1.1 Анализ поставленной задачи и исходных данных, выявление особенностей работы системы. Краткое описание концепции функционирования системы связи на основе проведенного анализа. Определение списка основных и дополнительных услуг системы, предоставляемых пользователям.

Целью данного курсового проекта является разработка компактной системы радиотелефонной связи. Система предназначается для обеспечения беспроводной связи небольшого числа абонентов в пределах ограниченной территории.

Разрабатываемая система должна отвечать основным требованиям, а именно:

·         минимально возможная мощность излучения абонентской станции;

·         минимальный диапазон используемых частот;

·         возможность адаптивного изменения мощности частот.

Кроме вышеперечисленных также задаются следующие требования к проектируемой системе: количество абонентов в сети не должно превышать 30; радиус зоны обслуживания составляет 1 км. Тип местности, для которой необходимо спроектировать сеть, является городская застройка. Кроме того, вероятность отказа обслуживания должна составлять не более 10%, а вероятность ошибки на бит  - не более 2*10-6. Согласно ТЗ необходимо выбрать модель предсказания потерь в соответствии с рекомендациями МСЭ.

Так как радиус зоны обслуживания составляет 1 км в условиях городской застройки, то в качестве модели предсказания потерь можно выбрать модель Окамура-Хата (по рекомендациям Международного Союза Электросвязи)[1].

Модель основана на результатах экспериментальных исследований, выраженных в графиках измерений напряженности поля радиосигналов (кривые Окамуры), на основании которых М. Хатой были получены эмпирические формулы. Данная модель характеризуется следующими ограничениями: расстояние между приемником и передатчиком от 1 км до 100 км, высоты передающей и приемной антенны не более 200 м и 10 м соответственно. Модель вполне соответствует вышеуказанным требованиям.

В качестве примера разрабатываемой системы радиотелефонной связи рассмотрим связь между сотрудниками торгового центра, которые покидают помещение по служебным обязанностям (например, охранники). Следовательно, основное назначение разрабатываемой системы - это прием/передача речевого трафика между абонентами мобильных станций. В качестве дополнительных услуг можно рассмотреть обмен текстовыми сообщениями между терминалами.

 По своей конфигурации беспроводные сети передачи данных могут быть структурированными и децентрализованными (Ad Hoc). Сеть  Ad Hoc подразумевает под собой сеть произвольной топологии, состоящую из беспроводных терминалов, где функции выделенных узлов выполняют сами терминалы. В результате каналы связи, образуемые при данной конфигурации сети, имеют динамически меняющуюся пропускную способность. В рамках данной работы каждому абоненту необходимо выделять физический канал с гарантированной пропускной способностью (не менее, чем задано речевым кодеком). Так как сеть Ad Hoc не может это обеспечить, то выберем структурированную конфигурацию сети, которая обладает стационарной инфраструктурой[2].

Основным элементом разрабатываемой системы является сервер телефонии или АТС. В рамках этого проекта будет использоваться технология VoIP, обеспечивающая передачу речевого сигнала по сети Internet. Сигнал по каналу связи передается в цифровом виде и, как правило, перед передачей сжимается с тем, чтобы удалить избыток информации (для чего используются различные речевые кодеки, к примеру, G 723.1, обеспечивающий скорость сжатого потока 6,4 кбит/с и степень сжатия, равную 10). Из всех широко распространенных в настоящее время VoIP-протоколов наиболее подходящим для данной системы связи является SIP, так как он представляет собой протокол сеансового установления связи, обеспечивающий передачу голоса и сообщений систем мгновенного обмена сообщений. АТС через БС осуществляет установку соединения между абонентами внутри сети, выполняет функции маршрутизации вызовов, управления вызовами, также АТС используется для осуществления взаимодействия БС между собой. АТС представляет собой ПК с установленным на нем программным обеспечением для организации  IP-телефонии. Наиболее известным серверным ПО является Asterisk [3].   

Для того, чтобы АТС имела доступ к терминалам, необходимо радиооборудование, реализованное на БС. БС по своему существу представляет собой коммутатор, который осуществляет соединение между подвижными терминалами и сервером телефонии. Таким образом, связь между АТС и БС осуществляется по протоколу  SIP, а между БС и терминалом по радиоинтерфейсу. Сеть, включающая несколько базовых станций, каждая из которых обслуживает небольшую площадь, будет охватывать всю необходимую территорию. К тому же такая структура позволяет в случае выхода из строя одной базовой станции за счет адаптивного изменения мощности передачи компенсировать временную неработоспособность одной из станций. 

Сотовую структуру подвижной связи можно рассматривать как систему массового обслуживания (СМО) типа М/М/n/0, где М – входной и выходной пуассоновский потоки, n – число каналов, 0 – число мест в очереди. Пусть СМО состоит из двух сот, каждая из которых использует nc физических каналов. Пусть каждый абонент делает в среднем один вызов в три минуты, то есть λ=0,3 вызов/мин, а среднее время разговора Т=0,5 мин. Тогда интенсивность трафика будет равна

 ρ1 = λ*Т = 0,3*0,5 = 0,15 (Эрл) .                                                  (1)

Число абонентов, которые могут быть обслужены в пределах одной соты, определяется как

Lсот  =  ρс/ ρ1.                                                                                 (2)

Необходимо подобрать такое значение количества физических каналов nc, чтобы при заданной вероятности отказа в обслуживании(10%) значение трафика на одну соту ρс  не превышало 4.5, иначе число абонентов, которые могут быть обслужены в пределах одной соты, будет превышать общее количество абонентов в сети.

По таблице Эрлангов [4] находим, что при количестве физических каналов nc=6 и вероятности отказа в обслуживании Р0=10% значение трафика на одну соту ρс=3.7584. Подставив это значение ρс в (2), получим, что число абонентов, которые могут быть обслужены в пределах одной соты, составляет

Lсот = 3.7584/0.15 = 25.056 (абонентов).

Исходя из расчета можно сделать вывод о том, что каждая из двух БС должна реализовывать по 6 физических каналов. Тогда необходимая вероятность отказа обслуживания будет обеспечена[5].


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

            Для взаимодействия между уровнями OSI необходимо ввести индивидуальный идентификатор физического уровня и идентификатор транспортного уровня. Каждому терминалу соответствует уникальный идентификатор, представляющий собой код, который содержит в себе информацию о дате производства терминала, порядковый номер терминала. Он служит для идентификации устройства в сети. Для регистрации и пользования услугами сети каждому абоненту производится прошивка терминала. В прошивке содержится абонентский идентификатор, четырехзначный цифровой PIN-код  и номер абонента. Абонентский идентификатор необходим для того, чтобы БС распознавала абонента именно этой сети и разрешала пользование ее услугами. Номер абонента является уникальным внутри данной сети. PIN-код, который знает исключительно абонент, необходим для того, чтобы в случае утери терминала случайный пользователь не смог воспользоваться услугами сети. Также необходима идентификация БС при обслуживании терминалов (ID) и при обслуживании автоматической телефонной станцией (IP).

Рассмотрим схему функционирования системы. При включении абонентского терминала производится попытка обнаружения БС. Затем терминал выбирает БС с наилучшим показателем ОСШ и производит попытку регистрации в сети. После успешной регистрации терминал готов к пользованию услугами данной сети. Для связи с другим терминалом пользователь выбирает номер абонента, с которым хочет осуществить соединение, из записной книжки, являющейся составной частью информационной подсистемы терминала. При наличии  свободных физических каналов и при ненулевом балансе счета абонента БС проверяет свободен ли вызываемый абонент, в противном случае БС отказывает в обслуживании терминала. Если вызываемый абонент уже осуществляет соединение с другим терминалом, то вызывающему терминалу будет передан сигнал «Занято». Если же вызываемый абонент свободен, то соединение между ними состоится. В режиме ведения разговора МС и сеть непрерывно проводят мониторинг. БС посылает терминалу уведомление увеличить/уменьшить уровень мощности в случае, если МС слишком далеко/близко от БС соответственно. На основании вышесказанного можно выделить следующие функции БС и МС.

Основные функции, возлагаемые на БС:

  •          организация доступа терминала к сети (для того, чтобы абонент смог воспользоваться услугами данной сети, терминал должен пройти процедуру регистрации в сети);
  •          передача и прием сообщений (вызовы от терминала пересылаются на БС, а та в свою очередь передает управление вызовами АТС );
  •          предоставление дополнительных услуг (в данной системе это обмен мгновенными текстовыми сообщениями);
  •          синхронизация всех терминалов в зоне радиопокрытия;
  •       реализация сценариев соединения;
  •       мониторинг;
  •       контроль качества канала связи (контроль на соответствие QoS) (в случае несоответствия произойдет передача обслуживания посредством АТС );
  •       выделение списка активных абонентов (необходим для того, чтобы БС знала какие терминалы находятся в состоянии "включен" );
  •      буфер хранения сообщений в случае временной недоступности адресата (для текстовых сообщений).
Блок-схема БС представлена на рис. 1.

Рисунок 1. Блок-схема БС.

Основные функции, возлагаемые на терминал:

  •   реализация сценариев соединения;
  •  передача/прием сообщений;
  •  мониторинг;
  • контроль качества канала связи (контроль на соответствие QoS);
  • синхронизация с сетью ( для осуществления связи в реальном масштабе времени);
  • отображение коротких сообщений (необходим пользовательский интерфейс).

Блок-схема терминала представлена на рис. 2.


Рисунок 2. Блок-схема терминала.

Таким образом, были выявлены схема функционирования сети, функции БС и терминала, а также произведено обоснование наличия идентификации выделенных узлов системы связи.

1.3  Определение и обоснование структуры информационной подсистемы сети. Выявление важнейших модулей информационной подсистемы и пояснение необходимых связей модулей.

В составе как терминала, так и БС имеется информационная подсистема, представляющая собой базу данных. Рассмотрим информационную подсистему БС (рис. 3).


Рисунок 3. Информационная подсистема БС.

Каждая БС сети имеет журнал абонентских идентификаторов, принадлежащих к данной сети. Он является общим для всех БС, чтобы любой абонент этой сети мог пройти регистрацию на любой БС без каких-либо неудобств. Естественно на каждой БС должен быть журнал абонентских номеров, которые смогут пользоваться услугами данной сети, чтобы не произошло несанкционированного доступа к системе. Кроме того абонентскому номеру ставится в соответствие личные данные абонента. Как в первый, так и во второй журналы изменения будут заносится при вводе в эксплуатацию нового терминала.  Перед тем, как терминал  захочет осуществить соединение, он выбирает БС с наиболее высоким уровнем сигнала. БС должна сообщить системе, что собирается обслужить данного абонента. Поэтому необходим идентификатор БС. Информационная подсистема БС также должна содержать список услуг, которыми может воспользоваться конкретный абонент. 

Далее рассмотрим информационную подсистему терминала (рис. 4).


Рисунок 4. Информационная подсистема терминала.

Для того, чтобы абонент мог осуществить соединение с любым из абонентов, принадлежащих к данной сети, терминал должен включать в себя записную книжку, содержащую абонентские номера  всех терминалов данной компактной системы радиотелефонной связи. Каждый абонент имеет право пользоваться только определенным набором услуг, предоставляемых сетью. Поэтому информационная подсистема терминала должна включать в себя информацию о видах услуг (дополнительных и основных), которые предоставляются определенному терминалу. Услуги имеют различную тарификацию. Необходимо, чтобы информация о ней была заложена в информационной подсистеме терминала. Напомним, что предоставление услуг терминалу осуществляется только в случае ненулевого баланса счета.

В рамках выполнения данного пункта задания на курсовой проект были рассмотрены необходимые составляющие информационной подсистемы сети.

Список использованной литературы:

1. Prediction methods for the terrestrial land mobile service in the VHF and UHF bands // Recommendation ITU-R P.529-3. Geneva: ITU, 1999  

2. А.В. Бакке Лекции по дисциплине "Системы и сети связи с подвижными объектами"

3. Статья "VoIP"

4. Ю.А. Громаков. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. - М.: "Эко-Трендз", 1998. стр. 59

5. С.Л. Соколов Лекции по дисциплине "Основы теории массового обслуживания"