Радиосеть передачи данных.

Часть 1

(Саутина М.Ю., РГРТУ, гр.9110)

1. Анализ поставленной задачи и исходных данных, выявление особенностей работы системы. Цель – проработка идеи создания сети как целостной системы. В контексте решаемой задачи выделение источников и получателей информационных сообщений, оценка характера трафика и обозначение требований к способу доставки сообщений. Определение списка основных и дополнительных услуг системы, предоставляемых пользователю.

В данном КП необходимо реализовать систему, предназначенную для решения проблемы «последней мили». «Последняя миля» — это участок от провайдера до конечного пользователя. В технической литературе данное понятие используется для описания проблем и решений в этом, фактически самом трудном, участке сетей. Одним из наиболее дешевых и эффективных способов устранения проблемы «последней мили» при небольшом количестве абонентов является  радиодоступ.

           Исходными данными являются:

• Максимальное количество абонентов: 100.
• Радиус зоны радиопокрытия: 1.5 км.
• Максимальная скорость передачи данных :  DownStream: 8 Мбит/c.

UpStream: 1 Мбит/c.

• Модель предсказания потерь: выбрать самостоятельно.
• Тип местности – пригород.
• Вероятность ошибки на бит P_b – 3∙10^-7.
• Мощность излучения подвижной станции P_{изл АС} - < 5 Вт.
• Рекомендуемая технология передачи: OFDM.

 Основные требования  к системе:

• Минимальный диапазон используемых частот.
• Возможность адаптивного изменения мощности передачи.
• Возможность адаптивного изменения скорости передачи.

Использование минимального диапазона частот подразумевает под собой грамотное частотное планирование. Возможность адаптивного изменения мощности заключается в том, что мощность излучения выбирается такой, чтобы обеспечить уверенный прием сообщений. Например, если уровень сигнала от терминала (Т) слабый, то точка доступа АР (англ. Access Point) отправляет служебное сообщение терминалу, чтобы он повысил мощность излучения. Если количество активных пользователей в сети не максимально, то можно увеличить скорость передачи данных. Это реализуется «разделением» высокоскоростного канала внешней сети на несколько подканалов и равномерное распределение этих подканалов между активными пользователями, в режиме предоставления услуги, с помощью АР. Увеличение скорости передачи будет осуществлено выделением пользователю нескольких таких подканалов. Один такой подканал будет обеспечивать минимальную скорость передачи данных.

В качестве примера разрабатываемой радиосети передачи данных рассмотрим коттеджный поселок. С одной стороны системы имеем сеть Internet, с другой -  пользователей. АР принимает потоки данных от пользователей и передает их в Internet, а также получает ответные потоки и передаёт их абонентам. Для того чтобы использовать услуги сети, будущий пользователь должен заключить договор с провайдером. При этом пользователь получает Т, который подключается к стандартному разъёму оконечного оборудования (ОО). На проектируемую систему ложится задача гарантируемой доставки сообщений от Т к АР и в противоположном направлении.

Пользователь может выступать в качества источника сообщения, формируя его с помощью программного обеспечения оконечного оборудования. В этом случае получателем  является узел Internet. Источником может быть и узел Internet, но в этом случае путь, по которому отправляется информационное сообщение, был заранее создан, с помощью запроса пользователя. Получателем в таком случае является обладатель Т.

     Трафик в данной системе может быть как пульсирующий (генерирует сеансовые сетевые приложения, такие, как веб-браузеры и почтовые клиенты) и постоянный (генерирует загрузки файлов и мультимедиа-приложения). Подробный анализ  структуры сообщений будет приведен в третьей статье.

   Для рассмотрения работы сети, считаю целесообразно ввести понятие потока. От одного терминала на АР может одновременно поступать несколько потоков, логично будет пронумеровать потоки от каждого терминала. Присваивать номера будет АР.

    Так как данная система предназначена для передачи данных, то следует предусмотреть гарантируемую доставку сообщений пользователям. Для этого в системе используется автоматический запрос повторной передачи (англ. Architectural Research Quarterly – ARQ).  ARQ используется только для пульсирующего трафика. Для некоторых (например, широковещательных) служебных сообщений возможна негарантированная доставка.

  Основная услуга системы, предоставляемая пользователям это – передача данных. Дополнительные услуги в системе не предусмотрены.

            2. Проработка обобщенной функциональной схемы системы: выявление основных её компонент и описание функциональных связей. Краткое описание концепции функционирования сети в виде анализа доставки информационных/служебных сообщений системы по схеме: сообщения для передачи – инициатор сеанса связи – доставка сообщения (сеть) – получатель сообщения. Обоснование наличия выделенных узлов сети и отражение их задач. Выбор интерфейсов взаимодействия разрабатываемой сети с внешними компонентами (при необходимости).

 Обобщенная функциональная схема системы представлена на рис.1

Рис.1 Обобщенная функциональная схема системы

       В системе присутствуют 2 типа функциональных узлов:

1. Точка доступа (АР)

2. Терминал (Т)

            АР соединена с сетью Internet по проводной технологии в соответствии с протоколом Ethernet  и с терминалами при помощи единого радиоинтерфейса. Т сопряжен с ОО по протоколу USB. АР должна обслуживать пользователей своей сети, чтобы безошибочно определять их, каждый Т должен обладать уникальным идентификатором. АР так же обладает идентификатором сети. В системе предусмотрено резервное копирование информационной системы (ИС) АР на удаленный сервер. Предполагается внешнее управление АР - это осуществляет администратор.

 Функции администратора:

• поддержание работоспособности сети и её компонентов;
• защита данных (введение режима шифрования данных);
• усовершенствование программного обеспечения и его установка;
• включение и отключение системы, терминалов;
• анализ статистических данных о работе сети;
• архивирование и резервное копирование ИС.

       Функционирование радиосети начинается с поиска сети. Точка доступа передает широковещательное сообщение, которое включает идентификатор АР (ID_AP), хранящийся в ИС АР (рис.5). При включении терминал осуществляет поиск сети, найдя сеть терминал получает ID_AP, сравнивает его с идентификатором, который хранится в информационной системе терминала в сведениях о АР (рис. 2, 1) . Если идентификаторы совпадают, то осуществляется процедура регистрации терминала в сети, если идентификаторы различаются, то терминал продолжает поиск сети. Для того, чтобы терминал зарегистрировался в сети, он должен передать идентификатор Т (ID_Term) точке доступа (рис. 2, 2). ID_Term хранится в информационной системе терминала (рис.6) Точка доступа сравнивает полученный ID_Term, с идентификатором Т, который хранится в её информационной системе в журнале абонентов (рис. 5). Если идентификаторы одинаковы, то процедура регистрации закончена и в журнале абонентов ИС точки доступа будет поставлен флаг, указывающий, что Т активен. Эти процедуры осуществляются один раз, при включении терминала. При дальнейшем функционировании сети АР последовательно будет опрашивать терминалы, на предмет их активности и надобности им подканала связи. Это необходимо для того, чтобы АР знала скольким пользователям требуется канал и принимала решение о количестве подканалов, которые могут быть выделены на каждого активного пользователя в режиме приема/передачи, это позволяет увеличить скорости передачи. После завершения регистрации терминал может сделать запросы к узлу Internet. Для этого терминал передает URL-адрес точке доступа, АР присваивает ему номер потока и сохраняет его в регистр хранения сообщений ИС(рис.5) и ставит в соответствии ID_Term   и отправляет запрос в Internet (рис. 2, 3). Спустя  время Internet присылает ответ на запрашиваемую страницу точке доступа, АР в соответствии с регистром хранения сообщений находит терминал, который делал запрос, находит номер потока и передает сообщение терминалу (рис.2, 4).

Рис. 2. Краткая концепция функционирования сети.

Необходимо сформулировать основные задачи выделенных узлов радиосети, терминала и точки доступа.

 Задачи АР:

·    приём и передача адресных сообщений;

·    приём и обработка запросов от Т;

·    передача общей информации о сети;

·    организация и выделение подканалов связи;

·    сбор статистических данных о работе сети;

·    формирование запросов на повторную передачу.

Задачи Т:

·    приём и обработка запросов от АР;

·    формирование запросов на повторную передачу;

·    приём и передача пакетов.

            3. Функциональные схемы точки доступа и терминалов.

 Функциональная схема АР представлена на рис.3

Рис.3 Функциональная схема АР 

      В состав функциональной схемы АР входит радиомодуль  выполняющий ряд важных функций. Во-первых, радиомодуль осуществляет гарантируемую доставку информационных сообщений терминалам, во-вторых, принимает информационные и служебные сообщения от терминалов. Одним из требований к разрабатываемой системе является адаптивное изменение мощности передачи терминалов, поэтому в функциональную схему АР будет входить модуль проведения оперативных измерений. Данный модуль измеряет мощность, излучаемую каждым терминалом. Эти сведения поступают на модуль обработки каналов сигнализации и принятия решения. Все принимаемые от терминалов сообщения поступают на модуль извлечения информационных сообщений(ИС). Задача этого модуля отделить информационные потоки от служебных сообщений. Информационные потоки от Т поступают в информационную систему, где они нумеруются и ставятся в соответствие ID_Term. Далее потоки отправляются во внешнюю сеть с помощью технологии  Ethernet. Поэтому в составе АР предусмотрен  Ethernet контроллер. Приходящий из внешней сети  поток, пройдя сетевой контроллер, направляется в ИС, для определения номера потока и принадлежности к какому-либо ID_Term. Пройдя ИС, поток направляется на буфер. Наличие буфера объясняется тем, что трафик в этом направлении может носит пульсирующий характер и применяться  ARQ. Буфер выполняет функции временного хранения как передаваемых информационных потоков так и служебных сообщений. Далее информационный поток поступает на радиомодуль.

 Функциональная схема Т представлена на рис. 4.

Рис. 4. Функциональная схема Т

            В состав функциональной схемы Т входит радиомодуль  выполняющий ряд функций. Во-первых, радиомодуль фрагментирует приходящий информационный поток на сообщения, во-вторых, обеспечивает прием служебных сообщений от АР. Все принятые от АР сообщения попадают на модуль извлечения информационных сообщений. Задача этого модуля отделить информационные потоки от служебных сообщений. Информационные потоки направляются на USB-контроллер. Служебные сообщения направляются на модуль управления ресурсами терминала. Который на основе этих сообщений решает как будут развиваться и корректироваться сценарии взаимодействия Т и АР. Также на основе принятых служебных сообщений этот модуль осуществляет управление радиомодулем (смена профиля функционирования, управление мощностью излучения).  В составе терминала необходимо предусмотреть информационную систему, которая отвечает за хранение идентификатора Т, идентификатора АР.

4. Определение и обоснование структуры информационной системы. Выявление важнейших модулей информационной системы и выявление необходимых связей модулей.

Информационная система АР представлена на рис. 5

Рис. 5. Информационная система АР

Журнал абонентов - содержит в себе всю необходимую информацию о пользователях радиосети (идентификаторы Т, их активность). Все данные, содержащиеся в журнале абонентов, автоматически сохраняются в резервную копию, с помощью ресурсов сети Internet.

  Журнал статистики - содержит такую информацию, как входящий/исходящий трафик, время пребывания в сети, продолжительность сеансов, идентификатор Т.

      Информация о АР –идентификатор АР, служебные характеристики.

В блоке сведения о сети, происходит сбор статистических данных о работе сети для дальнейшего управления и адаптации к изменениям условий сети.

Модуль управления, получив сведения о сети, выбирает необходимый сценарий взаимодействия сети в конкретной ситуации.

           Сценарий взаимодействия (профили функционирования), изменение данных профилей, в зависимости от ситуации, оптимизируют работу данной сети.

      В регистре хранения сообщений хранится пронумерованные потоки URL-адресов, запрашиваемых пользователем. Каждому запрошенному потоку ставится в соответствие идентификатор Т.

             Информационная система Т представлена на рис. 6

Рис. 6. Информационная система Т.

            Сведения о АР – необходимые сведения (идентификатор АР, наименование сети ) для регистрации терминала в сети.

Информация о терминале   –  персональный  идентификатор Т,  данные  пользователя.

Журнал статистики – информация о времени вхождения в сеть, времени отключения от неё, входящий и исходящий трафик.

Список используемой литературы:

1. Сергей Агзамов," Проблема «последней мили» и выбор решений" 2006г.

  http://infocom.uz/2006/07/19/problema-posledney-mili-i-vyibor-resheniy/

2. Алексей Гречаников,  "Эффективное использование канала доступа в интернет " 2002г. http://old.kv.by/index2002400801.htm

3.Светлана Подкопаева "Локальная радиосеть. Часть 1"  http://omoled.ru/publications/view/291

4. Владислав Калинкин"Локальная радиосеть. Часть 1"   http://omoled.ru/publications/view/295

5. Анна Ночная "Локальная радиосеть. Часть 1"   http://omoled.ru/publications/view/292

6. Алексей Баклагин "Радиосеть передачи данных. Часть 1" http://omoled.ru/publications/view/296

7. Сергей Милованов "Система сбора данных с подвижных станций. Часть 1" http://omoled.ru/publications/view/288

8. Иван Лукашин "Радиосистема дистанционного видеоконтроля. Часть 1" http://omoled.ru/publications/view/453