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

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 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.

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.

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.

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.

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

Точка доступа по очереди обращается к каждому терминалу из списка. Весь трафик обмена данными, как в прямом, так и в обратном направлениях имеет пакетный режим. Размер пакетов имеет одинаковую длину в количестве бит для любого типа пакетов. В связи с этим необходимо разработать радиоканал передачи пакетных данных с едиными техническими характеристиками как для прямого, так и обратного направлений. Определяющим параметром радиоканала передачи данных являются скорость и объем передаваемых данных за единицу времени. Предполагаемое время обслуживания максимального возможного числа терминалов 2-4 с.

Информационный трафик терминала (обратное направление) в основном состоит из пакетов данных, сформированных информационной подсистемой терминала на основании полученной информации от датчиков. Вид информации в этом случае представляет собой пакеты данных с наименованием датчика. Таким образом, один информационный пакет содержит информацию одного датчика. Дополнительно формируется и передается набор пакетов служебной информации для обеспечения доставки трафика и подтверждение достоверности (контроль целостности, контроль соответствия заданному адресу). Структура пакета включает в себя: адрес, тип сообщения, данные, CRC. С учетом размерности данных предположительно длина пакета может составлять 80 бит. Предполагаемый объем сообщений может составлять для информационной части 18 пакетов в одном сеансе связи. Итого 1440 бит – максимальное количество данных по обмену с одним терминалом.

Информационный трафик ТСД (прямое направление) состоит из информации, содержащей служебные пакеты, предназначенные для управления работой терминала и доставки от него пакетов. Количественное содержание информации сравнительно невелико по отношению к информационному потоку в обратном направлении и на общую производительность влияния не оказывает.

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

Каждый из уровней OSI отвечает за выполнение определенных действий по подготовке информации к передаче по сети.

Модель OSI описывает, каким образом информация проделывает путь по среде распространения от одной прикладной программы, к другой прикладной программе. По мере того, как данные готовы к передаче, они проходят вниз через уровни системы, становясь все меньше похожими на «человеческий язык» и все больше похожими на «единицы» и «нули». Эталонная модель OSI делит задачу перемещения информации через среду распространения на семь менее крупных и, следовательно, более легко разрешимых подзадач. Каждая из этих семи подзадач выбрана потому, что она относительно автономна и, следовательно, ее легче решить без чрезмерной опоры на внешнюю информацию. Такое разделение на уровни называется иерархическим представлением.

Рисунок 1. Иерархическая модель сети.

Рассмотрим уровни модели OSI необходимые в системе. Верхний уровень назовем прикладным уровнем. В рамках данного уровня выполняются следующие задачи:

1.                Доступ к сети и обслуживание пользователей.

2.                Определяет, пригодны ли данные для работы с ними, если нет, то преобразует в необходимый формат.

3.                Шифрование, дешифрование, сжатие данных, а также управление выводом периферийного устройства.

4.                Установление сеанса связи между двумя сторонами.

5.                Распознавание участников системы, регистрацию и администрирование.

В рамках данного уровня выполняются такие задачи, как взаимодействие точки доступа и терминалов. Проводится анализ полученных данных с нижележащих уровней. В ходе анализа, данные могут быть либо с информацией от датчиков, либо с сообщениями контроля и управления.

Канальный уровень берет символы из потока, предоставляемого физическим уровнем, и составляет из них пакеты, считая для каждого, так называемую контрольную сумму. Также канальный уровень отвечает за установление соединений между узлами сети и передачу сообщения канального уровня средствами физического. Этот уровень решает следующие задачи: выделение пакетов из потока, формирование пакетов, проверка целостности пакетов, адресация сообщений, организация доступа к физическому каналу.

Канальный уровень обычно состоит из двух подуровней. Это подуровень управления доступом к физической среде – CАС (Channel Access Control) и подуровень МАС (Media Access Control).

На САС подуровне должна минимизироваться частота возникновения коллизий. На МАС подуровне реализуются адресная передача сообщений, проверка целостности, на основе расчета контрольных сумм CRC, сбор и разбор пакетов канального уровня.

В разрабатываемой системе адресными являются сообщения от точки доступа до терминалов и от терминала до точки доступа. Например, с помощью пользователя находящегося в ЦСИ, на точку доступа поступает запрос с целью получения дополнительной услуги. Точка доступа пересылает запрос предоставления дополнительной услуги на терминал по каналу трафика. Широковещательные сообщения точки доступа (ВССН), являются не адресными, и предназначены всем терминалам.

 

Физический уровень. Как следует из названия, этот уровень имеет дело с физическим оборудованием. Через него общаются с внешним миром все остальные рассмотренные нами уровни. На физическом уровне пересылаются потоки нулей (0) и единиц (1), которые он получает от вышележащего канального уровня и преобразует их в оптические или электрические сигналы. Эти сигналы посылаются через среду передачи на точку доступа. С точки зрения физического уровня осуществляется передача неформатированного потока данных бит за битом, физический уровень “не понимает” формата фреймов или пакетов.

 

Для борьбы с замираниями и как следствием возникновением пакетов ошибок, в системе необходимо предусмотреть процедуру перемежения. В разрабатываемой системе связи расстояния передачи относительно не большие, поэтому возможно использовать относительно не глубокое перемежение.

Для повышения достоверности передачи данных путем устранения битовых ошибок будем использовать помехоустойчивое кодирование (FEC).

Для  эффективной передачи информации по радиоканалу, необходимо наличие модулятора.

Для согласованной работы точки доступа и терминала необходимо предусмотреть наличие временной и частотной синхронизации. Частотная синхронизация означает согласованность генераторов устройств сети по частоте, т.е. все генераторы работают с одинаковой частотой. Временная синхронизация предусматривает, что устройства сети имеют единое время.

 

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.

 

Рассмотрим режимы работы терминала, которые возможны в данной системе.

Режим идентификации сети. Точка доступа передает широковещательную информацию о сети, состоящей из идентификатора точки доступа, профиля настройки физического уровня, пакетов временной и частотной синхронизации, номера цикла передачи. Терминал принимает эту информацию. При успешном сравнении найденного идентификатора с хранящимся в информационной подсистеме, терминал понимает, что находится в зоне обслуживания «своей» точки доступа, и имеет право передавать сообщения.

Режим ведения связи – происходит передача текущих данных, на основе конкурентной борьбы. Рассмотрим, каким образом это осуществляется. Терминал, загадывает случайным образом время задержки, т.е. число канальных интервалов в диапазоне от 1 до N, в течение которых воздерживается от передачи, при этом постоянно опрашивая службу радиоизмерений на предмет незанятости канала связи. По истечении загаданной времени задержки и незанятости канала связи, терминал незамедлительно по каналу случайного доступа отправляет на точку доступа свой идентификатор и текущие данные, необходимые для передачи. Например, в зоне обслуживания появились 3 терминала (Т1, Т2, Т3). Терминал Т1 загадал число 6, терминал Т2 число 4, Т3 – 1. Выбирается наименьшее загаданное число, т.е. терминал Т3 получает доступ к каналу связи, терминалы Т1 и Т2 отнимают от своих загаданных чисел единицу (т.к. Т3 загадал только 1 канальный интервал), и снова вступают в конкурентную борьбу за канал. Теперь у Т1 число 5, у Т2 число 3, т.е. передачу осуществляет терминал Т2 и т.д. Проигравшие терминалы на время передачи переходят в спящий режим. После осуществления передачи данных, терминал должен получить сообщение подтверждения. Если он не получил такого сообщения, то терминал заново вступает в конкурентный доступ за канал (рис. 2).

Рассмотрим вопрос, связанный с коллизией, когда два конкурирующих терминала загадали одно и то же число канальных интервалов, и как следствие не получили пакет подтверждения. В этом случае терминалы пропускают 3 цикла передачи от текущего номера цикла передачи, генерируют новое число и снова вступают в конкурентную борьбу. Если при второй попытке у терминала снова возникает коллизия, то он пропускает 2 цикла, и снова повторяет описанную выше операцию. В последующих попытках терминал пропускает 1 цикл.

Режим предоставления дополнительной услуги. Пользователь, находящийся в ЦСИ, отправляет на точку доступа запрос о предоставлении дополнительной услуги от конкретного терминала. Точка доступа, по выделенному каналу связи, посылает сообщение конкретному терминалу, с целью получения от него дополнительной информации, требующейся в ЦСИ.

Спящий режим – данный режим используется, чтобы продлить срок службы батареи терминала, так сказать режим сниженного энергопотребления. Используется при ожидании терминалом своей очереди обслуживания точкой доступа, в результате конкурентной борьбы.

 

Рисунок 2. Сценарий передачи данных

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

 

Терминал после того как передал сообщение на точку доступа, для уменьшения энергопотребления уходит в режим «сон». Следовательно, терминалу необходимо знать, сколько времени он может находиться в «спящем» состоянии. Для этого в ЦСИ из журналов берутся максимальное значение скорости участников и расстояние между точками доступа. Зная эти величины, в ЦСИ по специальному алгоритму вычисляется «время сна». Значение этого «времени сна» передается на точку доступа, а точка доступа затем передает его в своих широковещательных сообщениях.

Энергосбережение элемента питания точки доступа, в зависимости от трассы может быть двух вариантов. Первый вариант используется тогда, когда соревнование проходит на замкнутый трассах, где участники проезжают по одному и тому же маршруту некоторое число кругов. В этом случае в ЦСИ также необходимо значение максимальной скорости и длину круга трассы. Зная эти параметры, рассчитывается «время сна» для точки доступа. Второй вариант: если трасса имеет незамкнутый маршрут, то энергосбережение точки доступа выполняется путем её отключения. Точка доступа переходит в режим энергосбережения только после получения от ЦСИ подтверждения успешной передачи сообщения.

 

При рассмотрении режимов работы терминала были затронуты вопросы взаимодействия терминала с точкой доступа. Кратко опишем еще раз. При включении терминал осуществляет поиск сети. Если сеть найдена и в ней разрешена передача, терминал начинает конкурентную борьбу за канал. Если терминал проиграл, то он уходит в спящий режим, на определенное время и затем снова вступает в конкурентную борьбу за канал. Если терминал выиграл, то осуществляется передача данных по каналу случайного доступа. Также терминал анализирует, получил ли он от точки доступа запрос на дополнительную услугу. Если такой запрос был, то терминал в своем сообщение передает данные относящиеся как к основной услуге, так и к дополнительной. Если такого запроса не было, то только данные относящиеся к основной услуге. После этого на терминал с точки доступа должно придти подтверждение получения сообщения. Если оно пришло, терминал уходит в режим «сон». В противном случае терминал заново вступает в конкурентную борьбу.

Рисунок 3. Диаграмма состояний выделенного узла сети.

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.

Основными сервисами канального уровня являются: адресация передаваемых сообщений, проверка целостности сообщений, доступ к физическому каналу связи. Данные сервисы будут организованы в виде служб канального уровня. Рассмотрим их более подробно.

Служба адресации. Сообщения канального уровня могут предназначаться конкретному терминалу, либо быть адресованы всем терминалам «своей» сети. Для этого пакет канального уровня в своем составе имеет поле I/G, значение которого может быть либо равно 0, либо равно 1. Если оно установлено в 0, то сообщение отправляется определенному терминалу, если же он установлен в 1, то сообщение является широковещательным. После поля I/G идет поле адреса. Если I/G = 1, то поле адреса заполняется единицами, в противном случае поле адреса заполняется адресом (идентификатором) объектов системы. Рассчитает бит необходимо на поле адреса. Т.к. участников соревнования может быть больше 100, то необходимо 2⁷ значений, чтобы у каждого участника был свой адрес (идентификатор). Получает поле адреса 7 бит, но это без учета точек доступа. Из всего вышесказанного поле адреса возьмем длиной 8 бит. Для небольшого разноса значений адресов точек доступа и терминалов, точки доступа целесообразно начинать нумеровать с номера 155 в десятичной системе.

Служба целостности сообщения. Данная служба осуществляет проверку достоверности принимаемых сообщений канального уровня на основании расчета контрольных сумм CRC. В системах телекоммуникации в основном используется код CRC-12. Поэтому на данном этапе остановимся на выборе именно этого кода.

Характеристика видов сообщений:

Информационные сообщения.  В данной радиосети, будут 2 типа  информационных сообщений: 1) информационные сообщения, содержащие информацию с основными данными(для всех пользователей); 2) информационные сообщения, содержащие информацию с дополнительных датчиков (для тренера и медработника), предоставляются по запросу. Информационные сообщения являются адресными, так как обращение к терминалам происходит по их индивидуальному адресу.

Служебные сообщения являются адресными и отправляются конкретному Т для выполнения функций управления.

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.

Множественного доступа в сети не предусмотрено в силу того, что ТД, выполняющий сбор информации, в принципе, уже знает, какие терминалы находятся в зоне его радиопокрытия и выполняет целевой опрос в соответствии с текущим списком терминалов. Поэтому для доступа к физической среде при передаче данных будет использоваться метод запроса на передачу. При такой организации сети канальный ресурс используется максимально эффективно, т. к. в сети терминалы будут находиться только тогда, когда это потребуется, а всё остальное время будут спать. Помимо этого, будет использоваться временное разделение каналов - в определенные моменты времени только один из терминалов будет иметь полный доступ к физической среде. Рассмотрим организацию доступа к физическому каналу на Рис. 4, который доказывает нам простоту сущности системы.

Рисунок 4. Организация доступа к физическому каналу.

 

 Причиной возникновения коллизий могут стать помехи в условиях плотной застройки. Устранить эту проблему возможно использованием системы повышенной помехозащищённости на уровне применения радиосигналов с расширенным спектром.

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. 

Основными задачами, выполняемыми на канальном уровне, являются предоставление доступа к физическому каналу, организация логических каналов, а также обеспечение надёжной передачи сообщений в пределах сети.

Широковещательный канал – основное назначение канала, это передача таких сведений о точке доступа всем терминалам, как идентификатор точки доступа, профиль настройки физического уровня, пакеты временной и частотной синхронизации, номер цикла передачи. Терминал принимает эту информацию, определяет что находится в зоне обслуживания точки доступа, где имеет право передавать сообщения.

Канал случайного доступа – предназначен для отправки на точку доступа текущего подготовленного сообщения. Терминалы вступают в конкурентную борьбу за канал передачи данных по каналу случайного доступа. Если терминал выигрывает в конкурентной борьбе, он незамедлительно передает свое сообщение. Если в результате передачи произошла коллизия или возникли ошибки при передаче, терминал заново вступает в конкурентную борьбу за канал, для того чтобы заново передать текущее сообщение.

Канал управления – предназначен для передачи команд управления и оповещения с точки доступа на терминал. Сообщения, передаваемые по этому каналу, могут быть такие как сообщения о готовности к передаче, или сообщение успешного приема. Также сообщения этого канала могут предназначаться, конкретному пользователю, с целью получения от него дополнительной услуги.

Рисунок 5. Обмен сообщениями между объектами канального уровня.

Оценка возможности применения ARQ в ЛКС.

В разрабатываемой системе скорости движения участников (терминалов) высокие, при этом нахождение терминала в зоне радиопокрытия составляет менее 5 секунд. В среднем на каждый терминал приходится по 45 циклов передачи, для того чтобы передать своё подготовленное сообщение. Поэтому для увеличения качества работы системы, имеет смысл использовать ARQ. Если на точку доступа сообщение пришло с ошибками, точка доступа не отправляет сообщение об подтверждении доставки. Терминал опять вступает в конкурентную борьбу за канал, и отправляет это же сообщение еще раз на точку доступа.

Способы обеспечения достоверности принимаемых сообщений в каждом ЛКС.

Для достоверности принимаемой информации используется поле контрольной суммы (CRC). Суть заключается в том, что контрольная сумма вычисляется на передающей стороне. С математической точки зрения, контрольная сумма представляет собой хэш-функцию, вычисленную по небольшому количеству бит, внутри блока данных. Полученное значение записывается в поле контрольной суммы. На приемной стороне известен алгоритм, по которому будет вычислена контрольная сумма. После приема пакета данных, по принятым битам вычисляется новая контрольная сумма на приемной стороне, полученное значение контрольной суммы сравнивается с принятым. При совпадении результатов можно сделать вывод, что целостность данных сохранена.

2.7.4 Пояснение назначения и размерности полей сообщений канального уровня

Рассчитаем значение поля данных:

·        На данные со скоростью движения отведем 1 байта;

·        На данные о пульсе – 2 байта;

·        На температуру тела – 1байта;

·        На температуру двигателя – 1байта;

·        На давление в шинах – 1 байт;

·        На измерение количества топлива – 1 байта.

В результате получается общих размер поля данных составляет7 байтов, или же 56 бит.

Широковещательное сообщение, передающееся по каналу BCCH, будет содержать в себе:

-адрес терминала;

-пометка о типе сообщения (1 – служебное);

-код команды (111 – передай данные);

- информационная часть – сообщение от L3 уровня, которое необходимо для корректной работы сети

-контрольная сумма CRC. 

Рисунок 6. Структура сообщения BCCH.

Информационное сообщение, передающееся по каналу TCH , будет содержать в себе следующие поля:

-адрес терминала (ТД по очереди обращается к каждому терминалу из списка);

-пометка о типе сообщения (0 – сообщение трафика);

-данные – показания датчиков;

-контрольная сумма CRC

Рисунок 7. Структура сообщения RACH.

Рисунок 8. Структура сообщения DCCH.

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

Сумма всех интервалов, приходящихся на каждый ЛКС, равна 100%. Для долевой оценки отведем каждому интервалу свое процентное соотношение:

·          на широковещательный канал отводится 5 % от всей пропускной способности физического канала;

·          на канал случайного доступа отводится – 93 %

·          на канал оповещения отводится – 2 %

 

Наименование	Назначение	Тип КС	Пропускная способность
Широковещательный канал (BCCH)	Для передачи информации о точке доступа	Вниз (↓)	7,02 кбит/с
Канал случайного доступа (RACH)	Регистрацию в сети и передача подготовленного сообщения в сеть	Вверх (↑)	130,57 кбит/с
Канал управления (DCCH)	Канал оповещения	Вниз (↓)	2,81 кбит/с

Таблица 1. Основные свойства ЛКС.

Двусторонний обмен сообщениями разного типа максимально составляет 18 пакетов L1 сообщений (6 датчиков по 3 пакета каждый) по 78 бит каждый. Итого 1404 бит – максимальное количество данных по обмену с одним терминалом. С учётом того, что за одну секунду ведётся опрос примерно 100 терминалов. Сделаем примерный расчёт пропускной способности физического канала связи:

R = 1404 (бит)*100/ 1(с) =140400 бит/с = 140,4 кбит/с

Расчёт выполнен с условием того, что учтён двусторонний обмен, CRC адресов и других полей сообщения L2 уровня. 

 

Список литературы:

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