Интерактивная радиосеть мультимедийного вещания. Часть 2. Проектирование радиосети. Канальный уровень.

В рамках данной статьи рассмотрены следующие пункты задания к курсовой работе:

2.1. Проработка функционального состава сетевого терминала (выделенного узла сети), отражающего выполнение возлагаемых на объект задач.

2.3. Характеристика информационного трафика в прямом и обратном направлениях передачи: вид трафика, производительность и предполагаемый объем сообщений, иные предполагаемые свойства трафика.

2.4. Обоснование иерархической модели сети - как транспортной сети доставки информационных и служебных сообщений. Выделение ключевых слоев модели (не менее трех), пояснение назначения протоколов обмена на всех уровнях модели. Выделение радиоинтерфейса и формулирование задач по передаче/приему сообщений службами различных уровней.

2.5. Стратегии поведения терминалов и выделенных узлов в радиосети. Анализ сценария взаимодействия сетевых объектов (выделенных узлов, терминалов) в рамках оказания услуг на прикладном (верхнем) уровне модели; задачи служб и характеристика сообщений прикладного уровня. Пояснение сеанса соединения, характеристика этапов "жизненного цикла" сеанса. Выделение активного и пассивного состояний сетевых объектов и анализ задач, выполняемых в этих состояниях.

2.6. Анализ возможных решений по обеспечению энергосбережения. Построение диаграмм состояний сетевых объектов, отражающих основные элементы разрабатываемого сценария.

2.7.1. Задачи служб канального уровня, характеристика видов сообщений: адресные/широковещательные, уведомительные или требующие обязательного ответа, служебное/информационное и т.п. Обоснование гарантированной/негарантированной доставки указанных видов служебных и информационных сообщений. Способы оценки целостности принимаемых сообщений.

2.7.2. Обоснование способа реализации физических каналов связи. Формулирование требований к алгоритму множественного доступа к физическим каналам связи, обоснование предполагаемой структуры канального ресурса (на основании п.2.2-2.6), реализующего двусторонний обмен сообщениями. Анализ предлагаемого алгоритма множественного доступа на предмет возникновения коллизий и пояснение решения по их устранению.

2.7.3. Выделение типов и характеристика логических каналов (ЛКС) L2 уровня. Построение временной диаграммы, отражающей двустороннюю доставку всех видов сообщений L2 уровня: пояснение очередности и интенсивности передачи сообщений различных ЛКС (с учетом п.2.3). Проработка шкалы времени диаграммы обмена сообщениями. Расчет пропускной способности ЛКС в обоих направлениях.

2.7.4. Пояснение назначения и размерности полей сообщений канального уровня.

2.7.5. Сведение основных свойств ЛКС в таблицу.

В рамках рассмотренного в пп. 1.1-1.3 прикладного решения в контексте заданной темы на сетевой терминал возлагаются следующие задачи (функции):

1. Прием радиосигналов, содержащих служебные и мультимедийные сообщения, от базовой станции (БС) в назначенной полосе частот с заданной скоростью;

2. Обеспечение безошибочного, насколько это возможно в заданных условиях, приема сообщений. Уменьшение вероятности возникновения ошибки приема при влиянии шумов и помех в радиоканале до указанного в ТЗ значения;

3. Передача БС радиосигналов, содержащих служебные сообщения: запросы на регистрацию в сети и предоставлении доступа к выбранному пользователем мультимедийному каналу, сообщения об отключении от используемого мультимедийного канала и т. д.;

4. Опрос находящихся в зоне покрытия передатчика терминалов с целью выявления оптимального пути передачи служебного сообщения для БС, занесение информации об опрошенных терминалах в базу данных;

5. В случае невозможности передачи служебного сообщения напрямую БС определение в соответствии с заданным алгоритмом оптимального пути транзитной передачи сообщения и передача сообщения посредством близкорасположенных терминалов;

6. Взаимодействие с оборудованием пользователя.

В соответствии с описанными выше задачами сетевого терминала функциональная схема данного устройства может иметь вид, изображенный на рис. 2.1. На этом рисунке:

- Радиомодуль обеспечивает выполнение задач 1 и 3;

- Помехоустойчивый кодер/декодер (ПМУ К/Д) отвечает за выполнение задачи 2;

- Блок радиоизмерений (БР) и база данных с информацией о близкорасположенных терминалах (БД) выполняют задачи 4 и 5;

- Интерфейсное устройство обеспечивает выполнение задачи 6;

- Устройство управления (УУ) участвует в выполнении всех задач терминала, обеспечивая его корректную работу в соответствии с заложенным в УУ алгоритмом.

Рис. 2.1. Функциональный состав сетевого терминала.

В направлении передачи «терминал – точка доступа» передаются только короткие информационные сообщения, содержащие запросы пользователей на предоставление услуги, соответственно необходимость в широком радиоканале, способном обеспечить высокую скорость передачи, не возникает. С учетом числа абонентов в зоне обслуживания БС объем служебных сообщений, поступающих от терминалов на точку доступа, будет сравнительно большим, поэтому имеет смысл использовать несколько радиоканалов, за которые будут бороться терминалы для передачи сообщений, что позволит повысить производительность системы и уменьшить время ожидания свободного канала для передачи сообщения. Помимо частотного разделения на несколько каналов приема, для БС возможно использование пространственно-разнесенного приема. Зона обслуживания БС будет условно разделена на N секторов, в каждом из которых прием служебных сообщений по каждому из частотных каналов будет обеспечивать секториальная антенна (рис. 2.2). На рис. 2.2 изображена приемная антенная часть базовой станции. Здесь номер приемной антенны (ПА) соответствует номеру сектора, в котором данная антенна осуществляет прием информационных сообщений от терминалов. Использование такого метода приема информационных сообщений позволит еще увеличить производительность системы и снизить время ожидания свободного канала, так как число борющихся за свободный канал терминалов в каждом секторе уменьшится в N раз по сравнению со всей зоной обслуживания БС при относительно равномерном распределении абонентов по зоне обслуживания.

Рис. 2.2. Прием информационных сообщений с пространственным разделением.

В направлении «точка доступа – терминал» передаются, помимо служебных сообщений, также мультимедийный трафик. В рамках рассматриваемого прикладного решения (интернет-радио) это аудиопоток, формируемый с помощью стереокодека AAC, передаваемый на скорости 64 кбит/с для одного канала. Важным свойством этого аудиопотока является его непрерывность, что исключает возможность использования выделенного канала передачи трафика для каждого терминала. Следовательно, все аудиопотоки, создаваемые БС, транслируются точкой доступа широковещательно в назначенном диапазоне частот.

В конкретном прикладном решении, рассматриваемом в рамках данной курсовой работы, примем число каналов (интернет-радиостанций) равным четырем. Таким образом, при условии, что скорость передачи аудиопотока по одному каналу мы примем равной 64 кбит/с, чего должно быть достаточно для обеспечения высокого качества звучания, пропускная способность всей системы будет равна 256 кбит/с для каналов мультимедиа. Таким образом, потребуется незначительное увеличение указанного в техническом задании значение пропускной способности системы с 250 кбит/с до 256 кбит/с.

Информационные сообщения «терминал – точка доступа» будут передаваться на той же скорости, что и сообщения мультимедийного трафика, что позволит существенно повысить быстродействие системы. Таким образом, пропускная способность канала передачи информационных сообщений составит 64 кбит/с.

Информационные сообщения «точка доступа – терминал» передаются в ответ на запрос пользователя, и содержат в себе информацию о разрешении пользователю доступа к запрашиваемой услуге, либо об отказе в этом доступе. Для передачи такого рода сообщений будет достаточно той же пропускной способности, что и для сообщений «терминал – точка доступа»: 64 кбит/с.

Общая схема, иллюстрирующая виды трафика, используемые системой, и их параметры, приведена на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Виды трафика в системе.

Иерархическая модель сети как транспортной сети доставки сообщений, реализованная в соответствии с иерархической моделью OSI, приведена на рис. 2.4.

Рис. 2. 4. Иерархическая модель сети.

Радиоинтерфейс реализуется на уровнях L2 и L1, канальный уровень реализует алгоритмы множественного доступа, адресную доставку информационных сообщений базовой станции и широковещательную трансляцию мультимедийных потоков. Кроме того, на канальном уровне реализуется синхронизация пакетов и управление потоком приема/передачи пакетов канального уровня.

На физическом уровне (L1), отвечающем за взаимодействие со средой передачи, реализуются непосредственно физические каналы связи точки доступа и терминалов, по которым передаются информационные сообщения, и широковещательно транслируются аудиопотоки интернет-радиостанций.

Более высокие уровни иерархии (L3, L5, L7) отвечают за формирование сеанса связи.

Уровень сценариев взаимодействия (L3) управляет взаимодействием сетевых объектов (терминалов и базовой станции). В зависимости от того, какого рода сообщение требуется передать по сети и, соответственно, какого рода логический канал организовать для его передачи, уровень L3 реализует один из заложенных в нем алгоритмов (сценариев), по которому должны взаимодействовать сетевые объекты. Так, существует отдельный протокол обмена информационными сообщениями в прямом и обратном направлениях («терминал – базовая станция» и «базовая станция – терминал»), отдельный протокол передачи служебных сообщений в прямом и обратном направлениях, протокол, в соответствии с которым осуществляется широковещательная трансляция аудиопотоков. В соответствии с требованиями текущего сеанса связи, поступающими с высших уровней, активизируется служба, соответствующая реализуемому протоколу передачи, и отправляет необходимые команды на уровень L2. Кроме того, в рамках уровня сценариев взаимодействия реализуется служба контроля за качеством Quality of Service.

На сеансовом уровне (L5) осуществляется управление диалогом «пользователь – мультимедийный сервер», реализуется подготовка сеанса связи, формируются команды по реализации требуемого протокола передачи сообщений для уровня сценариев взаимодействия.

Уровень взаимодействия с пользователем (L7) реализуется только в рамках терминала и отвечает за прием от пользователя команд и запросов и передачу пользователю ответов базовой станции и аудиопотока, транслируемого базовой станцией.

В рамках точки доступа в данной модели реализуется только радиоинтерфейс (уровни L1 и L2), то есть точка доступа является посредником, обеспечивающим обмен сообщениями между терминалом и БС.

В рамках оказания услуг на прикладном уровне модели взаимодействие терминалов с базовой станцией заключается в следующем: терминал пользователя посылает запрос на предоставление услуги. Базовая станция, приняв этот запрос, производит его обработку, определяя, имеет ли данный пользователь право пользования данной услугой. Проверка запроса производится службой проверки санкционированного доступа. Если такое право имеется, служба проверки санкционированного доступа дает службам предоставления доступа директиву: «доступ данного пользователя к запрашиваемой услуге разрешен». В соответствии с этой директивой службы предоставления доступа посылают службам терминала сообщение с параметрами, с помощью которых он сможет подключиться к запрашиваемому мультимедийному каналу и службам канального уровня БС об организации логического соединения с указанным терминалом. Такие же команды поступают канальным службам терминала от L3 служб терминала.

Взаимодействие между терминалами заключается в периодическом опросе соседних терминалов службами, отвечающими за организацию передачи сообщений для базовой станции посредством других терминалов. Кроме того, в случае, если передача сообщения напрямую базовой станции невозможна, эти службы осуществляют определение оптимального пути передачи сообщения на основании заложенного в них алгоритма и данных опроса, и дают команду службам канального уровня на организацию логического соединения с службами L2 уровня выбранного для транзитной передачи сообщения терминала.

Для пояснения этапов «жизненного цикла» сеанса соединения рассмотрим случай, когда БС находится в зоне покрытия радиопередатчика терминала, то есть транзитная передача сообщений не требуется. Иллюстрация «жизненного цикла» сеанса соединения приведена на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Жизненный цикл сеанса связи.

Первый этап. Установление соединения. Происходит в соответствии с выше описанными принципами. Получив информационное сообщение терминала, содержащее запрос пользователя. Затем принимается решение о предоставлении или непредоставлении пользователю запрашиваемой услуги. В случае отрицательного решения БС отправляет сообщение о невозможности предоставления запрашиваемой услуги и сеанс связи завершается. В случае положительного решения БС отправляет сообщение с параметрами мультимедийного канала, запрос на подключение к которому был отправлен, после чего формируется логическое соединение между терминалом и базовой станцией.

Второй этап. Трансляция мультимедийного потока. После установления логического соединения терминал получает возможность подключиться к широковещательно транслируемому каналу – возможность принимать широковещательный радиосигнал. Устанавливается физическое соединение. С этого момента передатчик терминала переходит в пассивное состояние, активен только принимающий радиосигнал приемник.

Третий этап. Завершение сеанса. В случае, если пользователь более не нуждается в предоставляемой услуге, он дает пользовательскому устройству команду на отключение от этой услуги. Прием широковещательного радиосигнала прекращается, приемник терминала переходит в пассивное состояние, терминал передает базовой станции служебное сообщение, в котором содержится информация о том, что данный терминал более не использует предоставляемую услугу. Соединение между терминалом и базовой станцией на всех уровнях разрывается. Сеанс связи завершен.

Проанализируем функционирование сетевых объектов (терминалов и базовой станции) в активных и пассивных состояниях.

Базовая станция. В активном состоянии ведет широковещательную трансляцию до шести мультимедийных аудиопотоков. Кроме того, осуществляет прием и обработку служебных сообщений от терминалов. В пассивное состояние переходит в случае полного отсутствия активности терминалов пользователей, то есть при отсутствии подключенных к любому из шести каналов терминалов, и при отсутствии запросов на предоставление услуг. В пассивном состоянии трансляция мультимедийных потоков прерывается, функционирует только приемная часть, в фоновом режиме прослушивая радиоканал в ожидании прихода запроса от терминалов. С получением такого запроса осуществляется переход в активный режим. Фактически, с учетом указанного в техническом задании числа абонентов в сети, базовая станция практически постоянно будет функционировать в активном режиме, так как вероятность одновременного отключения всех абонентов одновременно пренебрежимо мала. В ночное время суток такая вероятность несколько повышается, но все равно остается незначительной.

Терминал. В активном режиме осуществляет передачу служебных сообщений базовой станции напрямую или транзитом через другие терминалы. Помимо этого, в активном режиме проводится опрос других терминалов и обновление базы данных с информацией о близкорасположенных терминалах. При отсутствии команд от пользователя, требующих передачи служебных сообщений, терминал переходит в пассивное состояние, в котором осуществляет прием выбранного пользователем мультимедийного потока. При отсутствии такого потока терминал в пассивном режиме прослушивает радиоканал, при проведении опроса другим терминалом переходя в активное состояние и отправляя ответ на опрос, после чего происходит возвращение в пассивный режим.

Фактически описание возможных решений по обеспечению энергосбережения частично рассмотрено в п. 2.5 данной курсовой работы. Так как в пассивном режиме энергопотребление устройства уменьшается, обеспечить энергосбережение можно, увеличив время, проводимое устройствами в пассивном режиме. Однако для базовой станции переход в пассивный режим маловероятен, а пребывание в пассивном режиме непродолжительно, поэтому обеспечивать энергосбережение на стороне базовой станции проблематично. На стороне терминалов решение этой задачи проще. Терминал проводит значительную часть времени, функционируя в пассивном режиме, осуществляя только прием запрошенного пользователем аудиопотока. Увеличить время пребывания в пассивном режиме можно, если синхронизировать моменты проведения опроса для всех терминалов. Рассмотрим способ, которым можно добиться такой синхронизации.

На базовой станции должен быть установлен высокоточный эталон времени для синхронизации временной шкалы станции и терминала при подключении терминала. Таким образом при подключении к базовой станции шкалы времени каждого подключенного терминала и базовой станции становятся синхронизированными, а значит, шкалы времени этих терминалов будут синхронизированы и между собой. Однако если терминал в данный момент не подключен к базовой станции, его шкала времени может иметь существенный «уход» относительно привязанной к эталону шкалы времени базовой станции и шкал времени синхронизированных с ней терминалов. Для решения этой проблемы необходимо, чтобы БС с определенным интервалом времени посылала широковещательный сигнал с информацией о собственной шкале времени. Такой сигнал позволит синхронизироваться с эталонной шкалой даже отключенным от базовой станции терминалам, находящимся в режиме прослушивания радиоканала. Сразу же после отправки этого сигнала терминалы, шкалы времени которых сейчас синхронизированы с достаточной точностью, переходят в активный режим и проводят опрос близкорасположенных терминалов. После этого до следующего момента проведения общего опроса терминал пребывает в пассивном состоянии, из которого выходит только по команде пользователя.

Таким образом, при одновременном проведении опроса всеми терминалами в период времени между двумя опросами терминал пребывает в пассивном состоянии, не откликаясь в случайные моменты времени на опрос каждого терминала. Это позволяет существенно понизить энергопотребление терминального оборудования, что особенно важно ввиду его расположения на мобильных, не имеющих постоянного подключения к электросети устройствах.

Диаграммы состояний сетевых объектов.

Диаграмма состояний терминала приведена на рис. 2.6:

Рис. 2.6. Диаграмма состояний терминала.

Диаграмма состояний базовой станции приведена на рис. 2.7:

Рис. 2.7. Диаграмма состояний базовой станции.

2.7. Разработка протокола передачи сообщений канального уровня (L2).

Задачи служб канального уровня.

В рамках канального уровня реализуются следующие службы: служба передачи (на стороне базовой станции) и приема (на стороне терминала) мультимедийного трафика (аудиопотоков), служба обмена информационными сообщениями, служба обмена служебными сообщениями, служба формирования пустых сообщений.

Служба передачи мультимедийного трафика (со стороны базовой станции) осуществляет формирование и трансляцию в широковещательном режиме сообщений мультимедийного аудиопотока на заданной скорости в 64 кбит/с. Эта служба взаимодействует непосредственно с мультимедийным сервером, преобразуя поток мультимедийной информации из сети Интернет к виду, пригодному для передачи в рамках реализуемой сети.

Задачей службы приема мультимедийного трафика (со стороны терминала) является прием широковещательно транслируемого мультимедийного потока, его обработка и преобразование к виду, пригодному для передачи службам вышележащих уровней с последующим выводом этого трафика пользователю.

Служба обмена информационными сообщениями обеспечивает реализацию в рамках канального уровня взаимодействия пользователя с базовой станцией, осуществляемого на более высоких уровнях, поскольку информационные сообщения – это либо адресованные базовой станции запросы пользователя, либо выводимые пользователю ответы на эти запросы. Таким образом, задачей службы обмена информационными сообщениями является адресная доставка информационных сообщений внутри реализуемой сети.

Служба обмена служебными сообщениями реализует взаимодействие базовой станции исключительно с терминалом, либо взаимодействие между терминалами, пользователь не является вовлеченным в этот процесс. Посредством работы этой службы реализуется адресная передача служебных сообщений как между близкорасположенными терминалами, так и между терминалом и базовой станцией.

Служба формирования пустых сообщений предназначена для заполнения канала передачи данных пустыми сообщениями в случае отсутствия в нем какого-либо трафика, так как существование канала передачи данных без передачи в нем каких-либо сообщений невозможно.

Характеристика видов сообщений.

Рассмотрим виды сообщений, передача которых осуществляется в рамках рассматриваемой радиосети.

Сообщения мультимедийного трафика. Являются информационными сообщениями, неадресными (широковещательными), не требующими никакого рода ответа, источником таких сообщений может являться исключительно базовая станция. Данный вид сообщений допускает наличие ошибок, то есть негарантированную доставку сообщения получателю, поскольку ошибка приема нескольких миллисекунд аудиопотока не отразится на слуховом восприятии этого аудиопотока пользователем. Следовательно, нет необходимости в обязательной проверке целостности принятого сообщения.

Информационные сообщения. Существует два вида информационных сообщений в рамках реализуемой радиосети.

1. Пользовательские запросы на предоставление услуги. Эти сообщения являются адресными (адресованы базовой станции), требуют обязательного ответа в виде решения базовой станции о предоставлении или непредоставлении запрашиваемой услуги.

2. Ответы базовой станции на пользовательские запросы. Сообщения такого рода являются адресными (адресованы пославшему запрос терминалу), и не требуют ответа.

Как первый, так и второй вид информационных сообщений в системе должны иметь максимально возможную защиту от ошибок, то есть иметь гарантию доставки получателю, поскольку на основании этих сообщений осуществляется функционирование системы. Для этих сообщений примем вероятность ошибки указанной в техническом задании P_ош = 5*10^-6.

Служебные сообщения. Рассмотрим относящиеся к этой категории виды сообщений.

1. Транслируемое базовой станцией BCCH сообщение, содержащее информацию о сети. Это неадресное (широковещательное), не требующее ответа служебное сообщение.

2. Сообщение, передаваемое терминалом базовой станции при отключении терминала от используемого канала передачи мультимедийного трафика. Адресное, не требующее ответа служебное сообщение.

3. Периодический опрос терминалом близкорасположенных терминалов в соответствии с алгоритмом поиска транзитного пути передачи сообщений для базовой станции. Требует ответа от других терминалов, является широковещательным, так как неизвестно, какие именно терминалы находятся в зоне покрытия радиопередатчика опрашивающего терминала.

4. Ответ терминала на периодический опрос. Является адресным, не требующим ответа служебным сообщением.

Для всех видов служебных сообщений, так же как и для информационных, необходима гарантия корректной доставки сообщения получателю, следовательно, примем максимально возможную вероятность ошибки на бит равной P_ош = 5*10^-6, указанной в техническом задании.

Для служебных и информационных сообщений в системе необходимо ввести проверку целостности принятого сообщения. Это достигается включением в передаваемое сообщение 32-битного поля CRC-кода.

Схема, иллюстрирующая структуру канального ресурса и, следовательно, способ реализации физических каналов связи, приведена на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Структура канального ресурса.

В рамках первого кадра (кадр приема), каждые 10 мс трансляция мультимедийного трафика прерывается, и базовая станция переходит в режим прослушивания радиоканала. В это время у терминалов есть возможность передать служебное сообщение, содержащее либо запрос на предоставление услуги, либо информацию об отключении от используемого канала. Запрос услуги, в отличие от информации об отключении от канала, требует ответа от базовой станции, для чего предназначен второй кадр мультикадра (кадр передачи). В рамках этого кадра базовая станция не принимает никаких сообщений от терминалов, отвечая на полученные в рамках предыдущего кадра запросы.

Трансляция мультимедийного трафика ведется многоканально, то есть в рамках интервала длиной в 10 мс передаются пакеты всех четырех мультимедийных каналов, что осуществляется с помощью частотного разделения каналов. BCCH – сообщение с информацией о сети передается каждые 10 мультикадров.

Далее рассмотрим определение указанных на рис. 2.8 временных интервалов.

Выбор интервала передачи сообщений мультимедийного трафика обусловлен выбором размерностей полей пакета мультимедийного сообщения. Учитывая скорость передачи 64 кбит/с и возможность потери пакета, можно утверждать, что при длине пакета в 10 мс его потеря не отразится на слуховом восприятии пользователем прослушиваемой трансляции. Отсюда получим размерность пакета мультимедийного сообщения – 64 / 0.01 = 0,64 (кбит) = 640 бит.

Временной интервал передачи служебных сообщений определяется размерностью полей пакета L2 уровня. Поле адреса, с учетом указанного в задании к курсовой работе числа абонентов, должно иметь размерность 10 битов, что позволит вместить в это поле адреса терминалов 1000 обслуживаемых абонентов. Также в состав пакета L2 уровня необходимо включить поле, определяющее тип сообщения. Так как существует только два типа служебных сообщений от терминала к базовой станции (запрос на предоставление услуги и информация об отключении от используемого канала), для этого поля достаточно будет одного бита (1 – запрос на предоставление услуги, 0 – информация об отключении). Поле номера канала (запрашиваемого или отключаемого) займет 2 бита, так как в системе реализовано 4 канала по 64 кГц каждый. Для обеспечения гарантированной доставки пакета в его состав также включено поле CRC-кода, под которое отводится 32 бита. В итоге получаем размерность пакета L2 уровня: 10+1+2+32 = 45 битов. При скорости передачи 64 кбит/с это сообщение будет передано за 45 / 64000 = 0.0007 с или за 0.7 мс.

В рамках одного мультикадра возможен обмен служебными либо информационными сообщениями базовой станции и 100 терминалов. Однако поскольку одновременный запрос большего числа абонентов на предоставление услуги маловероятен, такой размер мультикадра является достаточным. При этом время ожидания терминалом возможности отправить запрос не будет составлять более 2-3 секунд, что в рамках реализуемой системы не является критичным.

Алгоритм множественного доступа.

В рамках рассматриваемого прикладного решения разумным будет использование алгоритма множественного доступа на основе метода множественного доступа с детектированием несущей (метод CSMA или S-Aloha). Как видно из рис. 2.8, передача сообщений терминалами может осуществляться только в фиксированные моменты времени. Таким образом, при возникновении необходимости в передаче сообщения терминал генерирует некое случайное число в пределах от 1 до 100, и в соответствии с этим случайным числом определяется номер временного отрезка, в который терминал осуществит передачу сообщения. Возможен случай, когда два или более терминалов выберут один и тот же временной слот для передачи информационного сообщения. В этом случае произойдет коллизия передаваемых пакетов, и ни одно из переданных в этом временном слоте сообщений не будет принято базовой станцией. Способом предотвращения такой ситуации является использование приведенного на рис. 2.2 пространственно-разнесенного приема информационных сообщений. Разделение зоны радиопокрытия базовой станции на несколько секторов, каждый из которых обслуживается своей приемной антенной, уже позволяет существенно снизить вероятность коллизий, так как теперь коллизии будут происходить только при совпадении случайно сгенерированных номеров временных слотов у терминалов внутри сектора, обслуживаемого одной и той же приемной антенной. Однако существует возможность сделать размер секторов обслуживания таким, что расположенные в пределах одного сектора терминалы будут находиться в зоне радиопокрытия передатчиков друг друга. Тогда терминал, выбрав временной слот для передачи, посылает короткое широковещательное сообщение, содержащее номер занятого слота. Остальные терминалы осуществляют выбор временных слотов в соответствии с имеющейся у них информацией о занятых слотах. В случае, если заняты все слоты для передачи, терминал ожидает следующего мультикадра для передачи сообщения. Иллюстрация рассмотренного метода множественного доступа приведена на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Временная диаграмма используемого метода множественного доступа.

При использовании такого метода множественного доступа коллизия может возникнуть только при абсолютно синхронном поступлении на два терминала, расположенных в одном секторе обслуживания, команды на передачу сообщения. Вероятность такого события крайне мала, однако вероятность возникновения коллизии можно еще уменьшить, если ввести случайное время ожидания перед передачей широковещательного сообщения, в течение которого терминал имеет возможность изменить номер выбранного временного слота в случае, если поступает информация о занятии этого слота другим терминалом.

Типы логических каналов.

На логическом уровне можно выделить следующие каналы передачи сообщений:

· Канал мультимедийного трафика;

· Канал передачи запроса на предоставление услуги;

· Канал передачи ответа на запрос;

· Канал передачи служебных сообщений;

· Канал BCCH.

Рассмотрим эти виды каналов более подробно.

Канал мультимедийного трафика (TCH). Этот логический канал служит для односторонней широковещательной (неадресной) передачи пакетов мультимедийного трафика. Фактически в состав этого логического канала входят четыре канала, по которым происходит передача мультимедийного трафика от четырех интернет-радиостанций со скоростью по 64 кбит/с на каждый канал. В результате получаем суммарную пропускную способность канала мультимедийного трафика, равную 256 кбит/с.

Канал передачи запроса на предоставление услуги (RACH) предназначен для односторонней передачи запросов в направлении «терминал – базовая станция». Обобщая сказанное выше в пп. 2.3 и 2.7.2, получим, что хотя сообщение такого вида имеет относительно небольшой размер (45 бит), его передачу разумно осуществлять по каналу со скоростью 64 кбит/с для обеспечения быстрой его доставки. Таким образом, пропускная способность канала передачи запроса на предоставление услуги составляет 64 кбит/с.

Канал передачи ответа на запрос (AGCH) служит для передачи ответов базовой станции на запросы терминалов, соответственно передача сообщений по этому каналу производится в одностороннем формате в направлении «базовая станция – терминал». Согласно п. 2.7.2, пропускная способность этого канала, как и для канала передачи запроса, 64 кбит/с.

Канал передачи служебных сообщений (RACH). Канал передачи информации об отключении терминала от используемого мультимедийного канала является односторонним и реализующим передачу в направлении «терминал – базовая станция» сообщения о том, что терминал более не использует указанный в сообщении мультимедийный канал. Пропускную способность такого канала установим равной 64 кбит/с.

По каналу BCCH каждые десять мультикадров осуществляется широковещательная трансляция информации о сети. При выборе размерности BCCH сообщения равной размерности пакета мультимедийного трафика получим пропускную способность канала BCCH равной 64 кбит/с, так как передача BCCH сообщения осуществляется за 10 мс (рис. 2.8).

Временная диаграмма передачи сообщений L2 уровня.

Временные диаграммы, отражающие двустороннюю доставку всех видов сообщений L2 уровня, приведены на рис. 2.10 и 2.11.

Рис. 2.10. Диаграмма двустороннего обмена сообщениями L2 уровня.

Рис. 2.11. Диаграмма двустороннего обмена сообщения L2 уровня с временной шкалой.

2.7.4. Пояснение назначения и размерности полей сообщений канального уровня.

Структура полей информационных (запросы на предоставление услуги) и служебных (информация об отключении от канала) сообщений «терминал – базовая станция» одинакова и представлена на рис. 2.12.

Рис. 2.12. Структура информационных и служебных сообщений "терминал - базовая станция".

Рассмотрим назначение указанных на рис. 2.12 полей.

Поле адреса терминала содержит уникальный идентификатор терминала в радиосети. На основе сведений об идентификаторе терминала базовая станция осуществляет проверку правомочности запроса терминала и принимает решение о предоставлении или непредоставлении услуги. Размер поля адреса равен 10 битам, поскольку максимальное число пользователей в сети, согласно заданию к курсовой работе – 1000, соответственно 10 бит хватит для того, чтобы каждый терминал имел свой уникальный адрес-идентификатор.

В поле типа сообщения указывается, информационным или служебным является передаваемое сообщение. В случае, если в этом поле указана единица, сообщение считается информационным и требует от базовой станции ответа. Если в поле указан ноль, сообщение служебное и ответа базовой станции не требует.

Поле номера канала содержит информацию о номере канала, возможность подключения к которому запрашивает терминал, либо о номере канала, использование которого прекращает терминал. Так как в рамках данной сети радиовещания реализовано четыре канала мультимедийного трафика, размерности поля в 2 бита достаточно для передачи номера канала.

Поле CRC кода содержит 32-битный циклический избыточный код, предназначенный для обеспечения гарантированной доставки сообщения.

Для сообщений – ответов базовой станции на запросы терминала структура сообщения будет такой же, как структура, изображенная на рис. 2.12, с той лишь разницей, что в поле адреса будет указываться идентификатор терминала, которому адресовано сообщение, а в поле типа сообщения будет указано решение базовой станции: «1» - доступ к запрашиваемому каналу разрешен, «2» - в доступе к запрашиваемому каналу отказано.

Структура сообщений мультимедийного трафика и широковещательных сообщений с информацией о сети представлена на рис. 2.13.

Рис. 2.13. Структура сообщений мультимедийного трафика и BCCH сообщений.

Сообщения мультимедийного трафика не требуют обеспечения гарантированной доставки и не являются адресными, поэтому в их состав, помимо поля собственно мультимедийных пакетов размером 638 бит достаточно включить поле с информацией о номере транслируемого мультимедийного канала. Размерность этого поля, как было указано выше, достаточно задать равной 2 битам.

Для BCCH сообщения не требуется ни обеспечения гарантированности доставки, ни адресной доставки, поэтому фактически все сообщение является информационной частью, в которой содержится информация об идентификаторе сети, предоставляемых сетью услугах, количестве доступных каналов и т.д. Размерность сообщений BCCH и мультимедийного трафика выбрана равной 640 битам, поскольку их необходимо передать за интервал времени 10 мс на скорости 64 кбит/с, как было указано в п. 2.7.2.

2.7.5. Сведение основных свойств ЛКС в таблицу.

Наименование	Обозначение	Тип	Направлен-ность	Пропускная способность
Канал мультимедий-ного трафика	TCH/BCCH	Широковещательный, трафика	F ↓	4х64 кбит/с
Канал передачи запроса на предоставление услуги	RACH	Случайного доступа	R ↑	64 кбит/с
Канал передачи ответа на запрос	AGCH	Разрешенного доступа	F ↓	64 кбит/с
Канал передачи служебных сообщений	RACH	Случайного доступа	R ↑	64 кбит/с
Канал передачи информации о сети	BCCH	Широковещательный	F ↓	64 кбит/с

Список используемых источников:

1) Бакке А.В. - лекции по курсу «Системы и сети связи с подвижными объектами».