1.5. Проработка задач верхнего уровня.

1.5.1. Обоснование способа установления маршрута передачи сообщений (описание процедур гарантированной/негарантированной доставки адресных сообщений) с использованием идентификаторов терминалов и выделенного узла сети, обоснование широковещательных параметров сети. Проработка примера, иллюстрирующего процедуру доставки информационного сообщения узлам сети.

Поскольку разрабатываемая система является структурированной, то есть в ней присутствуют устройства, выполняющие большинство процедур, связанных с управлением передачей данных и доступом Т к радиоканалу (АР), то  для нее вопрос поиска маршрута при передаче сообщения от одного узла другому не так актуален как скажем для сети Ad Hoc. Весь обмен происходит через АР, в зоне радиопокрытия которой в данный момент находится терминал.

Пользователи отправляют в сеть содержащие адрес назначения и нумерованные пакеты данных. Нумерация обеспечивает правильный порядок пакетов на принимающей стороне. Пакеты с адресом запрашиваемого узла отправляются терминалом на соответствующую АР, а оттуда по динамически устанавливаемому маршруту в пункт назначения.

Основная услуга системы – передача данных. Для обеспечения лучшего качества обслуживания применяют гарантированную доставку адресных сообщений, когда принимающая сторона отправляет подтверждение о правильности переданных данных. В случае, если подтверждение не отправлено, передающая сторона повторяет передачу. Поясним этот режим на диаграмме, отражающей обмен пакетами между Терминалом и АР (рис.7):

 

Рис.7. Гарантированная передача адресного сообщения.

На рис.7 З  - заголовок, N – номер пакета, tобр – время обработки заголовка, tпр – время определения правильность принятых данных, ACK – сообщение подтверждения.

Недостаток гарантированной доставки сообщений в том, что сообщения ACK дополнительно загружают канал связи. Поэтому для передачи небольших объемов данных, а также служебных сообщений можно использовать негарантированную доставку.

В п. 1.2 данного КП уже говорилось о том, что для прохождения процедуры регистрации Терминала в сети необходим такой широковещательный параметр как идентификатор АР – SSID. 

1.5.2. Определение и краткая характеристика возможных режимов работы терминала, отражающих решения выполненных ранее п.1.1-1.3. Определение активных и пассивных состояний (режимов) узлов. Проработка понятия сеанса соединения, характеристика параметров соединения.

            В данной системе Терминал может находиться в следующих режимах:

- Режим поиска сети – поиск широковещательных сообщений, включающих SSID различных АР, и сравнение этих SSID с теми, что хранятся в информационной системе.

- Режим регистрации – передача в сеть своего уникального идентификатора и ожидание ответа от АР. Если отправленный IDT совпал с хранящимся в ИС АР, то АР отправляет Т сигнал подтверждения регистрации. Если ответа нет, то Т возвращается в режим поиска сети. Также при желании администратор может ограничить доступ к сети, установив пароль. В таком случае, вместе с идентификатором Т должен передать сети еще и пароль, и только при совпадении обоих параметров регистрация будет пройдена.

- IDLE (режим пониженного энергопотребления) – этот режим является пассивным. Т настроен на широковещательную несущую, по которой принимает сообщения, ожидая вызова. Из этого режима Т выходит только для передачи/приема сообщений, находясь в нем большую часть времени.

- Режим передачи данных – непосредственная передача Терминалом данных в сеть. Для этого Т должен выйти из режима IDLE и получить доступ к каналу связи.

- Режим приема сообщений – прием данных от АР, которая переводит терминал из пассивного режима в режим приема, если есть данные для передачи этому терминалу.

              Взаимодействие абонента с сетью происходит с помощью информационных и служебных сообщений. Для их передачи между абонентом и сетью должно существовать соединение. В данном случае, им является канал связи, под которым понимается общий ресурс (время, частота и т.д.), используемый для передачи.  Установление канала связи между абонентом и сетью на определенный временной интервал называется сеансом соединения. Его характеристики: тип соединения, время установления канала связи, занимаемый канальный ресурс, продолжительность соединения.

            В данной работе необходимо обеспечить требования о минимальном диапазоне используемых частот и адаптивном изменении скорости передачи. В п.1.1 уже говорилось о разбиении всего канального ресурса на подканалы, которые также называют физическими каналами. Для реализации первого требования в качестве метода организации физических каналов выберем TDMA – временное разделение каналов. Данный метод предполагает выделение канального ресурса каждому пользователю, но на короткий промежуток времени t. А для обеспечения множественного доступа будем использовать механизм с распределение физических каналов по запросу (Demand Assigned Multiple Access, DAMA), когда АР сначала опрашивает Т о необходимости предоставления им канала связи, и в зависимости от результатов опроса распределяет общий канальный ресурс между заявившими о себе терминалами. Подробнее о данных процедурах будет рассказано в дальнейшем.

1.5.3. Обоснование способа контроля качества соединения (организация радиоизмерений) как в активном, так и в пассивном состояниях сетевых узлов. Анализ необходимости наличия разных профилей настройки физ. уровня. Проработка иллюстрации способа оперативного управления профилями физического уровня.

            Так как беспроводные сети характеризуются худшим качеством передачи данных по сравнению с проводными из-за нестабильности помеховой обстановки в радиоканале, то необходимо постоянно получать информацию о состоянии окружающей среды. Кроме того, некоторые из терминалов могут быть мобильными, следовательно имеет место проблема многолучевого распространения радиосигнала, что также негативно влияет на качество связи. Поэтому в состав АР входят устройства, производящие радиоизмерения, которые периодически производятся в свободные от передачи/приема сообщений временные интервалы. Данные, получаемые с помощью этих устройств, поступают в блок управления АР, и в зависимости от них блоком управления может быть принято решение о смене профиля физического уровня.

            Под профилем физического уровня понимается уникальный набор параметров процессов, выполняемых на физическом уровне: вид модуляции, скорость кодирования. В данной системе остановимся на двух профилях. Стартовым логично выбрать профиль с более помехоустойчивым видом модуляции (BPSK), а при улучшении помеховой обстановки в канале можно для увеличения скорости передачи данных перейти на второй профиль с модуляцией QAM-16.

            Также проведение радиоизмерений важно для процедуры передачи обслуживания, поскольку границы зон радиопокрытия АР определяются по уровню мощности, необходимому для обеспечения требуемого качества услуг (QoS). АР не только прослушивает все активные соединения, оценивая уровень мощности, но и принимает сигналы от соседних АР. Если для какого-то из мобильных терминалов сети уровень сигнала от АР2 выше, чем от АР1, в зоне действия которой он находится, то АР1 с помощью полученных данных, пришедших в ее блок управления, должна принять решение о передаче обслуживания Т АР2. Для этого АР1 необходимо установить соединение с АР2, сообщив ей идентификатор Т, а также информацию о необходимости предоставления ему канала для передачи данных, в случае если Т передавал или принимал данные. Также необходимо передать АР2 содержимое буфера АР1, имеющее отношение к сеансу соединения с данным терминалом.

1.5.4. Пояснение и сравнительный анализ способов обеспечения энергосбережения сетевыми узлами. Аргументированный выбор решений по обеспечению энергосбережения.

1.5.5. Разработка и пояснение способа адаптивного изменения скорости и мощности передачи данных (в соответствии с заданием).

Большая часть энергии тратится сетевыми узлами при передаче данных, поэтому основным способом обеспечения энергосбережения является то, что терминал большую часть времени находится в режиме IDLE. Терминал в этом режиме  лишь получает широковещательную информацию и отвечает АР,  подтверждая свою активность, а также сообщая, требуется ему канал или готов ли он к приему сообщения от АР, или он остается в пассивном режиме. Возможно уменьшение длительности сеанса передачи данных, если не использовать гарантированную доставку.

Другой вариант обеспечения энергосбережения в режиме передачи связан с адаптивным изменением мощности. АР с помощью устройства проведения радиоизмерений оценивает мощность в каждом активном подканале и сравнивает их с параметром, хранящимся в своей ИС (достаточная для достоверного приема мощность). В случае, если уровень в подканале выше установленного параметра, то АР передает терминалу команду на уменьшение мощности. Это относится, в первую очередь, к Т, располагающимся в данный момент на небольшом отдалении от АР.

Если же уровень сигнала ниже, то АР может либо дать команду сменить профиль на первый (BPSK) для улучшения качества обслуживания, либо уменьшить мощность, если первый вариант невозможен или не дал нужного результата.

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.

Также увеличение скорости возможно за счет смены профиля физического уровня с первого на второй (QAM-16).

1.5.6. Разработка сценария взаимодействия терминалов с базовой станцией (точкой доступа) или другими терминалами сети для каждого режима работы, представленного в п.1.5.1. Проработка условий перехода терминала из одной точки сценария к другой. Построение и подробное пояснение графических диаграмм состояний терминала, отражающих рассматриваемые сценарии.

            Как было отмечено в п.1.5.2 между Т и сетью должно существовать соединение. Кроме этого необходим сценарий соединения – набор правил, которые отражают реальную услугу.

            Рассмотрим сценарии взаимодействия Т с АР для каждого режима работы.

            - Режим поиска сети – Т прослушивает широковещательные канал на наличие широковещательных сообщений от АР, включающих SSID различных АР, и сравнивает этих SSID с теми, что хранятся в информационной системе. В случае несовпадения или отсутствия широковещательной информации поиск сети продолжается.

            - Режим регистрации (рис.8) – если SSID AP был найден в информационной системе Т, начинается процедура регистрации. Терминал посылает АР свой ID и при необходимости пароль. Если эти данные совпадают с теми, что хранятся в журнале абонентов ИС АР, то процедура регистрации завершается передачей терминалу сообщения о подтверждении регистрации.


Рис. 8. Режим регистрации

            - Режим передачи данных (рис.9)  - после окончании регистрации Т переходит в режим IDLE и, чтобы передавать данные ему необходимо перейти в активный режим и получить доступ к каналу. Для этого АР опрашивает Т на предмет необходимости предоставления им канала связи. Т отвечают сообщением о предоставлении канала, при этом они должны передавать их в разные временные интервалы для предотвращения коллизий. После получения канального ресурса происходит непосредственная передача данных. Передача данных заканчивается только после получения подтверждения о правильности приема, затем Т переходит в пассивный режим.


Рис. 9. Режим передачи.

            - Режим приема данных (рис.10) – в процессе широковещательного опроса АР не только узнает о необходимости выделения Т канального ресурса, но и сообщает Т о наличии/отсутствии информационных сообщений для них. При приеме такой информации  от АР Т выходит из режима IDLE и отправляет подтверждение о готовности к приему, после чего начинается передача данных от АР. Завершение приема аналогично завершению режима передачи.


Рис.10. Режим приема

            Стоит также отметить варианты выхода Т из сети:

- выключение питания;

- потеря связи Т с АР;

- Т покинул зону обслуживания сети.

            Диаграмма смены режимов (рис.11):


Рис. 11. Диаграмма состояний терминалов.

 Список использованной литературы:

1. Шахнович И. Современные технологии беспроводной связи. - М., Техносфера, 2006 г.

2. Саутина М. Радиосеть передачи данных. Часть 2. http://omoled.ru/publications/view/463

3. Алексей Баклагин "Радиосеть передачи данных. Часть 2" http://omoled.ru/publications/view/318

4. Весоловский К. – Системы подвижной радиосвязи, М.: Горячая линия – Телеком, 2006