1.1. Архитектура решения: обоснование функционального состава радиосети, определение источника и получателя сообщений. Краткая характеристика целевого ПО терминала, пользовательского интерфейса (интерфейса взаимодействия с внешним объектом). Описание обобщенных функциональных схем терминала и выделенного узла сети, пояснение цели и места радиомодуля в составе терминала. Пояснение роли выделенного узла сети, анализ основных видов поддержки, оказываемых выделенным узлом терминалам сети.

 

Обоснование функционального состава радиосети

 

Локальная радиосеть (WLANWireless Local Area Network) – это беспроводная сеть, в которой передача сигналов осуществляется на границах высоких частот. Использование такой сети в учреждениях и на предприятиях различного рода обеспечивает высокую гибкость и оперативность взаимодействия пользователей с ресурсами сети и друг другом. Беспроводная локальная сеть WLAN обеспечивает взаимодействие абонентских систем по радиоканалам небольшой протяженности.

Основной задачей локальной радиосети является беспроводная передача данных (сообщений трафика) между пользовательскими терминалами. Однако кроме сообщений трафика по ней должны передаваться и различные служебные сообщения, необходимые для поддержания оптимального режима работы сети.

Основную задачу можно разбить на несколько подзадач, каждая из которых направлена либо на непосредственную передачу сообщений, либо на поддержание оптимального режима работы сети:

1.      Обмен данными (потоками битов) между пользовательским устройством и терминалом;

2.      Формирование сообщений трафика и служебных сообщений;

3.      Прием и передача сообщений;

4.      Проведение радиоизмерений и оптимизация работы сети.

 

Следующим этапом проектирования сети является выбор конфигурации  сети, так как  она определяет требования к оборудованию, возможные и наиболее удобные методы управления обменом, надежность работы, возможности расширения сети. С этой точки зрения WLAN имеет два совершенно разных подхода к реализации: структурированная сеть и сеть типа AdHOC.

Для разрабатываемой сети выбрана структурированная конфигурация. Поскольку большое количество абонентов в сети AdHoc сильно замедляет скорость обмена данными, а так же, наличие выделенного узла сети (рис. 1) позволяет упростить управление доступом к сети, ее администрирование и избежать коллизий при передачи данных.


Рисунок 1 Структурная схема сети

 

В нашем случае выделенный узел выступает в роли стационарного коммутатора – точки доступа, объединяющей электронные устройства  в одну сеть. Точка доступа осуществляет  процессы, связанные с установлением, контролем соединения между абонентами и передачу данных от одного абонента другому. Исходя из выбранной конфигурации, все сообщения будут проходить через выделенный узел связи. Принятые от терминалов сообщения сохраняются в точке доступа, а затем передаются требуемому адресату. Для передачи данных абоненту потребуется пройти процедуру регистрации в сети, а так же получить доступ к общему для всех узлов сети физическому каналу связи.

Из технического задания следует, что основная функция проектируемой сети заключается в передачи данных между ее абонентами. Передача будет осуществляться путем деления фрагментации передаваемой информации на пакеты специального типа. Эти пакеты будут содержать в себе несколько полей различного вида и подразделятся на пакеты трафика и служебные пакеты.

На основе выбранной конфигурации можно выделить следующие функциональные элементы сети:

·         выделенный узел сети (один на сеть);

·         пользовательские терминалы (до 30, согласно ТЗ).

 

 Рассмотрим задачи которые должны выполнять узлы сети.

Задачи точки доступа:

·         широковещательная рассылка системной информации (ID сети, идентификатор точки доступа);

·         организация соединения между терминалами;

·         предоставление доступа во внешнюю сеть;

·         аутентификация и идентификация абонентов;

·         синхронизация всех абонентских терминалов;

·         хранение принятой или передаваемой информации до получения отчета о доставке/приеме от необходимого терминала и формирование собственного отчета терминалам.

 

 Для выполнения данных задач точка доступа должна выполнять функциональные возможности:

·         передавать (принимать) радиосигнал в (из) радиоканала – для этого в ее состав необходимо включить радиомодуль;

·         накапливать данные для временного хранения до передачи – буфер;

·         иметь хранилище данных для хранения настроек, сведений о сети, данных о аутентификации и т.д. – информационная система;

·         формировать и обрабатывать различные служебные сообщения – информационная система;

·         для управления всеми блоками и система точки доступа, их синхронизации, а так же для обработки принимаемых сигналов требуется предусмотреть управляющее устройство – система управления.

 

Исходя из функций и задач, поставленных перед точкой доступа (ТД), можно составить функциональную схему точки доступа, изображенную на рисунке 2.

 

Рисунок 2 Функциональная схема ТД

 

Радиомодуль – блок обеспечивающий прием и передачу потока битов по радиоканалу, а также проведение радиоизмерений и изменение профилей передачи. В нем происходит кодирование (декодирование) потока битов, его перемежение (деперемежение), модуляция (демодуляция) сигналов и излучение сформированного радиосигнала в эфир.

Блок служебной связи – отвечает за работу со служебной информацией, необходимой для корректной работы сети. В его функции входит формирование BCCH сигнала, аутентификация пользователей, сбор и обработка данных телеметрии.

Блок управления – центральный блок точки доступа, организующий и контролирующий работу всех остальных блоков.

Буфер устройство, предназначенное для временного хранения передаваемой информации (например, в ожидании ответа адресата о готовности к приему).

Информационная система состоит из двух составляющих: энергонезависимое ПЗУ и энергозависимое ОЗУ. В ней хранятся данные статистики, данные аутентификации, данные об услугах и пользователях, «расписание» работы ТД, сценарии соединения, и пр.

            

Задачи терминала:

·         прослушивание канала для получения широковещательных данных о сети;

·         формирование и передача запроса точке доступа на регистрацию и предоставление канала связи;

·         формирование и передача сообщения и отчета о доставке;

·         проведение измерений уровня сигнала для улучшения качества связи;

·         синхронизация с сетью;

·         преобразование данных (модуляция/демодуляция, кодирование/декодирование);

·         переход в спящий режим.

Функциональные возможности терминала схожи с функциональными возможностями точки доступа. Исключением является лишь одна возможность: терминал должен соединяться с пользовательским устройством, предоставляя таким образом пользователю доступ к сети. Для выполнения этой функции в терминале предусмотрен USB-контроллер, осуществляющий соединение терминала и пользовательского устройства по средствам USB-интерфейса.

Исходя из функций выполняемых терминалом, предлагается функциональная схема терминала, изображенная на рисунке 3.


Рисунок 3 Функциональная схема терминала

 

Как было сказано выше функции большинства блоков аналогичны функциям таких же блоков в точке доступа.

Информационная система здесь содержит лишь ПЗУ с записанными сценариями соединения и служебной информацией о терминале (ID, последние подключенные устройства и т.д.).

USB контроллер предназначен для подключения терминала к пользовательскому устройству по средствам USB-интерфейса и специального программного обеспечения (драйвера).

 

Пояснение цели и места радиомодуля в составе терминала

Радиомодуль предназначается для передачи сигналов между узлами сети, посредствам модулированных радиоволн. В  его задачи входит:

·         кодирование и декодирование потока битов;

·         перемежение и деперемежение потока битов;

·         модуляция и демодуляция сигнала;

·         усиление сигналов до необходимого для успешной передачи уровня;

·         излучение сигнала в эфир;

·         проведение радиоизмерений;

·         изменение параметров передачи (вида модуляции и мощности излучения) по указанию сетевого уровня.

На вход радиомодуля поступает поток битов, а его выход представляет собой антенну, излучающую в эфир сформированный радиосигнал.

При обеспечении доступа к сети мобильным терминалам остро встает вопрос энергоэффективности и энергосбережения. Большую роль в решении этих проблем играет система передачи терминала и, в частности, радиомодуль.

Обеспечение энергоэффективности и энергосбережения на физическом уровне достигается следующими путями:

·         увеличение КПД радиомодуля (например, УВЧ и антенны);

·         уменьшение мощности излучения до минимально необходимого уровня;

·         использование более энергоэффективных видов кодирования и модуляции.

На основании функций и задач радиомодуля разработана его функциональная схема (рис. 4).


Рисунок 4 – Функциональная схема радиомодуля

 

Блок кодирования, во время передачи, предназначен для кодирования потока битов, поступающих из буфера терминала, и записи закодированного потока в буфер радиомодуля для последующего перемежения. Во время приема этот блок выполняет обратный процесс – декодирует поток битов, поступающих из деперемежителя.

Блок перемежения выполняет перемежение (деперемежение) потока битов поступающих из блока кодирования (блока модуляции).

Блок модуляции производит модулирование и демодулирование сигналов. Поддерживает несколько профилей модуляции. Выбор того или иного профиля производится блоком управления терминала на основании проводимых радиоизмерений.

Усилитель мощности предназначен для усиления сигнала до минимального, который необходим для успешной передачи уровня. Усиление регулируется блоком управления терминала на основании проводимых радиоизмерений.

Антенный блок представляет собой совокупность антенны и согласующего устройства.

 

Краткая характеристика целевого ПО терминала

 

Рисунок 5 – Характеристика целевого ПО

 

Пользовательский интерфейс можно разбить на две части: физическую и программную. Физическая часть представляет собой физический уровень USB-контроллера пользовательского устройства. Программная часть включает в себя модуль преобразования сообщений пользователя и интерфейс взаимодействия с пользователем

Модуль преобразования сообщений пользователя преобразует сообщение пользователя в сообщение канального уровня (к битам), добавляя при этом дополнительную информацию о том, кому адресовано данное сообщение (какому приложению) и кто из терминалов является адресатом.

Интерфейс взаимодействия с пользователем представляет собой программное обеспечение, необходимое для упрощения «общения» пользователя с сетью. Основная его задача – интеграция сети в стандартную службу сетевых подключений операционной системы пользователя.

Уровень управления сетевым соединением отвечает за управление и обработку результатов радиоизмерений, а так же за формирование и обработку служебных сообщений всех видов, в т.ч. связанных с решением задач энергосбережения (сообщений BCCH).


Пояснение роли выделенного узла связи

Выделенный узел сети является ее координирующим центром, отвечающим за поддержание работы сети, ее администрирование и передачу данных между терминалами.

Основные виды поддержки оказываемой выделенным узлом связи:

·         предоставление доступа терминалам к сети;

·         синхронизация терминалов сети;

·         выделение физического канала;

·         промежуточное хранение сообщений;

·         ретрансляция сообщений;

·         администрирование сети.

Через точку доступа проходит весь трафик сети. Следует так же отметить, что точка доступа не генерирует сообщения трафика, а является лишь посредником в их передаче от одного терминала к другому.

 

Замечание: Подробно метод доступа узлов сети к общему ФК и методика проведения радиоизмерений будут рассмотрены в следующих частях КР.


1.2. Обоснование возможности решения поставленной задачи на основании результатов п. 1.1., описание основных моментов функционирования радиосети. Пояснение роли выделенного узла сети.

 

Обоснование возможности решения поставленной задачи на основании результатов п. 1.1.

 

В качестве обоснования возможности решения поставленных перед сетью задач, кратко рассмотрим основные аспекты функционирования сети на основании описанных в пункте 1.1 задач сети, ТЗ, структурной схемы сети, ее функционального состава, роли выделенного узла сети и характеристики пользовательского ПО.

Основные аспекты функционирования сети:

1.      Регистрация терминала в сети;

2.      Передача данных между терминалами;

3.      Передача служебных сообщений;

4.      Решение задач энергосбережения.

 

Регистрация терминала в сети

Маячком активности сети является рассылаемое точкой доступа широковещательное сообщение, содержащее ее ID, список активных терминалов и список терминалов, для которых у ТД есть сообщение (не всегда, подробнее – в «Решение задач энергосбережения»).

Терминал, принимая это сообщение, понимает, что находится в зоне радиопокрытия сети. Пользователю выводится сообщение о возможности подключения к сети. Если пользователь желает подключиться, терминал начинает борьбу за канал и после победы в ней отправляет ТД соответствующее регистрационное служебное сообщение, содержащее информацию о подключаемом терминале. Так как, в задании указано что, каждый терминал сети должен получать в реальном масштабе времени информацию о других активных терминалах, процедура регистрации должна повторяться терминалом с определенной периодичностью.

 

Передача данных между терминалами

Сформированное на пользовательском устройстве сообщение передается через физические уровни на терминал. Терминал вступает в борьбу за канал. Победив в борьбе, терминал передает сообщение в составе промодулированного пакета физического уровня точке доступа. ТД извлекает из принятого сообщения флаг типа сообщения, адрес терминала-получателя и добавляет ID адресата в свое сообщение BCCH.

Терминал-получатель, после следующего выхода из спящего режима, прослушивает BCCH и понимает, что у ТД есть для него сообщение. На основании этого, терминал, начинает борьбу за канал. После победы в борьбе Т передает точке доступа сообщение, извещающее точку доступа о готовности терминала к приему. ТД начинает передачу сообщения, а Т – его прием. Для увеличения надежности передачи в сети следует предусмотреть наличие ARQ-сообщений – сообщений о подтверждении правильности приема в направлениях Т-ТД и ТД-Т.

 

Передача служебных сообщений

Процесс передачи служебных сообщений происходит схоже процессу передачи сообщений трафика. Главное отличие служебного сообщения от сообщения трафика состоит в том, что у служебного сообщения укороченная информационная часть. Для определения вида сообщения в состав пакета L1 включается специальный, флаг типа сообщения. А так же, в отличие от сообщения трафика, источником служебного сообщения может являться точка доступа.

 

Решение задач энергосбережения

Кроме способов обеспечения энергосбережения указанных в пункте 1.1 рассмотрим еще один важный способ: уменьшение времени работы терминала. Терминалу не требуется работать постоянно т.к. передача и прием информации не происходят непрерывно. Следовательно, на какое-то время терминал может отключаться, тем самым экономя электроэнергию (что важно в случае мобильности терминала) ценой небольших не критичных задержек передачи сообщения.

Это достигается тем, что терминал прослушивает BCCH (в котором хранятся данные о терминалах, для которых у ТД есть сообщение) не постоянно, а через определенные промежутки времени. Точка доступа, при регистрации терминала, помимо прочего узнает, через какие промежутки времени он будет просыпаться, и именно в эти моменты времени в BCCH будет включаться извещение терминала о наличии для него сообщений.

Увеличение этого промежутка увеличивает задержку между передачей и приемом сообщения, но уменьшает затраты энергии. По умолчанию этот промежуток одинаковый для всех терминалов, но он может меняться, в зависимости от выбранного профиля энергопотребления терминала (пользовательского устройства).

А так же, если терминалу требуется передать сообщение, но борьба за канал была проиграна, он засыпает на время передачи победившего узла связи. Это время узнается терминалом в процессе борьбы за канал.

 

Описание основных моментов функционирования радиосети

Для иллюстрации основных моментов функционирования разрабатываемой сети рассмотрим основные состояния терминала (рис. 6) и выделенного узла (рис. 7).


Рисунок 6 Основные состояния терминала

 

Основным состоянием терминала является спящий режим IDLE. Из него терминал может приступить к прослушиванию BCCH либо к борьбе за физический канал (при необходимости передачи).

Прием широковещательных сообщений BCCH. Терминал принимает информацию о сети  и понимает, что находится в зоне радиопокрытия сети, узнает данные об активности терминалов и наличии для него сообщений. Если терминал уже зарегистрирован в сети и понимает, что у ТД есть для него сообщение, он переходит к борьбе за ФК для обмена сообщениями. Если терминал еще не зарегистрирован в сети, он приступает к борьбе за канал для проведения регистрации.

Борьба за канал. Терминал начинает борьбу за физический канал связи. В случае победы в борьбе терминал приступает к обмену сообщениями. В случае проигрыша терминал переходит в режим IDLE.

Прием и передача сообщений трафика. Непосредственно происходит процесс передачи (приема) сообщений. В случае необходимости принять сообщение от точки доступа, терминал сначала уведомляет ее о своей готовности к приему. Если у точки доступа есть еще сообщения для терминала, она уведомит его об этом в процессе обмена, и терминал снова будет участвовать в следующем цикле борьбы за канал. В любом другом случае терминал вернется в режим IDLE.


Рисунок 7 – Основные состояния точки доступа (выделенного узла связи)


Рассылка широковещательного сообщения. Точка доступа транслирует радиомаячок, содержащий информацию об активности сети, данные об активных терминалах и список терминалов, для которых в буфере ТД содержатся сообщения. Если точке доступа не требуется передавать собственные служебные сообщения, она переходит к прослушиванию канала. Если присутствуют служебные сообщения для передачи, то точка доступа приступает к борьбе за канал.

Борьба за физический канал. Для передачи служебных сообщений требуется канал связи. Для его получения точка доступа вступает в борьбу за канал на общих условиях. В случае победы точка доступа начинает передачу, в случае проигрыша она слушает канал для получения различных сообщений от терминалов: подтверждений о готовности к приему, сообщений трафика, служебных сообщений. Если служебное сообщение является важным и определенное количество попыток его передать оказались неудачными, точка доступа «жульничает», обеспечивая себе тем самым победу в конкурентной борьбе.

Прослушивание физического канала. Точка доступа прослушивает канал связи и принимает различные сообщения от терминалов. Если терминал сообщит точке доступа о готовности к приему сообщения хранящегося у нее в буфере, то она приступит к его передаче. Если в конкурентной борьбе не участвовал ни один из терминалов, точка доступа возвращается к рассылке широковещательного сообщения без процедуры приема/передачи сообщений.

Прием/передача сообщений. Процесс непосредственного обмена сообщениями. По окончании обмена, точка доступа возвращается к рассылке широковещательного сообщения. 


Список используемой литературы:

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

2. Маковеева М.М.,Шинаков Ю.С. "Системы связи с подвижными объектами".

3. Скляр Б. "Цифровая связь".

4. Статья "Локальная радиосеть.Часть 1."Жуков А.Ю.-http://omoled.ru/publications/view/598.