Рассмотрение верхних трех уровней (прикладного, представительского и сеансового) не входит в рамки данной курсовой работы, поэтому пояснения начнем давать, начиная с сетевого уровня.

    Сетевой уровень. 

    Сетевой уровень служит для образования единой транспортной сети, которая объединяет вместе несколько сетей. Так как в данной системе есть только одна базовая станция, которая взаимодействует напрямую с мобильными терминалами, в сетевом уровне нет необходимости. Между базовой станцией и ее мобильными устройствами существует соединение типа «звезда». 

    Транспортный уровень. 

    Предназначен для надежной передачи данных от отправителя к получателю. Так как в разрабатываемой системе гарантированная доставка достигается за счет запроса с возвратом потерянных пакетов, задачи транспортного уровня делегируются на канальный уровень. 

    Канальный уровень. 

    Канальный уровень определяет функции, отвечающие за организацию каналов передачи данных. Данные на канальном уровне передаются пакетами. Создается кадр, который обладает определенными полями. Основные поля кадра канального уровня это поле данных и заголовок. Заголовок кадра содержит важную информацию об адресе получателя. Для передачи пакетов с данными обязательно должен быть механизм повторной передачи, в случае, если пакет потерян. 

    Помимо уже указанной функции канальный уровень выполняет управление доступом к среде. Уровень, который решает эту задачу, можно выделить в отдельный подуровень- уровень управления доступом к среде (УДС). В системе используется временное разделение канала, т.е каждое мобильное устройство имеет свой временной слот для передачи своих данных. Этот момент имеет отношение к физическому уровню. На канальное же уровне это означает следующее.  На этом уровне принимаются решения о том, какое из сообщений кому предназначается, следует ли дать команду на переключение профиля функционирования, следует ли выделить моильному терминалу дополнительные временные интервалы для передачи информации.  Базовая станция, когда происходит  подключение к ней мобильного устройства, выделяет ему временной слот, в который происходит передача данных. Временные слоты разделены защитными интервалами для того, чтобы уменьшить интерференцию. Когда базовая станция приняла данные от всех мобильных устройств, в случае, если все пакеты приняты верно, она отправляет по широковещательному каналу сообщение об успешной передаче. Если пакеты от некоторых из мобильных устройств были потеряны, то базовая станция передает номера новых временных слотов для повторной передачи. Если пакет только от одного мобильного устройства был принят неверно, то ему предоставляется весь канальный ресурс для повторной передачи. Все эти временные интервалы вместе составляют мультикадр канального уровня.

    Рассмотрим структуру всех видов сообщений, присутствующих в системе. Формирование кадров происходит на МАС-уровне. У каждого мобильного устройства и у базовой станции есть свой уникальный номер, по которому происходит обращение к нему в системе. На МАС-уровне для кадра каждого типа будет своя структура. В системе существует пакет широковещательной рассылки, пакет-управление, который содержит номера слотов и информацию о профиле системы, пакеты с данными, пакеты-подтверждения принятой информации, пакеты запроса повторной передачи информации. Некоторые поля являются обязательными для кадров всех типов. Это поле управление, которое содержит информацию о типе передаваемого пакета, например пакет-управление или пакет-подтверждение, поле контрольной сумы, которое позволяет оценить целостность пакеты, поле данных, которое содержит непосредственно предназначенную к передаче информацию. В зависимости от типа кадра остальные поля могут различаться. Пакет широковещательной рассылки содержит синхропоследовательность, пакет-управление и пакет запроса повторной информации содержат номера временных слотов, которые будет использованы мобильными станциями для передачи, а так же номера утерянных пакетов, пакет подтверждение приема, напротив, нет поля с номером слота, есть только идентификаторы тех устройств, информация с которых была принята корректно, а так же номера успешно переданных пакетов. Общим для всех типов является поле начала и завершение пакета.  

    Так как основная задача сети – это надежная доставка сообщений пользователя, требуется предусмотреть систему повторения передачи потерянных пакетов. Будем использовать система повторной передчи (ARQ) для реализации гарантированной доставки сообщений. Действовать будет следующим образом. Базовая станция после распределения номеров временных слотов производит прием информации от каждого мобильного терминала. При получении пакетов производится расчет контрольной суммы для проверки целостности пакета и адекватности переданной информации. Если контрольный суммы совпадают, то базовая станция отсылает мобильному терминалу пакет-подтверждение, который содержит номер успешно переданного пакета. Если контрольные суммы не совпали, то базовая станция отсылает сообщение, которое содержит номера терминалов, пакеты которых были потеряны, номера потерянных пакетов, а так же номера новых временных слотов, в которые будет вестись повторная передача. Все вместе это позволяет осущетсвлять гарантированную доставку сообщений.

    Физический уровень.

    Ни одна система не может обойтись без физического уровня. Это самый нижний уровень модели OSI, который определяет параметры электрического и конструктивного соединения двух устройств.  Физический уровень ответственен за установление надежного физического соединения, а так же за его поддержание и разъединение. Здесь определяются процедуры передачи потока битов от одного узла к другому. В данном курсовом проекте в качестве этих узлов выступают базовая станция и мобильная станция. Основная задача физического уровня это надежная и достоверная передача битов по каналу связи. Для ее решения необходимо выбрать следующие параметры системы:

-параметры синхронизации. Системе необходима тактовая и битовая синхронизация.

-параметры перемежения-деперемежения

-вид и характеристики помехоустойчивого кодирования

-вид модуляции. По техническому заданию задано использовать OFDM

Для более рационального и успешного функционирования системы заложим возможность переключения профилей работы. Профиль будет состоять из характеристик помехоустойчивого кода. В качестве второй характеристики профиля сюда можно было бы включить вид модуляции, но по техническому заданию задано использование OFDM модуляции, которая сама по себе является эффективным средством борьбы с эффектами многолучевого распространения, при том без потери в скорости передачи. Исходя из этого, вид модуляции в зависимости от профиля меняться не будет. Пусть существуют 2 профиля работы системы, один для канала с плохими характеристиками, другой для канала с хорошими характеристиками. Переключение профилей осуществляется по команде базовой станции одновременно всеми мобильными станциями, которые присутствуют в сети. Происходит это следующим образом. Базовая станция работает непрерывно, а мобильные станции периодически производят подключение и отключение. Так как пути распространения сигнала от разных мобильных станций могут сильно отличаться, то и качество канала для различных мобильных станций различное.    Соответственно, профили функционирования для разных мобильных станций так же должны отличаться. Сценарий переключения профиля будет выглядеть следующим образом. Базовая станция проводит широковещательную рассылку, в которой передаются синхропоследовательности для синхронизации терминалов с базовой станцией. После этого передаются номера временных слотов, в которые будет происходить передача информации от каждого терминала и номера слотов для регистрации. После того, как передача от каждого мобильного устройства в пределах одного кадра проведена, базовая станция оценивает количество потерянных пакетов от каждого терминала. Полученное значение сравнивается с неким пороговым уровнем,  и в случае, если оно больше порогового уровня, вместе с  новыми номерами слотов для повторной передачи потерянных пакетов передается команда переключить профиль работы на профиль для канала с низким качеством. Если количество потерянных пакетов меньше порогового уровня, то переключения профиля не происходит, передается только номер нового временного слота. После этого происходит повторная передача и базовая станция передает пакет-подтверждение принятия информации. В следующем кадре базовая станция будет вновь оценивать количество потерянных пакетов от каждой мобильной станции и в случае необходимости проводить переключение профиля работы мобильной станции. Отличие профилей будет заключаться в использовании более помехоустойчивого вида модуляции и помехоустойчивого кодирования. В качестве канального кода выберем сверточный код. Для профиля с высоким качеством скорость кода предположительно будет  ¾, что означает, что на 3 информационных бита приходится 4 избыточных. Для профиля работы с низким качеством выберем код со скоростью кодирования ½, что означает, что на 1 информационный бит приходится 1 избыточный. Вид перемежителя не значительно влияет на его эффективность, поэтому для обоих профилей системы структура перемежителя останется постоянной.

Для того, чтобы изложенный выше сценарий мог успешно функционировать, необходимо подсистема проведения радиоизмерений. Эта система будет проводить оценку сигнала, который был передан по сети, при условии, что начальные его характеристики были известны на приемной стороне. По результатам этих измерений, а так же учитывая статистку количества потерянных пакетов, система может делать вывод о том, что профиль функционирования стоит сменить на более/менее помехоустойчивый или оставить прежним. Подсистема радиоизмерений начинает свою работу в момент передачи известной на приемной стороне последовательности, до того, как начинается передача непосредственно пользовательского трафика. Так же по этой известной последовательности можно проводить настройку эквалайзера сети.

В качестве метода борьбы с замираниями и многолучевым распространением используем помехоустойчивое кодирование и использование эквалайзеров. Они осуществляют компенсацию неравномерностей характеристик канала связи. Для осуществления компенсации будет передаваться настроечная последовательность, известная всем устройствам сети. На приемной стороне по виду этой настроечной последовательно можно будет определить, какие искажения присутствуют в канале и соответствующим образом подстроить характеристику эквалайзера.

Так как в системе используется временное разделение каналов, необходимо использование кадровой синхронизации. Для ее реализации в начале каждого кадра будет передаваться синхронизирующее кодовое слово. Оно едино для всей сети, приемник ищет его в потоке данных и по нему производит кадровую синхронизацию с передающей стороной. Чтобы осуществлять эффективный поиск этого синхронизирующего слова, используем коррелятор, работа которого построена на согласованных фильтрах. Детектирование кадрового слова означает начало нового кадра.

    Схема передачи на физическом уровне будет выглядеть следующим образом:

    Одна из основных проблем, возникающая при организации сети беспроводной связи – организация многопользовательского доступа к сети. Есть несколько способов: временное разделение, частотное разделение, кодовое разделение. Одним из основных условий работы системы является использование минимально возможного диапазона частот. В связи с этим считаю целесообразным применять временное разделение. В основе этой технологии лежит принцип, при котором каждому абоненту выделяется свой небольшой временной слот, в который он может производить передачу пакетов либо принимать пакеты от из внешней сети. При этом в свой слот пользователь использует сразу весь доступный частотный диапазон. Далее необходимо описать сценарий распределения временных слотов между конкретными устройствами. Распределение слотов будет происходить по следующей схеме. После регистрации мобильного устройства в сети, базовая станция начинает учитывать его при распределении временных интервалов. После того, как базовая стнация передала пакет широковещательной рассылки, она передает пакет-управление, который содержит информацию о том, какому мобильному терминалу  в какой временной слот следует передавать информацию, т.е. пакет содержит соответствие номеров слотов идентификационным номерам мобильных устройств.

    Далее рассмотрим сценарий взаимодействия мобильных терминалов с базовой станцией. Сценарий взаимодействия определяет порядок действия мобильной или базовой станции в каждый момент времени функционирования сети. Начинается взаимодействие с передачи широковещательной рассылки, которую отправляет базовая станция. Широковещательная рассылка содержит синхропоследовательности, по которым устройства могут синхронизироваться с сетью, идентификатор сети, параметры приема/передачи сигнала. Включенные терминалы могут принять широковещательную рассылку. На основе принятого идентификатора сети терминал может определить, его ли это сеть. Если да, терминал производит синхронизацию с сетью, а так же определяет, как и с какими параметрами должен передаваться сигнал.  Далее происходит регистрация терминала в сети, во время которой он передает свой уникальный идентификационный номер, который известен сети и хранится в регистре абонентов.  Происходит сравнение присланного номера с занесенным в регистра. Если совпадение установлено, то мобильному устройству будет присвоен канальный адрес (МАС-адрес, который будет занесен в таблицу маршрутизации базовой станции),  оно будет помечено как активное и далее начнется процесс аутентификации. Цель аутентификации – выявить подлинность абонента, определить, какие услуги ему доступны в данной сети. Если аутентификация прошла успешно, терминал может начать принимать или передавать информацию в сети. Базовая станция определяет число активных абонентов. Это происходит после того, как была передана широковещательная рассылка и произошла регистрация новых абонентов в сети. Базовая станция передает пакет-управление, в котором содержится информация о том, какие абоненты в какие временные слоты будут использовать канал связи. Происходит обмен данными, по итогам которого базовая станция оценивает помеховую обстановку на основе количества потерянных пакетов (несовпадения контрольных сумм в пакетах). Если потеряно пакетов больше, чем определено пороговым уровнем, то на канальном уровне будет принято решение о переключении профиля функционирования на более помехоустойчивый. Команду на переключение отдает блок подсистемы управления базовой станции.  По окончании передачи информации и получении перезапрошенных пакетов, терминал может отправить пакет завершения работы. По принятии такого пакета базовая станция считает терминал выключенным. Для того, чтобы ему снова воспользоваться услугами сети, нужно будет вновь пройти процессы регистрации и аутентификации и получить новый номер временного слота для передачи.  Так же, если терминал в течение некоторого времени не производит передачу/прием информации, не отвечает на широковещательные рассылки и не подает никаких признаков деятельности, он автоматически считается выключенным.  

    На каждом уровне сети имеется служебная информация, которая  имеет значение только для этого уровня. Например, сообщение, сформированное на оконечном оборудовании пользователя, попав на канальный уровень разбивается на пакеты. Пакеты получают  МАС-адреса, по которым будет происходить адресация, добавляются контрольные суммы для проверки целостности пакета. Далее пакеты попадают на физический уровень, где добавляется так же соответствующая информация. Это, в первую очередь, метки синхронизации, метки начала и конца пакета. Происходит канальное кодирование, т.е. добавление избыточной информации, модуляция перемежение. На приемной стороне на физическом уровне происходит выделение соответствующей информации, затем на канальном уровне принимается решение о верности или неверности принятого пакета, определяются адреса, куда пакет предназначается. А далее уже происходит обработка в соответствии с протоколами внешней сети, куда отправляется информация.

    При поступлении сообщения из внешней сети, базовая станция определяет, имеет ли это сообщение отношение к одному из ее терминалов или нет. Если да, то базовая станция производит отправку информации получателю в его временной интервал, если нет, то сообщение игнорируется. 

    На физическом уровне сценарий взаимодействия будет выглядеть следующим образом. Базовая станция формирует пакет широковещательной рассылки, который предназначен всем устройствам и содержит в себе синхропоследовательность. По принятии этой синхропоследовательности мобильные устройства проводят синхронизацию, которая состоит из более глубокой кадровой синхронизации и фазовой автоподстройки частоты. Кадровая синхронизация осуществляется корреляторами устройств, которые с помощью своих согласованных фильтров проводят поиск начала кадра. При включении в работу ФАПЧ мобильного устройства проводится подстройка частоты и фазы гетеродина. После окончания синхронизации базовая станция формирует пакет, содержащий в себе номера временных слотов вместе с идентификаторами устройств. Мобильные устройства в свои интервалы времени проводят передачу данных, затем дожидаются прихода пакета-подтверждения от базовой станции. Если пакет подтверждения содержит информацию об успешной передачи данных, мобильное устройство переходит в режим энергосбережения, если пришла информация о том, что некоторые пакеты потеряны, терминал проводит повторную передачу потерянных пакетов, после чего так же отправляется   в режим «сон».