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.

Система предназначается для решения проблемы «последней мили» - обеспечения высокоскоростной беспроводной связи мобильных терминалов в пределах ограниченной территории к стационарным сетям общего пользования.

Исходные данные:

Максимальное количество абонентов в сети: 80

Радиус зоны радиопокрытия: 1,2 км

Максимальная скорость передачи данных:

DownStream: 4Мбит/с; UpStream: 0,5Мбит/с

Модель предсказания потерь: выбрать самостоятельно

Тип местности: пригород

Вероятность ошибки на бит Pb: 2*10-7

Мощность излучения подвижной станции Ризл АС: < 4 Вт

Рекомендуемая технология передачи: OFDM

Диапазон частот, вид модуляции выбирается самостоятельно.

Требования к системе

- минимальный диапазон используемых частот.

- возможность адаптивного изменения мощности передачи.

- возможность адаптивного изменения скорости передачи.

Минимальный диапазон используемых частот подразумевает, помимо скоростных качеств системы, еще и экономическую стоимость диапазона, так как даже за полосу в шириной 1МГц приходится платить огромные деньги. Следовательно диапазон должен быть или общедоступным (как например используется в технологии WI-FI) или использовать меньшее количество частот, с наиболее близким расположением спектров передаваемых и принимаемых сигналов, с это целью грамотнее всего использовать OFDM , SDM или MIMO системы. Мы остановим свой выбор на OFDM. Адаптивное изменение мощности передатчика под собой подразумевает уверенный прием в зоне покрытия точки доступа. Изменение скорости передачи зависит от потребностей абонента, и непосредственно его программного обеспечения, он может быть как в режиме Real Time, так и нет, поэтому если количество абонентов не максимально, то можно канал распределять на абонентов который на данный момент используют канал. Передача данных осуществляется с автоматическим запросом повторной передачи (ARQ).Передача информационных сообщений может осуществляется без запросов повторной передачи. Для более грамотного использования канала связи нужно применять секторные антенны.          Рассмотрим применение секторных антенн.

Как следует из их названия, секторные антенны принимают (и передают) сигнал с определённого сектора. Этот сектор обычно составляет в горизонтальной плоскости 60°, 90° или 120° и от 5° до 15° в вертикальной плоскости.

Секторные антенны, в основном, ставят на базовых станциях операторы сотовой связи или мобильного интернета, или их используют в составе ретрансляторов. Для того чтобы в любой точке вокруг базовой станции был сигнал, используются такие схемы установки антенн:

– 6 антенн с диаграммой направленности (далее ДН) по 60°;

– 4 антенны с ДН по 90°;

– 3 антенны с ДН по 120°.

У секторной антенны во всех рабочих направлениях её диаграммы направленности примерно одинаковое усиление сигнала. В этом состоит первое отличие секторных антенн от обычных направленных, у ДН которых есть ярко выраженный максимум, спадающий к её границам.

Узкая ДН в вертикальной плоскости позволяет секторной антенне принимать (и передавать) сигнал только от устройств, находящихся на поверхности земли и немного выше её. То есть сигнал как бы «стелется» по поверхности, не создавая ненужных от неё отражений и не облучая небо. У обычных же направленных антенн ДН в вертикальной плоскости не позволит добиться этого.

Представим себе здание, на крыше которого расположено 6 секторных антенн с ДН по 60°. Эти антенны расположены равномерно по кругу, чтобы обручить все 360° вокруг себя. Вот как будет выглядеть распространение сигнала, если смотреть на это здание сверху

:

Рис.1 Секторные антенны

Основная услуга предоставляемая точкой доступа это передача данных, помимо основной можно предоставлять IP телефонию, так как заданная скорость соединения позволяет.

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.1 Обобщенная структура сети

Для нашей сети два главных узла: точка доступа, терминалы.

Точка доступа соединена с сетью интернет по протоколу Ethernet.

Терминал с устройством пользователя может быть связан по интерфейсу USB  , или Ethernet. Управление точкой доступа осуществляется администратором. Информационная система служит для определения принадлежности данного абонента сети, управленью самой сетью.

Когда пользователь с помощью программного обеспечения, установленного на его оконечном оборудовании, формирует запрос к узлу Internet, Т, сопряженный с данным оборудованием, выходит из режима энергосбережения и передает запрашиваемый URL-адрес точке доступа. ТД присваивает ему номер потока и сохраняет его в регистр хранения сообщений ИС и перенаправляет запрос в интернет, сохраняя при этом ID Т. Спустя  время, интернет присылает ответ на запрашиваемую страницу точке доступа, АР в соответствии с регистром хранения сообщений находит терминал, который делал запрос, находит номер потока и передает сообщение терминалу.

Поделим зону покрытия точки доступа на 4 подзоны , использовав секторные антенны. Деление зоны покрытия используем для того чтобы увеличить пропускную способность точки доступа, путем деления области и работы каждый антенны на своем диапазоне частот. Минимальная скорость передачи данных будет тогда, когда все абоненты попадут под покрытие одной секторной антенны.

Функции администратора:

·         поддержание работоспособности сети и её компонентов;

·         защита данных (введение режима шифрования данных);

·         усовершенствование программного обеспечения и его установка;

·         включение и отключение системы, терминалов;

·         сбор статистических данных о работе сети;

·         архивирование и резервное копирование информационной системы

·         обеспечение дополнительных функций абонента

 Организация сети происходит точкой доступа, точка доступа обеспечивает определенное покрытие в котором находятся терминалы. Вхождение в сеть терминалы осуществляют в момент включения, регистрация в сети происходит после сканирования частот , нахождение нужной, и синхронизации по времени, и соответственно проверкой идентификатора терминала, на принадлежность его к это сети. В дальнейшем перерегистрация терминалов в сети не происходит до момента их выключения, точка доступа с определенным временным интервалом опрашивает терминалы присутствуют они или нет.

Рассмотрим передачу обслуживания

После того, как ТД была успешно выбрана, Т начинает выполнение процедуры перевыбора. Т постоянно производит измерения на ближайших к ней зонах покрытия, чтобы инициировать перевыбор при необходимости.

Т постоянно контролирует все несущие BCCH близлежащих зон, которые показаны в списке передаваемого с ТД , и несущую BCCH обслуживающей зоны, чтобы определить другую более подходящую зону.

            В свою очередь ТД отслеживает вероятность битовой ошибки при приеме с Т постоянно, в зонах где возможна передача обслуживания ТД оповещает Т что ему пора переходить на другую частоту в другой зоне, если в его вероятность битовой ошибки с каждым сообщением растет.

            При переходе, ТД должна сообщить о том как Т должен работать с ней, это все обусловлено тем, что работа в своей зоне(предыдущей) могла осуществляться к примеру с другим видом модуляции и на другом канале.

Задачи АР: 

·         приём и передача адресных сообщений;

·         приём и обработка запросов от Т;

·         передача общей информации о сети;

·         организация и выделение подканалов связи;

·         сбор статистических данных о работе сети;

·         формирование запросов на повторную передачу.

Задачи Т:

·         приём и обработка запросов от АР;

·         формирование запросов на повторную передачу;

·         приём и передача пакетов.

Функциональная схема точки доступа будет достаточно сложна, так как используются секторные антенны и с каждой антенны надо получать данные.

Рис.3Функциональная схема точки доступа

Такая сложная схема точки доступа обусловлена секторными антеннами

радиомодуль  -  Осуществляет прием и передачу пакетов терминалу, по определенному профилю работы

 модуль проведения радиоизмерений -  определяет параметры сети, передает информацию о состояние канала модулю принятия решения, который в свою очередь может изменять профиль работы радиомодуля

 буфер -  промежуточное хранилище данных

 модуль определения информационных сообщений – требуется для отделения информационных сообщений от служебных

 модуль и принятия решения – на основе полученных служебных сообщений определяет, каким будет взаимодействия между точкой доступа и терминалом

 информационная система – содержит в себе сведения о всех идентификаторах терминалов, идентификаторы активных терминалов, идентификатор точки доступа, статистические данные о работе сети, сведения о дополнительных услугах

Сетевой модуль(router) служит для соединения между собой 4 приемопередающих частей, и преобразование в формат передачи данных по протоколу Ethernet

 Ethernet контроллер – предназначен для соединения точки доступа с сетью интернет

Терминал

Рис.4 Функциональная схема терминала

радиомодуль  -  Осуществляет прием и передачу пакетов терминалу, по определенному профилю работы

 модуль проведения радиоизмерений -  определяет параметры сети, передает информацию о состояние канала модулю принятия решения, который в свою очередь может изменять профиль работы радиомодуля

 буфер -  промежуточное хранилище данных

 модуль определения информационных сообщений – требуется для отделения информационных сообщений от служебных;

 модуль и принятия решения – на основе полученных служебных сообщений определяет, каким будет взаимодействия между точкой доступа и терминалом

 информационная система – содержит в себе сведения о всех идентификаторах терминалов, идентификаторы активных терминалов, идентификатор точки доступа, статистические данные о работе сети, сведения о дополнительных услугах

Ethernet/USB– предназначен для соединения терминала с оконечным устройством пользователя

Информационная подсистема точки доступа

Рис.5 Информационная подсистема точки доступа

Регистрационная база абонентов сети - содержит в себе всю необходимую информацию о пользователях радиосети

  Информация о терминалах и о точке доступа  - содержит такую информацию, как входящий/исходящий трафик, время пребывания в сети, продолжительность сеансов, идентификаторы терминалов, информацию о самой точке доступа, в какой зоне обслуживания находится терминал.

     .

   Сведения сети – наблюдение и сбор статистических данных о сети, для адаптивного изменения ее характеристик

            Модуль управления - является, так называемым, программным обеспечением точки доступа. В нем прописаны все сценарии взаимодействия  точки доступа. Модуль управления, получив сведения о сети, выбирает необходимый сценарий взаимодействия сети в данной ситуации.

               В регистре хранения сообщений хранится URL-адрес, запрашиваемый пользователем. Каждому запрошенному URL-адресу ставится в соответствие идентификатор терминала.

                Сетевой модуль      

У каждого радиомодуля собственный адрес, когда сообщения поступающие от терминала поступают на радиомодуль , они попадают на сетевой модуль, сетевой модуль обращаясь к информационной подсистеме узнает есть ли такой абонент в их сети которому адресовано сообщение и на каком радиомодуле он находится, если есть то сообщает радиомодулю в котором находится абонент для которого адресовано сообщение что ему есть сообщение. И соответственно связывает их между собой 

Модель OSI – это наиболее удачная попытка стандартизировать протоколы обмена информацией. 

Рис.6 Модель OSI

L3- Уровень принятия решений

L2-Канальный подуровень

L1-Физический уровень

Рассмотрим верхние уровни модели (прикладной, представительский и сеансовый). В разрабатываемой сети эти уровни можно объединить  в один - уровень принятия решения. Данный уровень выполняет основные функции  «мозгового» центра сети. Основной задачей этого уровня является анализ данных, полученных с нижележащих уровней, на основании которого формируется решение о дальнейших действиях системы. Уровень принятия решений непрерывно взаимодействует с информационной подсистемой и с остальными уровнями. Он принимает решения о принадлежности передаваемых пакетов тому или иному терминалу, а так же о возможности обслуживания абонента АР. Данные решения принимаются исходя из содержания специальных служебных полей пакетов и на основе сценариев взаимодействия АР с терминалами.

Сетевой уровень ответственен за маршрутизацию пакетов при взаимодействии нескольких сетей. Его основной задачей является доставка пакетов сетевого уровня любому узлу сети и маршрутизация. То есть прокладка маршрута от одного терминала к другому используя два радиомодуля. У каждого радиомодуля на сетевом уровне свой статический адрес, для более удобной адресации.

            Канальный уровень  предназначен для создания, передачи и приема кадров данных. 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)

  MAC подуровень использует информацию о всех идентификаторах (таблицу маршрутизации) устройств, зарегистрированных в сети, за хранение которой отвечает информационная система. Это позволяет реализовать возможность службы адресации для передачи сообщений канальным уровнем. Также на МАС  подуровне происходит формирование нескольких типов пакетов:

- пакет запроса или пакет широковещательной информации;

- пакет данных и пакет подтверждения правильного приема сообщения.

Также на канальном уровне необходимо учесть возможность  обнаружения и коррекции ошибок. Надежность передачи обеспечивается в нашем случае путем фиксирования границ кадра, помещая специальную последовательность битов в его начало и конец, а затем добавляя к кадру контрольную сумму (CRC). Контрольная сумма вычисляется по некоторому алгоритму. На стороне получателя канальный уровень группирует биты, которые поступают  с физического уровня, в кадры, затем снова вычисляет контрольную сумму полученных данных и сравнивает результат с контрольной суммой, переданной в кадре. Если значения совпадают, кадр считается правильным. Если значения контрольных сумм не совпадают, фиксируется ошибка, и формируется запрос на повторную передачу поврежденного кадра Эта процедура , также как и служба адресации реализовывается на MAC подуровне.

САС – подуровень реализует алгоритм доступа  к каналу связи.