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.

 

 

Рисунок 1. Диаграмма состояний терминала

 

В проектируемой радиосети существует два вида состояний терминала: активный режим и пассивный режим.

К пассивному режиму относится терминал в выключенном состоянии.

А активный режим включает в себя поиск сети, регистрацию, прием мультимедийной информации. В активном режиме терминал пребывает только по желанию пользователя.

 

Режим регистрации.

После включения терминала происходит поиск сети. По широковещательному каналу ТД  передает информацию о сети. При обнаружении сети, терминал должен зарегистрироваться. Как только терминал прошел успешную регистрацию, происходит запись ID сети в память для дальнейшего доступа к сети без регистрации.

 

Режим приема данных.

После регистрации терминал отправляет запрос на предоставление канала и начинается борьба за нужный канал. Как только терминал победил, он отправляет оповещение о готовности принятия сообщения точке доступа. В последующем ТД начинает передачу сообщения.

 

Анализ возможных решений по обеспечению энергосбережения.

Энергосбережение в системе обеспечивается, когда терминал находится в пассивном режиме большую часть времени (выключен).

 

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.

 

Рисунок 2. Организация доступа к физическому каналу связи

 

В разрабатываемой сети физическим каналом является радиоканал с определенной полосой частот. Способом реализации совместного использования полосы частот был выбран алгоритм множественного доступа – многостанционный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий – CSMA/CA. Узлы связи будут получать доступ к общей полосе частот по следующему алгоритму:

t0 – t1: ТД рассылает широковещательное сообщение BCCH.

t1 – t2: промежуток времени выделен под канал случайного доступа RACH. Этот интервал поделен на 150 равных частей – канальных интервалов. Узел сети, который борется за канал, псевдослучайным образом выбирает число от 0 до 150, при этом нулевой бит может быть использован только ТД. Далее происходит отсчет N канальных интервалов RACH, параллельно прослушивая канал. Если до N промежутка канал не занят, происходит резервирование канала.

t2 – t3: промежуток для канала разрешенного доступа AGCH. Узел связи, чью заявку на предоставление канала ТД приняла первой, является победителем и занимает канал. Терминалы, проигравшие борьбу в следующий раз будут использовать число Nзагаданный- Nотсчитанный канального интервала RACH.

t3 – t4: канал трафика TCH для победившего узла.

Далее происходит повторение алгоритма.

Если количество канальных интервалов у конкурирующих терминалов одинаково, то в данном алгоритме может возникнуть коллизия. Для ее решения предлагается выполнение следующих действий:

Если загадано узлами сети одинаковое число N,  ТД не сможет принять их сообщения, а примет следующее за ними. Таким образом, терминал, передающий это сообщение, становится победителем. Во избежание последующих коллизий в мультикадрах, эти два терминала уменьшают число N на случайное число от 1 до 3.

 

1.5.3. Пояснение способа двустороннего обмена сообщениями по радиоинтерфейсу.

Время работы сети разбивается на мультикадры. в свою очередь мультикадры разбиваются на кадры, в которых происходит передача широковещательной информации, борьба за канал, выделение канала и передача сообщений.

 

 

 

Рисунок 3. Взаимодействие терминала с ТД

 

С ТД всегда транслируется широковещательная информация другим терминалам.

При включении терминала на ТД отправляется информация о терминале и запрос на предоставление канала. После борьбы за канал и победы терминала в ней, в кадре AGCH выделяется канал.  После этого терминал готовится к приему сообщения. Далее с ТД начинается отправка сообщения терминалу. После просмотра сообщения, на ТД снова транслируется широковещательная информация, а терминал отключается до следующего подключения.

 

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

 

Система состоит из ТД и терминалов. Так как терминалы подвижны, невозможно обеспечить хорошую передачу из-за многолучевости распространения сигналов, поэтому нужны специальные средства борьбы. В системе нужно заложить работу двух профилей физического уровня – для подканалов высокого и низкого качества. Эти профили отличаются видом модуляции сообщений. Модуляцию с малой позиционностью используют для подканалов с низким качеством, соответственно для подканалов с высоким качеством – модуляцию с высокой позиционностью. На основании результатов работы подсистемы радиоизмерений на физическом уровне  осуществляет модуль управления. С L3 на L1 уровень отправляются данные о радиоизмерениях , а с L1 на L3 – команды, посылаемые на физический уровень.

 

Рисунок 4. Схема проведения радиоизмерений

 

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

 

Режим регистрации:нг

1.     После включения терминала начинается поиск BCCH сообщения и при его нахождении, терминал принимает его.

2.     После его принятия, терминал отправляет заявку на использование канала и начинается борьба за канал.

3.     Когда терминал побеждает в борьбе, ТД сообщает об этом по каналу AGCH.

4.     Далее терминал отправляет всю необходимую информацию о себе, чтоб ТД провела аутентификацию.

5.     После проверки ТД отправляет оповещение о регистрации  терминалу, если прошло всё успешно.

 

 

Рисунок 5. Сценарий режима регистрации терминала в сети

 

Режим приёма данных:

1.     Терминал активизируется, прослушивает BCCH и отправляет заявку на использование канала.

2.     После борьбы ТД определяет победителя и отправляет результаты на терминал.

3.     Терминал готов к приему, о чем и сообщает точке доступа.

4.     С ТД начинается передача сообщения.

5.     После просмотра сообщения с терминала на ТД отправляется оповещение об окончании просмотра, и терминал отключается.

 

Рисунок 6. Сценарий режима приема данных

 

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.

 

Задачи, выполняемые на канальном уровне:

 

1.     Определение типа передаваемого сообщения: адресное  или широковещательное;

2.     Указание адреса терминала; 

3.     Обеспечение надежной доставки (CRC) - проверка достоверности принятого сообщения;

4.     Организация доступа к физическому каналу связи.

 

Логические каналы связи, которые были использованы в данной системе:

 

1.     BCCH (Broadcast Control Chanel) – передача широковещательной информации от ТД;

2.     RACH (Random Access Channel) – передача запросов на резервирование канала связи;

3.     AGCH (Access Grant Channel) – передача подтверждения резервирования канала связи;

4.     TCH (Traffic Channel) – передача данных.

 

Так как данная система связи работает в режиме реального времени, то использование контрольной суммы (CRC) здесь не предусмотрено. Поэтому ошибка, возникшая при передаче сообщения, исправлена быть не может.


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.

 

Рисунок 7. Пакет канального уровня для передачи информационных сообщений

Для передачи информационных сообщений в пакете канального уровня не предусмотрена контрольная сумма (CRC) и не содержится никаких адресов, поэтому в информационных сообщениях передается только поток битов, который кодирует само видео-сообщение.

 

Рисунок 8. Пакет канального уровня для передачи широковещательных сообщений

 

В пакете канального уровня для передачи широковещательных сообщений содержатся следующие поля:

«Date»– содержит запрос на предоставление канала;

«CRC»– контрольная сумма, которая определяет целостность пакета.

 

Рисунок 9. Пакет канального уровня для передачи служебных сообщений

 

Пакет канального уровня для передачи служебных сообщений содержит:

«А1» – адрес терминала;

«А2» - адрес ТД;

«Date» - содержит запрос канала и ответ на него;

«CRC»– контрольная сумма, которая определяет целостность пакета.

 

Рассмотрим пример обработки терминалом сообщений различных ЛКС:

1.     В интервале времени t01 – t1 осуществляется широковещательная рассылка от ТД пакета, содержащего служебную информацию, отраженную в полях пакета канального уровня (рисунок 8): поле «Date» 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 «Date».

3.     В момент t2 – t3 ТД отправляет служебное сообщение, содержащее информацию о том, какой узел связи получил доступ к каналу связи. «Date»  – содержит информацию, необходимую для терминалов.

4.     В интервале времени t3 - t02 терминал осуществляет передачу пакетов трафика и после этого получает отчет о доставке от принимающего терминала. «Date» – содержит пользовательскую информацию. 

 

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

 

По условию ТЗ максимальная скорость передачи данных (вещания): 128 Кбит/с.  Согласно структуре пакета логического уровня для передачи информационного сообщения объем всего пакета составляет 532 бита. Информационная часть составляет также 532 бита. С учетом этого факта необходимо обеспечить скорость передачи не менее (532/532)*4 = 4Мбит.

Для передачи широковещательного сообщения объем всего пакета составляет 252 бит, 240 из них – информационная часть. В этом случае необходимо обеспечить скорость передачи не менее (252/240)*4= 4.2 Мбит.

Объем пакета для передачи служебного сообщения составляет 252 бит, 232 из них- информационная часть. В этом случае необходимо обеспечить скорость передачи не менее (252/232)*4=4.3 Мбит.

 

Используемая литература:

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

2.     http://omoled.ru/publications/view/388

3.     http://net.e-publish.ru/p226aa1.html

4.     https://ru.wikipedia.org/wiki/Канальный_уровень

5.     http://samlit.net/lessons/informatika/tcp_ip/tcp02.html