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.

    Любые сколь угодно сложные телекоммуникационные системы разрабатываются в соответствии с моделью OSI (Open System Interconnection) (рис. 1). Модель практически любой СПР представляет собой многоуровневую иерархическую структуру. Каждый уровень системы предназначен для выполнения ряда задач. Решением каждой задачи в пределах уровня занимаются службы. Доступ к сервису текущего уровня возможен со стороны вышележащего уровня. 

Рисунок 1. Иерархическая структура: а) эталонная модель OSI, б) разрабатываемая модель
    Рассмотрим концепцию построения сети в соответствии с моделью OSI для разрабатываемой системы. 
    В данной модели (рис. 1, б) уровень принятия решений объединяет в себе прикладной, представительский и сеансовый уровни эталонной модели (рис. 1, а). Это интеллектуальный центр системы, который является уровнем управления. Он оперирует  данными информационной системы и принимает решение на основе анализа данных, полученных с нижнего уровня, о дальнейшей работе системы - в частности, о выборе профиля. Соответственно на этом уровне используются 2 типа сообщений: сообщения канала трафика и сообщение канала управления
    На данном (третьем) уровне выполняются 2 задачи: задача управления радиоресурсами (формирование сообщений) и задача управления мобильностью (включает все необходимые ветви сценариев АР и Т). Данные, подлежащие передачи, подвергаются фрагментации на уровне управления. Размер каждого фрагмента соответствует пропускной способности канального уровня. Данный уровень, в свою очередь, является потребителем сообщений канала сигнализации, содержащих информацию об ухудшении качества передачи данных, то есть об увеличении битовой ошибки с определенного момента времени. Уровень принятия решений формирует сообщение управления о перестройке на другой профиль (например с другим видом модуляции и/или кодирования) и отправляет на устройство физического уровня. Такое же сообщение получает и передающее устройство, для которого оно является сообщением сигнализации. Осуществляется повтороная передача данных после перехода принимающего и передающего устройств на другой профиль.
    Транспортный уровень модели предназначен для обеспечения надёжной передачи данных от отправителя к получателю [2]. Передача является успешной, если было получено соответствующее подтверждение, иначе - необходимо сформировать запрос на повторную передачу данных. Службы транспортного уровня ранжируются  по уровню качества предоставления услуг:
  1. срочность доставки; 
  2. возможность восстановления прерванного соединения;
  3. наличие средств мультиплексирования нескольких соединений через 1 транспортный канал;
  4. способность к обнаружению и исправлению ошибок.
В данной системе транспортный уровень не требуется, так как часть его функций выполняет канальный уровень, а часть - уровень управления.

    Сетевой уровень  служит для образования единой транспортной системы, объединения нескольких сетей. Основными задачами уровня являются доставка пакета/сообщения сетевого уровня любому узлу сети и маршрутизация (ядро сетевого уровня) [1].
    В разрабатываемой системе  пакеты предаются внутри сети по простейшему типу связи "точка-точка", поэтому сетевой уровень со сложной системой маршрутизации не требуется 

    Канальный уровень определяет функции, отвечающие за организацию канала передачи данных: установление, обеспечение работоспособности и прекращение адресного и неадресного соединения. Информационной единицей передачи сообщений является пакет битов. На данном уровне выполняется сборка/разборка сообщений канального уровня. Второй уровень оформляет эти пакеты в свой собственный формат, подразумевая наличие адресных полей, полей начала и окончания сообщений - флаги, поле избыточных битов[1]. 
    Канальный уровень делится на 2 подуровня: подуровень управления доступом к среде (МАС) и подуровень управления доступом к каналу (САС).

    MAC-подуровень содержит идентификаторы всех зарегистрированный устройств. Здесь выполняются следующие службы
- служба сборки пакетов (формирование нескольких типов пакетов: пакет запроса или пакет широковещательной информации; пакет данных и пакет подтверждения правильного приема сообщения);
- служба проверки пакета;
адресная служба.
    Рассмотрим сообщение канального уровня (рис. 2).


Рисунок 2. Сообщение канального уровня.
    FL - флаг начала пакета. Поле адреса включает в себя адрес отправителя (Add1) и адрес получателя (Add2). Так как 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 продолжения передачи с конкретного пакета в случае возникновения ошибки. Поле данных содержит непосредственно передаваемые данные. Поле CRC служит для определения целостности пакета.
    Сообщение готово, стоит задача в его отправке. 
    Приняв сообщение, подуровень САС начинает проведение процедуры получения доступа к каналу связи. В данной системе доступ к КС осуществляется на основе протокола CSMA (подробнее в п. 1.5.2).

     Физический уровень  — нижний уровень модели, предназначенный непосредственно для передачи потока данных. Определяет правила электрического и конструктивного соединения двух сетевых устройств исключительно по принципу "точка-точка". Основная задача: бит за битом передать сообщение канального уровня посредством аппаратной реализации.
    Рассмотрим параметры физического уровня:
1. Вид модуляции. Модуляция - процесс переноса сигнала на заведомо известную несущую для дальнейшей передачи по радиоканалу. Соответственно демодуляция - обратный процесс. Выбор вида модуляции определяется требованием, предъявляемым к системе: минимальный диапазон используемых частот.

2.  Помехоустойчивое кодирование требуется для обнаружения и исправления ошибок, возникающих при передаче. Наиболее эффективным решением будет использование сверточного кодироование в совокупности с прямой коррекцией ошибок (Forward Error Correction - FEC). Сверточное кодирование является мощным средством исправления единичных ошибок, но не обнаруживает их, в отличие от FEC. скорость кодирование будет определяться исходя из используемого системой профиля.

3. Перемежение, как процедура перестановки символов, предпринимается с целью преобразования групповых ошибок (пакетов ошибок) в одиночные ошибки, с которыми проще бороться с помощью сверточного кодирования. Максимальное расстояние, на которое разносятся соседние символы, называется глубиной перемежения, выбор которого зависит от 2 факторов: чем больше расстояние между соседними символами, тем большей длины пакет ошибок может быть исправлен, но в то же время чем больше глубина перемежения, тем сложнее аппаратно-программная реализация оборудования и больше задержка сигнала. 

4. Синхронизация включает в себя частотную синхронизацию и временную. Первая подразумевает подстройку генераторов на единую частоту, вследствие чего обеспечится равенство скорости передачи и скорости приема - отсутствие потерей пакетов; вторая - единое время для всех устройств. Синхронизация в данной системе представлена в виде преамбулы в структуре сообщение (подробнее ниже).

5.  Формирование пакетов осуществляется в блоке накопления битов.

6. Устранение последствий интерференции, многолучевости осуществляется использованием OFDM модуляции/демодуляции. 
На входе физического уровня - радиосимволы, на выходе - биты. 
Приведем структуру описанных выше уровней(рис. 3).
 
Рисунок 3. Структура уровней OSI разрабатываемой системы


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.

    Активный  режимрежим, в котором терминал ожидает опроса точки доступа на прием или передачу. Если требуется передача, или есть данные на прием, то терминал переходит в следующий режим. Если нет -  то в спящий. Терминал находится в сети и имеет возможность запросить услугу. Режим обусловлен высоким расходом заряда батареи. 
    Режим регистрации. Терминал проводит поиск сигнала сети сразу после включения. Принадлежность к "своей" сети терминал определяет по идентификатору, выделяемого из широковещательного сигнала. Если искомый идентификатор не был найден. терминал переходит в спящий режим и позже повторяет попытку. При нахождении "своей" сети терминал подает заявку на регистрацию, выполняющаяся на основе конкурентной борьбы. Определив качество канала связи и выставив соответствующий профиль, терминал посылает запрос на предоставление канала связи по каналу RACH точке доступа, которая, в свою очередь, также проводит оценку качества канала. Затем точка доступа отправляет выигравшему в состязании терминалу сообщение оповещения о выбранном для передачи профиле. Этот терминал отправляет ТД свой идентификатор для определения его принадлежности к данной сети, остальные терминал переходят в режим сна. При прохождении успешной регистрации терминал получет подтверждение, иначе - осуществляет поиск сети заново.
    Режим конкурентной борьбы - режим, в котором происходит борьба между терминалами за канал. Терминал находится в этом режиме до тех пор, пока ему в ходе борьбы не будет предоставлен физический канал.
    Режимы передачи и приема - режимы, в рамках которых непосредственно происходит передача (сразу после победы в конкурентной борьбе) и прием данных соответственно (путем перевода терминала точкой доступа из спящего режима).
    Режим работы с отчетом о доставке - возможно как ожидание отчета о результатах передачи данных, так и формирование отчета на приемной стороне. В зависимости от содержания отчета передающий терминал переходит в следующее состояние - повторная передача либо "сон".
    Пассивный режим (IDLE, спящий режим) - режим пониженного энергопотребления, в котором мобильный терминал находится большую часть времени. Из этого режима терминал выходит при передачи или приеме сообщений, а также для прослушивания канала о наличии для него данных. 

    Режим энергосбережения заключается в том, что точка доступа устанавливает интервалы времени, в течение которых терминалы прослушивают канал. Если данных для нет, то снова переходят в "сон", иначе - осуществляют прием сообщений, а затем также "засыпают". 
    Основную задачу обеспечения энергосбережения выполняет режим IDLE за счет замедления внутренней тактовой частоты процессора мобильного терминала.


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

    В качестве метода множественного доступа к физическому каналу используется протокол CSMA.  
    Точка доступа осуществляет широковещательную рассылку по каналу BCCH, которая содержит идентификатор сети и прочую служебную информацию, оповещает все терминалы о том, что канал свободен. Зарегистрированные в сети терминалы вступают в конкурентную борьбу за канал передачи данных по каналу случайного доступа RACH (рис. 4). 

Рисунок 4. Конкурентная борьба за канал

    Каждый терминал формирует число, которое характеризует задержку передачи. У первого терминала это число равно 3, у второго и третьего - 7 и 5 соответственно. Терминал Т1 победит на первом этапе, так как его задержка наименьша и не превышает временной интервал. Остальные терминалы ждут, пока передает информацию первый. После завершения передачи терминал Т1 слушает канал. Очевидно, что в следующем интервале времени с большей вероятностью победит терминал Т3.  И последним будет передавать данные Т2.
    По окончании этой процедуры точка доступа на основе запросов от терминалов формирует пакет оповещения, который передает всем терминалам по каналу разрешенного доступа AGCH. Данный пакет содержит идентификатор терминала, одержавшего победу в борьбе, а также время, в течение которого этот терминал будет осуществлять передачу данных. Все остальные терминалы переходят в спящий режим на протяжении данного интервала. Происходит запись данных в буфере точки доступа для последующей передачи терминалу-получателю. По завершении передачи точка доступа отправляет подтверждение об успешной операции передающему терминалу, после чего последний переходит в спящий режим. Если же терминал такого подтверждения не получает, то он может выполнить повторную передачу, но на основе все той же конкурентной борьбы в следующие интервалы времени. 
    Если происходит переполнение буфера точки доступа, то сама АР вступает в конкурентную борьбу и гарантированно ее выигрывает. Передает данные тем терминалам, которым они предназначаются, освобождает буфер и снова предоставляет возможность остальным терминалам бороться за канал без ее участия.
    Рассмотрим временные диаграммы алгоритма доступа к физическому каналу связи (рис. 5).


Рисунок 5. Сценарий организации доступа к физическому КС.

    В интервале времени 1 точка доступа проводит широковещательную рассылку, означающую разрешение терминалам начать конкурентную борьбу за канал (интервал 2). Затем точка доступа в интервале 3 оповещает терминалы о том, что победил конкретный терминал с определенным ID, и он будет передавать определенное количество данных (в интервале 4), на протяжении передачи которых все терминалы уйдут в спящий режим. Интервал 5 отводится на передачу терминалу-отправителю подтверждения об успешной операции. Интервал 6 - межкадровый защитный интервал. На рисунке 5 представлен случай передачи с ошибкой, после которой передающий терминал имеет возможность в следующем кадре побороться снова за канал, но с меньшими шансами на победу.
    В данном проекте под адаптивным изменением скорости подразумевается изменение интервала времени, на протяжении которого терминал осуществляет передачу данных. Например, если активен всего один терминал для передачи сообщений, то он может использовать большее время, чем в случае конкурентной борьбы, где соблюдается организация доступа к ФК.

1.5.3. Проработка сценариев взаимодействия абонентских терминалов с базовой станцией (точкой досту
па) или другими терминалами сети в каждом режиме работы. Определение необходимых для взаимо
действия идентификаторов и широковещательных параметров сети.
    Описание всех режимов см. в п. 1.5.1.
1. Сценарий взаимодействия на этапе поиска и регистрации в сети (рис. 6).


Рисунок 6. Регистрация терминала в сети

  

2. Сценарий взаимодействия на этапе передачи данных (рис. 7).


Рисунок 7. Взаимодействие Т и АР на этапе передачи данных.

 3. Сценарий взаимодействия на этапе передачи данных (рис. 8).   

Рисунок 8. Взаимодействие Т и АР на этапе приема данных.
    Необходимо учесть случай выхода терминала из спящего режима. Терминал должен периодически выходить в активный режим, чтобы принять от точки доступа сигналы о наличии для терминала сообщений, если таковые имеются в буфере AP. Интервал времени выхода из спящего режима задается самостоятельно, предварительно согласовав с точкой доступа время выхода из сна
    
1.5.4. Построение целостной диаграммы состояний терминала, отражающей рассматриваемые сценарии.

    Описанные выше состояния терминала в рамках описания сценариев взаимодействия Т и ТД представим в виде диаграммы (рис. 6).


Рисунок 6. Диаграмма состояний терминала


Калинкин В.В.
29.10.2012 г.

Список Литературы:
1. Бакке А.В. Лекции по курсу ССПО. 2012
2. http://ru.wikipedia.org/wiki/Сетевая_модель_OSI
3. http://ru.wikipedia.org/wiki/Канальный_уровень