Курсовая работа по дисциплине:

«Системы и сети связи с подвижными объектами»

«Радиосеть сбора данных с подвижных станций».

Часть 2. Канальный уровень.

Выполнил: студент группы 319 Рыбаков Д.А.

 

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 можно выделить два вида состояний терминала: активное и пассивное (рис.1). Под активным состоянием понимаем обмен трафиком и служебными сообщениями. Если терминал только принимает служебные сообщения, он находится в пассивном состоянии.                                                                                                                           К активному состоянию отнесём:

- передача данных в 1 из 10 случайных подканалов трафика; 

- приём служебных сообщений от ТД;

          -радиоизмерения и изменение мощности работы передатчика терминала; 

- повторная передача сообщения;

 Пассивное состояние подразумевает:

- состояние покоя/сна, во время которого терминал находится в режиме энергосбережения. Терминал владеет точной информацией о том, в какой момент времени ему необходимо выйти из этого состояния по команде МК; 

 - приём широковещательного сообщения ВССН. К нему можно отнести приём/обработку сведений о временной синхронизации.

Рисунок 1 – режимы работы терминала

 

Терминал периодически переходит в пассивное состояние, после передачи очередного сообщения находясь в зоне действия ТД. Если Т вне зоны действия ТД, то он постоянно находится в пассивном режиме прослушивания несущей BCCH, что позволяет значительно экономить расход батареи. Так же контроль уровня излучаемого сигнала так же позволит значительно уменьшить расход батареи.

 Переход из активного состояния в пассивное происходит в случае принятия флага об успешной передаче текущего сообщения. Переход из пассивного состояние в активное происходит по команде МК с таким расчётом, что Т должен передавать данные каждые 5 секунд.

 Измерение уровня сигнала производится при приёме BCCH от ТД и принимается решение

Также предусмотрено энергосбережение ТД, которое рассмотрено в предыдущем сообщении.

На основе вышеизложенного можно выделить следующие режимы работы терминала:

- режим прослушивания несущей BCCH;

- пассивный режим энергосбережения Idle

- передача данных в режиме конкурентной борьбы;

- приём служебных сообщений.

 

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.

Физическими каналами в системе являются временные слоты, то есть многостанционный доступ будет основываться на методе TDMA. Данный выбор обуславливается малым трафиком, передающимся в системе, большим количеством активных терминалов, которые одновременно передают данные, находясь в зоне действия ТД.

В составе мультикадра, для распространения между Т и ТД, отведен фрейм BCCH. Перед началом работы в сети каждый терминал прослушивает BCCH, с целью обеспечения синхронизации временных шкал с ТД. После фрейма BCCH предусматривается фрейм для передачи трафика и принятие запросов от ТД служебных сообщений.

При конкурентной борьбе терминал случайным образом захватывает 1 из 10 временных интервалов канала трафика - TCH. Таким образом, в сети одновременно  могут зарегистрироваться  несколько терминалов. Коллизии возникают на этапе занятия подканалов трафика.

В условиях нашей системы, когда по каналу TCH передаются короткие сообщения (несколько десятков бит), целесообразнее всего использовать метод ALOHA. Если несколько Т одновременно запрашивают разрешение на передачу данных в произвольное время, то неизбежно возникают коллизии. Так как в нашей радиосети сравнительно большое количество участников (до 100) для уменьшения коллизий применим слотирование канала TCH и применим протокол  множественного доступа S-Aloha. Терминалы, проигравшие в борьбе за подканал и не получившие ответа о приёме, через некоторое времени опять передают данные в режиме конкурентного доступа.

Метод S-Aloha позволит уменьшить коллизии, по сравнению с обычным Aloha и будет реализован следующим образом: канал трафика (TCH), по которому Т отправляют запрос на передачу данных делится на 10  равных по длительности временных интервалов (подканалы).  Начало пакета, отправленного терминалом с запросом на передачу данных должно совпадать с началом одного из временных интервалов(рис. 3). Теперь коллизия может возникнуть в том случае, когда терминалы отправляют сообщения в одни и те же временные интервалы.  В случае возникновения коллизии Т ждёт ещё 4 цикла(кадра) сообщений и если в них не ответа о статусе приёма, то снова отправляет данные в случайно выбранный слот времени. ТД, в случае успешного приема запроса на передачу от Т, отвечает сообщением, в котором содержится ответ о результате приёма: принято верно/принято с ошибкой.

Рисунок  2 – анализ возможных коллизий в алгоритме S-Aloha

 

Пояснение способа двустороннего обмена сообщениями по радиоинтерфейсу

 

Рассмотрим, как расходуется канальный ресурс в рамках одного временного кадра (рис.3). Временной отрезок кадра разделён на 110 временных интервалов. Первые 10 занимает BCCH сигнал, следующие 100 временных интервалов занимает канал TCH, который разделен на 10 подканалов, каждый из которых содержит по 10 временных интервала.

Дуплексная связь будет образована путем выделения в общих слотах части на приём и передачу:

-в слоте каналов трафика 7 временных интервалов будут использоваться для передачи данных от Т, а 3 временных интервала – для приёма флага состояния принятого сообщения от ТД. В этих двух временных интервалах будет содержаться адрес терминала, которому предназначается сообщение и, собственно, флаг, который говорит о том совпала или нет контрольная сумма на ТД.

Рисунок 3 – канальный ресурс, в рамках одного кадра.

 

Такая структура кадра обусловлена наличием небольшого трафика в сети и большого количества возможных абонентов.

 

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

При функционировании данной радиосети могут возникать явления, снижающие качество передачи данных по радиоканалу. К таким явлениям можно отнести многолучевой приём, интермодуляционные помехи, использование смежных частот (так как сеть работает в общедоступном диапазоне частот) и прочие.  Эти явления могут искажать передаваемую по радиоканалу информацию, поэтому для достоверной передачи возникает необходимость в средствах контроля качества радиоканала, которые позволят оценить качество передаваемой информации и принять меры для его повышения.

     Радиоизмерения как терминалом производятся в момент приёма сообщений широковещательной несущей. На уровень принятия решений поступают результаты проведения радиоизмерений (рис. 4). На этом уровне определяется необходимость отправлять сообщения. В случае, если такая необходимость существует, формируется сообщение, которое поступает на канальный уровень как сообщение трафика и отправляется в радиоканал.

Рисунок 4 – радиоизмерения канала связи

 

На рисунке представлен процесс обмена информацией внутри отдельного терминала. Терминал, принявший сигнал BCCH, определяет уровень мощности, с которым сигнал был передан точкой доступа. Измерения проводятся на физическом уровне, и полученные данные пересылаются на L3, где сравниваются с пороговым значением. Информация, полученная со службы L1, предоставляет возможность сравнить заявленную мощность с полученной. На основании этого формируются данные о наличии/отсутствии препятствий, на пути прохождения радиосигнала. На L3 уровне принимается решение повысить или понизить уровень мощности передачи терминала.  После чего, сетевой уровень отправляет на L1 информацию о мощности сигнала, требуемой для качественной передачи.    

Радиоизмерения позволяют менять мощность передатчика терминала от 10 мВт до 150 мВт, как требуется в задании, тем самым значительно продлевая время действия батареи питания терминала.

Построение сценария установления соединения и доставка сообщений верхнего уровня. Пояснение

диаграммы состояний сетевого узла, отражающей основные элементы разрабатываемого сценария.

Построим диаграмму состояния работы терминала (рис.5).

Рисунок 5 – диаграмма состояния работы терминала

 

ТД непрерывно излучает широковещательную информацию о себе - BCCH, которая предназначается всем Т и содержит ID ТД и ID сети. Если несущая не была найдена или её уровень слишком низкий, то Т переходит в пассивное состояние.  По ID сети терминал определяет, требуется ли передача данных точке доступа, в зону действия которой он попал. Идентификаторы всех ТД, необходимых для прохождения спортсменом,  хранятся в информационной подсистеме Т в журнале ID ТД. При совпадении ID сети у терминала с принятым и уровнем сигнала BCCH больше порогового, Т  начинает передавать данные, которые содержат в себе информацию о состоянии здоровья  спортсмена  точке доступа по одному из 10 подканалов трафика случайным образом. Если произошла коллизия и подтверждение на Т на доступ к подканалу не пришло, он выжидает ещё 4 временных кадра и снова отправляет запрос на подканал.

При получении данных ТД осуществляет проверку их целостности. Она отправляет на терминал флаг о правильном или не верном принятии сообщения в канале TCH, сравнивая его с контрольной суммой. Ели данные приняты без ошибок, то ТД фиксирует время их поступления, которое сохраняет в памяти данных ИС ТД. Далее Т в журнале ID TД  своей ИС отмечает ту ТД, которую он посетил, для того чтобы вычислить оставшиеся и пройденные ТД. Сохранение этих данных исключает постоянную передачу данных точке доступа, при возникновении аварийных ситуаций, так как Т не может передавать данные более 20 раз одной ТД. Далее Т переходит в пассивный режим.

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.

В нашей системе предусмотрено несколько задач, выполняемый на КУ терминала: расшифровка информации от BCCH, формирование сообщений трафика, расшифровка служебных сообщений. Типы и назначение каналов которые используются на канальном уровне сведём в таблицу 1.

Таблица 1. Виды канального ресурса и их назначение.

Наименование канала связи

Назначение канала связи

Тип логического канала

downlink/uplink

BCCH

Передача широковещательной несущей от ТД к терминалам, которая содержит информацию об уникальных ID сети и ID ТД, метки временной синхронизации. Служит для передачи служебной информации всем пользователям, находящимся в зоне действия ТД и служит для корректной работы системы в целом.

TCH

Транспортный канал выделяется для передачи данных от Т к ТД, а также для передачи служебной информации терминалам.

↓↑

Во избежание потерь и искажений передаваемых пакетов требуется использовать элемент, позволяющий делать оценку достоверности принимаемой информации. В качестве него будет использоваться циклический избыточный код CRC-8, который на основе расчёта контрольных сумм позволит судить о целостности принятого сообщения. Данный код является практическим приложением помехоустойчивого кодирования, основанный на определённых математических свойствах циклического кода. ПО ТД знает алгоритм по которому на Т по определённой схеме была вычислена контрольная сумма на основе передаваемого сообщения и проверяет корректность принятых данных.

Потребность в механизме автоматических запросов на повторную передачу – ARQ в нашей радиосети неявная. Но, так как вероятность принять сообщение с ошибками присутствует (причины: многолучевость, доплеровский сдвиг, ошибки в синхронизации, помехи и т.д.), добавим в служебном сообщении от ТД к Т поле с флагом о достоверном или нет принятии сообщения. Флаги о состоянии приёма сообщения подтверждения терминал будет ожидать в слоте канала TCH, предназначенного для принятия служебных сообщений от ТД. Сравнение контрольной суммы будет производиться на L3 уровне. Сообщение о достоверности сообщения будет сформировано на сетевом уровне ТД и отправлено в составе служебного сообщения.

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.

Для наилучшего понимания процессов обработки сообщений канального уровня, рассмотрим прием служебных сообщений, так как в случае рассмотрения сообщения трафика 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 TCH конкретному терминалу). 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.

Сразу оговоримся, что в некоторые поля будет внесена избыточность битов для корректного функционирования радиосети и верного распознавания полей и слотов сообщений.

Структура широковещательного сообщения представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 - структура широковещательного сообщения

 

Поля сообщения ШВИ терминал будет воспринимать как:


o   ID сети – 8 бит – расшифровывая и сравнивая со значением в своей информационной системе Т понимает, что находится именно в той сети, в которой будет вещать.


o   ID ТД – 8 бит – данное поле необходимо МК терминала чтобы рассчитать пройденное и оставшееся количество ТД и передать данные на ЖК экран терминала. Так же для того чтобы знать, что в зоне действия данной ТД он не может передать сообщения трафика более 20 раз


o   Поле Data – 28 бит – сообщение от L3 уровня, которое необходимо для корректной работы сети. В нём будут содержаться:


¨     флаг доступности сети – 2 бита. Если сеть работает корректно, то сообщение будет содержать 11, если сеть слишком загружена то 00, и терминалы будут ждать следующего кадра BCCH, чтобы начать передачу.


¨     26 бит – информация о количестве участников прошедших данную ТД и тех, кто её не прошёл;


o   Поле CRC-8 – 8 бит – содержит результат расчёта контрольной суммы;


o   Поле тип -2 бита(00)- указывает на тип сообщения.


00-широковещательное сообщение


01-служебное сообщение


11-сообщение трафика


Структура сообщения трафика представлена на рисунке 8.

Рисунок 8 – структура сообщения трафика

 


-В сообщениях трафика данные о пульсе, давлении и скорости будут передаваться в информационном поле сообщения – DATA. Это сообщение формируется на L3 уровне и разбито на 3 равных блока по 16 бит.

-В поле Тип – 2 бита(11) -будет указывать на то, что сообщение содержит трафик.

-Поле End будет указывать на конец сообщения трафика.

Структура сообщения, которую ТД будет рассылать терминалам в ответ на сообщение трафика представлена на рисунке 8.

Рисунок 8 – структура служебного сообщения от ТД.

 

Оговоримся, что сообщения на L3 уровень ТД получает от программного обеспечения сервера обработки информации.

Поле DATA данного сообщения, сформированное на L3 уровне состоит из 8 бит и содержит:

-флаг-4 бита-, в котором ТД сообщает терминалу, совпала ли контрольная сумма или нет, то есть достоверно ли ТД приняла сообщение от Т. Это поле необходимо для того, чтобы Т смог рассчитать количество передаваемых сообщений трафика в зоне действия ТД (1111 – принято верно, в противном случая – произошла коллизия);

-поле «Режим работы» - 4 бит – сообщает терминалу информацию о том, какой режим работы необходимо активировать. Принимая:

1111 – терминал продолжает работать в обычном режиме передачи сообщений трафика.

1110– показатели здоровья подходят к критическому уровню. При этом на экране периодически высвечивается: «Показатели здоровья ухудшаются».

1100 – показатели здоровья на критическом уровне, но тренер участника принял решения продолжать соревнования. На экране появляется: «Показатели критические. Продолжать соревнование».

1000 – показатели здоровья на критическом уровне, тренер принял решение завершить соревнования. Терминал издаёт звонкий сигнал, оповещая участника соревнований о том, что необходимо их закончить. Экран моргает красным светом.

0000  – во время соревнований произошло ЧП и принято решение об их остановке. На экране высвечивается сообщение ЧП, издаётся громкий сигнал оповещения.


Блок схема алгоритма приёма и передачи сообщения представлена на рисунке 9.

Рисунок 9 – блок схема алгоритма приёма/передачи сообщения

 

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

         Вид модуляции, диапазон частот и скорость передачи определим самостоятельно.

         Полосу частот выберем наиболее распространённую для современных устройств со свободной лицензией на канал – 2,4 ГГц.

         Вид модуляции OFDM будет рассмотрен на физическом уровне. Он расширяет спектр в 2 раза.

Исходные данные:

         Кадр повторяется  400 раз за секунду.

20 – длина временного интервала в битах.

(54+(74+26)*10)*2=2 108 бит необходимо, чтобы содержал 1 кадр.

54 бита – BCCH

1000 битов TCH

120 – общее число временных интервалов

100 временных интервалов на трафик

10 ВИ на BCCH

 

C=20*110 = 2 200 бит=2,2  кбит – информационная ёмкость кадра

t=1/400/2 200=1,36 мкс – время передачи одного бита

R=1/1,36 мкс=0,88 Мбит/с скорость передачи на L2 уровне

 

Пропускная способность канала трафика рассчитывается из соотношения доли трафика в информационной емкости кадра:

RTCH=R*((100)/110)=0,8 Мбит/с - общая

RTCH=R*((70)/110)=0,56 Мбит/с – на передачу

RTCH=R*((30)/110)=0,24 Мбит/с – на приём

 

Пропускная способность широковещательного канала управления:

RBCCH=R*(4/120)=80 кбит/с

 

         В наилучшем случае если коллизии отсутствуют, за 1 кадр смогут передать свои данные 10 терминалов (это 10% от максимального числа пользователей, таким образом, за 10 кадров должны передать данные все терминалы, это 2108*2=4 216 бит). В реальной системе коллизии неизбежны. Метод слотированной Aloha предполагает использования пропускной способности канала связи лишь на 36,79% [4]. Тогда эффективная скорость передачи рассчитаем как:

0,3679 * 0,88 Мбит/с= 323,75 кбит/с

Исходя и этих данных, можем рассчитать максимально количество времени, которое понадобиться нашей радиосети, чтобы обслужить максимальное число абонентов:

4216 бит/323750 бит/с = 13 мс

Пропускная способность L2 уровня = 0,88 Мбит/с. С учётом помехоустойчивого кодирования и синхронизации добавим 30% к рассчитанной пропускной способности, откуда получим 1,144 Мбит/с – пропускная способность физического уровня. Более подробные расчёты для физического уровня будут представлены в последующих сообщениях.

 

 

Список используемой литературы:

1.     http://omoled.ru/publications/view/836

2.     http://omoled.ru/publications/view/849

3.     http://omoled.ru/publications/view/845

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