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 описывает схему взаимодействия сетевых объектов, определяет перечень задач и правила передачи данных. Она включает в себя семь уровней: физический (Physical), канальный (Data-Link), сетевой (Network), транспортный (Transport), сеансовый (Session), представления данных (Presentation ) и прикладной (Application). 

 

 

Для поставленной задачи в работе используется иерархическая модель (Рис.1) передачи данных, включающая следующие слои:

- физический уровень (physical Layer – L1);

- канальный уровень (Link Access Layer – L2);

- уровень принятия решений (верхний уровень) 

 

 


Рис.1. Иерархическая модель.

 

 Транспортный уровень служит для обеспечения приложениям верхнего уровня доставки сообщений с необходимой степенью надежности. Принцип гарантированной доставки основан на том, что передающая сторона всегда «знает», были ли доставлены данные приемной стороне или нет. Это обеспечивается тем, что принимающая сторона подтверждает успешный прием данных. Если передающая сторона не получает подтверждения, то возникает необходимость в повторной передаче пакета.

 Сетевой уровень ответственен за маршрутизацию пакетов при взаимодействии нескольких сетей. Его основной задачей является доставка пакетов сетевого уровня любому узлу сети и маршрутизация. Исходя  из того, что в проектируемой сети данные передаются от терминала к АР и от АР к терминалу, а это является простейшим путем передачи данных, который не требует сложных маршрутов, приходим к  выводу: наличие сетевого и более высоких уровней в нашей сети не требуется. 

 

Краткий анализ необходимых уровней с обоснованием выполняемых задач.

 

Физический уровень модели

 

На физическом уровне должна быть обеспечена задача надежной передачи потока битов, поступающего с канального уровня. Любые технические решения, направленные на повышение достоверности приема битов, могут быть реализованы на физическом уровне. Выполняются следующие задачи:

1)     Модуляция/демодуляция.  Предназначена для переноса сигнала на заведомо известную несущую частоту и для дальнейшей передачи его по радиоканалу. При выборе вида модуляции, будем исходить из минимального диапазона используемых частот.

2)    Формирование сигналов. В данной системе для формирования сигналов будет использоваться OFDM .

3)    Кодирование / декодирование. Требуется для обнаружения и исправления ошибок, возникающих при передаче  путем добавления избыточности в информационную последовательность. В данной системе будем использовать сверточное кодирование с кодовой скоростью 1/2 и длиной кодового ограничения 7.

4)    Перемежение / деперемежение.  Применяется для борьбы с замираниями и возникновением связанных с ними пакетов ошибок. Суть перемежения в том, что происходит перестановка символов кодированной последовательности до ее модуляции и восстановлении исходной последовательности после демодуляции.

5)    Синхронизация.  Необходима для того, чтобы передающий узел данных мог передать какой-то сигнал принимающему узлу, а принимающий узел знал, когда начать прием поступающих данных. Виды синхронизации: символьная, битовая . Для организации битовой синхронизации будет использоваться система ФАПЧ. Для тактовой синхронизации будет из приёмника извлекаться таймерный сигнал.Тактовая синхронизация - это процесс формирования таймерного сигнала в приемнике, который определяет моменты стробирования демодулированного сигнала.

6)    Сборка/разборка пакетов.  Это  формирование пакетов канального уровня, а также выделение полей принятого сообщения.

7)    Проведение измерений уровня сигнала в сети. Проведение измерений играет ключевую роль в функционировании разрабатываемой сети. На основании данных измерений модуль управления принимает решение о выборе того или иного профиля работы системы.

 

Канальный уровень модели

 

 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. Протоколы канального уровня обеспечивают доставку сообщений только между узлами одной локальной сети. 

 Канальный уровень подразделяется на 2 подуровня:

1)    Подуровень адресации и формирования всех видов сообщений (MAC)

 

2)    Подуровень управления доступом к физическому каналу связи (CAC).

 

 MAC - подуровень использует информацию из таблицы маршрутизации (статья 1), для реализации адресации при передаче сообщений канальным уровнем. Эта таблица хранится в информационной подсистеме АР. Также на МАС  подуровне происходит формирование нескольких типов пакетов:

- пакет служебной информации;

- пакет трафика.


Также на канальном уровне происходит обнаружение ошибок путем расчета контрольной суммы (CRC). Которая также вычисляется на стороне получателя по некоторому известному алгоритму и сравнивается с полученной в кадре. Если значения совпадают, кадр считается правильным. Если значения контрольных сумм не совпадают, фиксируется ошибка, и формируется запрос на повторную передачу поврежденного кадра, в соответствии с его номером.

 САС подуровень реализует многостанционный алгоритм доступа к каналу связи. В данной системе конкурентная борьба за канал связи осуществляется на основе метода CSMA, суть которого заключается в том, что перед передачей данных станция прослушивает канал. Но в случае, если канал уже используется, то терминал ожидает наступления очередного этапа конкурентной борьбы за физический канал связи и алгоритм повторяется заново (п.1.5.2). 

 

Таким образом, структура описанных выше уровней будет выглядеть следующим образом:

  

 

 Рис.2. Структура необходимых уровней данной 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.

 

Режим регистрации. После включения абонентского оборудования происходит поиск сигнала сети. Из широковещательного сигнала выделяется идентификатор сети. Если никакая сеть не будет найдена, то терминал перейдет на определенное время в пассивный режим, а затем снова осуществит поиск сети. Если сеть была найдена , то осуществляется попытка регистрации данного терминала в сети. Регистрация происходит на основе конкурентной борьбы. Прежде чем отправить запрос на предоставление канала связи, каждый терминал осуществляет контроль качества канала связи, на основе работы подсистемы радиоизмерений, и определяет необходимый профиль функционирования. Информацию о своем профиле терминал передает вместе с запросом по каналу вызова RACH. Точка доступа также осуществляет контроль качества канала связи. На основании принятых запросов, точка доступа формирует пакет оповещения, в котором в частности содержится информация о выбранном для передачи данных профиле функционирования систем, и передает его терминалу, выигравшему борьбу за канал. Проигравшие терминалы переходят в  пассивный режим на время передачи данных. Выигравший терминал осуществляет передачу своего уникального идентификатора ID терминала. Точка доступа сравнивает полученный идентификатор с тем, который записан в ее регистре идентификаторов. Если такой идентификатор есть, то точка доступа должна отправить терминалу  сигнал подтверждения регистрации. Если терминал такого сигнала не получает, то он вновь осуществляет поиск сети. При успешной регистрации терминал записывает в свою память идентификатор сети ID ТД, который необходим для последующего доступа в сеть без прохождения процедуры регистрации. 

После успешного вхождения в сеть, терминал может работать в следующих режимах:

Режим передачи – в данном режиме начинается непосредственная передача данных, в случае «победы» в конкурентной борьбе. При ошибке точка доступа отправляет запрос на повторную передачу.

Режим приема – режим приема данных. Точка доступа переводит терминал из спящего режима в режим приема, когда есть данные для передачи этому терминалу.

Пассивный  режим – режим пониженного энергопотребления. В этом режиме терминал не выполняет никаких задач. Из данного режима терминал выходит при передаче и при приеме. Через определенный интервал времени терминал «просыпается» и прослушивает канал. Если данных для него нет, то он вновь переходит в пассивный режим. Если есть, то переходит в режим приема. Таким образом, терминал будет «просыпаться» каждый раз, через определенный интервал времени.

 

Рассмотрим подробнее режим энергосбережения. Работа в режиме сниженного энергопотребления осуществляется путем работы с широковещательными пакетами, при котором  интервал прослушивания определяется точкой доступа и объявляется в ее сигнальных пакетах. В них содержится служебное сообщение такого рода, как «Терминал №… просыпайтесь, для Вас есть сообщение». Терминал выходит из «спящего» режима, принимает предназначенные ему данные и снова переходит в спящий режим.

Режимы работы представлены в целостной диаграмме состояний терминала (п.1.5.4.).

 

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

 

Для получения доступа к физическому каналу в проектируемой сети используется метод многостанционного доступа CSMA. Для передачи сообщения терминалу сначала необходимо захватить общий канал на время передачи данных. Принцип  процедуры CSMA построен так, чтобы избегать коллизий. Терминал перед посылкой информации проверяет, нет ли информации в канале передачи, и после этого ждет некий интервал (выбранный случайным образом), защищающий от возникновения коллизий. Если в этот момент не возникнет передача от другого терминала, то он ждет истечения выбранного промежутка времени и захватывает канал. Это предотвращает возможность одновременного занятия канала, поскольку, если в этот момент два терминала хотят передать сообщение, то случайное время начала передачи позволяет им разнести передачу по времени. Далее процесс идет согласно обычному алгоритму. Если передатчик получает подтверждение об успешном приеме, то передача прошла успешно. Если подтверждение не получено, терминал снова повторяет ранее описанный алгоритм. Рассмотрим подробнее, как это происходит (рис. 3).

 

 



Рисунок 3. Сценарий организации доступа к физическому каналу связи.

 

 

В момент времени t0 ТД  начинает передавать широковещательные сообщения, предназначенные всем терминалам, которые  содержат сведения о сети и то, что канал связи свободен. Затем за время (t1- t2) терминалы, которые к тому времени сформировали сообщение для передачи, начинают конкурировать за получение доступа к общему каналу связи. В своем запросе, каждый терминал указывает, сколько ему необходимо времени для передачи. В данной сети побеждает тот терминал, запрос от которого был раньше получен ТД. Далее точка доступа производит выделение канала (t3- t2)  для «победившего» терминала на время, необходимое ему для передачи пакета и получения отчета о его доставке (t4- t3).  Как только сообщение было принято, принимающая сторона передает подтверждение приема. Если передача была успешной, терминал переходит в пассивный режим, а если нет, то терминалу необходима повторная передача. Также может быть, что точка доступа сама вступает в борьбу за канал и, естественно, выигрывает его, так она является «приоритетнее» терминалов. Это происходит тогда, когда в регистре точки доступа накапливаются сообщения для передачи. Например, в момент времени (t5- t4) она осуществляет рассылку сигнальных пакетов для необходимых терминалов, находящихся в пассивном режиме.  А затем данный сценарий повторяется.

 

В проектируемой сети, в адаптивном изменении скорости нет необходимости, так как для передачи данных одного терминала используется весь канал связи, и поэтому скорость передачи данных будет приемлемой.


1.5.3. Проработка сценариев взаимодействия абонентских терминалов с точкой доступа или другими терминалами сети в каждом режиме работы. Определение необходимых для взаимодействия идентификаторов и широковещательных параметров сети.

 

Необходимыми для взаимодействия в сети идентификаторами являются:

  •     ID точки доступа;
  •      ID терминалов
  •     Логин и пароль пользователей.


Сценарии взаимодействия абонентских терминалов с точкой доступа в каждом режиме работы можно отразить на диаграмме состояний (рис. 4).


Рисунок 4 - Сценарий организации доступа к физическому каналу


1.     Режим регистрации.

 


 

Рисунок 5 – Диаграмма состояний терминала перед регистрацией

  

 

2.     Режим передачи

 

  





Рисунок 6 – Диаграмма состояний терминала в режиме передачи

 

 

3.       Режим приема



Рисунок 7 – Диаграмма состояний терминала в режиме приема

 

 

Когда терминал находится в пассивном режиме, возникает проблема принятия сигналов от ТД. Решением этой проблемы является периодическая активация терминала для принятия сигналов от ТД. Об этих сигналах ТД сообщает терминалу, что для него информация. В буферах ТД накоплены сообщения для терминала – осуществляется передача.

Интервал «пробуждения» терминала задается самостоятельно. Активируясь, терминал связывается с ТД и сообщает с каким интервалом будет прослушивать канал связи. Пока терминал находится в спящем режиме, данные для него записываются и хранятся в буфере ТД. Так же после получения подтверждения терминал либо переходит в пассивный режим, либо принимает решение о повторной передаче. Далее на общих основаниях осуществляет доступ к каналу связи.




 1.5.4. Построение целостной диаграммы состояний терминала, отражающей рассматриваемые сценарии.

 

  

Рисунок 8 – Целостная диаграмма состояний 


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.

4.                Феер К. «Беспроводная цифровая связь», пер. с англ./под ред. В.И. Журавлева, М.: Радио и связь, 2000 г.

5.                Функции канального уровня модели OSI.

6.                Современные телекоммуникации.

7.                Системы радиосвязи SAGA.

8.                Беспроводные сети. Современное состояние и перспективы развития.

9.                КП на тему "Локальная радиосеть" п. 1.1-1.3 (часть №1)