"Компактная сеть радиодоступа (ч.2) " - канальный уровень
Выполнил:
студент группы № 218
Широких Дмитрий.

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

Ø  1.3.1 Определение и краткая характеристика возможных режимов работы терминала разрабатываемой радиосети (на основании п.1.1 и 1.2). Выделение активного и пассивного состояний терминала, характеристика задач, выполняемых терминалом в этих состояниях. Анализ возможных решений по обеспечению энергосбережения.


                                  Рис. 1 – Подробная диаграмма состояний терминала

 

    В проектируемой радиосети можно выделить два вида состояний терминала: активное и пассивное. Под активным состоянием понимаем обмен трафиком и служебными сообщениями. Если терминал только принимает служебные сообщения, он находится в пассивном состоянии.

 К активному состоянию можно отнести:

- конкурентную борьбу при регистрации в сеть (RACH);

- приём команд, предназначенных для устройств при данном терминале, а также для устройств при удалённом терминале. Приём команд  осуществляется  совместно с запросом АР. В сообщении запроса указывается время следующего опроса точкой доступа, а также при необходимости время опроса удалённого терминала, для которого данный терминал будет выступать в качестве транзитного;

- совместную с ответом на запрос передачу времени своего следующего опроса и передачу трафика. В случае, когда через терминал зарегистрировался удаленный терминал, передаётся время опроса удаленного терминала (опрос может производиться и другим транзитным терминалом);

- опрос удаленного терминала (включает в себя передачу запроса и прием ответа);

- прием заявок на регистрацию после отправки ответа на запрос.

Пассивное состояние подразумевает:

- состояние покоя/сна, во время которого терминал находится в режиме энергосбережения. Терминал должен владеть точной информацией о том, в какой момент времени ему необходимо выйти из этого состояния;

- приём широковещательного сообщения ВССН. К нему можно отнести приём/обработку сведений о временной и частотной синхронизации.

Работа терминала протекает таким образом, что он всегда уведомлён о времени перехода из одного режима работы в другой. Остальное время терминал будет находиться в состоянии покоя, а это в свою очередь, позволяет снизить энергозатраты.

            Переход из активного состояния в пассивное происходит в случае принятия сообщения запроса, либо при регистрации терминала путем конкурентной борьбы.

Радиоизмерения производятся во всех состояниях приема сообщений, данные о проведенных радиоизмерениях отправляются AP при первом проведении измерений уровня сигнала данного устройства, либо при изменении этого уровня на значение, большее установленного порога.

Энергосбережение обеспечивается в пассивном состоянии. По решению AP переход в активное состояние некоторых терминалов, требующих низкие энергозатраты, будет осуществляться реже (тем самым будет обеспечиваться большее время пребывания в пассивном состоянии, что, в свою очередь, уменьшит энергетические затраты).

Так как точка доступа неподвижна, обеспечение энергосбережения для неё не требуется (AP будет подключена к промышленной сети переменного тока).

На основе вышеизложенного можно выделить следующие режимы работы терминала:

- режим нормальной работы (при условии отсутствия транзитных терминалов);

- режим транзитной работы (при наличии одного или нескольких транзитных терминалов);

- режим регистрации (в случае, если терминал не зарегистрирован в сети). Ниже рассмотрим этот режим подробнее.

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

Основная задача, возложенная на данную радиосеть, - управление подсистемами, входящими в состав технологии «Умный дом». Было принято решение о реализации множественного доступа путём применения процедуры опроса. Это решение обусловлено тем, что:

- необходимо обеспечить максимальную надежность работы системы: метод опроса гарантирует наличие информации о всех активных терминалах сети;

- наличие видеотрафика предполагает необходимость снизить затраты трафика на управление сетью;

- обеспечивается структурированное управление точкой доступа.

Процедура опроса заключается в следующем: точка доступа последовательно опрашивает терминалы сети. Стоит сказать, что в зависимости от задач, возложенных на устройства, управляемые конкретными терминалами, частота опроса терминалов будет неодинакова. К примеру, исходя из срочности выполнения своих задач, терминал при системе пожаротушения будет опрашиваться чаще, чем терминал, управляющий устройством освещения.

Техническое задание предполагает наличие терминалов, которые не могут связываться с точкой доступа напрямую. Поэтому в нашей сети регистрация новых терминалов осуществляется только посредством ранее зарегистрированных. Если в сети нет ни одного терминала, сеть находится в состоянии регистрации (весь кадр разделен на передачу точкой доступа широковещательного сообщения и на регистрацию в режиме случайного доступа).

Рассмотрим сценарий поведения терминала, которому необходимо зарегистрироваться в сети (рис. 2 и рис.3).


Рис. 2 – Схема регистрации терминала в сети



Рис. 3 – Временная диаграмма, отражающая регистрацию терминала в сети

        Терминал, желающий пройти регистрацию, может как находиться в зоне действия АР (Т2), так и быть вне её (Т3). При включении Т2 возникает необходимость его регистрации в сети. На первом этапе он переходит в состояние приёма, в котором дожидается сообщения ВССН. После приёма ВССН, либо ответа на запрос от Т1 новый терминал будет  владеть информацией о моменте времени, в течение которого он сможет пройти регистрацию в режиме конкурентной борьбы.                                                             При конкурентной борьбе терминал случайным образом захватывает 1 из 6 временных интервалов. Таким образом, в сети одновременно  могут зарегистрироваться  несколько терминалов.

        При наступлении момента регистрации Т2 передаёт Т1 запрос на регистрацию и свой идентификатор. При опросе Т1 передает точке доступа ответ на запрос, включающий заявку на регистрацию нового терминала. Вопросы, связанные с особенностями процесса регистрации (каким образом АР будет связываться с новым терминалом), точка доступа решает самостоятельно.   Если же сообщение ВССН не поступило на терминал (в случае Т3, находящегося вне зоны действия АР),  то он принимает сообщение ответа от любого активного терминала сети, в котором указано время регистрации. Далее этот терминал ведёт себя так же, как и ранее описанный терминал Т2.

        Коллизии могут возникать только на этапе регистрации так как каждый терминал уведомлен о времени ведения связи.

 

Ø  1.3.3 Пояснение способа двустороннего обмена сообщениями по радиоинтерфейсу

        Обмен сообщениями по радиоинтерфейсу совершается на основе процедуры опроса.

        На рис. 4 можно увидеть, как расходуется канальный ресурс в рамках кадра. Временной отрезок кадра разделён на 1998 интервалов. Первые 4 интервала занимает передача широковещательного сигнала ВССН точкой доступа совместно с сообщениями частотной и временной синхронизации В. Далее следует видеопоток VIDEO (1956  временных интервалов). Затем в структуре кадра следует передача запроса З от точки доступа одному из терминалов(16 временных интервалов). Под запросом (также, как и под ответом) подразумевается служебное сообщение (максимум 8 временных интервалов) и сообщение трафика (минимум 8), передающиеся последовательно друг за другом. После чего следует ответ на запрос О – 16 временных интервалов. Оставшаяся часть кадра – временной интервал, отведенный для возможной регистрации новых терминалов R в режим конкурентной борьбы (6 временных интервалов).


Рис. 4 – Структура кадра

        Такая структура кадра обусловлена наличием видеопотока и отсутствием необходимости частого опроса терминалов. Кадр будет повторяться 8 раз в 1 секунду, соответственно, 8 раз в секунду будет производиться процедура опроса. Выбранный формат видео (DSIF 528*384) требует пропускной способности чуть более 1  Мбит. Длина временного интервала в битах составляет 64.

Следует сказать, что раз в 2400 кадров будет производится опрос без видео для возможности опроса терминалов, передающих видеопоток.(в случае необходимости отключить видеотрафик и изменить структуру опроса (для обеспечения гибкости системы).

1.3.4 Обоснование необходимости и пояснение способа контроля качества радиоканала. Пояснение сценария контроля качества канала связи, реакция сценария на ключевые состояния качества радиоканала.

    При функционировании данной радиосети могут возникать явления, снижающие качество передачи данных по радиоканалу. К таким явлениям можно отнести многолучевой приём, интермодуляционные помехи, использование смежных частот (так как сеть работает в общедоступном диапазоне частот) и прочие.  Эти явления могут искажать передаваемую по радиоканалу информацию, поэтому для достоверной передачи возникает необходимость в средствах контроля качества радиоканала, которые позволят оценить качество передаваемой информации и принять меры для его повышения.                                                                                                        В техническом задании к курсовой работе предусматривается ситуация, когда отсутствует  связь между терминалом и точкой доступа, соответственно, требуется выявить такой критерий качества, который смог бы охарактеризовать уверенный приём.

            Радиоизмерения как терминалом, так и АР производятся в момент приёма сообщений от того или иного устройства. Сообщение, содержащее сведения о радиоизмерениях, отправляется точке доступа в случае, если измерение уровня сигнала данного устройства производится впервые или если значение, полученное в результате радиоизмерений, отличается от предыдущего значения на величину, большую установленного порога. На уровень принятия решений поступают результаты проведения радиоизмерений. На этом уровне определяется необходимость отправлять сообщения точке доступа. В случае, если такая необходимость существует, формируется сообщение, которое поступает на канальный уровень как сообщение трафика и отправляется в радиоканал. После приёма этого сообщения АР самостоятельно принимает решение о назначении транзитного терминала.


Рис. 5 – Проведение радиоизмерений

 

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

 

Регистрация терминала в сети (рис.6):

 

Рис. 6 – Сценарий регистрации терминала в сети


Инициатором регистрации является терминал, а точка доступа принимает окончательное решение.

После активации терминал Т2 ожидает ответ на заявку от любого терминала (Т1), после которого он может зарегистрироваться в сети в режиме конкурентной борьбы.

Затем Т2 получает широковещательное сообщение и измеряет уровень сигнала АР. Во время следующего опроса Т1 передает точке доступа ID Т2. В процессе следующего опроса Т1 ему передается информация о том, через сколько кадров нужно будет опросить Т2.По наступлении этого момента Т1 опрашивает Т2 и получает результаты радиоизмерений, проведенных Т2.  Во время четвертого опроса точкой доступа  Т1 отправляет ей сведения о радиоизмерениях, которые провёл Т2.

АР принимает решение о назначении для Т2 транзитного терминала, либо об обмене сообщениями с Т1 в режиме прямого доступа.

           

Существует два режима обмена сообщениями трафика: режим прямого и удалённого доступа.


 Режим прямого доступа (рис.7):

 

Рис. 7 – Сценарий приемо-передачи в режиме прямого доступа

 

Пользовательская команда поступает на точку доступа, в момент связи АР с Т она направляет ее на терминал, работающий в режиме прямого доступа. Вместе с ответом на запрос терминал отправляет точке доступа данные (скажем, телеметрии). После чего устройство при терминале выполняет поставленную задачу. В момент следующего опроса точкой доступа Т совместно с ответом будет осуществляться передача статуса выполнения конкретной команды (выполнено/выполняется/ошибка). Сведения о нем пользователю предоставляет точка доступа.

 


Режим удаленного доступа (рис.8):


Рис. 8 – Приемо-передача в режиме удаленного доступа


 Во время опроса в режиме удаленного доступа транзитный терминал Т1 вместе с собственным запросом получает запрос для удалённого терминала Т2 (и, возможно, команду для него). Т1 дожидается выделенного временного интервала для  связи с Т2, после чего передает сообщение-запрос. Нас следующем этапе Т1 принимает ответ, который может содержать данные, и ожидает следующего вызова от АР. В момент вызова Т1 передает не только свой, но и ответ Т2 (и возможные данные в нем).

                

В случае, если Т2 является срочным терминалом или отвечает за видеопоток, терминал из числа срочных назначается для него  транзитным терминалом (Т1). В ситуации же, когда Т2 невозможно связать через терминал, входящий в этот список, любой терминал, имеющий возможность вести связь с Т2, назначается срочным, или значимым. АР самостоятельно меняет канальный план, и предоставляет  сведения об изменениях  пользователю, который может внести в них  корректировки.

 

Сценарий обмена служебными сообщениями (Рис. 9) рассмотрим на примере ARQ.

Если при приёме запроса CRC не сошлось, терминал формирует сообщение запроса на повторную передачу данного сообщения. При следующем опросе этого терминала он отправляет сообщение запроса. Точка доступа принимает решение по поводу повторной отправки данного сообщения, отправляя его во время третьего опроса. 


Рис. 9 - Сценарий обмена служебными сообщениями

Сценарий радиоизмерений (Рис. 10) рассмотрен в случае удалённого терминала (когда Т3 уже работает как удаленный, а Т2 транзитный). Во время принятия широковещательных сообщений от точки доступа всеми терминалами производятся радиоизмерения. При опросе Т2 Т1 измеряет уровень его (т2) сигнала. Аналогичная ситуация складывается при опросе других терминалов. По уровню сигнала каждого из опрошенных терминалов Т3 принимает решение. Если принято решение о  перевыборе транзитного терминала, то при опросе Т3 со стороны Т2 удаленный терминал Т3 отправляет Т2 сообщение (L3-уровня) о перевыборе.  После получения данного сообщения точка доступа уведомляет новый транзитный терминал (Т1) о том, что он будет выступать в качестве транзитного, и сообщает ему время опроса Т3.

 

Рис. 10 – Сценарий радиоизмерений

Диаграмма состояний сетевого узла (рис.11):

-АР передает сигнал по широковещательному каналу ВССН, в котором содержится ID сети, флаг доступности сети, сообщение синхронизации и, возможно, ID последнего зарегистрированного терминала. Последовательно за передачей BCCH следует прием видеопотока (при запросе пользователя, ему отправляется видеопоток в реальном масштабе времени; при отсутствии сигнала, содержащего видеопоток, пользователю отправляется сигнализация).

- Процедура опроса терминалов (при отсутствии ответа АР уведомляет пользователя о потере соединения).

-Ожидание для возможности регистрации в сети новых терминалов.

Рис. 11 – Диаграмма состояний сетевого узла

Ø  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 сообщений ЛКС. Способы обеспечения достоверности принимаемых сообщений в каждом ЛКС, анализ необходимости подтверждения доставки сообщений и механизма ARQ в процессе передачи.

    В нашей радиосети передаваемые сообщения  могут быть следующих видов: опрос, включающий запрос и ответ на запрос, трафик, регистрация. Следовательно, для их передачи необходимо использование различных логических каналов. Сведём данные о ЛК в таблицу 1:

 

Таблица 1

Наименование ЛК

Назначение ЛК

Тип ЛК

ВССН

Передача широковещательной информации (ID сети, флаг доступности, синхронизация и т.д) для регистрации новых терминалов в сети и  полноценной работы системы в целом.

Downlink ↓

Опрос

Предназначен для опроса терминалов на предмет их активности.

↑↓

ТСН

Выделяется для передачи команд терминалам и данных точке доступа.

↑↓

RACH

Выделяется для передачи заявки на регистрацию.

Uplink

 

            Во избежание потерь и искажений передаваемых пакетов требуется использовать элемент, позволяющий  делать оценку достоверности принимаемой информации. В качестве него будет использоваться циклический избыточный код CRC-16, который на основе расчёта контрольных сумм позволит судить о целостности принятого сообщения.

            В разрабатываемой радиосети ARQ будет производиться на L3 уровне. Сообщение о необходимости переслать какой-либо фрагмент команды (данных) будет сформировано на сетевом уровне и отправлено в составе служебного сообщения.


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


Рис. 12 – состав служебного сообщения опроса

 

Служебное сообщение опроса (рис. 12) содержит поля:

-длина полей DATA+CRC-16 (9 бит);

- поле DATA содержит сообщение L3 уровня, соответственно для канального уровня данное сообщение будет выступать как трафик, поэтому аспекты его содержания рассматривать не будем. (как пример в нем будет содержаться время следующего сеанса связи с данным терминалом или время опроса удаленного терминала, данные о радиоизмерениях или ARQ и тд);

-CRC-16(расчет контрольных сумм).

Стоит сказать, что данное сообщение будет таким же в случае транзита (получение данных с удаленного и транзитного терминала будет отправляться в составе разных сообщений в разные кадры)!


Рис. 13  – Состав сообщения опроса, содержащего трафик

 

Сообщение опроса, содержащего трафик (рис.13), содержит поля:

-длина полей DATA+CRC-16;

-DATA содержит трафик(команды и данные предназначенные или исходящие от устройства при терминале);

-CRC-16 (расчет контрольных сумм).

 

 

Рис. 14 – состав сообщения BCCH L2 уровня.

 

Сообщение BCCH L2 уровня (рис.14) содержит поля:

-флаг доступности сети (для уведомления незарегистрированных терминалов о возможности регистрации);

-длина поля DATA+CRC-16, где под полем DATA подразумевается сообщение L3 уровня (данные о недавно зарегистрированных терминалах, во избежание повторной передачи ID этих терминалов при опросе) ;

-CRC-16 (расчет контрольных сумм).

Рис. 15 – состав сообщения заявки на регистрацию L2 уровня

 

Сообщение заявки  на регистрацию L2 уровня (рис.15) содержит поля:

-тип срочности терминала (срочный/несрочный);

-ID терминала (для обеспечения возможности AP инициализировать терминал и принимать решение о возможности его регистрации).


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

    В техническом задании указана максимальная скорость передачи информационных данных: 2Мб/с. Исходя из структуры сообщений, а также из структуры кадра рассчитаем частоту и  время, выделяемое на мультикадр:

(1956+6+4+16+16)*64=127872бит  – информационная емкость кадра;

1/8/127872=9.7754*10^-7c – время передачи 1 бита;

1/(9.7743*10^-7)=1022976.04бит/с – скорость передачи на L2 уровне;

Но стоит сказать, что немногим терминалам требуется частота опроса раз в 0,3069 с, поэтому выберем длину мультикадра, равной 2с.

Пропускная способность L2 уровня  = 1.023 Мбит/с. С учётом помехоустойчивого кодирования и синхронизации добавим 21% к рассчитанной пропускной способности, откуда получим 1.238 Мбит/с – пропускная способность физического уровня, что удовлетворяет условиям технического задания.