Баранов И.

Модель взаимодействия открытых систем (OSI) – это модель, разработанная международной организацией по стандартизации (International Standards Organization – ISO). Модель OSI состоит из семи концептуальных уровней, каждый из которых определяет различные сетевые функции. Каждая функция сети может быть назначена для одного (или, возможно, пары смежных) из этих семи уровней и относительно независима от других уровней. Эта независимость означает, что один уровень не должен знать о том, как применяется второй уровень, а только то, как взаимодействовать с этим уровнем. Это основное преимущество модели OSI и одна из основных причин, по которым данная модель стала такой популярной архитектурой взаимодействия систем. Визуальное представление данной модели представлено на рис.1.

Рис.1. Структурная схема модели OSI

Физический уровень

Физический уровень модели OSI (Open Systems Interconnection) предназначен для непосредственной передачи данных, поступающих из канального уровня, по физической среде и настройке различных параметров передачи. В качестве физической среды могут выступать следующие варианты: витая медная пара, радиорелейная линия связи, оптическое волокно. Физический уровень может включать некоторые механизмы синхронизации, которые не играют какой-либо роли для верхних уровней сигнализации, так как эти механизмы полностью зависят от аппаратного обеспечения конкретного производителя.

Физический уровень модели OSI не знает ни типов данных, ни форматов и не способен различать данные пользователя и сигнализацию. Эта особенность, в частности, отличает физический уровень от всех других. Каждый пакет для физического уровня состоит только лишь из неорганизованных битов. На данном уровне выбирается вид модуляции, вид помехоустойчивого кодирования, параметры перемежения и синхронизации, способы устранения интерференции и борьбы с многолучевым распространением.

Перейдем, собственно, к нашей системе. Разрабатываемая система не будет иметь подвижных объектов, объемы информации, передаваемые по радиосети, будут небольшими, зона обслуживания – 170 м. Исходя из этого, можно сделать вывод о том, что высокая скорость передачи в данной системе не нужна. По заданию требуется, чтобы диапазон частот был минимальным. Добиться этого можно следующим образом: все радиосредства данной системы будут работать на одной частоте, но информация будет передаваться в строго фиксированные промежутки времени, т.е. применим временное разделение каналов – TDMA. В системе требуется, чтобы вероятность битовой ошибки не превышала 3*10-5. Исходя из этого, рассмотрим несколько вариантов модуляции, которые можно реализовать в разрабатываемой радиосети.

Рис.2. Зависимость битовой ошибки от ОСШ при различной модуляции

Как видно из рис.2., наиболее оптимальной модуляцией является QPSK со скоростью кодирования 1/2, т.е. на 1 информационный бит будет приходиться 2 избыточных. Применим сверточное кодирование и перемежение. Эти меры позволят снизить мощность передатчика и сохранить достоверность передаваемой информации. Так же в разрабатываемой радиосети необходимо использовать символьную и битовую синхронизацию. Битовая синхронизация осуществляется с помощью системы ФАПЧ (фазовая автоподстройка частоты), символьная – при помощи пилот- сигнала. Пилот-сигнал будет извлекаться на приемной стороне с помощью узкополосного фильтра, который будет настроен на частоту пилот- сигнала. Т.е. на выходе фильтра, в моменты принятия пилот- сигнала, будем иметь АКФ( автокорреляционную функцию).

Пилот- сигнал будет определять моменты стробирования принятого сигнала. Приемник должен знать и частоту следования стробов и момент времени, в течение которого необходимо взять отсчеты внутри каждого символьного интервала.

 Схема физического уровня разрабатываемой системы представлена ниже на рис.3.

Рис.3. Схема физического уровня разрабатываемой системы.

Канальный уровень:

 Осуществляет передачу кадров (frames) данных от cетевого уровня к физическому. Кадры - это логически организованная структура, в которую можно помещать данные.

Ниже представлен простой кадр данных, где идентификатор отправителя- адрес отправителя, а идентификатор получателя- адрес получателя. Управляющая информация используется для маршрутизации, а также указывает на тип пакета и сегментацию. Данные - собственно передаваемая информация. CRC (остаток избыточной циклической суммы) — это сведения, которые помогут выявить ошибки, что, в свою очередь, гарантирует правильный прием информации.

 

Канальный уровень обеспечивает функциональные и процедурные средства для установления, поддержания и расторжения канальных соединений между сетевыми объектами и передачи блоков данных. Канальное соединение (канал передачи данных) строится на одном или нескольких физических соединениях.

Канальный уровень обнаруживает и, в большинстве случаев исправляет ошибки, которые могут возникнуть на физическом уровне. Обычно, когда канальный уровень посылает кадр, он ожидает со стороны получателя подтверждения приема. Канальный уровень получателя проверяет наличие возможных ошибок передачи. Кадры, поврежденные при передаче, или кадры, получение которых не подтверждено, посылаются вторично.

Функции канального уровня:

1)установление и расторжение канального соединения;

2)расщепление канального соединения на несколько физических;

3)сериализация;

4)обнаружение и исправление ошибок;

5)управление потоком;

6)управление соединением физических каналов передачи данных.

 

Канальный уровень разбивается на два подуровня:

1) LLC (Logical Link Control) — обеспечивает управление логическим звеном, т.е. собственно функции канального уровня

2) MAC (Media Access Control) — обеспечивает специальные методы доступа к среде распространения.

В данной системе отсутствует борьба за канал. Т.е. доступ к каналу каждое устройство получает в определенные промежутки времени. Следовательно, МАС подуровень будет отсутствовать.

Доступ устройств к ресурсам канального уровня.

 НАТы (неподвижные абонентские терминалы) через определенные промежутки времени производят отправку информации о своем состоянии на ЦУ (центральный узел). Каждый НАТ отправляет данные через строго фиксированное время (наиболее подробно об этом написано первой части курсового проекта). Период обновления данных о состоянии НАТ может изменять пользователь. 

Рассмотрим несколько ситуаций, которые могут возникнуть при разработке данной радиосистемы.

Во-первых, возможно, что во время отправки обновленной информации с НАТ, пользователь захочет изменить параметры освещения. Чтобы этого не произошло, система должна дождаться окончания принятия данных от НАТ, а затем передать команду соответствующему терминалу.

Во-вторых, при передаче новых данных о состоянии НАТ на ЦУ возможно поступление встречной команды с ЦУ в один и тот же момент времени. Во избежание этого, перед изменением параметров НАТ, ЦУ должен оповестить все терминалы о том, что начнется передача команд. После этого, прекратиться передача информации о состоянии НАТ.  Далее ЦУ передает команды об изменении световых характеристик, после чего информирует находящиеся в сети НАТ о том, что команды переданы и разрешена передача данных о техническом состоянии терминалов.

Введем защиту от ошибок типа ARQ с остановками. Принцип функционирования данной защиты изображен на рис.4.

Рис.4. Метод ARQ

           НАТы будут передавать информацию о своем состоянии по очереди. Передача начинается с первого НАТ. Этот терминал передает информацию на ЦУ. Если информация была принята без ошибок, то с ЦУ отправляется подтверждение этому терминалу, что данные были приняты правильно. Затем информацию передает второй НАТ и так далее. Если на передающий терминал приходит отрицательное подтверждение, т.е. данные были приняты с ошибками или не приняты вообще, то НАТ повторно отправляет информацию, не дожидаясь своей очереди, а остальные терминалы находятся в режиме ожидания передачи информации на ЦУ. На рис.5. приведена схема приема информации от светильников.

Рис.5. Прием информации от терминалов.

           На рис.5. синим цветом обозначены данные от НАТ, зеленым цветом - подтверждение принятия данных без ошибок, красным – запрос повторной передачи данных. Слева обозначены номера терминалов.

Рис.6. Схема отправки команд терминалам

На рис.6. имеются следующие цветовые обозначения:

- коричневым цветом обозначена информация оповещения терминалов о том, что сейчас начнется передача команд терминалам.

 - оранжевым - команды изменения световых характеристик.

 - фиолетовым - подтверждения светильников о том, что команды от ЦУ приняты без ошибок.

 - красным - запрос повторной передачи данных.

 - желтым  - оповещения терминалов о том, что передача команд от ЦУ закончена.

 - зеленым - очередная передача информации о техническом состоянии терминалов.

Типы полей пакетов

          Рассмотрим подробно структуру различных типов пакетов, передаваемых по нашей радиосети.

На физическом уровне структура пакета будет одинакова у всех типов. Она состоит из следующих полей:

- поле коррекции частоты (необходимо для подстройки несущей частоты, т.к. возникает погрешность в работе генераторов радиочастоты)

- поле синхронизации (служит для передачи меток синхронизации, по которым будет происходить тактовая синхронизация и ФАПЧ радиоаппаратуры)

- поле закодированной информации  

- флаг начала и окончания пакета (необходимы для того, чтобы четко различались границы пакета)

 

На канальном уровне структура пакета у различных типов будет отличаться. В нашей системе существует 2 типа пакетов, которые передаются от терминалов на ЦУ. На рис.7. представлена структура пакета, в составе которого передается информация о техническом состоянии НАТ.

 Пакет состоит из следующих полей:

- флаг начала и окончания пакета;

- уникальный номер светильника (ID терминала информирует ЦУ о том, с какого именно светильника пришли данные);

- идентификатор информационного типа пакета (служит для различия типа данных);

- информация о техническом состоянии терминала;

- поле контрольной суммы (служит для индикации целостности пакета).

   Рис.7. Структура пакета, передающегося от терминала на ЦУ, о техническом состоянии НАТ.

Структура пакета, отправляемого терминалом на ЦУ для подтверждения правильного приема команды, изображена на рис.8. От пакета предыдущего типа он отличается тем, что вместо информации о температуре и мощности здесь присутствует индикатор правильности принятых данных, информирующий ЦУ о безошибочном принятии информации.

                             Рис.8. Структура пакета, подтверждающего достоверный прием терминалом команды от ЦУ.

Рассмотрим теперь пакеты, передающиеся от ЦУ на терминалы. Таких типов пакетов будет 5. Структуры этих пакетов похожи. Различие заключается в одном поле, которое задает тип передаваемого пакета и  выполняемое светильником действие.

                 Рис.9. Структура пакета, при запросе о повторной передаче данных (может посылаться как на терминал, так и на ЦУ).

Рис.10. Структура пакета, оповещающего светильники о том, что сейчас начнется передача команд, изменяющих световые параметры.

Рис.11. Структура пакета, изменяющего световые параметры НАТ.

Рис.12. Структура пакета, оповещающего НАТы о том, что передача команд, изменяющих световые параметры, закончена.

 

 Сетевой уровень - этот уровень служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей с различными принципами передачи информации между конечными узлами. В рамках нашего курсового проекта рассматривается всего одна сеть, следовательно, данный уровень рассматриваться нами не будет.

Транспортный уровень обеспечивает прозрачную передачу данных между сеансовыми объектами и освобождает их от функций, связанных с надежной и экономически эффективной передачей данных. Транспортный уровень освобождается от маршрутизации и ретрансляции и занимается исключительно обеспечением взаимодействия между оконечными открытыми системами. Транспортный уровень гарантирует доставку пакетов без ошибок, в той же последовательности, без потерь и дублирования. На этом уровне сообщения переупаковываются: длинные разбиваются на несколько пакетов, а короткие объединяются в один. Это увеличивает эффективность передачи пакетов по сети. На транспортном уровне узла-получателя сообщения распаковываются, восстанавливаются в первоначальном виде, и обычно посылается сигнал подтверждения приема. Транспортный уровень управляет потоком, проверяет ошибки и участвует в решении проблем, связанных с отправкой и получением пакетов. В нашей радиосистеме функции, выполняемые транспортным уровнем, будут возлагаться на канальный уровень.

 Сеансовый, представительский и прикладной уровни реализуются в программной среде, а потому не будут описаны в нашем проекте.

Рассмотрим диаграмму состояний терминалов. НАТы могут находиться в четырех состояниях:

- спящий режим;

- ожидание получения команд (в данном режиме терминал не отправляет сведения о своем техническом состоянии на ЦУ);

- получение команд;

- очередная отправка данных (в рамках этого состояния отсылается информация о техническом состоянии НАТ или  посылается подтверждение выполнения команды).

Если пользователем не запрашиваются данные о состоянии терминала или пользователь не подает команды об изменении световых характеристик терминала, то  НАТ чередует два режима работы: спящий режим и очередную отправку данных о своем техническом состоянии. В процессе работы пользователь может вмешиваться в функционирование радиосистемы, менять световые характеристики терминалов и запрашивать данные о состоянии НАТ. (рис.13.). Команда COMMAND 1 переводит терминал в режим ожидания получения команд, а COMMAND 3 переводит  терминал обратно в спящий режим.

Рис.13. Диаграмма состояний терминалов.

Список литературы:

1)Первая часть КП http://omoled.ru/publications/view/297

2)«Лекции по курсу ССПО», Рязань, РГРТУ 2012. Бакке А. В.

3)«Лекции по курсу ОТССПО», Рязань, РГРТУ 2012 Зайцев А. А.

4)Бернард Скляр. «Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение.» Москва. 2003 г