Построение канального уровня системы. Описание назначения сервисов канального уровня исходя из контекста решаемых задач. Определение способов адресной и широковещательной доставки сообщений канального уровня.

       Канальный уровень предназначен для обеспечения взаимодействия сетей по физическому уровню и контролем над ошибками, которые могут возникнуть. Полученные с физического уровня данные, представленные в битах, он упаковывает в кадры, проверяет их на целостность и, если нужно, исправляет ошибки (формирует повторный запрос поврежденного кадра) и отправляет на сетевой уровень. Канальный уровень может взаимодействовать с одним или несколькими физическими уровнями, контролируя и управляя этим взаимодействием .На этом уровне работают коммутаторы, мосты и другие устройства. Эти устройства используют адресацию второго уровня (по номеру уровня в модели OSI).

    На канальном уровне присутствует  Служба  адресации ,она  осуществляет адресную доставку сообщений путём ввода адреса в определённое поле пакета канального уровня.

    В нашей системе присутствуют подвижные терминалы и станционные  точки доступа.   Для обеспечения адресной доставки используются уникальные идентификаторы (ID) устройств участвующих в информационном обмене. Данные идентификаторы записываются в память устройств с помощью главного управляющего узла сети- центром сбора информации (ЦСИ),имеющим возможность, в случае надобности, изменения идентификаторов. Идентификационные номера устройств  прописаны в двоичном формате. Так как в соревнованиях могут принять участие не более 30 человек, соответственно потребуется  30 идентификационных номеров, так как адрес каждого подвижного терминала представляется в двоичной форме ,то  поле адреса канального уровня должно содержать 5 битов (25=32).В случае участия большего количества человек потребуется больше номеров, соответственно поле канального уровня будет содержать большее количество бит (например при участии 100 человек потребуется 27 -значений.

Так же присутствует Служба целостности сообщений –данная  служба осуществляет проверку принятых сообщений по средствам подсчёта контрольных сумм (CRC),в данной системе будем использовать CRC-12,поэтому данное поле пакета канального уровня будет содержать 12 бит.

    Выделение типов логических каналов связи (ЛКС), используемых на канальном уровне. Пояснение назначения сообщений, передаваемых по каждому ЛКС.

    На канальном уровне используется несколько логических каналов связи (ЛКС) ,применение одного из ЛКС мы определим после проработки сценария Подвижного терминала с точкой доступа. После включения, точка доступа  излучает широковещательную информацию о сети ,для этого потребуется организовать широковещательный канал  BCCH .Сообщение данного канала содержит в себе идентификатор сети  (IDc) и уникальный идентификатор точки доступа (IDтд).Как только терминал получает идентификаторы, он должен узнать может ли он обслуживаться в этой сети, это осуществляется путём сравнения полученного идентификатора сети (IDс) с тем что хранится в его памяти ,в случае их совпадения он отправляет запрос на выделение канала связи ,в случае несовпадения он должен продолжить поиск сети в которой он зарегистрирован.

  Рассмотрим используемые виды логических каналов связи:

  - Широковещательный канал – используется для  передачи сведений о точке доступа всем терминалам, как идентификатор точки доступа, профиль настройки физического уровня, пакеты временной и частотной синхронизации, номер цикла передачи. Терминал принимает эту информацию, определяет что находится в зоне обслуживания точки доступа, где имеет право передавать сообщения.

   - Канал случайного доступа – предназначен для отправки на точку доступа текущего подготовленного сообщения. Терминалы вступают в конкурентную борьбу за канал передачи данных по каналу случайного доступа. Если терминал выигрывает в конкурентной борьбе, он незамедлительно передает свое сообщение. Если в результате передачи произошла коллизия или возникли ошибки при передаче, терминал заново вступает в конкурентную борьбу за канал, для того чтобы заново передать текущее сообщение.

   - Канал управления – предназначен для передачи команд управления и оповещения с точки доступа на терминал. Сообщения, передаваемые по этому каналу, могут быть такие как сообщения о готовности к передаче, или сообщение успешного приема. Также сообщения этого канала могут предназначаться, конкретному пользователю, с целью получения от него дополнительной услуги.

    Оценка возможности применения ARQ в ЛКС.

      Если при передаче сообщений от терминала к точке доступа появились ошибочно принятые пакеты и три попытки повторной передачи не позволили от них избавиться, то сообщение считается не принятым, терминал получает соответствующее уведомление, выжидает две секунды (с целью возможного улучшения характеристики канала) и заново передает всё сообщение в рамках текущего сеанса. Такая процедура повторяется до тех пор, пока терминал не получит от точки доступа подтверждение успешного приема сообщения, либо пока терминал не выйдет из зоны взаимодействия с текущей точкой доступа (радиус – 100 м).

   Способы обеспечения достоверности принимаемых сообщений в каждом ЛКС.

     Для достоверности принимаемой информации используется поле контрольной суммы (CRC)- это некоторое число которое получается в результате обработки по определённому алгоритму некоторого объёма данных. После приема пакета данных, по принятым битам вычисляется новая контрольная сумма на приемной стороне, полученное значение контрольной суммы сравнивается с принятым. При совпадении результатов можно сделать вывод, что данные приняты без ошибок.

 Долевая оценка пропускной способности ЛКС, оценка полного трафика системы. Составить сводную таблицу ЛКС с указанием наименования, назначения и типа КС.

Сумма всех интервалов, приходящихся на каждый ЛКС, равна 100%. Для долевой оценки отведем  каждому интервалу свое процентное соотношение:

·         на широковещательный канал отводится 5 % от всей пропускной способности физического канала;

·         на канал случайного доступа отводится – 93 %

·         на канал оповещения отводится – 2 %


Составим сводную таблицу ЛКС

   Таблица 1. Сводная таблица ЛКС.

   

   Анализ необходимости наличия разных профилей настройки физического уровня. Проработка иллюстрации способа оперативного управления профилями физического уровня.

   Выбор того или иного профиля осуществляется на основании результатов работы подсистемы радиоизмерений, расположенной на физическом уровне. По умолчанию можно устанавливать профиль с высокой скоростью и низкой помехозащищенностью передачи данных. При выявлении ухудшения качества КС, подсистема радиоизмерений посылает сообщение сигнализации на уровень управления. В ответ уровень управления должен сформировать сообщение управление и отправить его подсистеме управления профилями .Подсистема управления профилями должна изменить вид модуляции, кодирования и перемежения на низкоскоростной и более помехозащищенный.  Информация о профиле функционирования РМ, передается по каналу RACH вместе с запросом на предоставление индивидуального КС. Информация о профиле функционирования ТС, передается по каналу AGCH в пакете оповещения. Прежде чем осуществить передачу данных, РМ и ТС должны настроиться на одинаковый профиль функционирования физического уровня.

                

    Пояснение структуры сообщения (пакета) канального уровня: описание предлагаемых видов пакетов и необходимых полей. Описание процедуры типового обмена сообщениями между объектами канального уровня.

     Общими полями для всех пакетов будут являться: поле адреса, поле с указанием типа пакета, поле данных, поле контрольной суммы, поле с указанием размера информационной части пакета.


                    Рисунок 1. Общая структура пакетов канального уровня.


Поясним назначение каждого из полей:

 Поле «I/G» – поле предназначенное для указания типа сообщения, адресное или широковещательное.

 Поле «Тип канала» - в данном поле указывается какие сведения передаются: служебная или пользовательская информация.

 Поля адреса – содержит адреса отправителя и получателя пакета.

 Поле профиля функционирования – информация о том, на каком профиле в данный момент идет работа системы.

 Поле данных– содержит непосредственно информацию, которую необходимо передать.

 Поле CRC – контроль целостности пакета.

      В поле I/Gустанавливается значения 0, в поле адреса устанавливается значение идентификатора точки доступа, в зоне обслуживания которой находится терминал. В поле «тип канала» указывается порядковый номер в двоичном виде канала (BCCH – 01, RACH –10, DCCH – 11). Рассчитаем значение поля данных:

 

На данные со скоростью движения отведем 1 байт;

На данные о пульсе – 2 байта;

На температуру тела – 1байта;

В результате  получается общих размер  поля данных  составляет  4 байта, или  32

бита.

    Канал широковещательных сообщений. Поле I/G будет равно 1, поле адреса терминала заполняется последовательностью из 8 единиц. В поле «тип канала» указывается порядковый номер в двоичном виде канала. В поле адреса ТД записывается идентификатор точки доступа в двоичном виде.

     

Рисунок 2. Структура сообщения BCCH.

    Канал случайного доступа. В поле I/G устанавливается значения 0, в поле адреса устанавливается значение идентификатора точки доступа. В поле «тип канала» указывается порядковый номер в двоичном виде канала. В поле данных, текущее сообщение которое необходимо передать на точку доступа.

     

                                       Рисунок 3. Структура сообщения RACH.

    Канал управления. Поле данных разделяется на 2 поля. Первое поле это поле подтверждения доставки – 1 бит. Если 1 успешная доставка сообщения, если значение 0, то данное поле не используется. Второе поле – запрос дополнительной услуги.

  

Рисунок 4. Структура сообщения DCCH.



Назначение физического уровня, пояснения способа организации физических каналов и вида доступа к ним. Пояснения инкапсуляции сообщений ЛКС канального уровня на физические каналы.

 

     Инкапсуляция заключается в том что  на физическом уровне к сообщению канального уровня добавляется дополнительная служебная информация, в результате получается сообщение, готовое к передаче по каналу связи. Дополнительная служебная информация имеет значение только на физическом уровне и пакет физического уровня будет иметь вид:

                       

                             Рисунок 5. Структура пакета физического уровня.



     Он состоит из флагов начала и конца, каждый из которых равен 8 битам, из настроечной последовательности фильтра-эквалайзера необходимой для коррекции амплитудных и фазовых изменений, вызываемых замираниями в радиоканале.


                           Рисунок 6. Организация доступа к физическому каналу.

    


    Передача данных происходит на основе конкурентной борьбы. После включения ТС, она начинает излучать широковещательную информацию о сети, включающую сетевой идентификатор, информацию о профиле функционирования системы, данные коррекции частоты и временной синхронизации. Терминалы, приняв эту информацию, вступают в конкурентную борьбу за канал передачи данных. На основании принятых запросов, точка доступа формирует пакет оповещения и передает его терминалу, выигравшему борьбу за канал. Пакет оповещения является, по сути, пакетом подтверждения о получении точкой сбора заявки на передачу данных. Этот пакет также содержит информацию о профиле функционирования ТД. Каждый терминал может передавать накопленные данные только в фиксированный промежуток времени, т.е. он может передать определенное количество сообщений. Это число должно быть заранее установлено в системе и должно быть известно всем терминалам. Поэтому когда один из терминалов начинает передачу данных, остальные , не дождавшись пакета оповещения, переходят в состояние «сон» на время равное времени передачи. По истечении этого отрезка времени, терминалы включаются и снова вступают в конкурентную борьбу за канал передачи данных. После осуществления передачи данных, терминал должен получить соответствующий пакет подтверждения. Если такого пакета он не получает, то выждав некоторое время снова вступает в борьбу за канал.

 

    

   Энергетический расчет системы: обоснованный выбор частотного диапазона; оценка уровня потерь при распространении радиоволн выбранного диапазона; обоснование выбора вида модуляции; расчет отношение сигнал/шум, требуемого для обеспечения заданной вероятности битовой ошибки для выбранного вида и типа модуляции/демодуляции.

  Для работы нашей системы будем  использовать диапазон 403-410 МГц,так как согласно документам он предназначен для юридических лица для разработки, производства и модернизации радиоэлектронных средств фиксированной и подвижной радиосвязи гражданского назначения без оформления отдельных решений ГКРЧ.

 Далее произведём энергетический расчет:

 

 В соответствие с ТЗ оценку уровня потерь осуществим, используя модель предсказания Хата



f – несущая частота, МГц

d–расстояние между антенной точки доступа и антенной терминала

hAP – высота антенны точки доступа

hAC – высота антенны терминала

a(hAC) – поправочный коэффициент для терминала



   Определимся с видом модуляции, используемой в каждом из профилей. Для канала с низким качеством будем использовать модуляцию QPSK. Этот вид модуляции обеспечивает относительно небольшую скорость передачи сообщений, но и характеризуется малой вероятностью возникновения ошибок. Для канала с хорошим качеством будем использовать модуляцию 16-PSK, т.к. этот вид модуляция обеспечивает более высокую скорость передачи сообщений, нежели QPSK, но, соответственно, характеризуется более высокой вероятностью возникновения ошибок, по сравнению с QPSK – модуляцией. 



       

   Рисунок 7. Зависимости вероятностей битовой ошибки от ОСШ для QPSK и 16-PSK 

    

  По ТЗ необходимо обеспечить вероятность ошибки на бит Pb = 5*10^-7. при использовании модуляции QPSK достигается при отношении сигнал/шум не менее 9 дБ, а при использовании модуляции 16-PSK - не менее 17 дБ.

 


Обоснованный выбор метода помехоустойчивого кодирования, перемежения, деперемежения, оценка эффективности кодирования. Анализ и обоснованный выбор мер по защите физического уровня от многолучевости.

 

    В соответствии с физическим уровнем будем использовать БЧХ- коды , которые обеспечивает достаточную свободу длины блока.

    Для борьбы с пакетами ошибок в системе используется блочное перемежение. Идея блочного перемежения в том, что исходная кодовая последовательность из L символов разбивается на M блоков по N символов в каждом и преобразуется в матрицу размером L = [ N x M ], где N — число символов в строке, а M — число столбцов. Операция блочного перемежения заключается в последовательной построчной записи входных данных и считывании этой информации по столбцам. На приемной стороне выполняется деперемежение: запись производится по столбцам, а чтение по строкам. При этом происходит восстановление исходного порядка следования символов.

   В данной системе исходная закодированная последовательность размером 127 бит поступает на вход блочного перемежителя. К этой последовательности добавляется один нулевой хвостовой бит, с целью приведения длины последовательности к кратной степени двойки (выполнение этой операции также необходимо для корректной работы модулятора). Эта последовательность разбивается на 16 блоков по 8 бит в каждом. Далее происходит сама процедура перемежения.

 

     Оценка уровня передачи.

      Так как в нашей системе возможно использование двух профилей настройки физического уровня в зависимости от помеховой обстановки – «хороший канал» и «плохой канал», проведем расчет мощности передатчиков и чувствительности приемников для каждого профиля.