Сети и системы связи с подвижными объектами
Бакке А.В.
Содержание
1. Понятие сети связи. Сети «Ad Hoc», принципы маршрутизации в сетях «Ad Hoc», проблемы безопасности в сетях «Ad Hoc». Особенности систем подвижной радиосвязи. Базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем (OSI) 4
2. Классификация систем и сетей подвижной радиосвязи. Базовые понятия систем подвижной радиосвязи. Диапазоны частот, используемые в системах подвижной радиосвязи. Системы спутниковой связи и навигация. 12
3. Краткий обзор систем подвижной радиосвязи 18
4. Основы энергетического расчета систем подвижной радиосвязи. Понятие и классификация замираний. Числовые характеристики многолучевых каналов связи. Меры борьбы с замираниями. 28
5. Методы оценки потерь при распространении радиоволн. Эмпирические формулы Окамуры. Тепловые шумы и интерференционные помехи. 36
6.Принципы территориального планирования системы подвижной радиосвязи: определение зоны уверенного приема, телефонный трафик, общие проблемы проектирования сети. 43
7. Классификация каналов связи в СПР. Алгоритмы многостанционного доступа. Проблемы возникновения коллизий в СПР, алгоритмы предотвращения коллизий, протоколы Aloha 49
8. Модуляция цифровых сигналов. Методы полосовой модуляции. Модуляция OFDM. 58
9. Методы автоматического определения местоположения подвижных объектов. Принципы организации и функционирования спутниковых навигационных систем (СНС). Основные характеристики СНС NAVSTAR и ГЛОНАСС. Дифференциальные подсистемы навигации. 72
10. Система сотовой связи стандарта NMT-450 (NMT-900). Услуги, предоставляемые системой, частотные планы стандарта. Структурные схемы базовой станции и центра коммутации 86
11. Организация физических и логических каналов связи стандарта NMT. Организация соединения в системе стандарта NMT, основные режимы работы системы 90
12. Федеральная система сотовой связи стандарта GSM. Услуги, предоставляемые системой, частотные планы стандарта. Особенности системы стандарта GSM, основные характеристики системы 97
13. Структурная схема организации сети связи стандарта GSM. Регистры стандарта GSM. Домены подсистемы коммутации, методы скоростной передачи данных в GSM. Методы определения местоположения подвижных станций в GSM. 103
14. Организация логических и физических каналов стандарта GSM. Структура радиоинтерфейса, виды пакетов физического уровня. Модели OSI системы стандарта GSM. Кодирование речевого трафика в системе стандарта GSM 115
15. Беспроводные локальные вычислительные сети WLAN. Типы сетей WLAN, проблема скрытой станции. Спецификация IEEE 802.11 (b,g) для сетей WLAN, физический уровень. Подуровень MAC спецификации IEEE 802.11 129
16. Основные характеристики спецификации IEEE 802.11a для сетей WLAN, организация физического уровня системы стандарта IEEE 802.11a. 142
17. Беспроводные пикосети стандарта IEEE 802.15.1 (Bluetooth). Стек протоколов стандарта IEEE 802.15.1 и основные профили Bluetooth. Архитектура системы стандарта Bluetooth 155
18. Организация физического уровня системы стандарта Bluetooth. Основные характеристики системы. Последовательности смены частот, виды и структура пакетов физического уровня стандарта Bluetooth. Принцип инкапсуляции данных логических каналов. Защита от ошибок на физическом уровне 167
19. Принципы функционирования системы стандарта Bluetooth. Физические каналы связи, логические соединения и транспортные каналы системы Bluetooth. Иерархия транспортных потоков стандарта Bluetooth. Принцип установления логических соединений Bluetooth. 176
1. Понятие сети связи. Сети «Ad Hoc», принципы маршрутизации в сетях «Ad Hoc», проблемы безопасности в сетях «Ad Hoc». Особенности систем подвижной радиосвязи. Базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем (OSI)
Беспроводные «Ad Hoc» сети — децентрализованные беспроводные
сети, не имеющие постоянной структуры. Каждый терминал пытается пересылать данные по маршруту, который создается динамически на основе анализа текущей топологии сети, в противоположность точкам доступа в структурированных сетях, которые выполняют задачу управления потоками данных.
Сеть «Ad Hoc» - это исключительно объект сетевого уровня модели OSI, который находится на вершине сетевой платформы. Вся функциональность этого объекта в соответствии с концепцией OSI основывается на нижних уровнях модели – канальном и физическом, причем особенности функционирования оборудования этих слоев скрыты от процессов сетевого уровня. В качестве основы объекта сетевого уровня могут выступать технологии спецификаций 802.11 (WiFi) и 802.15.1 (Bluetooth), в полном объеме реализующие компоненты физического и канального уровней модели OSI (рис. 2).
2.1. Общие сведения о технологии организации сетей «Ad Hoc»
Сети «Ad Hoc» (AH) среди оборудования сетей радиодоступа занимают особое место, так как призваны решать задачу связи в системах с переменной топологией или с изменяющимся расположением абонентов.
Сети AH - это совокупность беспроводных мобильных узлов связи, образующих динамическую автономную сеть на основе полностью мобильной инфраструктуры. Такие сети называются динамическими сетями произвольной структуры. Узлы в таких сетях взаимодействуют друг с другом без вмешательства централизованных точек доступа, поэтому каждый узел сети должен выполнять функции маршрутизатора и пользо вательского терминала.
Маршрутизатор (router) - устройство, выполняющее функции изоляции трафика подсетей, определения пунктов назначения пакетов в сети и маршрутов их передачи в пределах сети. К числу устройств, выполняющих функцию локализации трафика, как задачу логической структуризации сети, относятся также коммутаторы (Switch), мосты (Bridge), шлюзы (Gateway).
В сетях AH допустимо наличие несколько путей прохождения сигнала через ближайшие АС-ретрансляторы (рис. 3).
В текущей конфигурации сети (рис.3) терминалы АС1 и АС4, помимо функций абонентских станций, выполняют роль опорных точек сети, выполняющих функцию трансляции пакетов от разных терминалов. Терминал АС4 имеет 5 логических соединений с ближайшими терминалами, АС1 – 3 таких соединения. С точки зрения маршрутизации такое соеди нение ассоциируется с неким портом, к которому подключено только одно сетевое устройство с определенным уникальным идентификатором.
В данном случае под подключением подразумевается установление логического соединения на основе действующего протокола сетевого уровня.
Каждая точка сети владеет списком доступных портов, что позволяет проложить любой маршрут передачи пакета от одного терминала к любому другому. На основе списка доступных портов строится таблица маршрутизации данного сетевого узла.
Таким образом, становятся очевидными функции АС1 и АС4 как узлов-ретрансляторов – из принимаемого по какому-либо порту пакета им необходимо выделить адрес точки назначения (для АС4 это может быть адрес любого терминала сети, для АС1 – адрес АС2…АС4), определить порт, к которому подключен терминал с этим адресом, и передать принятый ранее пакет в этот порт. В случае когда извлеченный из принятого пакета адрес отсутствует в таблице маршрутизации, узел может принять решение о трансляции этого пакета по всем доступным портам – в виде широковещательной рассылки. Конкретная реакция узла на какое-либо событие в общем случае должна регламентироваться алгоритмом маршрутизации. Используемые в AH сетях алгоритмы маршрутизации должны обеспечивать возможность прокладки маршрута через десятки узлов в условиях непрерывной мобильности последних. Это сложно реализуемая и нетривиальная задача, тем более, что немаловажное значение в таких сетях приобретают вопросы обеспечения безопасности.
Управление АН сетью выполняется на разных уровнях открытой модели систем (OSI):
- на физическом уровне осуществляется адаптация к изменениям доступного канала радиосвязи и к смене самого радиоканала;
- на уровне управления доступом к среде (MAC – составная часть канального уровня модели OSI) должна минимизироваться частота возникновения коллизий; за это отвечают функции подуровня CAC – Channel Access Control. На MAC-уровне устанавливаются дуплексные или симплексные MAC-соединения, которые используются в качестве каналов связи на сетевом уровне;
- на сетевом уровне на основе протокола маршрутизации должен определяться наиболее выгодный из доступных канал связи (MAC-соединение), а также осуществляться автоконфигурация сети в соответствии с текущей обстановкой;
- на транспортном уровне должна быть реализована возможность ведения статистики по задержке сигнала и потерянным пакетам.
Приложения, использующие АН сети, должны быть разработаны с учетом частых соединений-разъединений в процессе работы и быть устойчивыми к переменным задержкам и потере пакетов.
Примерами АН сетей могут служить военные радиосети в условиях боя, сеть переносных компьютеров на конференциях, выставках и т.п. Сети АН прошли несколько этапов развития. Первый этап (1972г.) - сети Packet Radio Network (PRNET). Второй этап (1980г.) - Survivable Adaptive Radio Network (SURAN), программа для военных целей по обеспечению связи в системах с отсутствием структуры (топологии).
В сети PRNET использовалась комбинация протоколов стандартов ALOHA и CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection - многостанционный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий) для множественного доступа и улучшенный алгоритм маршрутизации на основе вектора расстояний, в сети SURAN особое внимание уделялось повышению устойчивости сети к радиоэлектронному подавлению.