1.1.Анализ поставленной задачи и исходных данных, выявление  особенностей работы системы. Цель – проработка идеи создания сети как целостной системы. Краткое описание концепции функционирования системы связи на основе проведенного анализа. Определение списка основных и дополнительных услуг системы, предоставляемых пользователям. Обоснование необходимости организации различных профилей функционирования.


 Целью данного курсового проекта является разработка локальной радиосети, которая предназначается для объединения в единую радиосеть персональных компьютеров или других электронных устройств. Каждый участник сети должен получать в реальном масштабе времени информацию о других активных абонентах и иметь возможность соединения с любым из них.

Разрабатываемая система должна отвечать основным требованиям:

- минимальный диапазон используемых частот;

- возможность адаптивного изменения мощности передачи;

- возможность адаптивного изменения скорости передачи.

Учитывая представленные выше основные требования, сеть должна обслуживать максимальное количество абонентов – 55, а радиус зоны обслуживания – 170 метров, при гарантируемой скорости передачи данных в обоих направлениях 4 Мбит/с. Тип местности, для которой должна быть спроектирована сеть: городская застройка, помещения.

Также должны соблюдаться требования, предъявляемые верности передачи и мощности излучения подвижной станции.

В качестве примера разрабатываемой локальной сети, рассмотрим офис в пределах одной фирмы, в котором сотрудники могут связываться между собой. В основном на проектируемую систему ложится задача передачи документации из отдела в отдел, передача коротких сообщений и выход в Internet. Однако необходимо ограничить доступ «нежелательным» пользователям системы, для этого администратором составляется список абонентов, которые не могут получить доступ в сеть.

Для проектирования  необходимо выбрать конфигурацию  сети, так как  она определяет требования к оборудованию, возможные и наиболее удобные методы управления обменом, надежность работы, возможности расширения сети.

Существует два разных подхода к реализации:

-структурированные сети

-сети типа «Ad Hoc».


Чтобы спроектировать локальную радиосеть, удовлетворяющую всем требованиям и возможностям, рассмотрим тип построения сети на основе технологии Wi-Fi стандарта 802.11а (http://www.xnets.ru/plugins/content/content.php?content.60). Этот стандарт удовлетворяет всем требованиям системы, представленным в данном курсовом проекте, а именно скорость передачи данных до 54 Мбит/с и радиус действия для оборудования, работающего на частоте 2.4 ГГц, на расстояние до 300 метров. Локальную радиосеть чаще всего реализовывают на основе структурированных сетей, то есть с наличием точки доступа ТД (Access Point - AP).

Тогда данные о «нежелательных» абонентах при конфигурации ТД будут занесены в регистр услуг информационной системы.

Следовательно, сеть должна предоставлять абонентам следующие услуги:

- возможность передачи данных между абонентами сети;

- возможность передачи коротких сообщений между абонентами сети;

Большую часть времени терминалы будут находиться в пассивном режиме. Если начинает осуществляться прием или передача данных, то терминал входит в активный режим. Поэтому необходимо рассмотреть два работы терминалов (активный и пассивный), с целью осуществления энергосбережения.  Войти в активный режим терминал может как самостоятельно, так и по запросу ТД. В первом случае, при собственной инициативе, терминал формирует запрос ТД на передачу данных. Во втором случае ТД «пробуждает» терминал  и сообщает, что в ее буфере присутствуют данные, которые необходимо передать терминалу.


 1.2. Проработка обобщенной функциональной схемы системы: выявление основных ее компонент и описание функциональных связей. Обоснование наличия выделенных узлов сети и отражение их задач.


 Основная работа данной локальной радиосети «ложится» на ТД. Для связи терминалов между собой необходимо выполнить поиск доступных им сетей. В данной области может находиться не одна сеть, поэтому в результате поиска  на мониторе пользователя отображается список доступных сетей и абоненту необходимо выбрать необходимую ему сеть самостоятельно. По широковещательному каналу (BCCH) осуществляется передача ID сети (идентификатор находится в информационной системе ТД). После выбора сети терминал проходит процедуру регистрации абонента, для этого пользователю необходимо ввести уникальный логин и пароль. При успешной регистрации происходит авторизация абонента в сети, иначе пользователю снова предоставляется список доступных сетей и происходит повторная регистрация. При авторизации пользователя в сети происходит сопоставление списка доступных услуг для абонента. Данные о прошедших регистрацию абонентах хранятся в базе абонентов сети информационной системы ТД. Для каждого терминала предоставляется свой уникальный условный код доступа, который соответствует только текущему соединению.

 

Рис.1. функциональная схема взаимодействия точки доступа и абонентов терминала.


Рассмотрим сценарии функционирования сети. Как было написано выше, ТД опрашивает все терминалы на прием/передачу данных. В таком случае можно рассмотреть несколько вариантов путей развития:

1.                     При необходимости терминала передавать данные, он переходит в активный режим. Терминалу необходимо бороться с другими терминала за канал, так как в Wi-Fi весь канал передачи данных отводится на передачу одного абонента  на некоторое время, т.е. только один терминал будет находиться в активном режиме, а остальные будут ждать освобождения канала. Если терминалу предоставляется канал, то происходит передача данных, которые записываются в буфер ТД. После этого ТД извещает терминал о том, принято ли сообщение или нет. Если нет, то терминал на общих основаниях, повторяет попытку борьбы за канал и после «победы» повторяет передачу. Затем терминал переходит в пассивный режим.

2.                     Точка доступа извещает терминал о наличии для него данных. Терминал переходит в активный режим и готовится к приему данных по заданному каналу. Если данные передались успешно, терминал извещает ТД об успешном приеме. Если нет, то отсылается запрос на повторную передачу.

Все операции приема/передачи данных осуществляются исключительно через ТД.

Задачи, выполняемые точкой доступа:

 

1)     -широковещательная рассылка системной информации (идентификатор сети, ТД).

Рассылка производится по широковещательному каналу BCCH как самой ТД для всех терминалов регулярно, так  и по запросу конкретного терминала с целью узнать какие абоненты активны.  Так же служит для оповещения о вновь прибывших терминалах и вышедших из сети. Системная информация содержит в себе идентификаторы абонентов,   в которых «заложены» соответствующие статусы («абонент активен», «абонент не активен»).

 

2)    - процедура аутентификации пользователей.

            Разрабатываемая локальная радиосеть должна быть закрыта для доступа посторонних лиц. Для предотвращения несанкционированного доступа каждому пользователю выдаются уникальный логин и пароль. Процедура аутентификации в сети состоит во вводе пользовательского идентификатора, так называемого логина и пароля (эта информация конфиденциальна). Получив введенный пользователем логин и пароль, ТД сравнивает их со значением, которое хранится в базе данных абонентов. В случае совпадения, ТД пропускает пользователя в систему. В случае утраты логина и пароля возможна смена на новы, но для этого необходима идентификация старыми уникальными данными.

 

3)     -опрос терминалов на прием/передачу данных;

При необходимости терминала передавать данные, он переходит в активный режим. ТД проверяет на основе таблицы маршрутизации, относится ли сообщение к ее сети, при заданном MAC адресе терминала. Если да, то он борется с другими терминалами за канал. Если терминалу предоставляется канал, то происходит передача данных, которые записываются в буфер ТД. Затем терминал переходит в пассивный режим. ТД извещает терминал о наличии для него данных. Терминал переходит в активный режим и готовится к приему данных по заданному каналу. По завершении успешного приема, ТД получает отчет о доставке сообщения (иначе повторная передача). Если терминал, который должен получить сообщение, не активен, то данные хранятся в буфере ТД, пока принимающий терминал не станет активным и не произойдет прием данных. Обмен данными между пользователями происходит в соответствии со специальной адресной книгой (таблицей маршрутизации).

4)     -определение очереди выделения общего канала связи терминалам на определенное время, требуемое для передачи;

Чтобы терминал мог передать данные, ему необходимо бороться с другими терминалами за канал, так как весь канал передачи данных отводится на передачу одного абонента  на некоторое время, т.е. только один терминал будет находиться в активном режиме, а остальные будут ждать освобождения канала. Если терминалу предоставляется канал, то происходит передача данных.

5)     хранение принятой информации до успешной передачи на требуемый терминал.

Это обязательное условие для данной сети. В ТД находится буфер, в котором накапливаются данные принимаемые с терминалов. Записав данные для разным абонентов, ТД принимает решение о их передаче. Точка доступа формирует оповещения терминала о передаче, предназначаемой ему информации. После передачи терминал сообщает о том, что сообщение принято. Переданные данные удаляются из буфера. Для эффективного использования ресурсов сети точка доступа собирает статистику, которую обрабатывает администратор. Если ТД не поступил отчет о доставке от терминала об успешной передаче сообщения, то происходит повторная передача до тех пор, пока сообщение не будет передано верно.

6)    - сбор статистических данных.

Необходимо для адаптации сети к малейшим изменениям. ТД «собирает» общую информацию о сети (идентификатор, основные параметры доступа и количество попыток входа в сеть) в буфер, доступ к которому ограничен и может быть предоставлен только администратору. Эти данные позволяют проводить анализ функционирования сети, поддержание ее на должном уровне. Анализ данных помогает в дальнейшем оптимизировать качество работы системы.

 

7)     - синхронизация всех абонентских терминалов;

Синхронизация всех терминалов в зоне радиопокрытия необходима для корректной работы терминалов в реальном масштабе времени.

 

8)      

Рис.2. Блок – схема точки доступа.

 

Радиомодуль – высокочастотный блок, приемо–передающее устройство, с помощью которого осуществляется соединение с ТД. Служит для приема данных с ТД и последующую передачу на другие ТД.

Данная сеть должна обрабатывать и передавать сообщения, но не только информационные сообщения между терминалами, но и служебные сообщения. Эти сообщения относятся к подсистеме сигнализации и отвечают за корректировку сценариев взаимодействия ТД и терминалов.

Информационная система – содержит в себе журналы статистики и активных абонентов и два регистра: услуг и сетевых настроек.

Буфер – промежуточное хранилище данных, содержит все данные, приходящие с терминалов. После заполнения буфера, ТД с помощью блока управления пересылает данные, требуемые терминалом.

Блок управления – организует работу ТД, контролирует передачу данных между абонентскими терминалами.

Сетевой контроллер – устройство, необходимое для объединения нескольких абонентских терминалов в сеть, а так же для подключения Internet.

Подсистема оперативных измерений - определяет параметры сети с точки зрения ее производительности, например уровень сигнала, оповещает подсистему управления, которая затем отправляет команду радиомодулю перестроиться на соответствующий профиль (статья 3).

        Таким образом можно сказать, что ТД это коммутатор, который обеспечивает управление каналом связи, а так же «направляет» все входящие сообщения по необходимым адресатам. ТД организует работу всей системы и реализует все этапы передачи данных от терминала к терминалу.



Рисунок 3. Блок-схема терминала.


Абонентский терминал - представляет собой собственно сам ПК и нескольких блоков осуществляющих прием и передачу данных:

Радиомодуль - так же как и в ТД представляет собой высокочастотный блок, приемо–передающее устройство, с помощью которого осуществляется соединение с ТД. Служит для приема данных с ТД и последующую передачу на другие ТД.

Информационная система – содержит: статистику (время работы абонента в сети, входящий и исходящий трафик); список предоставляемых услуг данному пользователю; сетевой адрес; индивидуальный ключ идентификации UID (логин и пароль); персональный идентификатор PID.

Блок управления - формирует запросы на передачу информации, принимает решение об изменение своего режима работы (активный/пассивный, в зависимости от поставленных задач пользователем). Является интеллектуальной составляющей терминала. Указывает адрес получателя и данные, необходимые для передачи.

Сетевой контроллер. Периферийное устройство, которое помогает в сопряжении абонентского оборудования  и других устройств терминала.

Блок подсистемы сигнализации  выполняет аналогичные функции, как и в системе точки доступа.

Терминал выполняет следующие задачи:

-формирование пакетов данных для передачи;

-формирование запроса на передачу и отправка его на ТД;

-формирование ответ для ТД 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 и демодуляция, кодирование и декодирование).

Модуляция применяется для переноса сигнала на радиочастоту. Кодирование необходимо, чтобы на приемной стороне была возможность борьбы с ошибками. Так производится перемежение для борьбы с пакетными ошибками. В ТД осуществляются те же самые преобразования.

Терминал, которому требуется передать данные, необходимо проверить  на занятость - прослушивание канала. Это будет осуществляться на физическом уровне, где определяется уровень сигнала и сравнивается с установленным пороговым значением. Если измеренный уровень больше порогового, передача откладывается. Передача будет возможна только в случае того, когда измеренное значение будет ниже порогового.

После передачи данных с ТД терминал отвечает о том, приняты ли данные. В случае успешной передачи данные из буфера ТД удаляются.

В   сети существует единственный широкополосный симплексный канал связи, который занимается только одним передающим устройством. Все остальные пользователи находятся в режиме ожидания освобождения канала связи. Исходя из этого,  следует, что все остальные терминалы могу переходить в пассивный режим для экономии энергии. Так же терминал переходит в пассивный режим после успешной передачи, пока ТД не  оповестит о готовящейся передаче и когда у самого терминала возникнет необходимость в передаче данных.


1.3. Определение и обоснование структуры информационной подсистемы сети. Выявление важнейших регистров подсистемы, пояснение необходимых информационных связей.


 Вся информация об абонентах, доступных услугах, статистика хранится в информационной системе ТД.


Рисунок 4. Блок-схема информационной системы точки доступа.

 

Данная система содержит две базы данных:

Регистрационная база данных абонентов сети хранит в себе информацию об абонентах, которым выданы конкретные терминалы и которые имеют возможность подключения к данной сети. Эти сведения так же включают в себя:

- персональный идентификатор терминала PID;

- данные пользователя, получившего в пользование терминал;

- индивидуальный ключ идентификации пользователя UID.

Журнал активных абонентов подразумевает собой базу данный, но в нем уже хранится информация об абонентах, подключенных к сети на данный момент времени. Эти сведения так же включают в себя:

- персональный идентификатор терминала PID;

- индивидуальный ключ идентификации пользователя UID, который пользуется терминалом в данный момент времени;

- временный идентификатор терминала TID, который присваивается ему на время подключения к сети.

Журнал статистики представляет собой набор информации о времени пребывания в сети абонента (время вхождения в сеть и время отключения от сети), входящий и исходящий трафик и идентификатор оборудования.

Регистр услуг – список предоставляемых услуг определенному терминалу ТД.

Регистр сетевых настроек – включает в себя настройки, которые необходимые для обеспечения услуг данной сети.

Терминал, так же как и ТД будет иметь свою собственную информационную систему.


Рис.5. Блок – схема информационной системы терминала.


Информационная система терминала схожа с информационной системой точки доступа.

Регистрационная база данных абонентов сети – будет включать список других абонентов сети, информацию об абонентах, список активных и не активных терминалов.

Собственная информация терминала – персональный идентификатор терминала, данные пользователя, индивидуальный ключ идентификации пользователя (логин и пароль), сетевой адрес

Журнал статистики – информация о времени вхождения в сеть, времени отключения от неё, входящий и исходящий трафик.

Регистр услуг – список предоставляемых услуг данному терминалу.

Регистр сетевых настроек – содержит в себе настройки, необходимые для обеспечения этих услуг.

 

 

Список используемой литературы:

1.      А.В. Бакке. «Лекции по курсу ССПО»

2.      Скляр Б. «Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение». - М.: Вильямс, 2003 г.

3.      Феер К. «Беспроводная цифровая связь», пер. с англ./под ред. В.И. Журавлева, М.: Радио и связь, 2000 г.

            4. http://www.xnets.ru/plugins/content/content.php?content.60