С. Б. КЛЕПИКОВ
Научный руководитель – В. Я. СТЕНИН, д. т.н., профессор
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
АРХИТЕКТУРА МОДЕМА ДЛЯ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
В статье представлен обзор вариантов построения радиоканала для задач обработки информации в реальном масштабе времени. Рассматриваются способы увеличения пропускной способности беспроводной сети, приведена структурная схема и алгоритм работы модема с аппаратным сжатием передаваемой информации.
Современные системы обработки данных физического эксперимента имеют распределенный характер, в них сбор и обработка данных физически осуществляются различными компьютерами, объединенными в общую сеть телекоммуникационными каналами. Такой подход позволяет распараллелить обработку и хранение больших объемов данных, что в свою очередь позволяет увеличить объем обрабатываемых данных. Детально концепции развития современных информационных технологий описаны в [1]. Подобные системы требуют увеличения пропускной способности существующих сетей передачи данных, что потребовало разработки модемов различных типов. Обзор основных типов современных модемов дан в [2], но, как показано в [3], большинство современных модемов не предназначено для работы в системах, обрабатывающих информацию в реальном масштабе времени, что обусловлено сложностью аппаратуры и невысоким спросом. В основном используется метод доступа CDMA/CD, который так же не может быть применен для работы в реальном масштабе времени из-за неопределенности максимальной задержки доставки информационного пакета. В тех же случаях, когда использование кабельной сети невозможно, проблема выбора радиомодема для системы реального времени стоит еще более остро, и сейчас пользователь вынужден ограничиваться модемами со скоростью до 9600 Бод, что недостаточно для большинства современных приложений.
Использование радиомодемов характерно для телеметрии объектов, испытывающих значительные перегрузки или работающих в сложных условиях, в которых прокладка кабельных сетей нежелательна или невозможна [4]. Принципиально увеличение пропускной способности радиоканала возможно за счет аппаратного сжатия данных, которое усложняет конструкцию модема, или использования многоуровневого кодирования, практически не применяемого из-за высокого уровня технологических помех. Однако современная элементная база уже обладает достаточной степенью интеграции и быстродействием для того, чтобы обеспечить аппаратную реализацию сжатия передаваемой информации. Типичные алгоритмы сжатия дают степень сжатия в 4-8 раз, а в специальных случаях сжатие может достигать нескольких тысяч раз [4]. Для применений в real-time системах, в качестве протокола передачи данных стоит использовать модифицированное маркерное кольцо (tolken ring), что позволит получить прогнозируемую задержку доставки информации. Детальное описание протокола дано в [7].
На основании обзора современных алгоритмов сжатия данных [8] можно сделать вывод, что наилучшим является алгоритм арифметического сжатия. В качестве модели текста используется модель фрагментов, так как статистика частоты вхождения символов будет меняться для различных приложений, одновременно работающих с каналом, при этом эта статистика будет различаться для модемов, входящих в единое информационное кольцо. Такой метод кодирования получил название нумерующее кодирование Enumerative Coding (ENUC) [9], он позволяет получить среднюю степень сжатия 4-5 раз.
С целью определения требований к процессору, осуществляющему кодирование и декодирование информации, была написана тестовая реализация алгоритма на языке высокого уровня. Исследования показали, что для кодирования одного байта входной информации необходимо 4 операции деления, а в среднем на кодирование одного байта затрачивается 7 операций. Для аппаратной реализации операции кодирования следует использовать контроллер, так как в этом случае можно повысить частоту системной шины, не повышая частоту работы периферийных модулей модема. На основании обзора [10] был выбран контроллер AT91R40807 фирмы Atmel, с 32х разрядное RISK ядром, работающем на частоте до 40 МГц и аппаратной поддержкой операций умножения и деления. Структурная схема модема показана на рис. 1. Система разработана в соответствии с рекомендациями, приводимыми в [11]. В качестве интерфейса между модемом и вычислительным блоком будем использовать шину USB 2.0, является стандартом для периферийного оборудования [12]. Поддержка COM порта сделана для совместимости с устаревшими устройствами, не поддерживающими USB шину и для вывода диагностической информации. Драйвера разрабатывались в соответствии с рекомендациями, приводимыми в [13].
Рис. 1. Структурная схема модема
Список литературы
1. Shifer G. Advanced Networking. //www. /books
2. Обзор модемов для физических линий. //www. *****/nets/1997/0755.htm
3. Радиомодемы в технологических сетях передачи данных. //www.dateline.ru/doc/tss_article.pdf
4. Стенд огневых испытаний реактивных двигателей. //www.lcard.ru/publ-3.php3
5. AT86RF211 Datasheet. //www.
6. Методы сжатия видеоданных. //*****/book/part3/
7. Simple TokenRing Description. www. verimag. imag. fr/lesens/BANG/simple_token_ring. html
8. Методы сжатия данных. М.:Диалог. МИФИ,2003.384 с.
9. Levent O. Introduces Hierarchical Enumerative Coding, an entropy coding method, and applies to image compression. //www. citeseer. ist. psu. edu/279991.html
10. Коршун микроконтроллеры.- М.:Изд."Аким",1998.-272с.
11. Искусство схемотехники. //М.: Мир. 2001.704с.
12. High Speed USB. //www. usb. org/developers/onthego
13. Windows для профессионалов.-Санкт-Питербург:"Питер", 2002.762с.
