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.

     Существуют 3 основных состояния для терминала радиосети: выключен, пассивный (т.е. включен, но услугами сети не пользуется) и активный.

После включения устройство производит поиск сети, информацию о которой точка доступа передает по широковещательному каналу BCCH (широковещательный канал управления). Если сеть не найдена, то терминал остается в пассивном режиме и периодически продолжает ее поиск. При нахождении в зоне действия точки доступа, посылается RACH-запрос, базовая станция выделяет определенный физический канал, выполняет аутентификацию абонента, а также регистрирует его пребывание в VLR  (Visitor Location Register) и HLR (Home Location Register). После этого телефон находится в режиме IDLE. При входящем звонке или SMS-сообщении, БС текущего LAC (Location Area Code) начинает рассылать запрсы, чтобы уведомить абонента о каком-либо событии. Если телефон его «услышал», он отвечает, а сеть высылает пакет Immediate Assignment, описывающий выделенные абоненту ресурсы (частота, номер таймслота и т.д.). С этого момента телефон находится в активном  режиме до момента разрыва соединения.



                                  Рис. 1 Диаграмма состояний терминала.

В режиме энергосбережения (IDLE),  терминал осуществляет наблюдение за сетью и периодическое подтверждение нахождения в зоне ее действия, а также измерение уровня сигнала ВССН (широковещательной несущей).

В режиме связи терминал производит подключение голосового тракта  к выделенному каналу трафика, приём и передачу сигнала вызова, аутентификацию и идентификацию, согласование параметров связи. Для ведения сеанса связи необходимо проводить периодическую синхронизацию, уведомлять о качестве соединения и подстраивать уровень излучаемой мощности.



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 разрабатываемой сети физический канал – радиоканал с определенной полосой частот. Доступ к РК будет осуществляться способом множественного доступа с разделением по времени (TDMA). Согласно TDMA, весь поток данных делится на фреймы (кадры),  а фреймы в свою очередь делятся на несколько таймслотов, которые распределяются между приемопередающими устройствами. Следовательно, телефон может выполнять обмен информацией с сетью только в определенные, выделенные ему промежутки времени.


                              Рис. 2 Диаграмма обмена сообщениями в сети.


                                Рис. 3 Метод доступа к физическому каналу TDMA.

Кадры объединяются в мультикадры, которые бывают двух видов: мультикадр управления и мультикадр трафика.

                                   Рис. 4 Структура мультикадра управления TDMA. 


                                    Рис.5 Структура мультикадра трафика TDMA

Буквой Т обозначены окна, предназначенные для каналов трафика TCH. Кадры S отведены для каналов управления SACCH (медленный совмещенный канал управления). Кадры I (IDLE) холостые. Они не используются для передачи чего-либо.

        В результате, физический канал между приемником и передатчиком определяется частотой, выделенными фреймами и номерами таймслотов в них. Обычно базовые станции используют один или несколько каналов ARFCN (absolute radio-frequency channel number), один из которых используется для идентификации присутствия BTS в эфире. Первый таймслот (индекс 0) фреймов этого канала используется в качестве базового служебного канала (base-control channel или beacon-канал). Оставшаяся часть ARFCN распределяется оператором для CCH и TCH каналов на свое усмотрение.

     Коллизии в данной сети могут возникнуть в результате рассогласования шкал времени при быстрой смене местоположения терминалами в самом начале функционирования сети. Методом по предотвращению данного явления предлагается введение длительного промежутка времени, отведенного на прослушивание радиоканала, при обнаружении широковещательной несущей, терминал синхронизируется с терминалом-передатчиком, определяет отведенный тайм-слот и повторяет процедуру регистрации в следующем мультикадре.


1.5.3. Пояснение способа двустороннего обмена сообщениями по радиоинтерфейсу.

   Двусторонний обмен сообщениями в системах радиотелефонной связи осуществляются посредством дуплекса (два абонента могут как передавать, так и  принимать сообщения единовременно), методом асинхронной передачи данных. При асинхронном методе каждый символ передается отдельной посылкой. Стартовые биты предупреждают приемник о начале передачи, после чего передается сам символ. Между одним кадром сообщения и другим нет фиксированной зависимости.  Для определения достоверности передачи применяется бит четности. Бит четности равен единице, когда количество единиц в символе нечетно, и нулю, когда их количество четное. Последний бит, который называется «стоп-битом», сигнализирует об окончании передачи. Эта последовательность образует стандартную схему передачи данных при асинхронном методе.



                                  Рис. 6  Асинхронная передача данных.

Задержки между сообщениями произвольны. Частота опроса канала на приемнике обычно в 16 раз выше скорости передачи, что требуется для точно определения центра синхронизирующей комбинации (стартового бита) и его длительности.

  

                              Рис. 7 Процесс извлечения синхросигнала.

Биты данных определяются приемником путем опроса канала в моменты времени, соответствующие середине каждого передаваемого бита. А конкретнее, добавлением для  каждого последующего такта значения длительности бита, начиная с середины стартового бита. Для восьмибитной последовательной передачи этот опрос производится для каждого из восьми битов данных, а заключительная выборка производится во время девятого временного интервала. Последняя выборка определяет стоповый бит.


                                   Рис. 8 Асинхронный прием данных.


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. В данной работе предусматривается 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. 9  Процедура проведения радиоизмерений.

Измерения проводятся на физическом уровне, и полученные данные пересылаются на L3(сетевой), 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. Терминал, принявший сигнал, определяет уровень мощности, с которым сигнал был передан передающим терминалом. А информация, принятая с L1, позволяет сравнить заявленную мощность с полученной и, следовательно, получить данные о наличии или отсутствии препятствий на пути прохождения радиосигнала.


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


 

                   Рис. 10 Сценарий взаимодействия МС и БС.

На рис 8. представлен сценарий взаимодействия абонентского терминала с базовой станцией. БС транслирует по каналу ВССН широковещательную информацию. Терминал после включения производит поиск сети по каналу BCCH. После нахождения таковой, терминал отправляет запрос на предоставление индивидуального физического канала по каналу случайного доступа RACH. БС в ответ отправляет подтверждение по каналу AGCH, которое включает в себя номер индивидуального канала SDCCH, по которому терминал осуществит процедуру аутентификации. Далее,  БС запросит у терминала код услуги и № вызываемого абонента, по этому же каналу будут передаваться команды управления (в том числе управление мощностью). После всего этого терминал может обмениваться пакетами голосовых сообщений по каналу трафика TCH.


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 функциями канального уровня являются организация логических каналов, а также обеспечение надежной адресной и широковещательной передачи сообщений в пределах сети. Логический канал – это совокупность определенных правил передачи данных по сети, причем вид передаваемых по каждому каналу данных заранее определен. А физический канал является транспортом для каналов логических. Для работы сети требуются следующие типы ЛКС:

  • 1.       Широковещательный канал (BCCH). Передает основную информацию о базовой станции, такую как способ организации служебных каналов, количество блоков, зарезервированных для сообщений предоставления доступа, а также количество мультифреймов (объемом по 51 TDMA-фрейму). 
  • 2.      Канал случайного доступа (RACH). Используется мобильными телефонами для запроса собственного служебного канала SDCCH. Исключительно Uplink-канал.
  • 3.      Канал уведомлений о предоставлении доступа(AGCH). Downlink-канал. Используется БС для выделения индивидуального канала управления SDCCH для терминала.
  • 4.      Индивидуальный канал управления (SDCCH). Используется для аутентификации мобильной станции, обмена ключами шифрования и установления вида обслуживания, запрашиваемого терминалом, и выделение свободного канала трафика, если это возможно.
  • 5.      Канал трафика (TCH) – для передачи данных и речи.

        Канал трафика передает данные в режиме реального времени и, как следствие, они чувствительны к задержкам. Однако, ослабляется влияние единичных битовых ошибок, так, как потеря одного речевого бита существенно не скажется на качестве принимаемой информации.

        Для широковещательного и служебного каналов наличие битовых ошибок может носить фатальный характер. Терминал, принявший ошибочное служебное сообщение, не исправленное на физическом уровне, будет использовать не требуемый, или вовсе, несуществующий протокол. Требуется введение механизма ARQ, и механизма контроля целостности пакетов CRC. В случае неравенства CRC терминал отправляет запрос  на повторение отправки пакета, содержащего ошибочную информацию на терминал-передатчик. Если же повторная отправка сообщения не требуется, терминал применяет настройки, переданные в сообщении, и подтверждает готовность к дальнейшим действиям, что является отчетом об успешной доставке переданного сообщения. В случае если терминал-передатчик не получает сообщения от терминала-приемника, то по истечении случайного тайм-аута сообщение отправляется повторно (Stop-and-Wait Protocol, или SWP).     


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

Служебная информация подразделяется на широковещательную (передается по каналу BCCH всем терминалам в зоне радиопокрытия), общего назначения (по каналу RACH и AGCH), и индивидуальную(SDCCH).  При декодировании сообщения нужно:

  • 1.      Выделить адресную часть сообщения и определить адрес передающего терминала и приемного;
  • 2.      Определить тип сообщения и канал, к которому он принадлежит (трафика или служебное);
  • 3.      Проверить достоверность принятой информации (рассчитать контрольную сумму и сравнить с принятой);
  • 4.      Извлечь информацию из принятого сообщения;
  • 5.      отправить отчет об успешной доставке.

Данные по каналу передаются в виде последовательностей битов (иначе называемых burst) внутри таймслотов.

Мультикадр трафика содержит 26 кадров TDMA, каждый из которых состоит из 8 пакетов. Длительность мультикадра — 120 мс. Поэтому длительность кадров — 120 мс/26 = 4,615 мс, а длительность временного положения (слота) трафика равна 120/(26x8) = 0,577 мкс. Из 26 кадров для трафика используют 24. 13-ый кадр используется как низкоскоростной канал управления (SACCH) для передачи сравнительно редкой информации, например, результаты измерения уровня сигнала соты, сигналы для регулировки уровня мощности мобильной станции, временной синхронизации;

 

     

Рис. 11 Структура кадра трафика.

Во избежание интерференции (наложения двух последовательностей друг на друга) пакеты разделены защитными интервалами (0.577 - 0.546 = 0.031 мс.). Это запас времени для компенсации возможных задержек по времени при передаче сигнала.

По обе стороны пакета burst расположены маркеры, называемые хвостовыми битами (tail bits), которые служат для обозначения начала и конца пакета.

Поля данных – полезная нагрузка. Это могут быть данные абонента или служебный трафик. В одном пакете содержатся 2 поля данных по 57 бит, т. е. 114 бит данных.

Поле обучающей последовательности используется приемником для определения физических характеристик радиоканала между БС и МС. Оно представляет собой набор заранее заданных знаков, по искажению которых определяют качество канала.

Два однобитовых поля по обе стороны от обучающей последовательности (stealing flags) выполняют функцию флажков для определения типа информации.

Блок-схемы алгоритмов приема и передачи сообщений будут выглядеть следующим образом: 


    Рис. 12 Блок-схема приема сообщения.


           Рис. 13 Блок-схема передачи сообщения.


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

     Для оценки требуемой пропускной способности необходимо рассчитать общее влияние всех логических каналов связи. Основной задачей нашей системы является передача аудиоинформации, которая будет составлять трафик.

Проведем расчет полного трафика системы. Как уже было отмечено ранее, на БС приходится 6 одновременных сеансов. Также был выбран речевой кодек  G 723.1 со скоростью кодирования 6.4 Кбит/с. Общий несжатый поток трафика равен:

R1 = 6 * 6.4 = 38.4 Кбит/с.

Добавляем дополнительно 20% с учетом избыточности канального уровня (CRC и код запрашиваемой услуги).

R2 = 38.4 + (38.4 * 0.2) = 46.08 Кбит/с.

Так как планируется использование помехоустойчивого кодирования, то учитываем, что на каждый информационный бит приходится один избыточный (при скорости кодирования ½). А следовательно, получившуюся величину R2 необходимо умножить на 2 .

R3 = 46.08 * 2 = 92.16 Кбит/с.

Учитывая использование логических каналов управления (BCCH, AGCH) добавляем еще 10%.

R4 = 92.16 + (92.16 * 0.1) = 96 Кбит/с.

Полученную пропускную способность доведем до ближайшей степени двух.

R5 = 128 Кбит/с.

Следовательно, пропускная способность канального уровня 128 Кбит/с.

 

Список использованной литературы:

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

2. Шахнович И.В. "Современные технологии беспроводной связи" (2006).

3. http://gsm.vtc.ru/gsm/2.html 

4. http://www.amobile.ru/info/standard/gsm/detail.htm

5. http://omoled.ru/publications/view/358