Курсовая работа

по дисциплине "Системы и сети связи с  подвижными объектами".

Тема: "Локальная радиосеть"

Часть 1.

       Выполнила:

       ст. гр. 319 

       Митрохина Дарья                                                                                                                                                                        

    В данной курсовой работе требуется разработать систему, предназначенную для объединения в единую радиосеть различных электронных устройств, с целью оперативного обмена данными. Каждый пользователь сети должен получать в реальном масштабе времени информацию о других активных терминалах и иметь возможность обмена сообщениями с каждым из них.

         Требования к системе:

  -   возможность организации конфиденциальной группы пользователей;

  -   максимально возможное энергосбережение терминалов.

    Исходные данные к проекту

 Максимальное количество абонентов в сети: 45

 Радиус зоны обслуживания: 100 м

 Максимальная скорость передачи данных в обоих направлениях: 4Мбит/с

 Тип местности: городская застройка

 Вероятность ошибки на бит, не более P_b: 5*10^-7

 Мощность излучения подвижной станции Р_изл: < 0,25 Вт

 Рекомендуемая технология передачи: OFDM 

 PR: 85%

 Диапазон частот, вид модуляции выбирается самостоятельно

    1.1. Обоснование предполагаемой архитектуры решения, пояснение задач и схемы взаимодействия "пользователь - радиосеть - другие пользователи". Проработка состава сетевого терминала (выделенного узла сети), отражающего выполнение возлагаемых на объект задач. Характеристика и пояснение практической реализации следующих задач точки доступа: "каждый пользователь сети должен получать в реальном масштабе времени информацию о других активных терминалах и иметь возможность обмена сообщениями с каждым из них; максимально возможное энергосбережение терминалов " - пояснение стратегии по отношению к терминалам "обнаружил сеть/получил сведения/зарегистрировался/приступил к исполнению задач пользователя", анализ предполагаемых видов данных, способов отправки и получения сообщений; проработка примера подготовки сообщений.

         В качестве примера рассмотрим территорию медицинского комплекса, состоящего из нескольких зданий. В основном на проектируемую систему ложится задача передачи текстовой и графической информации. Также необходимо ограничить доступ «нежелательным» пользователям в систему, для этого администратором составляется список абонентов, которые могут получить доступ в сеть.

Выберем конфигурацию сети, которая позволит обеспечить требуемые ее характеристики.

Существует два разных подхода к реализации:

-структурированные сети;

-сети типа «Ad Hoc».

    Для разрабатываемой сети выбрана структурированная конфигурация. Сети «Ad Hoc» не подходят для нашего случая, так как в них не предусмотрено наличие администратора, который контролирует работу сети, а по заданию нам нужно обеспечить организацию конфиденциальной группы пользователей.

    На рисунке 1 представлена схема организации структурированной сети.

                                            Рисунок 1- Схема организации структурированной сети.

     Точка доступа решает следующие задачи:

    -      широковещательная рассылка системной информации (ID сети, идентификатор точки доступа);

    -        организация соединения между терминалами;     

    -        аутентификация и идентификация абонентов;

    -        синхронизация всех абонентских терминалов;

    -        хранение принятой или передаваемой информации до получения отчета о доставке/приеме от необходимого терминала и формирование собственного отчета терминалам.

Задачи терминала:

-      прослушивание канала для получения широковещательных данных о сети;

-         формирование и передача запроса точке доступа на регистрацию и предоставление канала связи;

-         формирование и передача сообщения и отчета о доставке;     

-         синхронизация с сетью;       

-         переключение между активным и пассивным режимами.

    По средствам проектируемой радиосети пользователь может обменивать информацией с другими пользователями, подключенными к данной сети. Пользователь взаимодействует с сетью через специальное программное обеспечение (приложение), установленное на пользовательское устройство, которое в общем случае представляет собой персональный компьютер или ноутбук. Подключение пользовательского устройства к сети выполняется с помощью внешнего терминала, который соединяется с ним по стандартному интерфейсу (например USB). Для обеспечения конфиденциальности данных, передаваемых в сети, пользователь при подключении указывает логин и пароль, которые передаются точке доступа, и если они верны, то терминал подключается к сети. Теперь в приложении пользователю доступны список активных пользователей (терминалов), подключенных к сети. Пользователь может создавать сообщения и отправлять их, а также просматривать принятые сообщения от других пользователей.

         Для того, чтобы точка доступа могла выполнять возлагаемые на нее задачи, она должна иметь следующий состав:

Радиомодуль -отвечает за формирование радиосигнала и достоверный прием потока битов.

Информационная система – содержит: статистику о работе сети, данные о терминалах сети, параметры работы сети.

Блок управления -  обеспечивает взаимодействие всех элементов точки доступа, контролирует их работу и реализует алгоритм работы ТД.

Буфер отвечает за хранение данных в процессе их передачи от одного терминала к другому.

        В состав терминала входят:

Радиомодуль -выполняет такую же функцию, как и в ТД.

Буфер - отвечает за временное хранение принимаемых и передаваемых данных.

Информационная система - хранит следующую информацию: статистику работы терминала; уникальный идентификатор терминала.

Блок преобразования данных - выполняет функцию формирования сообщений из пользовательских данных и преобразование получаемых из сети сообщений.

Блок управления - обеспечивает взаимодействие всех элементов терминала, контролирует их работу, выполняет обработку широковещательной информации, принимает решение об изменении режима работы терминала.

Интерфейс взаимодействия с устройством пользователя - обеспечивает обмен информацией между пользовательским устройством обработки и отображения данных и терминалом.

Чтобы знать, кому он может отправить сообщение, пользователь должен обладать информацией об активных в данный момент терминалах. За отслеживание состояния подключенных к сети терминалов отвечает точка доступа, которая хранит у себя в памяти список активных терминалов, обновляет этот список при отключении или подключении терминалов в сети, и регулярно информирует все терминалы о текущем состоянии списка активных терминалов по средствам рассылки широковещательных сообщений с этим списком.

Для обеспечения максимально возможного энергосбережения терминала, в отсутствие данных для приема или передачи он переходит в спящий режим. Выход терминала из спящего режима при необходимости передачи происходит по сигналу от пользовательского устройства. Чтобы обеспечить прием сообщений, терминал автоматически переходит в активный режим через определенный интервал времени (интервал может изменяться в зависимости от требований к энергоэффективности и быстродействию). При этом терминал выполняет прием широковещательного сообщения от точки доступа, в котором содержится информация о наличии у точки доступа новых сообщений для терминалов сети. Если терминал обнаруживает, что для него есть сообщение, то он остается в активном режиме и переходит к приему сообщений, иначе терминал уходит в спящий режим до следующего плавного «пробуждения».

 Стратегия действий терминала для доступа к сети может быть описана следующим образом. Терминал прослушивает канал для обнаружения существующих сетей. Обнаружив передачу по некоторому каналу, терминал получает данных о сети, которые передаются точкой доступа в широковещательном режиме. Получив данные сети, терминал формирует и передает точке доступа запрос на регистрацию в сети. На основе полученной от терминала информации точка доступа принимает решение о регистрации терминала в сети, либо отказывает терминалу в регистрации, и передает соответствующее сообщение терминалу. Получив подтверждение регистрации, терминал переходит в режим работы в сети и готов к приему и передаче данных.

    В процессе функционирования сети между ее элементами (терминалами и ТД) передаются служебные и информационные сообщения. Служебные сообщения необходимы для организации работы сети. К таким сообщениям в первую очередь относятся широковещательные сообщения, передаваемые точкой доступа для информирования терминалов о параметрах сети, об активных терминалах сети, о наличии у точки доступа данных для конкретного терминала. Также к служебным сообщениям относятся сообщения, служащие для обеспечения множественного доступа к единому частотно-временному ресурсу. Информационные сообщения содержат в себе данные, передаваемые от одного пользователя к другому.Помимо этого, информационные сообщения содержат информацию о том, кому они предназначены, и кто является отправителем сообщения.  В зависимости от типа и размера передаваемых данных, сообщение может состоять из одного или нескольких пакетов.  Каждый пакет помимо данных содержит в себе заголовок. Заголовок состоит из нескольких полей, содержащих служебную информацию.

    1.2. Анализ видов информационных сообщений, выделение источника каждого конкретного сообщения и получателя. Подробный анализ "жизненного цикла" сообщений - от события, инициирующего появление сообщения, до момента его исполнения на приемной стороне. Проработка структуры информационных сообщений.

    В общем случае локальная радиосеть предназначена для передачи разного рода информации. Виды передаваемой информации зависят от того, для каких целей используется радиосеть. Например, в случае использования в медицинском учреждении такой информацией могут быть медкарты пациентов, представляющие собой файлы данных, содержащих структурированную информацию разного рода. Общей характеристикой в передаваемой по сети информации является то, что изначально она хранится в виде файле на конченом пользовательском устройстве, которое подключается к радиосети через пользовательский терминал. Часть ПО терминала, которая выполняется на пользовательском устройстве отвечает за преобразование пользовательских данных к универсальному виду, в котором эти данных потом передаются по сети. Под универсальным представлением данных понимается их представление в виде непрерывного набора бит заданного размера. Именно такое универсальное представление данных будет считаться информационным сообщением. Схематичное изображение информационного сообщения представлено на рисунке 2:

 Рисунок 2-  Схематичное изображение  информационного сообщения.

В заголовок входит размер передаваемых данных, идентификатор отправителя (на уровне приложения) и идентификатор получателя (на уровне приложения).

    Источником и получателем любого информационного сообщения в сети является конечное пользовательское устройство, подключаемое к сети через пользовательский терминал. ТД не может являться ни источником, ни получателем информационного сообщения, она лишь выполняет функцию посредника между пользовательскими терминалами.

Жизненный цикл информационного сообщения состоит из следующих этапов:

-На конечном пользовательском устройстве пользователь создает сообщение

-Это сообщение преобразуется к универсальному представлению и передается пользовательскому терминалу для передачи по сети

- Терминал убеждается, что терминал назначения активен.

-Пользовательский терминал осуществляет передачу информационного сообщения точке доступа

- Точка доступа, получив данные и сохранив их в буфере, через широковещательный пакет информирует терминал назначения о том, что для него есть сообщение.

- ТД сети, получив от терминала-назначения подтверждение о том, что он готов к приему данных, ретранслирует информационное сообщение

-Терминал передает сообщение оконечному пользовательскому устройству, которое выполняет преобразование его из универсального вида к удобному для отображения виду

-Пользователь оконечного устройства получает сообщение.

    1.3. Краткая характеристика целевого ПО терминала (выделенного узла сети), пользовательского интерфейса (интерфейса взаимодействия с внешним объектом). Практическое пояснение способа предоставления телекоммуникационных услуг сетью с учетом изложенных особенностей ПО и материала п.1.1, 1.2.

Краткая характеристика целевого ПО выделенного узла сети

    ПО служит в первую очередь для реализации всех требуемых функций выделенного узла связи. Оно обеспечивает работу отдельных элементов узла связи и их взаимодействие. Параметры данного ПО определяют режим функционирования узла связи. Данные параметры могут изменяться в процессе функционирования узла связи администратором сети. Для этого у ПО предусмотрен интерфейс, с помощью которого параметры могут быть изменены. Доступ к этому интерфейсу имеет только администратор сети. К параметрам относятся режимы работы, свойства сети, например, её имя, список допустимых абонентов. Помимо этого, интерфейс ПО позволяет администратору получить информацию о текущем состоянии узла связи, подключенных абонентах, а также статистическую информацию о работе узла связи, например, время работы, сколько данных было передано и т.д. Доступ к интерфейсу администрирования точки доступа может осуществляться не только из организуемой сети, но и удаленно через внешнюю интернет-сеть. При этом требуется, чтобы ТД была подключена к интернету. Для обеспечения требуемого уровня конфиденциальности передаваемой в сети информации через интернет можно получить доступ только к параметрам точки доступа, но доступ к информации, передаваемой внутри сети, получить невозможно. На случай сбоя работы ТД выполняется резервное копирование ее параметров как в энергонезависимую память внутри самой ТД, так и в облачное хранилище, доступ к которому осуществляется через сеть интернет.

Рисунок 3 – внешний вид интерфейса точки доступа

    На абонентских устройствах установлено другое ПО. Оно в первую очередь реализует все требуемые функции путем управления элементами абонентского устройства и их взаимодействием, а также предоставляет пользовательский интерфейс, с помощью которого пользователи сети могут воспользоваться предоставляемыми сетью сервисами.

   Пользовательский интерфейс позволяет подключаться к сети, используя допустимую пару логин/пароль, а также передавать данные по сети, включая текстовые и графические сообщения.

Рисунок 4 – внешний вид интерфейса пользовательского ПО в режиме передачи сообщений

Способ предоставления телекоммуникационных услуг сетью

 Запускается выделенный узел сети. Администратор через интерфейс выделенного узла задает параметры сети. Администратор создает список пользователей и генерирует для них пары логин/пароль. Данные для авторизации передаются абонентам через альтернативный канал передачи данных (например, на бумаге). После этого точка доступа переходит в нормальный режим работы, в котором она регулярно передает широковещательные сообщения, содержащие сведения сети, и ожидает подключения терминалов. Пользователь включает абонентский терминал. Терминал по широковещательному сообщению обнаруживает доступную сеть и через интерфейс запрашивает у пользователя данные, необходимые для подключения к сети. Пользователь вводит пару логин/пароль для подключения к сети. Терминал формирует сообщение на основе введенных пользователем данных и передает его точке доступа. После этого терминал ожидает решения от точки доступа. Если были введены допустимые логин/пароль, то терминал подключается к сети и готов к приему-передаче сообщений. Если точка доступа отказала терминалу в подключении, то он выводит сообщение об этом и предлагает пользователю повторно ввести данные, необходимые для подключения.

При передаче сообщения пользователь через приложение, установленное на пользовательском устройстве, создает новое сообщение и отправляет его. При этом данные сообщения передаются терминалу, который выполняет разбитие их на части и формирует пакты передачи. Далее терминал запрашивает у точки доступа разрешение на передачу данных и, получив его, передает данные точке доступа. Точка доступа,принимая данные, сохраняет их в промежуточный буфер и через широковещательное сообщение уведомляет терминал-получателей о наличии для него сообщения.

Терминал-получатель, проснувшись принимает широковещательное сообщение от точки доступа и понимает, что для него есть сообщение. Терминал сообщает точке доступа о том, что он готов к приему, после чего точка доступа начинает передавать ему данные. По завершении передачи точка доступа стирает данные из буфера. Терминал, накапливает данные, собирает их и через интерфейс передает на пользовательское устройство. Пользовательское устройство, получив данные от терминала отображает полученное сообщение на мониторе.

    1.4. Обоснование иерархических моделей объектов радиосети - как транспортной сети доставки информационных и служебных сообщений согласно сценариям ее работы. Построение обобщенной иерархической схемы радиосети, отражающей схему взаимодействия "пользователь - радиосеть - объект управления". Характеристика радиоинтерфейса сети.

Рисунок 5 – Иерархическая структура.

         Уровень L3 (уровень принятия решений) на основе данных, полученных с нижних уровней, принимает решения о дальнейших действиях системы.

         Уровень L2 (канальный уровень) определяет функции управления передачей информации по каналу связи между двумя узлами. К ним, в первую очередь, относятся упаковка передаваемой информации в кадры определенной длины, формирование проверяющих символов и проверка содержимого кадров после их передачи, передача и прием подтверждений о приеме кадров, повторная передача неподтвержденных кадров.Кадр, формируемый на канальном уровне имеет поле данных и заголовок. Пакет данных на канальном уровне помещается в поле данных, а заголовок кадра заполняется адресом получателя, служебной информацией.

         В задачи канального уровня также входит обеспечения корректности передачи каждого кадра. Для этого фиксируются границы кадра, помещая специальную последовательность бит в начало и конец каждого кадра, чтобы отметить его, а также вычисляет контрольную сумму, суммируя все байты кадра определенным способом и добавляя контрольную сумму к кадру. Происходит передача средствами физического уровня по каналу связи на физический уровень получателя. Этот уровень передает полученные биты канальному уровню, который формирует кадр и снова вычисляет контрольную сумму полученных данных и сравнивает результат с контрольной суммой из кадра. Если они совпадают, кадр считается правильным и принимается. Если же контрольные суммы не совпадают, то фиксируется ошибка. На основании этого формируется пакет подтверждения приема либо повторной передачи.

      На уровне L1 (физическом уровне) выполняются процессы, связанные с надежной передачей потока битов, поступающего с канального уровня.  В данной системе физический уровень предназначен для передачи потока данных от терминала к точке доступа и наоборот.

Используемая литература:

1)  Бакке А.В. "Лекции по курсу Системы и сети связи с подвижными объектами"

2) http://omoled.ru/publications/view/538

3) http://omoled.ru/publications/view/306

4) http://omoled.ru/publications/view/292

5) http://www.infosparks.ru/gost/802-11a.html