1.5. Канальный уровень: разработка подсистемы управления доступом к среде, проработка процедур гарантированной/негарантированной доставки служебных и информационных сообщений.

1.5.1. Определение и краткая характеристика возможных режимов работы терминала разрабатываемой радиосети (на основании п.1.1-1.4). Выделение активного и пассивного состояний терминала, характеристика задач, выполняемых терминалом в этих состояниях. Анализ возможных решений по обеспечению энергосбережения.

          Определимся с режимами работы терминалов радиосети. Все режимы будут делиться на активные и пассивный. В пассивном состоянии в целях энергосбережения мы могли бы отключить радиомодуль, но это породит ряд трудностей. К тому же, радиомодуль потребляет очень мало энергии, как и весь терминал в целом, поэтому, его отключение не логично для этой цели. Далее пассивное состояние терминала будем отождествлять с режимом ожидания команд от точки доступа.  

     Активное состояние – состояние, при котором терминал работает в режиме приема/передачи. Подробнее рассмотрим режимы этого состояния:

1.     Режим приема. Режим, когда терминал подтвердил (механизм служебных сообщений ARQ, сообщение подтверждения - ACK) возможность приема информационного сообщения от точки доступа. Это информационное сообщение с изменением параметров освещения лампы пользователь формирует с помощью программы, которая посредством АРМ передает его на точку доступа и далее ретранслируется терминалу.

2.     Режим передачи. Во время этого режима терминалом передается пакет телеметрии на точку доступа, которая ретранслирует его на АРМ. Режим передачи такого сообщения осуществляется через каждый интервал времени, заданный пользователем, или по запросу пользователя вне этого интервала.

1.5.2. Обоснование назначения, способа реализации и основных параметров физических каналов связи. Аргументированный выбор способа организации доступа к физическим каналам, подробное пояснение алгоритма множественного доступа. Анализ возможных причин возникновения коллизий в радиосети и пояснение решения по их устранению.

            На физическом уровне должна быть обеспечена задача надежной передачи от ТД к терминалу и обратно потока битов, поступающего с канального уровня. Выполняются следующие функции:

1.     Обеспечение синхронизации. В разрабатываемой радиосети необходимо    использовать битовую синхронизацию.

2.     Модуляция. Выполняется на физическом уровне при передаче всего сообщения в канал.

3.     Помехоустойчивое кодирование (Forward Error Correction - FEC);

     В качестве метода множественного доступа к физическому каналу связи будет используется метод ALOHA. Особенностью системы ALOНА является то, что все терминалы в этой системе являются равноправными – все они имеют равное право доступа к каналу. Точка доступа может начать передачу в любой момент, как только у нее будут данные, которые необходимо передать. Также, вполне возможно, что терминал начнет передачу сообщения телеметрии приблизительно в то же время. Подобная одновременная передача приведет к коллизии. В таком случае, если пакет был искажен, требуется, чтобы передающее устройство выждало небольшой случайный промежуток времени, прежде чем осуществить повторную передачу. Случайность времени ожидания уменьшает вероятность того, что между конкурирующими участниками сети снова произойдет коллизия, так как при этом времена ожидания будут скорее всего различными и это приведет к тому, что повторные передачи начнутся в различные моменты времени. Тем не менее этот чисто случайный механизм может быть улучшен за счет применения более эффективной стратегии использования канала, которая называется Слотовая АLОНА. Её принцип заключается в том, что точка доступа поочередно отправляет выбранным терминалам запросы о нахождении в сети данного терминала (рис.1) , и ждёт ответа от терминала о готовности принять команду. При отправке ответа все время передачи от терминалов разделяют на слоты – для каждого терминала используется один кадр передачи на слот. Передача может начаться только в начале слота. Если время передачи одного пакета составляет N секунд, то возможно успешно передать данные если ни один из терминалов не начал передачу в течение N секунд. Поэтому для успешной передачи сообщения требуется 2*N секунд, где N -  время передачи пакета.

Рис.1. Множественный доступ к каналу связи.

Так же осуществляется передача сообщения от терминала с содержанием телеметрических данных. Прежде чем терминалу начать передачу данных, необходимо отправить короткий запрос на точку доступа и при условии выделения для него канала связи от точки доступа, начать передачу пакета телеметрии. Если пакет был передан с ошибкой, то терминал заново проходит процедуру борьбы за канал и передает сообщение точке доступа. 

При широковещательной отправке сообщения в пакете канального уровня в поле «Отчет о доставке» отсутствует флаг о необходимости доставки отчета, поэтому для обеспечения надежной передачи сообщение с командой от точки доступа отправляется выбранной группе(или всем терминалам) несколько раз подряд.

1.5.3. Пояснение способа двустороннего обмена сообщениями по радиоинтерфейсу

Двусторонний обмен сообщениями осуществляется только по команде от АРМ. В составе любой поступающей на терминал команды имеется запрос данных телеметрии.

     Двусторонний обмен сообщениями осуществляется посредством полудуплекса - режима, при котором, в отличие от дуплексного, передача ведётся по одному каналу связи в обоих направлениях. Полная скорость обмена информацией по каналу связи в данном режиме имеет вдвое меньшее значение, по сравнению с дуплексом. В разрабатываемой системе объем передаваемых данных не велик, т.е. большую часть времени канал передачи данных будет свободен, соответственно высокая скорость передачи данных не так критична.

     Следует также понимать, что устройство, которое работает только на прием (на самом деле оно все равно будет передавать служебные пакеты) все равно занимает канал, и другие устройства передавать в это время не могут. 

1.5.4. Обоснование необходимости и пояснение способа контроля качества радиоканала. Пояснение сценария контроля качества канала связи, реакция сценария на ключевые состояния качества радиоканала.

   Контроль качества радиоканала необходим для адекватного функционирования сети в целом. По требованию ТЗ вероятность ошибки на бит допускается не более Pb = 10-4, поэтому  основным методом контроля качества канала связи  будет мониторинг ошибок, возникших на физическом уровне.

1.5.5. Построение сценария установления соединения и доставки сообщений верхнего уровня. Пояснение диаграммы состояний сетевого узла, отражающей основные элементы разрабатываемого сценария.

     Как только точка доступа сформировала список доступных терминалов, сразу начинает целевой опрос каждого из этого списка. Для начала точка доступа формирует сообщение запроса данных. Терминал, выходя из режима ожидания, принимает этот запрос и считывает телеметрию, формирует пакет для передачи и отправляет его. Если пакет телеметрии передан успешно, то возможно осуществить передачу команды на терминал. В противном случае, запрос телеметрии будет передан повторно.

Рисунок 2. Сценарий передачи данных

На Рис. 3 представлена диаграмма состояний сетевого узла, отражающая основные элементы разрабатываемого сценария. Видим, что ТД, получив команду от АРМ, формирует список терминалов, после чего выбирает один терминал из списка, которому адресована команда и синхронизируется с ним. После чего осуществляет проверку данных телеметрии. Это необходимо в целях уверенности в безопасном увеличении мощности освещения. Если данные в порядке, то осуществляется передача сообщения с изменением настроек освещения. Если команда передана успешно, точка доступа возвращается в режим ожидания команд от АРМ.

Рисунок 3. Диаграмма состояний сетевого узла

1.5.6. Анализ задач, выполняемых на канальном уровне. Выделение типов логических каналов связи (ЛКС), которые будут использоваться на канальном уровне, и краткое пояснение назначения сообщений ЛКС. Способы обеспечения достоверности принимаемых сообщений в каждом ЛКС, анализ необходимости подтверждения доставки сообщений и механизма ARQ в процессе передачи

     Основными задачами, выполняемыми на канальном уровне, являются предоставление доступа к физическому каналу, организация логических каналов, а также обеспечение надёжной передачи сообщений в пределах сети.

Будут задействованы следующие логические каналы связи (ЛКС):

1. BCCH – для обеспечения передачи широковещательных сообщений;

2. SACCH – для обеспечения передачи сообщений управления;

3. TCH – для передачи сообщений трафика.

Для широковещательных сообщений и сообщений управления требуется ввести оценку достоверности принятых сообщений. Для этих целей будет применен избыточный циклический код CRC - 12 - элемент, позволяющий проводить оценку достоверности принимаемой информации. Суть этого метода заключается в том, что будет рассчитываться контрольная сумма для принятых данных, и сравниваться с контрольной суммой, которая была получена в составе сообщения. На основании этого делается вывод о корректности приема сообщения

Если пакет был принят правильно (неправильно), то точкой доступа формируется соответствующее сообщение, передающееся терминалу, в котором указывается номер неправильно принятого пакета в случае неточного приёма (NAK – сообщение). В таком случае терминалу следует повторить передачу. Таким образом, можно сказать что, в разрабатываемой сети реализован механизм ARQ-сообщений, что в совокупности с использованием CRC-12 сильно повышает достоверность передачи сообщений в сети.

1.5.7. Проработка протокола передачи данных канального уровня: пояснение правила передачи сообщений различных ЛКС, обоснование структуры полей сообщений канального уровня, построение блок-схем алгоритмов приема/передачи сообщений.

Рассмотрим прием служебных сообщений. Служебная информация подразделяется на широковещательную (передается по каналу BCCH всем терминалам в зоне радиопокрытия) и адресную (передается по каналу SАCCH конкретному терминалу). При декодировании данного сообщения терминал должен предпринять следующие действия:

1. Определить тип сообщения и к какому каналу оно относится с помощью информации, содержащейся в заголовке сообщения (адресное или широковещательное).

2. Проверить достоверность переданной информации, вычисляя контрольную сумму и сравнивая ее с полученным на передающей стороне значением (поле «CRC»);

3. Выделить информационную часть, в которой содержится полезная часть сообщения (DATA);

4. Сформировать и передать отчет о доставке, ACK или же NAK (если это сообщение трафика).

Рассмотрим процесс обработки сообщений различного типа канального уровня.

 1. Сообщение, передающееся по широковещательному каналу BCCH (Рис. 4), будет содержать в себе (58 бит):

1) ID сети.

2) Поле «тип» – указывает на тип сообщения (00 - широковещательное сообщение, 01 - служебное сообщение, 10 - сообщение трафика).

3) ID group – поле, в котором прописываются адреса терминалов, входящих в группу, которой адресовано сообщение.

4) Data – информационная часть.

5) CRC-12 – поле, содержащее результат расчета контрольной суммы.

Рисунок 4.  Структура широковещательного сообщения

2. Сообщение трафика  (Рис. 5), будет содержать в себе (54 бит):

1)     ID терминала – адрес терминала.

2)     Поле «тип» – указывает на тип сообщения (10 – сообщение трафика).

3)     Data – информационная часть, содержащая данные телеметрии. Разделена на два равных блока по 16 бит. Один для значения температуры, второй – для напряжения.

4)     СRC-12.

Рисунок 5.  Структура сообщения трафика

3. Сообщение, содержащее данные управления освещением (Рис. 6) будет содержать в себе (30 бит):

1)     ID терминала – адрес терминала.

2)     Поле «тип» – указывает на тип сообщения (01 – служебное сообщение).

3)     Data – информационное поле, содержащее команду установки освещения. В восьми битах содержатся: 4 бита команды и 4 бита ее значения. Например, «увеличить яркость» на «5» единиц: [0001 0101].

4)   СRC-12.

Рисунок 6. структура служебного сообщения