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

    В разрабатываемой радиотелефонной сети на терминал возлагаются следующие задачи:

1)    Хранение собственного уникального идентификатора и данные о предпочтительной сети (ID БС).

2)    Прием от базовой станции служебных сообщений, включая прием широковещательного сигнала сети.

3)    Передача различных служебных сообщений

4)    Прием/передача голосового трафика и коротких текстовых сообщений

Таким образом функциональная схема сетевого терминала принимает следующий вид, рис.1.

                    рис. 1 Функциональная схема терминала 

·       1.  Модуль управления – прообраз L3 уровня. Данный модуль участвует в выполнении всех задач терминала. Является связующим звеном между функциональными модулями терминала. Обеспечивает взаимодействие с другими сетевыми объектами в соответствии с заложенными в нем алгоритмами.

·       2.  Радиомодуль – выполняет функции L1 – уровня. Данный блок выполняет задачи помехоустойчивого кодирования/декодирования, модуляции/демодуляции, выполняются функции перемежения/деперемежения. Выполняется задача синхронизации Т и БС, происходит компенсация искажений принимаемого сигнала.

·       3.  Информационная подсистема содержит следующую информацию:

1) Собственный идентификатор (ID терминала)

2) Идентификатор сети, к которой он должен подключиться (ID БС)

3) Хранит общую информацию, принимаемую от сети, также в нем хранится информация о параметрах текущего соединения (параметры таймслота).   

2.2 Пояснение концепции решения следующих задач:

- организация многопользовательского предоставления услуг передачи речи в двух направлениях;

- организация предоставления услуг передачи данных с использованием ключевых звеньев доставки сообщений, пояснение функций каждого звена. Обоснование требуемой архитектуры радиосети.

Данный вопрос был рассмотрен в пункте 1.2 курсовой работы, добавлю лишь некоторые особенности:

С целью массового предоставления радиотелефонных услуг необходимо вести учет абонентов сети, под этим подразумевается наличие информационной подсистемы в составе АТС. Подсистема обладает информацией о всех участниках сети и о текущем статусе абонентов.Безусловно, АТС является важным инструментом коммутации соединений и общего учета пользователей. Также немаловажной задачей является формирование радиосети доступа в лице БС с достаточным для обслуживания заданного числа абонентов количеством каналов. Как уже было сказано, стратегией выделения каналов будет метод, подразумевающий запрос терминалами у БС каналов (DAMA). В 1 части курсовой работы было установлено, что для нормального функционирования проектируемой сети необходимо 12 дуплексных каналов, один из которых выполняет функции:

·        широковещательной несущей – передача общей информации о сети, передача идентификатора сети

·        канала вызова/доступа – вызов абонента сети/запрос на предоставление индивидуального канала

·        индивидуального канала управления – обмен служебной и вспомогательной информацией между БС и МС, используется при подготовке сеанса связи.

Когда все параметры связи согласованы системой может быть назначен сеансу доступный из 11 каналов трафика.

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

    Проектируемая система должна иметь оперативную информацию об абонентах, отслеживать их статус, при этом важным является процедура регистрации абонентов. 

    Рассмотрим подробнее механизм регистрации. Разрабатываемая сеть предполагает наличие только одной БС, таким образом в информационной подсистеме терминала будет содержаться информация об одной предпочтительной сети (ID базовой станции). Каждый раз при включении устройства или появлении его в зоне обслуживания достаточно принять широковещательное сообщение сети (идентифицировать БС) и отправить сети служебное сообщение: «Я в сети, передаю свой ID»

     Активное взаимодействие пользователей радиотелефонной системы подразумевает наличие большого количества заявок на обслуживание и значительного объема служебных сообщений. Целесообразно использование нескольких индивидуальных каналов, которые адресно и в порядке очереди смогли бы обслужить абонентов сети. Информация, передаваемая по индивидуальным каналам может содержать в себе:

1) ID терминала

2) Информация, необходимая для подготовки предстоящего сеанса связи, например передача номера вызываемого абонента

3) Передача коротких текстовых сообщений (SMS)

    Предполагаемый объем служебных сообщений будет рассмотрен чуть позднее.

    Оценим общую пропускную способность каналов трафика в проектируемой сети. В пункте 1.2 первой части работы был сделан обоснованный выбор речевого кодека (G.723.1) его пропускная способность 6.4 кбит/с в одном направлении. Принимая во внимание, что сеть может обслужить 11 сеансов одновременно, получим общую пропускную способность 70,4 кбит/с в одном направлении.

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 всех уровнях модели. Выделение радиоинтерфейса и формулирование задач по передаче/приему сообщений службами различных уровней.

Иерархическая модель сети представлена на рис.2.

                                                    рис. 2 Иерархическая модель сети

Пользователь для реализации какой-либо услуги взаимодействует с приложением мобильного телефона, приложение запускает процессы, необходимые для ее реализации. Например, пользователь выбирает из списка контактов абонента с которым он хочет связаться, приложение инициирует процедуру вызова, устанавливается протокол обмена между службой АТС и приложением пользователя.

Основной услугой разрабатываемой системы является передача речевой информации, следовательно основной трафик системы – речевой. Пользовательское приложение генерирует трафик, он минуя канальный уровень поступает сразу на физический уровень. Такое решение обусловлено тем, что речевой трафик – трафик реального масштаба времени. За отдельным терминалом резервируется выделенный канал связи, в связи с этим не возникает смысла каждому пакету присваивать адрес-получателя. Реализуемые в рамках L2 уровня инструменты CRC и ARQ также не являются востребованными для голосового трафика (подробнее будет описано в пункте 2.7.1). 

    На уровне L3 реализуются сценарии взаимодействия БС и терминалов. БС посредством протоколов управляет процессами, связанными с радиоресурсами: назначение/переназначение радиоканалов, управление мощностью излучения.

    L3 является поставщиком служебных сообщений, в зависимости от сценарий, например: передача БС сообщений BCCH, сообщений вызова канала PCH, передача информации по ИКУ и др. формируются соответствующие служебные сообщения L3-уровня.

    Основным назначением канального уровня проектируемой системы является адресная доставка различных служебных сообщений. В рамках L2 уровня организуется проверка целостности доставленного сообщения уровня сценария взаимодействия (L3), уместно применение службы повторного запроса ошибочно принятых пакетов (ARQ) для служебных и информационных сообщений.

    На физическом уровне выполняются следующие задачи:

• Реализация методов доступа к среде. В проектируемой сети будет использоваться метод с временным разделением каналов TDMA. Его применение позволяет существенно сэкономить ценный частотный ресурс и в целом позволит повысить эффективность системы.
• Модуляция/демодуляция. В системе планируется использование двух видов модуляции: QAM-16 или BPSK (подробнее в п. 2.8.1)
• Синхронизация. Осуществляется передачей БС специального пакета, включающего механизмы подстройки частоты и времени.
• Помехоустойчивое кодирование/декодирование. Применение сверточного кодирования со скоростью V=1/2
• Перемежение/деперемежение
• Компенсация искажений сигналов. Применение адаптивной фильтрации сигналов (п. 2.8.1)   

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.

Терминал может функционировать в двух режимах: пассивный и активный.

    В пассивном состоянии МС ведет прием широковещательных сообщений от БС или ожидание сообщений, адресованных Т по каналу вызова (PCH). Возможны ситуации, когда МС только включилась или после отсутствия в зоне радиопокрытия она снова оказалась в зоне действия сети, в любом случае терминалу необходимо зарегистрироваться в этой сети.

    Рассмотрим процедуру регистрации мобильной станции. Абонентским станциям закрытой локальной радиотелефонной системы нет смысла каждый раз осуществлять поиск сети. В памяти пользовательского устройства «зашита» информация о предпочтительной сети (ID БС). Для успешной регистрации в сети терминалу необходимо принять широковещательный сигнал базовой станции, распознать сеть и отправить свой идентификатор, БС отправляет сообщение информационной подсистеме АТС, терминал вносится в список активных, после чего БС отправляет служебное сообщение терминалу *регистрация завершена* . Процесс регистрации продемонстрирован на рис 3.

                                            рис 3. Регистрация абонента в сети

    Терминал также может пребывать в активном состоянии, при котором осуществляется активный диалог мобильной станции и сети. Причинами перехода в активное состояние могут быть:

1.  Необходимость подтверждения работоспособности терминала, проведение процедуры переодической регистрации. Переодичность процедуры выбирается сетью самостоятельно, информация содержится в широковещательном сообщении канала BCCH.

2. Реализация телекоммуникационных услуг сети

Рассмотрим сценарий установления соединения, при котором Т1 вызывает T2 рис 4. 

                                                                рис. 4 Т1 вызывает Т2

    От МС1 поступает запрос на предоставление индивидуального канала по RACH, обработав заявку, БС по каналу разрешенного доступа сообщает информацию, в котором содержится номер канала SDCCH по которому в процессе установления соединения будет вестись служебный диалог сети и Т1. После передачи сети номера вызываемого абонента, БС обращается к информационной подсистеме АТС, определяется статус (активен или нет) и формируется сигнал избирательного вызова терминалу №2. По индивидуальному каналу согласуются параметры связи, итогом служебного диалога МС2 и сети является команда включения сигнала вызова терминалу №2, а в свою очередь вызывающий Т1 получает сигнал – ответ станции (длинные гудки) уже по назначенному для текущего сеанса каналу трафика. После «поднятия трубки» терминалом №2 происходит обмен речевой информацией между терминалами.

                        Каким образом будет происходить передача коротких сообщений(sms)?

Сценарий отправки смс-сообщения изображен на рис. 5. 

                                            рис. 5 Отправка смс

Пользователь формирует короткое текстовое сообщение, для его передачи: по каналу RACH запрашивает у сети индивидуальный канал, передача смс будет организована в рамках SDCCH сообщений. Базовая станция, получив сообщение от МС1, перенаправляет его в информационную подсистему при АТС, одновременно осуществляет запрос *адресат МС2 в сети?*. В зависимости от статуса адресата возможны следующие сценарии:

1) Абонент в сети. Информационная подсистема при АТС сообщает БС, что МС2 в сети. БС получает сообщение из хранилища и ретранслирует его конечному адресату.

2) Абонент не был доступен и вышел в сеть. После некоторого интервала времени MC2 появляется в сети. Из информационного хранилища сообщение поступает БС, она в свою очередь отправляет его конечному адресату.

Аналогичным образом осуществляется доставка служебного сообщения – подтверждения о доставке отправителю смс.

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

Диаграмма состояний терминала изображена на рис. 6.

                рис.6 ДС терминала

Рассмотрим подробнее условия перехода терминала из различных состояний. Пройдя процедуру регистрации, терминал переходит в режим ожидания (условие 1). В IDLE режиме он получает широковещательную информацию о сети и ожидает сигналы вызова. Терминал переодически возвращается в состояние регистрации (условие 2) с целью подтверждения своей работоспособности. Реализация любой телекоммуникационной услуги (входящие/исходящие звонки, смс сообщения) требуют переход мобильной станции в активный режим (условие 3). Возможны ситуации, когда в процессе ведения связи терминал потерял сигнал базовой станции, это может быть связано с уходом абонента из зоны обслуживания или попадание мобильной станции в слишком «затененную область», следовательно необходимо заново найти сигнал и зарегистрироваться в сети (условие 5). После окончания процедуры ведения связи терминал возвращается в состояние IDLE (условие 4).

Диаграмма состояний БС изображена на рис. 7.

                                рис. 7 Диаграмма состояний БС

Большую часть времени терминал будет находится в пассивном состоянии, что позволит достичь относительно невысокого энергопотребления.

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.

В проектируемой радиотелефонной сети на канальный уровень возлагаются следующие основные задачи:

 1) Реализация адресной доставки сообщений L3-уровня

2) Организация и управление доступом к физическим каналам

3) Обнаружение и исправление ошибок

На канальном уровне реализованы следующие подуровни:

1) MAC – отвечает за адресацию и формирование всех видов сообщений.

2) CAC – подуровень управления доступа к физическому каналу. Методом доступа к среде в разрабатываемой системе является TDMA.

Характеристика видов сообщений:

Служебные сообщения:

1) Широковещательные сообщения. Передаются БС всем терминалам сети, являются неадресными.

2) Сообщения, содержащие заявки на предоставление канала, существуют только в направлении Т-БС.

3) Сообщения вызова, формируемые БС (направление БС-Т).

Информационные сообщения:

К ним можно отнести все сообщения, передаваемые по каналу SDCCH как в направлении Downlink, так и в Uplink:

·        смс сообщения, включая сообщения подтверждения о доставке

·        согласование параметров связи

·        информация о вызывающем абоненте

·    передача терминалом номера вызываемого абонента

К информационным можно отнести сообщения медленного совмещенного канала:

1) Передача БС терминалам информации об изменении уровня излучаемой мощности

2) Обмен данными радиоизмерений в обоих направлениях

Проведем анализ служб канального уровня исходя из концепции проектируемой радиотелефонной сети. Основной услугой разрабатываемой системы является передача речевой информации, следовательно основной трафик системы – речевой. Пользовательское приложение генерирует трафик, он минуя канальный уровень поступает сразу на физический уровень. Такое решение обусловлено тем, что речевой трафик – трафик реального масштаба времени. За отдельным терминалом резервируется выделенный канал связи, в связи с этим не возникает смысла каждому пакету присваивать адрес-получателя. Применение службы CRC и как следствие службы ARQ в условиях передачи речи не является целесообразным. Как уже было отмечено в 1 части курсовой работы для работы с речевым потоком используется кодек G.723.1, обработка сигнала осуществляется с помощью вокодера, реализуемого программно на CPU. В составе вокодера имеются собственные алгоритмы и инструменты вычисления ошибочно принятых пакетов. Например, если пакет был принят ошибочно, вокодером принимается решение вместо «нераспознанного» пакета вставить короткий фрагмент белого шума, при этом на приемной стороне такая ошибка существенно не повлияет на качество принимаемой информации.

        В свою очередь, если говорить о сообщениях, передаваемых в условиях нереального масштаба времени (служебные и информационные) их целесообразно закрывать CRC кодом и как следствие уместно применять службу ARQ. В структуре пакетов L2 – уровня будет присутствовать 32-битное CRC поле для такого рода 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 двустороннего обмена сообщениями. Анализ предлагаемого алгоритма множественного доступа на предмет возникновения коллизий и пояснение решения по их устранению.

Физические каналы в проектируемой системе образованы методом TDMA, то есть для передачи сообщений каждому терминалу отведен свой временной интервал – таймслот. В отведенной полосе частот предусмотрено наличие 12 физических каналов, один из которых выполняет функции канала управления. Рассмотрим подробнее структуру канального ресурса. Правило размещения сообщений логических каналов отражаются мультикадром. В состав мультикадра входят 8 кадров, его структура может быть различной в зависимости от направления передачи. Нечетные мультикадры передаются в направлении вниз, а четные в направлении вверх, тем самым обеспечивая дуплексный режим работы. Четные и нечетные мультикадры объединяются суперкадром. На рис. 8 рассмотрена структура, при которой осуществляется передача каналов управления, для их передачи полностью зарезервирован нулевой физический канал. Таким образом, нулевой физический канал в зависимости от номера кадра может нести в себе информацию: 1 – канала синхронизации, 2 – информацию канала BCCH, 3 – информацию AGCH и. т. д. В обратном направлении: 1, 2, 3, 4 о канале RACH; 5,6 – сообщения SDCCH и. т. д. 

                        Рис 8. Структура мультикадра для нулевого физического канала

Для передачи трафика структура мультикадра будет следующей, рис 9.

                                        Рис. 9 Структура мультикадра для i-ого физического канала

    Возможен случай, когда несколько терминалов одновременно послали заявку на предоставление канала по RACH. Передаваемые блоки данных от разных терминалов в данном случае «смешиваются», накладываются друг на друга и возникают коллизии. Чтобы их избежать, применим в системе алгоритм множественного доступа к каналу RACH. В условиях нашей системы, когда по каналу RACH передаются очень короткие прерывистые заявки на предоставление индивидуальных каналов, целесообразнее всего использовать метод ALOHA, основанный на следующем сценарии. Пусть два терминала одновременно решили сделать заявку к БС и одновременно захватывают канал RACH , отправляя по нему заявку. После отправки заявок оба терминала следят за каналом AGCH и ждут подтверждения от БС принятия заявки. При этом, базовая станция не смогла правильно принять ни одну заявку из-за возникших коллизий и ничего не отвечает терминалам по каналу AGCH. Не получив положительного ответа, терминалы выжидают в течение случайного времени и снова пытаются сделать заявку. Если время ожидания терминалов оказывается разным, то коллизий в канале RACH не возникает, а следовательно БС реагирует на запросы каждого терминала положительным ответом и выделяет каждому терминалу запрашиваемый канал связи.

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.

Типы логических каналов, используемых в проектируемой сети:

1) BCCH  – Канал передачи общей информации о сети. Служит для передачи широковещательной информации от БС к Т, а именно – ID БС и передачи параметров доступа к каналу RACH.

2) RACH – Канал случайного доступа. Служит для запросов терминалами индивидуального канала с целью регистрации или осуществления сеанса связи.

3) AGCH – Канал разрешенного доступа. Предназначен для передачи БС номера индивидуального канала. 

4) PCH – Канал вызова. Передача БС сигнала вызова.

5) SDCCH – Индивидуальный канал управления. Обмен информации, необходимой для осуществления сеанса связи (передача номера абонента, информация о вызывающем абоненте, согласование параметров связи).

6) SACCH – Медленный совмещенный КУ. Служит для обмена информацией о радиоизмерениях, а также для передачи команд БС, адресованных терминалам об изменении уровня мощности передаваемого сигнала.

7) TCH – канал трафика. Обмен голосовой информации в двух направлениях. 

8) Канал синхронизации по частоте и времени

Диаграмма обмена сообщениями представлена на рис.10.

                                                                             Рис. 10 Диаграмма обмена сообщений

    На представленной выше диаграмме рассмотрена процедура взаимодействия терминалов и БС, в результате которой устанавливается сквозное соединение между мобильными станциями. Предполагается, что оба терминала уже зарегистрированы в сети и находятся в режиме ожидания вызова. Отдельное внимание стоит уделить диалогу терминала и БС по каналу SACCH. Так как передача речевой информации происходит по каналу трафика №1 (1 физический канал), терминалы имеют возможность осуществлять радиоизмерения в пределах следующих таймслотов. Оценив уровень принимаемого сигнала, терминал передает информацию по медленному совмещенному каналу, в следующем мультикадре от БС поступает информация об увеличении мощности либо не поступает никакой информации в случае, если сигнал в процессе радиоизмерений не ухудшился.

2.7.4. Пояснение назначения и размерности полей сообщений канального уровня.

На рис. 11 представлены структуры пакетов сообщений L2-уровня.

                                                                    Рис 11. Пакеты L2-уровня

    Пакет речевого трафика будет представлять собой только информационную часть. Примем длительность пакета равной 15 мс, учитывая, что его потеря не сильно отразится на слуховом восприятии. При скорости передачи 6,4 кбит/с его размер составит 6400 бит/с * 0.015 с = 96 бит.

    Рассмотрим структуру сообщения канала SDCCH: по 7 бит отведено на адреса источника и получателя сообщения (с расчетом, что всего функционирует 70 абонентов). В случае если пакет передается от БС к Т в адресе источника указывается последовательность из 7 нулей – 0000000, данный адрес закреплен за БС. В случае передачи сообщения от Т - в адресе получателя также указывается последовательность из 7 нулей. При передаче смс сообщений используются соответствующие поля источника и адресата. Информационная часть SDCCH составляет 50 бит, дополненная 32-битным CRC-кодом.

    Структура сообщений каналов случайного доступа/разрешенного доступа/вызова представляет собой аналогичную структуру.

    Так как сообщение BCCH – широковещательное, оно не имеет адреса и следовательно его структура состоит из полей информационной части и CRC – кода.

    Размер всех пакетов канального уровня одинаков и составляет 96 бит

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

Список источников:

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

2. http://omoled.ru/publications/view/1186

3. http://omoled.ru/publications/view/1194

4. http://omoled.ru/publications/view/331

5. http://omoled.ru/publications/view/346