Тема работы:
«Высокоскоростной радиомост»

Часть 2. Канальный уровень.



Выполнил:
Студент группы 218
Исаев М.О.


    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 (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.
    В проектируемой сети, включенные терминалы могут находиться в двух состояниях: активном и пассивном. В активном состоянии терминал находится тогда, когда есть необходимость в передаче или приеме сообщений, а на все остальное время терминал переходит в пассивное состояние. В пассивном состоянии терминал находится большую часть времени, тем самым обеспечивая экономное энергопотребление.

    Работа в режиме сниженного энергопотребления будет осуществляться путем работы с BCCH-сообщениями для поддержания в сети синхронизации. При работе в режиме энергосбережения, когда нет необходимости передавать данные, терминалы просыпаются в начале каждого кадра: терминал-мастер для того чтобы отправить BCCH и дождаться ответа на него, а ведомый терминал - принять широковещательное сообщение и ответить на него. После этого, если передавать данные не требуется оба терминала "засыпают" до конца кадра. Так сделано, чтобы терминалам не пришлось лишний раз выходить из пассивного режима для поддержания синхронизации.
Рассмотрим этапы развития событий в сети:
  • Этап подключения к сети:
    При включении терминала (1) он в течение одного кадра слушает канал связи в поисках BCCH-сообщения (2). В случае, когда широковещательное сообщение обнаружено не было терминал принимает решение стать мастером сети (3), чтобы обеспечивать синхронизацию сети. После этого он начинает посылать своё BCCH-сообщение (7) и ожидает ответ на него. Если был получен ответ, то устанавливается синхронизация (5), если нет, то терминал-мастер переходит в пассивный режим (9), в котором у него снижается энергопотребление. Т.к. синхронизация не установлена, то мастер будет просыпается каждый кадр и посылать ВССH-сообщение (7) и ждать ответ на него. А в случае, если после поиска BCCH-сообщения (2) оно было обнаружено, то терминал оказывается ведомым и отправляет ответ мастеру сети (3). После установления синхронизации (5) терминал может перейти либо в пассивный режим (9), в котором будет просыпаться каждый кадр для поддержания сетевой синхронизации, либо в активный режим (8), в котором будет осуществляться приём/передача данных. 
  • Этап передачи данных:
    Если требуется передать данные, то терминал переходит из пассивного режима в активный (8) и формирует и отправляет запрос на передачу (10), в случае, когда заявка окажется отклонённой терминал-отправитель в следующем кадре повторно сформирует запрос, в ином случае при получении подтверждения отправитель незамедлительно начинает передавать данные (11). После этого он ожидает подтверждение, что данные были переданы успешно (12). Если подтверждение было получено, то терминал отправитель переходит в пассивный режим (9), а если вместо подтверждения пришёл запрос не пересылку сообщения или оно вовсе не пришло, то терминал-отправитель в следующем кадре будет формировать заявку на передачу данных (10).

  • Этап приёма данных:
    При приёме данных терминал-адресат будет выеден из пассивного режима (9) запросом на передачу (10), в случае, когда заявка будет отклонена адресат перейдет обратно в пассивный режим (9), в ином случае при одобрении запроса начнется незамедлительный приём данных (11). После этого он должен отправить подтверждение, что данные либо были переданы успешно, либо с ошибкой и требуется повторная передача (12). После этого осуществляется переход в пассивный режим (9).

Рисунок 5 - Диаграмма состояний терминала
        
        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.

    Так как в рамках курсовой работы организуемая сеть состоит всего из 2-х терминалов, то для доступа к физической среде при передачи данных будет использоваться метод запроса на передачу. Этот метод позволяет организовать сеть таким образом, чтобы максимально эффективно использовать канальный ресурс. Т.е. передача данных будет осуществляться, только если она необходима, а всё остальное время терминалы будут находиться в пассивном режиме для поддержания сетевой синхронизации и снижения потребления энергии. Так же будет использоваться временное разделение каналов - в определенные моменты времени только один из терминалов будет иметь полный доступ к физической среде. Вся эта концепция находит своё отражение на рисунке 6.

Рисунок 6 - Организация доступа к физическому каналу

    Рассмотрим подробнее как организуется доступ к физическому каналу связи: в момент времени tтерминал-мастер формирует и отправляет широковещательное сообщение, содержащее в себе информацию о нём и о сети. В момент t1 ведомый терминал должен отправить ответное сообщение, в котором сообщает, что он видит "мастера" и синхронизация установлена. В интервалы времени t- tорганизуется обмен запросами и ответами на передачу данных между терминалами. В интервале t- tпроисходит непосредственная передача данных от терминала, который был инициатором сеанса связи, и отправка терминалом-адресатом подтверждения получения данных или же, если данные пришли с ошибкой, запрос на пересылку ошибочных частей пакета данных. Для пересылки запрошенных частей терминал отправитель снова отправляет заявку на передачу. Дальнейшие действия описаны выше.
После передачи данных кадр заканчивается и начинается новый с отправки широковещательного сообщения.

    Коллизии могут возникнуть из-за помех в условиях городской застройки и расстояния между терминалами - при включении терминала в сеть, когда в ней уже есть мастер, он может не услышать BCCH-сообщение и после окончания кадра примет решение стать мастером. Устранить такой тип коллизий можно увеличив мощность передачи при отправке BCCH-сообщении и передавать с низкой скоростью, но высокой помехозащищенностью.

        1.3.3. Пояснение способа двустороннего обмена сообщениями по радиоинтерфейсу

    Как описывалось выше обмен данными по радиоинтерфейсу осуществляется по запросу совместно с временным разделением каналов. Более подробно временное разделение изображено на рисунке 7.
    Суть временного разделения каналов в следующем: время доступа к физическому каналу разделено на интервалы - так называемые тайм-слоты, которые следуют друг за другом по очереди.  В каждый такой тайм-слот один из терминалов имеет полный доступ к среде передачи данных. 64 таких интервала сгруппированы в кадр. В пределах одного такого кадра осуществляется синхронизация сети, "диалог" на предмет очерёдности приёма/передачи данных и непосредственно сама передача данных.
    В начале каждого кадра терминал, являющийся мастером, посылает в канал широковещательное сообщение (1) со всей необходимой ведомому терминалу информацией. Когда ведомый обнаруживает BCCH-сообщение он отвечает на него (2), тем самым ознаменовывая установление синхронизации между участниками сети. Если терминалу-мастеру необходимо передать сообщение, он формирует запрос (3), на который ведомый должен ответить (4), так же если самому ведомому необходимо отправить данные терминалу-мастеру, то вместе с подтверждением (4) отправляется запрос, на который мастер в свою очередь должен ответить (5). После такого "диалога" начинается передача трафика от терминала подавшего заявку раньше (6). По окончании передачи данных, терминал, принявший данные, должен передать отчет о том, что ошибок в полученном сообщении не выявлено или же отправить запрос на повторную отправку.
    Если объем данных, которые терминал-отправитель хочет передать за раз, достаточно велик для того, чтобы передать его за один кадр, то он будет разделён на несколько кадров. В этом случае, для терминала-отправителя будет выделено последовательно несколько кадров в зависимости от объема передаваемых данных. Тогда, в кадрах следующих за первым будут пропущены моменты времени отведенные под "опросный диалог", т.е. будет только отправка BCCH-сообщения, ответа на него и передача трафика. Это делает для оптимизации передачи большого объема данных.
    Для удобства передачи и последующего исправления ошибок сообщение, передаваемое в пределах одного кадра фрагментируется на пакеты. Каждому пакету присваивается номер для последующей возможности переслать пакет, пришедший с ошибкой.
    В случае, если длительное время передавать данные не требуется, то развитие событий в сети будет следующим: терминал-мастер и терминал-ведомый "просыпаются" в начале каждого кадра; мастер - чтобы отправить BCCH, ведомый - чтобы ответить на него. Если в следующих сообщениях не содержится информации о инициализации передачи данных, то оба терминала переходят в режим пониженного энергопотребления до конца кадра.

Рисунок 7 - Организация двустороннего обмена сообщениями

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

    Т.к. по условию технического задания терминалы находятся на местности с городской застройкой и могут менять свое местоположение на территории зоны радиопокрытия, то качество связи может варьироваться в зависимости от различных условий. В следствие чего необходимо наличие контроля качества радиоканала для обеспечения необходимого для достоверного приёма уровня сигнала.
Сами радиоизмерения проводятся на физическом уровне с подачи сетевого, на котором уже будут обрабатываться данные измерений и приниматься соответствующие действия.
    Если качество канала является низким, то будет использоваться помехоустойчивая модуляция, при улучшении условий и повышении качества связи будет осуществлен переход к более скоростному виду модуляции. Изменение модуляции будет осуществляться в подсистеме радиоизмерений на физическом уровне, исходя из команды пришедшей с уровня L3. 
    На рисунке 8 отображена общая схема контроля качества канала. Рассмотрим её: при обмене данными между терминалами, каждый из них проводит радиоизмерения, результаты которых отправляются не сетевой уровень, где происходит их обработка и принятие решение о качестве канала связи. Сетевой уровень в свою очередь, приняв решение, формирует команду на физический уровень где происходит изменение типа модуляции, если оно необходимо.


Рисунок 8 - Схема контроля качества радиоканала

    Радиоизмерения непосредственно проводятся каждым из терминалов, пока один из них занимает канал связи и передает сообщение (рис. 7). В момент (1) и (2) на рисунке 7 терминалы устанавливают синхронизацию настраиваясь друг на друга, в моменты (3,4,5), т.е. во время "опросного диалога" до передачи трафика терминалы измеряя качество канала решают с какой модуляцией будут осуществлять передачу, о чем сообщают друг другу.
    Т.к. объем данных, передаваемых в пределах одного кадра ограничен, то сообщение, объем которого превышает заданный, делится на части и передается по частям, так же части передаваемых данных в одном кадре делятся на пронумерованные сегменты, чтобы проще было переслать поврежденные фрагменты. Это позволяет уменьшить потери при передачи большого объема данных и помеховая остановка не самая лучшая, так как оба терминала в начале каждого кадра подстраиваться друг под друга и внешнюю обстановку.

Рисунок 9 - Реакция сценария на состояние канала.
    Рассмотрим ситуацию, когда объем данных требуемых передать терминалу-отправителю больше не столько, что передаваться они будут в 2-х кадрах. К моменту передачи синхронизация уже установлена, и очередность передачи "обговорена". Начнём с того, что первый терминал отправляет данные в первом из двух кадре (1), пока шла передача второй терминал проанализировал принятое сообщение и провёл радиоизмерения. В итого он обнаружил, что в время передачи качество связи ухудшилось и часть сообщения пришла с ошибкой. Поэтому он формирует сообщение-запрос, в котором "просит" переслать ему часть поврежденных фрагментов и изменить профиль передачи (2). В свою очередь первый терминал меняет тип модуляции, формирует пакет с нужными для пересылки фрагментам и отправляет его (3). В этот раз сообщения пришли без ошибок и терминал-адресат отправляет отчет с подтверждением приёма (4). Дальше терминал-отправитель передаёт вторую из двух часть сообщения (5). Проведя те же действия, что и раньше терминал-адресат отправляет подтверждение о верном приёме данных.
        1.3.5. Построение сценария установления соединения и доставки сообщений верхнего уровня. Пояснение графической диаграммы состояний сетевого узла, отражающей основные элементы разрабатываемого сценария.
    Сценарий установления синхронизации:

Рисунок 10 - Сценарий установления синхронизации

    Один из терминалов включается в сеть раньше другого. Он слушает сеть на предмет наличия BCCH-сообщения (1), если оно не приходит, то терминал принимает решение стать мастером сети и начинает посылать своё широковещательное сообщение (3).
К тому моменту как первый терминал стал мастером в сети появляется второй терминал (2), который также ищет BCCH (4), он получает его от терминала мастера и отвечает на него (5), что находится в сети, тем самым сведетельствуя об установлении синхронизации в сети.
    Если главный терминал покидает сеть (6), то ведомый после того как не получает широковещательного сообщения в момент прослушивания канала (7), принимает решение стать мастером и начинает отправлять BCCH (8), если на него не было ответа, то главный терминал уходит в режим ожидания до следующего момента отправления BCCH-сообщения.

    Сценарий передачи данных, инициализируемой одним из терминалов:

Рисунок 11 - Сценарий передачи данных

При необходимости передавать данные пользователь, например, при терминале-мастере формирует запрос, который отправляется на ведомый терминал (1). После передачи заявки мастер ожидает подтверждение передачи. Если приходит отказ (2), то главный терминал ждёт до начала следующего кадра. В следующем кадре, после синхронизации терминал-отправитель снова отправляет запрос на передачу (3). Если приходит положительный ответ (4), то начинает передача данных (5). Если в процессе приёма ведомый выявляет ошибки в определенных фрагментах передаваемого сообщения, то он формирует запрос пересылки этих фрагментов (6). В этом случае мастер организует отправку запрошенных фрагментов (7).


Рисунок 12 - Сценарий передачи данных
        
    Рассмотрим случай, когда передавать данные необходимо обоим терминалам, находящимся в сети. Первым кто формирует и отправляет запрос на передачу (1) будет ведомый терминал. Терминал-мастер, принимает запрос и отправляет сообщение с разрешением передачи (2), в котором так же содержится запрос на передачу у ведомого. Ведомый терминал разрешает передачу (3). После этого ведомый, т.к. он первым отправил запрос начинает передавать данные (4), в свою очередь мастер отправляет подтверждение о верно принятых данных(5), после чего сам начинает передавать данные (6). В ответ на это ведомый терминал высылает подтверждение, что он так же верно принял все данные (7).

        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.

    Основными функциями канального уровня являются предоставление доступа к физическому каналу, организация логических каналов, а также обеспечение надежной передачи сообщений в пределах сети. Для осуществления последней функции необходима служба проверки целостности.
    Также необходимо предусмотреть то, что терминалам необходимо различать, какого типа сообщение передается – информационное или служебное. Для этого будем использовать поле управление кадром. Установим комбинацию из всех нулей для служебных сообщений, а комбинацию из всех единиц для информационных.
    Канальный уровень можно разделить на LLC- и MAC-подуровни. На MAC-подуровне определяются логические каналы, сообщения которых в дальнейшем будут передаваться по физическому уровню. Также он отвечает за доступ к физическим каналам связи. На LLC-подуровне происходит сборка/разборка пакетов канального уровня.
В рамках курсовой работы будут использоваться следующие логические каналы (ЛКС):
  1. BCCH - Широковещательный канал, предназначенный для не адресной рассылки общей информации о сети. Содержит всю информацию о сети.
  2. SDCCH - Обеспечивается запрос контроль правильности приёма команд и выделение свободного канала трафика.
  3. TCH - предназначен для непосредственной передачи данных, а также передачи пакетов подтверждения передачи или приема. На этот канал отводится до 90% от всей пропускной способности физического канала.
    Во избежание потерь и искажений передаваемых данных требуется использовать элемент, позволяющий проводить оценку достоверности принимаемой информации. В качестве такого элемента будет использоваться циклический избыточный код CRC-16, который на основе расчёта контрольных сумм сообщения позволит судить о целостности принятого сообщения. Суть этого метода заключается в том, что будет рассчитываться контрольная сумма для принятых данных, и сравниваться с контрольной суммой, которая была получена в составе сообщения. На основании этого делается вывод о правильность или неправильности приема сообщения.

    В разрабатываемой сети ARQ будет реализовываться сценарием на L3 уровне. Если во время передачи трафика возникли ошибки в пакетах данных, то по окончании передачи в пределах кадра будет сформирован список с номерами ошибочно принятых сообщений, а на сетевом уровне будет инициализирован сценарий "специального" сеанса связи, в котором терминал-отправитель будет передавать ошибочные сообщения, а на приемной стороне буфер принимаемых сообщений будет заполняться недостающими частями. После того как целостность сообщений будет восстановлена терминал, принимавший данные сможет отправить отчет об успешном завершении приёма.

Рисунок 13 - Диаграмма механизма ARQ
    Общая суть механизма ARQ в проектируемой сети состоит в следующем: при приёме данных [1] терминал-адресат следит за правильностью принятых сообщений, вычисляя CRC и сравнивая с контрольной суммой пришедшей в сообщении, если принятые сообщения в пределах одного кадра (рис. 7) пришли без ошибок, то происходит формирование [2] и последующая отправка отчёта [5] о том, что текущий объем данных принят верно, а если возникают ошибки приёма, то пока не закончится приём данных одного кадра будет формироваться список [3] с номерами ошибочно принятых сообщений, этот список передается на сетевой уровень терминала, на котором впоследствии будет инициирован сценарий [4] передачи ошибочных сообщений, в рамках которого будет сформирован запрос и последующий приём необходимых данных [5], после чего он будет будет сформирован и передан отчёт об успешном приёме данных[2,6].
        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.

Далее будут рассмотрены структуры сообщений канального уровня для различных ЛКС.

Рисунок 14 - Структура BCCH - сообщения

Это сообщение посылается терминалом-мастером для установления синхронизации с ведомым терминалом и содержит в себе информацию о мастере и о сети.


Рисунок 15 - Структура SDCCH - сообщения

Служебное сообщение SDCCH используется для передачи информации о запроса, подтверждениях передачи, так же для отправки отчета о принятом трафике. Используется как терминалом-мастером, так и терминалом-ведомым.

Рисунок 16 - Структура сообщения трафика

Сообщение трафика содержит самую большую, по сравнению со служебными сообщениями, информационную часть (поле DATA), а так же содержит в своем составе поле, в котором находится порядковый номер сообщения (поле Nm), оно необходимо для пересылки только ошибочно принятых сообщений, а не всех.
  • FL - Служит для идентификации начала сообщения
  • TYPE - Определяет служебное это сообщение и сообщение трафика. Широковещательное сообщение имеет значение этого поля 00, SDCCH - 01, а сообщение трафика - 10.
  • Nm - Определяет номер сообщения (только для сообщений трафика)
  • DATA - Передаваемая информация
  • CRC - Служит для определения целостности сообщения
Рассмотрим правила передачи сообщений:
  1. Определить тип сообщения (служебное или информационное) и к какому каналу оно относится с помощью информации, содержащейся в заголовке сообщения (поле TYPE).
  2. Проверить достоверность переданной информации, вычисляя контрольную сумму и сравнивая ее с полученным на передающей стороне значением (поле CRC);
  3. Выделить информационную часть, в которой содержится назначение сообщения;
  4. Сформировать и передать отчет о доставке (если это сообщение трафика).


Рисунок 17 - Алгоритмы приёма (Б) и передачи (А) на канальном уровне

    Рассмотри основные моменты алгоритмов приёма (Б) и передачи (А) канального уровня, изображенных на рисунке 17.
    При передаче сообщений перед этапом сборки пакета проверяется пересылаемое это сообщение или нет, если сообщение пересылаемое, то сообщение с необходимым номером загружается из буфера, в который загружаются все сообщения трафика, после того как к ним был добавлен номер (поле Nm), после проверяется служебная это информация или нет нет. Если служебная, то происходит сборка пакета путем добавления к данным сетевого уровня поля FL для идентификации начала пакета, поля TYPE, определяющего, что сообщение не только служебное, но и конкретным тип служебного сообщения, поля  рассчитанного ранее CRC и 6 нулевых битов для сброса свёрточного декодера, а если передаваемая информация является трафиком, то помимо аналогичных операций для служебного сообщения будет добавлено поле Nm для идентификации номера передаваемого сообщения (рис.14,15,16), после этого происходит сборка пакета L2 и загрузка его в буфер, чтобы была возможность загрузить из него сообщение для пересылки, а не собирать его по новой.
    При приёме сообщений после выделения полей сообщения определяется его тип, если служебное, то происходит определение для какого уровня предназначается эта информация, если для канального, то эта информация считывается и на этом приём заканчивается, а если для сетевого, то она отправляется на L3-уровень. Если же сообщение несёт в себе пользовательскую информацию, то проверяется контрольные суммы и, если они совпадают, то информация передается на оконечное устройство пользователя, а если контрольные суммы не совпадают, то формируется список из номеров ошибочных сообщений и дальше он будет отправлен на сетевой уровень для инициализации сценария пересылки ошибочных сообщений, если список не будет сформирован, то будет сформирован и передан на физический уровень отчёт об успешном приёме. 

        1.3.8. Расчет пропускной способности канала трафика, вспомогательных каналов. Оценка требуемой пропускной способности физического канала.
    Для оценки требуемой пропускной способности необходимо рассчитать общее влияние всех логических каналов связи.
    Исходя из рисунков 6,7 следует, что на трафик приходится 94% пропускной способности, на служебную информацию передающуюся по каналу SDCCH приходится 5%, а на широковещательное сообщение - 1%.
    Примем объем избыточности вносимой на физическом уровне равным 35% от общей пропускной способности. Т.к. максимальная скорость передачи данных по техническому заданию составляет 8 мбит/с (8192 кбит/с), поэтому с учетом вносимой избыточности пропускная способность канала трафика составляет примерно 11,2 мбит/с. При этом на канал трафика приходится только 84% общей пропускной способности физического канала. Вычисляя общую пропускную способность физического уровня, получаем 11,9 мбит/с.
    Таким образом пропускная способность ЛКС отводимых под служебные сообщения составляет: 1% для BCCH-сообщения - 0,119 мбит/c и для 5% для SDCCH - 0,595 мбит/c.










Список используемой литературы: