РАДИОСЕТЬ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

(Канальный уровень)

 

 

 

Выполнил:

ст. гр. №218

Минаков В.А.

 

 

 

 

 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. (рис.1):

1) Терминал бездействует;

2) Терминал – источник трафика;

3) Терминал – ретранслятор трафика.

  

Рисунок 1 – основные состояния терминала

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.

 

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.

В разрабатываемой сети физический канал – радиоканал с определенной полосой частот. Доступ к РК будет осуществляться способом множественного доступа с разделением по времени (TDMA). Иллюстрация представлена на рис. 2.

 

Рисунок 2 – организация доступа к радиоканалу

В составе мультикадра, для распространения между терминалами заявок о регистрации, отведен фрейм BCCH. Перед началом работы в сети каждый терминал прослушивает РК, с целью обеспечения синхронизации временных шкал с соседними терминалами. Т. не получает сообщений от других терминалов на протяжении определенного тайм-аута. Формируется решение об отсутствии соседних Т. и занимается канальный интервал, выделенный соответствующему Т. в кадре BCCH. После появления в зоне радиопокрытия других устройств, на основании прослушивания радиоканала и приема широковещательного сообщения от заведомо работающего устройства, происходит синхронизация временных шкал и занимается соответствующий КИ и распространяет информацию о себе и уже зарезервированных канальных интервалах. Каждый терминал по используемым КИ делает вывод о доступных терминалах.

После кадра BCCH отводится время для передачи запросов на трансляцию фото и аудиоинформации (SACCH). Терминал при КУ отправляет запрос, посредством доступных для радиообмена Т. на требуемый.

После некоторого количества ретрансляций, терминалы, участвующие в доставке сообщения по каналу SACCH, применяют настройки для ретрансляции трафика.  После чего, оконечный Т. по маршруту прохождения сообщения запроса начинает трансляцию трафика.  

Коллизии в данной сети могут возникнуть в результате рассогласования шкал времени при быстрой смене географического положения терминалами в самом начале функционирования сети. Методом по предотвращению данного явления предлагается введение длительного промежутка времени, отведенного на прослушивание РК, при обнаружении широковещательной несущей, Т. синхронизируется с терминалом-передатчиком, определяет отведенный тайм-слот и повторяет процедуру регистрации в следующем мультикадре.      

1.3.3 Пояснение способа двусторонней доставки сообщений по радиоинтерфейсу.

Как говорилось выше, работа сети основывается на применении концепции мультикадра. Для пояснения принципов работы сети необходимо рассмотреть рис.3.

 

Рисунок 3 – взаимодействие терминалов в составе сети.

Для пояснения особенностей работы сети рассмотрим случай, когда Т1, Т4 и Т2 заявили о себе во время действия предыдущего кадра BCCH. Следовательно, каждый терминал осведомлен о наличии в зоне его радиопокрытия других Т. Тем не менее, процедура перерегистрации необходима для периодического обновления маршрутной информации терминалами, в случаях быстрой смены ими географического положения.

На этапе отправки запроса (SACCH), терминал 1 отправляет соответствующую команду о запросе трафика с Т2. на доступный для радиообмена Т.4, который, в свою очередь проверяет наличие в своей зоне радиопокрытия искомого Т.. В случае отсутствия в зоне Т.2, Т.4 отправляет запрос на другой терминал до достижения им терминала искомого. В случае если Т.2 в зоне действия Т.4 обнаружен был, приняв сообщение запроса, проанализировав метрику маршрута Т.2, начинает трансляцию трафика на Т.4.     

В случае, когда число терминалов-ретрансляторов более 4, тогда терминал, который последним принял сообщение перед началом мультикадра, хранит его в буфере до начала кадра TCH, и после отправляет сообщение в первом канальном интервале (рис. 4).

 

Рисунок 4 – пояснение процедуры передачи сообщений трафика

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. В данной работе предусматривается контроль уровня принимаемого сигнала на этапе рассылки широковещательных сообщений. В момент передачи сообщений канала управления, задаются параметры уровня мощности при дальнейшем функционировании устройств, а также параметры уровня мощности должны быть разосланы и применены при следующей процедуре перерегистрации терминалов в сети (в составе BCCH-сообщения).

 

 

Рисунок 5 – процедура проведения радиоизмерений

 На рис. 5 представлен процесс обмена информацией внутри отдельного терминала. Измерения проводятся на физическом уровне, и полученные данные пересылаются на L3, где сравниваются с пороговым значением. После чего, сетевой уровень отправляет на L1 информацию о мощности сигнала, требуемой для качественной передачи, и в сообщении L3 записывает передаваемый параметр. Таким образом, терминал принявший сигнал, распаковав сообщение L3, определяет уровень мощности, с которым сигнал был передан терминалом-передатчиком, а информация, полученная со службы L1 предоставляет возможность сравнить заявленную мощность с полученной и на основании чего получить данные о наличии/отсутствии препятствий, на пути прохождения радиосигнала.

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

Рассмотрим сценарий получения терминалами маршрутной информации. (Рис. 6)

 

Рисунок 6 – сценарий получения маршрутной информации

Как согласно стратегии, изображенной на рис.5, следует отметить, что через некоторое количество итераций процедуры перерегистрации, каждый терминал получит информацию о соседнем Т.,  в следующем этапе каждый терминал получит данные о доступности Т. в зоне радиопокрытия других участников сети. Для наиболее полного понимания данного вопроса, обратимся к таблице 1. 

 Таблица 1 – таблица маршрутизации Т.1

ID терминала

Терминал-ретранслятор

Метрика маршрута

Т2

<нет>

1

Т3

Т2

2

Т4

Т3

3

 

Рассмотрим данные, представленные в табл.1. В зоне радиовидимости Т.1 находится Т2, в свою очередь, в зоне Т.2 находится Т.3. Чтобы терминалу 1 получить доступ к Т.3, Т.1 должен отправить запрос на Т.2, с целью предоставления канала связи с Т.3. Т.2, декодировав запрос Т.1, применяет настройки для ретрансляции трафика с Т.3 на Т.1, заключительным этапом которых является отправка на Т.3 служебного сообщения с соответствующим содержанием.

Графическая диаграмма состояний сетевого узла приведена на рис. 7.

 

Рисунок 7 – диаграмма состояний сетевого узла

После включения (1) терминал переходит в состояния прослушивания радиоканала, с целью обнаружения широковещательного сообщения. В случае, если BCCH не обнаружено, Т. начинает рассылку широковещательной информации самостоятельно в ожидании ответа от соседних терминалов (3). При необходимости, процедура 3,4 повторяется многократно. После получения ответа (5), терминалы синхронизируются и переходят в состояние ожидания запроса на ретрансляцию. В случае обнаружения широковещательной несущей, до принятия решения о самостоятельной рассылке (6), также происходит синхронизация Т. и их переход в состояние ожидания запроса.

После синхронизации каждый Т. обладает информацией о распределении кадров по временной шкале и отведенных им КИ для рассылки BCCH. Дальнейшие действия терминалов при отсутствии запроса трафика (8) состоят в переходе в режим минимального энергопотребления на период TCH и после чего, вновь осуществить широковещательную рассылку (10, 15, 16) информации о себе и доступных Т.

В случае получения терминалом запроса на передачу/ретрансляцию трафика (9), осуществляется обработка и применение параметров передачи (уровень мощности сигнала, роль терминала в сети). Согласно принятому сообщению управления, терминал начинает либо передавать информацию со своих периферийных устройств (11), либо после очередного этапа рассылки ожидает приема данных с другого Т. для последующей их ретрансляции (12, 13).  

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.

В разрабатываемой радиосети требуется обеспечить доставку трех видов сообщений:

- широковещательные сообщения – для идентификации терминалов и получения маршрутной информации, а также осуществления радиоизмерений;

- сообщения управления – для передачи терминалам запросов на трансляцию и применения параметров радиоизмерений;

- сообщения трафика – для доставки фото и аудио данных на КУ радиосети.

Для реализации данных задач необходимо выделить три логических канала связи (ЛКС):

- BCCH – для обеспечения передачи широковещательных сообщений;

- SACCH – для обеспечения передачи сообщений управления;

- TCH – для передачи сообщений трафика.

Для широковещательных сообщений и сообщений управления требуется ввести оценку достоверности принятых сообщений. Для этих целей будет применен избыточный циклический код CRC16, в результате расчета которого, на приемной и передающей стороне, и сравнения результатов будет определяться целостность принятых сообщений.

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 SACCH конкретному терминалу). Примером адресного сообщения может служить запрос на предоставление Т. трафика. 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.

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

Структура сообщения канала трафика представлена на рис. 8.  

Рисунок 8 – структура сообщения трафика

Поля данного сообщения выполняют следующие задачи:

«Addr1» – адрес терминала-источника трафика;

«Addr2» – адрес терминала-ретранслятора трафика;

«Addr3» – адрес терминала при командном узле;

«Data» – поле данных;

«End» – поле, обозначающее конец поля данных.

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.

Далее рассмотрим широковещательное сообщение (Рис. 9).

 

 

Рисунок 9 – 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 занявших канальный интервал. Изначально данное поле заполнено нулями, в процессе его периодической ретрансляции оно заполняется ID терминалов.

Поле «CRC» – содержит результат расчета контрольной суммы.

Рассмотрим сообщение управления (Рис. 10).

 

 

Рисунок 10 – структура сообщения управления

Основная масса полей была прокомментирована выше. Фрейм «Length» data определяет длину поля данных. Поле «Data» содержит код исполнительной команды, а фрейм «Fill» предназначен для приведения длины сообщения к единой величине с BCCH.

Блок-схема алгоритма приема сообщения представлена на рис. 11

 

Рисунок 11 – блок-схема алгоритма приема сообщения

                                                   

Блок-схема алгоритма передачи сообщения представлена на рис. 12

 

Рисунок 12 – Блок-схема алгоритма передачи сообщения

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

По требованию технического задания, скорость передачи трафика должна составлять не менее 100кбит/с. от общей скорости. Дополнительно, на обслуживание каналов BCCH и SACCH требуется:

(294*45*2)+28=26488 [бит]

- где 294 – длина сообщения BCCH и SACCH, 45 – число канальных интервалов, 28 – число бит служебных полей в структуре сообщения TCH.

На мультикадр трафика приходится 4 равных интервала, при этом каждый терминал передает только в одном. Таким образом, трафик в одном КИ должен передаваться со скоростью не менее 0.4 [Мбит/с]. На один мультикадр (длительностью примерно 1 с.) будет приходиться 102400/(409600+26488)=23% передачи трафика, а весь мультикадр будет составлять 436088 [бит].

С учетом помехоустойчивого кодирования со скоростью ½, пропускная способность должна быть увеличена вдвое, дополнительно, 10% на преамбулу и защитные интервалы. Таким образом, пропускная способность физического канала должна быть не менее 0.97 [Мбит/c].

Список используемой литературы:

1. Бакке А.В.  лекции по курсу "системы и сети связи с подвижными объектами";

2. http://omoled.ru/publications/view/836;

3. http://omoled.ru/publications/view/799.

.