Радиосеть передачи данных

 

 

 

Выполнили:

ст. гр. №218

Минаков В.А.

Асеева Е.С.

 

1.3 Канальный уровень: разработка подсистемы управления доступом к среде, проработка процедур гарантированной/негарантированной доставки служебных и информационных сообщений.

1.3.1 определение и краткая характеристика возможных режимов работы терминала разрабатываемой радиосети. Выделение активного и пассивного состояний терминала. Анализ возможных решений по обеспечению энергосбережения.

В данной работе рассматривается децентрализованная сеть, предназначенная для передачи аудио и видео трафика на командный узел радиосети. Исходя из п. 1.1 и 1.2, следует выделить основные состояния терминалов:

1) Сон – прослушивание канала, в ожидании сообщения широковещательного характера;

2) синхронизация – применение значений временных меток, заложенных в широковещательном или служебном сообщении;

3) установление маршрутов соединения;

А) аутентификация/идентификация передающего Т;

Б) дополнение  маршрутных данных своим ID;

В) передача широковещательного сообщения далее в сеть.

Исходя из вышесказанного, следует выделить основные состояния Т

1) Терминал бездействует;

2) Терминал – источник трафика;

3) Терминал – ретранслятор трафика.

 п. 1 – пассивное состояние терминала. В данном состоянии энергопотребление Т. минимально и полностью направлено на прослушивание канала.

п. 2 и 3 – активные состояния терминала – в состоянии 2 терминал расходует максимум энергии, т.к. помимо обслуживания средств, обеспечивающих функционирование созданного канала, требуется энергия для работы периферийных устройств. В первой части работы, рассматривалась возможность полного отключения терминала от радиосети с целью сокращения энергопотребления.

1.3.2 Обоснование назначения, способа реализации и основных параметров физических каналов связи. Аргументированный выбор способа организации доступа к физическим каналам. Анализ возможных причин возникновения коллизий в радиосети и пояснение решения по их устранению.

     Исходя из основной задачи разрабатываемой сети, задачу выделения физических каналов, в нашем случае, возложена на терминал при командном узле. Оператор КУ посредством ПО, генерирует запрос о передаче информации с периферийных устройств некоторого терминала (Reactive Routing). Запрос интерпретируется терминалом, находящемся при командном узле, в сообщение, передаваемое искомому Т.  Так как разрабатываемая сеть не требует обеспечения множественного доступа, то единственным возможным случаем возникновения коллизий может быть несогласованность терминалов при передаче ответа о заполнении таблиц маршрутизации терминалу-получателю, в этом случае предусмотрена повторная отправка ответа через некоторый случайный промежуток времени, до получения отчета о доставке.

1.3.3 Пояснение способа двусторонней доставки сообщений по радио интерфейсу. (Рис. 1)


Рис.1 Пояснение принципа двустороннего обмена сообщениями.

Рассмотрим представленный рисунок 1. Тайм слот data, представляет собой любое сообщение, служебное или трафика, передаваемое на терминал при КУ. Тайм слот 1 предназначен для передачи отчета о доставке, а поле 2 необходимо для передачи служебных команд.  В случае отсутствия необходимости передачи команд поле 2 заполняется нулями.  

1.3.4 Обоснование необходимости контроля качества РК. Пояснение сценария контроля качества канала связи. Реакция сценария на ключевые состояния качества радиоканала.

 Контроль качества радиоканала необходим для адекватного функционирования сети в целом. Существует множество методов контроля помеховой обстановки каналов связи. В современных системах, как правило, используются методы адаптивного изменения параметров передаваемого сигнала. Однако методы адаптации сигнала допускают изменение скорости передачи информации. По требованию ТЗ требуется фиксированная скорость передачи и, как следствие,  основным методом контроля качества канала связи  будет мониторинг ошибок, возникших на физическом уровне. В случае превышения вышеупомянутого показателя будет осуществляться увеличение мощности передаваемого сигнала до предельного уровня, заявленного в ТЗ.

1.3.5 Построение сценария установления соединения и доставки сообщений верхнего уровня. Пояснение графической диаграммы состояний сетевого узла, отражающей основные элементы разрабатываемого сценария.

Исходя из сказанного в п 1.3.1 следует создать сценарий установления соединения. (Рис.2)


На первом этапе терминал при КУ отправляет в сеть широковещательное сообщение о начале работы сети, передает данные для временной синхронизации Т., находящегося в зоне его радиовидимости. Далее каждый последующий Т. рассылает сообщения. После чего в памяти каждого из терминалов остаются маршруты соединений. Далее следует формирование отчета о заполнении ТМ и его передача на КУ. Сеть готова к функционированию. На КУ генерируется запрос на трансляцию данных с терминала N. Терминал, изначально, посылает запрос на предоставление канала и, после подтверждения готовности, посылает запрос на передачу данных.

На основе разрабатываемой стратегии создана диаграмма состояний сетевого узла (Рис. 3)   

Рис. 3 диаграмма состояний сетевого узла.

Рассылка широковещательного сообщения задает временную синхронизацию для последующих  терминалов. Во время передачи трафика оконечный терминал задает синхронизацию терминалам – ретрансляторам и терминалу в составе КУ.

Состояние обработки служебных команд требуется для применения наборов команд, в соответствии с принятым сообщением.

1.3.6 Анализ задач, выполняемых на канальном уровне. Выделение типов логических каналов связи (ЛКС), которые будут использоваться на канальном уровне и краткое пояснение назначения ЛКС. Способы обеспечения достоверности принимаемых сообщений в каждом ЛКС, анализ необходимости подтверждения доставки сообщений и механизма ARQ в процессе передачи.

Основными функциями канального уровня являются организация логических каналов, а также обеспечение надежной адресной и широковещательной передачи сообщений в пределах сети.  Для работы данной сети считаем необходимым включить в состав следующие типы ЛКС:

1) Широковещательный канал (BCCH) – необходим для начала работы сети, посредством приема данного ЛК терминалы начинают заполнение таблиц маршрутизации;

2) Канал служебной связи (FACCH) – требуется для передачи исполнительных команд терминалам сети;

3) Канал трафика (TCH) – для передачи данных с периферийных устройств терминалов на командный узел радиосети.

Канал трафика передает данные в режиме реального времени и, как следствие, они чувствительны к задержкам. Однако, ослабляется влияние единичных битовых ошибок, так, как потеря одного бита как речевого, так и видео трафика существенно не скажется на качестве принимаемой информации.

Для широковещательного и служебного каналов наличие битовых ошибок может носить фатальный характер. Терминал, принявший ошибочное служебное сообщение, не исправленное на физическом уровне, будет использовать не требуемый, или вовсе, несуществующий протокол. Данный факт, несомненно, скажется на функционировании сети в целом. Во избежание подобных случаев требуется введение механизма ARQ, и механизма контроля целостности пакетов CRC. В случае неравенства CRC терминал отправляет запрос  на повторение отправки пакета, содержащего ошибочную информацию на терминал-передатчик. Если же повторная отправка сообщения не требуется, терминал применяет настройки, переданные в сообщении, и подтверждает готовность к дальнейшим действиям, что является отчетом об успешной доставке переданного сообщения. В случае если терминал-передатчик не получает сообщения от терминала-приемника, то по истечении случайного тайм-аута сообщение отправляется повторно (Stop-and-Wait Protocol, или SWP).     

1.3.7 Проработка протокола передачи данных канального уровня: пояснение правил передачи сообщений различных ЛКС, обоснование структуры полей сообщений канального уровня, построение блок-схем алгоритмов приема/передачи сообщений.  

Для наилучшего понимания процессов обработки сообщений канального уровня, рассмотрим прием служебных сообщений, так как в случае рассмотрения сообщения трафика, как говорилось ранее, некоторые функции канального уровня не будут использованы.

Служебная информация подразделяется на широковещательную (передается по каналу BCCH всем терминалам в зоне радиопокрытия) и адресную (передается по каналу FACCH конкретному терминалу). Примером адресного сообщения может служить запрос на предоставление Т. физического канала. При декодировании данного сообщения терминал должен предпринять следующие действия:

1) Выделить адресную часть сообщения и определить является ли оно адресным или широковещательным;

2) Определить тип сообщения и канал, к которому оно относится (трафика или служебное);

3) Проверить достоверность принятой информации (рассчитать контрольную сумму и сравнить с принятой);

4) Извлечь информацию из принятого сообщения;

5) отправить отчет об успешной доставке по каналу FACCH.

Исходя из поставленных задач, требуется разработать структуру сообщения канального уровня.

Структура сообщения канала трафика представлена на Рис. 4    

Рис. 4 структура сообщения трафика

Поле «Addr1» содержит в себе адрес терминала отправившего сообщение, а Addr2 адрес терминала, которому оно адресовано. По требованию технического задания, максимальное количество терминалов в сети – 45, чтобы адрес каждого терминала был индивидуален, требуется, как минимум 6 битов.

Во фрейме «Type» содержится информация о типе передаваемого сообщения. Так, как в разрабатываемой системе 3 вида сообщений, то достаточно 2 бита для их дифференциации. В дальнейшем примем, что с последовательностью «00» передаются сообщения трафика, «01» -  служебные, а 11 широковещательные сообщения.

Поле «Data» содержит передаваемые данные для командного узла, а поле Fill предназначено для приведения всех фреймов к единому размеру, что существенно упростит их обработку на физическом уровне.

Далее рассмотрим структуру широковещательного сообщения: (Рис. 5)


Рис. 5 структура широковещательного сообщения.

Поля «Addr1» и «Type» - выполняют те же функции, что и в сообщениях трафика.

Фрейм «Data» служит для записи уникальных идентификаторов терминалов, уже передавших сообщение. Изначально данное поле заполнено нулями, в процессе его периодической ретрансляции оно заполняется ID терминалов. Частный случай топологии рассматриваемой сети – все терминалы расположены на одной линии, и для заполнения таблицы полностью требуется 45 уникальных ID в виде двоичного адреса, следовательно:

Поле CRC – содержит результат расчета контрольной суммы.

Рассмотрим структуру служебного сообщения. (Рис. 6)


Рис. 6 структура служебного сообщения.

Здесь поле «Data» содержит код команды, которую должен выполнить терминал. Примером такой команды может служить прекращение передачи трафика с последующим переходом в режим сна или ретрансляции.

Рис. 7 блок-схема алгоритма приема сообщения L2

Рис. 8 блок-схема алгоритма передачи сообщения

1.3.8 Расчет пропускной способности канала трафика и вспомогательных каналов. Оценка требуемой пропускной способности физического канала.

Для оценки требуемой пропускной способности необходимо расчитать общее влияние всех логических каналов связи. Основной задачей нашей системы является передача аудио и видеоинформации, которая будет составлять трафик. По требованию ТЗ скорость передачи должна составлять не менее 0.1 Мбит/с (102.4 кбит/с). Примем долю приходящуюся на канал трафика равную 96%. Дополнительно, избыточное кодирование CRC, механизм ARQ и фреймы приведения кадров к единому размеру требуют дополнительных ресурсов, примем запас равный 15% на избыточность кода. Рассчитаем избыточный трафик:

102,4*0,15=15,4 кбит/с

102,4+15,4=117,8 кбит/с

Таким образом, на 117,8 кбит/с, приходится 96% трафика. Вычислим требуемую пропускную способность:

117,8*0,04=4,71 кбит/с

117,8+4,71=122,5 кбит/с

1.4 Обоснование и подробное описание задач, выполняемых на физическом уровне. Проработка вопросов, связанных с обеспечением синхронизации сетевых устройств на физическом уровне. Обоснование структуры полей физического уровня.

1.4.1 Анализ и обоснованный выбор мер по защите физического уровня от многолучевости.

Явление многолучевости возникает при условии существования в точке приема радиосигнала не только прямого, но и одного или нескольких отражённых лучей. Другими словами, на рецептор приходят не только прямые лучи (непосредственно от самого источника), но и отражённые (от земной поверхности, зданий, строений и прочих объектов). Из-за разности длины путей прохождения прямого и отраженного радиосигнала, последний приходит в точку приема с некоторой задержкой, что влечет за собой возникновение явления интерференции между лучами и, как следствие появлению замираний и увеличению вероятности групповых битовых ошибок. Для уменьшения негативного влияния замираний, одним из канонических методов является введение помехоустойчивого кодирования с перемежением. При перемежении порядок следования битов будет изменен и два любых соседних бита будут разнесены в радиоканале.

Максимальное расстояние, на которое могут быть разнесены биты называется глубиной перемежения. Если время, в течение которого происходит сбой сигнала, будет меньше глубины перемежения, то любой пакет ошибок будет преобразован в группу единичных ошибок, которые будут устранены сверточным кодом. 

1.4.2 Пояснение способа реализации проведения радиоизмерений на физическом уровне.

Наиболее удобным методом осуществления радиоизмерений является передача специальной тестовой последовательности и контроля количества ошибок в ней. При превышении значения ошибок, любой терминал может передать данные об активации протокола увеличения мощности передатчика. 

1.4.3 Проработка структуры радиоинтерфейса L1 уровня, обеспечивающего двусторонний обмен пакетами физического уровня. Проработка профиля физического уровня и сценария их выбора. Определение типов пакетов физического уровня, обоснование структуры полей пакетов каждого типа, оценка размеров полей.

Структура пакета физического уровня представлена на Рис. 9

Рис 6. Структура сообщения L1 уровня

1.4.4 Пояснение способа частотной и временной синхронизации

Временная синхронизация, в рассматриваемой системе будет происходить посредством преамбулы. Терминал, отправивший сообщение, широковещательного характера или иного, передает данные для синхронизации,в целях последующего их объединения в сеть.  

1.4.5 Расчет пропускной способности физического канала связи.

Рассчитаем эффективную полосу с учетом ранее заявленной скорости , и позиционности модуляции BPSK M=2

Расчет затрачиваемых ресурсов был произведен в п.1.3.8.

1.4.6 Обоснованный выбор частотного диапазона

Согласно постановлению правительства Российской федерации
«О порядке регистрации радиоэлектронных средств и высокочастотных устройств» от 12 октября 2004 года №539 (с изменениями на 27 ноября 2014 года) мы можем использовать диапазон частот 433,075 - 434,790 МГц и  максимально допустимую мощность излучения передатчика не более 10 мВт.

Согласно условию распространения радиоволн в условиях городской застройки примем значение затухания радиосигнала до граничного расстояния между терминалами  

1.4.7 Оценим требуемое ОСШ для BPSK модуляции с помощью Bit-Error-Rate Analysis Tool: (Рис. 10)

 

Рис. 10 ОСШ для BPSK модуляции (синий: без применения кодирования; зеленый: с применением сверточного кодирования).

Исходя из требований ТЗ, вероятность ошибки должна быть не более чем 10-6 из графика с применением сверточного кода, (Рис.9 зеленый график) ОСШ должно быть не менее 7дБ. Сверточное кодирование рассчитывалось исходя из значений, заданных по умолчанию.

Исходя из значения эффективной полосы, рассчитаем значение шумовой полосы приемника:

Шумовая температура  

Постоянная Больцмана k=1.38x10-23 Дж/К

Рассчитаем мощность шума на входе приемника:

Мощность шума на первых каскадах приемника примем равной    Nk=10 дБ

Расчет аналогового ОСШ:

Подставим данное значение в формулу для расчета аналогового ОСШ:

 

Чувствительность приемника будет равна:

Мощность передатчика будет равна:

Где G=4 дБ – суммарный коэффициент усиления передающей и приемной антенны.

1.4.8 Блок-схема алгоритма приема/передачи сообщения L1 уровня. (Рис. 11,12)

Рис. 11 блок схема алгоритма передачи сообщения L1 уровня

 Рис.12 Блок-схема алгоритма приема сообщения L1 уровня.

Список используемой литературы:

1) Бакке А.В. "Лекции по курсу: Системы и сети связи с подвижными объектами".

2) http://omoled.ru/publications/view/613

3) http://opds.spbsut.ru/opds/electronic_manuals/sde/sde5.htm

4)http://electrolib.com/library/gnss/Povalyaev_part3_Mnogoluchevost.pdf