В данном курсовом проекте необходимо разработать систему, предназначенную 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.

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

Разрабатываемая система должна отвечать основным требованиям:

- минимальный диапазон используемых частот (необходимо грамотно использовать ограниченный радиочастотный ресурс);

- возможность адаптивного изменения мощности передачи (уровень мощности варьируется в зависимости от удаления приемника и передатчика друг от друга);

- возможность адаптивного изменения скорости передачи (в случае, когда система обслуживает далекое от максимума число пользователей, появляется возможность увеличить скорость для активных абонентов).

·         Максимальное количество абонентов в сети: 20

·         Радиус зоны обслуживания: 75 м

·         Гарантируемая скорость передачи данных в обоих направлениях: 2Мбит/с

·         Модель предсказания потерь: в соответствии с рекомендациями МСЭ

·         Тип местности: городская застройка, помещения

·         Вероятность ошибки на бит Pb: 1*10^-7

·         Мощность излучения подвижной станции Р_{изл Ас} : < 0,3 Вт

·         Рекомендуемая технология передачи: OFDM

·

Начнем с небольшого введения. Локальная радиосеть – это беспроводная сеть, в которой передача сигналов осуществляется на границах высоких частот. Использование в учреждениях и на предприятиях различного рода радиоканалов обеспечивает высокую гибкость оперативного взаимодействия пользователей с ресурсами сети и создает базу персональной связи. Беспроводная локальная сеть WLAN обеспечивает взаимодействие абонентских систем по радиоканалам небольшой протяженности.

Стоит отметить, что основными предпосылками для использования беспроводных радиосетей являются следующие факторы:

1) сложность проводных коммуникаций;        

2) отсутствие привязки пунктов приема к конкретному месту;

3) практически неограниченное распространение радиоволн по обширной территории;

 4) малое время развертывания сети связи.

Если мы сказали о достоинствах радиосвязи, то стоит упомянуть о ее недостатках:

1.нарушение конфиденциальности;

2.влияние преднамеренных и непреднамеренных шумов и помех;

3.ограниченное число каналов связи;

4.зависимость связи от погоды, времени года и времени суток.

Как видно из выше сказанного, решение поставленной проблемы является комплексной задачей: следует по максимуму использовать все достоинства радиосвязи и найти компромисс между ее недостатками и требованиями данного курсового проекта.

В качестве примера, где создаётся локальная радиосеть возьмём предприятие, в котором сотрудники нуждаются в постоянном контакте между собой и доступе в локальную сеть предприятия. Не менее важным для сотрудников является необходимость доступа в интернет, для этого обеспечивается соединение INTERNET через маршрутизатор провайдера.

Для дальнейшего проектирования  необходимо выбрать конфигурацию  сети, так как  она определяет требования к оборудованию, тип используемого кабеля, возможные и наиболее удобные методы управления обменом, надежность работы, возможности расширения сети. С этой точки зрения WLAN имеет два совершенно разных подхода к реализации:

1. 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.

Рис.1. Пример структурированного типа построения сети

2. Сеть Ad Hoc   основана на том, что терминалы (Т) ведут взаимодействие непосредственно друг с другом, то есть устанавливается соединение точка-точка. Основное преимущество данной сети состоит в том, что не требуется дополнительного оборудования для ее реализации помимо сетевых адаптеров. Однако недостаток этого вида сетей является то, что скорость сети уменьшается пропорционально количеству пользователей. Также в сетях типа Ad Hoc не предусмотрено наличие администратора, который контролирует работу сети.

Рис. 2. Пример организации сети типа Ad HOC.

Так как сотрудники будут перемещаться по предприятию с абонентским оборудованием (ноутбуки) для сбора информации, локальную радиосеть реализуем на основе структурированной сети с наличием точки доступа (несмотря на то, что они не обладают полной гибкостью, в отличие от сетей Ad Hoc, которые характеризуются произвольной топологией). Также в 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. Точка доступа связывается с модемами пользователей через радиоинтерфейс, с базой данных по магистральной линии связи, а также имеет канал в Интернет через Ethernet. 

Основная задача сети - обеспечение двухстороннего обмена данными между терминалами абонентов. Также перечислим услуги, которые должна предоставлять сеть:

·         Передача данных между абонентами этой сети;

·         Передача коротких сообщений;

·         Доступ к сети Internet (может выступать как дополнительная услуга);

·         Возможность отправлять данные нескольким абонентам.

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 и позволяет объединять всех пользователей в единую сеть. Задача точки доступа - координировать обмен данными между всеми клиентами беспроводной сети и обеспечить всем клиентам равноправный доступ к среде передачи данных.

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.

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

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 аргументированное пояснение их задач. Обоснование и выбор интерфейсов взаимодействия разрабатываемой сети с внешними компонентами (при необходимости).

                                                                  Рис. 3. Функциональная схема сети.

Рассмотрим сценарии функционирования сети.

Данная сеть объединяет ПК, ноутбуки в единую радиосеть через точку доступа, которая подключены к проводной сети Еthernet. АР предоставляет беспроводный доступ компьютерам и другим устройствам, оборудованным беспроводными сетевыми картами. Данная система обслуживается администратором удаленно через сеть Internet, а на его сервере может находиться различная информация - данные абонентов, статистика работы сети.

Функции администратора:

·         Поддержание работоспособности сети и её компонентов;

·         Защита данных (введение режима шифрования данных);

·         Включение и отключение системы, терминалов;

·         Сбор статистических данных о работе сети.

Абонентское оборудование (компьютер, ноутбук, КПК и т.д.) формирует пакет информации, который необходимо передать. Терминал производит поиск сети. Точка доступа по широковещательному каналу BCCH передает ID сети (который также есть в информационной системе терминала). Пользователь выбирает необходимую ему сеть из найденных, считывая информацию с необходимой несущей ВССН, регистрируется. ТД может отказать в регистрации, если: пользователь не найден в базе данных, то данный пользователь заблокирован.  Чтобы предотвратить несанкционированный доступ, каждому пользователю выдаются уникальный логин и пароль. Процедура аутентификации состоит в сравнении точкой доступа введенной пользователем уникальной информации (логина и пароля) с той, которая хранится у нее в журнале абонентов. В случае совпадения пользователь входит в сеть, иначе производит поиск новой сети. Данные о прошедших регистрацию абонентах хранятся в базе абонентов сети информационной системы ТД. 

После того, как терминал зарегистрировался в сети, он ведет активную конкурентную борьбу за канал передачи данных с другими терминалами, так как в Wi-Fi 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, в следствие этого возможны коллизии. Коллизия кадров — это наложение двух и более кадров (пакетов) от станций, пытающихся передать кадр в один и тот же момент времени из-за наличия задержки распространения сигнала по сети. Если терминалу 1 предоставляется канал, то происходит передача данных, которые записываются в буфер ТД. ТД в свою очередь извещает терминал 2 о наличии данных для него. Терминал 2 переходит в активный режим, вступает в конкурентную борьбу за канал и, если ему предоставляется канал, то происходит передача данных. Если передача данных прошла успешно, то терминал 2 оповещает ТД об успешной передаче данных. В случае, если в процессе передачи данных произошел сбой, то терминал 2 оповещает ТД о сбое при передаче данных и необходимости повторной передачи. При успешной передачи данных ТД очищает буфер от переданной информации, затем вступает в конкурентную борьбу за канал для передачи служебного сообщения об успешной передачи данных терминалу 1.

Для эффективного использования ресурсов сети точка доступа собирает статистику, которую обрабатывает администратор. Статистика включает в себя логин, время входа и выхода из сети, входящий и исходящий трафик, идентификатор оборудования. Используя эти данные, можно будет оптимизировать нагрузку на сеть.

Исходя из всего вышесказанного, точка доступа выполняет функции координатора, т.е. распределения канального ресурса между терминалами. Это основная её задача. Кроме этого процедуры идентификации и аутентификации пользователей также проводит она. Точка доступа связывается с информационной системой по линии связи, а также имеет канал в Интернет через Ethernet. Работа с точкой доступа производится администратором сети, посредством подключения ПК с требуемым программным обеспечением, поставляемым производителем сетевого оборудования. Для предотвращения несанкционированного доступа к ресурсам сети, администратор получает личный ключ идентификации при первом включении оборудования. Сменить ключ возможно, но для этого требуется идентификация старым ключом.

Задачи AP:

·         Широковещательная рассылка системной информации (ID сети, идентификатор точки доступа);

·         Передача общей информации о сети;

·         Организация соединения между терминалами;

·         Аутентификация и идентификация абонентов;

·         Сбор статистических данных о работе сети;

·         Синхронизация всех абонентских терминалов;

·         Хранение принятой или передаваемой информации до получения отчета о доставке/приеме от необходимого терминала и формирование собственного отчета терминалам.

Рис. 4. Блок-схема точки доступа

Радиомодуль – приемо-передающее устройство, с помощью которого осуществляется взаимодействие и обмен информацией между терминалами.

Буфер – устройство, временно хранящий переданную информацию. При заполнении памяти буфера, ТД пересылает все данные терминалам-адресатам.

Блок управления – «мозг» точки доступа, который управляет взаимодействием всех функциональных модулей точки доступа, контролирует передачу данных между абонентскими терминалами.

Информационная система – хранилище данных об активных абонентах (их идентификаторы, пароли, их активность и время предоставления канального ресурса), журналы статистики, список предоставляемых услуг данному пользователю.

Модуль проведения измерений определяет параметры сети для функционирования на необходимом уровне. Осуществляет контроль работоспособности сети, при обнаружении неполадок отправляет информационное сообщение администратору.

Подсистема сигнализации на основе полученных служебных сообщений определяет каким образом будет развиваться и корректироваться сценарии взаимодействия АР и Т;

Сетевой контроллер -  устройство, необходимое для объединения нескольких абонентских терминалов в сеть, а также для подключения к Интернету. Связь с информационной системой обусловлена возможностью обновления данных и резервным копированием на удаленный сервер.

Задачи терминала:

·         Прослушивание канала (получение информации о сети, активных абонентах);

Терминал, которому требуется передать данные, необходимо проверить на занятость - прослушивание канала. Тем самым терминал получает всю необходимую информацию для работы от АР по широковещательному каналу.

·         Формирование запроса на регистрацию и предоставление канала;

·         Формирование сообщений на передачу и отчета о доставке (является необходимой гарантией успешной работы локальной сети, так как после получения данного отчета, АР удаляет эти данные из своего регистра безвозвратно);

·         Проведение измерений (измеряется уровень качества сигнала и сравнивается с установленным пороговым значением и в зависимости от этого выбирается необходимый профиль функционирования в сети. Измерения проводятся с целью улучшения качества передачи данных);

·         Синхронизация с сетью;

·         Преобразование данных(модуляция/демодуляция, кодирования/декодирование);

Модуляция необходима для переноса сигнала на радиочастоту. Кодирование необходимо для того, чтобы делать процесс детектирования менее подверженным ошибкам.

·         Переход в режим энергосбережения;

При получении отчета о доставке терминал переходит в спящий режим, т.е. переходит в режим пониженного энергопотребления. Терминал, который находится в спящем режиме и не отвечает, признается точкой доступа неактивным.

  Рис. 5. Блок-схема терминала

Радиомодуль так же, как и в АР представляет собой приемо-передающее устройство, с помощью которого осуществляется взаимодействие и обмен информацией между терминалами.

Блок управления – «мозг» терминала, который управляет взаимодействием всех функциональных модулей терминала, принимает решение о смене режима работы (активный/пассивный), формирует запросы на обмен данными, указывает адрес получателя и данные, необходимые для передачи.

Информационная система – хранилище данных об активных абонентах (их идентификаторы, пароли, их активность и время предоставления канального ресурса), журналы статистики, список предоставляемых услуг данному пользователю.

Модуль проведения измерений определяет параметры сети для функционирования на необходимом уровне. Осуществляет контроль работоспособности сети, при обнаружении неполадок отправляет информационное сообщение администратору.

Подсистема сигнализации на основе полученных служебных сообщений определяет каким образом будет развиваться и корректироваться сценарии взаимодействия АР и Т;

Сетевой контроллер -  устройство, необходимое для объединения нескольких абонентских терминалов в сеть, а также для подключения к Интернету. Связь с информационной системой обусловлена возможностью обновления данных и резервным копированием на удаленный сервер.

1.3. Определение и обоснование структуры информационной подсистемы сети. Выявление важнейших модулей информационной подсистемы выделенного узла сети и терминалов, описание их назначения и пояснение необходимых связей между модулями.

Информационная система АР представлена на рис. 6

Рис. 6.  Информационная система АР.

БД зарегистрированных абонентов содержит данные о всех абонентах сети, которым доступно пользование данной сетью (персональный идентификатор терминала, паспортные данные пользователя, индивидуальный ключ идентификации пользователя, биллинговая информация).

Журнал активных абонентов хранит информация об абонентах, подключенных к сети на данный момент времени и готовых передавать данные. Здесь также имеются данные:

·        Персональный идентификатор терминала;

·        Индивидуальный ключ идентификации пользователя;

·       Данные пользователя, который воспользовался терминалом;

Журнал статистики содержит в себе информацию о времени вхождения в сеть абонента, времени отключения от неё, входящий и исходящий трафик.

Регистр услуг содержит список предоставляемых услуг определенному терминалу точкой доступа.

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

Информация о точке доступа - ID точки доступа, служебные характеристики.

Информационная система Т представлена на рис. 7

Рис.7.  Информационная система АР

База данных зарегистрированных абонентов включает список других абонентов сети, список активных или не активных терминалов.

В информации терминала содержится персональный идентификатор терминала, данные пользователя, индивидуальный ключ идентификации пользователя (логин и пароль).

Журнал статистики содержит в себе информацию о времени вхождения в сеть абонента, времени отключения от неё, входящий и исходящий трафик.

Регистр услуг содержит список предоставляемых услуг данному терминалу.

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

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.

МодельOSI описывает прохождение информации от одного абонента к другому через физический медиум называемый сетью связи. Данная модель представляется в виде иерархической структуры узлов и соединений, независящих от их физической и программной реализации, а также назначения передаваемой информации.

Рис. 8. Иерархическая структура: а) эталонная модель OSI, б) разрабатываемая модель

Прикладной, представительский, сеансовый уровень объединены в уровень принятия решения 

Транспортный уровень. Предназначен для обеспечения надёжной передачи данных от отправителя к получателю. Контролирует отсутствие ошибок в принимаемых данных, потери, расположение пакетов в соответствующем порядке, отвечает за оптимизацию сетевых сервисов и уровень их качества, требуемый сетевым терминалам на сетевом уровне. Данный уровень использоваться не будет, так как в данной системе контроль за правильностью принятия пакета будет возложен на канальный уровень. 

Сетевой уровень. Предназначен для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей. Отвечает за трансляцию логических адресов и имён в физические, определение кратчайших маршрутов, коммутацию и маршрутизацию, отслеживание неполадок и заторов в сети. В проектируемой системе этот уровень не требуется, потому что имеется одна точка доступа, которая соединяется только с терминалами («точка – многоточка»), а за адресную доставку пакетов отвечает канальный уровень.

Рассмотрим необходимые уровни OSI для данной системы.

 Канальный уровень определяет функции управления передачей информации по каналу связи между двумя узлами. К ним, в первую очередь, относятся упаковка передаваемой информации в кадры определенной длины, формирование проверяющих символов и проверка содержимого кадров после их передачи, передача и прием подтверждений о приеме кадров, повторная передача неподтвержденных кадров.

 Кадр, формируемый на канальном уровне имеет поле данных и заголовок. Пакет данных на канальном уровне помещается в поле данных, а заголовок кадра заполняется адресом получателя, служебной информацией.

Структура пакета канального уровня представлена на рисунке 9.

Рис. 9. Структура пакета канального уровня.

В задачи канального уровня также входит обеспечения корректности передачи каждого кадра. Для этого фиксируются границы кадра, помещая специальную последовательность бит в начало и конец каждого кадра, чтобы отметить его, а также вычисляет контрольную сумму, суммируя все байты кадра определенным способом и добавляя контрольную сумму к кадру. Происходит передача средствами физического уровня по каналу связи на физический уровень получателя. Этот уровень передает полученные биты канальному уровню, который формирует кадр и снова вычисляет контрольную сумму полученных данных и сравнивает результат с контрольной суммой из кадра. Если они совпадают, кадр считается правильным и принимается. Если же контрольные суммы не совпадают, то фиксируется ошибка. На основании этого формируется пакет подтверждения приема либо повторной передачи.

На физическом уровне выполняются процессы, связанные с надежной передачей потока битов, поступающего с канального уровня.  В данной системе физический уровень предназначен для передачи потока данных от терминала к точке доступа и наоборот.

Функции, выполняемые физическим уровнем:

·          Модуляция.

Модуляция представляет собой процесс переноса информационного колебания на заведомо известную несущую. По условию ТЗ разрабатываемая система должна работать в узкой полосе частот, а так же иметь высокую достоверность при как можно меньшей затрачиваемой мощности

·         Помехоустойчивое кодирование (FEC).

Кодирование добавляет избыточность в информационную последовательность для возможности обнаружения и исправления ошибок, возникающих при передаче сообщения по каналу связи.

Перемежение.

Предназначено для борьбы с пакетированием ошибок путём их разнесения во времени. Использует перемешивание (перемежение) символов передаваемой последовательности на передаче и восстановление её исходной структуры на приёме. В разрабатываемой системе будет использован блочный перемежитель.

·         Синхронизация

Необходима для того, чтобы передающий узел данных мог передать какой-то сигнал принимающему узлу, а принимающий узел знал, когда начать прием поступающих данных. Частотная синхронизация необходима для подстройки частоты в приемнике по частоте передаваемой передатчиком. Временная синхронизация или синхронизация по времени предусматривает, что все устройства в сети имеют единое время. В данной сети синхронизация осуществляется с помощью добавления преамбулы (включает в себя подстройку по частоте и подстройку по времени) к передаваемому сообщению и использовании пилот-сигналов OFDM.

·         Измерения уровня сигнала в сети.

На основании данных измерений модуль управления принимает решение о выборе того или иного профиля работы системы.