Целью данного
курсового проекта является разработка локальной сети, которая объединит в
единую сеть персональные компьютеры, терминалы сбора данных и других
электронных устройств.
Разрабатываемая
сеть должна отвечать следующим требованиям:
-минимально возможная
мощность излучения абонентской станции;
-минимальный
диапазон используемых частот;
-возможность
адаптивного изменения мощности передачи;
-возможность
адаптивного изменения скорости передачи.
В соответствии
с требованиями технического задания каждый участник сети должен получать в
реальном времени информацию о других активных абонентах и иметь возможность
соединения с любым из них. При этом должны соблюдаться требования,
предъявляемые к максимальному количеству терминалов сети, скорости передачи данных,
верности передачи и мощности излучения терминала.
Так же
условия накладываются на максимальное количество абонентов – 60;радиус
обслуживания – 80 метров, а так же на
тип местности – здание.
В качестве проектируемой
систем локальной радиосети рассмотрим сеть, которая может быть образована на
основе технологии Wi-Fi(станадарт 802.11а). Локальные радиосети чаще
всего реализуются в виде структурированной сети, т.е. с наличием точки доступа(она же
Access Point или кратко – AР).
Примером разрабатываемой сети
может быть локальная сеть в пределах одной фирмы. Главной задачей
проектирования является связь между всеми отделами, т.е.между всеми
сотрудниками фирмы. В основном необходима передача документации из отдела в
отдел. В дополнение часть сотрудников должна иметь доступ в Internet. Для ограничения
администратором составляется «черный» список абонентов. Эти сотрудники не
получат доступ к проводной сети. Данные о
них и предоставляемых им услуга при конфигурации АР будут занесены в регистр
услуг в ИС.
Итак, сеть
предоставляет абонентам следующие услуги:
-обмен данными
между абонентами сети;
-доступ в Internet.
Передача
информации не будет носить постоянный характер, т.е. большую часть времени
терминалы находятся в состоянии «покоя». С целью энергосбережения необходимо
реализовать два режима работы терминалов. Во временя передачи/приема данных
будет использоваться активный режим. После прекращения передачи/приема терминал
перейдет в пассивный режим. Пока терминал находится в пассивном режиме данные
накапливаются в АР. Терминал периодически «просыпается» и принимает сигналы от
АР, которые оповещают о наличии или отсутствии данных для него. Если данных нет
– терминал засыпает. Если есть- готовится с приему. Так как в системе возможна
широковещательная рассылка, то интервал «пробуждения» терминалов задает администратор.
Рис 1.Функциональная схема взаимодействия
точки доступа и абонентских терминалов.
Блок-схема
точки доступа представлена на рисунке 2:
Рисунок
2.Блок-схема АР.
Точка доступа выполняет
следующие задачи:
-идентификация;
-аутентификация;
-доступ терминалов к
проводной сети (Internet
);
-передача по
широковещательному каналу информации о себе;
-опрос терминалов на
предмет передачи данных;
-выделение общего канала
связи терминалам на определенное время, требуемое для передачи;
-формирование оповещения
терминала о передаче, предназначаемой ему информации;
-хранение принятой
информации до успешной передачи на требуемый терминал;
-управление соединениями;
-оповещение терминалов о состоянии переданных данных,
т.е. приняты ли они или же необходима повторная передача;
-синхронизация всех абонентских терминалов;
- преобразование данных(например,
модуляция/демодуляция, кодирования/декодирование);
-заполнение журналов активных абонентов и статистики.
Блок-схема абонентского
терминала выглядит следующим образом:
Рисунок
3. Блок-схема терминала
Терминал выполняет
следующие задачи:
-формирование пакетов данных
для передачи;
-формирование запроса на
передачу;
-формирование ответ для АР
о состоянии переданных данных;
-синхронизация с сетью;
-при отсутствии необходимости передачи переход в
энергосберегающий режим(пассивный режим) и наоборот в случае передачи;
-прослушивание канала;
-преобразование данных(например,
модуляция/демодуляция, кодирования/декодирование).
Модель OSI-7
описывает прохождение информации от одного абонента к другому через сеть связи.
Рисунок 4.
Сопоставление эталонные моделей OSI
и разрабатываемой
модели OSI.
Рассмотри нижние уровни, т.к. сеансовый, представительский, прикладной уровни реализовываются программно. В свою
очередь, сетевой и транспортный уровни не будут отражены в статье, т.к.их
функции берет на себе канальный уровень.
Физический.
Определяет правила электрического и конструктивного соединения двух точек.
На физическом уровне решаются следующие задачи:
-выбор модуляции;
-выбор помехоустойчивого кодирования;
-необходимость перемежения;
-виды необходимой синхронизации;
-обеспечение нескольких профилей работы системы;
-способы
борьбы с коллизиями(возможность определения занятости канала).
Включенный терминал может
находится в двух режимах:
-активный(в моменты приема и
передачи данных);
-пассивный(все остальное время).
В пассивном режиме происходит экономия энергии.
Канальный.
Канальный уровень упаковывает
данные, полученные с физического уровня в пакеты. Протоколы канального уровня
обеспечивают доставку сообщений только между узлами одной локальной сети.
Функции канального уровня:
- множественный доступ – предоставление физического канала
по требованию;
- реализация соединения
двух узлов по технологии точка – точка, точка – многоточка ;
- обеспечение надежной передачи(обнаружение и исправление
ошибок в пакете);
- синхронизация потоков данных;
- управление канальными соединениями;
- нижний уровень защиты информации.
Протоколы канального уровня
реализуют такой мощный набор функций по транспортировке данных, что они
оказываются достаточными для взаимодействия с прикладным уровнем. Канальный
уровень обеспечивает транспортировку пакетов.
Канальный
уровень разделяется на два подуровня:
-уровень доступа к среде (МАС-уровень);
-уровень доступа к каналу(LLC-уровень).
Назовем причины разделения:
-
логика, необходимая для управления
доступом к среде совместного использования, не находится на традиционном уровне
2 управления каналом передачи данных;
- при
одинаковом управлении логическим каналом могут быть реализованы разные схемы
управления доступом к среде.
Диаграммы
состояний терминала,отражающей
функциональные связи режимов работы.
Рисунок 5. Процесс вхождения терминала в
сеть.
Полноформатный рисунок - http://s2.ipicture.ru/uploads/20111208/7QIDBK1T.gif
После включения абонентского
оборудования терминал осуществляет сканирование доступных сетей. В это время АР
по широковещательному каналу передает свой идентификатор и параметры
синхронизации. На дисплее ПК выводит список сетей, пользователь выбирает
необходимую. Далее вводятся уникальный логин и пароль. Вводимая информация
сравнивается с той, которая хранится в базе данных абонентов сети в ИС АР. Если
логин и пароль зарегистрированы в базе, происходит регистрация. Терминалу
выдается временный идентификатор. Терминал вводя в сеть, начинает работать в
пассивном режиме.
Терминал работает в активном и пассивном режиме;
перед передачей осуществляет борьбу за канал и после приема данных с АР
формирует отчет о состоянии передаваемой информации(принята она или нет). Так
же можно выделить прием и передачу, как отдельные режимы.
Рисунок 6. Диаграмма состояний терминала
при передачи данных на АР.
Полноформатный рисунок - http://s2.ipicture.ru/uploads/20111208/NQZxlvUc.jpg
Если пользователю требуется передать
данные, терминал формирует запрос для АР на предмет передачи. Таким образом,
переходя в активный режим. Перед осуществлением передачи терминал борется за
канал связи. Побеждая, терминал занимает общий канала на время передачи.
Терминал до конца передачи не знает принималось ли его сообщение. После
передачи АР формирует отчет о состоянии переданной информации. Если передача
прошла успешно, терминал переходит в пассивный режим. Если данные не были
принят, необходима повторная передача. Для этого проверят занятость канала.
Если канал уже занят, терминал ожидает некоторое время и на общих основаниях
борется за канал.
Рисунок 7. Диаграмма состояний терминала
при передачи данных с АР.
Полноформатный рисунок - http://s2.ipicture.ru/uploads/20111208/W3p4b4Vy.jpg
Точка доступа оповещает терминал о том, что для
терминала есть данные. Таким образом, АР переводит терминал из пассивного
режима в активный (по своей инициативе). Далее следует прием данных с АР. Если
данные успешно принят, то хранение в буфере АР больше не нужно – они удаляются.
Терминал переходит в пассивный режим. Если данные не были приняты, АР
необходимо повторить передачу.
Передача данный между терминалами
в разрабатываемой сети происходит АР. Переданные данные с терминала
записываются в буфер информационной системы АР. После этого с АР передаются на
соответствующий терминал. Для осуществления маршрутизации при входе в сеть каждому
терминалу присваивается временный идентификатор. То есть, для правильной
адресации, нам необходимы только идентификаторы оборудования. Это возможно,
поскольку в сети используются только простые соединения.
АР так же имеет свой
идентификатор. Он рассылает широковещательно. Терминалы сохраняют данную информацию.
Необходимость в этом существует, так как возможна передача в используемом
диапазоне с «чужих» станций (АР). При приеме данных терминал сравнивает
имеющийся в свое «памяти» идентификатор АР с
выделенным из сообщения. Если
терминал, сравнив, получил положительный результат, происходит последующие
операции с сообщением. В ситуации отрицательного результата – сообщение считает
невостребованным и игнорируется. В составе передаваемых данных фиксируется
идентификатор передающего терминала для правильной работы системы.
Терминалы, борясь за выделение
им канала связи, участвуют в конкурентной борьбе. Для этого используется метод CSMA/CA. Суть его заключается в следующем. Для
получения канала в свое распоряжение терминал передает запрос на передачу.
Канал предоставляется терминалу, запрос которого пришел первым .Он сообщает
время, которое ему необходимо на передачу. В это время другие терминалы и АР не
имеют право начать передачу. Т.е. в это время терминалы переходят в пассивный
режим.
Пока терминал не получил ответ
от АР, он не знает передались ли данные. В случае отсутствие ответ принимается
решение о том, что произошла коллизия или данные не были приняты. Терминал
выжидает некоторое время и пытается завладеть каналов для повторной
передачи.
Запрос на передачу содержит
идентификаторы передающего и принимающего терминалов и время, которое необходимо для передачи.
Ответ на запрос содержит в себе
время передачи и идентификатор
терминала, который будет осуществлять передачу.
Необходимости в управлении потоком сообщений нет. Поскольку терминал получает весь общими канал
связи на определенное время, остальные - ожидают окончания передачи.
Применение ARQнеобходимо.
В разрабатываемой сети приемная сторона формирует подтверждение получения.
Т.е. после окончания передачи приемная сторона сообщает передающей о том, прошла
ли успешна передача. Если передача прошла успешна и не нужна повторная передача
передающая сторона получает положительное подтверждение - ACK. В обратном случае - приходит
отрицательное подтверждение – NAK.
Это свидетельствует о том, что необходима повторная передача.
Адаптивное изменение скорости
предусматривать не нужно.
Достоверность передаваемых сообщений
обеспечивается с помощью помехоустойчивого кодирования, которое незначительно
освещено во второй статье. Так же используется контрольная сумма CRC.Алгоритм CRC
базируется на свойствах деления с остатком двоичных многочленов. Значение CRC
является по сути остатком от деления многочлена, соответствующего входным
данным, на некий фиксированный порождающий многочлен (полином). Циклический
избыточный код применяется для проверки целостности передачи данных. Прост в
реализации, при этом обеспечивает низкую вероятность возникновения коллизии,
когда разные данные имеют одну и ту же контрольную сумму. Для вычисления
используются побитовый сдвиг и исключающее ИЛИ.
Логические каналы связи, используемые на канальном уровне:
·BCCH -широковещательный канал для передачи служебной информации от АР всем терминалам сети;
·TCH - канал трафика обмен данными между терминалами;
·SCH- канал сигнализации. Установление
и поддержание синхронизации(на физическом), а так же нем передается подтверждение
передачи. (ACK/NAK);
·RACH-канал случайного доступа. По
данному каналу терминал передает запрос на регистрацию в сети. А также передает
запрос на выделение общего для передачи сообщений абонента.
Пропускная способность каналов
равна:
BCC
Н: (14 бит/812бит)*5 Мбит/с=0,08 Мбит/с ;
SC
Н: (20бит/812бит)*5 Мбит/с=0,12 Мбит/с;
TCH
: (522бит/812бит)*5 Мбит/с=3,21 Мбит/с;
RACH
: (25бит/812бит)*5Мбит/с=0,15 Мбит/с.
Структуры пакета данных канальном уровне выглядят следующим
образом:
Рисунок 8. Пакет данных.
Флаг(3 бита) выполняет функцию защитного интервала.
ID терминала(6 бит) – идентификатор терминала, который передавал информацию и ожидает ответ подтверждения.
ID AP(4 бита)-идентификатор точки доступа. Он необходим для идентификации терминалами.
Поле управления(4 бита)определяет типа передаваемого пакета.
Данные(512 бит) содержат пользовательскую информацию.
CRC(3 бита)-контрольная сумма.
Энергетический
расчет.
Разрабатываемая сеть
основана стандарте IEEE 802.11а.
В соответствии с сертификацией предусмотрено использование частотного диапазона
2,4 ГГц и 5 ГГц. В связи с тем, что диапазон 2,4 ГГц не лицензируем и получить
разрешение намного проще. По этому остановимся на этом диапазоне.
Несущая частота-
2,4 ГГц
Затухание
равно:107,9 дБ
Выберем модуляцию QAM-16.
Данный тип
модуляции подразумевает, что информация кодируется не только за счёт изменения
фазы сигнала, но и за счёт его амплитуды. Минусом метода является более низкая
помехоустойчивость, чем, например, у QPSK. Но несомненным плюс является более
высокая скорость.
Δf=
1250000 Гц- минимальная полоса пропускания;
Пш=1 375 000Гц
– шумовая полоса приёмника;
Для обеспечения
заданной вероятности на бит(10-7) необходимо иметь отношение
сигнал/шум на выходе не менее 15,16 дБ(без кодирования). Помехоустойчивое кодирование будет реализовано с помощью свердочного
кода со скоростью ½. При использовании кодированию мы получим выигрыш в ОСШ, но
при этом кодер внесет избыточность. С применением сверточного
кодирования имеем выигрыш 3,81 дБ.
Чувствительность приемника:
Pпм дБ = -125,553 дБ=2,818*10-13Вт
Мощность передатчика:
Pпд дБ = -19,653 дБ=0,013 Вт.
Разработка физического уровня.
Рисунок 9.
Структурная схема физического уровня системы.
Буферы до и после сверточного
кодера предназначены для накопления блоков данных соответствующего размера для
обеспечения работы кодера и перемежителя. В перемежителе происходит разнесение
соседних бит информационной последовательности. После перемежителя данные
поступают на формирователь пакетов, который по командам блока управления
формирует соответствующие типы пакетов. С формирователя пакетов данные
поступают на модулятор(осуществляется перенос на несущую частоту), а затем на РМ(радиомодуль)-требуемое
усиление.На приемной стороне принимаемый сигнал поступает на РМ . Он работает в
радиочастотном диапазоне и усиливает радиосигнал до требуемого уровня. Ширина
полосы зависит от выбранного типа модуляции и используемого метода
многостанционного доступа. После этого сигнал поступает на демодулятор, в
котором осуществляется перенос на промежуточную частоту. В состав приемника
входит блок ФАПЧ(таким способом реализуется битовая синхронизация), также необходима
тактовая синхронизация. Тактовая синхронизации будет осуществляться путем
извлечения таймерного сигнала из принимаемой информации непосредственно в
демодуляторе. После РМ включен эквалайзер, выравнивающий частотную
характеристику канала связи. Затем происходит демодуляция сигнала, данные с
которого поступают на блок разборки пакетов, на выходе которого поток битов.
Далее осуществляются обратные операции: деперемежение и декодирование. Принятые
данные проходят на дальнейшую обработку.
Логические каналы, используемые на физическом уровне:
··FCCH -канал
подстройки частоты. Необходим для передачи данных, необходимых
для реализации битовой синхронизации.
·SCH- канал сигнализации. Установление
и поддержание синхронизации.
·Для правильной работы
эквалайзера необходимо передавать настроечную последовательность. Необходим
канал для этого .
Пакет физического уровня выглядит
следующим образом:
Рисунок
10. Пакет физического уровня.
FCCH(8 бит) содержит данные необходимые для битовой синхронизации.
Поле синхронизация(8
бит) содержит в себе данные необходимы для установления и поддержания кадровой
и временной синхронизаций.
Поле настроечная
последовательность(10 бит) содержит параметры для эквалайзера.
Данные(522 бит).
Максимальный размер- 522 бит(в случае передачи данных).
Избыточность(261 бит)
необходима для выявления ошибок на приемной стороне.
Флаг(3 бит) выполняет
функцию защитного интервала.
Максимальный размер
пакета физического уровня:812 бит.