Курсовая работа

по дисциплине "Системы и сети связи с  подвижными объектами".

Тема: "Локальная радиосеть"

Часть 2. Канальный уровень.

       Выполнила:

       ст. гр. 319 

       Митрохина Дарья                                                                                                                                                                        


    В данном курсовом проекте требуется  разработать систему, предназначенную для объединения в единую радиосеть различных электронных устройств, с целью оперативного обмена данными. Каждый пользователь сети должен получать в реальном масштабе времени информацию о других активных терминалах и иметь возможность обмена сообщениями с каждым из них.

         Требования к системе:

       - возможность организации конфиденциальной группы пользователей;

       - максимально возможное энергосбережение терминалов.

    Исходные данные к проекту:

Максимальное количество абонентов в сети: 45

Радиус зоны обслуживания: 100 м

Максимальная скорость передачи данных в обоих направлениях: 4Мбит/с

Тип местности: городская застройка

Вероятность ошибки на бит, не более Pb: 5*10-7

Мощность излучения подвижной станции Ризл : < 0,25 Вт

Рекомендуемая технология передачи: OFDM 

PR: 85%

Диапазон частот, вид модуляции выбирается самостоятельно.

     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 и 1.2). Выделение активного и пассивного состояний терминала, характеристика задач, выполняемых терминалом в этих состояниях. Анализ возможных решений по обеспечению энергосбережения.


Возможные режимы работы терминала:

       

                                        Режим регистрации

  ТД по широковещательному каналу передает информацию об организованной ей сети. Терминалы после включения выполняют поиск доступных сетей, отслеживая  информацию, передаваемую точкой доступа.  Обнаружив доступную сеть, терминал должен пройти процедуру регистрации. Если сеть не найдена то он переходит в спящий режим. ТД передает ID организованной сети. Получив данные сведения, терминал формирует запрос к ТД на подключение к сети, данный запрос содержит в себе ID сети, к которой выполняется подключение. Запрос на регистрацию происходит на основе конкурентной борьбы. ТД проводит сравнение ID терминала с идентификатором, хранящимся в ее информационной системе. Если идентификаторы совпали, то точка доступа должна отправить терминалу сообщение подтверждения регистрации. Если терминал такого сообщения не получает, то он вновь попадает на стадию борьбы за канал. При успешном подключении сведения о подключенном терминале сохраняются в точке доступа, информация о новом терминале в сети передается всем активным терминалам сети. После этого терминал готов к обмену данными с другими терминалами сети.

Рисунок 1- Диаграмма состояний терминала. Режим регистрации.


Активный режим

     Этот режим включает в себя режимы передачи и приема данных.

    ТД хранит информацию об активности терминалов в  виде таблицы активности, также в каждом терминале хранится локальная таблица активности. Обновление таблицы в ТД выполняется при следующих событиях: регистрация терминала в сети, выход терминала из сети, отсутствие отчета о доставке от терминала при передаче ему сообщения.

Передача данных

        Передача данных не требует предоставления непрерывного канала на все время сеанса связи, тем самым предполагается использование единого канала с максимально возможной пропускной способностью. Перед посылкой данных другому участнику сети терминал накапливает пакеты, требуемые к отправке, после чего он приступает к борьбе за канал, посылая запрос, в котором должно быть указано время, требуемое для передачи данных, а так же адрес получателя. Если терминал победил в борьбе за канал, он начинает передачу данных точке доступа, если нет, то переходит в спящий режим до следующей борьбы. После передачи данных терминал ожидает подтверждение от ТД. Получив подтверждение передачи, терминал переходит в спящий режим. При отсутствии подтверждения возвращается к борьбе за канал, чтоб повторно передать данные.


Рисунок 2- Диаграмма состояний терминала. Передача данных


Прием данных

           При прослушивании ВССН терминал получает оповещение от ТД   о том, что для него есть данные. Терминал начинает борьбу за канал, и после победы в ней отправляет точке доступа сообщение о готовности к приему данных. Далее ТД начинает передачу данных. После получения данных терминал передает отчет о доставке ТД и возвращается в спящий режим. Если данные успешно приняты терминалом получателя, то они удаляются из буфера ТД. Если данные не были приняты или приняты с ошибкой, ТД необходимо повторить передачу.  Если у точки доступа есть еще сообщения для терминала, она уведомит его об этом в процессе обмена, и терминал, не дожидаясь сообщения BCCH, вновь приступит к процедуре приема данных от ТД.


Рисунок 3- Диаграмма состояний терминала. Режим Приема данных. 

 Пассивный режим (IDLE)

             При получении отчета о доставке переданного сообщения или после получения сообщения от другого терминала, терминал переходит в пассивный режим (режим энергосбережения), в котором находится большую часть времени. Из этого режима терминал выходит только при передаче или приеме сообщений.

                 Выход терминала из сети осуществляется простым выключением питания. Перед отключением терминал уведомляет точку доступа о своем выходе из сети.

                  Энергосбережение  в системе осуществляется посредством того, что Т большую часть времени находится в пассивном режиме и выходит из него только при приеме или передаче данных. Подробнее об этом будет рассказано в пункте 1.5.2.

         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.

          Физическим каналом в разрабатываемой сети является радиоканал с определенной полосой частот. В качестве способа реализации совместного использования полосы частот выбран алгоритм множественного доступа – многостанционный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий –CSMA/CA. В таком способе, доступ к общей полосе частот узлы связи будут получать по алгоритму описанному ниже.


Рисунок 4 -  Организация доступа к физическому каналу связи

 

На промежутке времени t01 – t1 точка доступа рассылает широковещательное сообщение BCCH, содержащее ее ID, список активных терминалов и список терминалов, для которых у ТД есть сообщение.

Под канал случайного доступа RACH выделен промежуток времени t1 – t2. Данный промежуток поделен на 16 равных интервалов времени (канальных интервалов - КИ). Узел сети, вступающий в борьбу за канал, псевдослучайным образом загадывает число N от 0 до 15 (нулевой интервал может использоваться только точкой доступа). Затем, он отсчитывает N КИ RACH, параллельно прослушивая канал. Если до N-го промежутка времени никто из других участников сети не занял канал, узел в N-ый слот посылает запрос – сигнал содержащий данные о времени, на которое он хочет занять канал и ID адресата сообщения.

Затем по каналу разрешенного доступа AGCH (t2 – t3) точка доступа объявляет победителя в борьбе за канал – узел связи, чью заявку точка доступа приняла первой. А так же, в этом сообщении содержится  информация о времени, на которое победитель занимает канал, кому адресована передача и загаданное победителем число N. Терминал, участвовавший в борьбе за канал, анализирует это сообщение, и если обнаруживает, что победителем объявлен не он, то считает себя проигравшим.Терминалы, проигравшие борьбу и не участвующие в обмене, засыпают на указанное время – это является одним из путей увеличения энергоэффективности терминала. В следующий раз эти терминалы не будут загадывать число, а будут использовать Nзагаданный Nотсчитанный КИ RACH.

Победивший узел занимает канал трафика TCH (t3 – t02) и производит в нем обмен данными. Если терминал передавал сообщение точки доступа, то после получения подтверждения о приеме, он переходит в пассивный режим до следующей передачи или следующего прослушивания BCCH, что так же является одним из путей увеличения энергоэффективности терминала. Если терминал не получил подтверждение, либо обмен производился в направлении ТД – Т (в этом случае в процессе передачи точка доступа может сообщить терминалу о наличии для него других сообщений) терминал снова приступает к борьбе за канал.

На промежутке времени t02 – t11 точка доступа снова рассылает широковещательное сообщение, и описанный алгоритм повторяется.

Коллизия в данном алгоритме может возникнуть вследствие равенства количества канальных интервалов N у конкурирующих терминалов. Для решения этой проблемы предлагается следующие действия:

Если узлы связи загадали одинаковое число N, точка доступа не сможет принять их сообщение в канале RACH, и примет сообщения следующее за ними. Узел, который передал это сообщение, таким образом, окажется победителем. В составе AGCH помимо прочего точка доступа передаст всем терминалам число N, загаданное победителем. Терминалы, сообщения RACH которых подверглись коллизии, определят, что загаданное ими число N меньше числа N терминала-победителя, что свидетельствует о возникновении коллизии. Во избежание коллизии в следующем мультикадре, эти два терминала уменьшают число N не на единицу, а на случайное число от 1 до 3.

 1.5.3. Пояснение способа двустороннего обмена сообщениями по радиоинтерфейсу

Радиоинтерфейс будет организован следующим образом: время работы сети делится на мультикадры. Каждый мультикадр разбивается на некоторое количество кадров. В рамках одного кадра происходит передача широковещательной информации, конкурентная борьба, объявление результатов конкурентной борьбы и передача данных. Соответственно каждый кадр должен быть разделен на временные слоты, в каждом из которых происходит передача сообщений определенных типов.

На рисунке 3 изображен пример диаграммы работы сети, тем самым объяснен способ обмена сообщениями по радиоинтерфейсу. Предположим что у Т1 есть сообщение для Т2 и наоборот. А так же, в памяти ТД хранится сообщение для Т12. Пользовательское устройство при терминале 1 питается от автономного источника и снижение электропотребления для него крайне важно. Поэтому пользователь выбрал профиль, при котором терминал прослушивают каждую 10-ю BCCH. Устройства при 2-ом и 12-ом терминале питаются от сети и потребление электроэнергии не так важно – Т2 и Т12 прослушивает каждую 2-юBCCH.




Рисунок 5- Диаграмма работы сети

Выход из пассивного  режима происходит двумя способами: либо терминал начинает конкурентную борьбу за канал, чтоб начать передавать данные (в данном случае таким способом проснутся Т1 и Т2); либо он, прослушивая ВССН, получает сведения о том, что для него есть сообщения (в данном случае так активизируется Т12) и начинает конкурентную борьбу для того, чтобы получить предназначенное для него сообщение. Т2 выигрывает борьбу, так как он загадал наименьшее число N. Далее в канале AGCH Т2 оповещается ТД о том что он выиграл ,  Т1 и Т12 должны перейти в режим сна до следующего промежутка времени, в котором будет происходить конкурентная борьба. Т2 передает свое сообщение по каналу трафика TCH ТД, ТД отвечает, приняла она сообщение или нет, Т2 переходит в спящий режим . Происходит новая  широковещательная рассылка, и  наступает момент,  когда Т1 и Т12 снова борются за канал. В этот раз выиграл терминал Т12 так как "загаданное" число N оказалось меньше, чем у Т1, в данном случае число загадывается псевдослучайным образом, то есть первый раз оно было загадано случайно, а в этот раз загаданное число уменьшено на определенное число. Это сделано для того чтобы каждый терминал мог получить доступ к каналу при конкурентной борьбе даже тогда когда вступают в борьбу новые терминалы и они случайным образом загадывают число меньше. Далее происходит широковещательная рассылка всем терминалам о том, что Т12 выиграл и всем остальным необходимо перейти в  режим сна. Следом за этим Т12 оповещает ТД о готовности к приему, ТД передает сообщение, Т12 отвечает, что принял сообщение, и переходит в спящий режим. При последующих приемах и передачах сообщений все происходит аналогичным образом. 

     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 множества терминалов, которые находятся в различных условиях с точки зрения помеховой обстановки. В системе необходимо заложить работу двух профилей физического уровня: для подканалов с высоким и низким качеством. Соответственно эти профили будут отличаться видом модуляции сообщений.  Целесообразно для подканалов с плохим качеством использовать модуляцию с малой позиционностью, а для каналов с высоким качеством – модуляцию с высокой позиционностью. Выбор того или иного профиля осуществляет модуль управления на основании результатов работы подсистемы радиоизмерений, расположенной на физическом уровне.


Рисунок 6- Схема проведения радиоизмерений


            В системе планируется использование OFDM-модуляции. В OFDM-символ будут включены пилот сигналы и настроечная последовательность.

Физический уровень передает данные радиоизмерений на сетевой уровень. Сетевой уровень анализирует их и возвращает на физический уровень команды о смене профиля и (или) изменении мощности излучения, что в конечном итоге положительно сказывается на энергопотреблении сети.

Так как радиоизмерения проводятся с приходом каждого пакета физического уровня, то управление профилями происходит достаточно оперативно. По умолчанию можно установить профиль с высокой помехозащищенностью передачи данных. Информация о профиле функционирования Т передается по каналу RACH вместе с запросом на предоставление индивидуального КС. Информация о профиле функционирования ТД, передается по каналу AGCH в пакете оповещения. Прежде чем осуществить передачу данных, терминал и ТД должны настроиться на одинаковый профиль функционирования физического уровня.

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

Режим регистрации


Рисунок 7- Сценарий режима регистрации терминала в сети

1.      Терминал прослушивает радиоканал в поисках BCCH сообщения и при его нахождении принимает его.

2.      Приняв BCCH сообщение, терминал борется за канал для регистрации, включая в сообщение  RACH свой ID.

3.      Если терминал победил в конкурентной борьбе за канал, точка доступа сообщит об этом по каналу AGCH. Все остальные терминалы, участвовавшие в конкурентной борьбе перейдут в пассивный режим.

4.      Терминал передает точке доступа информацию о себе необходимую для проведения аутентификации.

5.      ТД проверяет информацию о терминале  и подтверждает/не подтверждает  регистрацию.

Режим передачи данных


Рисунок 8- Сценарий режима передачи данных терминалом


1.      При необходимости передать сообщение терминал вступает в конкурентную борьбу по каналу RACH;

2.      После проведения борьбы за канал точка доступа объявляет победителя по AGCH и время на которое он занимает канал. Все остальные терминалы, участвующие в борьбе, переходят в пассивный режим на это время (плюс время передачи BCCH, чтобы проснутся к очередному этапу борьбы за канал).

3.      Терминал, получая сообщение AGCH, понимает, что он победил в результате борьбы и приступает к передаче сообщения ТД.

4.      ТД извлекает из принятого сообщения информацию и проверяет правильность приема. Если сообщение принято правильно, записывает его в буфер и формирует подтверждение правильности приема (ARQ-сообщение), которое отправляет терминалу. Если сообщение принято не правильно, или терминал не получил подтверждения, то он попытается повторить передачу сообщения, но уже в следующем кадре.

Режим приема данных


Рисунок 9- Сценарий режима приема данных терминалом

1.      Терминал активизируется, прослушивает BCCH и узнает, есть ли для него сообщения. Если их нет, он засыпает снова.

2.      Если имеются  входящие сообщения для терминала, он вступает в борьбу за ФКС.

3.      После проведения борьбы за канал ТД объявляет победителя посредствам AGCH и время на которое он занимает канал. Все остальные терминалы, участвующие в борьбе, засыпают на это время (плюс время передачи BCCH, что бы проснутся к очередному этапу борьбы за канал).

4.     Получив доступ к каналу, терминал передает ТД сообщение, которым он подтверждает готовность к принятию данных.

5.      ТД начинает передачу данных терминалу.

6.      Если в буфере ТД есть еще сообщения для терминала, она извещает его об этом специальным сообщением после передачи данных.

7.      Терминал анализирует принятые данные и проверяет правильность их приема. Если сообщение принято правильно, он формирует отчет о правильности приема (ARQ-сообщение), который отправляет точке доступа. ТД после получения этого ARQ-сообщения удаляет отправленное сообщение из своего буфера. Если сообщение принято не верно, то оно не удаляется из буфера, терминал вновь  пробует принять его.

      Пассивный режим - характеризуется отсутствием обмена информацией.  В это состояние терминал переходит после получения подтверждения о доставке и находится там до момента передачи или получения сообщения. Терминал в пассивном состоянии может лишь получать широковещательную информацию от точки доступа или информацию о том, что ему необходимо принять сообщение от другого терминала. Для этого терминал переходит из пассивного состояния в активное состояние и готов к приему данных от точки доступа. 

    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(адресное, групповое или широковещательное) передаваемого сообщения

     2.Указание адреса терминала или группы терминалов, если сообщение адресное или групповое.

     3.Обеспечение надежной доставки - проверка достоверности принятого сообщения

     4.Организация доступа к ФКС .

 

Рассмотрим ЛКС, используемые в данной системе на канальном уровне на основе изложенных ранее сценариев:

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

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

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

            TCH (Traffic Channel) – передача данных.

               В пакете каждого логического канала предполагается использование циклического избыточного кодирования – CRC-8 – алгоритма нахождения контрольной суммы. Для этого в пакете канального уровня следует учесть восьми битное поле для передачи контрольной суммы. Во время приема будет рассчитываться контрольная сумма для принятых данных, и сравниваться с полученной контрольной суммой. На основании этого делается вывод о правильности или неправильности приема пакета.

Отправителю предается сообщение, в котором указывается правильно или неправильно был принят пакет, в последнем случае указывается номер неправильно принятого пакета, отправителю следует повторить передачу в следующем кадре. В разрабатываемой сети реализован механизм ARQ-сообщений, в совокупности с использованием CRC-8  это 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 а алгоритмов приема/передачи сообщений.



Рисунок 10- Структуры пакетов канального уровня для разрабатываемой сети


               В состав пакета канального уровня входят следующие поля:

         Поле «FL» служит индикатором начала пакета;

         Поле «Adr1» - содержит адрес передатчика;

         Поле «Adr2» - содержит адрес приемника; 

         Поле «Type» содержит информацию о типе передаваемого пакета;

         Поле «№» передаваемые пакеты нумеруются, чтобы восстановить ошибочную передачу с потерянного пакета, а не со всего сообщения;

         Поле данных «Data» содержит пользовательскую информацию;

         Поле «CRC» служит для определения целостности пакета, в нем хранится контрольная сумма пакета;

         Поле «Tail»  показывает, что пакет закончен.

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 «Type» - указывает на то, что пакет несет широковещательную информацию, а поле «Data» 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 «Data», а поле «Type» в данном случае сигнализирует о том, что с помощью этого пакета ведется борьба за канал.

3.      В момент t2 – t3 ТД отправляет служебное сообщение, содержащее информацию о том, какой узел связи получил доступ к каналу связи, и на какое время . «Type» - указывает на то что пакет несет AGCH-информацию, а «Data» - 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. («Type» - указывает на то, что данное сообщение является пакетом трафика, а «Data» - содержит пользовательскую информацию). 




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

По условию ТЗ максимальная скорость передачи данных в обоих направлениях 4 Мбит/с. Согласно структуре пакета логического уровня для передачи информационного сообщения объем всего пакета составляет 292 бит. Из них на информационную часть приходится 252 бит. Таким образом с учетом этого факта необходимо обеспечить скорость передачи не менее (292/252) *4 = 4,64 Мбит.

Объем пакета для передачи служебного сообщения составляет 106 бит, 82 из них- информационная часть. В этом случае необходимо обеспечить скорость передачи не менее (106/82)*4=5,17 Мбит.

Исходя из расчетов можно сделать вывод, что пропускная способность физического канала должна быть не менее 5,17 Мбит.


Используемая литература:

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

2.    Скляр Б. "Цифровая связь";

3.     Курсовой проект «Локальная радиосеть». Жуков А.Ю.;

4.      Курсовой проект «Локальная радиосеть». Савко Виктор.;

5.   http://omoled.ru/publications/view/831