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.

Темой данного курсового проекта является «Локальная радиосеть». Она подразумевает под собой систему, предназначенную для объединения в единую радиосеть электронных устройств посредством произвольного стандартного интерфейса. Каждый терминал сети должен получать в реальном масштабе времени информацию о других активных абонентах и иметь возможность соединения с любым из них.

К системе предъявляются следующие требования:

  •  Минимальный диапазон используемых частот, что подразумевает максимально эффективное использование  радиочастотного ресурса (РЧР).
  •  Возможность адаптивного изменения мощности передачи означает, что мощность излучения должна изменяться в зависимости от удаления передатчика и приемника друг относительно друга.
  •  Возможность адаптивного изменения скорости передачи зависит от абонента и подразумевает использование нескольких профилей функционирования системы.

 Исходные данные к проекту:

1.        Максимальное количество абонентов в сети: 25

2.        Радиус зоны радиопокрытия: 80 м

3.        Максимальная скорость передачи данных в обоих направлениях: 10Мбит/с

4.        Гарантируемая скорость передачи данных для 5 абонентов: 2Мбит/с

5.        Модель предсказания потерь: в соответствии с рекомендациями МСЭ

6.        Тип местности: производственные/торговые помещения, офисы.

7.        Вероятность ошибки на бит, не более Pb: 5*10-7

8.        Мощность излучения подвижной станции Ризл АС : < 0,3 Вт

9.        Рекомендуемая технология передачи: OFDM

10.    Диапазон частот, вид модуляции выбирается самостоятельно.

 Система, заданная в ТЗ может быть реализована с помощью одной из 2 топологий, а именно:

  • Структурированная сеть
  • Сеть типа Ad HOC

Оба варианта имеют свои особенности. Рассмотрим их подробнее.

 

Структурированная сеть 

Структурированные  сети (рис. 1) обладают стационарной проводной или беспроводной инфраструктурой, объединяет выделенные узлы сети и соединяет WLAN с другими сетями. Топология структурированной сети подразумевает наличие дополнительного стационарного устройства - точки доступа (Access Point - AP). В большинстве случаев передача сообщений осуществляется только между точкой доступа и абонентскими станциями (АС), т.е. две АС могут передавать сообщения друг другу только через соответствующую точку доступа. Точка доступа реализует большинство процедур, связанных с управлением передачей данных и доступом АС к радиоканалу. Такой способ организации сети позволяет упростить управление доступом к сети и избежать коллизий. Минусом такой системы является наличие проводной части, которая значительно уменьшает гибкость системы.[1]


Рис.1 Пример структурированной сети 


Сети типа Ad HOC

Сети типа Ad Hoc (рис. 2) не имеют опорной проводной инфраструктуры. Беспроводные терминалы не только соединяют пользователей с сетью, но и выступают в роли сетевых узлов. Они могут взаимодействовать между собой все время, пока находятся в зоне взаимного радиопокрытия. Размер сети может быть увеличен, если беспроводные терминалы будут пересылать полученные сообщения другим станциям. Концепция сети типа «ad hoc» подразумевает наличие технически более сложных терминалов. Беспроводной терминал не только принимает и отправляет сообщения, но и выступает в роли сетевого узла. Он должен получать доступ к сетевым ресурсам при помощи процедур многостанционного доступа, маршрутизировать передаваемые пакеты и устанавливать их приоритеты. Также в сетях типа Ad Hoc не предусмотрено наличие администратора, который контролирует работу сети.[1] 


Рис.2 Пример сети типа Ad Hoc


Исходя из характеристик топологий, рассматриваемых сетей и исходных данных предпочтительней выбрать «структурированную сеть».  Во-первых, в сети типа Ad Hoc не предусмотрено наличие администратора, контролирующего работу сети. Во-вторых, имеется только одна зона обслуживания, не имеющая интерфейса для подключения к проводной локальной сети.

В разрабатываемой сети источниками и получателями информации являются терминалы абонентов данной сети.

Услуги, предоставляемые сетью:

  • передача коротких сообщений
  • передача данных между абонентами этой сети
  • возможность широковещательной рассылки информации

Широковещательная рассылка необходима для того чтобы уведомить пользователей о состоянии сети, а также  для уведомления абонентов о вновь прибывших и отключившихся от сети терминалах.

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).


Для того, чтобы терминал мог передавать информацию, необходимо чтобы он нашел доступную ему сеть. Точка доступа по широковещательному каналу BCCH передает ID сети (который также есть в информационной системе терминала). Пользователь выбирает доступную ему сеть, регистрируется (вводит логин и пароль). В случае успешной регистрации, абонент проходит авторизацию - определяет доступные ему услуги. В случае, когда терминалу необходимо передать данные другому терминалу, он запрашивает точку доступа о предоставлении информации о наличии активных терминалов. Точка доступа проверяет наличие искомого терминала в сети и если выясняется, что требуемый терминал активен и принадлежит к данной сети и канал связи свободен, то происходит передача данных и их запись в буфере точки доступа. Терминал, принимающий информацию, переходит в активный режим и готовится принять информацию по выделенному каналу. После завершения приема, первый терминал получает отчет об успешной передаче информации, иначе происходит повторная передача. Если же терминал-получатель недоступен, то АР оповещает об этом отправителя, и записи в буфер не производится.  

Обобщенная функциональная схема сети представлена на рисунке 3:


Рис.3 Обобщенная функциональная схема сети


Основными элементами необходимыми для ее функционирования являются:

  • Администратор сети
  • Сеть интернет
  • Проводная сеть Ethernet
  • Точка доступа
  • Пользовательские терминалы (ПК, КПК, Ноутбуки)  

Функции администратора состоят в поддержании работоспособности сети и ее компонентов, защите данных (введение режима шифрования данных), включение и отключение системы, терминалов от сети, сбор статистических данных о работе сети.

С помощью сетей Internet и Ethernet администратор сети имеет возможность удаленно управлять системой.

Точка доступа подключается к проводной сети Ethernet и благодаря ей пользовательские терминалы могут быть быстро объединены в сеть. Точка доступа выполняет широковещательную рассылку информации, аутентификацию и идентификацию абонентов, организует соединение между терминалами, собирает данные о работе сети, выполняет синхронизацию всех абонентов сети, хранение принятой информации до получения отчета о доставке. Структурная схема точки доступа представлена на рисунке 4.


Рис.4 Структурная схема точки доступа


Радиомодуль служит для приема данных с ТД и последующую передачу на другие ТД.

Данная сеть должна обрабатывать и передавать сообщения, но не только информационные сообщения между терминалами, но и служебные сообщения. Эти сообщения относятся к подсистеме сигнализации и отвечают за корректировку сценариев взаимодействия ТД и терминалов.

Информационная подсистема содержит в себе журналы статистики и активных абонентов и два регистра: услуг и сетевых настроек.

Буфер - промежуточное хранилище данных, содержит все данные, приходящие с терминалов. После заполнения буфера, ТД с помощью блока управления пересылает данные, требуемые терминалом.

Блок управления организует работу ТД, контролирует передачу данных между абонентскими терминалами.

Сетевой контроллер – устройство, необходимое для объединения нескольких абонентских терминалов в сеть, а так же для подключения Internet.

Подсистема оперативных измерений - определяет параметры сети, например, уровень сигнала, оповещает подсистему управления, которая затем отправляет команды радиомодулю.

Пользовательские терминалы выполняют проведение измерений характеристик канала, постоянное прослушивание канала связи, формирование запроса на регистрацию и предоставление канала связи, формирование сообщений на передачу и отчета о доставке, преобразование данных, синхронизацию с сетью и переход в режим энергосбережения.

Структурная схема представлена на рисунке 5:


Рис. 5 Структурная схема терминала


Радиомодуль так же, как и в точке доступа обеспечивает передачу и прием битов сообщения по радиоканалу.

Блок управления - интеллектуальный центр устройства, принимает решение о смене режима работы, формирует запросы на обмен данными. 

Сетевой контроллер - периферийное устройство, обеспечивающее сопряжение радиомодема с ПК.

Информационная система - содержит статистику (время работы абонента в сети, входящий и исходящий трафик); список предоставляемых услуг данному пользователю; сетевой адрес; индивидуальный ключ идентификации UID (логин и пароль); персональный идентификатор PID.

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.


Вся информация об абонентах, доступных услугах сети, статистики хранится в информационной подсистеме ТД. Отразим структуру информационной подсистемы точки доступа на рисунке 6:


Рис.6 Структурная схема информационной подсистемы ТД


База зарегистрированных  абонентов сети хранит в себе информацию об абонентах, которым выданы конкретные терминалы и которые имеют возможность подключения к данной сети.

В журнале активных абонентов хранится информация о подключенных к сети пользователях в конкретный момент времени.

Журнал статистики хранит информацию о времени пребывания в сети абонента, входящий и исходящий трафик.

Регистр услуг – список услуг, предоставленных конкретному терминалу.

Регистр сетевых настроек – включает в себя настройки сети, которые необходимые для обеспечения услуг в пределах данной сети.

У каждого терминала также имеется своя информационная подсистема, и она практически повторяет структуру информационной подсистемы точки доступа. Пример такой подсистемы представлен на рисунке 7:


Рис. 7  Структурная схема информационной подсистемы терминала


База зарегистрированных  абонентов  будет включать список других абонентов сети, зарегистрированных в сети, список активных и не активных терминалов.

Собственная информация терминала – персональный идентификатор терминала, данные пользователя, индивидуальный ключ идентификации пользователя (логин и пароль).

Журнал статистики – хранит информацию о времени вхождения в сеть, времени отключения от неё, входящий и исходящий трафик.

Регистр услуг – список услуг, предоставляемых 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 функциональности необходимых уровней моделей выделенного узла и терминалов формулируемые задачи каждого уровня должны непосредственно следовать из проработанного в п.1.1-1.3 материала. В моделях должны быть обязательно отражены объекты, являющиеся источником и/или получателем сообщений (как служебных, та и информационных).


Для единого представления данных в сетях с различными устройствами и программным обеспечением международная организация по стандартам ISO (International Standardization Organization) разработала базовую модель связи открытых систем OSI (Open System Interconnection). Эта модель описывает правила и процедуры передачи данных при организации сеанса связи. Основными элементами модели являются уровни. На рисунке 8 представлена структура базовой модели.

Рис.8 Общая модель OSI

Представим и обоснуем модель OSI для разрабатываемой системы:


Рис.9 Модель OSI для проектируемой системы


В данной модели (рис. 9) уровень принятия решений объединяет в себе прикладной, представительский и сеансовый уровни эталонной модели (рис. 8). Этот уровень является уровнем управления, посредствам которого принимается решение о работе системы, например, выборе профиля функционирования. Решение принимается на основе данных, полученных с нижних уровней.

Канальный уровень определяет функции управления передачей информации по каналу связи между двумя узлами. Это упаковка передаваемой информации в кадры определенной длины и проверка содержимого кадров после их приема, передача и прием подтверждений о приеме кадров, повторная передача неподтвержденных кадров. Кадр, формируемый на канальном уровне, имеет поле данных и заголовок. 

Физический уровень выполняет процессы, связанные с надежной передачей потока битов, поступающего с канального уровня. Физический уровень предназначен для передачи потока битов от терминала к точке доступа и наоборот.

На физическом уровне выполняются следующие функции:

  • Модуляция/демодуляция
  • Кодирование/декодирование
  • Перемежение
  • Синхронизация

Модуляция представляет собой процесс переноса информационного колебания на заведомо известную несущую.

Помехоустойчивое кодирование (FEC) добавляет избыточность в информационную последовательность для возможности обнаружения и исправления ошибок, возникающих при передаче сообщения по каналу связи.

Перемежение предназначено для борьбы с ошибками путём их разнесения во времени. Используется 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 принимающий терминал знал, когда начать прием поступающих данных. 

Список используемой литературы:
  1. Бакке А.В.«Лекции по курсу ССПО»
  2. Бакке А.В. Методические указания к лабораторной работе "Основы построения беспроводных сетей стандарта 802,11".
  3. Локальная радиосеть. Часть 1.1-1.5
  4. КП "Локальная радиосеть". Часть 1. Калинкин В.В.
  5. КП на тему "Локальная радиосеть" п. 1.4-1.5 (часть №2)
  6. КП "Локальная радиосеть" п. 1,1-1,3. Часть 1.