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

      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.


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

         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.

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 Pош = 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 Pош = 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.

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.

  Схема, иллюстрирующая структуру канального ресурса и, следовательно, способ реализации физических каналов связи, приведена на рис. 2.1.


Рис. 2.1. Структура канального ресурса.

Мультикадр состоит из 100 кадров. В рамках каждого нечетного кадра (кадр приема) базовой станцией широковещательно транслируется мультимедийный трафик по четырем каналам (TCH 1-4). После передачи четырех пакетов мультимедийного трафика базовая станция переходит в режим прослушивания радиоканала для приема служебных и информационных сообщений от терминалов. При этом сначала реализуется механизм транзитной передачи: в рамках первого слота RACH в кадре происходит именно транзитная передача сообщений между терминалами. При этом те терминалы, которым необходимо передать транзитное сообщение, работают в режиме передачи, а терминалы, в данный момент не занятые передачей, прослушивают радиоканал для приема транзитных сообщений. В рамках следующего слота RACH происходит передача служебных и информационных сообщений от терминалов только к базовой станции. При этом если в цепочке для транзитной передачи присутствует более одного транзитного терминала, то принятое им транзитное сообщение сохраняется до наступления следующего кадра, в рамках которого это сообщение передается следующему терминалу в цепи транзитной передачи. Данная процедура выполняется до тех пор, пока не будет достигнут конечный транзитный терминал в цепочке, который в рамках второго слота RACH кадра приема осуществит передачу транзитного сообщения базовой станции.

В рамках кадра передачи базовая станция отвечает на поступивший в рамках кадра приема запрос от терминала. Ответ осуществляется в рамках слота AGCH. При этом в рамках предшествующего ему слота RACH, предназначенного для взаимодействия терминалов при транзитной передаче сообщений, терминалами проводится опрос близкорасположенных терминалов. Таким образом, слот RACH для кадра передачи разделяется на 2 подслота, в первом из которых терминалом осуществляется опрос, а во втором – ответ на опросы других терминалов.

BCCH сообщение с информацией о параметрах сети передается в начале каждого мультикадра.

Далее рассмотрим определение размерности указанных на рис. 2.1 временных слотов.

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 15 мс его потеря не отразится на слуховом восприятии пользователем прослушиваемой трансляции. Отсюда получим размерность пакета мультимедийного сообщения – 64 * 0.015 = 0,96 (кбит) = 960 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. Таких полей должно быть два: адрес отправителя и адрес получателя, причем для базовой станции зарезервирован адрес 0000000000. 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+10+1+2+32 = 55 битов. При скорости передачи 640 бит/с это сообщение будет передано за 55 / 640 = 0.085с или за 0.85 мс. Таким образом, если считать, что каждый из временных слотов имеет длительность 15 мс, общая длина кадра составит 105 мс, то есть фактически скорость передачи служебных сообщений будет несколько ниже принятой пропускной способности в 640 бит/с, и составит 55 / 0,105 = 524 бит/с.

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. 2.1, передача сообщений терминалами может осуществляться только в фиксированные моменты времени. Таким образом, при возникновении необходимости в передаче сообщения терминал генерирует некое случайное нечетное число в пределах от 1 до 100, и в соответствии с этим случайным числом определяется номер кадра, 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. 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. 2.2.


Рис. 2.2. Временная диаграмма используемого метода множественного доступа.

При использовании такого метода множественного доступа коллизия может возникнуть только при абсолютно синхронном поступлении на два терминала, 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.

Рассмотренный выше алгоритм множественного доступа применим в случае, если базовая станция находится в пределах зоны радиопокрытия терминала. Для транзитной передачи сообщений в данный способ требуется внести изменения. Рассмотрим эти изменения.

На основании данных последнего опроса терминал принимает решение о том, транзитом через какой терминал осуществлять передачу, и уведомляет этот терминал о выбранном им пути передачи. Выбранный терминал отвечает, готов ли он передать сообщение. Если ответ положительный, сообщение передается, если нет, терминал-передатчик проводит такой же диалог со следующим в его списке терминалом. Процедура повторяется, пока не будет найден свободный терминал, после чего осуществляется передача сообщения. Ответ терминала на запрос о транзитной передаче может быть отрицательным в случае, если терминалу необходимо передать собственное сообщение, либо другой терминал уже зарезервировал его для передачи своего транзитного сообщения.

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.

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. 1.5 и 2.7.2, получим, сообщение такого вида имеет относительно небольшой размер (55 бит), его передачу разумно осуществлять по каналу со пропускной способностью 640 бит/с для обеспечения быстрой его доставки. Таким образом, пропускная способность канала передачи запроса на предоставление услуги составляет 640 бит/с, реальная скорость передачи сообщения – 524 бит/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, 640 бит/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 640 бит/с.

         По каналу BCCH каждый мультикадр осуществляется широковещательная трансляция информации о сети. При выборе размерности BCCH сообщения равной размерности пакета мультимедийного трафика получим пропускную способность канала BCCH равной 960 / 0,105 * 100 = 92 бит/с.

Временная диаграмма передачи сообщений L2 уровня.

         Временные диаграммы, отражающие двустороннюю доставку всех видов сообщений L2 уровня, приведены на рис. 2.3 и 2.4.


Рис. 2.3. Диаграмма двустороннего обмена сообщениями L2 уровня.


Рис. 2.4. 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. 2.5.


Рис. 2.5. Структура информационных и служебных сообщений "терминал - базовая станция".

Рассмотрим назначение указанных на рис. 2.12 полей.

Поле адреса отправителя содержит уникальный идентификатор терминала или базовой станции (0000000000) 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.

Поле адреса получателя содержит идентификатор базовой станции либо другого терминала, если сообщение передается в рамках механизма транзитной передачи. Размер поля, как и для поля адреса-отправителя, равен 10 битам.

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 получателя будет указываться идентификатор терминала, которому адресовано сообщение, в поле адреса отправителя всегда будет указан идентификатор базовой станции, 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. 2.6.


Рис. 2.6. 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 958 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 960 битам.

         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

4 64 кбит/с

Канал передачи запроса на предоставление услуги

RACH

Случайного доступа

R

640 бит/с

Канал передачи ответа на запрос

AGCH

Разрешенного доступа

F

640 бит/с

Канал передачи служебных сообщений

RACH

Случайного доступа

R

640 бит/с

Канал передачи информации о сети

BCCH

Широковещательный

F

640 бит/с

 

Список источников:

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

Ссылки на предыдущие публикации и соответствующий раздел форума:

1) http://radiolay.ru/viewtopic.php?f=83&t=457

2) http://omoled.ru/publications/view/1159

3) http://omoled.ru/publications/view/1183

4) http://omoled.ru/publications/view/1187