Подготовил ст-т гр.0110 Бешук И.С.
Описание иерархических моделей выделения узлов сети и терминалов в соответствие с рекомендациями OSI. Краткий анализ необходимых уровней с обоснованием основных выполняемых задач.
Как и все телекоммуникационные системы, наша система строится в соответствии с моделью OSI. Эталонная модель OSI делит задачу перемещения информации через среду распространения два уровня и семь подуровней (рис.1). Каждая из этих семи «подзадач» выбрана потому, что она относительно автономна и, следовательно, ее легче решить без чрезмерной опоры на внешнюю информацию. Такое разделение называется иерархическим представлением. Каждый из уровней модели отвечает за выполнение определенных действий по подготовке информации к передаче по сети.
Рис. 1.OSI.
Рассмотрим уровни данной модели применимо к нашей системе и решаемым ею задачам. В силу относительной несложности нашей системы, три верхних уровня классической модели OSI – прикладной, представительский и сеансовый – объединим в один уровень, который и будет представлять «мозги» системы. На данном уровне будут решаться вопросы что, кому, как и когда передавать (или принимать), будут приниматься все решения в системе. В связи с этим дадим ему название: уровень принятия решений.
Следующий уровень в иерархии - транспортный. Он обеспечивает надежный механизм обмена данными, контролирует отсутствие ошибок в принимаемых данных, расположение пакетов в соответствующем порядке, их полноту. В нашей системе описанный ниже канальный уровень поддерживает весьма мощный и законченный набор функций по пересылке сообщений между узлами сети. В этом отношении канальный уровень является самодостаточными транспортным средством, поэтому в наличие отдельного транспортного уровня нет необходимости.
Далее в структуре OSI сетевой уровень. Он отвечает за маршрутизацию данных в процессе взаимодействия нескольких сетей. В нашей системе используется одна простая сеть, поэтому наличие сетевого уровня излишне.
Два нижних уровня модели OSI, канальный и физический, однозначно необходимы в нашей системе, поэтому на их рассмотрении остановимся более подробно.
Рассмотрение начнем с канального уровня. Его основная задача – установление, обеспечение работоспособности и прекращение адресного и неадресного соединения. В нашей системе адресным будет являться соединение точки доступа с каким-либо терминалом для обмена данными, а неадресным – соединение по каналу широковещательной информации (BCCH) точки доступа со всеми терминалами, находящимися в зоне взаимодействия с ней, с целью передачи информации о точке доступа.
Канальный уровень принимает от верхнего уровня пакет данных, а также указание, какому узлу его передать. Канальный уровень формирует из принятых пакетов собственные протокольные единицы данных — кадры, состоящие из поля данных и заголовка. Канальный уровень помещает принятый пакет в поле данных одного или нескольких кадров (в зависимости от объема пакета) и заполняет собственной служебной информацией заголовок кадра.
Для успешного решения канальным уровнем своей основной задачи, необходимо выполнение ряда описанных ниже подзадач.
Прежде чем физический уровень начнет передавать данные, канальный уровень должен проверить доступность физических каналов. Функции проверки доступности физических каналов возлагаются на отдельный подуровень - управления доступом к среде.
Чтобы лучше представить данную задачу в рамках нашей системы, опишем следующую ситуацию, представляющую собой фрагмент сценария работы системы. Точка доступа (ТД) непрерывно передает широковещательную информацию (ШИ) по каналу BCCH, в состав которой помимо другой служебной информации входит номер канала случайного доступа (RACH) и номер канала разрешенного доступа (AGCH). Терминал, приняв ШИ и узнав номер канала RACH, делает по нему заявку к точке доступа о предоставлении ему индивидуального канала для передачи информации. Точка доступа, приняв по каналу RACH заявку от терминала, в случае ее одобрения резервирует для сеанса связи с текущим терминалом индивидуальный физический канал и по каналу AGCH передает терминалу номер выделенного индивидуального канала (DTCH - Dedicated Traffic Channel). После этого текущий терминал перестраивается на выделенный канал и освобождает канал RACH.
Канальный уровень должен иметь 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 как функция от всех байтов кадра. На стороне получателя канальный уровень группирует биты, поступающие с физического уровня, в кадры, снова вычисляет контрольную сумму полученных данных и сравнивает результат с контрольной суммой, переданной в кадре. Если они совпадают, кадр считается правильным. Если же контрольные суммы не совпадают, фиксируется ошибка, и формируется запрос на повторную передачу поврежденного кадра.
Чтобы передаваемая и принимаемая информация приходила именно тому адресату, для кого она предназначена, в состав кадра канального уровня всегда добавляется поле, содержащее уникальный идентификатор (UIN), которому предназначаются передаваемые данные, а так же абонента, который эти данные передает. В нашей системе это UIN терминалов или UIN точек доступа.
Так как канальный уровень оперирует пакетами данных, то необходимо реализовать механизм управления потоком приема/передачи пакетов, а так же механизм их синхронизации. Чтобы определить границы пакета, необходимо в его начало и конец вставить специальное поле-индикатор (FI), которое по сути будет являться нулевым битом и будет обозначать начало и конец пакета. Если переданный пакет принят с ошибкой и должен быть передан повторно, то необходимо знать, какой именно пакет ошибочный. Для этого в пакет необходимо добавить поле, содержащее номер пакета. Нумерация пакетов так же позволяет в случае перезапроса корректно расположить принятые пакеты в необходимом порядке.
Далее рассмотрим самый нижний уровень модели – физический (ФУ). Физический уровень решает две глобальные задачи: организация физических каналов связи (ФК), ровно столько, сколько необходимо для работы системы, и безошибочная передача/прием потока битов.
ФК - это элементарные «контейнеры» физической среды передачи, на базе которых буду строиться все остальные каналы связи (КС). Существуют различные способы организации этих «контейнеров», т.е. способы доступа к физической среде. Например, FDMA (с частотным разделением каналов), TDMA (с временным разделением каналов), CDMA (с кодовым разделением каналов). Согласно требованиям к нашей системе, необходимо использовать минимально возможный диапазон частот. Так же особенностью системы является то, что вероятность одновременного обслуживания точкой доступа более одного терминала одновременно крайне мала (т.к. более одной группы туристов на одной стоянке вряд ли будут находиться одновременно). Сеанс связи терминала с точкой доступа будет непродолжительным и ограничится передачей небольшого объема необходимых данных, а так же коротким обменом речевыми сообщениями при необходимости. Исходя из вышесказанного, считаю наиболее целесообразным использовать в качестве метода доступа к среде TDMA, т.е. метод доступа с временным разделением каналов. При TDMA физическим каналом является временной слот с определенным номером, которому отводится определенный сеанс связи. Дуплекс в процессе связи так же будет временным – отдельный TDMA- канал для передачи, отдельный – для приема. Три ФК будут зарезервированы физическим уровнем для собственных нужд – это канал частотной подстройки (FCCH), канал временной синхронизации (SCH), а так же канал радиоизмерений. Канал радиоизмерений будет содержать специальную последовательность, проанализировав состояние которой, можно сделать вывод о качестве канала. Остальные ФК будут переданы на канальный уровень, который должен их распределить по функциональному назначению. Сразу оговоримся, что для команд управления в системе создаются выделенные каналы, отделенные от каналов трафика, и назначенные конкретным узлам сети (DCCH – Dedicated Control Channel).
Для обеспечения безошибочной передачи/приема потока битов на физическом уровне необходимо предусмотреть ряд служб.
Так как наша система цифровая, необходима битовая синхронизация. Для этой цели будем использовать систему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).
Для использования в качестве средства передачи радиоинтерфейс, необходимо наличие модулятора/демодулятора, обеспечивающего при этом как можно меньшую занимаемую ПЧ и необходимую достоверность.
Для борьбы с пакетами ошибок в системе есть простой, но эффективный способ, не вносящий избыточности в передаваемое сообщение. Это перемежение. В общем случае выбор глубины перемежения зависит от двух факторов. С одной стороны, чем больше расстояние между соседними символами, тем большей длины пакет ошибок может быть исправлен. С другой стороны, чем больше глубина перемежения, тем сложнее аппаратно-программная реализация оборудования и больше задержка сигнала. В нашей системе в связи с относительно небольшими расстояниями передачи и малой вероятностью возникновения пакетов ошибок, целесообразно использовать относительно не глубокое перемежение.
Для повышения достоверности передачи данных путем устранения битовых ошибок будем использовать модуль помехоустойчивого кодирования (FEC).
В соответствии с вышеизложенным, функциональная схема физического уровня будет выглядеть следующим образом (рис 2).
Рис.2. функциональная схема физического уровня.
Поскольку в горной местности относительно городской наблюдается гораздо меньший уровень помеховой обстановки, будем использовать относительно высокоскоростной, но менее помехоустойчивый способ модуляции в совокупности с более скоростным, но менее эффективным методом FEC. Предположительно это будет 16-PSK и свёрточный кодер со скоростью 2/3. Данный вид модуляции и помехоустойчивого кодирования позволит системе адаптироваться к помеховой обстановке в канале связи и осуществить обмен данными с требуемой достоверностью.
На рисунке 3 представлена схема, отражающая сценарий взаимодействия выделенных узлов сети. На данной схеме порядок действий с течением времени определяется направлением «сверху-вниз». Направление стрелок указывает на направление передачи .
Рис.3.Сценарий взаимодействия элементов сети.
Подробное описание сценария, кратко изображенного на рисунке 3:
1. В момент старта системы ЦСИ дистанционно «включает» все точки доступа, которые начинают передавать по каналу BCCH широковещательную информацию (ШИ), содержащую помимо другой служебной информации свой уникальный идентификационный номер (UIN ТД), жѐстко прописанный в памяти, номер канала случайного доступа (RACH) и номер канала разрешенного доступа (AGCH).
2. ГТ находится в состоянии поиска ШИ какой-либо точки доступа. Входящие в состав терминала часы начинают отсчет времени. Если время отсутствие ШИ превышает 10 мин, то это можно трактовать как последствие уклонения терминала от заданного маршрута.
3. Попадая в радиус взаимодействия с точкой доступа (120 м), терминал принимает ШИ и считывает UIN ТД, чтобы определить «своя» ли это точка доступа.
4. Определив доступность связи с текущей точкой доступа, терминал по каналу RACH посылает заявку к точке доступа о предоставлении ему индивидуального канала для передачи информации, содержащий собственный уникальный идентификатор (UIN ГT). Чтобы точка доступа могла знать, имеет ли право текущий терминал на обслуживание , в памяти точки доступа жестко прописаны разрешенные UIN ГT. Если UIN ГT присутствует в памяти ТД, то ТД выделяет для связи с текущим терминалом индивидуальные каналы - DTCH и DCCH, и сообщает их номера терминалу вместе с готовностью к приему данных.
5. Терминал, получив номер DTCH (что автоматически означает разрешение на передачу данных), настраивается на данный канал и передает по нему данные на точку доступа. Точка доступа, приняв данные от терминала, сохраняет в памяти. В случае нарушения целостности данных, точка доступа запрашивает их повторную передачу с терминала. В случае обмена речевыми сообщениями терминала и точки доступа, DTCH создается дуплексным.
6. После того, как данные с терминала корректно приняты точкой доступа и сохранены, точка доступа дает команду терминалу обновить журналы с данными. В память терминала записывается очередной идентификатор точки доступа (UIN ТД), которой терминал только что передал данные. ТД разрывает связь с терминалом, и дальнейший сценарий работы терминала возвращается к началу п.2. После этого точка доступа немедленно передает полученнные от ГТ данные в ЦСИ. ЦСИ проверяет целостность принятых от точки доступа данных. В случае их нарушения – отправляет точке доступа запрос на повторную передачу. В случае целостности принятых данных ЦСИ делает очередную запись в базе данных (БД), хранимой в собственной памяти. После создания очередной записи в своей БД, ЦСИ дает команду точке доступа, с которой были приняты данные, Обновить журналы с данными, относящиеся к только что успешно завершенной передаче.
Список использованной литературы:
1. Весоловский К. – Системы подвижной радиосвязи, М.: Горячая линия – Телеком, 2006
2. Бакке А.В. – лекции по курсу ССПО;
3. КП на тему «Локальная радиосеть» п. 1.4-1.5 (часть № 2) [Электронный ресурс] //URL:http://omoled.ru/publications/view/316
4. Радиосистема передачи данных. Часть 2. [Электронный ресурс] //URL:http://omoled.ru/publications/view/318
5. Система сбора данных с подвижных станций. Часть 2. [Электронный ресурс] //URL:http://omoled.ru/publications/view/321
6. С.А.Милованов. Система сбора данных с подвижный станций (часть 2). [Электронный ресурс] // URL:http://omoled.ru/publications/view/324
7. Сетевая модель OSI. [Электронный ресурс] //URL:http://ru.wikipedia.org/wiki/%D1%E5%F2%E5%E2%E0%FF_%EC%EE%E4%E5%EB%FC_OSI
8. Эталонная модель OSI. [Электронный ресурс] //URL:http://rz6hpi.narod.ru/net/cisco/cisco/cv_307.html
9. Модель OSI. [Электронный ресурс] // URL:http://citforum.ru/nets/switche/osi.shtml