Тема Т1-N7 - "Передача данных с уведомлением о доставке".

 

Выполнил: студент группы № 1110 Соколов Н.А.

 

1. Расчетная часть.

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.

Описание задания.

 

Основная задача работы состоит в создании модели функционирования беспроводного соединения типа «точка-точка». Такой вид соединения используется для организации обмена сообщениями между двумя сетевыми узлами (терминалами) по радиоканалу (рисунок 1). Служба передачи сообщений каждого терминала производит фрагментацию файла, предназначенного к отправке, на блоки определенной длины и организует последовательную доставку информационных блоков узлу-адресату. На приемной стороне осуществляется контроль целостности принятых сообщений и формируется уведомление узлу источнику о результате приема. Узлом-приемником принятые информационные блоки должны упорядочиваться в порядке их формирования узлом-отправителем.

 


 

 

Исходные данные

Вид передаваемых данных - файл мультимедиа (музыкальный фрагмент);

Вид модуляции - 16-QAM;

Тип помехоустойчивого кодирования - произвольный блоковый код, исправляющий не менее 5 ошибок;

Тип CRC - CRC-16.

 

Дополнительные сведения:

1. Уведомление о доставке сообщения должно включать сведения о качестве условий приема.

 

Соединение «точка-точка» (Point to point) обеспечивает обмен сообщениями между двумя узлами сети по радиоканальной связи без использования точки доступа.

Подобное взаимодействие осуществляется по концепции Master/Slave.

Один из терминалов является ведущим устройством (master), отвечающим за выполнение сценариев соединения и за управление радиоресурсом, другой – slave, исполняющим «волю» ведущего терминала. Ведущий терминал отвечает также за формирование сигналов частотной и временной (тактовой) синхронизации, необходимые для подстройки частоты и шкалы времени ведомым терминалом. Передача информационных сообщений реализуется в обоих направлениях: либо по инициативе Т1, либо по запросу от Т2.

Master – это тот терминал, у кого есть информационное сообщение на передачу, Slave- тот, который принимает это сообщение.

 

Подробное описание задач данной радиосети:

 

1. Соединение терминалов Т1 и Т2, включающего в себя:

1.1. Обнаружение терминалов.

Здесь стратегия следующая:

- Т1 и Т2 передают в канал связи, так называемые сигналы-маячки, в которых содержится идентификаторы этих терминалов, и одновременно терминалы прослушивают этот КС;

- терминал, который обнаружил маячок (например Т2) посылает заявку на регистрацию в сети Т1.

- после этого Т1 отправляет сообщение подтверждения Т2 о согласии регистрации. Если Т1 не отправил сообщение подтверждения о согласии регистрации, то соединение не будет установлено.

- Далее Т1 и Т2 входят в пассивный режим, если им не нужно передавать информационные сообщения, либо в активный режим, в котором они осуществляют передачи информационных сообщений.

Тот терминал, чей маячок будет обнаружен первым будет являться Master (в нашем случае это будет терминал Т1, другой же терминал будет являться Slave (в нашем случае это будет терминал Т2).

Стоит отметить, что возможны коллизии при одновременной передаче сообщений маячков, способ борьбы с коллизиями рассмотрим в п.1.2.3.

 

1.2. Установление сеанса соединения.

При установлении сеанса соединения происходит согласование между терминалами о возможности работы в определенных условиях (вид модуляции, тип помехоустойчивого кодирования, службы проверки сообщения, уровне мощности и рабочем ОСШ (отношение сигнал/шум).

 

Пусть в нашем сценарии Т1 передает сообщение, т.е. является ведущим устройством (master) и он отвечает за выполнение сценариев соединения и за управление радиоресурсом. А также Т1 отвечает за формирование сигналов частотной и временной (тактовой) синхронизации, необходимые для подстройки частоты и шкалы времени. Т2  – slave, исполняет «волю» ведущего терминала Т1.

Когда появляется сообщение (в нашем случае это музыкальный фрагмент) на передачу данных, это сообщение разбивается на блоки, т.к. передача будет осуществляться по блокам. И происходит передача сведений о количестве подготовленных для передачи блоков данных.

 

    1.3. Передача сообщений канального уровня с уведомлением о доставке.

Процедура обмена информационными блоками производится автоматически и часто обозначается ARQ (автоматический запрос на повторение).

Существует множество способов ARQ, отличающихся сложностью построения цепи и эффективностью передачи сопутствующих данных.

Запросы ARQ можно разделить на 3 группы:

 1. Старт-стопный, или передача с остановкой и ожиданием. Этот запрос подходит для коротких сооединений.

Первый тип стратегии ARQ прост в реализации, однако предполагает низкую загрузку канала связи. Он подходит для коротких соединений со средними скоростями передачи данных. Передатчик отсылает блок данных и ждет его подтверждения. Если приемник на основе CRC-блока и вычисления синдрома принимает решение о том, что принятая последовательность является кодовым словом, то он отправляет сообщение АСК. Тогда передатчик посылает следующий блок данных. В случае ошибочного приема блока данных на передатчик посылается сообщение NAK, и он повторяет передачу последнего блока данных. Повторная передача может происходить несколько раз. 


2. Непрерывная передача ARQ с возратом на N кадров. Этот запрос посылает блоки данных непрерывно.

Данный запрос не ждёт получения сообщения AСК(правильный прием) . Переданные блоки хранятся в буфере до получения подтверждения об их приеме. Объем буфера зависит от размера блоков данных и предполагаемой максимальной задержки, связанной с подтверждением приема. После получения NAK (ошибка) передатчик снова посылает всю последовательность блоков данных, начиная с поврежденного блока. При использовании такой стратегии у приемника отпадает необходимость в буфере. Пример на Рис.2.


Рис.2. Непрерывная передача ARQ с возратом на N кадров

 

Число N показывает максимальное число кадров, находящихся в процессе передачи.

 

3. Непрерывная передача ARQ с выборочным (селективным повтором).

В этом режиме оба оконечных устройства начинают передачу одновременно, передатчик отправляет информацию, а приемник передает подтверждение о приеме данных. Каждому блоку передаваемых данных присваивается порядковый номер. Номера кадров ACK (правильный прием) и NAK (ошибка) должны быть согласованы, задержка распространения сигнала должна быть известна априори, чтобы передатчик знал, к какому блоку сообщения относится данный кадр подтверждения приема.

 Поскольку к конечному пользователю информационные блоки должны приходить в правильном порядке, необходимо наличие буфера, как в передатчике, так и в приемнике.

 

Я выбираю ARQ - старт-стопный (передачу с остановкой и ожиданием). Этот запрос подходит для коротких соединений, а у меня по заданию передача мультимедийного фрагмента, которое таковым и является. В этом запросе не требуется буфер у приемника и передатчика и нет проблемы упорядочивания кадров по номерам у приемника.

 

1.4. Закрытие сеанса соединения происходит после того, как подтверждения от узла-приемника узлу-получателю о приёме последнего блока данных, таким образом формируется уведомление о доставке.

 

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).

Здесь уместно выделить 2 режима:

1)      Пассивный режим.

Режим, когда терминалы обнаружили друг друга, но у них нет информационных сообщений для передачи.

2)      Активный режим.

Режим, когда осуществляется передача информационных сообщений.

 

Рассмотрим Пассивный и Активный режимы терминалов.

Пассивный режим

Этот режим является режимом пониженного энергопотребления, в котором терминал находится большую часть времени. Из этого режима Т выходит только при передаче или приеме сообщений.

Терминалы в пассивном режиме ожидают запроса на передачу информационных сообщений.

 

При появлении информационного сообщения терминал переходит в Активный режим. Пусть сообщение появилось у Т1.

Активный режим

  1. Т1 отправляет сообщение о количестве подготовленных для передачи блоков данных и ожидает ответа от Т2.
  2. Т2 в случае успешного приема сообщения, отвечает сообщением в котором содержится разрешение на передачу.
  3. Т1 начинает передачу. Если Т2 обнаружил ошибки в переданных сообщениях, то он формирует запрос на повторную передачу (ARQ).
  4. После того, как сообщения успешно переданы, осуществляется переход в пассивный режим.

 

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

 

В связи с тем, что в нашей модели нет АР (точки доступа) для выделения ФК (физического канала)  применяется протокол CSMA/CÀ (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Это протокол множественного доступа в беспроводных сетях без точки доступа с предотвращением коллизий.

 

 Работа протокола CSMA/CA состоит в следующем:

1. Прежде чем участник сети начнет передачу сообщения, он должен уведомить о том, насколько длительной будет передача. Это, к примеру, дает возможность всем остальным терминалам перейти в режим энергосбережения на указанный интервал времени.

2. Терминалы не могут начать передавать, пока не истечет время, зарезервированное участником сети, занявшим канал связи.

3. Терминал, передающий сообщение, не располагает информацией о том, что его сообщение принимается. Это становится известным только после получения подтверждения приема по окончании передачи.

4. Если два и более терминала начали передачу одновременно, то возникает коллизия. Факт коллизии будет обнаружен терминалами только в том случае, если они не получат подтверждения приема по окончании передачи.

5. Если по окончании передачи подтверждение не было получено, то терминал выжидает некоторое случайное время и по его истечении снова пытается получить доступ к каналу связи и повторить передачу.

Таким образом, при использовании протокола CSMA/CA коллизия обнаруживается только при неполучении передающей станцией ожидаемого подтверждения.


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.


Рис.3 Сценарий взаимодействия двух терминалов.

Рассмотрим сам сценарий взаимодействия двух терминалов Т1 и Т2 (рис.3)

До передачи информационных данных Т1 и Т2 находятся в Пассивном режиме и прослушивает КС.

 

Действия Т1 (Master) – передача (правая ветвь)

Появилось сообщение на передачу.

Т1  формирует запрос на передачу сообщения, в котором определены время ожидания подтверждения запроса на передачу и время передачи информационного сообщения;

Далее Т1 ведёт конкурентную борьбу за КС;

Если конкурентная борьба проиграна, то происходит выработка случайной задержки и Т1 повторяет запрос на передачу.

Если Т1 выиграл конкурентную борьбу за КС и сообщил об этом Т2, то

производится измерение радиосигнала.

Далее формируется сообщение корректировки радиосигнала. Корректировка радиосигнала производится, чтобы усилить сигнал.

Если от Т2 не пришло подтверждение получения корректировки радиосигнала, то вырабатывается случайная задержка и заново формируется запрос на передачу.

Если же подтверждение корректировки радиосигнала от Т2 пришло, то происходит передача информационного сообщения (по пакетам).

Передача по пакетам происходит с запросами на повторную передачу ARQ до тех пор, пока не передастся правильно последний блок информационного сообщения (файл мультимедиа) и Т1 не получит от Т2 подтверждение приема. При получении повторного запроса на передачу осуществляется изменение мощности сигнала передачи

После этого Т1 переходит в Пассивный режим.

 

Действия Т2 (Slave) – прием (левая ветвь)

Когда появляется сообщение на прием Т2 формирует подтверждение о появлении сообщения на прием.

Далее Т2 находится в ожидании сообщения корректировки радиосигнала.

Если такого сообщения нет, Т2 переходит в Пассивный режим.

Если же такое сообщение приходит, то осуществляется корректировка уровня мощности сигнала.

После этого происходит:

-прием информационного сообщения по блокам до передачи последнего блока и

-обнаружение ошибок.

Если прием не начался, то Т2 переходит в Пассивный режим.

Если ошибок нет, т.е. информационное сообщение передано верно, Т2 переходит в Пассивный режим.

При обнаружении ошибок происходит запрос на повторную передачу до тех пор пока не передастся без ошибок файл мультимедиа. При этом осуществляется оценка качества приема  и в запрос на повторную передачу ARQ включаются сведения о корректировке мощности.



Рис.4 Временная диаграмма работы терминала

где t1 – размер окна конкурентного доступа;

       t2 – время ожидания (размер окна) подтверждения запроса на передачу;

       t3 – размер окна радиоизмерений;

       t4 -  длительность передачи (размер) информационного сообщения.

 

1. Структура диаграммы определена в запросе на передачу, также в этом запросе определены t1 и t2;

2. После того, как Т1 выиграл конкурентную борьбу за доступ к КС и сообщил об этом Т2 во 2-ом интервале временной диаграммы Т2 отвечает сообщением подтверждения;

3. В 3-ем временном интервале проходит измерение и корректировка сигнала (например, если слабый сигнал, то необходимо его усилить).

4. В 4-ом временном интервале начинается передача информационного сообщения.

5. В 5-ом временном интервале осуществляется прием подтверждения о безошибочном приеме сообщения. Если есть ошибки, то п.п.4-5 повторяются.

 

Как было описано в п.1.2.2 в сети могут возникать коллизии.

Способ устранения коллизии в «Сценарии режима передачи сообщения» решен в блоке «Выработка случайной задержки».

Принцип способа состоит в следующем:

Перед первой попыткой получить доступ к каналу станция-отправитель загружает длительность случайного интервала задержки в специальный счетчик. Его значение декрементируется с заданной частотой, пока канал свободен. Как только счетчик обнулится, терминал может занимать канал. Если до обнуления счетчика канал занимает другое устройство, счет останавливается, сохраняя достигнутое значение. При следующей попытке захвата КС отсчет начинается с сохраненной величины. В результате проигравшие в конкурентной борьбе терминалы получают больше шансов занять канал в следующий период конкуренции.

При повторной передаче пакета для определения незанятости канала станция должна уже использовать увеличенный межпакетный интервал. Кроме того, время отсрочки выбирается случайным образом и кратное интервалу t2 (время ожидание подтверждения запроса на передачу на диаграмме Рис.4) при первой попытке передачи этот интервал минимален, при каждой последующей он удваивается до тех пор, пока не достигнет заданного предельного значения CW (длительность окна конкурентного доступа), заданного Терминалом, который обозначен как Master.

 

Используемая литература:

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

2. Бакке А.В.   «Лекции по курсу ОТССПО»;

3. Севостьянов М.А. «Доставка сообщений в структурированной радиосети» http://omoled.ru/publications/view/546

4. Замечания Бакке А.В. по работе Севостьянова М.А http://radiolay.ru/viewtopic.php?f=54&t=317&p=1962#p1962

5. Рецензия Бакке А.В. на сообщение Горюшкина Р. http://radiolay.ru/viewtopic.php?f=33&t=166#p564

     6. Лонин Д.В и Мирохин Е.И Передача данных с уведомлением о доставке. Статья №1. Исправленная.  Выполнили: Лонин Д.В и Мирохин Е.И

http://radiolay.ru/download/file.php?id=496

7. Основы построения беспроводных сетей стандарта 802.11: методические указания к лабораторной работе / Рязан. гос. радиотехн. ун-т; сост.: А.В. Бакке. -Рязань, 2008. -52 с.