eng
Выпуск #7/2016
C.Шаврин, М.Кулаков
Сети AD HOC ДЛЯ транспорта на базе авиационной системы связи VDL MODE 4
Сети AD HOC ДЛЯ транспорта на базе авиационной системы связи VDL MODE 4
Просмотры: 2661
Использование мобильных самоорганизующихся сетей Ad Hoc – один из перспективных методов повышения ситуационной осведомленности транспортных систем, так как данный вид сетей обладает несколькими важными свойствами: автоконфигурацией, самооптимизацией и самовосстановлением.
Оперативная обстановка
Создание интеллектуальных коммуникационных систем контроля и управления движением различных транспортных средств является перспективной тематикой для исследований и разработок. По данным компании ExxonMobil, к 2040 году число личных легковых автомобилей вырастет более чем в два раза по сравнению с 2010 годом и составит 1600 млн. В соответствии с прогнозом компании Boeing, авиакомпании разных стран мира в период с 2007 по 2026 год приобретут 28 600 новых самолетов, что также означает прирост числа самолетов примерно вдвое. Ситуация усугубляется приростом числа летательных аппаратов (ЛА) малой авиации (частной) и развитием сфер применения беспилотных летательных аппаратов (БПЛА).
Современные тенденции развития телекоммуникаций ориентированы на создание сетевых структур для организации обмена данными различного типа. Не исключением являются и авиационные системы связи. Особенность работы таких систем предполагает наличие большого числа участников, каждый из которых представляет собой элемент простой иерархической структуры. Однако полноценной реализации авиационной сетевой структуры на данный момент не существует по целому ряду причин:
высокая интенсивность изменения топологии сетевых элементов, так как ЛА, движутся с высокой скоростью и на разных высотах;
существенные ограничения по используемому УКВ-диапазону авиационной связи;
возможность использования других частотных диапазонов (с возрастанием частоты) чревато, во-первых, перекрытием диапазонов, являющихся специфичными для разных регионов мира, а во-вторых, увеличением мощности и габаритов приемопередатчиков;
сложность в реализации сетевой маршрутизации с помощью традиционных алгоритмов маршрутизации;
большая длительность периода внедрения новых систем авионики.
С развитием средств авионики в дополнение к существующим системам контроля и управления воздушным движением стали внедряться технологии АЗН-В (автоматическое зависимое наблюдение вещательное) – системы 1090ES и VDL Mode 4, позволяющие вести обмен местоположением и намерениями всех участников движения, в том числе и на земле. Их использование предусмотрено при реализации АЗН-В в Российской Федерации в соответствии с программой "Внедрение средств вещательного автоматического зависимого наблюдения (2011–2020 годы)", утвержденной Минтрансом России 19 мая 2011 года.
Следует отметить, что функционал VDL Mode 4 благодаря особому методу доступа к среде имеет ряд преимуществ (по сравнению с системой 1090ES) при создании на его основе самоорганизующейся сети. Каждый приемопередатчик VDL Mode 4, используя несколько различных алгоритмов, имеет возможность самостоятельно выбрать временной слот (канальный интервал), в котором он будет вести передачу с малой вероятностью коллизии.
Главная характеристика VDL Mode 4 – это так называемый самоорганизующийся многостанционный доступ с временным разделением канала (self-organized time division multiple access – STDMA), представляющий собой детерминированный метод многостанционного доступа к среде без конкуренции. В STDMA канальное время делится на кадры и временные слоты, длительность которых определяется реализацией системы. Каждый имеющий соответствующий радиооборудованию узел, используя определенный алгоритм, имеет возможность самостоятельно выбрать слот, в котором он будет вести передачу. STDMA в VDL Mode 4 отличается от "классического", функционирование которого характеризуется четырьмя фазами: "инициализация", "вход в сеть", "первый кадр", "продолжительное функционирование", что, по сути, отражает лишь периодический широковещательный протокол. Кроме указанного способа, поддерживается множество иных протоколов для резервирования слотов, включая поблочное резервирование, а также несколько способов входа в сеть, причем один участник сети может резервировать слоты для того, кто только пытается получить доступ к каналу. Выбор того или иного способа резервирования слотов зависит от реализуемого приложения.
Сегодня остается актуальной проблема ситуационной осведомленности в отдаленных и океанических регионах мира. Построение сети передачи данных между участниками воздушного движения сможет в некоторой степени обеспечить решение проблемы глобального мониторинга ЛА. Перспективным подходом при построении такого рода сети является применение протоколов мобильных самоорганизующихся сетей, так как они обладают рядом положительных свойств: автоконфигурацией, самооптимизацией и самовостановлением.
Перспективный подход
Мобильные сети Ad Hoc (MANET) – это самоорганизующиеся сети передачи данных с переменной топологией, не имеющие постоянной структуры, предназначенные для связи между подвижными объектами. В такой сети каждое устройство может двигаться независимо, в любом направлении и, соответственно, будет менять соединения с другими узлами достаточно часто. При этом каждый узел может выступать ретранслятором трафика вне зависимости от собственного назначения. Термин "Ad Hoc" означает особенность или специализированность такой сети, то есть ее направленность на решение конкретного ряда задач.
В рамках работы по исследованию самоорганизующихся авиационных сетей с помощью пакета моделирования OMNET++ были смоделированы несколько сценариев возможности развертывания самоорганизующейся сетевой структуры на Дальнем Востоке, Ямале и в Северо-Атлантическом океане. При моделировании учтены такие параметры, как расстояние между объектами (по трем координатам) мощность передатчика, чувствительность приемника, затухание при распространении, диаграмма направленности, уровень шума и др. [1]. На рисунке 1 показан один из примеров времени обзора маршрутов ЛА. Непрерывная линия – время в прямой видимости наземной станции, пунктирная – наблюдение через сеть.
При разработке протокола маршрутизации следует учесть множество факторов, которые в конечном счете могут повлиять на общую производительность сети. Исследователи выделяют несколько базовых классов алгоритмов маршрутизации в MANET-сетях.
Алгоритмы маршрутизации, основанные на топологии сети. Такие алгоритмы определяют метод нахождения маршрута от источника до адресата и поэтому распадаются на два подкласса – реактивные и проактивные.
Географические алгоритмы, использующие информацию о местоположении узлов в сети для маршрутизации данных.
Гибридные алгоритмы маршрутизации. Данный вид алгоритмов комбинирует методики маршрутизации географических и топологических алгоритмов.
Кластерные алгоритмы маршрутизации. Такие алгоритмы делят по тем или иным признакам сетевые узлы на кластеры и обеспечивают внутрикластерную и межкластерную маршрутизацию данных.
Алгоритмы data fusion, использующие анализ различных данных, получаемых с сетевых узлов для решения задачи нахождения маршрутов.
При рассматриваемой топологии сети, дальности радиовидимости и ограниченных канальных ресурсах эффективной техникой маршрутизации может являться семейство географических протоколов маршрутизации.
С учетом рассмотренных выше особенностей сетей MANET и области их возможного применения предполагается использовать протокол маршрутизации, состоящий из следующих этапов функционирования:
периодическое вещание местоположения и намерений узлами сети как в зоне собственной радиовидимости, так и за ее пределами для обеспечения остальных узлов сети информацией для маршрутизации;
использование поля жизни сетевого пакета как для ограничения расстояния распространения сообщения, так и для меток пройденных интервалов;
поиск маршрутизатора производится только при необходимости передачи данных, при этом текущее местоположение адресата вычисляется исходя из полученных от него данных;
использование "жадного" алгоритма (выбирается ближайший узел к адресату) для выбора маршрутизаторов среди узлов, от которых пришли пакеты с наименьшим и одинаковым временем жизни, что в свою очередь обеспечит оптимальность работы "жадного" алгоритма;
пассивное прослушивание при ретрансляции сообщения, что позволит выявить ошибки маршрутизации без каких-либо дополнительных процессов обмена данными.
Разработанный гибридный протокол маршрутизации для многоинтервальной передачи данных между приемопередатчиками БЛА и контрольными пунктами использует информацию о местоположении узлов сети. Суммарно рассматриваемый подход позволяет: использовать служебные сетевые сообщения, занимающие несколько десятков бит, что позволит обмениваться информацией относительно большому числу узлов без перегрузки сети; функционировать с малым количеством служебных сообщений; использовать простой алгоритм маршрутизации, что обеспечит эффективную обработку сетевых сообщений на узлах с малыми энергозатратами.
Рассмотренные выше системы АЗН-В по своей сути являются системами связи с функционалом, ориентированным на авиационные приложения. Поэтому они могут быть использованы для построения на их основе самоорганизующейся сети передачи данных. Однако в связи с тем, что данное предположение до сих пор не было подтверждено теоретическими исследованиями или практическими реализациями, стоит задача проверки пригодности обозначенных систем для рассматриваемых приложений.
Компьютерное моделирование
На сегодняшний день перспективным подходом для исследования новых сложных систем является компьютерное моделирование. Авторами ведется создание компьютерной модели, которая наиболее полно отражает структурные особенности и функционал системы связи VDL Mode 4. Разработанные элементы компьютерной модели – базовый фундамент для разработки новых авиационных приложений.
В рамках проводимой работы используется пакет сетевого моделирования OMNeT++, обладающий рядом преимуществ: открытый код, удобный интерфейс с большим количеством специализированных субинструментариев и библиотек, модульная структура, высокоэффективное программное ядро, направленное на оптимизацию дискретно-событийного моделирования, поддержка в интернет-сообществе и кросс-платформенность.
Структурно-функциональная модель VDL Mode 4, описанная в стандарте ICAO 9816, разделена на три уровня модели OSI: физический, канальный и сетевой. Канальный уровень имеет гибкую структуру и разделен на четыре подуровня: доступ к среде (MAC), который использует множественный доступ к среде распространения сигнала с временны'м разделением между станциями (TDMA); специальные сервисы линии передачи данных VDL Mode 4 (VSS), что обеспечивает связь путем использования гибкого формата пакета данных и связываемых с ним протоколов передачи и резервирования над подуровнем MAC; установление соединения, что обеспечивает сервисы, ориентированные на установление соединения типа точка-точка и широковещательные сервисы над подуровнем VSS; управление связью (LME) для установления и поддержки связи внутри УКВ-соты.
Для создания компьютерной модели VDL Mode 4 в пакете моделирования OMNeT++ был выбран субинструментарий Mixim, так как он имеет множество модулей и библиотек для разработки моделей физического, канального и сетевого уровней.
В рамках компьютерной модели средствами языка C++ и внутреннего языка описания сети в OMNeT++ создан комплексный модуль, состоящий из элементов, изображенных на рисунке 2. Кроме того, создан так называемый модуль контроля сетевого интерфейса, так как структура Mixim подразумевает, что именно данные модули взаимодействуют с модулем управления соединения, который создает, отслеживает и удаляет соединения во время моделирования.
Модуль мобильности позволяет использовать различные модели движения сетевых узлов во время моделирования – требуется лишь указать нужный тип и соответствующие ему параметры.
Модуль физического уровня разделяется на две составляющие – модель распространения радиоволн и решающее устройство. При моделировании могут быть использованы различные модели распространения сигнала, которые учитывают изменения сигнала как во временном, так и в частотном домене. Решающее устройство делает вывод о том, верно ли принят сигнал. Таким образом, здесь учитывается уровень принимаемого сигнала, наличие битовых ошибок в принятом пакете и др. В разработанной модели решающего устройства также учитывается возможность перекрытия двух сигналов при конфликте слотов. Из технической документации следует, что отношение между полученными сигналами должно составлять более 12 дБ, в ином случае оба (или более) пакетов отбрасываются. Входными данными для модуля физического уровня являются: мощность передатчика, чувствительность приемника, уровень шума и другие параметры, зависящие непосредственно от используемой модели распространения волн и решающего устройства.
Программный модуль доступа к среде (MAC) содержит в себе уровни MAC и VSS структурно-функциональной модели. В данном модуле реализован метод STDMA, т.е. здесь содержится и обрабатывается карта временных слотов, которая складывается индивидуально для каждого узла. Модуль общается с верхним и нижним уровнями при помощи служебных сообщений. Для нижнего уровня предусмотрены следующие служебные сообщения: прослушивание канала, переключение на прием и переключение на передачу (по окончании переключения физический уровень отправляет соответствующее сообщение). Также модуль формирует значение длительности передачи для физического уровня, исходя из скорости передачи и результирующей длины пакета в битах. Для верхнего модуля (LME) на данном этапе разработки предусмотрены следующие служебные сообщения: уведомление об окончании этапа настройки и запрос синхронизирующего пакета данных (synchronization burst).
Модуль LME отвечает за формирование синхронизирующих пакетов данных, обработку таблицы соседних узлов и может осуществлять управление подуровнем DLS, если того требует приложение, использующее VDL Mode 4.
Модуль маршрутизации работает по ранее изложенному алгоритму.
Для имитации временного разделения канала моделирование происходит от слота к слоту. Упрощенный граф состояний разработанного модуля MAC представлен на рисунке 3.
В начальном состоянии INIT устанавливаются события окончания фазы настройки и перехода к следующему слоту, также состояние модуля MAC устанавливается на прием, а текущий слот приравнивается к нулю. Далее (StartVDLMAC) происходит переход в состояние RX (прием), в котором может быть несколько событий: следующий слот (NextSlot), окончание фазы настройки (SetupPhase), прослушивание канала (ChannelSense) и отправка данных (SendDATA). Событие "отправка данных" переводит MAC из состояния RX в TX (передача), в котором также могут происходить несколько событий: следующий слот, переключение на передачу (TX_switch) и переключение на прием (TX_over). Событие "переключение на прием" меняет состояние TX на RX.
Общая модель системы связи VDL Mode 4 с сетевой надстройкой, элементами которой являются разработанные методы, позволяет получать следующие результаты: запись и графическое отображений событий, которые претерпевают сообщения в сети (рис.4); время распространения сообщения АЗН-В от мобильных узлов до базовой (end-to-end) станции по сети (рис.5); количество отправленных и полученных сетевых сообщений (рис.6).
Накапливаемые моделью статистические данные могут быть использованы на этапе проектирования самоорганизующейся сети при исследовании возможности ее развертывания в различных регионах.
Таким образом, применение технологии самоорганизующихся сетей в интеллектуальных транспортных системах может поднять уровень ситуационной информированности всех участников движения, тем самым повысив безопасность движения как в авиационной среде, так и в наземной. Такая сеть должна быть способна справляться с потоками данных при условии, что данный вид трафика является очень чувствительным и ко времени, и к вероятности доставки. Эффективность работы интеллектуальных транспортных систем с применением протоколов самоорганизующихся сетей зависит от метода доступа к среде передачи данных, что требует тщательного анализа и моделирования различных сценариев работы.
ЛИТЕРАТУРА:
Кулаков М.С. Анализ сценариев развертки мобильных Ad Hoc сетей на базе режима VDL Mode 4 // INTERMATIC – 2013. Материалы международной научно-практической конференции. Часть 4. – М.: МИРЭА, 2013. С. 49–53.
Создание интеллектуальных коммуникационных систем контроля и управления движением различных транспортных средств является перспективной тематикой для исследований и разработок. По данным компании ExxonMobil, к 2040 году число личных легковых автомобилей вырастет более чем в два раза по сравнению с 2010 годом и составит 1600 млн. В соответствии с прогнозом компании Boeing, авиакомпании разных стран мира в период с 2007 по 2026 год приобретут 28 600 новых самолетов, что также означает прирост числа самолетов примерно вдвое. Ситуация усугубляется приростом числа летательных аппаратов (ЛА) малой авиации (частной) и развитием сфер применения беспилотных летательных аппаратов (БПЛА).
Современные тенденции развития телекоммуникаций ориентированы на создание сетевых структур для организации обмена данными различного типа. Не исключением являются и авиационные системы связи. Особенность работы таких систем предполагает наличие большого числа участников, каждый из которых представляет собой элемент простой иерархической структуры. Однако полноценной реализации авиационной сетевой структуры на данный момент не существует по целому ряду причин:
высокая интенсивность изменения топологии сетевых элементов, так как ЛА, движутся с высокой скоростью и на разных высотах;
существенные ограничения по используемому УКВ-диапазону авиационной связи;
возможность использования других частотных диапазонов (с возрастанием частоты) чревато, во-первых, перекрытием диапазонов, являющихся специфичными для разных регионов мира, а во-вторых, увеличением мощности и габаритов приемопередатчиков;
сложность в реализации сетевой маршрутизации с помощью традиционных алгоритмов маршрутизации;
большая длительность периода внедрения новых систем авионики.
С развитием средств авионики в дополнение к существующим системам контроля и управления воздушным движением стали внедряться технологии АЗН-В (автоматическое зависимое наблюдение вещательное) – системы 1090ES и VDL Mode 4, позволяющие вести обмен местоположением и намерениями всех участников движения, в том числе и на земле. Их использование предусмотрено при реализации АЗН-В в Российской Федерации в соответствии с программой "Внедрение средств вещательного автоматического зависимого наблюдения (2011–2020 годы)", утвержденной Минтрансом России 19 мая 2011 года.
Следует отметить, что функционал VDL Mode 4 благодаря особому методу доступа к среде имеет ряд преимуществ (по сравнению с системой 1090ES) при создании на его основе самоорганизующейся сети. Каждый приемопередатчик VDL Mode 4, используя несколько различных алгоритмов, имеет возможность самостоятельно выбрать временной слот (канальный интервал), в котором он будет вести передачу с малой вероятностью коллизии.
Главная характеристика VDL Mode 4 – это так называемый самоорганизующийся многостанционный доступ с временным разделением канала (self-organized time division multiple access – STDMA), представляющий собой детерминированный метод многостанционного доступа к среде без конкуренции. В STDMA канальное время делится на кадры и временные слоты, длительность которых определяется реализацией системы. Каждый имеющий соответствующий радиооборудованию узел, используя определенный алгоритм, имеет возможность самостоятельно выбрать слот, в котором он будет вести передачу. STDMA в VDL Mode 4 отличается от "классического", функционирование которого характеризуется четырьмя фазами: "инициализация", "вход в сеть", "первый кадр", "продолжительное функционирование", что, по сути, отражает лишь периодический широковещательный протокол. Кроме указанного способа, поддерживается множество иных протоколов для резервирования слотов, включая поблочное резервирование, а также несколько способов входа в сеть, причем один участник сети может резервировать слоты для того, кто только пытается получить доступ к каналу. Выбор того или иного способа резервирования слотов зависит от реализуемого приложения.
Сегодня остается актуальной проблема ситуационной осведомленности в отдаленных и океанических регионах мира. Построение сети передачи данных между участниками воздушного движения сможет в некоторой степени обеспечить решение проблемы глобального мониторинга ЛА. Перспективным подходом при построении такого рода сети является применение протоколов мобильных самоорганизующихся сетей, так как они обладают рядом положительных свойств: автоконфигурацией, самооптимизацией и самовостановлением.
Перспективный подход
Мобильные сети Ad Hoc (MANET) – это самоорганизующиеся сети передачи данных с переменной топологией, не имеющие постоянной структуры, предназначенные для связи между подвижными объектами. В такой сети каждое устройство может двигаться независимо, в любом направлении и, соответственно, будет менять соединения с другими узлами достаточно часто. При этом каждый узел может выступать ретранслятором трафика вне зависимости от собственного назначения. Термин "Ad Hoc" означает особенность или специализированность такой сети, то есть ее направленность на решение конкретного ряда задач.
В рамках работы по исследованию самоорганизующихся авиационных сетей с помощью пакета моделирования OMNET++ были смоделированы несколько сценариев возможности развертывания самоорганизующейся сетевой структуры на Дальнем Востоке, Ямале и в Северо-Атлантическом океане. При моделировании учтены такие параметры, как расстояние между объектами (по трем координатам) мощность передатчика, чувствительность приемника, затухание при распространении, диаграмма направленности, уровень шума и др. [1]. На рисунке 1 показан один из примеров времени обзора маршрутов ЛА. Непрерывная линия – время в прямой видимости наземной станции, пунктирная – наблюдение через сеть.
При разработке протокола маршрутизации следует учесть множество факторов, которые в конечном счете могут повлиять на общую производительность сети. Исследователи выделяют несколько базовых классов алгоритмов маршрутизации в MANET-сетях.
Алгоритмы маршрутизации, основанные на топологии сети. Такие алгоритмы определяют метод нахождения маршрута от источника до адресата и поэтому распадаются на два подкласса – реактивные и проактивные.
Географические алгоритмы, использующие информацию о местоположении узлов в сети для маршрутизации данных.
Гибридные алгоритмы маршрутизации. Данный вид алгоритмов комбинирует методики маршрутизации географических и топологических алгоритмов.
Кластерные алгоритмы маршрутизации. Такие алгоритмы делят по тем или иным признакам сетевые узлы на кластеры и обеспечивают внутрикластерную и межкластерную маршрутизацию данных.
Алгоритмы data fusion, использующие анализ различных данных, получаемых с сетевых узлов для решения задачи нахождения маршрутов.
При рассматриваемой топологии сети, дальности радиовидимости и ограниченных канальных ресурсах эффективной техникой маршрутизации может являться семейство географических протоколов маршрутизации.
С учетом рассмотренных выше особенностей сетей MANET и области их возможного применения предполагается использовать протокол маршрутизации, состоящий из следующих этапов функционирования:
периодическое вещание местоположения и намерений узлами сети как в зоне собственной радиовидимости, так и за ее пределами для обеспечения остальных узлов сети информацией для маршрутизации;
использование поля жизни сетевого пакета как для ограничения расстояния распространения сообщения, так и для меток пройденных интервалов;
поиск маршрутизатора производится только при необходимости передачи данных, при этом текущее местоположение адресата вычисляется исходя из полученных от него данных;
использование "жадного" алгоритма (выбирается ближайший узел к адресату) для выбора маршрутизаторов среди узлов, от которых пришли пакеты с наименьшим и одинаковым временем жизни, что в свою очередь обеспечит оптимальность работы "жадного" алгоритма;
пассивное прослушивание при ретрансляции сообщения, что позволит выявить ошибки маршрутизации без каких-либо дополнительных процессов обмена данными.
Разработанный гибридный протокол маршрутизации для многоинтервальной передачи данных между приемопередатчиками БЛА и контрольными пунктами использует информацию о местоположении узлов сети. Суммарно рассматриваемый подход позволяет: использовать служебные сетевые сообщения, занимающие несколько десятков бит, что позволит обмениваться информацией относительно большому числу узлов без перегрузки сети; функционировать с малым количеством служебных сообщений; использовать простой алгоритм маршрутизации, что обеспечит эффективную обработку сетевых сообщений на узлах с малыми энергозатратами.
Рассмотренные выше системы АЗН-В по своей сути являются системами связи с функционалом, ориентированным на авиационные приложения. Поэтому они могут быть использованы для построения на их основе самоорганизующейся сети передачи данных. Однако в связи с тем, что данное предположение до сих пор не было подтверждено теоретическими исследованиями или практическими реализациями, стоит задача проверки пригодности обозначенных систем для рассматриваемых приложений.
Компьютерное моделирование
На сегодняшний день перспективным подходом для исследования новых сложных систем является компьютерное моделирование. Авторами ведется создание компьютерной модели, которая наиболее полно отражает структурные особенности и функционал системы связи VDL Mode 4. Разработанные элементы компьютерной модели – базовый фундамент для разработки новых авиационных приложений.
В рамках проводимой работы используется пакет сетевого моделирования OMNeT++, обладающий рядом преимуществ: открытый код, удобный интерфейс с большим количеством специализированных субинструментариев и библиотек, модульная структура, высокоэффективное программное ядро, направленное на оптимизацию дискретно-событийного моделирования, поддержка в интернет-сообществе и кросс-платформенность.
Структурно-функциональная модель VDL Mode 4, описанная в стандарте ICAO 9816, разделена на три уровня модели OSI: физический, канальный и сетевой. Канальный уровень имеет гибкую структуру и разделен на четыре подуровня: доступ к среде (MAC), который использует множественный доступ к среде распространения сигнала с временны'м разделением между станциями (TDMA); специальные сервисы линии передачи данных VDL Mode 4 (VSS), что обеспечивает связь путем использования гибкого формата пакета данных и связываемых с ним протоколов передачи и резервирования над подуровнем MAC; установление соединения, что обеспечивает сервисы, ориентированные на установление соединения типа точка-точка и широковещательные сервисы над подуровнем VSS; управление связью (LME) для установления и поддержки связи внутри УКВ-соты.
Для создания компьютерной модели VDL Mode 4 в пакете моделирования OMNeT++ был выбран субинструментарий Mixim, так как он имеет множество модулей и библиотек для разработки моделей физического, канального и сетевого уровней.
В рамках компьютерной модели средствами языка C++ и внутреннего языка описания сети в OMNeT++ создан комплексный модуль, состоящий из элементов, изображенных на рисунке 2. Кроме того, создан так называемый модуль контроля сетевого интерфейса, так как структура Mixim подразумевает, что именно данные модули взаимодействуют с модулем управления соединения, который создает, отслеживает и удаляет соединения во время моделирования.
Модуль мобильности позволяет использовать различные модели движения сетевых узлов во время моделирования – требуется лишь указать нужный тип и соответствующие ему параметры.
Модуль физического уровня разделяется на две составляющие – модель распространения радиоволн и решающее устройство. При моделировании могут быть использованы различные модели распространения сигнала, которые учитывают изменения сигнала как во временном, так и в частотном домене. Решающее устройство делает вывод о том, верно ли принят сигнал. Таким образом, здесь учитывается уровень принимаемого сигнала, наличие битовых ошибок в принятом пакете и др. В разработанной модели решающего устройства также учитывается возможность перекрытия двух сигналов при конфликте слотов. Из технической документации следует, что отношение между полученными сигналами должно составлять более 12 дБ, в ином случае оба (или более) пакетов отбрасываются. Входными данными для модуля физического уровня являются: мощность передатчика, чувствительность приемника, уровень шума и другие параметры, зависящие непосредственно от используемой модели распространения волн и решающего устройства.
Программный модуль доступа к среде (MAC) содержит в себе уровни MAC и VSS структурно-функциональной модели. В данном модуле реализован метод STDMA, т.е. здесь содержится и обрабатывается карта временных слотов, которая складывается индивидуально для каждого узла. Модуль общается с верхним и нижним уровнями при помощи служебных сообщений. Для нижнего уровня предусмотрены следующие служебные сообщения: прослушивание канала, переключение на прием и переключение на передачу (по окончании переключения физический уровень отправляет соответствующее сообщение). Также модуль формирует значение длительности передачи для физического уровня, исходя из скорости передачи и результирующей длины пакета в битах. Для верхнего модуля (LME) на данном этапе разработки предусмотрены следующие служебные сообщения: уведомление об окончании этапа настройки и запрос синхронизирующего пакета данных (synchronization burst).
Модуль LME отвечает за формирование синхронизирующих пакетов данных, обработку таблицы соседних узлов и может осуществлять управление подуровнем DLS, если того требует приложение, использующее VDL Mode 4.
Модуль маршрутизации работает по ранее изложенному алгоритму.
Для имитации временного разделения канала моделирование происходит от слота к слоту. Упрощенный граф состояний разработанного модуля MAC представлен на рисунке 3.
В начальном состоянии INIT устанавливаются события окончания фазы настройки и перехода к следующему слоту, также состояние модуля MAC устанавливается на прием, а текущий слот приравнивается к нулю. Далее (StartVDLMAC) происходит переход в состояние RX (прием), в котором может быть несколько событий: следующий слот (NextSlot), окончание фазы настройки (SetupPhase), прослушивание канала (ChannelSense) и отправка данных (SendDATA). Событие "отправка данных" переводит MAC из состояния RX в TX (передача), в котором также могут происходить несколько событий: следующий слот, переключение на передачу (TX_switch) и переключение на прием (TX_over). Событие "переключение на прием" меняет состояние TX на RX.
Общая модель системы связи VDL Mode 4 с сетевой надстройкой, элементами которой являются разработанные методы, позволяет получать следующие результаты: запись и графическое отображений событий, которые претерпевают сообщения в сети (рис.4); время распространения сообщения АЗН-В от мобильных узлов до базовой (end-to-end) станции по сети (рис.5); количество отправленных и полученных сетевых сообщений (рис.6).
Накапливаемые моделью статистические данные могут быть использованы на этапе проектирования самоорганизующейся сети при исследовании возможности ее развертывания в различных регионах.
Таким образом, применение технологии самоорганизующихся сетей в интеллектуальных транспортных системах может поднять уровень ситуационной информированности всех участников движения, тем самым повысив безопасность движения как в авиационной среде, так и в наземной. Такая сеть должна быть способна справляться с потоками данных при условии, что данный вид трафика является очень чувствительным и ко времени, и к вероятности доставки. Эффективность работы интеллектуальных транспортных систем с применением протоколов самоорганизующихся сетей зависит от метода доступа к среде передачи данных, что требует тщательного анализа и моделирования различных сценариев работы.
ЛИТЕРАТУРА:
Кулаков М.С. Анализ сценариев развертки мобильных Ad Hoc сетей на базе режима VDL Mode 4 // INTERMATIC – 2013. Материалы международной научно-практической конференции. Часть 4. – М.: МИРЭА, 2013. С. 49–53.
Отзывы читателей
