1.4. Описание иерархических моделей выделенных узлов сети и терминалов в соответствии с рекомендациями OSI. Краткий анализ необходимых уровней с обоснованием основных выполняемых задач. Оценка необходимости наличия сетевого и транспортных уровней в разрабатываемой системе.

 

Модель OSI описывает прохождение информации от одного абонента к другому через сеть связи. Данная модель представляется в виде иерархической структуры узлов и соединений, независящих от их физической и программной реализации, а также назначения передаваемой информации.

Сопоставим друг с другом эталонную модель OSI и разрабатываемую модель OSI:


Три верхних уровня классической модели OSI – прикладной, представительский и сеансовый – объединим в один уровень принятия решения. Этот уровень очень важен, так как выполняет функции мозгового центра сети. Основной задачей этого уровня является анализ, полученных с нижнего уровня, данных на основе которых формируется решение о дальнейших выполняемых действиях системой. Уровень принятия решений постоянно находится во взаимодействии с информационной системой и с каждым из уровней, он принимает решения о том, кому из пользователей предназначается тот или иной пакет, можно ли предоставить пользователям дополнительные каналы передачи данных, а так же принимает решение о возможности абонента использовать те или иные услуги. Решения принимаются исходя из специальных служебных полей пакетов, а также на основе сценариев взаимодействия точки доступа с терминалом, прописанных в информационной подсистеме.

Транспортный уровень обеспечивает приложениям верхнего уровня  доставку сообщений с необходимой степенью надежности, которая. осуществляет гарантированную доставку сообщений между приложениями верхних уровней двух сетевых узлов. В проектируемой нами системе гарантированная доставка будет означать получение соответствующего пакета подтверждения, а в случае неправильного приема или потери пакетов данных, необходимо сформировать запрос на повторную передачу данных. Однако, наша система не нуждается в наличии транспортного уровня, так как часть его функций делегируется на канальный уровень, а часть на уровень управления.

Сетевой уровень отвечает за маршрутизацию данных в процессе взаимодействия нескольких сетей. Сетевой уровень служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей. Основной задачей данного уровня является доставка пакетов сетевого уровня любому узлу сети, а так же маршрутизация – прокладка маршрута между узлами, и коммутация каналов. В проектируемой системе данные передаются от терминала к ТД и от ТД к терминалу, это простейший путь передачи данных и не требует сложных маршрутов, поэтому можно сделать вывод о том, что наличие сетевого уровня в разрабатываемой системе не требуется.

 

Рассмотрим канальный уровень.

 

Канальный уровень отвечает за организацию канала передачи данных, он «упаковывает» данные, полученные с физического уровня в пакеты. Протоколы канального уровня обеспечивают доставку сообщений только между узлами одной локальной сети. 

 

Канальный уровень подразделяется на 2 подуровня:

 

1.     подуровень адресации и формирования всех видов сообщений (MAC)

2.     подуровень управления доступом к физическому каналу связи (CAC).

 

MAC подуровень использует информацию о всех идентификаторах (таблицу маршрутизации) устройств, зарегистрированных в сети, за хранение которой отвечает информационная система. Это позволяет реализовать возможность службы адресации для передачи сообщений канальным уровнем. Также на МАС  подуровне происходит формирование нескольких типов пакетов:

- пакет запроса или пакет широковещательной информации;

- пакет данных и пакет подтверждения правильного приема сообщения.

Также на канальном уровне необходимо учесть возможность  обнаружения и коррекции ошибок. Надежность передачи обеспечивается в нашем случае путем фиксирования границ кадра, помещая специальную последовательность битов в его начало и конец, а затем добавляя к кадру контрольную сумму (CRC). Контрольная сумма вычисляется по некоторому алгоритму. На стороне получателя канальный уровень группирует биты, которые поступают  с физического уровня, в кадры, затем снова вычисляет контрольную сумму полученных данных и сравнивает результат с контрольной суммой, переданной в кадре. Если значения совпадают, кадр считается правильным. Если значения контрольных сумм не совпадают, фиксируется ошибка, и формируется запрос на повторную передачу поврежденного кадра Эта процедура , также как и служба адресации реализовывается на MAC подуровне.

САС подуровень реализует алгоритм доступа к каналу связи. В данной системе конкурентная борьба за канал связи осуществляется на основе метода CSMA (неустойчивого) (п. 1.5.2).

В общем случае структура пакетов канального уровня будет иметь следующий вид:


Поле Fl служит индикатором начала пакета. Поле адреса содержит адрес или идентификатор сетевого устройства, к которому осуществляется доступ.  Т.к. в системе используются пакеты различных типов (пакет данных, пакет подтверждения и т.д.), то информация о типе передаваемого пакета должна быть указана в соответствующем поле. Номер пакета необходим для того, чтобы вследствие получения ошибочных данных, терминал мог указать точке доступа, что повторную передачу данных нужно осуществлять с пакета под определенным номером. Поле данных содержит непосредственно передаваемые данные. Поле CRC служит для определения целостности пакета.

 

 

Рассмотрим физический уровень.

 

Физический уровень – это нижний уровень модели, необходимый непосредственно для передачи потока данных. На физическом уровне определяются правила взаимодействия двух сетевых устройств, соединенных друг с другом. Этот уровень реализует физическое соединение двух сетевых устройств по соединению точка- точка. В данной системе физический уровень предназначен для передачи потока данных от терминала к точке доступа и наоборот. Реализация физического уровня – аппаратная, с единицей сообщения бит (символ).

 

Параметры функционирования системы, выполняемые физическим уровнем:

 

1.                Вид модуляции. Модуляция предназначена для переноса сигнала на заведомо известную несущую частоту и для дальнейшей передачи его по радиоканалу.

2.                Тип кодирования. Кодирование требуется для обнаружения и исправления ошибок, возникающих при передаче, путем добавления избыточности в информационную последовательность. В данной системе будем использовать сверточное кодирование. Сверточное кодирование является мощным средством борьбы с одиночными ошибками, но не обеспечивает их обнаружения. Решить эту проблему можно путем применения прямой коррекции ошибок (Forward Error Correction - FEC) или предоставить это канальному уровню, так как на канальном уровне происходит подсчет контрольных сумм. Скорость кодирования будем выбирать исходя из необходимого вида модуляции и скорости передачи данных.

3.                Осуществление перемежения.  Оно применяется для борьбы с замираниями и возникновением связанных с ними пакетов ошибок. Суть перемежения в том, что происходит перестановка символов кодированной последовательности до ее модуляции и восстановлении исходной последовательности после демодуляции.

4.                Обеспечение синхронизации, необходимой для того, чтобы передающий узел данных мог передать сигнал принимающему узлу, а принимающий узел знал, когда начать прием поступающих данных. Наиболее важным типом синхронизации для сети является частотная синхрониза­ция (ЧС). Она означает, что все генераторы сети работают с одинаковой частотой, скорость передачи цифровой информации равна скорости приема, в результа­те в системе связи нет потерь информации. Временная синхронизация (ВрС) или синхронизация по времени предусматривает, что все устройства в сети имеют единое время. Следует отметить, что ВрС представляет собой совершенно независимую от частотной синхронизации задачу. В данной сети синхронизация осуществляется с помощью добавления преамбулы к передаваемому сообщению. 

5.                 Сборка/разборка пакетов.  Это блок будет осуществлять накопление битов в блоки.

6.                Устранение интерференции.  Для борьбы с многолучевостью будем использовать технологию OFDM модуляции/демодуляции.

Таким образом, структура описанных выше уровней будет выглядеть следующим образом:

 

1.5. Проработка задач верхнего уровня.

 

1.5.1. Определение и краткая характеристика возможных режимов работы абонентского терминала, отражающих решения выполненных ранее п.1.1-1.3. Проработка понятия сеанса соединения, возможные атрибуты соединения. Анализ способов обеспечения энергосбережения.

 

Режим регистрации. После включения абонентского оборудования происходит поиск сигнала сети. Из широковещательного сигнала выделяется идентификатор сети. Если никакая сеть не будет найдена, то терминал перейдет на определенное время в режим «сон», а затем снова осуществит поиск сети. При выделении «родного» идентификатора терминал передает заявку регистрации. Регистрация происходит на основе конкурентной борьбы. Прежде чем отправить запрос на предоставление канала связи, каждый терминал осуществляет контроль качества канала связи, на основе работы подсистемы радиоизмерений, и определяет необходимый профиль функционирования. Информацию о своем профиле терминал передает вместе с запросом по каналу вызова RACH. Точка доступа также осуществляет контроль качества канала связи. На основании принятых запросов, точка доступа формирует пакет оповещения, в котором в частности содержится информация о выбранном для передачи данных профиле функционирования систем, и передает его терминалу, выигравшему борьбу за канал. Проигравшие терминалы переходят в режим «сон» на время передачи данных. Выигравший терминал осуществляет передачу своего уникального идентификатора ID терминала. Точка доступа сравнивает полученный идентификатор с тем, который записан в ее регистре идентификаторов. Если такой идентификатор есть, то точка доступа должна отправить терминалу  сигнал подтверждения регистрации. Если терминал такого сигнала не получает, то он вновь осуществляет поиск сети. При успешной регистрации терминал записывает в свою память идентификатор сети ID ТД, который необходим для последующего доступа в сеть без прохождения процедуры регистрации. 

После успешного вхождения в сеть, терминал может работать в следующих режимах:

Режим передачи – в данном режиме начинается непосредственная передача данных, в случае «победы» в конкурентной борьбе. При ошибке точка доступа отправляет запрос на повторную передачу.

Режим приема – режим приема данных. Точка доступа переводит терминал из спящего режима в режим приема, когда есть данные для передачи этому терминалу.

Спящий режим – режим пониженного энергопотребления. В этом режиме терминал не выполняет никаких задач. Из данного режима терминал выходит при передаче и при приеме. Через определенный интервал времени терминал «просыпается» и прослушивает канал. Если данных для него нет, то он вновь переходит в спящий режим. Если есть, то переходит в режим приема. Таким образом, терминал будет «просыпаться» каждый раз, через определенный интервал времени.

Рассмотрим подробнее режим энергосбережения. Работа в режиме сниженного энергопотребления осуществляется путем работы с широковещательными пакетами, при котором  интервал прослушивания определяется точкой доступа и объявляется в ее сигнальных пакетах. В них содержится служебное сообщение такого рода, как «Терминал №… просыпайтесь, для Вас есть сообщение». Терминал выходит из «спящего» режима, принимает предназначенные ему данные и снова переходит в спящий режим.

Режимы работы представлены в целостной диаграмме состояний терминала (п.1.5.4.).

 

 

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

 

Как уже было сказано, в данной системе конкурентная борьба за канал связи осуществляется на основе метода CSMA (неустойчивого), суть которого заключается в том, что если канал связи занят, то перед следующим «прослушиванием» канала связи терминалом выжидается случайный интервал времени.

Рассмотрим более подробно. Для получения доступа к физическому каналу в проектируемой сети, терминалу необходимо захватить общий канал на время передачи данных.

После включения точки доступа, она начинает излучать широковещательную информацию о сети по широковещательному каналу BCCH, включающую сетевой идентификатор, предназначенную всем терминалам и содержащую: «Канал связи свободен». Терминалы, зарегистрированные в сети, приняв эту информацию, вступают в конкурентную борьбу  за канал передачи данных по каналу случайного доступа RACH. Далее точка доступа производит распределение канального ресурса между теми терминалами, от которых был получен запрос на его предоставление. В своем запросе, каждый терминал указывает, сколько ему необходимо времени для передачи. На основании принятых запросов, точка доступа формирует пакет оповещения, который передает всем терминалам по каналу разрешенного доступа AGCH. Пакет оповещения включает в себя идентификатор терминала, выигравшего борьбу за канал и время передачи данных этим терминалом, чтобы все остальные терминалы смогли перейти в спящий режим на этот интервал времени. Точка доступа накапливает принятые данные в своем регистре, затем в момент времени она осуществляет рассылку данных для необходимых терминалов, находящихся в пассивном режиме. После осуществления передачи данных по каналу трафика TCH, терминал должен получить соответствующий пакет подтверждения. Если такого пакета он не получает, то необходима повторная передача. Тогда терминал на общих основаниях снова «включается» в конкурентную борьбу с другими терминалами и сценарий повторяется заново (рис.4)

В проектируемой сети, в адаптивном изменении скорости нет необходимости, так как для передачи данных одного терминала используется весь канал связи, и поэтому скорость передачи данных будет приемлемой.


(В виду того, что рис.4. имеет большой размер и многие "нюансы" могут не просматриваться, в приложенных файлах имеется более читабельная версия.)



1.5.3. Проработка сценариев взаимодействия абонентских терминалов с базовой станцией (точкой доступа) или другими терминалами сети в каждом режиме работы. Определение необходимых для взаимодействия идентификаторов и широковещательных параметров сети.

 

Сценарии взаимодействия подвижной станции и терминала в основных режимах работы.

1.     Режим регистрации.



 






Когда терминал находится в спящем режиме, возникает проблема принятия сигналов от ТД. Решением этой проблемы является периодическая активация терминала для принятия сигналов от ТД. Об этих сигналах ТД сообщает терминалу, что для него информация. В буферах ТД накоплены сообщения для терминала – осуществляется передача.

Интервал «пробуждения» терминала задается самостоятельно. Активируясь, терминал связывается с ТД и сообщает с каким интервалом будет прослушивать канал связи. Пока терминал находится в спящем режиме, данные для него записываются и хранятся в буфере ТД. Так же после получения подтверждения терминал либо переходит в пассивный режим, либо принимает решение о повторной передаче. Далее на общих основаниях осуществляет доступ к каналу связи.

При описании режимов работы терминала не оговаривался режим завершения сеанса связи. Конечно, можно было бы ввести в схему функционирования специальный сигнал, которым терминал оповещал бы точку доступа, что покидает сеть, но в этом нет необходимости. Точка доступа сама принимает решение о выходе терминала из сети. Такое решение принимается в двух случаях:

1) терминал самостоятельно покинул сеть;

2) терминал потерял связь с точкой доступа.

Для точки доступа эти две причины аналогичны, и в обоих случаях она автоматически принимает решение о выходе терминала из сети. Выход терминала из сети осуществляется простым выключением питания.

 

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




Список используемой литературы:

 

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

2.                А.А. Зайцев. «Лекции по курсу ОТССПО».

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

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

5.                Функции канального уровня модели OSI.

6.                Современные телекоммуникации.

7.                Системы радиосвязи SAGA.

8.                Беспроводные сети. Современное состояние и перспективы развития.

9.                КП на тему "Локальная радиосеть" п. 1.1-1.3 (часть №1)