Радиосеть передачи данных.
Часть 2
(Саутина М.Ю., РГРТУ, гр.9110)
1. 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. Модель представляется в виде иерархической структуры узлов и соединений, независящих от программной и физической реализаций, а также назначения передаваемой информации.
На рис.1 изображенная общая эталонная модель OSI и модель OSI разрабатываемой системы.
Рис. 1. а) эталонная модель OSI; б) разрабатываемая модель OSI.
Верхние уровни модели (прикладной, представительский, сеансовый) можно объединить в один уровень – уровень принятия решения, в силу относительной несложности нашей системы. Данный уровень очень важен, так как выполняет основные функции «мозгового» центра сети. Уровень принятия решения оперирует данными информационной системы (ИС) и принимает решение на основе анализа данных, полученного с нижних уровней, о дальнейшей работе системы – например, о выборе профиля функционирования. Решение о функционировании сети принимается исходя из служебных сообщений, а также на основе сценариев взаимодействия Т с АР, прописанных в программном обеспечении АР и терминалов. На данном уровне используется 2 типа сообщений: информационные сообщения и служебные сообщения.
Транспортный уровень обеспечивает приложениям верхнего уровня доставку сообщений с необходимой степенью надежности, которая осуществляет гарантированную доставку сообщений между приложениями верхних уровней. Транспортный уровень контролирует отсутствие ошибок в принимаемых данных, расположение пакетов в соответствующем порядке и их полноту. В разрабатываемой системе транспортный уровень не требуется, так как часть его функций делегирует на канальный уровень, а часть на уровень принятия решений.
Сетевой уровень обеспечивает маршрутизацию пакетов на основе преобразования MAC-адресов в сетевые адреса. Задачей данного уровня является доставка пакетов сетевого уровня любому узлу сети и маршрутизация. Исходя из того, что в проектируемой сети данные передаются от Т к АР и далее во внешнюю сеть Internet и в противоположном направлении, приходим к выводу: требуется наличие сетевого уровня в разрабатываемой системе.
Канальный уровень предназначен для защиты передаваемых данных от ошибок при передаче между узлами сети. Этот уровень обслуживает запросы сетевого уровня и использует сервис физического уровня для передачи и приема пакетов. Протоколы канального уровня обеспечивают доставку сообщений только между узлами одной радиосети.
Канальный уровень разделяют на 2 подуровня
· Подуровень адресации и формирования всех видов сообщений (Media Access Control -МАС)
· Подуровень управления доступом к физическому каналу связи (Channel Access and Control - САС)
На канальном уровне решаются следующие задачи: инкапсуляция сообщений c L3-уровня, обеспечение надежной доставки (CRC), адресация сообщения, организация доступа к физическому каналу связи (ФКС).
Инкапсуляция сообщений c L3-уровня заключается в том, что сообщение L3-уровня «обрастает» дополнительными полями. Набор полей зависит от того, по какому из логических каналов канального уровня будет передаваться сообщение (структура сообщений представлена в третьей статье).
Также на канальном уровне происходит обнаружение ошибок путем расчета контрольной суммы (CRC), которая вычисляется на стороне получателя по известному алгоритму и сравнивает с полученной суммой. Если значения совпадают, считается, что пакет принят безошибочно. Если значения контрольных сумм отличаются, то фиксируется ошибка и формируется запрос на повторную передачу поврежденного пакета, в соответствии с его номером.
На канальном уровне также представлена служба адресации, осуществляющая адресную передачу сообщений, за счет помещения адреса Т или АР в соответствующее поле пакета канального уровня.
В разрабатываемой радиосети будет использоваться схема множественного доступа с распределение физических каналов по запросу (Demand Assigned Multiple Access, DAMA). По сути, работа системы происходит в два этапа. Первый этап – резервирование временных интервалов для будущей передачи. На этом этапе АР будет последовательно опрашивать зарегистрированные терминалы на предмет необходимости им подканала связи. Если не все временные интервалы будут зарезервированы, то АР может разделить оставшиеся временные интервалы между Т. На втором этапе идет непосредственная передача данных в отведенные интервалы времени.
Физический уровень(ФУ) – это самый нижний уровень модели, он необходим для передачи потока данных. На физическом уровне определены правила взаимодействия двух сетевых устройств, соединенных друг с другом. Физический уровень предназначен для передачи потока данных от Т к АР и наоборот.
Параметры ФУ:
· вид модуляции;
· тип помехоустойчивого кодирования;
· глубина перемежения;
· обеспечение тактовой частотной и пакетной синхронизации.
Следует отметить, что существует несколько способов организации физических подканалов, т.е. способов доступа к физической среде. В системе будет использоваться множественный доступ с разделением по времени (Time Division Multiple Access - TDMA). Технология TDMA выбрана так же для того, чтобы использовать минимальный диапазон частот (требование ТЗ).Перемежение предусмотрено для борьбы с пакетами ошибок. Суть перемежения: перестанавливаются биты кодированной последовательности до её модуляции и восстановление исходной последовательности после демодуляции. В разрабатываемой системе будет использован блочный перемежитель.
В разрабатываемой системе будет использоваться технология ортогонального частотного мультиплексирования (OFDM) для устранения последствий интерференции и многолучевости.
2. Проработка задач верхнего уровня.
2.1. Определение и краткая характеристика возможных режимов работы абонентского терминала, отражающих решения выполненных ранее п. 1.1-1.3. Проработка понятия сеанса соединения, атрибутов соединения.
В проектируемой радиосети предусмотрены следующие режимы работы:
· Режим поиска сети. Режим предназначен для того чтобы терминалы могли определить их это сеть или нет.
· Режим регистрации. Если в режиме поиска сети Т определил, что это сеть его, то Т отправляет свой IDTerm, хранящийся в ИС терминала, точке доступа. АР сравнивает идентификатор с хранящимся у неё IDTerm. Если они совпадают, то АР отправляет Т сигнал подтверждения регистрации. Если Т не получил такого сигнала, то он снова осуществляет поиск сети.
·Режим передачи. В этом режиме начинается непосредственная передача данных. Если произошла ошибка, АР отправляет запрос на повторную передачу, это применимо только для пульсирующего трафика.
·Режим приема. В этом режиме происходит прием данных. АР переводит терминал из пассивного режима в режим приема, если есть данные для передачи этому терминалу.
· Пассивный режим (IDLE). Режим пониженного энергопотребления, в котором терминал находится большую часть времени. Из этого режима Т выходит только при передаче или приеме сообщений.
2.2. Проработка способов обеспечения энергосбережения для всех режимов работы терминалов. Разработка и пояснение способа адаптивного изменения скорости и мощности передачи данных (в соответствии с заданием)
Терминал большую часть времени находится в пассивном режиме, подразумевается отсутствие со стороны Т какой либо активности. Терминал в этом режиме лишь получает широковещательную информацию и отвечает АР, что он активен и сообщает, требуется ему канал или готов ли он к приему сообщения от АР, или он остается в пассивном режиме.
Возможно энергосбережение в режиме передачи, с помощью адаптивного изменения мощности. Изменение мощности заключается в следующем:
1. АР измеряет уровень сигнала в каждом активном подканале и сравнивает их с уровнем сигнала достаточным для достоверного приема (стандартный);
2. если уровень сигнала в подканале превышает стандартный уровень, то АР передает Т команду на уменьшение мощности передачи. Данная ситуация возможна, когда терминалы функционируют вблизи АР;
3. если уровень сигнала в подканале меньше стандартного уровня, т.е. не обеспечивается достоверный прием, то АР дает команду на смену профиля функционирования на более помехоустойчивый. Если это не помогает, то АР подает Т команду на увеличение мощности передачи. Данная ситуация возможна, когда терминалы удалены на значительные расстояния от АР.
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 режимах передачи или приема, с помощью АР. Увеличение скорости передачи будет осуществлено выделением пользователю нескольких таких подканалов. Один такой подканал будет обеспечивать минимальную скорость передачи данных.
2.3. Разработка сценариев взаимодействия абонентских терминалов с базовой станцией (точкой доступа) во всех режимах работы. Проработка условий перехода терминала из одного состояния в другое. Построение диаграмм состояний терминала, отражающих рассматриваемые сценарии. Определение необходимых для взаимодействия идентификаторов и широковещательных параметров сети.
Рассмотрим сценарии взаимодействия Т и АР в основных режимах работы.
1. Режим поиска сети. В данном режиме Т прослушивает широковещательный канал и определяет наличие/отсутствие широковещательного сообщения. Широковещательное сообщение включает в себя IDАР, который необходим Т для идентификации сети.
1. Режим регистрации. Если IDАР совпадает, с хранящейся у Т, 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 IDTerm точке доступа. Точка доступа сравнивает полученный идентификатор Т, с идентификатором Т который хранится в её информационной системе. Если идентификаторы одинаковы, то процедура регистрации закончена.
а) б)
Рис. 2. а) сценарий режима поиска сети и режима регистрации терминала в сети; б) диаграмма состояний терминала при поиске сети и регистрации.
BCCH (Broadcast Control Chanel) – канал общей информации.
RACH (Random Access Channel) – канал случайного доступа.
AGCH (Access Grant Channel) – канал разрешенного доступа.
ACH (Access Channel) – канал доступа.
TCH (Traffic CHannels) – канал трафика.
2. Режим передачи. АР последовательно опрашивает все активные терминалы на предмет их активности и на необходимость им подканалов связи, это осуществляется с помощью канала AGCH. Следует отметить, что каждый терминал, будет отвечать в отведенный ему промежуток времени, интервалы времени для ответа терминалов, передаются так же по каналу AGCH, это сделано с целью избежания коллизий. По каналу АСН терминалы будут отвечать, что им требуется подканал для передачи. Далее происходит передача данных. Если после передачи пришло подтверждение о доставке, то Т уходит в пассивный режим, в противном случае режим передачи вновь повториться.
а) б)
Рис. 3. а) сценарий режима передачи данных б) диаграмма состояний терминала при передаче данных.
3. Режим приема. АР последовательно опрашивает все активные терминалы на предмет их активности и сообщает терминалам, что для них есть сообщения, это осуществляется с помощью канала AGCH. Следует отметить, что каждый терминал, будет отвечать в отведенный ему промежуток времени, интервалы времени для ответа терминалов, передаются так же по каналу AGCH, это сделано с целью избежания коллизий. По каналу АСН терминалы будут отвечать, что готовы к приему информации. Далее происходит прием данных. Если прием прошел успешно, то отсылается подтверждение о доставке АР, Т уходит в пассивный режим, в противном случае режим приема вновь повториться.
Рис. 4. а) сценарий режима приема данных б) диаграмма состояний терминала при приеме данных
При описании режимов работы Т, можно было ввести режим завершения сеанса связи, но он не является необходимым, так как АР сама принимает решение о выходе Т. Решение может быть принято, на основании следующих случаев:
- Т самостоятельно покинул сеть;
- Была потеряна связь Т с АР.
Необходимые для взаимодействия идентификаторы и широковещательные параметры сети:
- IDАР;
- IDTerm.
2.4. Построение и описание диаграммы состояний, отражающей функционирование базовой станции (точки доступа).
На рис. 5, представлена диаграмма состояний, отражающая функционирование точки доступа. Функционирование АР начинается с передачи широковещательного сообщения (ВССН). Затем АР получает сообщения от терминалов, содержащее IDTerm. АР сравнивает полученный IDTerm с идентификатором, хранившимся в её ИС, если они совпадают, то процесс регистрации завершен, в противном случае – терминал не зарегистрирован. В журнале абонентов, находящемся в ИС точки доступа, напротив IDTerm зарегистрированных терминалов, ставится метка активности. Регистрация в сети происходит на основе конкурентной борьбы, то есть если на широковещательное сообщение отвечает несколько терминалов, то зарегистрирован будет тот Т, идентификатор которого был передан раньше всех. Процедура передачи ВССН периодически повторяется.
АР опрашивает зарегистрированные Т на предмет их активности и в каком режиме находится терминал. Если Т находится в пассивном режиме, то подканал передачи ему не предоставляется. При приеме заявок от терминалов измеряется уровень сигнала от каждого терминала, если сигнал достаточный для приема/передачи, то происходит выделение подканала, в противном случае осуществляется смена профиля или повышение мощности передачи от терминала, далее так же происходит выделение подканала. По выделенному подканалу в режиме приема АР принимает поток данных от Т, и помещает его в регистр хранения сообщения и ставит ему в соответствие IDTerm . Далее АР обращается к узлу Internet. Через некоторое время узел Internet присылает ответ АР на запрашиваемую страницу, АР в соответствии с регистром хранения сообщений находит терминал, который делал запрос. АР в сообщении опроса оповещает терминал, о том что для него есть информация и выделяет ему подканал. Далее АР по выделенному каналу передает запрашиваемую страницу Т.
Рис. 5. Диаграммы состояний, отражающей функционирование точки доступа.
Список используемой литературы:
1.Скляр Б. «Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение». - М.: Вильямс, 2003 г.
2. Весоловский К. – Системы подвижной радиосвязи, М.: Горячая линия – Телеком, 2006
3. Анна Ночная "Локальная радиосеть. Часть 2" http://omoled.ru/publications/view/316
4. Светлана Подкопаева "Локальная радиосеть. Часть 2"http://omoled.ru/publications/view/320
5. Сергей Милованов "Система сбора данных с подвижных станций. Часть 2" http://omoled.ru/publications/view/324
6. Мария Саутина "Радиосеть передачи данных. Часть 1" http://omoled.ru/publications/view/460