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

1.5.1. Определение и краткая характеристика возможных режимов работы терминала разрабатываемой радиосети (на основании п.1.1-1.4). Выделение активного и пассивного состояний терминала, характеристика задач, выполняемых терминалом в этих состояниях. Анализ возможных решений по обеспечению энергосбережения.

 

     Определимся с режимами работы терминалов радиосети. Все режимы будут делиться на активные и пассивные. Пассивное состояние – это состояние, в котором в целях экономии энергии будет отключен радиомодуль. Пользователь при помощи программы задает время, через которое радиомодуль должен проснуться, чтобы получить сообщение.  При этом в рамках этого режима расшифровывается принятая команда, выполняется полученная ранее команда, формируется пакет телеметрии. Активное состояние – состояние, при котором радиомодуль включен. Подробнее рассмотрим режимы этого состояния:

1.     Режим приема. Пользователь формирует сообщение с помощью программы, это сообщение передается на точку доступа и ретранслируется терминалам. Светильник, просыпаясь, его принимает.

2.     Режим передачи. Во время этого режима терминалом передается пакет телеметрии на АРМ.

     Для обеспечения энергосбережения необходимо минимизировать время «активности» терминалов. Терминал основную часть времени проводит в неактивном «спящем режиме». Это режим, в котором для экономии электроэнергии отключено питание радиомодуля. Через определенные промежутки времени терминал включает радиомодуль - переходит в режим ожидания команд от точки доступа. Если за то время, пока терминал находился в спящем режиме, ему была направлена команда, точка доступа уведомит терминал о наличии команды для передачи и отправит запрос о готовности принять команду управления. При получении положительного ответа от терминала о готовности принять команду, сообщение, содержащее команды управления   передается на выбранные терминалы. Если это сообщение содержало команду изменения параметров освещения, терминал выполняет команду, отправляет точке доступа уведомление об исполнении команды и пакет телеметрии, и переходит в «спящий режим». Для непосредственного мониторинга за электропотреблением системы, каждый терминал должен самостоятельно отправлять свои телеметрические данные на АРМ с интервалом времени, заданным пользователем.

1.5.2. 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.

     Прием и передача сообщений между терминалами и ТД по физическому каналу связи осуществляется с помощью Wi-Fi сети, так как подобная беспроводная сеть обладает следующими преимуществами:

1.     Гибкость – организация каналов передачи данных без каких-либо ограничений на мобильность терминалов.

2.     Простота планирования сетей – обеспечение требуемой зоны радиопокрытия.

3.     Оперативное создание сети. Сеть разворачивается за очень короткий промежуток времени.

 

     Сеть Wi-Fi работает на базе стандартов IEEE 802.11  на частотах 2,4 ГГц или 5 ГГц. В стандарте 802.11a используется частота 5 ГГц. В стандартах 802.11b и 802.11g используемая частота - 2,4 ГГц. В стандарте 802.11n используемая частота - 2,4 или 5 ГГц. В пределах прямой видимости беспроводная связь обеспечивается в радиусе до 300 метров от точки доступа, что удовлетворяет условиям курсового проекта.

 

    Возможность появления коллизии обусловлена тем, что группа терминалов может начать отвечать одновременно на посланный ей запрос, что крайне не желательно. Метод доступа к среде передачи данных, который используются в Wi-Fi - CSMA/CA. CSMA/CA - множественный доступ с прослушиванием несущей и избеганием коллизий. Узел, готовый послать кадр, прослушивает линию. При отсутствии несущей он посылает короткий сигнал запроса на передачу (RTS) и определенное время ожидает ответа (CTS) от адресата назначения. При отсутствии ответа (подразумевается возможность коллизии) попытка передачи откладывается, при получении ответа в линию посылается кадр. При запросе на широковещательную передачу CTS не ожидается. Метод не позволяет полностью избежать коллизий, но они обрабатываются на вышестоящих уровнях протокола. Метод характерен простотой и низкой стоимостью цепей доступа.

 

1.5.3. Пояснение способа двустороннего обмена сообщениями по радиоинтерфейсу

 

Двусторонний обмен сообщениями осуществляется только по команде от АРМ. В составе любой поступающей на терминал команды имеется запрос данных телеметрии.

     Двусторонний обмен сообщениями осуществляется посредством полудуплекса - режима, при котором, в отличие от дуплексного, передача ведётся по одному каналу связи в обоих направлениях. Полная скорость обмена информацией по каналу связи в данном режиме имеет вдвое меньшее значение, по сравнению с дуплексом.

     Разделение во времени вызвано тем, что передающий узел в конкретный момент времени полностью занимает канал передачи. Явление, когда несколько передающих узлов пытаются в один и тот же момент времени осуществлять передачу, называется коллизией и при методе управления доступом CSMA/CА считается нормальным, хотя и нежелательным явлением.

     Следует также понимать, что устройство, которое работает только на прием (на самом деле оно все равно будет передавать служебные пакеты) все равно занимает канал, и другие устройства передавать в это время не могут. 

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

 

Контроль качества радиоканала будет актуален в данной системе, если препятствием для Wi-Fi станет стена или колонна. Но в нашем случае мы имеем зал выставочной галереи без препятствий в радиусе зоны обслуживания. Единственной проблемой может стать то, что шифрование Wi-Fi относительно слабо защищено от взлома.

 

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

 

Как только точка доступа сформировала список доступных терминалов, сразу начинает целевой опрос каждого из этого списка. Для начала точка доступа формирует сообщение запроса данных. Терминал, выйдя из пассивного режима, принимает этот запрос и считывает телеметрию, формирует пакет для передачи и отправляет его. Если пакет телеметрии передан успешно, то возможно осуществить передачу команды на терминал. В противном случае, терминал вновь перейдет в пассивный режим.

Рисунок 6. Сценарий передачи данных

 

На Рис. 7 представлена диаграмма состояний сетевого узла, отражающая основные элементы разрабатываемого сценария. Видим, что ТД формирует список терминалов, после чего синхронизируется с ними.

 

 

Рисунок 7. Диаграмма состояний сетевого узла

 

1.5.6. 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 задачами, выполняемыми на канальном уровне, являются предоставление доступа к физическому каналу, организация логических каналов, а также обеспечение надёжной передачи сообщений в пределах сети.

Будут задействованы следующие логические каналы связи (ЛКС):

1.     CCCH – общий канал управления, по которому передаётся запрос данных от точки доступа к терминалу.

2. SACCH -  медленный совмещенный канал управления, по направлению "вниз" от АРМ передаются  команды и установки для точки доступа. По направлению "вверх" точка доступа посылает данные, касающиеся телеметрии, для АРМ.
3. TCH – канал, служащий для передачи данных в нашем случае от терминала к точке доступа, а также для передачи ACK-, NAK - сообщений и сообщения, содержащего дальнейшие указания терминалу.

Во избежание потерь и искажений передаваемых данных требуется использовать CRC - 12 - элемент, позволяющий проводить оценку достоверности принимаемой информации. 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 корректности приема сообщения.

Если пакет был принят правильно (неправильно), то точкой доступа формируется соответствующее сообщение, передающееся терминалу, в котором указывается номер неправильно принятого пакета в случае неточного приёма (NAK – сообщение). В таком случае терминалу следует повторить передачу. Таким образом, можно сказать что, в разрабатываемой сети реализован механизм ARQ-сообщений, что в совокупности с использованием CRC-12 сильно повышает достоверность передачи сообщений в сети.

 

1.5.7. 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.

 

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 «Тип»).

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 полезная часть сообщения (с помощью поля «Длина» и «Данные»);

4)      Сформировать и передать отчет о доставке, ACK или же NAK (если это сообщение трафика).

 

Рассмотрим процесс обработки сообщений различного типа канального уровня.

1.      Служебное сообщение, передающееся по каналу CCCH (Рис. 8), будет содержать в себе:

·        адрес терминала;

·        пометка о типе сообщения (1 – служебное);

·        код команды (111 – передай данные);

·        контрольная сумма CRC. 

Рисунок.8 Структура сообщения-запроса

     В итоге 57 бит. Это сообщение посылается ТД для запроса данных от терминала. 33 бит сообщения заполняется нулями для сохранения одинаковой длины пакета L2.

2. Служебное сообщение, передающееся по каналу SACCH (Рис. 9), будет содержать в себе поля:

·        адрес;

·        пометка о типе сообщения (1- служебное сообщение);

·        код команды (110 – увеличить мощность);

·        длина (поле, показывающее в скольких битах поля данных содержится полезная информация);

·        поле данных (содержит информацию на какую величину требуется увеличить мощность);

·        контрольная сумма CRC.

Рисунок. 9 Структура SACCH – сообщения

 

3.  Информационное сообщение, передающееся по каналу TCH (Рис. 10), будет содержать в себе следующие поля:

·        адрес терминала;

·        пометка о типе сообщения (0 – сообщение трафика);

·        номер передаваемого пакета (для возможности переслать пакет, пришедший с ошибкой);

·        длина полезной части поля «Данные» (количество бит, содержащих нужную информацию – показания счётчиков);

·        данные – показания телеметрии;

·        контрольная сумма CRC. 

Рисунок 10. Структура TCH – сообщения

4. Структура сообщения NAK, передающегося по каналу TCH (Рис. 11), будет содержать поля:

·        адрес;

·        тип сообщения (1- служебное);

·        код команды (101 – требуется пересылка сообщения с указанным номером пакета);

·        поля N1, N2, являющиеся идентификаторами необходимости повторной отправки определённого пакета, N1 – температура, N2 - напряжение, (при необходимости переотправки какого – то из пакетов в этом поле будет установлена «1»);

·        «нули» (поле, заполняющееся нулями, для сохранения размера сообщения)

·        контрольная сумма CRC.

Рисунок 11. Структура сообщения NAK

5. Структура сообщения – инструкций с указаниями (Рис. 12), содержит следующие поля:

- адрес;

- тип (1 – служебное);

- код команды (100 – переходи в пассивный режим на указанный период времени t);

- длина;

- данные (информация о времени пребывания терминала в пассивном режиме);

- контрольная сумма CRC.

Рисунок 12. Структура служебного сообщения трафика

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

     Двусторонний обмен сообщениями разного типа максимально составляет 12 пакетов L1 сообщений по 80 бит каждый. Итого 960 бит – максимальное количество данных по обмену с одним терминалом. С учётом того, что при широковещательном сообщении за одну секунду ведётся опрос 50 терминалов, сделаем примерный расчёт пропускной способности физического канала связи:

R = 960 (бит)*50/ 1(с) =48000 бит/с = 6000 байт/с, что примерно равно 6 кбайт/с.