации, а интерактивная карта покажет приблизительное местоположение спортсмена относительно ТД.

 

1.2.1.Анализ видов информационных сообщений, выделение источника каждого конкретного сообщения и получателя. Подробный анализ "жизненного цикла" сообщений - от события, инициирующего появление сообщения, до момента его исполнения на приемной стороне.

Выделим источника каждого конкретного сообщения и проанализируем его:

1.     Широковещательное сообщение (инициатор ТД):

Передача по широковещательному каналу информации о себе и данной сети необходима для терминалов. Благодаря периодической передаче данной информации по широковещательному каналу, терминал расшифровывает:

- что принятое BCCH передано сетью в которой ему разрешено вещать. Терминал расшифровывает сообщение BCCH канального уровня, выделяет ID сети и сравнивает его, с записанным в его информационной подсистеме;

-понимает, какой точкой доступа было передано сообщение. Информационная подсистема терминала выделяет ID ТД и на основании его и списка всех точек доступа рассчитывает количество оставшихся и пройденных ТД и выводит эту информацию на устройство индикации терминала;

- сообщение третьего уровня BCCH ТД содержит флаг состояния сети, расшифровывая его Т принимает решение прекратить передачу данных до приёма нового широковещательного сообщения (если был принят соответствующий флаг), либо продолжить передавать сообщение;

- наконец, сообщение третьего уровня так же содержит данные о количестве участников прошедших данную ТД и о количестве участников проходящих или ещё не прошедших данную ТД. Расшифровывая это сообщение информационная подсистема терминала выводит сообщение на ЖК экран терминала, уведомляя участника его примерное положение в ходе соревнований.

2.     Сообщение трафика (инициатор Т).

Источником сообщения трафика является терминал. Инициатором передачи сообщения является служба верхнего уровня терминала. Она постоянно мониторит обстановку сети и рассчитывает время, в которое необходимо начать передачу данных из информационной подсистемы (подробный алгоритм будет рассмотрен в пункте 1.1.3 данной статьи). ТД, принимая сообщение от терминала, обрабатывает его на физическом уровне, пересылает его на канальный, где проверяется его целостность. Исходя из результата проверки, ТД сформирует служебное сообщение. При возникновении коллизии ТД не сможет принять сообщение трафика, поэтому в информационной подсистеме терминала заложен алгоритм действий, который необходимо предпринять в случае не принятия служебного сообщения (рассмотрен в предыдущем пункте).

3.Служебное сообщение (инициатор ТД).

Служебные сообщения, это адресные сообщения, которые отправляет ТД на терминалы, исходя из данных проверки сообщений от терминалов и на основании сведений, полученных от сервера обработки информации. По сути, это ответное сообщение точки доступа на принятое сообщение трафика.

Поле верхнего уровня служебного сообщения должен содержать в себе поля служебного характера и поле управления терминалом.

 

3.1. Приняв служебное сообщение, на верхнем уровне которого содержится флаг достоверности приёма точкой доступа, терминал пересчитывает период повторения передачи сообщения. Служебное сообщение необходимо для того, чтобы терминал успел передать необходимое количество раз данных, находясь в зоне действия точки доступа.

 

3.2. Поле управления верхнего уровня, инициатором изменения этого поля будет тренер/медик участника соревнований либо информационная подсистема сервера на основании показаний здоровья автоматически рассчитает значения этого поля. Оно будет содержать в своём составе команду на изменения режима работы терминала. Примеры режимов работы терминала представлены в первой части данного сообщения (п.1.3.2.).

Оговоримся, что ТД в нашей работе не выполняет вычислительных интеллектуальных функций, а данные L3 уровня в BCCH встраиваются на основании данных информационной подсистемы сервера, которые поступают на ТД.

Детальная проработка структуры этих сообщений будет проведена в следующем разделе курсовой работы.

 

1.3.1.Краткая характеристика целевого ПО терминала (выделенного узла сети), пользовательского интерфейса

(интерфейса взаимодействия с внешним объектом).

 

Пользовательский интерфейс можно разбить на две части: физическую и программную. Физическая часть включает в себя микроконтроллер, который будет обрабатывать сообщения верхнего уровня программно и выдавать информацию на экран терминала в виде символов, цвета и звуковой индикации. Программная часть включает в себя программный модуль преобразования сообщений радиосети и интерфейс отображения пользователям (рисунок 4) – участникам соревнований.

В связи с этим, в ПО терминала необходимо предусмотреть несколько программных модулей, которые будут находиться в составе микроконтроллера и отвечать за сбор и отображение информации:

-модуль радиоизмерений, который будет отвечать за расшифровку данных радиоизмерений с верхнего уровня, которые будут отображаться на экране в виде уровня сигнала;

-модуль измерения уровня батареи терминала и отображения уровня остатка заряда батареи;

-программный модуль, анализирующий данные BCCH и предоставляющий следующую информацию для отображения на экране: отображение количества пройденных/оставшихся ТД; количество участников впереди/позади;

-модуль, анализирующий данные служебных сообщений и изменяющий режим работы терминала. На основании расшифрованных команд этот модуль отображает данные, уведомляя участника соревнований об уровне его показателях здоровья; так же сообщает в виде текста и звука, что необходимо закончить/продолжить соревнования.

Рисунок 4 – экран терминала для взаимодействия с пользователем.

 

 

1.3.2.Практическое пояснение способа предоставления телекоммуникационных услуг сетью с учетом изложенных особенностей ПО и материала п.1.1, 1.2.

         В проектируемой радиосети Т сам является инициатором передачи сообщений. После включения терминала с периодом в 5 секунд он начинает принимать уровень BCCH, принимая решение: либо перейти в спящий режим энергосбережения на 5 секунд либо начать передачу данных исходя из следующих критериев:

- уровень сигнала BCCH достаточен?

- количество передач в зоне действия этой ТД меньше 10?

- флаг доступности сети «положителен»?

Если один из этих критериев не соблюдён, терминал переходит в режим сна – режим энергосбережения  на 5 секунд.

 Так же после включения терминала в постоянном режиме начинают работать датчики: давления, скорости, пульса и складывают измеренные за 5 секунд среднюю величину оперативных данных показателей здоровья в информационную подсистему, постоянно обновляя свою область памяти. При соблюдении описанных выше критериев на начало передачи сообщений трафика, информационная система передает данные с датчиков в составе L3 сообщения на канальный уровень, где к этому сообщению будут добавлены атрибуты канального уровня, рассмотренного ниже. Далее сообщение проходит через радиомодуль, где к нему будут добавлены атрибуты физического уровня и передаётся в виде радиосимволов на ТД по алгоритму конкурентного доступа. Терминал будет отправлять сообщения трафика пока Т не получит от Т 10 служебных сообщений об успешно принятом сообщении трафика от ТД, то есть пока Т не перешлёт 10 сообщений трафика. Больше Т не будет отправлять сообщения, находясь в зоне действия текущей ТД, пока не войдет в зону другой.

Если ТД приняла сообщение достоверно и отправляет флаг об успешно принятом сообщении на терминал. И терминал опять засыпает на 5 секунд, до следующей передачи сообщения.

Если Т в течении определённого времени не получает ответа, Т снова отправляет сообщение трафика, пока не получит сообщение от ТД об успешном принятии. Соответственно, информационная подсистема постоянно пересчитывает период передачи сообщений трафика, исходя из произошедших коллизий, исходя из следующей формулы:

                                                (1)

где время, прошедшее с принятия решения о начале первой передачи в зоне действия текущей ТД,

n – количество передач с момента входа в зону действия ТД,

50 сек – величина, рассчитанная в пункте 1.1.1.

Пересчёт необходим для того, чтобы терминал точно знал, когда ему проснуться в следующий раз из спящего режима, а также для того чтобы постоянно поддерживать количество передач каждой ТД  равным 10.

Как видно из формулы, без коллизий на начальном этапе предполагается передавать сообщение около 1 раза в 5 секунд.

         ТД по мере поступления сообщений и оценки своей загруженности будет пересылать сообщения трафика от терминалов через интернет маршрутизатор на информационную подсистему сервера сайта, добавляя к сообщению терминала ID ТД. Информационная подсистема сервера, обладая высокой вычислительной мощностью, постоянно следит за показателями здоровья каждого участника соревнований.

При ухудшении показателей здоровья информационная подсистема сервера формирует сообщение и пересылает его на ТД, в зоне которой находится Т и на следующую ТД, если терминал выходит из зоны действия предыдущей. ТД встраивает это сообщение в поле управления L3 уровня служебного сообщения, которое передаётся конкретному терминалу.

         Переслав 10 раз сообщений трафика на одну ТД, терминал раз в 5 секунд продолжает прослушивать уровень BCCH, пока не войдет в зону действия другой ТД. Далее процедура передачи повторяется заново.       

 

1.4.Обоснование иерархических моделей объектов радиосети - как транспортной сети доставки информационных и служебных сообщений согласно сценариям ее работы. Построение обобщенной иерархической схемы радиосети, отражающей схему взаимодействия "пользователь - радиосеть - объект управления". Характеристика радиоинтерфейса сети.

Обоснуем иерархическую смодель (рисунок 5) объектов сети.

В разрабатываемой сети верхний уровень L3 будет отвечать за принятия решений. Данный уровень выполняет основные функции  вычислительного центра сети. Основной задачей этого уровня является анализ данных, полученных с нижележащих уровней, на основании которого формируется решение о дальнейших действиях системы. Уровень принятия решений непрерывно взаимодействует с информационной подсистемой и с остальными уровнями. Он принимает решения о принадлежности передаваемых пакетов тому или иному терминалу или точке доступа. Данные решения принимаются исходя из содержания специальных служебных полей пакетов и на основе сценариев взаимодействия точек доступа с терминалами. Принцип гарантированной доставкив нашей радиосети основан на том, что Т всегда «знает», были ли доставлены данные приемной стороне или нет. Это обеспечивается тем, что ТД  подтверждает успешный прием данных. Если Т не получает подтверждения, то возникает необходимость в пересчёте количества передач.

Канальный уровень обеспечивает создание, передачу и прием кадров данных. Этот уровень обслуживает запросы уровня принятия решений и использует сервис физического уровня для приема и передачи пакетов. Протоколы канального уровня обеспечивают доставку сообщений только между терминалами и точками доступа. Также на канальном уровне происходит обнаружение ошибок путем расчета контрольной суммы (CRC-8). Которая также вычисляется на стороне получателя по некоторому известному алгоритму и сравнивается с полученной в кадре. Если значения совпадают, кадр считается правильным. Если значения контрольных сумм не совпадают, фиксируется ошибка, и формируется сообщение с флагом о достоверности приёма. На канальном уровне реализуется также многостанционный алгоритм доступа к каналу связи. В данной системе конкурентная борьба за канал связи осуществляется на основе метода TDMA, суть которого заключается в том, что терминал передаёт данные в один из десяти произвольных каналов.

Физический уровень – это нижний уровень модели, необходимый непосредственно для передачи потока данных. Этот уровень реализует физическое соединение двух сетевых устройств по соединению точка- точка. В данной системе физический уровень предназначен для передачи потока данных от терминала к точке доступа и наоборот. Уровень отвечает за достоверную доставку потока битов с вероятностью ошибки не ниже 3*10-6, за организации физических каналов TDMA.

Маршрутизатор пересылает данные между разными точками доступа и сервером обработки информации, а так же пересылает данные сервера обработки информации на разные ТД.

Отобразим так же источники и получателей сообщений в виде стрелок с данными.

 

 

Рисунок 5 – иерархическая модель объектов радиосети

 

 

Список используемой литературы:

1.     http://omoled.ru/publications/view/313 Система сбора данных с подвижных станций. Часть 1.

2.     http://omoled.ru/publications/view/450 "Система сбора данных с подвижных объектов". Часть 1.

3.     http://omoled.ru/publications/view/75 "Система сбора данных с подвижных станций"