1.6 Построение канального уровня системы

 1.6.1.Описание назначения сервисов канального уровня из контекста решаемых задач. Определение способов адресной доставки сообщений канального уровня.

Канальный уровень обеспечивает создание, передачу и прием кадров данных. Этот уровень обслуживает запросы сетевого уровня и использует сервис физического уровня для приема и передачи пакетов. Спецификации IEEE 802.x делят канальный уровень на два подуровня: управление логическим каналом (LLC) и управление доступом к среде (MAC). LLC обеспечивает обслуживание сетевого уровня, а подуровень MAC регулирует доступ к разделяемой физической среде.

Сетевой уровень отвечает за деление пользователей на группы. На этом уровне происходит маршрутизация пакетов на основе преобразования MAC-адресов в сетевые адреса. Сетевой уровень обеспечивает также прозрачную передачу пакетов на транспортный уровень.

На физическом уровне просто пересылаются биты. При этом не учитывается, что в некоторых сетях, в которых линии связи используются (разделяются) попеременно несколькими парами взаимодействующих компьютеров, физическая среда передачи может быть занята. Поэтому одной из задач канального уровня (Data Link layer) является проверка доступности среды передачи. Другой задачей канального уровня является реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок. Для этого на канальном уровне биты группируются в наборы, называемые кадрами (frames). Канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого кадра, помещая специальную последовательность бит в начало и конец каждого кадра, для его выделения, а также вычисляет контрольную сумму, обрабатывая все байты кадра определенным способом и добавляя контрольную сумму к кадру. Когда кадр приходит по сети, получатель снова вычисляет контрольную сумму полученных данных и сравнивает результат с контрольной суммой из кадра. Если они совпадают, кадр считается правильным и принимается. Если же контрольные суммы не совпадают, то фиксируется ошибка. Канальный уровень может не только обнаруживать ошибки, но и исправлять их за счет повторной передачи поврежденных кадров. Необходимо отметить, что функция исправления ошибок не является обязательной для канального уровня, поэтому в некоторых протоколах этого уровня она отсутствует, например, в Ethernet и frame relay.

В разрабатываемой системе  сложные способы  адресной доставки не нужны, так как  используется  соединение точка- точка.  В такой системе  требуется информация о всех участниках сети. Каждый терминал и ТД имеют свои IP адреса.

 В информационной системе терминала находятся собственный идентификатор и  идентификатор ТД. В информационной системе ТД хранится информация о всех терминалах, имеющих возможность подключения к сети.

 В журнал статистики заносятся данные о времени вхождения в сеть терминада, его  идентификатор, а также входящий/ исходящий трафик. При подключении к сети терминала ,ТД проверяет в базе данных абонентов наличие ID данного терминала. Если его ID найден , то происходит подключение и заносится этот терминал в список активных абонентов. Также терминал проверяет его ТД, сверяет ID с тем который у него находится информационной системе. Если  ID не известен то подключение не происходит.

В данной системе будут выделены 4 типа логических каналов связи:

 1.BCCH(Broadcast control channels) – широковещательный канал, предназначен  для широковещательной передачи общей информации о сети.

2. RACH ( Random access channel) -канал параллельного доступа, предназначен для  запроса регистрации терминала в сети. Так же по нему осуществляется запрос для выделения канала трафика для передачи сообщений терминалам.

3. AGCH  (Access Granted Channel)- канал разрешенного доступа для информирования терминала о том, что доступ к системе разрешен и  будет обслужен;

4. TCH (Traffic Channel - TCH)- канал трафика  предназначен для передачи данных.

Применение ARQ необходимо.В нашей системе приемная сторона формирует подтверждение получения, по окончанию передачи приемная сторона сообщает передающей о том, прошла ли успешна передача. Если прием прошел успешно то передающая сторона получает положительное подтверждение - ACK. В обратном случае -

приходит отрицательное подтверждение – NAK. Это свидетельствует о том, что необходима повторная передача.

Для оценки достоверности принимаемых сведений можно ввести поле контрольной суммы. Рассмотрим суть этого метода. Контрольная сумма вычисляется на передающей стороне. С точки зрения математики контрольная сумма является хеш-функцией, используемой для вычисления контрольного кода. Значение контрольной суммы добавляется в конец блока данных непосредственно перед началом передачи. На приемной стороне будет производиться вычисление контрольной суммы по известному алгоритму, и сравнение полученного значения, с тем, который находился в пакете. Тем самым будут выявляться ошибочные пакеты.

1.6.2. Выделение типов логических каналов связи (ЛКС), используемых на канальном уровне. Назначение сообщений, передаваемых по каждому ЛКС. Оценка возможности применения ARQ (Automatic Repeat-reQuest) в ЛКС. Способ обеспечения достоверности принимаемых сообщений.

  В данной системе будут выделены 4 типа логических каналов связи:

 1.BCCH(Broadcast control channels) – широковещательный канал, предназначен  для широковещательной передачи общей информации о сети.

2. RACH ( Random access channel) -канал параллельного доступа, предназначен для  запроса регистрации терминала в сети. Так же по нему осуществляется запрос для выделения канала трафика для передачи сообщений терминалам.

3. AGCH  (Access Granted Channel)- канал разрешенного доступа для информирования терминала о том, что доступ к системе разрешен и  будет обслужен;

4. TCH (Traffic Channel - TCH)- канал трафика  предназначен для передачи данных.

Применение ARQ необходимо.В нашей системе приемная сторона формирует подтверждение получения, по окончанию передачи приемная сторона сообщает передающей о том, прошла ли успешна передача. Если прием прошел успешно то передающая сторона получает положительное подтверждение - ACK. В обратном случае -приходит отрицательное подтверждение – NAK. Это свидетельствует о том, что необходима повторная передача.

Для оценки достоверности принимаемых сведений можно ввести поле контрольной суммы. Рассмотрим суть этого метода. Контрольная сумма вычисляется на передающей стороне. С точки зрения математики контрольная сумма является хеш-функцией, используемой для вычисления контрольного кода. Значение контрольной суммы добавляется в конец блока данных непосредственно перед началом передачи. На приемной стороне будет производиться вычисление контрольной суммы по известному алгоритму, и сравнение полученного значения, с тем, который находилсяв пакете. Тем самым будут выявляться ошибочные пакеты.

Для того, чтобы определить долевую оценку пропускной способности ЛКС,  и оценить полный трафик системы разделим физический канал на доли, которые выражены в процентах.

Примем пропускную способность канала равную 100 %.

т1+т2+т3+т4= 100%   

     т1 -  доля широковещательного канала (BCCH). Если пропускную способность физического канала будет 100%, то на широковещательный канал  отведётся 1% от всей пропускной способности.

     т2 – доля канала параллельного доступа (RACH). При пропусконой способности равной 100%, на канал  RACH отведётся 2% от всей пропускной способности.

     т3  –доля  канала разрешенного доступа (AGCH). На канал разрешенного доступа  отводится 1% от всей пропускной способности.

     т4 - доля канала трафика (TCH). На него будет приходиться 96 %.

Сводная таблица логических каналов связи:

1.6.4. Анализ необходимости наличия разных профилей настройки физического уровня. Способ оперативного управления профилями физического уровня.

  В разрабатываемой сети будет использоваться только один профиль физического уровня, тоесть  используется одна модуляция  QAM-16.  Данный тип модуляции подразумевает, что информация кодируется не только за счёт изменения фазы сигнала, но и за счёт его амплитуды. Минусом метода является более низкая помехоустойчивость,  чем,  например, у QPSK. Но несомненым плюс является более высокая скорость.

 1.6.5. Пояснение структуры сообщения (пакета) канального уровня:  описание предполагаемых видов пакетов и необходимых полей. Описание процедуры типового обмена сообщениями между объектами канального уровня.

FL -  флаги начала и завершения(4 бита), выполняют функцию защитного интервала.

ID ТД – идентификатор точки доступа (6 бит).

ID терминала – идентификатор терминала(6 бит)

Ключ доступа (6бит), по нему ТД принимает решение о подлинности терминала, разрешает зарегистрироваться в сети.

1.       2.   Пакет ответа на запрос регистрации в сети (28 бит):

FL -  флаги начала и завершения(4 бита), выполняют функцию защитного интервала.

ID ТД – идентификатор точки доступа (6 бит).

ID терминала – идентификатор терминала(6 бит)

Ответ на регистрацию (8 бит). Позволяет терминалам при совпадении кода доступа зарегистрироваться в сети. В другом  случае содержит отказ в регистрации.

Запрос на предоставление КС (8 бит) от терминала для точки доступа

FL -  флаги начала и завершения(4 бита), выполняют функцию защитного интервала.

ID ТД – идентификатор точки доступа (6 бит).

FL -  флаги начала и завершения(4 бита), выполняют функцию защитного интервала.

ID терминала – идентификатор терминала(6 бит)

Поле управления содержит информацию о том , на какое время был выделен физический канал для терминала.

 FL -  флаги начала и завершения(4 бита), выполняют функцию защитного интервала.

 ID ТД – идентификатор точки доступа (6 бит).

 ID терминала – идентификатор терминала(6 бит)

 Поле данных содержит всю пользовательскую информацию(564 бита).

 FL -  флаги начала и завершения(4 бита), выполняют функцию защитного интервала.

 ID ТД – идентификатор точки доступа (6 бит).

 ID терминала – идентификатор терминала(6 бит).

 Поле ACK/NAC – содержит в себе информацию о том, существует ли ошибка или нет (8бит).

   7.  Пакет вызава терминала ТД(28бит) :

   FL -  флаги начала и завершения(4 бита), выполняют функцию защитного интервала.

   ID ТД – идентификатор точки доступа (6 бит).

 FL -  флаги начала и завершения(4 бита), выполняют функцию защитного интервала.

 ID ТД – идентификатор точки доступа (6 бит).

 ID терминала – идентификатор терминала(6 бит)

 Поле запроса- в нём содержится запрос  ТД на повторную передачу (8 бит)

FL -  флаги начала и завершения(4 бита), выполняют функцию защитного интервала.

ID терминала – идентификатор терминала(6 бит).

1.7. Разработка физического уровня системы.

1.7.1. Назначение физического уровня, проработка структуры радиоинтерфейса,

обеспечивающего двусторонний обмен данными. Пояснение инкапсуляции сообщений ЛКС в радиоинтерфейсе.

 Назначением физического уровня является передача данных. На этом уровне происходит преобразование цифрового потока в реальный цифровой сигнал, который передаётся по соединению.

 Физический уровень:

1.передача битов по физическим каналам ;

2.формирование электрических сигналов ;

3.кодирование информации;

4.синхронизация ;

При продвижении пакета данных по уровням сверху вниз, каждый новый уровень добавляет к пакету свою служебную информацию в виде заголовка . Эта операция называется инкапсуляцией данных верхнего уровня в пакете нижнего уровня. Она  означает добавление адресной и управляющей информации (капсулы) в подлежащий передаче пакет. При этом сам пакет передают без каких либо преобразований.

   1.7.2. Расчет полной пропускной способности физического КС соединения «терминал-БС».

 Расчет полной пропускной способности был выполнен в п. 1.6.3 и составляет 11 Мбит/с с учетом помехоустойчивого кодирования, реализации преамбулы, защитных интервалов на физическом уровне

Одним из факторов появления ошибок при передаче пакетов данных, является многолучевая интерференция. Многолучевость приводит к возникновению замираний и искажений полученного сигнала. Для борьбы с замираниями будем использовать помехоустойчивое кодирование. Помехоустойчивый кодер добавляет к информационным битам сообщения дополнительные избыточные биты, чтобы на приемной стороне была возможность исправленить  вошибки в результате передачи пакетов.

Эффективной мерой защиты физического уровня от многолучевости является использование технологии OFDM. Технология передачи OFDM обладает высокой

1.7.4. Энергетический расчет системы: обоснованный выбор частотного диапазона (на основании документов ГКРЧ); оценка уровня потерь при распространении радиоволн выбранного диапазона; обоснование выбора вида модуляции; расчет отношения сигнал/шум, требуемого для обеспечения заданной вероятности битовой ошибки для выбранного вида и типа модуляции/демодуляции.

Разрабатываемая сеть основана стандарте IEEE 802.11а. В соответствии с сертификацией предусмотрено использование частотного диапазона 2,4 ГГц и 5 ГГц. В связи с тем, что диапазон 2,4 ГГц не лицензируем и получить разрешение намного проще.  Поэтому остановимся на этом диапазоне.

Несущая частота- 2,4 ГГц.

Выберим модуляцию QAM-16.

Данный тип модуляции подразумевает, что информация кодируется не только за счёт изменения фазы сигнала, но и за счёт его амплитуды. Минусом метода является более низкая помехоустойчивость,  чем,  например, у QPSK. Но несомненым плюс является более высокая скорость.

        1 . 7 . 5 . Обоснованный выбор метода помехоустойчивого кодирования , перемежения, деперемежения, оценка  эффективности кодирования . Коррекция данных расчета п. 1. 7. 4 и проверка на соответствие исходным данным.

        Помехоустойчивое кодирование будет реализовано с помощью свердочного кода со скоростью ½. При использовании кодирования мы получим выигрыш в ОСШ, но при этом кодер внесет избыточность.

        Суть сверточного кодирования заключается в том, что к последовательности передаваемых битов добавляются служебные биты, значения которых зависят от нескольких предыдущих переданных битов. То есть сверточный кодер добавляет определенную избыточную информацию к исходной последовательности. Это позволяет исправить ошибки, возникшие при передаче, на приемной стороне. Декодирование свёрточных кодов, как правило, производится по алгоритму Витерби, который пытается восстановить переданную последовательность согласно критерию максимального правдоподобия. Сверточный код не исправит все ошибки, поэтому необходимо применение прямой коррекции ошибок (FEC). Прямая коррекция ошибок позволяет исправлять ошибки методом упреждения. Её применяют для исправления и ошибок при передаче данных, путём передачи избыточной служебной информации, на основе которой может быть восстановлено первоначальное содержание посылки. Для того чтобы оценить количество дополнительных битов, необходимых для исправления ошибок, нужно знать расстояние Хемминга между разрешенными комбинациями кода. Расстояние Хемминга – минимальное число битовых разрядов, в которых отличается любая пара разрешенных кодов. Перемежение в данной сети используется для обеспечения борьбы с пакетными ошибками. Здесь будем  использовать блочное перемежение.

С применением сверточного кодирования имеем выигрыш 3,81 дБ.

Чувствительность приемника:

Pпм дБ = Pш дБ + Nk + C/N, где

Nk=10 дБ – мощность шума первых каскадов.

C/N = Eb/N0+10*log(R / Пш) = 11,35 + 4,98 = 16,33 дБ

Pпм дБ = -156,9 +10+16,33= -130,57дБ

Переведем полученное значение в Вт:

1.7.7. Пояснение функциональной схемы физического уровня системы

Блоки битов, поступающие с канального уровня,  кодируются сверточным кодером со скоростью кодирования ½, и поступают на перемежитель, осуществляющий перестановку бит по заданному алгоритму. Далее последовательность бит поступает на блок сборки пакетов физического уровня, где формируется пакеты данных. При формировании пакета к нему добавляется так называемая «преамбула» для реализации временной и частотной синхронизации. Потом данные поступают на блок модуляции, где они преобразуются в модуляционные символы, которыми модулируются информационные поднесущие OFDM сигнала в блоке ОFDM модулятора и передаются в канал.

1.7.8. Пояснение назначения логических каналов связи, используемых на физическом уровне.

В проектируемой сети на физическом уровне будут использоваться следующие логические КС:

- Виртуальный канал синхронизации. Он нужен для установления и поддержания временной и частотной синхронизации. Будет реализован в виде преамбулы, добавляемой к передаваемому сообщению.

1.7.9. Определение типов пакетов физического уровня, обоснование структуры полей пакетов каждого типа, оценка размеров полей.

Рассмотрим пакет физического уровня проектируемой сети (рис. 5) :

В одном символе OFDM содержится 96 информационных поднесущих .  Также используется циклический префикс равный 1/16 длительности символа OFDM.

– Преамбула (12 OFDM символов), необходима для временной и частотной синхронизации приемных устройств.
– Служебное поле (1 OFDM символ ) , содержит информацию о профиле.
– Поле данных и поле FEC состоит из 3 OFDM символов. Эти поля необходимы для непосредственной передачи пользовательской информации и исправления ошибок в процессе передачи.

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.