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 представляет собой 7-уровневую сетевую иерархию,  разработанную Международной организацией по стандартам (International Standardization Organization - ISO) и включает следующие уровни:

·        Физический,

·        Канальный,

·        Сетевой,

·        Транспортный,

·        Сеансовый,

·        Представительский,

·        Прикладной.

 

Рассмотрим каждый уровень  модели с позиции необходимости его использования в разрабатываемой системе.

Три верхних уровня, прикладной, представительский и сеансовый, можно объединить в один  – уровень управления соединением  или уровень принятия решений. Он предназначен для выполнения задач, связанных с обслуживанием МС. На основе обработки сообщений на этом уровне реализуются сценарии поведения системы в различных ситуациях. Уровень принятия решений включает в себя:

  •         Подсистему управления радиоресурсами. Она отвечает за назначение радиоканалов, управление мощностью МС и управление передачей обслуживания.
  •         Подсистему управления мобильностью. Она отвечает за аутентификацию и идентификацию МС.
  •         Подсистему управления соединениями. Здесь реализуются 2 службы: непосредственная служба соединения и служба коротких сообщений.

        Транспортный уровень обеспечивает приложениям верхнего уровня  доставку сообщений с той степенью надежности, которая требуется. К основным задачам транспортного уровня относятся буферизация и упорядочение блоков сообщения, а также управление потоком данных, т. е. приостановка/возобновление передачи сообщений. Так как основными данными, которые передаются в разрабатываемой системе, является речь, то система должна работать в режиме реального времени и приостановка/возобновление передачи не является необходимым. Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод о том, что наличие транспортного уровня в проектируемой системе радиотелефонной связи не требуется.

        Сетевой уровень служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей. Основными задачами сетевого уровня является доставка пакетов сетевого уровня любому узлу сети, а также прокладка маршрута передачи пакета между узлами сети. В рамках данной системы  передача данных не требует сложной маршрутизации, потому сетевой уровень реализовываться не будет.

        Канальный уровень определяет функции, отвечающие за организацию канала передачи данных. Канальный уровень необходим для осуществления надежной доставки пакетов между узлами сети. На канальном уровне решаются следующие задачи: предоставление физического канала по требованию, проверка доступности физических каналов, обнаружение и исправление ошибок, реализация адресной передачи сообщений, синхронизация пакетов.

       Канальный уровень делится на два подуровня: подуровень адресации и формирования всех видов сообщений (MAC) и подуровень управления доступом к физическому каналу связи (CAC).

       На  MAC – подуровне есть идентификаторы всех зарегистрированных в сети терминалов. Поэтому на канальном уровне возможна реализация адресации сообщений. На МАС-подуровне осуществляется формирование различных видов пакетов:  пакет запроса на проведение сеанса связи или пакет широковещательной информации (в зависимости от того, какая станция, мобильная или базовая, его передает) и собственно пакет  данных.

Пакет канального уровня в общем случае должен содержать идентификатор начала пакета. Для этого служит поле Fl. Для реализации адресации сообщений в структуру пакета канального уровня необходимо добавить поле Адрес.Так как в системе используются пакеты различных типов (пакет запроса, пакет широковещательной информации или пакет  данных), то необходимо, чтобы в пакете канального уровня имелась информация о типе передаваемого пакета (поле Тип пакета). В зависимости от того, какой тип пакета передается, поле Данные будет иметь различные поля. К одной из функций канального уровня относится обнаружение и исправление ошибок . Обнаружение ошибок осуществляется с помощью инструмента CRC  - подсчета контрольных сумм на основе избыточного кода. Информация о коде также должна присутствовать в пакете канального уровня (поле CRC).  Исправление ошибок с помощью службы ARQ  (Automatic Repeat-reQuest) невозможно, так как данная служба основывается на повторном запросе неправильно принятых сообщений, а это противоречит концепции рассматриваемой системы радиотелефонной связи в силу того, что пакеты должны передаваться в режиме реального времени. В случае если контрольная сумма не верна, пакет просто отбрасывается, что не скажется на принятом голосовом сообщении.

         Таким образом, исходя из вышесказанного, пакет канального уровня в общем случае будет иметь вид, изображенный на рис. 1.


Рисунок 1. Пакет канального уровня.


Физический уровень определяет правило электрического и конструктивного соединения двух сетевых устройств. К задачам, решаемым на данном уровне, относятся: реализация методов доступа к среде; устранение последствий интерференции и многолучевости; обеспечение символьной, битовой и пакетной синхронизации; модуляция / демодуляция; перемежение / деперемежение; помехоустойчивое кодирование / декодирование. Теперь рассмотрим подробнее каждую из решаемых на физическом уровне задач.


Реализация методов доступа к среде. Существуют различные способы доступа к физической среде. Например, с кодовым разделением каналов (CDMA), частотным разделение каналов (FDMA), временным разделением каналов (TDMA). Согласно ТЗ система должна использовать минимальный диапазон частот. К основным недостаткам  FDMA относят неэффективное использование частот, поэтому данный способ неуместен. При множественном доступе с кодовым разделением каналов (CDMA) сигнал занимает полосу частот более широкую по сравнению с полосой, минимально необходимой для передачи информации. Следовательно, этот способ не может быть использован в данной системе. Остановим свой выбор на множественном доступе с временным разделением каналов (TDMA). В рамках данного вида доступа частотный канал по очереди предоставляется нескольким пользователям на определенные промежутки времени. Таким образом минимизируется диапазон используемых частот.


Устранение последствий многолучевости. С этой целью используется фильтр-эквалайзер, который осуществляет компенсацию неравномерностей характеристик канала связи. Идея эквалайзера заключается в измерении текущей частотной характеристики и ее соответствующей коррекции.


Обеспечение синхронизации. С этой целью в системе используется фазовая автоподстройка частоты.


Модуляция / демодуляция. Для использования в качестве средства передачи радиоинтерфейс, необходима модуляция, обеспечивающая при этом минимальный диапазон используемых частот и необходимую вероятность битовой ошибки. 


Перемежение / деперемежение. Эта процедура служит для борьбы с пакетами ошибок. Она состоит в перестановке символов кодированной последовательности до ее модуляции и восстановлении исходной последовательности после демодуляции. Перестановка позволяет разнести рядом стоящие символы таким образом, чтобы они оказались разделены группой других символов, передаваемых в том же блоке данных. Данная операция не вносит избыточности, а только изменяет порядок следования символов или бит. Однако чем больше глубина перемежения (т.е. максимальное расстояние, на которое разносятся соседние символы входной последовательности), тем больше задержка.


Помехоустойчивое кодирование / декодирование. Целью помехоустойчивого кодирования является повышение достоверности доставки сообщений, передаваемых по каналам связи с помехами.  Основная идея кодирования заключается в добавлении к передаваемой информации дополнительных бит, которые помогут восстановить исходный сигнал или его часть в случае возникновения ошибки.


На основе выше приведенного анализа выполняемых задач каждым уровнем системы и использования для решения этих задач различных подсистем, составим общую структурную схему системы с использованием концепции иерархической модели OSI.


Рисунок 2. Структура разрабатываемой системы.


1.5  Проработка задач верхнего уровня. 


Абонентский терминал может осуществлять работу в следующих режимах:

1.     Пассивный;

2.     Активный (связан с непосредственным обменом сообщениями между МС и сетью).

       Ключевую роль в любом режиме играют измерения. Это очень важно и обязательно для систем связи с подвижными объектами. Измерения должны быть реализованы в рамках любого состояния МС.

     После включения абонентский терминал переходит в пассивный режим (IDLE) или режим энергосбережения и начинает осуществлять выбор 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, на основании  списка ВА, который передается в составе BCCH.  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 сот из списка ВА. 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 МС передает БС свой идентификатор. БС ищет полученный идентификатор в списке, являющемся неотъемлемой частью информационной подсистемы БС. Если такой идентификатор есть, то БС должна отправить терминалу сигнал подтверждения регистрации. Если терминал такого сигнала не получает, то он вновь осуществляет поиск сети.  


   Часто происходят ситуации, 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 отправляют запрос одновременно в одном из 11 временных отрезков (timeslots) канала RACH. После отправки заявок оба терминала следят за каналом AGCH и ждут подтверждения от БС  о принятии 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 (рис. 3).

 

Рисунок 3. Сценарий регистрации МС в сети. 


     После окончания процедуры регистрации МС переходит в режим энергосбережения. В случае, если  абонент терминала решит воспользоваться какой-либо услугой сети, то сценарий взаимодействия МС и БС будет выглядеть следующим образом. МС посылает запрос на предоставление индивидуального физического канала по каналу RACH. В ответ МС получает подтверждение по каналу AGCH, включающее номер SDCCH. По индивидуальному каналу МС осуществляет процедуру аутентификации. В случае положительного прохождения аутентификации сеть запрашивает номер вызываемого абонента и код запрашиваемой услуги, которые терминал передает по каналу SDCCH. В результате выполнения всех действий по индивидуальному каналу передаются данные, который будет выполнять роль канала трафика. Как и в предыдущем случае возможна ситуация, когда два терминала отправили запрос на предоставление индивидуального физического канала одновременно. Исход такой ситуации аналогичен, то есть терминалы должны переслать еще раз свои запросы через некоторое время (рис. 4). Напомним, что в течение установления соединения МС также как и БС проводит радиоизмерения, играющие важную роль в выборе пути развития сценария текущего соединения. 


Рисунок 4. Сценарий передачи данных от МС к БС.


Определим необходимые для взаимодействия идентификаторы и широковещательные параметры сети на основании вышеописанных сценариев.


После своего включения терминалу необходимо осуществить поиск сети, то есть он пытается найти несущую 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. Информация о БС, относящихся к данной сети, хранится в списке ВА, который должен передаваться в составе BCCH.  При регистрации МС необходимо заявить о себе, то есть МС передает запрос на регистрацию вместе со своим идентификатором базовой станции. 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. Как известно, радиоизмерения являются неотъемлемой частью системы связи с подвижными объектами. Поэтому команда управления мощности сети также должны передаваться как один из параметров сети. 


Исходя из вышесказанного, можно построить диаграмму состояний терминала, отражающую рассматриваемые выше сценарии (рис. 5).


Рисунок 5. Диаграмма состояний терминала.


Список использованной литературы:

1. КП "Компактная система радиотелефонной связи"_часть_1_v.3

2. Лекции и слайды по курсу "Сети и средства связи с подвижными объектами".