Наверх

Компактная сеть радиодоступа. Часть 2(Канальный уровень)

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

2.Расчетная часть: проектирование радиосети

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

   2.2. Пояснение концепции решения задач:

 - объединение в единую сеть различных устройств с целью удаленного управления или сбора данных;

 - получение пользователя в реальном масштабе времени данных с сетевых объектов и  предоставление доступа к удаленному управлению             терминалами  с использованием ключевых звеньев доставки сообщения, пояснение функций каждого звена.Обоснование требуемой архитектуры радиосети. 

   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 протоколов обмена 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.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 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 двухстороннего обмена сообщениями. Анализ предполагаемого алгоритма множественного доступа на предмет возникновения колизий и пояснение решения по их устранению. 

      2.7.3. Выделение типов и характеристика логических каналов (ЛКС) L2 уровня. Построение временной диаграммы, отражающей двухстороннюю 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.

      2.7.4. Пояснение назначения и размерности полей сообщений канального уровня. 

      2.7.5. Расчет пропускной способности ЛКС в обоих направлениях. Сведение основных свойств ЛКС в таблицу.

2.Расчетная часть: проектирование радиосети


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

Рассмотрим из каких блоков будут состоять элементы сети с точки зрения выполняемых ими задач.

Начнем с терминала. В его задачи входит : 

1) Прием и обработка запросов от ТД ; 

2) Выполнение команд управления; 

3) Сбор и передача измеряемых данных на ТД;

4) Синхронизация с ТД; 


Следовательно, функциональный состав терминала будут состоять из:

Радиомодуль - отвечает за прием/отправку сообщений по радиоканалу, обеспечение помехоустойчивости, избежание колизий путем синхронизации, а также за оценку качества накала связи.

Блок управления -   нужен для взаимодействия всех модулей терминала. Осуществляет функцию управления терминалом 

Информационная подсистема предназначена для  хранения информации: собственный идентификатор (ID терминала), идентификатор ТД, а также телеметрию.

Модуль управляемого устройства  - представляет  устройство, которое в зависимости от типа (датчики / аукторы), выполняет различные функции (сбор данных и выполнение команд).  

            

   Рис. 1. Функциональный состав терминала 


Также рассмотрим ряд задач, которые выполняет ТД: 

1) Передача широковещательных сообщений; 

2) Опрос терминалов на передачу данных о телеметрии; 

3) Прием и обработка команд управления от пользователя; 

4) Синхронизация всех терминалов находящихся в зон радиопокрытия;


Функциональный состав точек доступа будет включать в себя:

Радиомодуль-отвечает за прием / отправку сообщений по радиоканалу, обеспечение помехоустойчивости, избежание колизий путем синхронизации, а также за оценку качества накала связи.

Информационная подсистема-предназначена ,для хранения информации: собственный идентификатор (ID точки доступа), статистические данные о работе сетитакже содержит список всех терминалов принадлежащих данной сети и соответствующую информацию о них (идентификаторы терминалов, информацию об их активности и др.)

Блок управления-нужен для взаимодействия всех модулей точки доступа. Осуществляет функцию управления ТД. 

Сетевой модуль -для взаимодействия с пользовательским оборудованием через внешние сети.

               

             

  Рис. 2. Функциональный состав точки доступа

                           

   2.2. Пояснение концепции решения задач:

- объединение в единую сеть различных устройств с целью удаленного управления или сбора данных;

- получение пользователя в реальном масштабе времени данных с сетевых объектов и  предоставление доступа к удаленному управлению           терминалами  с использованием ключевых звеньев доставки сообщения, пояснение функций каждого звена. Обоснование требуемой архитектура радиосети. 


Пояснение концепции решения данных задач было рассмотрено в пунктах 1.1 и 1.2 первой статьи. Вот ссылка на данную статью: http://omoled.ru/publications/view/1205 


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


 В прямом направлении «от точки доступа к терминалу» передаются широковещательные сообщения и сообщения управления терминалом.

 В обратном направлении «от терминала к точке доступа» передают сообщения подтверждения приема (сообщения телеметрии / сообщение об          подтверждении выполненных команд,о состоянии термина после выполнения команды управления ) и сообщения  для регистрации в сети.

   2.4. Обоснование иерархической модели сети - как транспортная сеть доставки информационных и служебных сообщений. Выделение ключевых  слоев модели (не менее трех), пояснение протоколов обмена всех уровней моделей. Выделение радиоинтерфейса и формулирование задач по  передаче / приему сообщений службы различных уровней.


        


                                                                   Рис. 3. Иерархическая модель сети.


Пользователь для реализации какой-либо услуги взаимодействует с приложением пользовательского устройства. Приложение управляет функциями терминала, за выполнение которых отвечают службы управления терминала, но не на прямую, а посредством служб управления точки доступа.


Уровень L3 реализует сценарии  взаимодействия сетевых объектов (точки доступа и терминалов). Также 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, по которому должны взаимодействовать сетевые объекты.


Канальный уровень (L2) отвечает за организацию передачи данных. В рамках L2 уровня организуется реализация адресной доставки сообщений, проверка доступности ФК, реализация алгоритмов множественного доступа, синхронизация пакетов и управление потоком приема/передачи пакетов канального уровня. Также происходит обнаружение и исправление ошибок (инструмент СRC).


Основным назначением физического уровня (L1) является формирование физических каналов  и обеспечение достоверной передачи битов по ФК.

На L1 уровне выполняются следующие задачи: сборка, разборка пакетов физического уровня; реализация методов доступа к среде; модуляция/демодуляция; помехоустойчивое кодирование/декодирование; символьная, битовая и пакетная синхронизация;перемежение/деперемежение    восстановление параметров сигналов. 


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


В проектируемой радиосети терминал может находиться в двух состояниях: пассивном и активном.

В пассивном состоянии  терминал ведет прием широковещательных сообщений от ТД. К пассивному состоянию относится режим ожидания

В активном состоянии ведется прием команд управления от ТД и соответственно передача информационных сообщений.Терминал может перейти в активное состояние только получив запрос от точки доступа. 

  

   2.6. Анализ возможных решений по обеспечению энергосбережения. Построение диаграмм состояний сетей, отражающих основные   элементы разрабатываемой сценарии.


Энергосбережение в данной системе осуществляется посредством того, что большую часть времени терминал находится в режиме ожидания и выходит из него только по запросу ТД.


Диаграмма состояний точки доступа: 


                      

                   

              Рис. 4. Диаграмма состояний точки доступа


Работа точки доступа: Точка доступа находится в режиме ожидания.После того как была получена команда управления от пользователя, начинается взаимодействие  ТД с терминалами. ТД  отправляет широковещательное сообщение, в котором содержится  информация, о том какому терминалу будет адресована команда. Если в сети присутствует терминал, который хочет зарегистрироваться в данной сети, то после получения ШС, он отправляет свой ID для регистрации. Далее происходит передача команды  терминалу, адрес которого передавался в  широковещательном сообщении. В ответ ТД ожидает данные о телеметрии(если это команда о предоставлении телеметрии), либо сообщение о подтверждении, что данная команда выполнена (если это команда управления). Также с некоторым  интервалом времени ТД совершает периодический опрос всех терминалов, для подтверждения их работоспособности, а также для сбора телеметрии с некоторых датчиков.


Диаграмма состояний терминала:


                                 

                                 


                                         Рис. 5. Диаграмма состояний терминала


Процесс регистрации: Как только терминал включился,он начинает поиск сети(поиск широковещательного сообщения). После обнаружения сети, терминал регистрируется в ней  и после процесса регистрации  переходит в режим ожидания, до следующего широковещательного сообщения.


Процесс выполнения команды: терминал ищет ШС посылаемое ТД. После его нахождения, он проверяет, является ли он адресатом, если нет, то он уходит в спящий режим до следующего ШС. Однако, если же он является адресатом, то он начинает прием команды и последующее ее выполнение, а затем  в ответ  передает информационные данные (телеметрия) на ТД.  После передачи данных, происходит переход в состояние IDLE.


   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 принимаемых сообщений.

 

Задачи служб канального уровня:

 

Служба передачи команд управления- осуществляет формирование и передачу сообщений терминалу, с заданным идентификатором. Передаваемые сообщения содержат информацию о  команде , которую нужно установить.Например, перевести из одного состояния в другое (включить/выключить).

Служба приема команд управления- осуществляет прием команд управления, их разбор и последующее  выполнение.

Служба передачи статуса терминала - формирует и передает сообщение, которое является подтверждением об успешном приеме и выполнении команды управления. Сообщение данной службы, будет содержать в себе информацию, о состоянии терминала после выполнения команды управления.

Служба запроса информационных данных(телеметрии) - формирует и передает команду запроса об предоставлении информации с конкретного терминала(например датчик температуры воздуха)

Служба передачи информационных данных(телеметрии) - осуществляет сбор информации с датчиков,формирование сообщения и передачу его на ТД.

Служба приема информационых данных (телеметрии)-осуществляет прием сообщений с терминала, их обработку и сохранение данных на  сервере.

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

Служебные  сообщения
К служебным можно отнести, транслируемое точкой доступа, широковещательное сообщение ВССН, которое содержит  общую информацию о сети.Также содержит идентификатор(ID) терминала с которым будет организовано соединение. Получив данное сообщение терминал может зарегистрироваться в данной сети. Данное сообщение является не адресным,не требует ответа от терминалов.Также сюда можно отнести сообщения, содержащие в себе команды управления или запросы на предоставление телеметрии,и команды на предоставление возможности регистрации . Данные сообщения являются адресными. Ответом будет являться передача информационного сообщения(которое описано ниже). 

Информационные сообщения
В данной радиосети,к информационным  можно отнести сообщения содержащие в себе информационные данные: телеметрию, статус терминала, после выполнения команды управления или ID терминала, при его регистрации в сети.

Во избежание потерь и искажений информационных сообщений  используется CRC-12 - элемент, позволяющий проводить оценку достоверности принимаемой информации.

      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 двухстороннего обмена сообщениями. Анализ предполагаемого алгоритма множественного доступа на предмет возникновения колизий и пояснение решения по их устранению. 

 

 Множественного доступа в сети не предусмотрено так, как точка доступа является инициатором соединения, следовательно, она выбирает какому терминалу предоставить физический канал в определенный момент времени.Также будет использоваться временное разделение каналов, это означает, что в определенный момент времени, только один из терминалов будет иметь полный доступ к физической среде. Благодаря такой организации доступа к физической среде проблем с коллизией не возникнет.


      2.7.3. Выделение типов и характеристика логических каналов (ЛКС) L2 уровня. Построение временной диаграммы, отражающей двухстороннюю 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.


В разрабатываемой сети будут использоваться следующие типы логических каналов:


1) ВССН - широковещательный канал. Предназначен для передачи общей информации о сети.Также передает информацию о том, с какими терминалами будет организовано соединение. 


2) ССН - канал передачи команд.Служит для передачи команд управления. Это может быть команда изменения состояния какого нибудь устройства   (например, включить/выключить свет в комнате), либо запрос  о предоставлении телеметрии(измерительных данных с различных счетчиков). Также по данному каналу может передаваться команда о регистрации в сети.

 

3) ТСН - канал передачи информации. По данному каналу происходит передача информационных данных(телеметрии),которые служат  подтверждением приема  и исполнения команды принятой по каналу ССН. Также по этому каналу может передаваться ID терминала, в ответ на команду о возможности регистрации.



Далее рассмотрим диаграмму двустороннего обмена сообщения  L2 уровня:

На данной диаграмме показан процесс взаимодействия ТД и терминалов. Точка доступа посылает широковещательное сообщение всем терминалам, от Т1 до ТN-го (в данной радиосети максимальное количество терминалов равно Nmax= 24).ШС содержит в себе ID ТД, список  терминалов,  которым  будут  адресованы команды, а также информация о возможности регистрации терминалов в данной сети. Далее ТД передает команду управления Т1 по каналу ССН. Ответом, на данную команду, послужит передача телеметрии по каналу ТСН . Также  если   есть  терминал который хочет зарегистрироваться в сети, то после принятия им ШС, он ожидает  сообщение с командой на регистрацию по каналу ССН. Данное сообщение будет являться не адресным, и будет содержать в себе информацию о номерах тайм-слотов, где можно будет произвести процесс регистрации. В ответ на данную команду, терминал по каналу ТСН отправляет свой идентификатор.   


            

                     Рис. 6. Диаграмма двустороннего обмена сообщениями L2 уровня.



               

        Рис. 7. Диаграмма двустороннего обмена сообщениями L2 уровня на временной шкале.



      2.7.4. Пояснение назначения и размерности полей сообщений канального уровня. 


Структуры полей сообщений канального уровня представлены на следующих рисунках:


1)Сообщение широковещательного канала(ВССН) будет содержать в себе (57 бит):


ID - идентификатор точки доступа.(8 бит);


Поле F - флаг доступности сети, служащий уведомлением для незарегистрированных терминалов о возможности регистрации. ( 1 бита );

 

Информационная часть - содержит  список  терминалов, с которыми будет установлено соединение. (44 бит);


Поле CRC - содержит избыточный код, предназначенный для обеспечения гарантированной доставки сообщения (12 бит);


            

           Рис. 8. Структура широковещательного сообщения



2)Сообщение канала передачи команд (ССН) будет содержать в себе (57 бит): 


ID - идентификатор терминала, которому адресовано данное сообщение.(8 бит);


Поле Т - данное поле содержит информацию о типе команды управления:(00-запрос на предоставление телеметрии,11-команда управления, 10-команда на регистрацию ).(2 бита);


Информационная часть - содержит в себе команды управления или номера тайм-слотов в которых может происходить регистрация терминалов

( 35 бит);


Поле CRC - содержит избыточный код, предназначенный для обеспечения гарантированной доставки сообщения (12 бит);

                 

                    

             Рис. 9. Структура сообщения канала передачи команд       



3)Сообщение канала передачи информации (ТСН) будет содержать в себе (57бит):


ID - идентификатор терминала, который является отправителем данного сообщения.(8 бит);


Информационная часть - содержит измеренные данные (телеметрия/статус) (37 бит);


Поле CRC - содержит избыточный код, предназначенный для обеспечения гарантированной доставки сообщения (12 бит);

       

                

         Рис. 10. Структура сообщения канала передачи информации


   

      2.7.5. Расчет пропускной способности ЛКС в обоих направлениях. Сведение основных свойств ЛКС в таблицу.


                   
  
   Список используемой литературы:

1.  Бакке А.В. Курс лекций по дисциплине: «Системы и сети связи с подвижными объектами».
2.  http://omoled.ru/publications/view/818
3.  http://omoled.ru/publications/view/844
4.  http://omoled.ru/publications/view/1190
5.  http://omoled.ru/publications/view/1197
6.  http://omoled.ru/publications/view/1194








Прикрепленные файлы

Комментарии

Комментариев пока нет
Статья опубликована в группах