Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/HardWare/Motorola/D19830825Elc023.shtml

Связь между портативным компьютером и центральной ЭВМ по радиоканалу

УДК 681.327.8

Джей Кребс (Jay Krebs)
Сектор средств связи фирмы Motorola Inc. (Шомберг, шт.Иллинойс)

Jay Krebs. Portable computer and host talk over radio-frequency link, pp.142—145.

Описана разработанная фирмой Motorola подвижная — с использованием каналов радиосвязи — система передачи данных между носимыми портативными компьютерами и стационарными (главными) ЭВМ. Сеть, содержащая до 60 базовых станций, может обслуживать до 1500 подвижных терминалов пользователей. В сети передачи данных, сходной с сетью телефонной связи, имеющей сотовидную топологическую структуру, многократно используются две рабочие частоты для входящего и исходящего радиоканалов (810 и 855 МГц). Приведены структурные схемы терминала и процессора сети.

Сочетая знания и опыт в области систем радиосвязи, технологии заказных микросхем и новейших методов компоновки, фирма Motorola разработала действительно портативную компьютерную систему, которая не только устраняет проблемы размеров и веса, но и рассчитана на непосредственную стыковку с существующими вычислительными установками независимо от наличия телефонной линии. Название «система» здесь вполне уместно, так как портативное устройство содержит весьма сложные средства связи, включая совершенные средства самоконтроля.

Созданная сектором средств связи при весьма важном вкладе сектора полупроводниковых устройств данная система выглядит как терминал, по размеру лишь немного больший карманного калькулятора (рис.1), но со сдвоенными 8-разрядными процессорами, ПЗУ емкостью 160 Кбайт и статическим ЗУПВ емкостью 20 кбайт (расширяемым до 80 кбайт). Кроме того, имея в своем составе модемы для радио- и проводного телефонного каналов, она обеспечивает возможность выбора каналов двусторонней передачи данных между пользователями и удаленными крупными компьютерами.


Рис.1. Снаружи и внутри. Внутри этого терминала размером с калькулятор скрывается весьма компактный компьютер. Для достижения целей разработки — функциональности и портативности — инженерам фирмы Motorola потребовалось несколько заказных БИС, корпусов со штырьковыми выводами и высокой плотностью монтажа и несколько гибридных микросхем памяти и регулировки питания в корпусах с однорядным расположением выводов.

За исключением ПЗУ емкостью 32К байт, используемых для хранения операционной системы, остальная память (включая кассетное ЗУ емкостью 32К байт) доступна для прикладных программ. Для решения более крупных задач в системе предусмотрена возможность связи портативных процессоров с удаленными центральными процессорами в целях запроса дополнительных данных и прогона более крупных программ, а также отправки сообщений электронной почтой.

Эта портативная система передачи данных рассчитана на обеспечение радиосвязи в обширных зонах обслуживания большого числа пользователей. Для решения этой задачи и достижения рентабельности в зоне обслуживания, охватывающей крупный город вместе с его пригородами, многократно используется единственная пара радиоканалов (на частотах 810 и 855 МГц для входящего и исходящего каналов связи соответственно) путем размещения базовых станций в пределах зоны обслуживания в соответствии с определенной стратегией и управления их работой при помощи ЭВМ. В этом отношении данная система напоминает радиотелефонные сети с сотовой структурой, где 666 радиоканалов повторно используются — при достаточном пространственном разнесении — для организации телефонной связи.

Работа системы связана с четырьмя основными компонентами сети: портативными терминалами данных, приемопередатчиками базовых станций, контроллерами каналов базовых станций и контроллером сети. Сообщения, инициируемые с портативного терминала, передаются по одному исходящему радиоканалу на частоте 810 МГц на один или несколько приемников базовых станций (рис.2). Ширина полосы частот каждого канала равна 25 кГц, а данные передаются со скоростью 4800 бит/с методом непосредственной манипуляции сдвигом частоты ВЧ-несущих.

Звездообразная топологическая схема. Процессор сети подвижной системы передачи данных фирмы Motorola — это центральное звено сети. Сопрягаясь с главны
Рис.2. Звездообразная топологическая схема. Процессор сети подвижной системы передачи данных фирмы Motorola — это центральное звено сети. Сопрягаясь с главными ЭВМ (числом до 4) и с базовыми станциями, управляющими каналами (числом до 60), процессор обслуживает до 1500 портативных терминалов.

Для борьбы с замираниями из-за многолучевости (ослабления сигнала, возникающие тогда, когда на приемник поступают несколько копий радиосигнала, не совпадающих между собой по фазе) каждая базовая станция оснащена приемниками, осуществляющими разнесенный прием с автовыбором по наибольшему отношению сигнал/шум ветви разнесения. Если сигнал принимается, то он демодулируется, и выделенная таким образом информация подается на контроллер каналов базовой станции.

Этот контроллер восстанавливает данные, декодирует сообщение, осуществляет обнаружение и исправление ошибки и подготавливает данные для передачи по наземной проводной линии на центральный процессор сети. Обмен информационными и управляющими (служебными) сообщениями между контроллером и центральным процессором осуществляется посредством специально разработанных модемов типа 201В и блока, реализующего стандартный протокол управления высокого уровня синхронной передачи данных (ВУПД), со скоростью 2400 бит/с.

Различие в скорости передачи по радиоканалу (4800 бит/с) и проводному каналу (2400 бит/с) появляется в результате применения свер-точного кода с исправлением ошибок при передаче по радиоканалу. Контроллер каналов обеспечивает перекрытие передачи данных по радиоканалу с передачей по проводному каналу, а тем самым — дуплексный режим работы и уменьшение задержек распространения сигналов в сети.

Процессор сети управляет работой до 60 базовых станций и обеспечивает стык с главными ЭВМ, число которых может достигать четырех. Путем сравнения идентификационного номера и времени поступления каждого принятого сообщения с предыдущими сообщениями от того же терминала с тем же идентификационным номером процессор сети сокращает число повторных сообщений до одного при условии, что сообщения поступают в пределах определенного интервала времени, обычно не более 20 мс.

Коль скоро процессор декодировал сообщение и его адрес, он направляет его в соответствующую главную ЭВМ. Поскольку каждый портативный терминал приписан к определенной главной ЭВМ посредством своего идентификационного номера, несколько ЭВМ могут совместно пользоваться данной сетью без конфликтов или взаимных помех.

Главная ЭВМ может инициировать сообщение портативному терминалу (или группе терминалов) путем придания информации надлежащего формата, введения соответствующих адресных данных и направления ее в процессор сети. Система будет пригодна для использования многочисленных методов адресования ЭВМ — терминал. Между процессором сети и контроллером каналов все данные сообщения, включая 16-разрядный адрес терминала, заключены в информационном кадре (цикле) ВУПД. Процессор сети воспринимает сообщение, предназначенное к передаче из ЭВМ, и выбирает наилучшую базовую станцию, через которую будет осуществляться связь с портативным терминалом.

Помимо упорядочения данных сообщения контроллер каналов обеспечивает процессор сети информацией о силе сигнала каждой копии сообщения (в каждой ветви разнесения). Представленные в цифровой форме данные о силе сигнала в сочетании с другой топологической информацией о сети используются процессором сети при выборе наилучшей базовой станции для обратной связи.

Если с данным портативным терминалом недавно сеанса связи не было или если он значительно переместился за время, истекшее после последнего сеанса связи, в процессор сети будет введен алгоритм поиска для определения местоположения этого терминала. Если выбор базовой станции произведен, осуществляется подготовка расписания передачи исходящего сообщения.

Так как имеется только один исходящий радиоканал, базовые станции, которые могут создавать взаимные помехи, одновременно не используются. В программе процессора сети реализуется сложный алгоритм составления расписания связи, обеспечивающий высокую степень повторного использования рабочих частот в системе связи. В типичном городе, в зависимости от объема обмена и распределения базовых станций по зоне обслуживания, по одной паре радиоканалов (входящему/исходящему) может работать до 1500 портативных терминалов.

Управление обменом с произвольным доступом

Если исходящее сообщение было послано на базовую станцию по проводным каналам, то контроллер каналов кодирует это сообщение для передачи по радио, используя методы кодирования с обнаружением и исправлением ошибок. Сообщение модулирует несущую таким же методом и с такой же скоростью 4800 бит/с, как в случае входящего канала. Чтобы реализовать требуемые малые времена включения/выключения, обеспечив вместе с тем высокую долговременную надежность в условиях непрерывной циклической работы, для этой системы связи был специально разработан передатчик базовой станции мощностью 45 Вт с рабочей частотой 855 МГц.

Использование раздельных входящего и исходящего радиоканалов увеличивает пропускную способность системы, позволяя базовым станциям принимать и обрабатывать входящие и исходящие сообщения одновременно. При организации радиоканалов используется метод управляемого конкурентного доступа.

Портативные терминалы конкурируют друг с другом за доступ к входящему каналу, используя метод, аналогичный многостанционному доступу с тональными сигналами занятости, обеспечивая быструю реакцию на трафик со случайной организацией. Чтобы уменьшить вероятность того, что терминалы будут мешать друг другу, в последовательности данных, передаваемой по исходящему радиоканалу, используются периодические двоичные импульсы, переносящие на терминалы информацию запрета.

Когда контроллер каналов, работающий в данный момент в режиме передачи, обнаруживает сообщение, принимаемое по входящему каналу, он начинает устанавливать (в состояние «1») биты индикатора запрета в последовательности данных, передаваемой по исходящему радиоканалу. Когда передаваемого исходящего сообщения нет, для передачи информации запрета используется сообщение незанятости канала. Контроллер и терминал осуществляют исправление ошибок в сообщениях, принятых по радиоканалу. Ошибки в сообщении, находящиеся за пределом исправляющей способности кода, обнаруживаются при помощи одной или нескольких проверочных последовательностей циклической избыточности, введенных в форматы сообщений. Ошибки, обнаруживаемые при помощи таких последовательностей, вызывают либо отрицательное подтверждение, либо отсутствие ответа от приемника сообщения.

Портативный терминал или процессор сети повторно передадут — до трех раз — сообщения, которые не были немедленно подтверждены или были отрицательно подтверждены ввиду необнаруживаемых ошибок. Другими словами, в системе связи предусмотрено исправление ошибок только за счет избыточного кодирования (без обратной связи) и исправления ошибок путем автоматического повторения сообщения (за счет обратной связи).

Структура терминала

Для реализации компактного и легкого терминала были спроектированы несколько заказных (специализированных) БИС и разработан новый метод компоновки и монтажа с высокой плотностью. Структурная схема аппаратурной реализации портативного терминала (рис.3) содержит два К/МОП-процессора типа 6801: один обеспечивает радиосвязь, а другой выполняет супервизорные функции и задачи, определяемые конкретным приложением. Помимо своих возможностей в области радиосвязи портативный терминал содержит телефонный модем на 300 бит/с, совместимый с модемом типа Bell-103, для использования за пределами зоны обслуживания сети.

Структурная схема терминала. Портативный терминал подразделяется на два модуля. Системный логический модуль содержит супервизорный процессор, ПЗУ на 1
Рис.3. Структурная схема терминала. Портативный терминал подразделяется на два модуля. Системный логический модуль содержит супервизорный процессор, ПЗУ на 160К байт (32К байт в виде сменной кассеты), ЗУПВ емкостью 20К байт, модем на 300 бит/с и параллельный порт стыка. Связной модуль содержит двухпортовую память, связной процессор, ВЧ-модем и компактную антенную систему.

Внешний соединитель ввода-вывода обеспечивает как последовательный, так и параллельный стык с закрепленной за ним областью памяти. Параллельный стык фактически является адресной и информационной шиной процессора с буферным ЗУ, которой выделена адресная память емкостью 256К байт. Поэтому совместимые внешние устройства и память можно стыковать с терминалом посредством этой шины.

Поскольку супервизорный процессор непосредственно обеспечивает только 64К байт логического адресного пространства, была разработана специализированная К/МОП БИС с кремниевым затвором, осуществляющая преобразование формата памяти. Преобразователь формата памяти делит физическое адресное пространство емкостью 1 Мбайт на сегменты по 4К-байт, которые могут быть отображены в любой 4К-байт сегмент 64К-байт логического адресного пространства процессора, в 4К-байт границах. Преобразователь формата памяти обеспечивает также все декодирование по выбору БИС для устройств, управляемых непосредственно из супер-визорного процессора. Кроме того, выполняются функции прерывания маскированием и идентификации прерывающего устройства.

Выделенные процессоры: удвоенная производительность

Специализированная двухпортовая К/МОП БИС — ЗУ емкостью 256 байт с семафорами — обеспечивает стык между супервизорным и связным процессорами. Одна из целей разработки портативного терминала заключалась в том, чтобы оставить как можно больше ресурсов по обработке данных супервизорного процессора для решения прикладных задач пользователем или для развития системы в будущем. Эта цель привела к принятию двухпроцессорного подхода при определении структурной схемы терминала с тем, чтобы перегрузить связные задачи на выделенный процессор.

Двухпортовое ЗУ было выбрано в качестве стыка между процессорами потому, что оно требует меньше дополнительных программных средств, чем последовательный или параллельный стык. Кроме того, ему присущ буферный режим работы, и конкуренция за доступ контролируется простыми аппаратными семафорами.

Система программных средств для портативного терминала имеет ряд особенностей. Ее ядром является многозадачная исполнительная управляющая программа, которая позволяет выполнять несколько программ или задач одновременно. Поэтому связные операции могут производиться в то время, когда идет прикладная программа.

Управляющая программа также обеспечивает пользование внешней памятью на базе ЗУПВ, позволяя прикладным программам получать доступ к данным по имени файла, и предохраняет данные от обращений различных программ. При наличии внешней памяти многие сообщения переменной длины можно накапливать, выбирать и просматривать последовательно на дисплее терминала, построенном на жидких кристаллах и имеющем размер две строки на 27 столбцов. Сообщения (радио или телефонные) передаются к прикладным программам, использующим эту систему внешней памяти, что обеспечивает возможность терминала выполнять экранирование, шифрование, сжатие данных и придание им формата перед передачей. Сообщения, передаваемые из главной машины, могут аналогичным образом перехватываться прикладной программой для выполнения дешифрования, восстановления исходного объема (расширения) данных и преобразования формата перед представлением оператору.

Программные средства организации связи обеспечивают передачу сообщений в системе. В передаче одного сообщения может содержаться до 760 байт данных пользователя. Кроме того, любое число их может быть объединено в последовательную цепочку — в виде раздельных передач, — образуя сообщение такой длины, какая нужна пользователю для осуществления обмена информацией. Программа организации связи разъединяет и вновь объединяет сообщения, используя информацию о последовательности и управлении, которая переносится заголовками сообщений.

Управление работой сети посредством центрального процессора

Процессор сети является главной частью системы. По своим функциям он сходен с групповым контроллером для сети терминалов с жестко закоммутированной программой.

Титичная численность портативных терминалов— примерно 1500 шт. Они вполне могут создать достаточную нагрузку сети, особенно в часы пик рабочего дня. С учетом повторного использования рабочих частот в системе радиосвязи ее емкость, измеряемая числом каналов связи, легко может превысить пропускную способность процессора сети.

Вследствие этого структурная схема процессора сети построена на основе платы печатного монтажа с микропроцессорными ИС типа 68000, которая функционирует как супервизорный процессор (рис.4). Помимо ИС типа 68000 на тактовую частоту 8 МГц плата содержит также частное ЗУПВ емкостью 128К байт, программируемое ПЗУ на 64К байт для обеспечения самоконтроля, два последовательных канала связи и параллельный канал ввода-вывода. Эта плата обменивается информацией с платами восьмика-нального «разумного» контроллера (ВКРК) и с платой ЗУПВ исправления ошибок емкостью 512К байт, которую она использует совместно с платами ВКРК по 16-разрядной высокоскоростной информационной шине.

Модульное мультипроцессорное управление. Структурная схема процессора сети может быть построена для работы с четырьмя главными ЭВМ и 60 базовыми станц
Рис.4. Модульное мультипроцессорное управление. Структурная схема процессора сети может быть построена для работы с четырьмя главными ЭВМ и 60 базовыми станциями в зависимости от географических потребностей и условий применения. В максимальном варианте для достижения распределенного управления и нужного быстродействия используется 17 микропроцессорных БИС типа MC68000.

Система программных средств процессора сети подразделяется между супервизорной подсистемой, которая работает от супервизорной платы, и связной подсистемой сети, которая повторяется в каждом ВКРК. Подсистема программных средств ВКРК обеспечивает связь как главной ЭВМ, так и контроллера каналов. Средства обеспечения связи главной ЭВМ определяются конкретной реализацией системы. В настоящей системе это полнодействующий интерфейс, работающий со скоростью передачи 9600 бит/с по протоколу управления линией синхронной передачи данных и по протоколу системной архитектуры сети. Стык между платами ВКРК и контроллерами каналов обеспечивается приставкой, работающей по протоколу ВУПД со скоростью 2400 бит/с независимо от конкретных конфигураций системы.

Выявление неисправностей в сети

При проектировании данной системы особое внимание было обращено на проблему определения неисправностей сети. При большом числе базовых станций и телефонных каналов важным требованием к системе была возможность дистанционной проверки. Но первый шаг в этом направлении — выявление отказа в некоторой части сети. Эта задача решается многоуровневой системой определения неисправности и встроенных средств контроля, работающих в оперативном (неавтономном) режиме.

Первый уровень этой системы — выявление наличия неисправности в сети или такого ухудшения некоторого компонента сети, которое ведет к неизбежному отказу. Ответственные (критические) тракты сети связи и центры обработки непрерывно контролируются на работоспособность собственными средствами и соседними узлами сети. При обнаружении отклонения от нормы в главную ЭВМ посылается тревожное сообщение.

Базовая станция содержит многочисленные датчики, контролируемые контроллером каналов. Такие параметры оборудования, как мощность радиопередачи, мощность отраженных радиосигналов, температура теплоотвода усилителя мощности и состояние синхронизма генератора, управляемого напряжением, предупреждают об отказе базовой станции или антенной системы. Осуществляется также накопление данных и по другим (статистическим по своему характеру) параметрам, как, например, коэффициенты ошибок, число повторных передач сообщений и число обнаруженных групповых (пакетных) ошибок. Второй уровень средств выявления неисправностей — встроенные средства проверки, рабо-такщие в неавтономном режиме. Когда опознается состояние тревоги или подозревается ухудшение рабочих характеристик, в рассматриваемой части сети может быть запрошен целый ряд проверочных средств — без прерывания прохождения потоков данных. Широко используются испытания по шлейфу, когда посылаются сообщения с известной временной структурой и получаемый результат сравнивается с исходным сообщением. Каждый тракт имеет несколько точек отводов обратной связи для обеспечения выявления неисправности. Все тракты базовой станции могут быть заведены шлейфом на интерфейс модема процессора сети, внутрь этого модема и на аналоговые и цифровые секции удаленного модема.

Шлейф от передатчика базовой станции можно подать на ее приемник через радиоизмерительный преобразователь, образуя таким образом схему сквозной проверки тракта от одного конца до другого. Наконец, можно также осуществить шлейф на портативный терминал с автоматическим приемом-передачей ответного сообщения.

Состояние программных средств также можно улучшить и проверить с тракта службы дистанционного контроля. Возможность дистанционного контроля системы — важный шаг в обеспечении быстрого выявления неисправностей, малого времени ремонта благодаря использованию заменяемых в условиях эксплуатации узлов, блоков и устройств и высокой степени готовности системы.

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 56, No.17 (673), 1983г - пер. с англ. М.: Мир, 1983, стр.49

Electronics Vol.56 No.17 August 25, 1983 A McGraw-Hill Publication

Jay Krebs. Portable computer and host talk over radio-frequency link, pp.142—145.

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Техника связи





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:44 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/HardWare/Motorola/D19830825Elc023.shtml