Организация беспроводного информационного взаимодействия в специализированном измерительно-вычислительном комплексе

Разнообразие задач и ситуаций, в которых применяется автоматизированный сбор информации, обуславливает широкий спектр типов и принципов функционирования датчиков с интеллектуальными возможностями первичной обработки и передачи информации. Совокупность интеллектуальных сенсоров, модулей беспроводной связи и вычислительно-аналитических модулей является основой для построения инфраструктуры распределенной системы сбора и обработки информации. Одно из представлений распределенной системы сбора и обработки информации в рамках концепции построения контрольно-измерительной сети (КИС) для сетей связи специального назначения описывается в [1]. Основными узлами сети являются измерительно-вычислительные комплексы (ИВК). Для ИВК предлагается организовать информационное взаимодействие с помощью приемо-передатчиков, осуществляющих передачу данных по инфракрасному (ИК) каналу между модулями комплекса. ИК канал для данной распределенной системы выбран в связи с определенными требованиями:

1. Информационная безопасность. ИВК предназначен для использования на специальных объектах, где особые требования к побочным электромагнитным излучениям и наводкам, соблюдению контролируемой зоны для информационных сигналов.

2. Расширяемость и масштабируемость. При развертывании ИВК необходимо учитывать возможность расширения и усложнения объекта мониторинга в процессе построения инфраструктуры ИВК.

3. Мобильность. Функциональность ИВК не должна зависеть от пространственно-временной привязки активных сенсорных узлов.

4. Оперативность. Необходимо обеспечить постоянную готовность системы для информационного обмена и возможность быстрой передачи большого массива данных.

5. Экологичность. Излучение беспроводных модулей ИВК не должно оказывать отрицательного влияния на организм человека.

Беспроводные системы передачи данных по радиоканалу (Bluetooth, Zigbee, WiFi, и т.п.) не удовлетворяют, как минимум, требованиям 1 и 5, поскольку имеют возможность перехвата радиоизлучения за пределами контролируемой зоны (КЗ) [2], также они оказывают негативное влияние на человека при интенсивном длительном воздействии.

В свою очередь, система информационного взаимодействия на основе ИК канала (СИВИК) удовлетворяет всем предъявленным требованиям и поэтому речь далее пойдет о ней. В СИВИК предлагается использовать ненаправленное излучение (большой угол расхождения излучения), что позволит принимать и передавать информационные и управляющие сигналы в пределах помещения с учетом переотражений. Это повышает мобильность системы. Расширяемость и масштабируемость предполагается обеспечивать за счет добавления в СИВИК новых приемо-передающих ИК-модулей (далее просто ИК-модулей). Известно [3], что ИК-диоды, как и светодиоды, позволяют модулировать световой поток сигналами с частотой до сотен мегагерц и наводки от всех элементов блока, в котором установлен ИК-диод, приводят к тому, что световой поток постоянно включенного ИК-диода оказывается промодулирован высокочастотными колебаниями, незаметными для глаза, но которые могут быть обнаружены с помощью специальной аппаратуры. Однако информационные сигналы, передаваемые в этом ИК диапазоне, не подвержены влиянию электромагнитных помех (наводок) и сами не являются источником помех для аппаратуры и информационных сетей связи, находящихся поблизости. При этом недостатки, связанные с ограничением распространения радиоволн ИК диапазона пределами помещения, скорее являются достоинствами с точки зрения информационной безопасности, так как перехват информационных сигналов вне контролируемой зоны возможен только через открытые оптические участки КЗ (например, окна), но разместив на «опасных» участках элементы зашумления, можно исключить такую возможность. Излучение в предлагаемом для использования диапазоне не влияет на человеческий организм, поэтому такое решение вполне оправдано.

Оперативность предлагается обеспечить как за счет увеличения количества ИК- модулей, так и за счет выбора оптимальной топологии, реализации быстрых и надежных протоколов взаимодействия, способа кодировки сообщений.

Для построения СИВИК предлагается следующая топология (Рис. 1).

Рис. 1. Топология построения СИВИК.

Каждый ИК-модуль осуществляет генерацию кодированной последовательности электрических импульсов и модуляцию ими светового потока с длиной волны 0,84—0,96 мкм. Используется набор ИК-диодов с разной длиной волны, чтобы увеличить плотность светового потока в широком диапазоне чувствительности фотоприемника с учетом «окна прозрачности» [4]. В зависимости от местоположения и доступности получателя пакета данных взаимодействие может осуществляться непосредственно между ИК-модулями отправителя и получателя по кратчайшему пути, либо при отсутствии такой доступности – через ближайшие ИК-модули. Причем важно так расположить центральный ИК-модуль, подсоединенный к вычислительно-аналитическому модулю, чтобы для него были индивидуально доступны несколько ИК-модулей. Чем больше двухсторонних связей между ИК-модулями в соответствии с топологией на рис.1, тем более надежна работа СИВИК. Соответственно, повышается оперативность, а это, как было отмечено, важное требование для системы.

Для доставки информационных пакетов до нужного ИК-модуля сигнала может ретранслироваться, т.е. каждый ИК-модуль может выступать в роли центрального узла, подсоединенного к какому-либо элементу ИВК, и в роли ретранслятора (см. рис. 1). Существует два типа ретрансляторов: ИК-модуль без буфера и ИК-модуль с буфером. Первый осуществляет коммутацию пакета следующим образом. По каналу приходит пакет – ретранслятор принимает заголовок пакета в буфер и, проанализировав информацию в заголовке, начинает передавать пакет из буфера в канал, одновременно продолжая прием приходящего пакета. Теперь буфер становится очередью, на вход которой поступают данные из канала, в который приходит пакет, а данные из хвоста поступают для передачи далее в канал (длина очереди равна длине заголовка пакета). Тем самым обеспечивается минимальная задержка при передаче пакета. Ретранслятор второго типа принимает в буфер весь пакет, проводит проверку пакета на наличие ошибок и, если они не обнаружены, начинает передачу пакета далее в канал при этом, если на вход приходит еще один пакет, то он принимается даже, если отправка предыдущего еще не закончилась.

Время доставки пакета в сети вычисляется по формуле:

,

где L_заг - длина заголовка пакета в байтах; V - скорость передачи информации в сети (бит/с); t_обр. - время анализа заголовка ИК-модулем; L_пакета - длина пакета в байтах; N_мод - количество ИК-модулей, преодолеваемых пакетом на пути от отправителя к приёмнику; N_{мод с буф} - количество ИК-модулей с буфером, преодолеваемых пакетом на пути от отправителя к приёмнику; t_{ср. ож. маркера k} - среднее время ожидания маркера k-ым узлом; L_{cp. дл. оч.k} - средняя длина очереди на k-ом узле.

Первое слагаемое данного выражения – время, затраченное узлом сбора на передачу пакета; второе – задержка на ИК-модулях без буфера; третье – на ИК-модулях с буфером. Как видно из данного выражения, задержка ИК-модулях без буфера пропорциональна длине заголовка пакета, а задержка ИК-модулях с буфером – длине пакета. На тех участках, где присутствуют большие помехи используются ИК-модули с буфером. ИК-модули без буфера можно применять там, где желательно иметь большую скорость передачи сообщений и нет серьезных помех.

Предлагается использовать частотное разделение каналов на передачу и прием. При этом диапазон частот, выделенный на передачу и прием, можно разделить на подканалы, организуя многоканальную систему. Адреса узлов ИВК распределяются так, чтобы каждому каналу в СИВИК соответствовал определенный адресный интервал. Тогда процесс коммутации пакета будет совсем простым: достаточно только определить в какой адресный интервал попадает адрес получателя пакета (он указан в заголовке пакета на рис. 2). Такой способ коммутации очень прост и эффективен.

Рис.2. Формат заголовка пакета данных.

Поле «CRC» содержит код CRC для обнаружения ошибки при передаче сообщения, что повышает надежность работы сети (если с помощью данного кода обнаруживается ошибка, то получатель пакета посылает отправителю запрос на повторную передачу, если же ошибок нет, то получатель посылает отправителю подтверждение приема пакета). В поле «Длина» записывается длина пакета. Поле «адрес отправителя» может и не присутствовать. Так, например, если получателю пакета не нужно знать, кто отправил пакет, это поле в заголовке пакета можно опустить. В поле «флаги» указывается, какие поля присутствуют в заголовке, а какие нет. Кроме поля «адрес отправителя» в заголовке могут присутствовать и другие необязательные поля, например, если сообщение разбито на несколько кадров, то в заголовке должны указываться идентификатор пакета и порядковый номер кадра в сообщении. Возможность исключения из заголовка ненужных полей в некоторых случаях позволяет сократить длину пакета, а следовательно уменьшить трафик.

При проектировании СИВИК стала проблема обеспечения работы системы в режиме реального времени. Метод доступа к каналу передачи данных играет решающую роль при большой загрузке СИВИК.

Для обеспечения более надежной работы СИВИК, был выбран вариант с децентрализованным управлением (централизованное управление ненадежно, т.к. при выходе из строя центрального узла управления выходит из строя вся сеть).

Теперь стояла задача разработать такой метод доступа к каналу передачи данных, который бы обеспечивал наилучшую работу сети в реальном масштабе времени, т.е. нужно обеспечить приоритетный доступ к среде передачи данных.

Все известные децентрализованные методы управления (случайных доступ; круговая передача маркера; управление, используемое в сети CAN и др.) не удовлетворяли поставленной задаче. Каждый метод имеет свои достоинства и существенные недостатки, и в итоге ни один не удовлетворял поставленной задаче. Из сложившейся ситуации был только один выход – был выбран маркерный метод доступа, причем стратегия передачи маркера задается с помощью программы, которая выполняется на узлах сбора (сенсорах). Т.е. на узле сбора имеется специализированный процессор, который и выполняет программу, описывающую алгоритм передачи маркера. К тому же, в состав узла сбора уже входит специализированный процессор для управления работой сенсоров, его можно использовать и с целью передачи маркера в СИВИК. Для этого в процессор достаточно ввести дополнительные прерывания: одно возникает при приходе маркера в нужный ИК-модуль, по этому прерыванию запускается программа пересылки сообщений, другое – при окончании передачи сообщений (истекло время передачи сообщений, больше нет сообщений для передачи). Таким образом, один процессор выполняет управление оконечной и передачей информации в опорной сети. Теперь стратегию передачи маркера можно выбирать в зависимости от решаемой сетью задачи и даже менять стратегию в процессе работы системы: достаточно только загрузить новые программы управления маркером в опорные узлы.

При передаче инфракрасного сигнала возникают помехи: солнечный свет, отражение и лампы дневного света [5]. Есть возможность снизить риск зашумления последовательности - кодировать один информационный символ последовательностью нулей и единиц. Кодовая последовательность – это набор нулей и единиц (чипов), с помощью которого кодируют один символ (бит) для дальнейшей передачи. Сам сигнал представляет собой последовательность кодовых последовательностей. Основными свойствами кодовых последовательностей являются очень хорошие автокорреляционные и взаимнокорреляционные свойства. От кодовой последовательности зависит помехоустойчивость системы. При одинаковых длинах свойства последовательностей могут кардинально отличаться.

Выигрыш в качестве связи зависит от длинны последовательностей и от их характеристик, в первую очередь - взаимных свойств и способа модуляции [6]. Следовательно, выбор оптимального ансамбля сигналов сводится к поиску такой структуры кодовых последовательностей, в которой центральный пик автокорреляционной функции (АКФ) имеет наибольший уровень, а боковые лепестки АКФ и максимальные выбросы взаимнокорреляционной функции (ВКФ) по возможности минимальны. Выбор и анализ характеристик оптимальной кодовой последовательности является темой отдельной статьи, поэтому в данном материале не рассматривается. Важен обозначенный принцип отбора кодовой последовательности.

Таким образом, предложенный вариант построения беспроводной системы информационного взаимодействия на основе ифракрасного канала может являться основой для разработки действующей модели с целью её использования в специализированном измерительно-вычислительном комплексе с учетом требований предъявляемых к распределенным системам подобного рода.

Литература:

1. Колготин, П.В. Автоматизация процесса испытаний новой аппаратуры на сетях связи специального назначения / П.В. Колготин // Труды международного симпозиума «Надежность и качество 2010», Пенза, том.2 стр. 402-405

2. Хорев, А.А. Классификация и характеристика технических каналов утечки информации, обрабатываемой ТСПИ и передаваемой по каналам связи / Хорев А. А. // Специальная техника, №2, 1998г. http://ess.ru/publications/articles/tspi/tspi.htm

3. Freeman. Защита компьютерной информации от утечки по ПЭМИН http://www.support17.com/component/content/39.html?task=view

4. Шрайбер, Г. Инфракрасные лучи в электронике. Москва: ДМК, 2003г.

5. Ипатов, В. Широкополосные системы и кодовое разделение сигналов. Принципы и приложения. Москва: Техносфера, 2007г.

6. Малыгин, И. В. Коды, коды, коды http://cxem.net/sprav/sprav111.php