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

3. Разработка канала передачи данных (L2).

3.1. Задачи службы передачи данных канального уровня: пояснение механизма обработки информационных и служебных сообщений на L2 уровне (подготовка к доставке сообщений: фрагментация/дефрагментация сообщений, нумерация блоков данных L2 уровня, обеспечение целостности и определение назначения блоков и т.п.). Характеристика служебного и информационного трафика, поступающего на L2 уровень.
 3.2. Выделение типов сообщений L2 уровня, анализ их атрибутов (адресные/широковещательные, уведомительные или требующие обязательного ответа/шифрования, служебное/информационное и т.п). Обоснование гарантированной/негарантированной доставки указанных видов сообщений.
3.3. Обоснованный выбор алгоритма доступа к канальным (физическим) ресурсам, пояснение структуры физических ресурсов. Описание стратегии планирования распределения канальных ресурсов. Анализ предлагаемого алгоритма доступа к ресурсам на предмет возникновения коллизий и пояснение решения по их устранению.         
3.4. Проработка видов логических каналов (ЛКС) L2 уровня, оценка пропускной способности ЛКС в обоих направлениях (свести в таблицу). Формирование правила распределения физических ресурсов между ЛКС (п.3.2).
3.5. Пояснение назначения и размерности полей сообщений канального уровня.
3.6. Построение временной диаграммы, отражающей использование физических ресурсов для сообщений L2 уровня.  
3.7. Разработка схемы обмена сообщениями L2 уровня по ЛКС для одного из режимов (п.2.3, 2.4).         
3.8. Разработка функциональной схемы L2 уровня.

 

3.1. Задачи службы передачи данных канального уровня: пояснение механизма обработки информационных и служебных сообщений на L2 уровне (подготовка к доставке сообщений: фрагментация/дефрагментация сообщений, нумерация блоков данных L2 уровня, обеспечение целостности и определение назначения блоков и т.п.).
Характеристика служебного и информационного трафика, поступающего на L2 уровень.   

Основной службой канального уровня является служба передачи данных. В задачи этой службы входит осуществление передачи информационных сообщений на заданной скорости, соответствующей требованиям качества связи. Эта служба взаимодействует непосредственно с физическим уровнем, преобразуя мультимедийную информацию к виду, подходящему для передачи в рамках реализуемой сети. Если рассматривать функционирование этой службы не только на стороне базовой станции, но и на стороне терминала, то ей можно дать более обобщённое название – служба приёма и передачи данных. На стороне базовой станции этой службой осуществляется формирования и передачи терминалам пакетов  трафика  L2. На стороне терминала служба приема пакетов мультимедийного трафика отвечает за прием, декодирование и передачу соответствующим службам L3 уровня.

В направлении передачи «терминал – точка доступа» передаются только короткие информационные сообщения, содержащие запросы пользователей на предоставление услуги, соответственно необходимость в широком радиоканале, способном обеспечить высокую скорость передачи, не возникает. С учетом числа абонентов в зоне обслуживания БС объем служебных сообщений, поступающих от терминалов на точку доступа, будет сравнительно большим, поэтому имеет смысл использовать несколько радиоканалов, за которые будут бороться терминалы для передачи сообщений, что позволит повысить производительность системы и уменьшить время ожидания свободного канала для передачи сообщения.

 

В направлении «точка доступа – терминал» могут передаваться несколько видов мультимедийного трафика, а именно текстовые сообщения, изображения либо видеофайлы. В рамках пункта 2.1. уже было упомянуто о том, что разные типы трафика передаются в отдельных сессиях. Текстовые сообщение целесообразно будет передавать на скорости 32 кбит/с, а для передачи изображений будет достаточно 256 кбит/с. Учитывая возрастающее в настоящее время запросы на качество видеоизображения, для удобства пользователей видеотрафик будет передаваться на скорости 2,5 Мбит/с, что соответствует видео YouTube с разрешением 720p.         
Служебные сообщения в оба направления, то есть «терминал – точка доступа» и «точка доступа – терминал» будут передаваться на существенно меньшей скорости, чем сообщения мультимедийного трафика. Предположительно, системе будет достаточно пропускной способности канала передачи, равной 0,64 кбит/с.

Как служебные, так и информационные типы передачи в сети  подразумевают проверку целостности принятого сообщения. Это достигается включением в передаваемые сообщения 32-битного поля CRC-кода.

 

 

3.2. Выделение типов сообщений L2 уровня, анализ их атрибутов (адресные/широковещательные, уведомительные или требующие обязательного ответа/шифрования, служебное/информационное и т.п). Обоснование гарантированной/негарантированной доставки указанных видов сообщений.

 

         Рассмотрим   типы сообщений, передача которых будет осуществляться в рамках разрабатываемой сети. Все типы сообщений можно для удобства разделить на сообщения для терминалов и сообщения для БС.

         Сообщения для терминалов передаются базовой станцией и могут быть следующих видов:

1.  Сообщение BCCH (широковещательное сообщение) содержит информацию о сети и передаётся непрерывно. За формирование и передачу пакетов L2 уровня сообщений BCCH в составе базовой станции отвечает служба предоставления информации о сети. Этот вид сообщений не адресный и не требует ответа;

2. Ответы базовой станции на запросы терминалов на регистрацию. Сообщения такого рода являются адресными (адресованы пославшему запрос терминалу), в них также содержится запрос информации о пользователе и координатах терминала, соответственно подразумевается ответ терминалов на эти сообщения;

3. Ответы базовой станции на запросы зарегистрированных терминалов на повторное обслуживание. Сообщения такого рода также являются адресными. В них также содержится запрос координат терминала. Так же, как сообщения предыдущего типа, требуют ответ от терминала.

Сообщения для БС подразделяются на:

1.                Пользовательские запросы на предоставление услуги. Эти сообщения являются адресными (адресованы конкретной БС), требуют обязательного ответа. Сообщения имеют постоянную структуру в не зависимости от того, был ли уже зарегистрирован терминал в сети этой БС или же впервые вошёл в зону её обслуживания;

 

2. Сообщение, передаваемое терминалом в ответ на запрос базовой станции данных пользователя и пространственных координат. Сообщение является адресным, подлежащим обязательному шифрованию (с целью сохранения конфиденциальности личной информации пользователя). Ответа не требует;

3. Подтверждение получения информационного сообщения от БС.  Является адресным, не требующим ответа служебным сообщением.

 Для всех сообщений, служебных и информационных, необходима гарантия корректной доставки адресату, следовательно, примем максимально возможную вероятность ошибки на бит равной P_b = 10^-6, что соответствует техническим требованиям, обозначенным в исходных данных курсовой работы.

3.3. Обоснованный выбор алгоритма доступа к канальным (физическим) ресурсам, пояснение структуры физических ресурсов. Описание стратегии планирования распределения канальных ресурсов. Анализ предлагаемого алгоритма доступа к ресурсам на предмет возникновения коллизий и пояснение решения по их устранению.      

Для предотвращения возникновения коллизий при передаче расположенными близко друг от другу БС широковещательных сообщений, а также при одновременных запросах предоставления услуги от нескольких терминалов в проектируемой системе предусмотрено наличие разделения интервалов передачи сообщений BCCH по времени. Все базовые станции будут синхронизированы с точным временем на сервере. Широковещательные сообщения будут передаваться базовыми станциями согласно некоторому графику так, чтобы исключить возможность одновременного приёма терминалом сигналов сразу от нескольких БС. В то же время промежутки времени, в течение которых каждая БС  передаёт широковещательные сообщения, должны быть достаточно малы. Со стороны терминалов решение должно быть немного сложнее, так как терминалы не связаны между собой и не могут иметь точного графика времени передачи запросов базовым станциям. Решением этой проблемы может являться метод множественного доступа с разделение по времени (TDMA). Поясним работу этого метода, опираясь на структуру, изображённую на рис.12.

В составе каждого фрейма физического канала присутствует подфрейм, содержащий BCCH, для передачи регистрационных заявок в сеть. С целью синхронизации терминала по времени с соседними, перед началом работы сети он «прослушивает» радиоканал. Если при «прослушивании» терминал не получил сообщение от других устройств, он принимает решение об отсутствии соседних с ним терминалов и занимает канальный интервал, выделенный соответствующем терминалу в  BCCH. Если в зоне радиопокрытия терминала появляется работающее устройство, то происходит синхронизация по времени и передача информации о себе в зарезервированных канальных интервалах. Обнаружение терминала происходит на основании прослушивания канала и BCCH сообщения от этого устройства.

 

рис.12 – структура фрейма физического канала

 

Один фрейм состоит из девяти подфреймов. В первом подфрейме происходит временная синхронизация терминалов по каналу SCH. Второй фрейм отводится под BCCH. Далее по каналу RACH терминал обращается к БС с целью регистрации. Ответ приходит в рамках подфрейма AGCH1. Аналогично происходит дальнейший обмен служебными сообщениями между БС и терминалом. Затем следует передача мультимедийного трафика по трём каналам TCH.

 

3.4. Проработка видов логических каналов (ЛКС) L2 уровня, оценка пропускной способности ЛКС в обоих направлениях (свести в таблицу). Формирование правила распределения физических ресурсов между ЛКС (п.3.2).

Проведём классификацию видов логических каналов (ЛКС), используемых в рамках разрабатываемой сети. На логическом уровне можно выделить следующие каналы: канал трафика, канал передачи запросов на предоставление услуги, канал передачи ответов на запросы, канал передачи запросов на регистрацию, канал широковещательной рассылки, канал синхронизации.

Рассмотрим эти виды каналов более подробно.
         Канал трафика (TCH). Этот логический канал служит для односторонней передачи пакетов мультимедийного трафика. Фактически включает в себя три канала, по которым происходит передача текстовых сообщений, изображений и видео с различными скоростями. Организацией этого канала занимается служба приёма и передачи данных L2 уровня в составе БС и терминала.

Канал передачи запросов на регистрацию терминала в сети БС (RACH) предназначен для односторонней передачи запросов в направлении «терминал – базовая станция».

Канал передачи ответов на запросы (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».

         Канал передачи служебных сообщений (RACH). Канал передачи запросов на предоставление услуги.

         Организацией каналов передачи запроса на регистрацию, канала передачи запроса на предоставление услуги и каналов передачи ответов на запросы также занимается служба приёма и передачи данных L2 уровня для информационного и служебного трафиков в составе терминалов и базовых станций.

         Канал широковещательной рассылки (BCCH) предназначен для осуществления широковещательной трансляция информации о сети в каждом фрейме.

         Канал синхронизации (SCH) предназначен для временной синхронизации терминалов с целью предотвращения коллизий при передаче запросов БС, об этой процедуре уже было упомянуто в пункте 3.3.

         В рамках текущего пункта также предполагается сведение в таблицу оценки пропускной способности ЛКС в обоих направлениях. Для реализации этого задания предварительно рассчитаем пропускную способность каждого из каналов.

TCH
Пропускную способность канала трафика можно легко определить, зная скорости передачи различных типов трафика, обозначенных в рамках пункта 3.1. В результате получим, что пропускная способность составляет 2,5 Мбит/с + 256 кбит/с + 32 кбит/с = 2,78 Мбит/с.

RACH
Служебные сообщения, передаваемые по каналу RACH, имеют относительно небольшой размер, следовательно, этому каналу для обеспечения быстрой доставки сообщений будет достаточно пропускной способности 64 кбит/с.

AGCH
Пропускную способность целесообразно выбрать равной пропускной способности канала RACH (64 кбит/с).

BCCH и SCH

Выберем пропускную способность этих вспомогательных каналов равной 32 кбит/с, в силу того, что по ним не передаётся большой объём данных, этого значения будет вполне достаточно.

Итоговая таблица приведена ниже. Для упрощения понимания в качестве обозначений направленности канала взяты термины из стандарта GSM: направление «БС – Терминал» обозначим как «Downlink», обратное направление – «Uplink».

Название канала		Тип	Направленность	Пропускная способность
Канал трафика (TCH)		Трафика	Downlink	2,78 Мбит/с
Канал передачи запросов на регистрацию	(RACH)	Случайного доступа	Uplink	64 кбит/с
Канал передачи запросов на предоставление услуги
Канал передачи ответов на запросы	AGCH1	Разрешённого доступа	Downlink	64 кбит/с
	AGCH2			64 кбит/с
Канал широковещательной рассылки (BCCH)		Широковещательный	Downlink	32 кбит/с
Канал синхронизации (SCH)		Синхронизации	Терминал - Терминал	32 кбит/с

 

3.5. Пояснение назначения и размерности полей сообщений канального уровня.

         Структура служебных сообщений направлений  «Downlink» и «Uplink» одинакова и представлена на рис.13.

рис.13. – структура служебного сообщения

Поле адреса отправителя/получателя содержит уникальный идентификатор терминала или базовой станции в радиосети. Размер поля адреса равен 10 битам, поскольку согласно заданию к курсовой работе сеть функционирует в условиях пригорода либо сельской местности, а значит можно предположить, что количество пользователей сети не будет превышать 1000, соответственно 10 бит хватит для того, чтобы каждый терминал имел свой уникальный адрес-идентификатор.     
         В поле типа сообщения указывается, информационным или служебным является передаваемое сообщение. В случае, если в этом поле указана единица, сообщение считается информационным, если в поле указан ноль – служебным, в направлении «Uplink» в этом поле всегда находится ноль.
         Поле CRC кода содержит 32-битный циклический избыточный код, предназначенный для обеспечения гарантированной доставки сообщения.
         Структура сообщений мультимедийного трафика уже была представлена в рамках второй части данной курсовой работы и не претерпела изменений в контексте данного пункта, так как размер информационной части может варьироваться в зависимости от типа передаваемого трафика, и привести конкретное количество бит не представляется возможным. Можно лишь упомянуть, что размер поля «Адрес получателя», присутствующего вместе с полем информационной части в составе сообщения трафика, также равен 10 битам.
         О структуре сообщения BCCH также было уже упомянуто в предыдущей части данной курсовой работы. Повторяясь, отметим, что для этого сообщения не требуется ни обеспечения гарантированности доставки, ни адресной доставки, поэтому фактически всё сообщение является информационной частью, в которой содержится информация об идентификаторе сети, предоставляемых сетью услугах, и т.д.

3.6. Построение временной диаграммы, отражающей использование физических ресурсов для сообщений L2 уровня.

Диаграмма представлена на рис. 14. С целью экономии времени и места не стану приводить её пояснение, так как её значении интуитивно понятно из совместного прочтения пунктов 1.3 и 3.4 данной курсовой работы.

рис.14 – временная диаграмма, отражающая использование физических ресурсов для сообщения канального уровня

 

3.7. Разработка схемы обмена сообщениями L2 уровня по ЛКС для одного из режимов (п.2.3, 2.4).

Обмен сообщениями канального уровня по ЛКС в режиме первичной регистрации терминала в сети происходит следующим образом. Сначала терминал принимает по отправляемой БС по каналу BCCH широковещательное сообщение и отправляет по каналу RACH запрос на регистрацию в сети. Затем происходит «диалог» БС с терминалам по каналам AGCH и RACH, это взаимодействие уже было описано выше (конкретно в пунктах 3.3 и 3.4). Результатом регистрации в сети служит передача базовой станцией мультимедийного трафика по каналу TCH. Схема обмена сообщениями представлена на рис.15. Базовая станция обозначена как «БС», а терминал  - как «Т», по оси абсцисс отложено время.

рис.15 – схемы обмена сообщениями L2 уровня по логическим каналам

 

3.8. Разработка функциональной схемы L2 уровня.

Функциональная схема канального уровня представлена на рис.16. В целом она отображает процесс подготовки пакета данных для передачи на физический уровень. На этапе (1) происходит фрагментация сообщения службой фрагментации сообщений канального уровня. На этапе (2) каждый полученный на этапе (1) фрагмент дополняется полем адреса (10 бит), это действии выполняет служба адресации канального уровня. На этапе (3) происходит прибавление служебного поля (поля типа сообщения – 1 бит).  Далее с помощью службы расчёта контрольной суммы происходит добавление 32 битов CRC кода (4). На этапе (5) служба сборки L2 пакетов производит непосредственно сборку готовых к передаче на L1 пакетов L2.

рис.16 – функциональная схема L2

Список используемых источников: 

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

     2.  Валуйский Д. Интерактивная радиосеть мультимедийного вещания. Часть 2. Проектирования радиосети. Канальный уровень. Исправленная ещё раз [электронный ресурс]. http://omoled.ru/publications/view/1194

     3. Елецкий В. Высокоскоростной радиомост. Часть 2 [электронный ресурс]. http://omoled.ru/publications/view/1189