1.4. Построение иерархической модели разрабатываемой системы в соответствии с рекомендациями OSI. Краткий анализ необходимых уровней и подуровней модели с обоснованием основных выполняемых задач. Оценка необходимости наличия сетевого и транспортных уровней в разрабатываемой системе.

Опишем проектируемую систему радиотелефонной связи с точки зрения её построения через эталонную модель OSI. Верхние уровни модели, а именно: прикладной, представительский и сеансовый, объединим в один уровень – уровень принятия решений. Здесь закладываются всевозможные сценарии взаимодействия базовой станции (БС) и терминала (Т), в том числе и вопрос о выделении абоненту канального ресурса. Уровень принятие решений реализован в виде специализированных программных алгоритмов Центра Коммутации.

Следующий уровень в иерархии  - транспортный. Он обеспечивает надежный механизм обмена данными, контролирует отсутствие ошибок в принимаемых данных, расположение пакетов в соответствующем порядке, их полноту[1].  Учитывая относительную простоту системы, связанную  в большей мере с небольшим количеством обслуживаемых абонентов, в нашей системе эти функции делегируются на канальный уровень, поэтому транспортный уровень реализоваться не будет.

Рассмотрим ещё один уровень модели OSI – сетевой уровень. Основные задачи этого уровня – выбор маршрутов пересылки пакетов данных, а так же управление их потоками в процессе взаимодействия нескольких сетей.  В нашей системе используется одна простая сеть, следовательно, сетевой уровень в проектируемой системе не затрагивается.

Рассмотрим подробно два основных уровня модели OSI  - канальный и физический.

Основной задачей канального уровня является установление, проведение и прекращение соединения. Базовая станция по каналу BCCH передает широковещательную информацию всем терминалам, находящимся в пределах её зоны обслуживания. Мобильный терминал по каналу RACH передает запрос на проведение сеанса связи. После рассмотрения запроса, на основании решения о предоставлении/отказе абоненту, БС выделяет пользователю свой фиксированный физический канал для передачи голосовых сообщений. Отметим, что канальный уровень оперирует сообщениями двух видов – служебное сообщение и сообщение канала трафика.  Последнее, пройдя через  канальный уровень без изменений, выдается абоненту.

В функции канального уровня так же входит обнаружение и исправление ошибок. Замечу, что в концепции рассматриваемой системы исправление ошибок по методу ARQ не представляется возможным, так как пакеты сообщений в радиотелефонии передаются в режиме реального времени.

Физический уровень – нижний уровень модели OSI. Обеспечивает установление и управление физическим каналом. Реализует механические, электрические, функциональные и процедурные аспекты взаимодействия двух сетевых устройств. Основной задачей ФУ является надежная передача потока битов, поступающего с верхнего (канального уровня).

Рассмотрим обеспечение на физическом уровне  следующих задач:

Реализация метода доступа к среде. Существуют различные способы доступа к физической среде. Например, с кодовым разделением каналов (CDMA), частотным разделение каналов (FDMA), временным разделением каналов (TDMA).

Исходя из технического задания, в проектируемой системе необходимо использовать минимально возможный диапазон частот, следовательно, метод FDMA не применим в данной системе. При TDMA физическим каналом является временной слот с определенным номером, которому отводится определенный сеанс связи. Для реализуемой радиотелефонной системы он наиболее выгоден, остановим свой выбор на данном методе доступа к среде. 

Модуляция и демодуляция. Для использования в качестве средства передачи радиоинтерфейс, необходимо наличие модулятора/демодулятора, обеспечивающего при этом как можно меньшую занимаемую полосу частот и необходимую достоверность. 

Синхронизация. Для реализации синхронизации в системе будем использовать фазовую автоподстройку частоты (ФАПЧ). 

Восстановление параметров радиосигнала (устранение интерференции). Для устранения многолучевости и интерференции в проектируемой системе будем использовать эквалайзер, опирающийся на передаваемую настроечную последовательность, добавляемую в специальное поле пакета ФУ. 

Для борьбы с пакетами ошибок в системе есть простой, но эффективный способ, не вносящий избыточности и передаваемое сообщение. Это перемежение. В общем случае, выбор глубины перемежения зависит от двух факторов. С одной стороны, чем больше расстояние между соседними символами, тем большей длины пакет ошибок может быть исправлен. Но, чем больше глубина перемежения, тем сложнее аппаратно-программная реализация оборудования и больше задержка сигнала. В нашей системе в связи с относительно небольшими расстояниями передачи (по условию, заданному в ТЗ, радиус зоны обслуживания составляет  800м) и малой вероятностью возникновения пакетов ошибок, целесообразно использовать относительно не глубокое перемежение.

Для повышения достоверности передачи данных путем устранения битовых ошибок будем использовать модуль помехоустойчивого кодирования (FEC). 

В проектируемой системе целесообразно использовать кодеки с высокой степенью сжатия речи при ограниченной полосе.  Остановлю свой выбор на кодеке G.723.1, использующем технологию кодирования речевой информации, сокращённо называемую – MP-MLQ (Multy-Pulse – Multy Level Quantization – Многоуровневая Импульсная, Многоуровневая Квантизация). Его можно охарактеризовать, как комбинацию  АЦП\ЦАП и вокодера. Применение вокодера позволит снизить скорость передачи данных в канале[2].

Получившаяся иерархическая модель разрабатываемой системы, в соответствиями с рекомендациями OSI представлена на рис.1.

                                                                                            Рис.1. Разработанная модель OSI.

1.5  Проработка задач верхнего уровня. 

1.5.1 Определение и краткая характеристика возможных режимов работы  абонентского терминала.  Проработка понятия сеанса соединения, возможные атрибуты соединения. Анализ способов обеспечения энергосбережения. 

 Необходимо определиться, в каких режимах будет функционировать абонентский терминал. Один из режимов работы терминала  – активный. Это режим, в котором происходит непосредственный обмен пакетами сообщений между БС и мобильным терминалом. Рассмотрим подробнее функционирование абонентского терминала в свободном режиме (IDLE). 

В свободный режим абонентский терминал переходит  после включения,  и начинается процедура выбора сети.Выбор может осуществляться в автоматическом и ручном режимах.  При автоматическом поиске  терминал старается найти несущую BCCH той сети, в которой он была зарегистрирован до момента выключения. Если сеть не найдена, то осуществляется поиск сети из списка, сохраненного в прошивке. Если после проведенных процедур сеть так и не найдена, то терминал сканирует все доступные частотные каналы с целью поиска несущих BCCH. После выбора  сети МС из двух доступных сот определяет наиболее подходящую, исходя из определения уровня принимаемого сигнала.  После выбора соты следует операция перевыбора соты или выполнение процедуры обновления местоположения. Перевыбор соты осуществляется постоянно по завершению процедуры выбора соты с целью отслеживания МС сетью. МС постоянно сканирует уровень BCCH обеих. Обновление местоположения осуществляется с целью уведомления сети об изменении статуса терминала (включен/выключен) и с целью обновления местоположения. По окончании процедуры выбора соты МС должна заявить о себе, то есть осуществить нормальную процедуру обновления местоположения. Она заключается в следующем:  МС передает запрос на регистрацию в сети, то есть на предоставление ему индивидуального физического канала для передачи информации по каналу случайного доступа  RACH. БС, приняв по каналу RACH заявку от терминала, в случае ее одобрения резервирует для сеанса связи с текущим терминалом индивидуальный физический канал и по каналу разрешенного доступа AGCH передает терминалу номер выделенного индивидуального канала. После этого текущий терминал перестраивается на выделенный канал и освобождает канал RACH для других терминалов. Далее, по каналу SDCCH МС передает БС свой идентификатор. БС ищет полученный идентификатор в списке идентификаторов абонентов, находящимся в информационной подсистеме БС (состав информационной подсистемы базовой станции рассмотрен в п.1.2). Если такой идентификатор есть, то БС должна отправить терминалу сигнал подтверждения регистрации. Если терминал такого сигнала не получает, то он вновь осуществляет поиск сети.  После окончания процедуры регистрации МС переходит в режим IDLE [3].

Очевидно, что большую часть времени терминал, как правило, находится именно в свободном режиме, тем самым обеспечивая энергосбережение.

1.5.2. Пояснение способа организации доступа к физическому каналу. Разработка и пояснение способа адаптивного изменения скорости передачи данных.

В концепции проектируемой системы очевидно, что каждому пользователю при запросе на проведение услуг связи будет предоставляться свой физический канал с определённой пропускной способностью. Но, возможны ситуации, когда сразу несколько пользователей посылают запрос на БС, то есть на физический канал могут одновременно претендовать несколько «желающих», следовательно, необходима реализация алгоритма множественного доступа – предоставление физических каналов по требованию.  

Проанализируем поведение «участников» данной ситуации. Рассматривается случай, когда несколько терминалов одновременно узнали номер канала RACH и пытаются сделать по нему заявку к БС. Передаваемые блоки данных от разных терминалов в данном случае «смешиваются», накладываются друг на друга и возникают коллизии. Чтобы их избежать, применим в системе алгоритм множественного доступа к каналу RACH. В условиях нашей системы, когда по каналу RACH передаются очень короткие прерывистые заявки на предоставление индивидуальных каналов, целесообразнее всего использовать метод  ALOHA, основанный на следующем сценарии. Пусть два терминала одновременно решили сделать заявку к БС и одновременно захватывают канал RACH , отправляя по нему заявку. После отправки заявок оба терминала следят за каналом AGCH и ждут подтверждения от БС принятия заявки. При этом, базовая станция не смогла правильно принять ни одну заявку из-за возникших коллизий и ничего не отвечает терминалам по каналу AGCH. Не получив положительного ответа, терминалы выжидают в течение случайного времени и снова пытаются сделать заявку. Если время ожидания терминалов оказывается разным, то коллизий в канале RACH не возникает, а следовательно БС  реагирует на запросы каждого терминала положительным ответом и выделяет каждому терминалу запрашиваемый канал связи.

Как было описано ранее, при ведении сеанса связи ведется оценка качества КС. Если обеспечивается хорошая помехозащищенность, то скорость передачи данных будет возрастать. Если же при проведении мониторинга заметно ухудшение качества канала связи, необходимо снижать и скорость передачи.

1.5.3.  Проработка сценариев взаимодействия  абонентских терминалов с БС.  Определение необходимых для взаимодействия идентификаторов и широковещательных параметров сети.

При необходимости проведения соединения между БС и мобильным терминалом в целях предоставления пользователю сети основной или дополнительной услуги, сценарий взаимодействия абонентского терминала и БС будет выглядеть следующим образом. МС посылает запрос на предоставление индивидуального физического канала по каналу случайного доступа  RACH.  В ответ базовая станция отправляет подтверждение по каналу AGCH,  включающее номер SDCCH.  Далее , необходимо осуществить процедуру аутентификации мобильного терминала. По её завершению БС запрашивает номер вызываемого абонента и код услуги, которую необходимо предоставить. Результатом выполнения рассмотренных процедур является передача по каналу TCH пакетов голосовых сообщений (в случае, если запрошена дополнительная услуга – передача короткого текстового сообщения). 

Рис.2.  Сценарий взаимодействия  абонентского терминала с БС.

На основании рассмотренного сценария определены необходимые идентификаторы и широковещательные параметры сети. 

После того, как произошло включение  терминала, им осуществляется  поиск  «своей» сети. Следовательно, необходимо, чтобы БС передавала широковещательную несущую в составе BCCH. После выбора  сети МС из доступных сот определяет наиболее подходящую, исходя из определения уровня принимаемого сигнала. При регистрации МС передает на базовую станцию  запрос на регистрацию вместе со своим идентификатором. Следовательно, при взаимодействии МС и БС  необходимо использование идентификатора терминала. Для того, чтобы БС смогла организовать вызов от абонента, необходимо знать абонентский номер вызываемого абонента. Сеть запрашивает номер вызываемого абонента и код запрашиваемой услуги в этом случае.

1.5.4. Построение целостной диаграммы состояний терминала, отражающей рассматриваемые сценарии.

Рис.3. Диаграмма состояний абонентского терминала.

Список используемой литературы:

1. http://www.telcomnet.ru. Статья - общая характеристика модели OSI.

2.  http://www.ixbt.com/comm/ip-aspects.html. статья - некоторые аспекты IP-телефонии.

3. Лекции и слайды по курсу ССПО.

4. http://omoled.ru/publications/view/290. Компактная система радиотелефонной связи. 1 этап.