1.7. Построение канального уровня системы.
1.7.1. Определение способов адресной доставки сообщений канального уровня. Обоснование способа назначения идентификаторов сетевым устройствам системы и определение их параметров.
Для обеспечения доставки сообщений каждому терминалу должен быть присвоен уникальный идентификатор MSID, который определяет его как участника сети. В информационной подсистеме хранятся все MSID присутствующие в сети, а также регистрационная информация об абонентах к которым привязаны эти идентификаторы. Помимо этого каждому терминалу присваивается идентификатор оборудования EID, по которому сеть определяет, какие услуги могут быть доступны для данного терминала, какие профили и скорости передачи он поддерживает.
Для того чтобы MS могла идентифицировать сеть, к которой она принадлежит, используется идентификатор сети SSID, который рассылается в широковещательном режиме. Помимо SSID каждая БС передает свой уникальный идентификатор BSID, необходимый для реализации идеи ПО, чтобы MS «знала» какие БС находятся вокруг.
1.7.2. Обоснование необходимости управления потоком сообщений. Оценка возможности применения ARQ (Automatic Repeat-reQuest).
Очевидно, что для передачи потокового трафика как речь (видео) нет возможности использовать процедуру повторной передачи, т.к. неизбежно будут возникать задержки и рывки речи (видео), поэтому здесь используются синхронные каналы с закреплением слотов за определенными абонентами.
Для передачи данных мобильными модемами такая возможность есть и она вполне уместна ввиду того, что такой трафик носит пульсирующий характер и не столь требователен к задержкам. На основе поля данных пакета канального уровня вычисляется контрольная сумма и передается в составе пакета. После приема этого пакета на противоположной стороне также вычисляется контрольная сумма от поля данных и сравнивается с той, что была принята. Если суммы совпадают, то в ответ передается пакет подтверждения правильного приема, в противном случае – пакет уведомления об ошибке и необходимости повторной передачи.
 Разрабатываемая система должна обладать гибкостью в плане обеспечения различных скоростей передачи. Скорость передачи данных модемами, к примеру, носит динамический характер, из-за того, что одному терминалу могут выделяться несколько каналов трафика. В связи с этим появляется задача управления выделением канального ресурса, возлагаемая на КУ.
1.7.3. Обеспечение (оценка) достоверности принимаемых сообщений на канальном уровне.
Сообщения на канальном уровне имеют большую важность, т.к. с их помощью осуществляется не только передача данных, но и управление с сигнализацией в системе, поэтому требуется их безошибочная передача. Достоверность принимаемых сообщений на КУ будет также обеспечиваться за счет добавления избыточности. Пример формирования сообщений на КУ приведен на рис. 1.
Рисунок 1. Формирование пакета КУ для передачи речи.
Следует отметить, что с помощью подобных пакетов организуются все логические каналы управления (RACH, ACH, PCH, PRACH, PACH, PPCH, DCCH, PACCH), а также канал передачи речевого трафика. Различаться эти пакеты будут лишь длиной поля Data в пакете PHY.
Пакет передачи данных на канальном уровне выглядит следующим образом (рис. 2).
Рисунок 2. Формирование пакета КУ для передачи данных.
Стоить сказать, что поле Data пакета L2 помимо данных содержит также адресную информацию. Подробнее это будет отражено в пункте 1.7.6.
1.7.4. Обоснование логических каналов связи (ЛКС), используемых на канальном уровне. Пояснение основных видов сообщений, передаваемых по каждому ЛКС. Расчет (оценка) пропускной способности ЛКС с учетом избыточности сообщений канального уровня. Расчет основного трафика системы. Составить сводную таблицу ЛКС с указанием наименования, назначения и типа КС.
Попробуем выяснить минимальный набор логических каналов, которые должны присутствовать в системе для обеспечения ее работоспособности. Будем руководствоваться тем, что в системе присутствуют два типа терминалов, которые создают потоковый и пульсирующий трафик.
BCCH – широковещательный канал управления, по которому передаются SSID, BSID, информация о соседних базовых станциях, а также параметры расположения каналов управления (о которых мы поговорим чуть ниже). Следует также отметить, что на PHY канал BCCH представлен пакетами как на рис. 1, которые содержат поле SCH. Данное поле несет в себе информацию о номере кадра в составе мультикадра, а также номере слота в составе кадра, и служит для временной синхронизации. Т. е. декодируя поле SCH терминал «понимает» в каком месте циклограммы он находится, и что данный пакет является пакетом канала BCCH (своего рода отправной точкой).
SCH – канал временной синхронизации.
FCCH – канал подстройки частоты. Представлен отдельным полем в пакете физического уровня (рис. 1).
RACH – канал случайного доступа, по которому терминал передачи речи (модем видеокамеры) отправляет сигнал вызова (заявку на выделение канального ресурса) или регистрацию в сети.
ACH – канал разрешенного доступа, по которому БС сообщает МС параметры выделяемого под сеанс связи канального ресурса.
PCH – канал вызова. По нему БС вызывает терминал передачи речи, если с ним хочет связаться другой терминал.
DCCH – выделенный канал управления. Здесь передается вся информация, необходимая для контроля ведения связи (измерение мощности, перевыбор базовой станции).
TCH – канал трафика используется для передачи речи, видео и данных. На PHY представляет собой один временной слот и один код по смене частот.
Для организации передачи данных должны использоваться отдельные каналы доступа к ресурсам сети, а также отдельные каналы подтверждения правильности переданных сообщений. Это связано с тем, что передача данных носит пульсирующий характер, и на каждый переданный пакет IP МС должна получить подтверждение правильности приема, либо отправить пакет заново, если тот был передан неудачно.  Т. е. ситуаций запрос – ответ здесь будет гораздо больше, чем в RACH/ACH.
PRACH – пакетный канал доступа. Служит для запроса на выделение TCH.
PACH – пакетный канал канал, по которому БС сообщает о выделенных TCH.
PPCH – пакетный канал вызова. Используется в том случае если БС необходимо передать MS пакет от другого терминала.
PACCH – пакетный ассоциированный канал управления. Служит для оповещения о правильности приема (пакеты ACK/NAK), выделяется в соответствии с одним или несколькими TCH.
Теперь попытаемся определить способ размещения данных логических каналов в радиоинтерфейсе. На мой взгляд, целесообразно выделить под каналы трафика 20 частотно-временных кодов, а один код отдать под все остальные ЛК управления. Таким образом, разделены между собой все ЛК будут по времени. Для более наглядного представления распределения ЛК управления приведем рис. 3.
Рисунок 3. Размещение логических каналов управления в радиоинтерфейсе.
Рассчитаем пропускную способность ЛКС с учетом избыточности сообщений КУ.
Определим, какая скорость обеспечивается на КУ при использовании одного слота и одного частотно-временного кода. Как видно на рис. 1 поле Data на PHY состоит из 300 бит, которые декодируются сверточным декодером и преобразуются в пакет КУ размером 150 бит. В свою очередь на поле Data на КУ в пакете отводится 120 бит. Таким образом, получаем, что пропускная способность одного слота на КУ R = 120*100 = 12 кбит/с. С такой скоростью передаются данные по каналам BCCH, RACH, ACH, PCH, а также речь по каналам TCH. Для выделенных каналов управления (DCCH) пропускная способность может быть меньше. Пусть каждому сеансу телефонной связи выделяется один слот DCCH в составе мультикадра. Предположим, что мультикадр состоит из пяти кадров длительностью 10мс, тогда пропускная способность такого канала будет равна R = 12/5=2.4кбит/с. Для наиболее наглядного представления организации каналов DCCH приведем рис. 4.
Рисунок 4. Организация каналов DCCH.
Учитывая то, что система должна обеспечивать связью небольшое число абонентов, будем считать, что число одновременных телефонных соединений не превышает десяти.
Каналы PRACH, PACH и PPCH представлены девятью слотами, по три слота каждый. Таким образом, пропускная способность каждого канала R = 12*3 = 36 кбит/с.
Судя по всему, скорость пакетных каналов управления и оповещения PACCH будет динамически изменяться в зависимости от того сколько TCH выделяется одному абоненту. Скажем лишь, что максимальная пропускная способность данного канала R = 5*12 = 60 кбит/с.
Итак, мы подошли к самому интересному – расчету основного трафика системы. Пусть к БС подключен всего один терминал передачи данных, тогда после запроса канального ресурса ему могут быть предоставлены все 20 слотов и 20 свободных кодов по смене частоты. Напомним, что поле Data пакета передачи данных на КУ составляет 250 бит. Тогда пропускная способность на канальном уровне в рамках одного слота равна R = 250*100 = 25кбит/с. Максимальная скорость же при использовании 20 слотов и 20 свободных частотно-временных кодов составляет R = 25*20*20 = 10 Мбит/с.
Представим все описанные выше ЛКС в виде таблицы.
Таблица 1. Логические каналы связи.
Категория КС
Канал связи
обозначение
тип
Наименование
обозначение
тип
BCCH
Широковещательный
Канал общей информации
Канал подстройки частоты
Канал временной синхронизации
BCCH
FCCH
SCH
вниз
CCCH
общий
Случайного доступа
Вызова
Разрешенного доступа
RACH/PRACH
PCH/PPCH
ACH/PACH
вверх
вниз
вниз
DCCH
выделенный
Выделенный КУ
Пакетный ассоциированный КУ
DCCH
PACCH
вверх/вниз
TCH
трафика
канал трафика
TCH
вверх/вниз
1.7.5. Пояснение способа организации доступа к физическому каналу. Управление профилями физического уровня.
Доступ к физическому каналу основан на одном главном принципе. Для того чтобы осуществить вызов терминала 2 терминал 1 должен сделать запрос на выделение канала трафика. Для этого используется канал случайного доступа RACH, при этом БС получает пакет запроса, содержащий MSID вызывающего терминала и MSID вызываемого терминала. Затем БС вызывает терминал 2 по каналу PCH, и если он подтверждает вызов (опять по RACH), то БС выделяет TCH и DCCH каждому терминалу, уведомляя об этом по каналу ACH.
Доступ к PHY для передачи данных осуществляется похожим образом, с тем отличаем, что используются каналы PRACH, PACH, PPCH, под каждый из которых отведено по три слота. Это объясняется тем, что при передаче данных (например, вэб серфинге) будет происходить значительно больше обращений по PRACH с целью выделения канального ресурса. Передача каждого пакета IP подтверждается квитанцией (пакет ACK) при этом используется канал PACCH.
В зависимости от того какую услугу запрашивает МС (передача речи, видео или данных) БС выделяет тот или иной объем канального ресурса, который отображается на PHY числом слоток и кодов FH.
1.7.6. Пояснение структуры сообщения (пакета) канального уровня: описание предполагаемых видов пакетов и необходимых полей.
На канальном уровне предполагается использование нескольких типов пакетов (рис.5).
Рисунок 5. Пакеты канального уровня.
Пакет запроса на регистрацию: отсылается МС после включения питания  и содержит в себе ID терминала отправителя, ID БС – получателя, а также ключ доступа к сети.
Пакет подтверждения регистрации: содержит информацию о том успешно ли прошла процедура аутентификации или нет.
Пакет запроса канального ресурса: передается по RACH или PRACH и содержит в себе информацию о том, какая услуга требуется терминалу.
Пакет подтверждения выделения TCH: передается по ACH или PACH и несет информацию о выделенных слотах и кодах.
Пакет передачи речи и пакет передачи данных: являются основным транспортным средством в сети, и служат для передачи речи, видео и данных.
Пакет подтверждения:сигнализирует о том, что пакет IP был принят верно, и повторная передача не требуется (или наоборот).
1.8. Проработка общих идей радиоинтерфейса в прямом и обратном направлениях:  пояснение  возможной иерархии интерфейса (слот-кадр-мультикадр-суперкадр и т.д.); определение способа размещения ЛКС врадиоинтерфейсе.
Как уже упоминалось, вся временная шкала в системе разбита на мультикадры. Каждый мультикадр включает в себя 5 кадров и длится 50мс. В свою очередь каждый кадр разбит на 20 слотов по 500мкс (рис. 4).
Определение способов размещения ЛКС было изложено в пункте 1.7.4.
2. Техническая часть
2.1. Разработка алгоритма работы приемного тракта устройств системы.
В связи с тем, что сигнал занимает большую полосу частот, целесообразней применять параллельную обработку, т.к. АЦП способные обеспечить оцифровку больших полос слишком дороги. Предположим, что обработка будет вестись по трем полосам шириной 26,25 МГц. Тогда схему приемного тракта можно изобразить как на рис. 6.
Рисунок 6. Структурная схема приемного тракта.
Синтезатор генерирует несущие частоты в соответствии с псевдослучайной последовательностью, которые поступают на смеситель. На смесителе происходит перенос спектра сигнала в область более низких частот, после чего данный сигнал поступает на вход АЦП.
С выхода АЦП оцифрованный сигнал через параллельный порт подается на вход мощного сигнального процессора, где выполняется вся дальнейшая обработка сигнала связанная с физическим уровнем (демодуляция, деперемежение, канальное декодирование и т.д.).
Список литературы:
1. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. – 1104 с.: ил. – Парал. Тит. Англ.
2. Весоловский К. Системы подвижной радиосвязи/Пер. с польск. И.Д. Рудинского; под ред. А.И. Ледовского. – М.: Горячая линия-Телеком, 2006. – 536 с.
3. Лекции и слайды по курсу ССПО 2011 год.
Последние версии предыдущих сообщений:
КП "Помехозащищенная сеть передачи данных" Часть 2
КП "Помехозащищенная сеть передачи данных" Часть 3