3.1. Пояснение идеи логического соединения L2 уровня: назначение, основание для установления, контроль функционирования, завершения соединения. Виды логических соединений в проектируемой радиосети.

    На канальном уровне (L2 уровень) будут решаться задачи, необходимые для организации логического соединения между ТУ (мастер) и БПЛА (ведомый). Для нашей радиосети логическое соединение – это декларация о том, как должна быть осуществлена передача сообщений.

    Основной задачей же данного уровня является установление логического соединения между ТУ и БПЛА. Для данной сети логическое соединение – это декларация о том, как должна быть осуществлена передача сообщений между ТУ и БПЛА. Основанием для установления соединения будет являться приём ШВС на стороне БПЛА. Это событие инициирует процесс установления соединения.

    Как говорилось ранее сеанс связи прерывается в тот момент, когда потеряна связь между сетевыми объектами. Разрыв может произойти как с подачи пользователя, так и в момент нарушения связи. При отключении ТУ прекращается вещание ШВС, и БПЛА не обнаружив некоторое их количество понимает что данный сеанс связи закончен. 


Рассматриваться будут 3 вида логического соединения: BCCH (широковещательный канал), DCH(канал передачи данных), TCH (канал передачи данных).

3.2. Задачи службы передачи данных канального уровня в виде пояснения обработки информационных и служебных сообщений на L2 уровне: фрагментация/дефрагментация сообщений, нумерация блоков данных L2 уровня, обеспечение целостности и определение назначения  блоков и т.п..

 

Основной службой канального уровня является транспортная служба. Она осуществляет фрагментацию сообщений, разделение их на пакеты, обеспечивает целостность и надежность передачи.

Фрагментация.

В транспортную службу поступают данные трафика, данные с высших уровней и иных служб с L2 уровня.

Пакеты для разных служб имеют фиксированную длину. Соответственно некоторые из потоков данных могут не "уместиться" в заранее ограниченный размер пакета. С этой целью происходит фрагментация данных.

Иными словами, мы разбиваем их на блоки и передаём в разных пакетах. В свою очередь, на приёмной стороне то или иное сообщение собирается из нескольких пакетов воедино, а такой процесс называется дефрагментацией.  

Полагается что команды управления(машинного кода) являются короткими сообщениями, и они будут помещаться в пакеты канала DCH. Тем ни менее пусть система считает номер пакета и понимает его как целостное независимое сообщение.

Телеметрические данные в свою очередь более неоднозначны. Объём трафика поступающего с различных датчиков достаточно трудно оценить.Это зависит как от модели так и от типа устройства. В первой части работы рассматривался принцип формирования скорости телеметрических данных. Сокращая точность получаемых данных, значение на выходе всё равно будет пересекать отметку в одну тысячу. Таким образом этот вид трафика необходимо фрагментировать. 

Видео трафик однозначно должен подвергаться фрагментации. Этот трафик занимает основной объём передаваемой информации в системе. Но возникает некоторый нюанс. Дело в том что видео трафик замыкается на L1 уровне, а значит не попадает на L2. Работа такой системы подразумевает использование видео кодека. Для каждого из них существует собственный протокол того как, и в какой последовательности передаётся служебная информация и непосредственно сами данные. Исходя из этого, особенности конкретно взятого кодека , касаемо того как он фрагментирует данные рассматриваться не будет. В дальнейшем будем понимать что поле создаваемое им взаимодействует с L1 уровнем.

Нумерация блоков данных L2 уровня.

Нумерация блоков данных является неотъемлемой частью сообщения L2 уровня. Как говорилось ранее, сообщение, не поместившееся в один пакет , разбивается на несколько, тем самым передаётся в несколько информационных посылок. Для того чтобы приёмная сторона могла понять, в какой последовательности собирать полученные данные, в составе пакета необходимо поле Number Packet в котором будет указываться порядковый номер переданного сообщения. Стоит отметить, что в первом переданном сообщении передающая сторона должна уведомить принимающую о планируемом количестве передаваемых пакетов.

Такой подход к реализации системы позволяет ей запрашивать повторную передачу "битых" сообщений.

Нумерации пакетов будет подвергаться любое сообщение за исключением канала TCH где нумерация изначально заложена в поле данных.


Обеспечение целостности и определение назначения  блоков 

    К сообщениям трафика в нашей системе так же относятся команды управления. Последствия неправильно переданной команды, могут привести систему к выходу из строя ,что в нашем случае является недопустимым событием.

L2 уровень должен обеспечивать надёжную доставку сообщений. Для выполнения этой задачи в данной системе используется циклический избыточный код (CRC), который позволяет на основании контрольной суммы, рассчитываемой на приемнике, убедится в достоверности передаваемого сообщения.

Так мы сможем понять ,какие сообщения из переданного списка были получены с ошибками, и наличие номеров этих пакетов позволяет запросить повторную передачу.

    Вопрос назначения блоков обсуждался ранее в пункте 2.3

3.3. Характеристика информационного трафика, поступающего на L2 уровень, виды сигнальных сообщений плоскости управления. Обоснованный анализ необходимых логических каналов (ЛКС), оценка пропускной способности ЛКС в обоих направлениях.

    Характеристика информационного трафика.    

На L2 уровень в данной системе поступает различный информационный трафик и сигнальные сообщения подуровня управления. Рассмотрим каждое в частности.

1. Поток данных телеметрии с БПЛА (64 Кбит/с);
2. Видео трафик с БПЛА (2.5 , 3.970, 5.028 или 7.622 Мбит/c);
3. Команды управления с ТУ (16 Кбит/с).

    Обоснованный анализ необходимых логических каналов (ЛКС), оценка пропускной способности ЛКС в обоих направлениях.

В данной сети предусмотрено три логических канала: BCCH, DCH, TCH.

Широковещательный канал BCCH предназначен для вещания широковещательного сигнала.Благодаря нему сеть обозначает своё присутствие в данной области. С его помощью происходит установление соединения. Так же он используется для синхронизации (временной, частотной).

Канал DCH предназначен для передачи служебных сообщений под которыми понимаются различные команды управления , команды перестройки профиля работы , команды для установления соединения. Так же по нему будут передаваться номера не правильно принятых пакетов. Является пульсирующим трафиком. Частота его появления должна быть явно больше чем для широковещательных сообщений но размер сообщений не сопоставим с видео потоком. Выделим ему 10 % 

Канал TCH необходим для передачи трафика под которым понимается видео поток. Он является самым объёмным трафиком в системе , передаётся в режиме реального времени. Ему будет выделена самая большая пропускная способность . 

                                                                                    

Рис.2 Таблица логических каналов связи.


3.4 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.

3.4.1. Выделение типов сообщений L2 уровня, анализ их атрибутов (адресные/широковещательные, уведомительные или требующие обязательного ответа/шифрования, служебное/информационное и т.п). 

    Первым типом сообщений являются широковещательные. Они имеют служебный, уведомительный характер. Ответ на это сообщение не требуется. В случае, если это сообщение принято не верно, БПЛА дождётся нового, не запрашивая повторной передачи. 

В поле данных этого сообщения передаётся информация о том как распланирована сетка OFDM, в каком профиле работы находится данная система в настоящий момент времени.

Их структура рассмотрена на рисунке 3.


      

Рис.3 Структура сообщения BCCH.

Структура сообщения канала TCH выглядит следующим образом.

В данной работе используется видеокодек Н264 . Он предназначен для достижения высокой степени сжатия видео потока с сохранением его качества на приемной стороне.

В сообщении трафика присутствуют идентификаторы отправителя и получателя а так же контрольная сумма пакета. Все необходимые данные касающиеся самого видео заложены видео кодеком в поле данных.


                                                                  Рис. 4 Структура сообщения TCH 

Сообщение DCH выглядит следующим образом. 

Как и для канала TCH используются поля идентификации устройств , поле контрольной суммы , поле данных.
В данном сообщении появляются поля NP(Number pocket) нумерации пакетов, LVL(level) для разделения между подуровнями а так же поле  S(service ) для разделения между службами.



                                                                   Рис.5 Структура сообщения DCH

3.5. Проработать сценарий гарантированной доставки сообщений одного из ключевых ЛКС в виде повторной передачи неверно принятого сообщения (ARQ).

Для гарантированной доставки сообщений в данной работе присутствует система ARQ(Automatic repeat request)-автоматический запрос повторной передачи. В случае не правильно принятого пакета приёмная сторона может запросить повторную передачу битого сообщения. Как говорилось ранее нумерация существует для каждого канала трафика.

 В данной сети существуют несколько каналов передачи данных. Нумерование пакетов будет производится независимо друг от друга. Для разделения понимания системой какой пакет к какому трафику принадлежит следует задействовать поля lvl и s. 

И так мы имеем независимые друг от друга потоки данных.
Предположим что по каналу DCH передавалось сообщение телеметрии которое заняло предположим 15 пакетов.
В таком случае, перед передачей сообщения, передающей стороне необходимо уведомить приёмную о том сколько пакетов планируется передать. Значит системе ARQ необходимо накопить информацию о том что было принято 15 пакетов . В процессе их приёма должна оцениваться контрольная сумма каждого принятого пакета.В случае если какой то из  пакетов был повреждён система запоминает номер этого пакета. Когда отправка 15 пакетов была завершена система должна уведомить передающую сторону о результатах приёма. В случае если все сообщения были приняты верно она формирует сообщение о том что повторная передача не нужна и можно продолжать работу в штатном режиме.

 Если какие то сообщения были приняты не верное то она формирует сообщение в котором говорит о номерах пакетов , повторную отправку которых запрашивает. Соответственно зная количество пакетов , по окончанию их приёма , приёмная сторона вновь уведомляет передающую о результатах. Существует вероятность того что по каким либо причинам повторный запрос этих сообщений может зациклится. Это ни к чему хорошему не приведёт, по этому ограничим возможность повторного запроса до 4 раз.

Предположим что по каналу DCH передавалось сообщение с командой управления или служебное. Как известно из предыдущих пунктов это короткие команды которые умещаются в один пакет. Однако их нумерация всё равно производится.
Если такой пакет окажется битым система незамедлительно запросит его повторную отправку.

Предположим что сообщение передавалось по каналу TCH. Эти сообщения нумеруются с другими целями (Кодеком) и повторной их отправки в системе не предусмотрено.


3.6. 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.

3.6.1. Обоснованный выбор алгоритма доступа к канальным (физическим) ресурсам. Пояснение структуры физических ресурсов.

Алгоритм доступа к канальным (физическим) ресурсам в данной радиосети будет предполагать, в соответствии с ТЗ, использование OFDM(мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов). Ресурсом в нашем случае являются полосы частот и временные промежутки.

Конкурентная борьба за ресурс в данной работе отсутствует, так как участника сети всего два, и канальный ресурс заранее поделен между ними.


3.6.2. Описание стратегии планирования распределения канальных ресурсов.

    Канальные ресурсы распределены в соответствии с таблицей 2. Использование метода спектрального уплотнения OFDM позволит нам расположить каналы в "сетке" так, чтобы соблюдались эти пропорции.

Как видно на рис.6 большая часть времени отведена для канала TCH.




Рис.6 Структура OFDM 

3.6.3. Анализ предлагаемого алгоритма доступа к ресурсам на предмет возникновения коллизий и пояснение решения по их устранению.

В данной работе возникновение коллизии маловероятно и является из ряда вон выходящей ситуацией.
Она может произойти лишь в ситуации,
 когда заранее нарушено частотно-пространственное планирование работы данной сети. В частности, когда сеть с той же настройкой находится в непосредственной близости к аналогичной. Терминалы работают в своих заранее заданных полосах частот и в штатном режиме не должны оказывать влияние на функционирование друг друга.

3.7. Построение временной диаграммы, отражающей использование физических ресурсов для L2 соединений (логических каналов).


3.8. Пояснение назначения и размерности полей пакетов канального уровня (п.3.4,3.5). Согласование транспортных возможностей пакетов и информационной емкости сообщений.

Приведём обоснование размерности полей, введённых в пункте 3.4.
-
Поле идентификаторов ТУ и БПЛА состоит из 2 бит. Это значение основано на утверждении, что в одной географической области будут работать 4 подобных системы.
-
Поле тип службы имеет размерность в 2 бита подстать количествам служб на L2 уровне (3 службы).
-Поле NP (Number packet) присутствует лишь в сообщениях канала TCH. Это обосновано тем что сообщения в этом канале могу иметь размерность большую, чем позволяет размерность поля. По этой причине они могут передаваться в несколько пакетов.
-Размерность поля данных (data) зависит от наполнения другими полями и является остатком от 128/256 бит.

3.9. Разработка функциональной схемы L2 уровня.

Опишем функциональную схему на L2 уровне на передающей стороне.
Прежде чем начать речь о протекающих процессах, стоит отметить службы L2 уровня. К ним относится служба сигнализации и управления , служба контроля соединения а так же транспортная служба.

Служба сигнализации и управления(ССУ) как не трудно догадаться отвечает за формирование команд управления и сигнализации .

Служба контроля соединения - она выполняет несколько функций. На передающей стороне она рассчитывает и добавляет поле CRC , после чего на приёмной проверяет целостность полученного сообщения. Подразумевается что в случае не правильно принятого сообщения извлекается его номер, после чего она формирует сообщение запрос на повторную передачу битого пакета, и передаёт это сообщение на транспортный уровень.Так же в её обязанности входит проведение радиоизмерений в определённые моменты времени.Соответственно она же формирует сообщения изменения профиля работы системы.

Транспортная служба осуществляет сборку/разборку полученных пакетов. здесь происходит шифрование/дешифрование данных , перемежение/деперемежение , фрагментация/дефрагментация а так же работа с полями идентификаторов.

Из выше сказанного процесс передачи сообщений будет выглядеть следующим образом.

Поступившие на транспортный уровень сообщения телеметрии и команд управления подвергаются процессу шифрования, с целью сохранения конфиденциальности данных. Далее сообщения фрагментируются. Для борьбы с пакетными ошибками выполняется процесс перемежения. К полученным пакетам добавляются поля идентификаторов,поле типа , их номеров а так же расчёт и добавление поля CRC.

Поступивший на передачу видео трафик минует процессы шифрования фрагментации и перемежения т.к он замыкается на приёмной стороне на L1 уровне 

 


Рис.7 Функциональная схема передачи.


Рис.8 Функциональная схема приёма.