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 радиосети
предусмотрены следующие режимы работы:
Пассивный режим (спящий режим, IDLE)
При получении отчета о доставке терминал
переходит в спящий режим, т.е. переходит в режим пониженного энергопотребления,
в котором находится большую часть времени. Из этого режима терминал выходит
только при передаче или приеме сообщений.
Необходимо
учесть режим завершения сеанса связи. ТД сама принимает решение о
выходе терминала из сети. Такое решение принимается в трех случаях:
1) терминал самостоятельно покинул сеть;
2) терминал потерял связь с точкой доступа
(долгое время не производил повторную регистрацию).
3) терминал внезапно потерял
энергообеспечение(был вынут аккумулятор, или же отключен от сети
электропитания), в этом случае терминал так же долгое время не будет выходить
на связь, и ТД перенесет данный терминал в список не активных.
Выход терминала из сети осуществляется простым выключением питания.
Перед отключением терминал уведомляет точку доступа о своем выходе из сети.
Режим регистрации
После включения устройства и в случае успешной инициализации
происходит поиск сети, информацию о которой точка доступа передает по широковещательному
каналу BCCH. Если сеть не найдена, то
терминал переходит в спящий режим и через некоторое время осуществит поиск сети
снова. Терминал сравнивает ID сети с хранящимся в его информационной подсистеме идентификатором
и в случае их совпадения подает запрос (ID терминала) на регистрацию. Запрос на
регистрацию происходит на основе конкурентной борьбы. ТД проводит сравнение ID терминала с идентификатором, хранящимся в ее регистре
идентификаторов. Если идентификаторы совпали, то
точка доступа должна отправить терминалу сигнал подтверждения регистрации. Если
терминал такого сигнала не получает, то он вновь осуществляет поиск сети. При
успешной регистрации терминал записывает в свою память идентификатор
сети ID ТД, который необходим для последующего доступа в сеть без
прохождения процедуры регистрации.
После
успешного вхождения в сеть, терминал может работать в режиме передачи или
приема данных, а может вернуться в спящий режим. Так как, в
задании указано что, каждый терминал сети должен получать в реальном масштабе
времени информацию о других активных терминалах, терминал прослушивает
широковещательную информацию, и периодически заявляет о своем присутствие ,
если заявление о своем присутствие не происходило некоторое время( несколько
полных циклов ),ТД заносит терминал в список неактивных.
Режим
передачи данных
Передача данных, в отличие от передачи речи, не требует
предоставления непрерывного канала на все время сеанса связи и тем самым
предполагается использование единого канала с максимально возможной пропускной
способностью. Перед посылкой данных другому участнику сети терминал накапливает
пакеты, требуемые к отправке, после чего он приступает к борьбе за канал по
каналу RACH. В запросе должно быть указано время,
которое требуется для передачи данных, а так же адрес получателя. Если терминал
победил в борьбе за канал, он начинает передачу данных точке доступа. По окончании передачи терминал ожидает подтверждение.
Получив подтверждение передачи, терминал переходит обратно в пассивный режим.
Режим
приема данных
ТД в широковещательном сообщении, оповещает
терминал о том, что для него есть данные. Таким образом, она переводит терминал
из пассивного режима в активный. Терминал начинает борьбу за канал, и после
победы в ней отправляет точке доступа сообщение о готовности к приему данных. Далее
ТД начинает передачу данных. Если данные успешно приняты, то хранение в буфере
ТД больше не нужно – они удаляются. Терминал переходит в пассивный режим. Если
данные не были приняты, ТД необходимо повторить передачу. После получения данных терминал формирует отчет о доставке и
возвращается в спящий режим. Если у точки доступа есть еще сообщения для
терминала, она уведомит его об этом в процессе обмена и терминал, не дожидаясь
сообщения BCCH,вновь
приступит к процедуре приема данных от ТД.
Рис. 1 - Диаграмма состояний терминала
Представленная на рисунке 1
диаграмма состояний отражает основные режимы работы, которые были описаны выше.
Анализ возможных решений по обеспечению энергосбережения был произведен в
пунктах 1.1 и 1.2. Подробно данный анализ имеет место быть после выбора способа
организации доступа к физическим каналам.
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.
Физическим каналом в разрабатываемой сети
является радиоканал с определенной полосой частот. В качестве способа
реализации совместного использования полосы частот выбран алгоритм
множественного доступа – многостанционный доступ с контролем
несущей и предотвращением коллизий – CSMA/CA. В таком способе,
доступ к общей полосе частот узлы связи будут получать по алгоритму описанному
ниже.
Рис. 2 - Организация
доступа к физическому каналу связи
На промежутке времени t0 – t1 точка доступа рассылает широковещательное
сообщение BCCH,
содержащее ее ID,
список активных терминалов и список терминалов, для которых у ТД есть сообщение.
Под канал случайного доступа RACH выделен промежуток времени t1 – t2. Данный промежуток поделен на 30
равных интервалов времени (канальных интервалов - КИ). Узел сети, вступающий в
борьбу за канал, псевдослучайным образом загадывает число N от
0 до 29 (нулевой интервал может использоваться только точкой доступа). Затем,
он отсчитывает N
КИ
RACH,
параллельно прослушивая канал. Если до N-го промежутка времени никто из
других участников сети не занял канал, узел в N-ый слот посылает запрос – сигнал
содержащий данные о времени, на которое он хочет занять канал и ID адресата сообщения.
Затем по каналу разрешенного
доступа AGCH (t2 – t3) точка доступа объявляет
победителя в борьбе за канал – узел связи, чью заявку точка доступа приняла
первой. А так же, в этом сообщении содержится следующая информация: время, на
которое победитель занимает канал, кому адресована передача и загаданное
победителем число N.
Терминалы, проигравшие борьбу и не участвующие в обмене, засыпают на указанное
время – это является одним из путей увеличения энергоэффективности терминала. В
следующий раз эти терминалы не будут загадывать число, а будут использовать Nзагад.
- Nотсчит. КИ
RACH.
Победивший узел занимает канал трафика TCH (t3 – t4) и производит в нем обмен
данными. Если терминал передавал сообщение точки доступа, то после получения
подтверждения о приеме, он переходит в пассивный режим до следующей передачи
или следующего прослушивания BCCH,
что так же является одним из путей увеличения энергоэффективности терминала. Если
терминал не получил подтверждение, либо обмен производился в направлении ТД – Т
(в этом случае в процессе передачи точка доступа может сообщить терминалу о
наличии для него других сообщений) терминал снова приступает к борьбе за канал.
На промежутке времени t4 – t5 точка доступа снова рассылает
широковещательное сообщение, и описанный алгоритм повторяется.
Коллизия в данном алгоритме может возникнуть
вследствие равенства количества канальных интервалов N у
конкурирующих терминалов. Для решения этой проблемы предлагается следующие
действия:
Если узлы связи загадали одинаковое число N, точка
доступа не сможет принять их сообщение в канале RACH, и примет сообщения следующее за ними. Узел, который передал
это сообщение, таким образом, окажется победителем. В составе AGCH помимо прочего точка доступа передаст всем терминалам число N, загаданное
победителем. Терминалы, сообщения RACH которых
подверглись коллизии, определят, что загаданное ими число N меньше числа Nтерминала-победителя,
что свидетельствует о возникновении коллизии. Во избежание коллизии в следующем
мультикадре, эти два терминала уменьшают число N не на
единицу, а на случайное число от 1 до 3.
1.3.3.
Пояснение способа двустороннего обмена сообщениями по радиоинтерфейсу
Радиоинтерфейс будет организован следующим образом: время работы сети делится на мультикадры.
Каждый мультикадр разбивается на некоторое количество кадров. В рамках одного
кадра происходит передача широковещательной информации, конкурентная борьба, объявление
результатов конкурентной борьбы и передача данных. Соответственно каждый кадр
должен быть разделен на временные слоты, в каждом из которых происходит
передача сообщений определенных типов.
Для объяснения способа обмена сообщениями по радиоинтерфейсу
рассмотрим пример диаграммы работы сети (рис. 3). Предположим что у Т1 есть
сообщение для Т2 и наоборот. А так же, в памяти ТД хранится сообщение для Т30. Пользовательские
устройства при терминалах 1 и 2 питаются от автономного источника иснижение
электропотребления для них крайне важно. Поэтому пользователи выбрали профиль,
при котором терминал прослушивают каждую 10-ю BCCH.
Устройство при 30-ом терминале питается от сети и потребление электроэнергии не
так важно – Т30 прослушивает каждую 3-ю BCCH.
Рис. 3 - Взаимодействие
абонентских терминалов с точкой доступа
Изначально Т1, Т2 и Т30 из широковещательной
информации получают сведения о том, что необходимо выйти из режима энергосбережения
и готовится к приему или передаче. Следом в канале RACH происходит конкурентная борьба за
канал, и Т1 выигрывает борьбу так как он загадал наименьшее число. Далее в
канале AGCH
Т1 оповещается ТД о том что он выиграл , и Т2 и Т30 должны уйти в режим
энергосбережения до следующего промежутка времени в котором будет происходить
конкурентная борьба. Т1 передает свое сообщение по каналу трафикаTCH ТД, ТД отвечает приняла она
сообщение или нет, Т1 переходит в спящий режим . Далее происходит снова
широковещательная рассылка, и вновь наступает момент когда Т2 и Т30, борются за
канал. В этот раз выиграл терминал Т30 так как "загаданное" число
оказалось меньшем чем у Т2, в данном случае число загадывается псевдослучайным
образом, то есть первый раз оно было загадано случайно, а в этот раз загаданное
число уменьшено на определенное число. Это сделано для того чтобы каждый
терминал мог получить доступ к каналу при конкурентной борьбе даже тогда когда
вступают в борьбу новые терминалы и они случайным образом загадывают число
меньше. Далее происходит широковещательная рассылка всем терминалам о том что
Т30 выиграл и всем остальным необходимо перейти в энергосберегающий режим.
Следом за эти Т30 оповещает ТД что готов к приему, ТД передает сообщение, а Т30
отвечает что принял сообщение. Т30 переходит в спящий режим. При следующих
приемах и передачах сообщений все происходит аналогичным образом.
1.3.4. Обоснование необходимости и пояснение способа контроля качества радиоканала
Система состоит из ТД и множества мобильных
терминалов, которые находятся в различных условиях с точки зрения помеховой
обстановки. Так же из-за того, что некоторые терминалы подвижны, возникает
проблема многолучевого распространения сигналов, которое делает невозможной
нормальную передачу информации без использования специальных средств борьбы.
Делаем вывод, что в системе необходимо заложить работу двух профилей
физического уровня: для подканалов с высоким и низким качеством. Соответственно
эти профили будут отличаться видом модуляции сообщений. Целесообразно для подканалов с
плохим качеством использовать модуляцию с малой позиционностью, а для каналов с
высоким качеством – модуляцию с высокой позиционностью. Выбор того или иного
профиля осуществляет модуль управления на основании результатов работы
подсистемы радиоизмерений, расположенной на физическом уровне.
Рис. 4 – Схема проведения радиоизмерений
В системе планируется использование OFDM-модуляции. В OFDM-символ будут включены пилот сигналы и
настроечная последовательность. О физической реализации радиоизмерений и OFDM-модуляции будет рассказано в следующей части КР.
Физический уровень передает данные радиоизмерений
на сетевой уровень. Сетевой уровень анализирует их и возвращает на физический
уровень команды о смене профиля и (или) изменении мощности излучения, что в
конечном итоге положительно сказывается на энергоэффективности сети.
Так как радиоизмерения проводятся с приходом
каждого пакета физического уровня, то управление профилями происходит
достаточно оперативно. По
умолчанию можно установить профиль с высокой помехозащищенностью передачи
данных. Информация о профиле
функционирования Т, передается по каналу RACH вместе с запросом на
предоставление индивидуального КС. Информация о профиле функционирования ТД,
передается по каналу AGCH в пакете оповещения. Прежде чем осуществить передачу
данных, терминал и ТД должны настроиться на одинаковый профиль функционирования
физического уровня.
1.3.5.
Построение сценария установления соединения и доставки сообщений верхнего
уровня. Пояснение графической диаграммы состояний сетевого узла, отражающей
основные элементы разрабатываемого сценария.
Режим регистрации
Рис. 5 - Сценарий
режима регистрации терминала в сети
1. Терминал прослушивает радиоканал в
поисках BCCH
сообщения и при его нахождении принимает его.
2. Приняв BCCH, терминал пытается получить канал для
регистрации, включая в сообщение RACH свой ID.
3. Если терминал победил в конкурентной
борьбе за канал, точка доступа сообщит об этом по каналу AGCH.
Все остальные терминалы, участвовавшие в конкурентной борьбе перейдут в спящий
режим.
4. Терминал передает точке доступа
информацию о себе необходимую для проведения аутентификации.
5. ТД проверяет информацию о точке доступа
(процесс аутентификации) и подтверждает (или не подтверждает) регистрацию.
После успешной
регистрации Т может перейти в режим передачи или приема и пассивный режим, что
мы можем пронаблюдать на рисунке 1 («Диаграмма состояний
терминала»). Процесс регистрации будет повторяться периодические, таким образом
точка доступа будет иметь обновляющейся список активных терминалов, который
включается в широковещательное сообщение.
Режим
передачи данных
Рис. 6 - Сценарий режима передачи данных терминала
1.
При необходимости передать
сообщение терминал вступает в конкурентную борьбу по средствам канала RACH;
2.
После проведения борьбы за
канал точка доступа объявляет победителя посредствам AGCH и
время на которое он занимает канал. Все остальные терминалы, участвующие в
борьбе, засыпают на это время (плюс время передачи BCCH,
что бы проснутся к очередному этапу борьбы за канал).
3.
Терминал, получая сообщение AGCH, понимает, что он победил в результате борьбы и приступает к
передаче сообщения точки доступа.
4.
Точка извлекает из принятого
сообщения информацию, проверяет правильность приема. Если сообщение принято
правильно записывает его в буфер и формирует подтверждение правильности приема
(ARQ-сообщение), которое отправляет терминалу. Если сообщение принято
не правильно, или терминал не получил никакого подтверждения, то он попытается
повторить передачу сообщения, но уже в следующем кадре.
Режим приема данных
Рис.
7 - Сценарий режима приема данных терминала
1.
Терминал
просыпается, прослушивает BCCH и узнает, есть ли для него сообщения. Если их нет, он
засыпает снова.
2.
Если имеются
сообщения для приема, терминал вступает в борьбу за физический канал связи.
3.
После проведения борьбы за
канал точка доступа объявляет победителя посредствам AGCH и
время на которое он занимает канал. Все остальные терминалы, участвующие в
борьбе, засыпают на это время (плюс время передачи BCCH,
что бы проснутся к очередному этапу борьбы за канал).
4.
Имея доступ к
каналу терминал передает точке доступа сообщение, которым он подтверждает
готовность к принятию сигнала.
5.
Точке доступа
начинает передачу данных терминалу.
6.
Если в буфере
точки доступа есть еще сообщения для терминала, она извещает его об этом
специальным сообщением после передачи данных.
7.
Терминал
анализирует принятые данные и проверяет правильность их приема. Если сообщение принято правильно он формирует подтверждение
правильности приема (ARQ-сообщение), которое отправляет точке доступа. ТД по получению
этого ARQ-сообщения, удаляет отправленное сообщение из своего буфера. Если
сообщение принято не правильно, то оно не удаляется из буфера, таким образом,
терминал вновь может попробовать принять его.
В процессе энергосбережения работа
осуществляется с одноадресными пакетами. Когда терминал находится в пассивном
режиме, возникает проблема принятия сигналов от ТД. Решением этой проблемы
является периодическая активация терминала для принятия сигналов от ТД. В этих
сигналах ТД сообщает терминалу о том, если для него информация. Активируясь, терминал связывается с ТД
и сообщает с каким интервалом будет прослушивать канал связи. Пока терминал
находится в спящем режиме, данные для него записываются и хранятся в буфере ТД.
Так же после получения подтверждения терминал либо переходит в пассивный режим,
либо принимает решение о повторной передаче. Далее на общих основаниях
осуществляет доступ к каналу связи.
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.
Задачи, выполняемые на канальном уровне:
· определение типа передаваемого сообщения: адресное, групповое или широковещательное.
· указание адреса терминала или группы терминалов, если сообщение адресное или групповое.
· обеспечение надежной доставки (CRC) - проверка достоверности принятого сообщения
· организация доступа к физическому каналу связи (ФКС)
Рассмотрим логические каналы связи, используемые
в данной системе на канальном уровне на основе изложенных ранее сценариев:
1. BCCH (Broadcast Control Channel) -
широковещательный канал, предназначенный для неадресной рассылки общей
информации о сети. Содержит всю информацию о сети, а также идентификатор точки
доступа, предназначенные для всех терминалов, находящихся в зоне обслуживания
AP.
2. RACH (Random Access Channel) - канал случайного
доступа, за который ведут конкурентную борьбу зарегистрированные в сети
терминалы.
3. AGCH (Access Grant Channel) -
канал разрешенного доступа, по которому передаются пакеты оповещения точки
доступа, включающие в себя ID терминала, выигравшего конкурентную борьбу, а
также время, занимаемое передачей сообщения этого терминала.
4. TCH (Traffic Channel) -
предназначен для непосредственной передачи данных, а также передачи пакетов подтверждения
передачи или приема.
В пакете каждого логического канала
предполагается использование циклического избыточного кодирования – CRC-16 – алгоритма нахождения контрольной суммы. Для этого в
пакете канального уровня следует учесть 16-тибиттное поле для передачи
контрольной суммы. Во время приема будет рассчитываться контрольная сумма для
принятых данных, и сравниваться с полученной контрольной суммой. На основании
этого делается вывод о правильность или неправильности приема пакета.
Если пакет был принят правильно (неправильно), то
формируется соответствующее сообщение передающееся отправителю, в котором
указывается номер неправильно принятого пакета. В случае неправильного приема
отправителю следует повторить передачу в следующем кадре. Таким образом можно
сказать что, в разрабатываемой сети реализован механизм ARQ-сообщений, что в совокупности с использованием CRC-16 сильно повышает достоверность передачи сообщений в сети.
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.
Приведем структуры пакетов канального уровня для разрабатываемой сети.
Рис.
8 - Пакет канального уровня для передачи информационных сообщений
Рис.
9 - Пакет канального уровня для передачи широковещательных сообщений
Рис.
10 - Пакет канального уровня для передачи служебных сообщений
В состав пакета канального
уровня входят следующие поля:
·
Поле «FL» служит индикатором начала пакета;
·
Поле «Adrt»
- содержит адрес передатчика;
·
Поле «Adrr»
- содержит адрес приемника;
·
Поле «Type»
содержит информацию о типе передаваемого пакета;
·
Поле «Num»
передаваемые пакеты нумеруются, чтобы восстановить ошибочную передачу с
потерянного пакета, а не со всего сообщения;
·
Поле данных «Data» содержит пользовательскую информацию;
·
Поле «CRC» служит для определения
целостности пакета, в нем хранится контрольная сумма пакета;
·
Поле «Tail» заполняется нулями
для обнуления сверточного кодера для следующего пакета.
Рассмотрим примера обработки терминалом сообщений различных ЛКС:
1.
В интервале времени t0 – t1 осуществляется широковещательная
рассылка от ТД пакета, содержащего служебную информацию, отраженную в полях
пакета канального уровня ( Рисунок 9 ): поле «Type»
- указывает на то, что пакет несет широковещательную информацию, а поле «Data» содержит информацию, передаваемую с помощью сообщений BCCH.
2.
В интервале времени t1 – t2 терминалы отправляют служебные сообщения о запросе на
предоставление физического канала в свое распоряжение на время передачи, что отражается в «Data», а поле «Type» в данном случае сигнализирует
о том, что с помощью этого пакета ведется борьба за канал.
3.
В момент t3 – t4 ТД отправляет служебное сообщение, содержащее информацию о том, какой
узел связи получил доступ к каналу связи, на какое время и кому будет
адресовано сообщение (если источник сообщения - ТД). «Type» - указывает на то что пакет несет AGCH-информацию,
а «Data» - содержит информацию необходимую для терминалов.
4.
В интервале времени τ4 терминал осуществляет передачу
пакетов трафика и после этого получает отчета о состоянии доставки от
принимающего терминала. («Type» - указывает на то, что данное сообщение является пакетом
трафика, а «Data» - содержит пользовательскую информацию).
Алгоритм передачи и приема сообщения
состоящего из M пакетов канальным уровнем представлен в виде
блок-схемы на рисунке 11.
Рис.
11 - Алгоритм передачи и
приема на КУ
Передача:
Сверху,
с уровня принятия решений передается информационный блок, при формирование
пакета канального уровня, в начало пакете добавляется последовательность,
показывающие именно начало(поле FL
), определяется и добавляется к пакету тип (поле type). Далее добавляется информационная
часть и адреса получателя и отправителя. В итоге для полученного пакета
выполняется расчет CRC-16,
для проверки в приемной стороне произошла ошибка или нет. В самом конце
формирования добавляется поле tail,
которое показывает что пакет закончен, и весь полученный пакет отправляется на
физический уровень.
Прием
Полученный
пакет, ищется по полю fl,
которое показывает что именно тут начинается пакет, далее выделяется
информационная составляющая, по которой происходит расчет CRC-16. Как только произвели, расчет
полученный и принятый CRC
сравниваются,
если они совпали выделяется информация, и отправляется выше, а если нет, то
формируются отчет, что принятый пакет принят с ошибкой, и его необходимо
передать еще раз.
1.3.8.
Расчет пропускной способности канала трафика, вспомогательных каналов. Оценка
требуемой пропускной способности физического канала.
По условию ТЗ гарантируемая скорость передачи данных в обоих направлениях 8 Мбит/с. Согласно структуре пакета логического уровня для передачи информационного сообщения объем всего пакета составляет 300 бит. Из них на информационную часть приходится 252 бит. Информационная часть составляет 252/300 ≈ 0,84 часть от всего пакета. Соответственно, для передачи информации со скоростью 8 Мбит/с, с учетом структуры пакета L2 пропускная способность канала должна составлять:
300/252 * 8 ≈ 9,52 Мбит/с.
Учтем так же помехоустойчивое кодирование (скорость кодирования 1/2), пропускная способность увеличится в 2 раза - 19,04 Мбит/с. Учитывая защитные интервалы и синхронизацию (≈10%) то пропускная способность будет равна 20,94 Мбит/с, так как это все будет составлять ≈96% общей пропускной способности, то общая пропускная способность ≈22Мбит/с.
Используемая литература:
1 . Бакке А.В. "Лекции по курсу: Системы и сети связи с подвижными объектами";
2. Скляр Б. "Цифровая связь";
3. Курсовой проект «Локальная радиосеть». Жуков А.Ю.;