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.
Исходя из концепции построения системы, какие – либо сложные способы адресной доставки не требуются,так как в данной системе используются соединения типа точка-точка и точка-многоточка. При реализации одной сети системе необходимо знать информацию о каждом участнике. Как было уже сказано в предыдущих статьях, каждый терминал и сама ТД имеет свой уникальный ID-адрес.
В составе терминала и ТД имеются информационные системы. ВИС терминала хранится идентификатор ТД, а также свой ID. В ИС ТД хранится информация о существующих терминалах, а именно логин, пароль, статус, предоставляющий право на доступ в сеть. В журнал статистики заносятся сведения об активных абонентах, время вхождения в сеть, идентификатор оборудования, входящий исходящий трафикТаким образом, когда терминал входит в сеть,  блок управления ТД проверяет в регистрационной базе ИС наличие данного ID. Если такой IDнайден успешно,то блок управления заносит этот терминал в список активных абонентов. Аналогично и терминал, проверяет- его ли даннаяТД,сверяя ID-адрес ТД с тем,который у него находится в ИС. Если это ID не его точки доступа, она игнорируется. Пакеты,полученные от терминала с неизвестным ID, также игнорируются.
1.7.2. Обоснование необходимости управления потоком сообщений. Оценка возможности примененияARQ (Automatic Repeat-reQuest). Разработка и пояснение способа адаптивного изменения скорости передачи данных.
В связи с тем, что мы имеем достаточно простую систему,нетнеобходимости в управлении потоком сообщений.
Для гарантированной передачи данных будем использовать метод ARQc остановками. Идея данного метода заключается в том,что кадры передаются на ТД непрерывно без ожидания подтверждения приема определенного количества кадров. Далее терминал остнавливается и ожидает ответ от ТД.Если данные не передались или истекло установленное время,терминал передает данные заново.  При истечении нескольких попыток передачи, попытки повторной передачи прекращаются,делается соответствующая пометка.
Также адаптивное изменение скорости передачи данных в данной системе не потребуется, так как канал будет использоватся полностью. Какие-либо изменения,связанные с различными факторами, будут влиять не значительно на работоспособность системы.
1.7.3.Обеспечение (оценка) достоверности принимаемых сообщений.
Достоверность принимаемых сообщений будет обеспечена следующим образом: на передающей стороне вычисляется контрольная сумма и полученное значение добавляется в поле контрольной суммы (CRC). На приемной стороне известен алгоритм вычисления контрольной суммы, производится вычисление контрольной суммы в приемнике и сравнивается  с тем значением ,которое находилось в пакете. Если значение совпадает, то целостность данных сохранена и отправителю отправляется отчет об успешной доставке(ACK) . Если не совпадает-то сообщает об ошибочно переданном пакете(NAK).
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.
На канальном уровне будут использоваться следующие логические каналы:
1.BCCH- широковещательный канал, по которому будет передаваться общая информация от ТД ко всем терминалам
2.RACH-канал случайного доступа,при помощи которого терминал передает сигнал запроса на регистрацию , а также делает запрос на выделение канала трафика для передачи сообщений абонента.
3.TCH- канал трафика- предназначен для передачи данных
4.SCH-канал сигнализации - предназначен для передачи подтверждений
Наименование
Назначение
Тип
Широковещательный(BCCH)
Канал передачи общей информации
F
Канал случайного доступа (RACH)
Канал для регистрации в сети
↓↑
FR
Канал трафика(TCH)
Канал для передачи данных
↓↑
FR
Канал сигнализации(SCH)
Канал для передачи подтверждений
↓↑
FR
Таблица 1. ЛКС.
1.Пакет сигнала опроса на данном уровне будет включать в себя поля: флаг(Fl): 3 бита, ID точки доступа : 4 бита, поле управления: 4 бита, поле контрольной суммы: 3 бита.В итоге получается 14 бит.
Рассчитаем пропускную способность данного канала. 14 бит делим на 550 бит( размер пакета физического уровня,п. 1.8.8),и полученное значение,равное 0,0254,умножаем на скорость передачи по ТЗ,задано 10 Мбит/с. Получаем 0.254 Мбит/с- пропускная способность канала BCCH
2.Пакет запроса на регистрацию состоит из флаг(Fl): 3 бита; ID терминала: 5 бит(2^5=32 терминала); ID подвижной станции: 4 бита; индекс ключа шифрования(2бита)-параметры шифрования,ключа доступа(8бит),поле контрольной сумма(3бита).Итого-25 бит.
Пропускная способность этого канала-0.454 Мбит/с(рассчет аналогично см.выше)
Павет ответа на регистрацию -0.454 МБит/с
3.Пакет данных будет включать в себя следующие поля: флаг(Fl): 3 бита; ID терминала: 5 бит(2^5=32 терминала); ID подвижной станции: 4 бита; поле управления: 4 бита;  данные:331 бит; поле контрольной суммы: 3 бита. В итоге получается 350 бит.
Пропускная способность данного канала 6,36 Мбит/с
4.Пакет сигнала подтверждения/ошибки включает в себя следующие поля: флаг(Fl): 3 бита;ID терминала: 5 бит(2^5=32 терминала); ID точки доступа: 4 бита;поле управления: 4 бита; поле контрольной суммы: 3 бита.В итоге получается 19 бит.
Пропускная способность данного канала 0.345 Мбит/с
1.7.5. Пояснение организации доступа к физическому каналу. Управление профилями физического уровня.
Доступ к физическому каналу будет осуществляться за счет принципа CSMA/CA.В соответствии с концепцией построения системы, которая была разработана в п.1.1, ТД по очереди опрашивает все терминалы, находящиеся в ее зоне обслуживания. Если в буфере ТД есть для какие-либо данные для данного терминала, она передает их. Также ТД предоставляет возможность отправить пакет данных. То есть ТД выделяет канал связи ,и данный терминал передает ТД данные,которые предназначены для другого терминала,и  когда дойдет очередь опроса данного терминала, ТД передаст данные.
В разрабатываемой системе будет использоваться один профиль физического уровня.
1.7.6. Пояснение структуры сообщения (пакета) канального уровня: описание предполагаемых видов пакетов и необходимых полей.
Пакеты канального уровня будут иметь следующую структуру:
1.Пакет опроса.
Рисунок 1. Пакет опроса
Пакет опроса состоит из флага(защитного интервала)-3бита, IDточки доступа,который требуется для того,чтобы терминалы знали что это их ТД-4 бита, поля управления,которое показывает типа пакета(опрос, подтверждение,данные)-4 бита, и поля контрольной суммы (CRC),которое обеспечивает целостность данных-3 бита..
2. Пакет Данных.
Рисунок 2. Пакет данных
Пакет данных содержит защитный интервал(3бита), IDтерминала, которое содержит уникальный идентификатор адресата сообщения-5 бит, ID точки доступа, которое требуется для идентификации отправителя пакета-4 бита,поле управление-4бита,указывающие тип пакета,сами данные-331 бит,и поле контрольной суммы CRC..
3.Пакет подтверждения/ошибки.
Рисунок 3. Пакет подтверждения/ошибки.
Пакет подтверждения/ошибки содержит в себе флаг(защитный интервал)-3 бита, IDтерминала, которое содержит уникальный идентификатор адресата сообщения-5 бит, ID точки доступа, которое требуется для идентификации отправителя пакета-4 бита, также содержит поле управления размером 4 бита, которое определяет тип пакета, и  заканчивается полем контрольной суммы CRC,для обеспечения достоверности данных.
4.Пакет запроса на регистрацию
Рисунок 4.Пакет запроса на регистрацию
Пакет регистрации содержит флаг(3бита),ID терминала(5бит),ID терминала(4бита), индекс ключа шифрования(2бита), индивидуальный ключ идентификации в поле ключ доступа к сети, на основании которых точка доступа принимает решение о подлинности абонента и регистрации в сети(8бит),поле контрольной суммы(3 бита).
Пакет ответа на запрос регистрации
Рисунок 5. Пакет ответа на запрос регистацию
1.7.7. Описание типовых схем обмена сообщениями между объектами канального уровня.
Рисунок 4. Обмен сообщениями между объектами канального уровня
В разрабатываемой системе точка доступа сама опрашивает терминалы на предмет передачи ей данных , и передает данному терминалу данные, если таковые имеются в ее буфере. То есть ТД отправляет сигнал опроса по широковещательному на предмет передачи ей данных, терминал отвечает запросом на передачу. ТД разрешает передать ей данные, после завершения принятия данных, отправляет пакет подтверждения ,в случае успешного приема данных, либо пакет ошибки в противном случае.
Далее ТД опрашивает следующий по порядку терминал. Схема может повториться. Или терминал говорит что данных никаких нет, а у ТД для данного терминала есть данные, и передает ему.
1.8. Разработка физического уровня системы
1.8.1. Расчет полной пропускной способности физического канала связи соединения «терминал – БС».
Выберем пропускную способность КС равной 11 Мбит/с
1.8.2. Анализ и обоснованный выбор мер по защите физического уровня от многолучевости.
Для борьбы с многолучевостью в приемном устройстве будем использовать эквалайзер. Эквалайзер представляет собой адаптивный фильтр, подстраивающийся таким образом, чтобы компенсировать АЧХ канала. То есть работа будет выглядеть следующим образом: для успешной работы эквалайзера передаются специальные настроечные последовательности, которые известны всем устройствам данной сети. Устройство,принимая такую последовательность, сравнивает ее с известной, и дает оценку об искажениях. По результатам оценки эквалайзер подстраивает нужную импульсную характеристику,которая должна быть обратной импульсной характеристике канала связи,для устранения искажений,возникающих в процессе передачи.
1.8.3.Энергетический расчет системы: обоснованный выбор частотного диапазона (на основе документов ГКРЧ);оценка уровня потерь при распространении радиоволн выбранного диапазона; обоснование выбора метода модуляции; расчет отношения сигнал/шум, требуемого для обеспечения заданной вероятности битовой ошибки для выбранного и типа модуляции/демодуляции.
Выбор частотного диапазона.
В России использование частот регламентируется "Положением о порядке использования на территории Российской Федерации внутриофисных систем передачи данных в полосе частот 2400-2483,5 МГц":
"Стандартом IEEE 802.11b и IEEE 802.11g предусмотрено использование частотного диапазона от 2,4 до 2,4835 ГГц, который предназначен для безлицензионного использования в промышленности, науке и медицине (Industry, Science and Medicine - ISM). Поэтому для получения разрешения на этой частотной полосы применяется упрощенный порядок.Однако на частотах 2,4 ГГц могут возникать проблемы из-за помех, создаваемых другими бытовыми беспроводными устройствами, например микроволновыми печами или радиотелефонами. Чтобы получить разрешение на использование радиочастот в других диапазонах, в т.ч. в диапазоне 5 ГГц (стандарт 802.11a), необходимо предварительно получить частное решение ГКРЧ (Государственная Комиссия по радиочастотам)."
Выберем несущую частоту 2425 МГц.
Задание включает в себя следующие требования:
 Радиус зоны обслуживания: 50 м
Гарантированная скорость передачи в обоих направлениях: 10 Мбит/с
Тип местности: городская застройка,помещение
Вероятность ошибки на бит Рb: 2*10^-7
Мощность излучения подвижной станции Ризл ас : < 0,4 Вт
Диапазон частот, вид модуляции выбирается самостоятельно.
Для учёта потерь при распространении в здании воспользуемся моделью, которая определяет потери при наличии ТД и терминалов внутри здания (ITU-R 1238):
L=20lgf0+10nlgR+Lэт(nэт)-28.
Имеем данные:
f0=2425 МГц,
n=2.8 для офиса в заданном диапазоне(2.3..6.0 ГГЦ)
R= 50 м.(из ТЗ)
Примем, что сеть располагается в пределах одного этажа, поэтому
Lэт(nэт)=15+4(1-1)=15дБ,
тогда:
L=20lg2425+10*2.8lg50+15-28=102 дБ
Выберем модуляцию QAM16, так как данный вид модуляции щироко используется в системах передачи данных, обеспечивает достаточно высокую скорость передачи данных и в тоже время относительно помехоустойчив.
Минимальная полоса пропускания Δf:
Δf=R/ log2 (16)=2750000 Гц;
Шумовая полоса приемника Пш:
Пш= Δf*1.1= 3025000 Гц ;
Коэффициент шума каскадов приемникаNk:
Nk=10 дБ ;
Шумовая температура:
T= 296 К ;
Мощность шума Pш:
Pш= k*T*Пш=1.38*10-23 *296*3025000 =1235652000*10^-23=-139,081 дБ
Построим график зависимости вероятности символьной ошибки от Eb/N0 для QAM-16
Рисунок 5. График зависимости вероятности символьной ошибки от Eb/N0 для QAM-16
Из данного графика видно,что для обеспечения необходимой вероятности ошибки ОСШ на входе приемника  должно быть не менее Eb/N0=15 дБ.
1.8.4. Обоснованный выбор метода помехоустойчивого кодирования, перемежения, деперемежения, оценка эффективности кодирования. Коррекция данных расчета п.1.8.3 и проверка на обеспечение исходных данных. Анализ необходимости наличия разных профилей настройки физического уровня.
В качестве помехоустойчивого кодирования выбираем сверточное кодирование со скоростью ½.
Это означает что на один информационный бит приходится 1 избыточный. При данном кодировании получаем выигрыш в ОСШ.
Рисунок 6. Зависимость вероятности битовой ошибки от Eb/N0 с применением сверточного кодирования и без него.
На графике зеленым цветом обозначена зависимость вероятности битовой ошибки от Eb/N0 без кодирования, синим- с учетом кодирования.
Видим,что при использовании данного кодирования имеем выигрыш в отношении Eb/N0 4 дБ.
Одним из эффективных методов уменьшения влияния пакетных ошибок является перемежение. Данные, перед передачей по каналу связи, переставляются в заданном порядке, а в приемной части восстанавливается исходный порядок, т.е. выполняется деперемежение. При этом пакетная ошибка, возникшая в канале связи, превращается в набор рассредоточенных во времени одиночных ошибок, которые проще обнаруживаются и исправляются с помощью кодов, исправляющих ошибки.
В почти всех системах для перемежения можно установить значение интервала перемежения либо интенсивности равным нулю (выключено, не производится), одной, двум, четырем, восьми либо шестнадцати миллисекундам. Чем больше временной просвет меж перемежениями, тем огромные блоки данных будут перемежаться.
1.8.5. Оценка уровня мощности излучения передающего устройства, сравнение с заданным значение PизлАС; сделать выводы, при необходимости вернуться к п.1.8.3, 1.8.4. Расчет чувствительности приемников АС(БС).
Чувствительность приемника рассчитывается по формуле:
Pпм дБ = Pш дБ + Nk + C/N, где Nk=10 дБ – мощность шума первых каскадов
C/N = Eb/N0+10*log(R / Пш) = 11 + 5,6 = 16,6 дБ
Pпрм дБ = -139,081 +10+16,6 = -112,481дБ
Переведем полученное значение в Вт:
Pпрм = 10^( Pпрм дБ/10)=10^-11,2481=5,648*10^-12Вт
Мощность передатчика рассчитывается по формуле:
Pпрд дБ = Pпм+L-GT-GR, где
GT = 2 дБ-коэффициент усиления передающей антенны,
GR = 2 дБ-коэффициент усиления приемной антенны,
L=102 дБ-затухание в радиоканале
Pпрд дБ = -112,481+102-2-2= -14,481дБ
Переведем полученное значение в Вт:
Pпрд = 10^( Pпрд дБ/10)=10^-1,4481=0,0356 Вт <0,4 Вт.
1.8.6. Пояснение структурной схемы физического уровня.
Рисунок 7. Структура физического уровня системы.
Входные данные поступают на кодер, где при помощи сверточного кодирования они кодируются. После кодера поступают на перемежитель, которыйпереставляет местами биты  по заданному алгоритму.Этот алгоритм известен в приемнике,для эффективной борьбы с пакетными ошибками. После перемежения полученная последовательность поступает на формирователь пакетов, где формируется сам пакет данных. Затем данные модулируются, и поступают на радиомодуль. Далее Радиомодуль передает данные в канал. На приемной стороне осуществляются обратные операции. А также на приемной стороне имеется эквалайзер, который необходим для устранения интерференции, и петля фазовой автоподстройки частоты для битовой синхронизации.
1.8.7. Обоснование и назначение видов логических каналов, используемых на физическом уровне
Логические каналы,используемые на физическом уровне:
1) FCCH- канал подстройки частоты,по которому передаются данные для битовой синхронизации, такие как фаза несущей,и т.п.
2) Канал настроечной последовательности: по нему будет передаваться настроечная последовательность,которая известна на передающей и приемной стороне . Она необходима для адаптации фильтров эквалайзера.
3) Канал синхронизации –СИНХР. Необходим для установления и поддержания кадровой и временной синхронизации.
1.8.8. Определение типов пакетов физического уровня, обоснование структуры полей пакетов каждого типа, оценка размеров полей, длительность пакета.
Рисунок 8. Пакет физического уровня.
Пакет физического уровня состоит из следующих полей: поле FCCH для подстройки частоты (7 бит); параметры синхронизации(7бит),поле настроечной последовательности, необходимой для работы эквалайзера (8бит); поле данных, размер которого составляет 350 бит; поле избыточности (175 бит); поле защитного интервала (3 бита). В итоге, размер пакета физического уровня может достигать 550 бит.
Список литературы:
1.     1. Методические указания к лабораторной работе: «Изучение сигналов физического уровня PLCP стандарта 802.11a (УП)»;
2.2. http://adminbook.ru/index.php?men1=2/83
3.3.  .http://eewiki.ru/wiki/Перемежение
4.     4.  http://www.velcom.ru/ar511-page2.html
5.    5. Лекции по ОТССПО
6.    6.  http://omoled.ru/post/226