РАЗРАБОТКА ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТОДОВ СЕТЕВОГО И ПОМЕХОУСТОЙЧИВОГО КОДИРОВАНИЯ В РАДИОСЕТЯХ

АННОТАЦИЯ

Работа представляет структуру лабораторного стенда для исследования методов сетевого и помехоустойчивого кодирования в радиосетях. Выполнен выбор аппаратной конфигурации узлов и устройства для создания преднамеренной помехи стенда с учетом особенностей исследований. Предложены дополнительные сценарии работы стенда при проведении исследований в рамках выполнения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. Представлены направления дальнейшего развития стенда.

Ключевые слова: сетевое кодирование, помехоустойчивое кодирование, лабораторный стенд, узел, лабораторный радиостенд.

Различные виды кодирования играют важную роль в современных системах передачи данных. Проводные и беспроводные системы передачи уже многие десятилетия используют множество способов кодирования: линейное и канальное кодирование для представления двоичных данных в вид удобный для передачи по каналам связи; помехоустойчивое кодирование для борьбы с ошибками и влиянием помех; скремблирование для придания передаваемым данным свойств псевдослучайности и повышения безопасности передачи и другие. Разрабатываются новые перспективные способы кодирования передаваемых данных, позволяющие уменьшить задержку передачи. К таким перспективным способам относится сетевое кодирование.

Сетевое кодирование основано на формировании линейных комбинаций пакетов данных при помощи поразрядного сложения по модулю 2 на промежуточных узлах сети передачи данных (ПД), с последующей расшифровкой этих пакетов на оконечных узлах (узлах-получателях) [1-3]. Это преобразование позволяет передать данные из двух или более узлов, заменяя последовательную передачу на одновременную. В частности, это обеспечивает уменьшение задержки при передаче данных в радиосети с ретрансляцией пакетов [4-6]. На рис. 1 представлен принцип сетевого кодирования в радиосети [7].

Рисунок 1. Сетевое кодирование в радиосети с ретрансляцией пакетов

В обычном методе без сетевого кодирования, как показано на рис. 1а, для передачи пакетов от узла A узлу B через центральный узел необходимо 4 кадра. В случае использования сетевого кодирования, благодаря тому что ретранслятор и узлы выполняют логические операции над пакетами, передача пакетов от узлов занимает всего 3 кадра, как показано на рис. 1б, что позволяет уменьшить задержки передачи. Более того, если при передаче нескольких пакетов применять кодирование с заранее известными получателю коэффициентами, повысится и безопасность передачи, так как определить каждый из пакетов, не зная коэффициентов будет затруднительно [3].

Сетевое кодирование в значительной мере подвержено влиянию помех. Ошибка, появившаяся в сообщениях на любом из участков маршрута, приведет к полной или частичной потере данных. Следовательно, для эффективной реализации систем с сетевым кодированием необходимо совмещать его с помехоустойчивым кодированием, которое позволит обмениваться информацией в условиях внешних помех. Выбор методов помехоустойчивого кодирования при разработке аппаратного и программного обеспечения систем передачи данных (СПД) требует проведения предварительного численного моделирования, которое позволяет оценить, насколько тот или иной метод кодирования удовлетворяет требованиям технического задания на разработку системы передачи.

Для наглядной демонстрации, изучения и исследования принципов сетевого и помехоустойчивого кодирования авторами разработана структура лабораторного радиостенда, моделирующего топологию с ретрансляцией пакетов и состоящего из двух приемопередающих узлов и центрального узла-ретранслятора с применением внешнего источника радиопомех. Обобщённая блок-схема стенда показана на рис. 2.

Рисунок 2. Блок-схема лабораторного радиостенда

Каждый узел стенда содержит управляющий микроконтроллер с радиомодулем и интерфейс для подключения к ЭВМ по проводному и/или беспроводному каналу ввода-вывода (I/O).

В качестве управляющего микроконтроллера использован модуль ESP32 компании Espressif Sysmems на основе 32-разрядного микроконтроллера с тактовой частотой 240 МГц, поддерживающий аппаратные интерфейсы, необходимые для работы с приемопередатчиками и подключения периферийных модулей: запоминающего устройства для хранения настроек и записи результатов экспериментов, дисплея для вывода оперативных данных и клавиатуры для непосредственного управления узлом. Взаимодействие с управляющей ЭВМ предполагается через стандартные проводные стыки интерфейсов UART и USB а также по беспроводной сети Wi-Fi в частотном диапазоне 2,4 ГГц с использованием веб-интерфейса.

Для организации радиоканалов решено использовать радиомодуль LoRa Ra-02 компании Ai-Thinker на основе чипа Semtech SX1278, подключенный к микроконтроллеру по интерфейсу SPI и оснащенный разъемом IPEX для подключения внешней антенны, и радиомодуль Silicon Labs SI4463, использующий тот же интерфейс подключения. Выбранные модули работают в безлицензионном частотном диапазоне LPD (от 433,075 до 434,750 МГц). Использование двух типов радиомодулей, поддерживающих разные типы модуляции, позволяет проводить эксперименты в различных сценариях использования.

Структура предлагаемого стенда представлена на рис. 3.

Данная лабораторная установка может быть также использована в целях оценки методов защиты данных в радиоканалах от перехвата их третьими лицами. Для того, чтобы использовать лабораторный стенд для подобных исследований, в него необходимо добавить узел, осуществляющий прослушивание радиоэфира.

Рисунок 3. Структурная схема лабораторного стенда для исследования методов сетевого и помехоустойчивого кодирования

В дальнейшем предполагается расширить возможности стенда, модернизировав центральный ретрансляционный узел до маршрутизирующего узла с добавлением новых оконечных узлов и возможностью задавать маршрутные топологии.

Список литературы:

1. Ahlswede R., Cai N., Li S.R., Yeung R.W. Network information flow // IEEE Transactions on Information Theory. 2000. Vol. 46. Iss. 4. P. 1204-1216.
2. Fragouli C., Soljanin E. Network Coding Fundamentals // Foundations and Trends in Networking. 2007. Vol. 2. Iss. 1. P. 1-133.
3. Габидулин Э.М., Пилипчук Н.И., Колыбельников А.И., Уривский А.В., Владимиров С.М., Григорьев А.А. Сетевое кодирование // Труды МФТИ. 2009. Т. 1. № 2. С. 3-28.
4. Migabo M.E., Djouani K., Olwal T.O., Kurien A.M. A Survey on Energy Efficient Network Coding for Multi-hop Routing in Wireless Sensor Networks // Procedia Computer Science. 2016. Vol. 94. P. 288-294.
5. Halloush R., Liu H., Dong L., Wu M., Radha H. Hop-by-hop Content Distribution with Network Coding in Multihop Wireless Networks // Digital Communications and Networks. 2017. Vol. 3. Iss. 1. P. 47-54.
6. Amanowicz M., Krygier J. On Applicability of Network Coding Technique for 6LoWPAN-based Sensor Networks // Sensors. 2018. Vol. 18(6). P. 1-20.
7. Yeung R.W., Li S.R., Cai N., Zhang Z. Network Coding Theory, Foundation and Trendsr // Communications and Information Theory. 2005. V. 2. Iss. 4. P. 241–381.