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 автоматически 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.Далее БС по каналу разрешенного доступа AGCH передает терминалу номер выделенного индивидуального канала. Терминал перестраивается на выделенный канал и освобождает канал RACH для других терминалов. Далее терминал передает БС свой идентификатор. БС ищет полученный идентификатор в списке информационной подсистемы БС. Если такой идентификатор есть, то БС отправляет терминалу сигнал подтверждения регистрации. Если терминал такого сигнала не получает, то он снова осуществляет поиск сети. После подтверждения регистрации этого телефон находится в режиме IDLE и постоянно обновляет свое местоположение в зоне обслуживания для уведомления сети о своем статусе (включен/выключен). При входящем звонке или SMS-сообщении, БС текущего LAC (Location Area Code) начинает рассылать запросы, 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 на примере выделенного фиксированного канала. 

               Рис. 3 Структура суперкадра TDMA.

    На одной несущей частоте организуется 6 физических каналов, которые занимают 6 таймслотов. Эти таймслоты упаковываются в кадры. Кадры объединяются в мультикадры, которые бывают двух видов: мультикадр управления и мультикадр трафика. 

    Рис. 4 Структура мультикадров управления и трафика.

        Мультикадры трафика иными словами предназначены для речевых каналов и совмещенных с ними каналов управления. Мультикадры управления организуются для каналов управления, не связанных с каналами трафика.

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.

   Радиоинтерфейс подвижной связи лучше всего можно представить в виде иерархической модели .

  Рис. 5 Иерархическая модель логических уровней радиоинтерфейса.

Физический  L1 и канальный L2 уровни выполняют транспортные функции. L2 уровень осуществляет внутрисетевую адресацию и организует логические каналы. L1 уровень отвечает за фрагментацию, кодирование, модуляцию и отправку/прием потока битов.  Сетевой уровень требуется для организации межсетевого взаимодействия. В передающем терминале задачу нижестоящего уровня обязательно инициирует вышестоящий и он же является источником данных для ее выполнения.

Радиоинтерфейс, строго говоря, является сводом единых правил обмена сообщениями для всех узлов сети. Ресурс радиоканала обязательно имеет широковещательный канал для передачи параметров сети. Радиоресурс является общедоступным для всех и все сетевые объекты должны иметь идентификатор сети, в которой они ведут работу.

Для реализации функциональности L1 и L2 уровней в составе терминалов имеется радиомодуль. Именно он организует прием/передачу сообщений по радиоинтерфейсу. Также в составе любого терминала обязан быть сетевой модуль, который «управляет поведением» терминала посредством заранее проработанной последовательности действий – сценария. Сценарий организует диалог между сетевыми устройствами для установки канала передачи 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. 6 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. 7 Сценарий взаимодействия МС и БС.

На рис. 7 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). Получив номер абонента и код услуги, БС отправит вызов второму терминалу, приняв который он автоматически будет присоединен к нужному каналу трафика. После всего этого терминалы могут 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.       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.        2.  Канал случайного доступа (RACH). Используется мобильными телефонами для запроса собственного служебного канала SDCCH. Исключительно Uplink-канал.

3.      3. Канал уведомлений о предоставлении доступа(AGCH). Downlink-канал. Используется БС для выделения индивидуального канала управления SDCCH для терминала.

4.       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.      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.

На канальном уровне требуется организовать логический канал связи между ведущим и ведомым терминалом. Для этого должны быть известны адреса участников сеанса связи, применяемые параметры помехоустойчивого кодирования (проверка достоверности), необходимые для обнаружения и исправления возникающих на физическом уровне ошибок. Информационное поле сообщения канального уровня помимо основных данных содержит информацию о количестве передаваемых пакетов канального уровня для приемной стороны. С этой целью в поле резервируется отдельный начальный блок.

1) Выделить адресную часть сообщения и определить адрес передающего терминала и приемного;

2.      2) Определить тип сообщения и канал, к которому он принадлежит (трафика или служебное);

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

4.      4) Извлечь информацию из принятого сообщения;

5.      5) Отправить отчет об успешной доставке.

               Рис. 8 Структура сообщения канального уровня.

ID – номер запрашиваемого терминала.

Code – код услуги. Содержит битовый флаг для идентификации вида сообщения, а также порядковый номер сообщения.

Data – полезная нагрузка. Также содержит информацию о кол-ве передаваемых L2 пакетов.

CRC – циклический избыточный код, для проверки целостности пакета на приемной стороне.

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

Рис. 11 Блок-схема приема сообщения.

   Рис. 12 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 и ссылок:

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

2. http://www.radioscanner.ru/info/article103/

3. Шахнович И. В. "Современные технологии".

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

5. http://omoled.ru/publications/view/1031