Рис.1 Функциональная схема терминала

Интерфейс обеспечивает взаимодействие с ОП.

Модуль управления выполняет функцию управления терминалом и обеспечивает работу в соответствии с заложенным в него алгоритмом

Информационная подсистема – хранилище данных в котором находятся таблицы маршрутизации, а также информация об окружающих терминалах

Радиомодуль-приём/отправка сигнала с заданной точностью и скоростью. Выполняет задачи модуляции/демодуляции, перемежения/деперемежения, помехоустойчивого кодирования/декодирования

2.2. Пояснение концепции решения следующих задач:

- автонастройка топологии сети терминалов, оперативный контроль доступности узлов ;

Рис.2 Поиск маршрута в сети Ad Hoc

Рассмотрим алгоритм поиска маршрутов между терминалами. Пусть необходимо найти путь между терминалами 1 и 10. Терминал 1 генерирует специальный запрос маршрута и распространяет его по сети широковещательным способом. В больших сетях алгоритмом генерируется много широковещательных пакетов, поэтому для избежания излишней загрузки и для обнаружения адресата отправитель рассылает пакет запроса маршрута с шагом, равным 1. В нашем примере запрос формируется для 2, 5 и 7. Если ответ не приходит и путь по-прежнему неопределен, то посылается еще один запрос, но с шагом, равным 2, и т.д. Когда после конкретного числа шагов запроса маршрута, находится необходимый маршрут, то формируется ответ о наличии пути. Последний отправляется в обратном пути в источнику запроса, в нашем примере терминалу 1. При этом терминалы 5 и 6, находящиеся на указанном пути тоже получают информацию о маршруте к терминалу 10. После этого, терминал 1 начинает передачу данных терминалу 10.

Таблица 1 –таблица маршрутизации Т1 (по рис.2)

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

 В направлении «терминал –терминал» передаются служебные сообщения и речевой поток. Так как нужно передавать речь человека, следовательно, хватит потока 64 кбит/с. Но так как не требуется хорошего качества передачи речи, воспользуемся технологией сжатия речевого потока. Для этого применим кодек GSM FR, преобразующий поток скоростью 64 кбит/с в поток 13 кбит/с.

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.

Рис.3 Иерархическая модель сети

 Радиоинтерфейс реализуется на уровнях L2 и L1, канальный уровень реализует алгоритмы множественного доступа, адресную/неадресную доставку сообщений. Также, на L2 реализуется синхронизация пакетов и управление потоком приема/передачи пакетов канального уровня.

L1 уровень отвечает за взаимодействия со средой передачи, т.е. на нем организуются физические каналы связи, по которым передаются сообщения

Уровни L3, L5, L7 отвечают за формирование сеанса связи.

Уровень L3 – управление взаимодействием сетевых объектов. Т.е. в зависимости от того какое сообщение нужно передать и какой логический канал нужно организовать для передачи этого сообщения, L3 уровень реализует один из алгоритмов, которые в нем заложены, по которому действуют сетевые объекты.

L5 уровень-управление диалогом « терминал-терминал », подготовка сеанса связи

L7 уровень-реализуется только в устройстве пользователя, для осуществления пользовательского интерфейса, а также отвечает за прием команд от пользователя, а также передачу пользователю информации в удобном для него виде.

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 включается обменивается по каналу BCCH информацией с другими терминалами по сети. Подключается к этой сети, составляет свою таблицу маршрутизации на основе тех данных, которые он получил из канала BCCH от других терминалов. Теперь терминал в сети, если терминалу нужно передать сообщение, то он по таблице маршрутизации смотрит, а есть ли у него сейчас в зоне покрытия его передатчика терминал-адресат, если есть, то он осуществляет передачу, если нет, то он смотрит по таблице маршрутизации как ему передать транзитом это сообщение через промежуточный терминал. Если терминалу нужно принять сообщение, то терминал проверяет кому адресовано сообщение, если оно адресовано ему, то он его демодулирует, декодирует, дефрагментирует, приводит в форму понятную для пользователя и выдает пользователю, если это транзитное сообщение и ему не адресовано, то он смотрит какому терминалу адресовано это сообщение и опять проверяет наличие этого терминала в зоне радиопокрытия его передатчика, если есть, то он транзитное сообщение передает адресату, если нет, то он опять ищет терминал для транзитной передачи по таблице маршрутизации и передает ему транзитное сообщение.

Рис.4 Жизненный цикл сеанса

Первый этап-начало сеанса связи. включение терминала

Второй этап-прием BCCH от других терминалов, обнаружение сети, отправка своего BCCH этим терминалам, т.е. своим BCCH он как бы говорит “я подключаюсь к этой сети”, далее происходит обмен по BCCH сообщениями, составляется таблица маршрутизации и терминал становится полноправным участником этой сети

Третий этап-участие в обмене сообщениями. Подробнее об этом написано чуть выше.

Четвертый этап-А если необходимость в передаче/приеме сообщений пропадает, т.е. боевая операция завершена, то он отключается от сети, сеанс завершается, терминал отключается

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

Рис.5 диаграмма состояний терминала

После включения терминал переходит в состояние прослушивания радиоканала, с целью обнаружения BCCH. Если BCCH не найден, то терминал начинает рассылку широковещательной информации самостоятельно в ожидании ответа от соседних терминалов. Эта процедура будет повторятся многократно до тех пор, пока не получит ответ. После получения ответа, терминалы синхронизируются и переходят в состояние ожидания запроса на прием/передачу сообщений.В случае обнаружения широковещательной несущей, до принятия решения о самостоятельной рассылке, также происходит синхронизация терминалов и их переход в состояние ожидания запроса на прием/передачу.

После синхронизации каждый терминал обладает информацией о распределении кадров по временной шкале и отведенных им КИ для рассылки BCCH. Дальнейшие действия терминалов при отсутствии запросов состоят в переходе в режим минимального энергопотребления на период TCH(что является решением по энергосбережению),после этого, вновь осуществить широковещательную рассылку информации о себе и доступных терминалах.

В случае получения терминалом запроса на передачу/прием трафика, осуществляется обработка и применение параметров передачи (уровень мощности сигнала, роль терминала в сети). Согласно принятому сообщению управления, терминал начинает либо принимать информацию, либо передавать информацию со своих периферийных устройств, либо после очередного этапа рассылки ожидает приема данных с другого терминала для последующей их ретрансляции.  

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 и L3:

Служба передачи аудиотрафика (L3) осуществляет формирование и передачу аудиотрафика на скорости 13 кбит/c.

Служба приема аудиотрафика (L3) если сообщение адресовано этому терминалу, то осуществляет прием аудиотрафика, с его последующей обработкой и преобразование к виду, нужному для передачи, если нет, то терминал осуществляет ретрансляцию.

Служба маршрутизации (L3) осуществляет формирование таблицы маршуртизации на основе принимаемых по каналу BCCH-сообщений. Она осуществляет трансляцию широковещательных сообщений с информацией о собственной таблице маршрутизации

Служба обмена служебными сообщениями (L3)- обеспечивает адресную доставку служебных сообщений внутри реализуемой сети.

 Служба формирования и передачи или приема пакетов L2 уровня аудиотрафика осуществляет формирование пакетов L2 уровня и их передачу нужному терминалу. Служба приема пакетов отвечает за прием приходящих пакетов, если сообщения адресовано этому терминалу, то осуществляется прием, декодирование и передача соответствующим службам L3, если сообщение адресовано не этому терминалу, то терминал осуществляет дальнейшую транзитную передачу в соответствии с таблицей маршрутизации.

Служба формирования и передачи или приема пакетов L2 уровня служебных сообщений осуществляет формирование пакетов служебных сообщений L2 уровня и их передачу нужному терминалу,а также взаимодействует со службой обмена служебными сообщениями (L3).

Характеристика видов сообщений.

Сообщения аудиотрафика.

Пакеты сообщений этого типа формируются и передаются посредством службы формирования и передачи/приема пакетов L2 уровня аудиотрафика.

Служебные сообщения.

Передаются по совмещенному каналу управления и служат для обмена терминалов служебной информацией в процессе передачи аудиотрафика

Сообщения BCCH

Необходимы для подключения терминала к сети и для формирования и обновления таблицы маршрутизации.

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.

В сети физический канал – радиоканал с определенной полосой частот. Доступ к радиоканалу будет осуществляться способом множественного доступа с разделением по времени (TDMA).

Рис.6 Структура канального ресурса

В составе мультикадра, Фрейм BCCH отведен для распространения между терминалами заявок о регистрации в сети. Перед началом работы в сети каждый терминал прослушивает радиоканал, с целью обеспечения синхронизации временных шкал с соседними терминалами. Терминал не получает сообщений от других терминалов на протяжении определенного тайм-аута. Формируется решение об отсутствии соседних терминалов и занимается канальный интервал, выделенный соответствующему терминалу в кадре BCCH. После появления в зоне радиопокрытия других устройств, на основании прослушивания радиоканала и приема широковещательного сообщения от заведомо работающего устройства, происходит синхронизация временных шкал и занимается соответствующий канальный интервал и распространяет информацию о себе и уже зарезервированных канальных интервалах. Каждый терминал по используемым канальным интервалам делает вывод о доступных терминалах.

После кадра BCCH отводится время для передачи запросов на передачу аудиоинформации (SACCH). Терминал отправляет запрос, посредством доступных терминалов на требуемый.

После ретрансляцию, терминалы, участвующие в доставке сообщения по каналу SACCH, применяют настройки для ретрансляции трафика.  После этого, терминал, которому предоставлялось сообщения начинает трансляцию трафика по маршруту прохождения сообщения запроса. 

При быстрой смене географического положения терминалами в самом начале функционирования сети происходит рассогласования их шкал времени в результате чего могут возникнуть коллизии. Методом по предотвращению данного явления предлагается введение длительного промежутка времени, отведенного на прослушивание радиоканала, при обнаружении широковещательной несущей, терминал синхронизируется с терминалом-передатчиком, определяет отведенный тайм-слот и повторяет процедуру регистрации в следующем мультикадре.  

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.

В разрабатываемой сети необходимо обеспечить доставку следующих видов сообщений:

- широковещательные сообщения – для идентификации терминалов и получения маршрутной информации, а также осуществления радиоизмерений;

- сообщения управления – для передачи терминалам запросов на трансляцию и применения параметров радиоизмерений;

- сообщения трафика – для доставки аудио данных.

Для реализации данных задач необходимо выделить три логических канала связи (ЛКС):

- BCCH – для обеспечения передачи широковещательных сообщений;

- SACCH – для обеспечения передачи сообщений управления;

- TCH – для передачи сообщений трафика.

Для широковещательных сообщений и сообщений управления требуется ввести оценку достоверности принятых сообщений. Для этих целей будет применен избыточный циклический код CRC16, в результате расчета которого, на приемной и передающей стороне, и сравнения результатов будет определяться целостность принятых сообщений.

Рис.7 Временная диаграмма взаимодействия сетевых объектов

Для пояснения особенностей двусторонней доставки сообщений сети рассмотрим случай, когда во время действия кадра BCCH терминалы Т1, Т4 и Т3 заявили о себе. Каждый терминал будет осведомлен, что в его зоне радиопокрытия находятся другие терминалы. Однако, процедура перерегистрации необходима для периодического обновления маршрутной информации терминалами, в случаях быстрой смены ими географического положения.

На этапе отправки запроса (SACCH), Т1 отправляет соответствующую команду о запросе трафика с Т3. на доступный Т4, который проверяет наличие в своей зоне радиопокрытия искомого терминала. В случае отсутствия в зоне Т3, Т4 отправляет запрос на другой терминал до тех пор, пока не будет найден искомый терминал. В случае если Т3 в зоне действия Т4 обнаружен был, приняв сообщение запроса, проанализировав метрику маршрута Т3, начинает трансляцию трафика на Т4.    

 2.7.4. Пояснение назначения и размерности полей сообщений канального уровня.

Рис.8 Структура сообщения трафика

В полях адресов (адрес отправителя, адрес терминала-ретранслятора, адрес получателя) содержится уникальный идентификатор терминала.Размер поля адреса равен 6 битам, т.к максимальное число пользователей 45 человек и 6бит вполне хватит, чтобы присвоить каждому терминалу свой уникальный идентификатор

В поле типа сообщения указывается служебным, широковещательным или сообщением трафика является передаваемое сообщение. В дальнейшем примем, что с последовательностью 00 передаются сообщения трафика, 01 - служебные, а 11 широковещательные сообщения.

Рис.9 Структура широковещательного сообщения

Поле информационной части служит для записи уникальных идентификаторов терминалов, уже занявших канальный интервал. Изначально данное поле заполнено нулями, в процессе его периодической ретрансляции оно заполняется ID терминалов.

Поле CRC кода содержит 16-битный циклический избыточный код, предназначенный для обеспечения гарантированной доставки сообщения.

Рис.10 Структура сообщения управления

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

Список литературы:

1)    Бакке А.В. , лекции по курсу  “системы и сети связи с подвижными объектами”