Темой данного курсового проекта является «Локальная радиосеть». Приведем краткое описание темы. Система предназначается для объединения в единую радиосеть персональных компьютеров или других электронных устройств посредством любого стандартного интерфейса. Каждый участник сети должен получать в реальном масштабе времени информацию о других активных абонентах и иметь возможность соединения с любым из них. Основные требования к системе:

-    минимальный диапазон используемых частот;

-    возможность адаптивного изменения мощности передачи;

-    возможность адаптивного изменения скорости передачи.   

 Исходными  данными являются:

-         Максимальное количество абонентов  в сети: 35;

-         Радиус зоны обслуживания: 80 м;

-         Гарантируемая скорость передачи данных в обоих направлениях:4 Мбит/с;

-    Модель предсказания потерь: в соответствии с рекомендациями МСЭ;

-         Тип местности: городская застройка;

-         Вероятность ошибки на бит Pb:  2*10^-7;

-         Мощность излучения подвижной станции  Ризл< 0.3 Вт;

-         Рекомендуемая технология передачи: OFDM.

 Реализовать систему, заданную в ТЗ, можно с помощью структурированной сети или сети типа Ad HOC.

·        Структурированная сеть -  обладает стационарными проводными или беспроводными инфраструктурами, объединяет выделенные узлы сети и соединяет WLAN с другими сетями. В качестве выделенных узлов сети выступают базовые станции или точки доступа.

·        Сеть Ad HOC – это динамически изменяющаяся сеть произвольной типологии, состоящая из беспроводных терминалов. Функции выделенных узлов выполняют сами терминалы. 

Рассмотрим организацию системы с помощью структурированной сети.

Точки доступа обеспечивают взаимодействие беспроводных терминалов с проводной инфраструктурой сети. В большинстве случаев радиообмен осуществляется только между АР  (англ. Access Point - AP) и беспроводными терминалами, т.е. два сетевых терминала взаимодействуют друг с другом только через соответствующую точку доступа. Таким образом, АР выполняют те же функции, что и базовые станции в системах сотовой связи.  Точка доступа реализует большинство процедур, связанных с управлением передачей данных и доступом терминалов к радиоканалу, оставляя терминалам только простую обработку сигналов. Основным достоинством является гарантируемая скорость передачи между терминалами и точкой доступа. Структурированные сети могу быть построены по различным топологиям: узловая, радиальная, радиально-узловая. Структурированные сети не обладают полной гибкостью по причине наличия фиксированной проводной части. Этот недостаток отсутствует в сетях типа Ad Hoc. Простая беспроводная сеть для небольшого офиса может быть построена на основе одной точки доступа (см. рис. 1).

Рисунок 1. Пример структурированного типа построения сети.

Рассмотрим организацию системы с помощью сети типа AdHOC.   

В режиме Ad HОС (см. рис. 2) терминалы устанавливают связь непосредственно друг с другом. Устанавливается одноранговое взаимодействие по типу "точка-точка", и компьютеры взаимодействуют напрямую без применения точек доступа. При этом создается только одна зона обслуживания, не имеющая интерфейса для подключения к проводной локальной сети.

Рисунок 2. Пример организации сети типа Ad HOC.

Основное достоинство данного режима - простота организации: он не требует дополнительного оборудования (точки доступа). Режим может применяться для создания временных сетей для передачи данных. 

Практически реализация беспроводной сети, как правило, представляет собой компромисс между этими двумя перечисленными типами сетей.

В данном проекте я решил воспользоваться структурированной топологией построения сети  по следующим причинам:

Во-первых, построение сети по типу Ad HОС для 35 абонентов, на мой взгляд, является неуместным, т.к. скорость обмена данными в данной сети уменьшается пропорционально числу пользователей и расстояния между ними. 

Во-вторых, сети типа Ad HОС не предусмотрено наличие администратора, контролирующего работу сети, и имеется только одна зона обслуживания, не имеющая интерфейса для подключения к проводной локальной сети.  

Рассмотрим теперь   более тщательно поставленную перед нами задачу проектирования сети.

Источниками и получателями сообщений являются как терминалы  данной локальной радиосети, так и объекты других локальных радиосетей, в том числе и объекты глобальной сети Internet.

Точка доступа является коммутатором, позволяющим  переправлять пакеты информации как между терминалами данной локальной радиосети, так и во внешнюю сеть.

Характер трафика: пульсирующий. Возможна передача информационных сообщений отдельными порциями (пакетами) на время предоставления канала терминалу.

Основными требованиями к способу доставки сообщений являются надёжность доставки от отправителя к получателю и избежание коллизий во время осуществления передачи, что предусмотрено конфигурацией и используемой технологией сети.

 Администрирование сети будет осуществляться с удаленного сервера через сеть Internet.

В соответствии с заданием, проектируемая сеть предоставляет пользователям следующие услуги:

·        прием/передача данных между мобильными абонентами (строгое определение кому сообщение передается и от кого);

·        прием/передача коротких сообщений;

·        прием/передача между абонентами беспроводной сети и стационарными терминалами проводной сети (необходимо знание IP адресов компьютеров корпоративной сети);

 1.2. Проработка обобщенной функциональной схемы системы: выявление основных ее 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).

    Рассмотрим функциональную схему сети (рис. 3).

Рисунок 3. Функциональная схема сети.

                Данная система обслуживается администратором удаленно через сеть Internet, а на его сервере может находиться различная информация - паспортные данные абонентов, статистика работы сети, прочие служебные данные.

Опишем концепцию функционирования данной сети. Проектируемая сеть объединяет персональные компьютеры, ноутбуки и другие электронные устройства в единую радиосеть через точку доступа, которая, в свою очередь, подключена к проводной сети Еthernet. Как уже говорилось ранее, АР(ТД) выполняют те же функции, что и базовые станции в системах сотовой связи.  Точка доступа реализует большинство процедур, связанных с управлением передачей данных.  АР(ТД) - это "прозрачный" мост, который предоставляет беспроводный доступ компьютерам и другим устройствам, оборудованным беспроводными сетевыми картами. С помощью точек доступа, беспроводные терминалы могут быть очень быстро объединены в сеть. Все операции приема/передачи данных осуществляются исключительно через ТД.

Точка доступа состоит из приемника и передатчика, интерфейса для подключения к проводной сети и программного обеспечения для обработки и хранения данных.

Проведем описание функционирования данной системы на примере адресной доставки сообщения от одного терминала к другому.

Для начала работы в сети терминалу необходимо зарегистрироваться в  «родной» сети. В данной области может находиться не одна сеть, поэтому в результате поиска  на мониторе пользователя отображается список доступных сетей и абоненту необходимо выбрать необходимую ему сеть самостоятельно. По широковещательному каналу (BCCH) осуществляется передача ID сети (идентификатор находится в информационной системе ТД). После выбора сети терминал проходит процедуру регистрации абонента, для этого пользователю необходимо ввести уникальный логин и пароль. При успешной регистрации происходит авторизация абонента в сети, иначе пользователю снова предоставляется список доступных сетей и происходит повторная регистрация. При авторизации пользователя в сети происходит сопоставление списка доступных услуг для абонента. Данные о прошедших регистрацию абонентах хранятся в базе абонентов сети информационной системы ТД. 

Для того чтобы терминал смог начать передавать данные другому терминалу в сети, то ему необходимо перейти в активный режим и начать конкурентную борьбу за канал передачи данных. Если терминалу предоставляется канал, то происходит передача данных.  Если данные переданы успешно, то  они записываются в буфер ТД. ТД проверяет на основе таблицы маршрутизации, относится ли сообщение к ее сети по заданному  MAC адресу терминала.  ТД  вступает в конкурентную борьбу  за канал. Когда ТД предоставляется канал, она отправляет по этому каналу служебное сообщение  терминалу-отправителю  о том, что данные успешно получены ей и готовятся к передаче к  терминалу-получателю. Это сообщение служит сигналом терминалу – отправителю для перехода в пассивный режим.  

Если при передаче данных от терминала к ТД произошла коллизия, то ТД вступает  в конкурентную борьбу  за канал. Когда ТД предоставляется канал, она отправляет по этому каналу служебное сообщение  терминалу-отправителю  о том, что произошел  сбой при передаче данных и терминалу необходимо вновь вступить в конкурентную борьбу за канал для передачи данных.

Если данные переданы успешно и хранятся в буфере, а адрес терминала-получателя  относится к «родной» сети, то ТД вступает в конкурентную борьбу за канал. Когда ТД предоставляется канал, она оповещает терминал- получатель о наличии для него данных. Затем терминал-получатель переходит в активный режим и вступает в конкурентную борьбу за канал связи. Если терминалу предоставляется канал, то происходит передача данных.  Если данные были переданы успешно, то терминал-получатель вступает в конкурентную борьбу за канал.  Когда терминалу  предоставляется канал, она оповещает ТД об успешной  передаче данных. Иначе терминал вступает в конкурентную борьбу за канал.  Когда терминалу  предоставляется канал, она оповещает ТД о сбое при  передаче данных и необходимости повторной передачи.

Когда ТД получила информацию об успешной передаче данных, она очищает буфер  от переданных данных и вступает в конкурентную борьбу для передачи терминалу-отправителю сообщения об успешной передаче данных. 

Задачи, выполняемые точкой доступа:

1)    широковещательная рассылка системной информации (идентификатор сети, ТД)

Рассылка производится по широковещательному каналу BCCH как самой ТД для всех терминалов регулярно, так  и по запросу конкретного терминала с целью узнать какие абоненты активны.  Так же служит для оповещения о вновь прибывших терминалах и вышедших из сети. Системная информация содержит в себе идентификаторы абонентов,   в которых «заложены» соответствующие статусы («абонент активен», «абонент не активен»).

2)   процедура аутентификации пользователей

            Разрабатываемая локальная радиосеть должна быть закрыта для доступа посторонних лиц. Для предотвращения несанкционированного доступа каждому пользователю выдаются уникальный логин и пароль. Процедура аутентификации в сети состоит во вводе пользовательского идентификатора, так называемого логина и пароля (эта информация конфиденциальна). Получив введенный пользователем логин и пароль, ТД сравнивает их со значением, которое хранится в базе данных абонентов. В случае совпадения, ТД пропускает пользователя в систему. В случае утраты логина и пароля возможна смена на новы, но для этого необходима идентификация старыми уникальными данными.

3)   опрос терминалов на прием/передачу данных

При необходимости терминала передавать данные, он переходит в активный режим. ТД проверяет на основе таблицы маршрутизации, относится ли сообщение к ее сети, при заданном MAC адресе терминала. Если да, то он борется с другими терминалами за канал. Если терминалу предоставляется канал, то происходит передача данных, которые записываются в буфер ТД. Затем терминал переходит в пассивный режим. ТД извещает терминал о наличии для него данных. Терминал переходит в активный режим и готовится к приему данных по заданному каналу. По завершении успешного приема, ТД получает отчет о доставке сообщения (иначе повторная передача). Если терминал, который должен получить сообщение, не активен, то данные хранятся в буфере ТД, пока принимающий терминал не станет активным и не произойдет прием данных. Обмен данными между пользователями происходит в соответствии со специальной адресной книгой (таблицей маршрутизации).

4)   определение очереди выделения общего канала связи терминалам на определенное время, требуемое для передачи

Чтобы терминал мог передать данные, ему необходимо бороться с другими терминалами за канал, так как весь канал передачи данных отводится на передачу одного абонента  на некоторое время, т.е. только один терминал будет находиться в активном режиме, а остальные будут ждать освобождения канала. Если терминалу предоставляется канал, то происходит передача данных.

5)    хранение принятой информации до успешной передачи на требуемый терминал

Это обязательное условие для данной сети. В ТД находится буфер, в котором накапливаются данные принимаемые с терминалов. Записав данные для разным абонентов, ТД принимает решение о их передаче. Точка доступа формирует оповещения терминала о передаче, предназначаемой ему информации. После передачи терминал сообщает о том, что сообщение принято. Переданные данные удаляются из буфера. Для эффективного использования ресурсов сети точка доступа собирает статистику, которую обрабатывает администратор. Если ТД не поступил отчет о доставке от терминала об успешной передаче сообщения, то происходит повторная передача до тех пор, пока сообщение не будет передано верно.

6)   сбор статистических данных.

Необходимо для адаптации сети к малейшим изменениям. ТД «собирает» общую информацию о сети (идентификатор, основные параметры доступа и количество попыток входа в сеть) в буфер, доступ к которому ограничен и может быть предоставлен только администратору. Эти данные позволяют проводить анализ функционирования сети, поддержание ее на должном уровне. Анализ данных помогает в дальнейшем оптимизировать качество работы системы.

7)   синхронизация всех абонентских терминалов

Синхронизация всех терминалов в зоне радиопокрытия необходима для корректной работы терминалов в реальном масштабе времени.

Рис.4. Блок – схема точки доступа.

Радиомодуль – высокочастотный блок, приемо–передающее устройство, с помощью которого осуществляется соединение с ТД. Служит для приема данных с ТД и последующую передачу на другие ТД.

Данная сеть должна обрабатывать и передавать сообщения, но не только информационные сообщения между терминалами, но и служебные сообщения. Эти сообщения относятся к подсистеме сигнализации и отвечают за корректировку сценариев взаимодействия ТД и терминалов.

Информационная система – содержит в себе журналы статистики и активных абонентов и два регистра: услуг и сетевых настроек.

Буфер – промежуточное хранилище данных, содержит все данные, приходящие с терминалов. После заполнения буфера, ТД с помощью блока управления пересылает данные, требуемые терминалом.

Блок управления – организует работу ТД, контролирует передачу данных между абонентскими терминалами.

Сетевой контроллер – устройство, необходимое для объединения нескольких абонентских терминалов в сеть, а так же для подключения Internet.

Подсистема оперативных измерений - определяет параметры сети с точки зрения ее производительности, например уровень сигнала, оповещает подсистему управления, которая затем отправляет команду радиомодулю перестроиться на соответствующий профиль (статья 3).

        Таким образом, можно сказать, что ТД это коммутатор, который обеспечивает управление каналом связи, а так же «направляет» все входящие сообщения по необходимым адресатам. ТД организует работу всей системы и реализует все этапы передачи данных от терминала к терминалу.

 Рисунок 5. Блок-схема терминала.

Абонентский терминал - представляет собой собственно сам ПК и нескольких блоков осуществляющих прием и передачу данных:

Радиомодуль - так же как и в ТД представляет собой высокочастотный блок, приемо–передающее устройство, с помощью которого осуществляется соединение с ТД. Служит для приема данных с ТД и последующую передачу на другие ТД.

Информационная система – содержит: статистику (время работы абонента в сети, входящий и исходящий трафик); список предоставляемых услуг данному пользователю; сетевой адрес; индивидуальный ключ идентификации UID (логин и пароль); персональный идентификатор PID.

Блок управления - формирует запросы на передачу информации, принимает решение об изменение своего режима работы (активный/пассивный, в зависимости от поставленных задач пользователем). Является интеллектуальной составляющей терминала. Указывает адрес получателя и данные, необходимые для передачи.

Сетевой контроллер. Периферийное устройство, которое помогает в сопряжении абонентского оборудования  и других устройств терминала.

Блок подсистемы сигнализации  выполняет аналогичные функции, как и в системе точки доступа.

Рассмотрим функции, выполняемые терминалом:

1.     Формирование запроса на регистрацию и предоставление канала связи.

Формирование терминалом запроса на регистрацию необходимо для получения обслуживания в данной локальной сети. Для этого терминалу необходимо пройти процедуру аутентификации и получить доступ к физическому каналу связи.

2.     Проведение измерений.

Проведение измерений необходимо для измерения уровня сигнала от АР. Данные измерения  играют важную роль в выборе пути развития сценария текущего соединения. Полученные результаты анализируются информационной подсистемой терминала, и затем выбирается необходимый профиль работы в данной ситуации. Измерения проводятся с целью улучшения качества передачи данных.

3.     Прослушивание канала связи.

Прослушивание канала связи необходимо для получения доступа к  нему. Так как в данной сети реализуется один общий физический канал связи. Прослушивая канал, терминал получает всю необходимую информацию для работы от АР по широковещательному каналу.

4.     Переход в режим энергосбережения.

Переход в режим энергосбережения является обязательным. В данном режиме терминалы проводят большую часть времени. Для его организации терминалу необходимо перейти в пассивный режим и работать с широковещательными пакетами (п. 1.5.1. Часть 2).

Модуляция применяется для переноса сигнала на радиочастоту. Кодирование необходимо, чтобы на приемной стороне была возможность борьбы с ошибками. Так производится перемежение для борьбы с пакетными ошибками. В ТД осуществляются те же самые преобразования.

Терминал, которому требуется передать данные, необходимо проверить  на занятость - прослушивание канала. Это будет осуществляться на физическом уровне, где определяется уровень сигнала и сравнивается с установленным пороговым значением. Если измеренный уровень больше порогового, передача откладывается. Передача будет возможна только в случае того, когда измеренное значение будет ниже порогового.

После передачи данных с ТД терминал отвечает о том, приняты ли данные. В случае успешной передачи данные из буфера ТД удаляются.

В   сети существует единственный широкополосный симплексный канал связи, который занимается только одним передающим устройством. Все остальные пользователи находятся в режиме ожидания освобождения канала связи. Исходя из этого,  следует, что все остальные терминалы могу переходить в пассивный режим для экономии энергии. Так же терминал переходит в пассивный режим после успешной передачи, пока ТД не  оповестит о готовящейся передаче и когда у самого терминала возникнет необходимость в передаче данных.

1.3. Определение и обоснование структуры информационной подсистемы сети. Выявление важнейших регистров подсистемы, пояснение необходимых информационных связей.

 Вся информация об абонентах, доступных услугах, статистика хранится в информационной системе ТД.

Рисунок 6. Блок-схема информационной системы точки доступа.

Данная система содержит две базы данных:

Регистрационная база данных абонентов сети хранит в себе информацию об абонентах, которым выданы конкретные терминалы и которые имеют возможность подключения к данной сети. Эти сведения так же включают в себя:

- персональный идентификатор терминала PID;

- данные пользователя, получившего в пользование терминал;

- индивидуальный ключ идентификации пользователя UID.

Журнал активных абонентов подразумевает собой базу данный, но в нем уже хранится информация об абонентах, подключенных к сети на данный момент времени. Эти сведения так же включают в себя:

- персональный идентификатор терминала PID;

- индивидуальный ключ идентификации пользователя UID, который пользуется терминалом в данный момент времени;

- временный идентификатор терминала TID, который присваивается ему на время подключения к сети.

Журнал статистики представляет собой набор информации о времени пребывания в сети абонента (время вхождения в сеть и время отключения от сети), входящий и исходящий трафик и идентификатор оборудования.

Регистр услуг – список предоставляемых услуг определенному терминалу ТД.

Регистр сетевых настроек – включает в себя настройки, которые необходимые для обеспечения услуг данной сети.

Терминал, так же как и ТД будет иметь свою собственную информационную систему.

Рис.7. Блок – схема информационной системы терминала.

Информационная система терминала схожа с информационной системой точки доступа.

Регистрационная база данных абонентов сети – будет включать список других абонентов сети, информацию об абонентах, список активных и не активных терминалов.

Собственная информация терминала – персональный идентификатор терминала, данные пользователя, индивидуальный ключ идентификации пользователя (логин и пароль), сетевой адрес

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

Регистр услуг – список предоставляемых услуг данному терминалу.

Регистр сетевых настроек – содержит в себе настройки, необходимые для обеспечения этих услуг.

Список используемой литературы:

1.      А.В. Бакке. «Лекции по курсу ССПО»

2.      Скляр Б. «Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение».- М.: Вильямс, 2003г.

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

4.      http://www.xnets.ru/plugins/content/content.php?content.60

5.   КП "Локальная радиосеть" п. 1,1-1,3. Часть 1. Svetlana   http://omoled.ru/publications/view/291

6.   КП "Локальная радиосеть". Часть 1. Калинкин В.В.   http://omoled.ru/publications/view/295

7.   КП на тему "Локальная радиосеть" п. 1.1-1.3 (1 часть) Vitaly    http://omoled.ru/publications/view/299

8.   КП на тему "Локальная радиосеть" п. 1.1-1.3 (часть №1) Анна Ночная  http://omoled.ru/publications/view/292