Тема работы:

 

«Радиосеть передачи данных»

 

Часть 2(Канальный уровень).

 

Выполнил:

Студент группы 319

Филатов А.В.

Исходные данные к работе:

·        Максимальное количество активных абонентов в сети: 50

·        Радиус зоны обслуживания: 80 м

·        Гарантируемая скорость передачи данных: 0.1 Мбит/с

·        Тип местности: городская застройка

·        Вероятность ошибки на бит, не более Pb: 10-6

·        Мощность излучения подвижной станции Ризл : < 0,1 Вт

·        Рекомендуемая технология передачи: OFDM

·        PR: 75%

·        Диапазон частот, вид модуляции выбирается самостоятельно.

 

Целью данной курсовой работы является разработка системы обеспечивающей высокоскоростную передачу данных между подвижными объектами без помощи выделенных сетевых узлов. Каждый терминал сети должен получать в реальном масштабе времени информацию о других активных терминалах и иметь возможность обмена сообщениями с любым из них.

 

В данной работе рассматривается децентрализованная сеть, предназначенная для передачи аудио, видео и GPS трафика на командный узел радиосети.

 

 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

 

В проектируемой радиосети предусмотрены следующие режимы работы:

 

1)      Пассивный режим работы терминала

a)           а  Idle

      б)   Прием/передача BCCH

      в)   Ожидание запроса

 

В состояние Idle терминал переходит, когда при длительном прослушивании BCCH он на протяжении  определенного тайм-аута не обнаружил сообщения от других терминалов. Периодически терминал возвращается в состояние (б).

В состоянии прием/передача BCCH терминал находится сразу после включения. В данном состоянии терминал постоянно находится в режиме прослушивания широковещательного сообщения, а также передаче своего широковещательного сообщения в свободном КИ.

В состояние ожидания запроса терминал переходит после прослушивания всех 50 КИ сообщения BCCH. После отсутствия запроса по каналу SACCH терминал возвращается в состояние (б).

При получении запроса передаче или ретрансляции трафика терминал переходит в активный режим работы.

 

2)Активный режим работы терминала

b)    b)Терминал – источник трафика

i)        Применение настроек к передаче      

ii)      Передача трафика

c)     c)Терминал – ретранслятор трафика.

i)        Применение настроек к ретрансляции

ii)      Прием трафика

iii)    Передача трафика (b.ii)

 

При передаче терминал, являющийся источником трафика, генерирует пакеты с постоянной скоростью. Они отправляются через одинаковые интервалы времени, проходят через сеть и принимаются получателем, воспроизводящим данные в реальном времени по их получении. Однако ввиду изменения времени задержки при передаче пакетов по сети, они могут прибывать через нерегулярные интервалы времени. Для компенсации этого эффекта поступающие пакеты буферизуются, придерживаются на некоторое время и затем предоставляются с постоянной скоростью программному обеспечению, генерирующему вывод. Для этих целей каждый пакет должен содержать временную метку— таким образом получатель может воспроизвести поступающие данные с той же скоростью, что и отправитель.

При ретрансляции трафика терминал, являющийся ретранслятором, в масштабе реального времени  получает пакеты и передает по выбранному маршрутному пути.

 

 

 

Рис.1 Cостояния терминалов

 

Анализ возможных решений по обеспечению энергосбережения.

Предусмотренное состояние Idle позволяет максимально  экономить энергию. Также обеспечение энергоэффективности и энергосбережения на физическом уровне достигается следующими путями:

1.Увеличение КПД радиомодуля (например, УВЧ и антенны);

2.Уменьшение мощности излучения до минимально необходимого     уровня;

3.Использование более энергоэффективных видов кодирования и модуляции.

 

 

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

 

В представленной сети  организуются 4 физических канала:

1.Широковещательный канал(BCCH) для синхронизации терминалов между собой и составления таблицы маршрутизации со скоростью 10 Кбит/с.(BCCH)

2.Канал для передачи команд управления со скоростью 10 Кбит/с. (SACCH)

3.Канал для передачи трафика со скоростью 1 Мбит/с. (TCH)

4.Канал для приема трафика со скоростью 1 Мбит/с.(TCH)

 

В связи с тем, что необходимо использовать компактные приемо-передающие устройства, а также узкую полосу частот и обеспечить достаточно высокий уровень защиты, выбран способ множественного доступа с разделением по времени (TDMA).

Этот способ достаточно прост в реализации и требует минимальных затрат.

 

В разрабатываемой сети физический канал – радиоканал с определенной полосой частот с разделением по времени. Рис. 2.

 

Рис. 2 Состав мультикадра

 

 

 

 

 

 

 

Рис.3 Структура цикла TDMA

 

В самом начале мультикадра терминалы в своем временном интервале передают широковещательные сообщения (BCCH).

Для передачи команд управления, а также для ответа терминалов о достоверном приеме команд используется (SACCH).

После некоторого количества ретрансляций, терминалы, участвующие в доставке сообщения по каналу SACCH, применяют настройки для ретрансляции трафика.  После чего, оконечный Т. по маршруту прохождения сообщения запроса начинает трансляцию трафика.

Из-за постоянного движения терминалов в данной сети могут возникнуть коллизии (наложение кадров) из-за рассогласования временных шкал. Для предотвращения данного явления предполагается введение длительного интервала для широковещательного сообщения.

Так как команды предаются намного реже чем трафик ,поэтому разобьем каждый КИ TCH на 64 подинтервала, каждый размерностью 390 Бит (Рис. 4)









                                                                                                                                                                                                        Рис.4 Канальный интервал передачи трафика



   

 

Регистрация терминалов и состав мультикадра


Рис.5 процедура регистрация терминала

 

Перед началом работы в сети каждый терминал прослушивает РК, с целью обеспечения синхронизации временных шкал с соседними терминалами. Если Т. не получает сообщений от других терминалов на протяжении определенного тайм-аута. Формируется решение об отсутствии соседних Т. и занимается канальный интервал, выделенный соответствующему Т. в кадре BCCH. После появления в зоне радиопокрытия других устройств, на основании прослушивания радиоканала и приема широковещательного сообщения от заведомо работающего устройства, происходит синхронизация временных шкал и занимается соответствующий КИ и распространяет информацию о себе и уже зарезервированных канальных интервалах. Каждый терминал по используемым КИ делает вывод о доступных терминалах.

Сценарий получения маршрутной информации

 

T1 ,прослушивая канал, не обнаружил широковещательное сообщение, занял свободный КИ  и передал свое BCCH сообщение.

В свою очередь T2 обнаружил широковещательное сообщение от T1, занял свободный КИ и  передавал свое BCCH сообщение и информацию о своем соседнем терминале T1.

В свою очередь терминал T3 обнаружил широковещательное сообщение от T2, занял свободный КИ и  передавал свое BCCH сообщение и информацию о своем соседнем терминале T2.

Через некоторое количество итераций процедуры перерегистрации, каждый терминал получит информацию о соседнем Т.,  в следующем этапе каждый терминал получит данные о доступности Т. в зоне радиопокрытия других участников сети. (Рис.6)

 

Рис 6. Cценарий получения маршрутной информации

 

В зоне радиовидимости Т.1 находится Т2, в свою очередь, в зоне Т2 находится Т3. Чтобы терминалу 1 получить доступ к Т3, Т1 должен отправить запрос на Т2, с целью предоставления канала связи с Т3. Т2, декодировав запрос Т1, применяет настройки для ретрансляции трафика с Т3 на Т1, заключительным этапом которых является отправка на Т3 служебного сообщения с соответствующим содержанием.

 

 

 1.5.3. Пояснение способа двустороннего обмена сообщениями по радиоинтерфейсу

 

Радиоинтерфейс будет организован следующим образом: время работы сети делится на мультикадры, которые в свою очередь разбиваются на некоторое количество кадров, а кадры разбиваются на канальные интервалы.В рамках одного КИ происходит передача широковещательного сообщения, запрос на предоставление канала,  результат запроса (ответ от Т.) и передача данных.

 

Рис. 7 – пояснение процедуры передачи сообщений трафика

 

Для пояснения особенностей работы сети рассмотрим случай, когда Т1, Т4 и Т6 заявили о себе во время действия предыдущего кадра BCCH. Следовательно, каждый терминал осведомлен о наличии в зоне его радиопокрытия других Т. Тем не менее, процедура перерегистрации необходима для периодического обновления маршрутной информации терминалами, в случаях быстрой смены ими географического положения.

На этапе отправки запроса (SACCH), T1 отправляет соответствующую команду о запросе трафика с Т6. на доступный для радиообмена Т4, который, в свою очередь проверяет наличие в своей зоне радиопокрытия искомого Т. В случае отсутствия в зоне Т6, Т4 отправляет запрос на другой терминал до достижения им терминала искомого. В случае если Т6 в зоне действия Т4  был обнаружен, приняв сообщение запроса, проанализировав метрику маршрута Т6, начинает трансляцию трафика на Т4.     

В случае, когда число терминалов-ретрансляторов более 4, тогда терминал, который последним принял сообщение перед началом мультикадра, хранит его в буфере до начала кадра TCH, и после отправляет сообщение в первом канальном интервале.

 

 

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, так как все терминалы мобильны есть вероятность ухудшения параметров связи. Следовательно, необходим  контроль уровня принимаемого сигнала на этапе рассылки широковещательных сообщений. В момент передачи сообщений канала управления, задаются параметры уровня мощности при дальнейшем функционировании устройств, а также параметры уровня мощности должны быть разосланы и применены при следующей процедуре перерегистрации терминалов в сети (в составе BCCH-сообщения).

 

Рис. 8 – процедура проведения радиоизмерений

 

      На рис. 8 представлен процесс обмена информацией внутри отдельного терминала. Измерения проводятся на физическом уровне, и полученные данные пересылаются на L3, где сравниваются с пороговым значением. После чего, сетевой уровень отправляет на L1 информацию о мощности сигнала, требуемой для качественной передачи, и в сообщении L3 записывает передаваемый параметр. Таким образом, терминал принявший сигнал, распаковав сообщение L3, определяет уровень мощности, с которым сигнал был передан терминалом-передатчиком, а информация, полученная со службы L1 предоставляет возможность сравнить заявленную мощность с полученной и на основании чего получить данные о наличии/отсутствии препятствий, на пути прохождения радиосигнала.

 

Рис.9  Обновление передачи трафика

На рисунке 9 представлен процесс смены маршрута передачи трафика.

При  обнаружении, что уровень сигнала недостаточный, Т.4, являющийся отправителем трафика, отправляет запрос на ретрансляцию трафика соседним терминалам. Т.3 и T.5 при получении запроса на ретрансляцию отправляют подтверждение с измеренным уровнем мощности сигнала на T.4. T.4 сравнивает уровни мощности с соседних терминалов и выбирает наилучший маршрут передачи.

 

 

  

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

 

 

                                             Состояния сетевого узла


Рис. 10 – диаграмма состояний сетевого узла

 

После включения (1) терминал переходит в состояния прослушивания BCCH, с целью обнаружения широковещательного сообщения.

В случае, если BCCH не обнаружено, Т. начинает рассылку широковещательной информации самостоятельно в ожидании ответа от соседних терминалов (2). При необходимости, процедура 5,4 повторяется многократно. После получения ответа (8), терминалы синхронизируются и переходят в состояние ожидания запроса.

В случае обнаружения широковещательной несущей, до принятия решения о самостоятельной рассылке (3), также происходит синхронизация Т. и их переход в состояние ожидания запроса(6).

После синхронизации каждый Т. обладает информацией о распределении кадров по временной шкале и отведенных им КИ для рассылки BCCH. Дальнейшие действия терминалов при отсутствии запроса трафика (7) состоят в переходе в режим синхронизации.

 

В случае получения терминалом запроса на передачу/ретрансляцию трафика (9), осуществляется обработка и применение параметров передачи (уровень мощности сигнала, роль терминала в сети),определение маршрута передачи(10). Согласно принятому сообщению управления, терминал начинает либо передавать информацию со своих периферийных устройств (14), либо после очередного этапа рассылки ожидает приема данных с другого Т. для последующей их ретрансляции (12, 13).  

Периодически во время передачи сообщения выполняются радиоизмерения. Если они не соответствуют пороговым, то терминал переходит в состояние определения оптимального маршрута(16). Далее (12,13 или 14 ) повторяются.

 

 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

 

В разрабатываемой радиосети требуется обеспечить доставку трех видов сообщений:

- широковещательные сообщения – для идентификации терминалов и получения маршрутной информации, а также осуществления радиоизмерений;

- сообщения управления – для передачи терминалам запросов на трансляцию и применения параметров радиоизмерений;

- сообщения трафика – для доставки видео и аудио данных на КУ радиосети.

Для реализации данных задач необходимо выделить три логических канала связи (ЛКС):

- BCCH – для обеспечения передачи широковещательных сообщений;

- SACCH – для обеспечения передачи сообщений управления;

- 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-16, в результате расчета которого, на приемной и передающей стороне, и сравнения результатов будет определяться целостность принятых сообщений.

 

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.

Служебная информация подразделяется на широковещательную (передается по каналу BCCH всем терминалам в зоне радиопокрытия) и адресную (передается по каналу SACCH конкретному терминалу). Примером адресного сообщения может служить запрос на предоставление Т. трафика. При декодировании данного сообщения терминал должен предпринять следующие действия:

1) Выделить адресную часть сообщения и определить является ли оно адресным или широковещательным;

2) Определить тип сообщения и канал, к которому оно относится (трафика или служебное);

3) Проверить достоверность принятой информации (рассчитать контрольную сумму и сравнить с принятой);

4) Извлечь информацию из принятого сообщения.

Исходя из поставленных задач, требуется разработать структуру сообщения канального уровня.

Структура сообщения канала трафика представлена на рис. 11. 


Рис. 11 структура сообщения канала трафика

 

 

Поля данного сообщения выполняют следующие задачи:

«ID1» – адрес терминала-источника трафика;

«ID2» – адрес терминала-ретранслятора трафика;

«ID3» – адрес терминала при командном узле;

«F» – поле, обозначающее тип сообщения;

«Time» – временная метка.

«Data» – поле данных;

«End» – поле, обозначающее конец поля данных.

 

Размерность фреймов ID1-ID3 соответствует 6 битам, так как это достаточно для дифференциации 50 терминалов(26=64).

Размерность фрейма F соответствует 2 битам, так как это достаточно для их дифференциации.(всего 3 типа сообщений 22=4).

Временная метка соответствует времени стробирования для первого октета в информационном пакете. Время стробирования должно быть получено от часов, показания которых увеличиваются монотонно и линейно, чтобы обеспечить синхронизацию и вычисление временного разброса.Начальное значение временной метки является случайным.

 

 

Далее рассмотрим широковещательное сообщение (Рис. 12).



Рис.12 Структура широковещательного сообщения

Поля «ID1» и «F» - выполняют те же функции, что и в сообщениях трафика. Фрейм «Data» служит для записи уникальных идентификаторов терминалов, уже занявших канальный интервал. Изначально данное поле заполнено нулями, в процессе его периодической ретрансляции оно заполняется ID терминалов. Так как число терминалов в разрабатываемой сети 50, а количество бит отводимых на ID одного терминала 6, следовательно, поле «Data» соответствует 300 битам.

Поле «CRC» – содержит результат расчета контрольной суммы. В данной работе используем избыточный циклический код CRC 16, на него выделяем 16 бит.

 

 

Рассмотрим сообщение управления (Рис. 13).


Рис.13 Структура сообщения управления

 

Поле «Data» содержит код исполнительной команды

Поле «extra» предназначено для приведения длины сообщения к единой величине с BCCH.

 Блок-схемы алгоритмов приема передачи сообщений приведены на рисунках 14,15

 



 

   

 

Рис.14 Блок схема приема/ретрансляции.

 

 

  

Рис.145Блок схема алгоритма передачи.

1.5.8. Расчет пропускной способности канала трафика, вспомогательных каналов. Оценка требуемой пропускной способности физического канала.

 

По требованию технического задания, скорость передачи трафика должна составлять не менее 100кбит/с. от общей скорости. Дополнительно, на обслуживание каналов BCCH и SACCH требуется:

(324*50*2)+60=32460 [бит]

- где 324 – длина сообщения BCCH и SACCH, 50 – число канальных интервалов, 60 – число бит служебных полей в структуре сообщения TCH.

На мультикадр трафика приходится 4 равных интервала, при этом каждый терминал передает только в одном. Таким образом, трафик в одном КИ должен передаваться со скоростью не менее 0.4 [Мбит/с]. На один мультикадр (длительностью примерно 1 с.) будет приходиться 102400/(409600+32460)=23% передачи трафика, а весь мультикадр будет составлять 442 060 [бит].

С учетом помехоустойчивого кодирования со скоростью ½, пропускная способность должна быть увеличена вдвое, дополнительно, 10% на преамбулу и защитные интервалы. Таким образом, пропускная способность физического канала должна быть не менее 0.98 [Мбит/c].

 

 

Список используемой литературы:

1.     http://omoled.ru/publications/view/856

2.     http://omoled.ru/publications/view/972

3.     https://habrahabr.ru/post/129101/

4.     http://omoled.ru/publications/view/845