Тема 1. Локальная радиосеть. Часть 3.

Выполнил: студент группы 1110 Севостьянов М.А.

Описание назначения сервисов канального уровня исходя из контекста решаемых задач. Определение способа идентификации служебных и информационных сообщений, пояснение способа адресной и широковещательной доставки сообщений на канальном уровне. Пояснение организации доступа к ФК, решение проблемы коллизий при организации доступа к сети.

Канальный уровень 802.11 состоит из двух подуровней: управления логической связью (Logical Link Control, LLC) и управления доступом к носителю (Media Access Control, MAC). 802.11 использует тот же LLC и 48 битовую адресацию, что и другие сети 802, что позволяет легко объединять беспроводные и проводные сети, однако MAC уровень имеет кардинальные отличия. Стандарт 802.11 предусматривает использование полудуплексных приёмопередатчиков, поэтому в беспроводных сетях 802.11 станция не может обнаружить коллизию во время передачи. Чтобы учесть это отличие, 802.11 использует модифицированный протокол, известный как Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA), или Distributed Coordination Function (DCF). CSMA/CA пытается избежать коллизий путём использования явного подтверждения пакета (ACK), что означает, что принимающая станция посылает ACK пакет для подтверждения того, что пакет получен неповреждённым. CSMA/CA работает следующим образом. Станция, желающая передавать, тестирует канал, и если не обнаружено активности, станция ожидает в течение некоторого случайного промежутка времени, а затем передаёт, если среда передачи данных всё ещё свободна. Если пакет приходит целым, принимающая станция посылает пакет ACK, по приёме которого отправителем завершается процесс передачи. Если передающая станция не получила пакет ACK, в силу того, что не был получен пакет данных, или пришёл повреждённый ACK, делается предположение, что произошла коллизия, и пакет данных передаётся снова через случайный промежуток времени. Для определения того, является ли канал свободным, используется алгоритм оценки чистоты канала (Channel Clearance Algorithm, CCA). Его суть заключается в измерении энергии сигнала на антенне и определения мощности принятого сигнала (RSSI). Если мощность принятого сигнала ниже определённого порога, то канал объявляется свободным, и MAC уровень получает статус CTS. Если мощность выше порогового значения, передача данных задерживается в соответствии с правилами протокола. Стандарт предоставляет ещё одну возможность определения незанятости канала, которая может использоваться либо отдельно, либо вместе с измерением RSSI – метод проверки несущей. Этот метод является более выборочным, так как с его помощью производится проверка на тот же тип несущей, что и по спецификации 802.11. Наилучший метод для использования зависит от того, каков уровень помех в рабочей области. Таким образом, CSMA/CA предоставляет способ разделения доступа по радиоканалу. Механизм явного подтверждения эффективно решает проблемы помех. 

 В данной радиосистеме на канальном уровне будут осуществляться сервисы такие, как:
- подключения;
- передача и прием данных от Т на ТД и в обратном направлении;
- безопасность

802.11a обеспечивает контроль доступа на MAC уровне и следующие механизмы шифрования:
  • Wired Equivalent Privacy (WEP) — алгоритм для обеспечения безопасности сетей Wi-Fi. Используется для обеспечения конфиденциальности и защиты передаваемых данных авторизированных пользователей беспроводной сети от прослушивания. Существует две разновидности WEP: WEP-40 и WEP-104, различающиеся только длиной ключа.
  • WPA и WPA2 (Wi-Fi Protected Access) — представляет собой обновлённую программу сертификации устройств беспроводной связи. Технология WPA пришла на замену технологии защиты беспроводной Wi-Fi сети WEP. Плюсами WPA являются усиленная безопасность данных и ужесточённый контроль доступа к беспроводным сетям. Немаловажной характеристикой является совместимость между множеством беспроводных устройств как на аппаратном уровне, так и на программном.

Пояснение структуры сообщения (пакета) канального уровня: описание предполагаемых видов пакетов и необходимых полей.

На Рисунке 9 изображен формат кадра 802.11. Приведенная общая структура применяется для всех информационных и управляющих кадров, хотя не все поля используются во всех случаях.


            Рисунок 9. Формат кадра MAC IEEE 802.11

Перечислим поля общего кадра:

  • Управление кадром. Указывается тип кадра и предоставляется управляющая информация (объясняется ниже).
  • Идентификатор длительности/соединения. Если используется поле длительности, указывается время (в микросекундах), на которое требуется выделить канал для успешной передачи кадра MAC. В некоторых кадрах управления в этом поле указывается идентификатор ассоциации или соединения.
  • Адреса. Число и значение полей адреса зависит от контекста. Возможны следующие типы адреса: источника, назначения, передающей станции, принимающей станции.
  • Управление очередностью. Содержит 4-битовое подполе номера фрагмента, используемое для фрагментации и повторной сборки, и 12-битовый порядковый номер, используемый для нумерации кадров, передаваемых между приемником и передатчиком.
  • Тело кадра. Содержит модуль данных протокола LLC или управляющую информацию MAC.
  • Контрольная последовательность кадр а. 32-битовая проверка четности с избыточностью.

Поле управления кадром, показанное на рисунке 12, состоит из следующих полей:

  • Версия протокола. Версия 802.11, текущая версия - 0.
  • Тип. Определим тип кадра: контроль, управление или данные.
  • Подтип. Дальнейшая идентификация функций кадра. Разрешенные сочетания типов и подтипов перечислены в Таблице 3

Таблица 3. Разрешенные комбинации типа и подтипа
  • К DS. Координационная функция MAC присваивает этому биту значение 1, если кадр предназначен распределительной системе.
  • От DS. Координационная функция MAC присваивает этому биту значение 0, если кадр исходит от распределительной системы.
  • Больше фрагментов. 1, если за данным фрагментом следует еще несколько.
  • Повтор. 1, если данный кадр является повторной передачей предыдущего.
  • Управление мощностью. 1, если передающая станция находится в режиме ожидания.
  • Больше данных. Указывает, что станция передала не все данные. Каждый блок данных может передаваться как один кадр или как группа фрагментов в нескольких кадрах.
  • WEP. 1, если реализован алгоритм конфиденциальности проводного эквивалента (Wired Equivalent Privacy - WEP). ПротоколWEP используется для обмена ключами шифрования при безопасном обмене данными.
  • Порядок. 1, если используется услуга строгого упорядочения, указывающая адресату, что кадры должны обрабатываться строго по порядку.

            Рисунок 10. Поле управления кадром


Расчет полной пропускной способности физического КС.

Рассчитаем скорость формирования битового потока на выходе канального уровня: 

  По условию ТЗ гарантируемая скорость передачи данных в обоих направлениях 1 Мбит/с. Прибавим ещё 20% от этого значения на CRC, флаги, адреса, номер пакета - получим 1,2 Мбит/с. С учётом помехоустойчивого кодирования (скорость кодирования ½, используя профиль 3), скорость  увеличится в 2 раза -  2,4 Мбит/с. Учитывая защитные интервалы и синхронизацию (10%), то скорость должна быть равна 2,64 Мбит/с. Так как это будет 96% от общей пропускной способности, то общая пропускная способность равна 2,75 Мбит/с.

Исходя из профиля 3,где скорость передачи данных обеспечивается 12 Мбит/с, можно сделать вывод, что гарантируемая скорость передачи данных в обоих направлениях будет достигнута.


Рассмотрение примера обработки терминалом произвольного служебного сообщения: пояснение последовательности действий, выполняемых терминалом по факту приема сообщения.

Терминал находится в режиме энергосбережения и принимает маячковые сигналы, в которых содержится информация о наличие трафика,и в одном из маячковых сообщений приходит информация о том, что данному терминалу есть трафик. Терминал выходит из режима энергосбережения,ожидает окно конкурентного доступа с целью захвата канала связи,далее отправляет запрос на отправку данных,и приняв их отправляет подтверждение приема и переходит в режим энергосбережения.

Краткое обоснование состава иерархических моделей выделенного узла сети и терминала в соответствии с рекомендациями OSI на основании п.1.2 и п.1.3. Определение и краткое пояснение основных видов служебных сообщений с указанием служб источников и получателей сообщения. Пояснение процесса формирования и обработки сообщений трафика и подсистемы управления в виде обобщения материала п.1.2 и п.1.3.

 МодельOSI описывает прохождение информации от одного абонента к другому через физический медиум называемый сетью связи. Данная модель представлена на Рисунке 11 ,представляется в виде иерархической структуры узлов и соединений, независящих от их физической и программной реализации, а также назначения передаваемой информации.


 Рисунок 11. Модель OSI

Рассмотрим необходимые уровни модели OSI для данной системы.
   Основное назначение физических уровней стандарта 802.11 — обеспечить механизмы беспроводной передачи для подуровня MAC, а также поддерживать выполнение вторичных функций, таких как оценка состояния беспроводной среды и сообщение о нем подуровню MAC. Подготавливая эти механизмы передачи независимо от подуровня MAC, стандарт 802.11 усовершенствовал как подуровень MAC, так и подуровень PHY, а также поддерживаемый последним интерфейс/ Именно независимость между MAC и подуровнем PHY и позволила использовать дополнительные высокоскоростные физические уровни, описанные в стандартах 802.11b, 802.11а,802.11g.и 802.11n.,что сделало их совместимыми друг с другом.

Каждый из физических уровней стандарта 802.11 имеет два подуровня.

  • Physical Layer Convergence Procedure (PLCP). Процедура определения состояния физического уровня.
  • Physical Medium Dependent (PMD). Подуровень физического уровня, зависящий от среды передачи.
   Подуровень PLCP по существу является уровнем обеспечения взаимодействия (handshaking layer), на котором осуществляется перемещение элементов данных протокола MAC (MAC protocol data units, MPDU) между МАС-станциями с использованием подуровня PMD, на котором реализуется тот или иной метод передачи и приема данных через беспроводную среду. До известной степени можно считать, что PMD выполняет функцию службы беспроводной передачи; взаимодействие этих служб осуществляется посредством PLCP. Подуровни PLCP и PMD отличаются для разных вариантов стандарта 802.11.
   Все подуровни PLCP, независимо от типа уровня PHY стандарта 802.11, используют базисные элементы данных, или примитивы данных (data primitives), обеспечивающие интерфейс для передачи октетов данных между уровнями MAC и PMD. Кроме того, они предоставляют примитивы, которые позволяют подуровню MAC сообщить уровню PHY, когда начинается передача, а уровню PHY информировать подуровень MAC об окончании передачи. На приемной стороне примитивы PLCP, передаваемые уровнем PHY на подуровень MAC, указывают, когда он начинает прием информации от другой станции и когда эта передача завершается.    В обеспечение поддержки функции оценки незанятости канала (clear channel assessment (CCA) function) все PLCP обеспечивают для подуровня MAC механизм, посредством которого он может возвратить в исходное состояние ССА-машину (CCA engine), а для уровня PHY - возможность сообщать о текущем состоянии беспроводной среды.

Проработка структуры радиоинтерфейса L1-уровня, обеспечивающего двусторонний обмен пакетами физического уровня. Проработка вида и структуры пакета физического уровня, оценка размерности структуры пакета. Обоснование полей и реализация структуры OFDM символа (при необходимости), анализ необходимости использования вспомогательных каналов физического уровня.

На физическом уровне пакет представляет собой последовательность OFDM символов в виде преамбулы, заголовка (PLCP- заголовок) и поля данных. Блок данных характеризуется переменной длиной, который завершается хвостовыми битами (Tail, равны нулю и предназначены для «сброса» сверточного кодера) и заполняющими битами (Pad),предназначенными для выравнивания длины пакета . Все поля заголовка, кроме поля SERVICE, передаются посредством одного OFDM-символа, причем с наименьшей из возможных скоростей (BPSK). Оставшаяся часть заголовка и поле данных транслируются с любой заданной скоростью из списка возможных (см. Таблица 4).

 Таблица 4. Профили стандарта 802.11а



Рисунок 12.Структура блока данных физического уровня PLCP.

Две длинные настроечные последовательности OFDM-символов следуют за короткими с промежутком в два защитных интервала GI= 0,8 мкс. Каждой из последовательностей соответствуют OFDM-символы, включающие 52 поднесущие. При формировании символов используются двоичная фазовая модуляция (BPSK) каждой поднесущей и сверточный код с кодовой скоростью R = 1/2, длительность символов - 3,2 мкс, защитных интервалов между символами нет. Длинные символы преамбулы предназначены для оценки передаточной функции канала связи и для точной синхронизации временной шкалы приемника.

Рисунок 13. Последовательность первых OFDM символов пакета физического уровня PLCP.

За преамбулой следует PLCP-заголовок физического пакета. Он состоит из двух частей – фрагмента SIGNAL и поля SERVICE. Фрагмент SIGNAL всегда занимает один OFDM-символ и передается без шифрования посредством BPSK-модуляции со скоростью кодирования R = 1/2. В этом фрагменте передается информация о скорости передачи сообщения (поле RATE) и о его длине (поле LENGTH, выраженное в байтах). Число битов, передаваемых в одном символе OFDM соответствует 52 для модуляции BPSK. Для надежности в заголовке используются биты контроля четности (Parity). Шесть последних бит (Tail), всегда равных нулю.

Анализ методов помехоустойчивого кодирования, оценка эффективности кодирования. Оценка полной пропускной способности ФК соединения «терминал-БС» («терминал-терминал») с учетом избыточности, вносимой на физическом уровне.

 В проектируемой сети для реализации помехоустойчивого кодирования воспользуемся сверточным кодом со скоростью  1/2 (каждому входному биту соответствуют два выходных) с целью получения выигрыша в ОСШ.
   В процессе оценки эффективности кодирования в среде Matlab воспользуемся средством bertool: для сверточного кодирования запишем порождающий многочлен (171,133), который был найден Р. Оденвальдером (R.Odenwalder) на заре эры активного освоения техники сверточного кодирования. Этот код вошел во многие стандарты спутниковой и космической связи и получил статус «Planetary Standard Code»(стандартный код для планетных исследований), и в настоящее время широко используется во многих телекоммуникационных системах.
Сверточный код не исправит все ошибки, поэтому необходимо применение прямой коррекции ошибок (Forward Error Correction - FEC), позволяющей исправлять ошибки методом упреждения. Применяется для исправления сбоев и ошибок при передаче данных, путём передачи избыточной служебной информации, на основе которой может быть восстановлено первоначальное содержание посылки. В данной системе будет использован сверточный код с длиной кодового ограничения равного 7.
Перемежение в данной сети используется для обеспечения борьбы с пакетными ошибками. В данной сети будем использовать случайное перемежение. При данном типе перемежения символы расставляются в случайном порядке по всей длине пакета по псевдослучайному закону, который вычисляется только один раз.

Для оценки эффективности кодирования в среде Matlab воспользуемся средством bertool и построим графики зависимости вероятности битовой ошибки от ОСШ:

Рисунок 14. Зависимости вероятности битовой ошибки от ОСШ для BPSK без кодирования и с кодированием

Для обеспечения заданной вероятности на бит Pb = 1*10-7 необходимо иметь отношение сигнал/шум на выходе не менее Eb/N0 =11,6 дБ. До применения сверточного кодирования, вероятность битовой ошибки BPSK: Eb/N0 =11.6 дБ, с применением сверточного кодирования со скоростью 1/2 Eb/N0 = 7,8 дБ, следовательно, выигрыш составит 3,8 дБ.

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

Разрабатываемая сеть основана на стандарте IEEE 802.11a. В соответствии с сертификацией предусмотрено использование частотного диапазона 2,4 ГГц и 5 ГГц.  В связи с тем, что диапазон 2,4 ГГц не лицензируем, это позволяет нам существенно снизить затраты на построение системы. В решении ГКРЧ от 06 декабря 2004 г  сказано, что для внутриофисных систем передачи данных можно использовать диапазон частот 2400-2483,5 МГц. Выберем частоту 2,4 ГГц.

Тогда расчет потерь произведем по формуле:


N- дистанционный коэффициент потерь мощности;

f - несущая частота (МГц);

d - расстояние между узлами сети (м);

Lf(n)  - коэффициент потерь за счет прохождения сигнала через пол (дБ);

n - количество этажей между базовой станцией и переносным терминалом (n>=1).

Будем считать, что у нас имеется одноэтажное здание, тогда Lf(n), будет равен 0. Несущая частота 2400 МГц. Для промышленных зданий  N = 20. Расстояние между узлами сети выберем максимально возможное (100 м). Тогда,




Оценка уровня мощности передачи с учетом необходимого запаса мощности сигнала для его уверенного приема с вероятностью 75 % на границе радиопокрытия, оценка размера зоны радиопокрытия.

Оценим уровень мощности излучения передающего устройства Pизл т при использование QPSK модуляции:

Минимальная полоса пропускания :


Rn=12 Мбит/c-  скорость передачи данных.

Шумовая полоса приемника Пш:

T=296 К-шумовая температура.

k=1,38*10-23 Дж/К-постоянная Больцмана.

Тогда мощность шума Pш:



Мощность излучения передатчика :

 - чувствительность приемника.

L = 140.6 дБ - затухание в канале.

Pз = 10 дБ - резерв по мощности

Чувствительность приемника:


Pш = -170,46 дБ - мощность шума на выходе приемника

С/N - аналоговое ОСШ

Eb/N0=7.8 дБ - цифровое ОСШ

Rn=12 Мбит/с - скорость передачи данных

Пш=22 МГц - шумовая полоса приемника




Тогда, подставим полученные значения в формулы, получим:

Чувствительность приемника:



Мощность излучения передатчика:



Дальность связи:


F=2400 МГц

Rn=12 Мбит/c-  скорость передачи данных.

Pmin= -65 дБм

Мощность передатчика беспроводного маршрутизатора  TRENDnet TEW-751DR N600 15 dBm . Чувствительность приемника -65dBm .

Для Pп=15 дБм


Данный маршрутизатор не может обеспечить дальность связи, требуемую в ТЗ (100м), следовательно необходимо выбрать более мощный маршрутизатор.


Rn=12 Мбит/c-  скорость передачи данных.

Pmin= -94 дБм

Мощность передатчика беспроводного маршрутизатора TL-WR841N  20 дБм. . Чувствительность приемника -94dBm .

Для Pп=20 дБм

Таким образом дальность связи с применением беспроводного маршрутизатора TL-WR841N 159 м. Отсюда следует, что дальность связи будет удовлетворять ТЗ.

Разработка и пояснение функциональной схемы L1/L2-уровней сетевого узла.


Рисунок ?. Функциональная схема L1/L2-уровней системы: а) передатчик б) приемник 

Поступающие данные с верхних уровней обрабатываются канальным уровнем, где из них формируются кадры, также канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого кадра помещая специальную последовательность бит в начало и конец каждого кадра, для его выделения, а также вычисляет контрольную сумму, обрабатывая все байты кадра определенным способом, и добавляет контрольную сумму к кадру.

Поступающее с канального уровня блоки битов, проходят процедуру кодирования сверточным кодером со скоростью кодирования ½, далее поступают на перемежитель, который осуществляет перестановку бит по заданному алгоритму. Вид модуляции определяется используемым профилем (см. таблица 4). Профиль функционирования выбирается исходя из качества КС.

Полученная последовательность бит поступает на блок сборки пакетов физического уровня, где формируется сам пакет данных. При формировании пакета к нему добавляется преамбула для реализации временной и частотной синхронизации. Затем данные поступают на блок модуляции, где осуществляется их преобразование в модуляционные символы, которыми модулируются информационные поднесущие OFDM сигнала в блоке модулятора OFDM – символов и передаются в канал.

Приемная часть выполняет обратные операции: демодулирование OFDM – символов, демодуляция, деперемежение, декодирование.


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. Бакке А.В. «ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОСТРОЕНИИ ПРИНЦИПАХ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СЕТИ СТАНДАРТА 802.11»
  4. Тема 1. Локальная радиосеть. Часть 1.
  5. Тема 1. Локальная радиосеть. Часть 2
  6. Часть 3. Локальная радиосеть
  7. КП "Локальная радиосеть".Часть 3
  8. Часть 3. Радиосистема управления освещением