Тема 2. Доставка сообщений в структурированной радиосети. Часть 1.

Выполнил: студент группы 1110 Севостьянов М.А.

 

 Объём работы:

1.1. Анализ поставленной задачи, подробное описание задач радиосети.

1.2. Разработка способа установления канала передачи сообщений (описание процедур гарантированной/негарантированной доставки адресных сообщений)

1.2.1. Определение и краткая характеристика возможных режимов работы терминалов радиосети. Определение и подробное обоснование задач, выполняемых терминалами в активном и пассивном состояниях (режимах).

1.2.2. Пояснение способа организации доступа к физическим каналам (организация множественного доступа).

1.2.3. Разработка сценария соединения. Построение и подробное пояснение графических диаграмм состояний терминала, отражающих элементы разрабатываемого сценария. Пояснение решений устранения коллизий, возникающих в радиосети.

  

1.1. Анализ поставленной задачи, подробное описание задач радиосети.

Основная задача работы состоит в создании модели функционирования беспроводного соединения типа «точка-многоточка», демонстрирующей процесс доставки сообщений терминала радиосети через выделенный узел сети - точку доступа (AP- Access Point). Служба доставки сообщений одного из терминалов сети запрашивает у точки доступа услугу передачи данных и при положительном ответе от AP осуществляет поблочную передачу исходного сообщения. После получения части сообщения (AP приняло n-блоков) точка доступа устанавливает соединение с терминалом- адресатом и передает ему ранее принятые блоки от терминала-источника.



Рисунок 1.1. Радиосеть


Исходные данные к проекту:

 

Вид передаваемых данных                          файл мультимедиа (музыкальный фрагмент)

Вид модуляции                                             BPSK

Организация физических каналов              DSSS

Тип помехоустойчивого кодирования       произвольный блоковый код

Тип CRC                                                        CRC-12

 

Анализируя исходные данные, графическое пояснение в виде Рисунка 1.1, вполне очевидно, что основная задача данной радиосети состоит в адресной доставке сообщений от  терминала Т1 к терминалу Т2 через точку  доступа(ТД или AP- Access Point). Сообщения в данном случае будут представлять собой музыкальные фрагменты. Передача будет осуществляться пакетами(блоками), что позволит в случае появления ошибок на приёмной стороне быстро их обнаружить и передавать не всё сообщение заново, а только тот пакет, где были ошибки. Следует отметить, что доставка сообщений в режиме реального масштаба времени не требуется, так как передаваемые мультимедийные файлы не являются речевыми сообщениями или видеопотоком. 

Так же следует пояснить, что терминал сам терминал не формирует никаких файлов. Терминал взаимодействует c PC посредством Ethernet кабеля или какого-либо USB интерфейса, что подтверждает Рисунок 1.2. Под PC подразумевается как компьютер или ноутбук, так и планшет, смартфон и тому подобные средства со своим программным обеспечением и пользовательским приложением. 


Рисунок 1.2. Взаимодействие  терминала с ПК

Исходя из описанного выше, необходимо сформулировать основные задачи выделенных узлов радиосети, то есть, терминала и точки доступа. 

Задача терминалов Т1 и Т2:

-Обнаружение сети.

-Прием и обработка сообщений, запросов от ТД

-Регистрация на ТД

-Конкурентная борьба за канальный ресурс

-Запрос услуги на передачу сообщения (файл мультимедиа)

-Запрос на предоставление физического канала

-Запись передаваемых и принимаемых сообщений в буфер

-Передать/принять в виде пакета на/с ТД

-Прием/передача квитанций(уведомлений) о приеме пакетов




Особое место в данной системе передачи данных отводится точке доступа. Условно ТД можно назвать MASTER, а терминалы SLAVE, так как в действительности ТД задаёт шкалу времени, устанавливает номиналы частот, а самое главное - предоставляет услугу передачи данных от одного терминала к другому. Определенно, ТД выполняет основные задачи, следует их перечислить:


Задачи Точки Доступа (ТД):

 

-Передача сведений о состоянии сети и общей информации по широковещательному каналу BCCH

-Идентификация терминалов

-Синхронизация (частотная и временная)

-Прием, обработка сообщений от Т1 и Т2

-Предоставление услуг передачи данных

-Предоставление физических каналов терминалам

-Приём и передача музыкальных фрагментов 

-Запись сообщений в буфер

-Уведомление терминалов о доставке пакетов

-Закрытие сеанса соединения



1.2. Разработка способа установления канала передачи сообщений (описание процедур гарантированной/негарантированной доставки адресных сообщений)

1.2.1. Определение и краткая характеристика возможных режимов работы терминалов радиосети. Определение и подробное обоснование задач, выполняемых терминалами в активном и пассивном состояниях (режимах).


На Рисунке 1.3. представлена диаграмма состояний терминалов. Сразу после включения терминалов начинается поиск сети, когда сеть обнаружена, терминалу необходимо в ней зарегистрироваться. Если ответ от ТД не был получен, то запрос будет выполнен повторно. Если же терминал получил отказ в регистрации, то необходимо вернуться на этап поиска сети. После того,как терминал зарегистрировался в сети, он переходит в режим Idle(пассивный режим) до тех пор, пока не потребуется передать или принять сообщения. Когда терминалу необходимо передать сообщение, на ТД отправляется запрос на предоставление услуги. При получении положительного ответа терминал по выделенному физическому каналу начинает передачу пакетов с файлами, если ответ не получен, то запрос повторяется. В случае, если получен отказ по возможной причине занятости системы, терминал переходит в пассивный режим, так же, как и в случае успешной передачи сообщения. При наличии сообщения от Т2 к Т1, ТД уведомляет Т1 о том, что для него есть сообщение, после чего Т1 выходит из режима Idle и готовится к приему пакетов.


Рисунок 1.3. Диаграмма состояний терминала


 

 Активный режим- режим повышенного энергопотребления , тем не менее он является основным режимом работы, все основные задачи выполняются именно в этом состоянии терминала.

1.     Обнаружение сети. Вполне очевидно и разумно, что для функционирования терминала в какой - либо сети, её для начала нужно обнаружить.

2.     Передача заявок о регистрации в сети. Регистрация в сети также является необходимым условием, по его выполнению ТД присваивает терминалам уникальный, персональный идентификатор

3.    Периодическая синхронизация (частотная FCCH и временная ). В данной системе шкалу времени и номиналы частот задаёт ТД.

4.  Подстройка уровня излучаемой мощности (SACCH).

5.  Определение и подстройка момента начала передачи (SACCH).

6.   Уведомление ТД о качестве соединения (SACCH).

7.  Прием/передача сообщений.


 Пассивный режим- режим энергосбережения, терминал находится в "спящем" состоянии, но при этом могут выполняться следующие задачи:

1. Получение сведений о состоянии сети и общей информации по BCCH(широковещательный канал). 

2. Прослушивание канала. На этапе конкурентной борьбы за канальный ресурс необходимо прослушивать канал для предотвращения коллизий.

3. Передача запросов о предоставлении услуг

4. Передача/приём подтверждений о приеме пакетов. Терминал-адресат получив сообщение, должен отправить подтверждение приёма терминалу-источнику. 


1.2.2. Пояснение способа организации доступа к физическим каналам (организация множественного доступа).

  Для организации радиосети будем использовать метод доступа DAMA(Рисунок 1.4), основанный на двух этапах.  На первом этапе происходит резервирование канального ресурса и используется метод случайного доступа (ALOHA). А второй этап заключается в бесконфликтной передаче по методу FAMA.  Учитывая тот факт, что данная радиосеть не велика, и требуется лишь адресная доставка сообщения от одного терминала к другому через точку доступа, на мой взгляд, этот метод будет наиболее эффективен. Метод доступа к физическим каналам DAMA основан на комбинировании методов ALOHA и FAMA, а как известно комбинированные методы сочетают в себе лучшие свойства своих составляющих.

Так же необходимо продумать стратегию распределения каналов управления по ресурсам сети. На мой взгляд совмещение каналов управления и каналов трафика в данной радиосети вполне уместно. То есть сообщения каналов управления будут передаваться по всем свободным физическим каналам в свободном режиме, а по мере поступления заявок эти каналы будут освобождаться под каналы трафика. Выделение отдельного физического канала под каналы управления тоже может найти своё применение, но в случае возможного расширения радиосети, появления большего числа терминалов, это отрицательно скажется на эффективности работы системы.  


 Рисунок 1.4. Протокол доступа DAMA


1.2.3. Разработка сценария соединения. Построение и подробное пояснение графических диаграмм состояний терминала, отражающих элементы разрабатываемого сценария. Пояснение решений устранения коллизий, возникающих в радиосети.

Сценарий передачи сообщений в общем виде представлен на Рисунке 1.5.

 


Рисунок 1.5.Сценарий режима передачи сообщения



  1.  После включения Т1 и Т2 происходит поиск сети 
  2.  С помощью BCCH ТД уведомляет терминалы Т1 и Т2 о состояние сети  и передает общую информацию
  3.   ТД присваивает каждому терминалу свой собственный идентификатор для это сети (ID)
  4. Т1 и Т2 переходят в режим Idle
  5.   После получения Т1 команды от приложения пользователя передать мультимедийный файл Т2 ,Т1 выходит из пассивного режима
  6.   Т1 вступает в борьбу за канальный ресурс
  7.  Т1 выиграл конкурентную борьбу
  8.  ТД предоставляет  терминалу физический канал для передачи данных 
  9.   Т1 приступает к передаче данных по выделенному ему каналу, разбивая при этом передаваемый файл на пакеты , содержащие в себе адрес получателя, передаваемые биты и избыточный код CRC-12
  10.  ТД при получение первого пакета связывается с Т2 и сообщает ему, чтобы тот готовился принимать данные, в свою очередь Т2 выходит из пассивного режима
  11.   ТД записывает переданные пакеты в буфер и готовится к передаче их Т2
  12.  ТД передает пакеты Т2
  13.  Т2 отвечает ТД о принятых пакетах
  14. Т1 готовит следующие пакеты для передачи
  15. ТД уведомляет Т1 о том, что Т2 получил пакеты, Т1 передает следующие пакеты ТД, и так продолжается до последнего подтверждения о приеме пакетов Т2
  16.       Т2 уходит в  режим Idle, как передаст отчет о приеме последних пакетов 
  17.   Приняв подтверждение о приеме Т1 уходит в режим Idle
 Сценарий взаимодействия терминала T1 с точкой доступавыглядит следующим образом:

Рисунок 1.6. Сценарий взаимодействия Т1 с ТД

  1. Терминал Т1 получает задачу от пользовательского приложения передать мультимедийный файл (музыкальный фрагмент) терминалу Т2.
  2. С помощью широковещательного канала  BCCH (Broadcast Control Channel) ТД передает общую информацию о сети.
  3. После получения информации терминал Т1, зарегистрированный в сети, отправляет запрос на получение канала для передачи данных. Для этого терминал Т1 должен использовать канал случайного доступа RASH (Random Access Channel), по которому запрашивается соответствующая услуга у ТД.
  4. После получения запроса, ТД посылает сигнал оповещения, используя для этого канал разрешенного доступа AGCH (Access Channel). В котором уведомляет терминал Т1 о предоставлении канала.
  5. После предоставления канала терминал Т1 начинает передачу пакетов данных по каналу трафика TCH. 
  6. Если во время передачи пакетов произошла ошибка, ТД уведомляет об этом терминал Т1 по каналу  SCH (Signaling Channel - канал сигнализации, который предназначен для передачи пакетов правильного/неправильного приема данных, а так же необходимости повторной передачи) , при этом ТД должна сообщить номера  неправильно принятых пакетов. Если во время передачи пакетов ошибки не произошло, ТД  сразу отправляет подтверждение о передачи, используя канал SCH.
  7. Терминал Т1 начинает повторную передачу неправильно принятых пакетов.
  8. После того, как все пакеты были приняты правильно, ТД отправляет подтверждение о передачи, используя канал SCH.
После получения всех пакетов данных от терминала Т1, точка доступа записывает их в буфер, а затем начинается сценарий передачи данных от ТД на терминал Т2, представленный на Рисунке 1.7.



Рисунок 1.7. Сценарий взаимодействия  ТД с Т2


  1. ТД посылает сигнал оповещения терминалу Т2 о том, что для него были приняты пакеты данных. Для этого ТД использует канал разрешенного доступа AGCH.
  2.  После того как терминал Т2, используя канал разрешенного доступа AGCH отправит сигнал оповещения ТД о том, что он готов принимать пакеты данных, ТД начинает передачу данных по каналу трафика TCH.
  3. Если во время передачи пакетов произошла ошибка, терминал Т2 уведомляет об этом ТД по каналу  SCHпри этом терминал Т2  сообщает номера  неправильно принятых пакетов. 
  4. После этого ТД начинает повторную передачу неправильно принятых пакетов.
  5. После того, как все пакеты были приняты правильно, Т2 отправляет подтверждение о приёме, используя канал SCH.
  6. Если во время передачи пакетов ошибки не произошло, терминал Т2  сразу отправляет подтверждение о приёме, используя канал SCH.

Пояснение решений устранения коллизий, возникающих в радиосети.

Возникновение коллизий в данной радиосети возможно только на первом этапе метода DAMA, когда терминалы отправляют заявки на резервирование канального ресурса методом случайного доступа. Решений по устранению коллизий может быть 2:

  1. Введение одной шкалы времени терминалам, выделение для передачи фиксированных интервалов времени
  2. Прослушивание канала связи непосредственно перед передачей

Используемая литература:

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

2.   http://omoled.ru/publications/view/567