Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Сети радиодоступа. Ч.1. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 12 / 142 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 > Следующая >>>

отраслевыми институтами.

1.3 Модель взаимодействия открытых систем

Для oрганизации взаимодействия между сетевыми устройствами

организацией ISO была разработана модель взаимодействия открытых систем

OSI (OSI – open system interconnection) [22].

В эталонной модели OSI вводятся два понятия: протокол и интерфейс. Протокол – это набор правил, на основе которых взаимодействуют уровни различных открытых систем.

Интерфейс – это совокупность средств и методов взаимодействия между элементами открытой системы.

Протокол определяет правила взаимодействия модулей одного уровня в

разных узлах, а интерфейс – модулей соседних уровней в одном узле.

Эталонной модели OSI основана на уровневых протоколах, что позволяет

обеспечить (рисунок 1.1):

- логическую декомпозицию сложной сети на обозримые части – уровни;

- стандартные интерфейсы между сетевыми функциями;

- симметрию в отношении функций, реализуемых в каждом узле сети

(аналогичность функций одного уровня каждом узле сети);

- общий язык для взаимопонимания разработчиков различных частей

сети.

Функции любого узла разбиваются на уровни, для конечных систем их

семь. Внутри каждого узла взаимодействие между уровнями идет по вертикали.

Взаимодействие между двумя узлами логически происходит по горизонтали – между соответствующими уровнями. Реально же из-за отсутствия

непосредственных горизонтальных связей производится спуск до нижнего уровня в источнике, связь через физическую среду и подъем до соответствующего уровня в приемнике информации. Каждый уровень обеспечивает свой набор сервисных функций (сервисов), прикладная ценность

которых возрастает с повышением уровня.

Уровень, с которого посылается запрос, и симметричный ему уровень в отвечающей системе формируют свои блоки данных. Данные снабжаются служебной информацией данного уровня и спускаются на уровень ниже, пользуясь сервисами соответствующего уровня, на этом уровне к полученной информации также присоединяется служебная информация, и так происходит

спуск до самого нижнего уровня, сопровождаемый добавленными заголовками.

Уровень 7

(прикладной)

Сетевой элемент (узел)

интерфейс

Уровень 7

(прикладной)

Сетевой элемент (узел)

интерфейс

Протокол 7 уровня

Уровень 6

(представительский)

интерфейс

Уровень 6

(представительский)

интерфейс

Протокол 6 уровня

7 6

Уровень 5

(сеансовый)

интерфейс

Уровень 5

(сеансовый)

интерфейс

Протокол 5 уровня

Уровень 4

(транспортный)

интерфейс

Уровень 4

(транспортный)

интерфейс

Протокол 4 уровня

7 6

6 5

5 4

Уровень 3

(сетевой)

интерфейс

Уровень 3

(сетевой)

интерфейс

7 6

Уровень 2

(канальный)

интерфейс

Уровень 2

(канальный)

интерфейс

Протокол 2 уровня

Уровень 1

(физический)

Уровень 1

(физический)

Протокол 1 уровня

7 6

6 5

5 4

(Сегменты,

дейтаграммы)

(Сегменты,

дейтаграммы)

(пакеты)

(кадры, пакеты)

Протокол 3 уровня

5 4 3

4 3 2

3 2 1

Рисунок 1.1 – Модель взаимодействия открытых систем

Наконец, по нижнему уровню вся эта конструкция достигает получателя,

где по мере подъема вверх освобождается от служебной информации соответствующего уровня. В итоге сообщение, посланное источником,

достигает соответствующего уровня системы-получателя, независимо от того, как оно его достигло. Служебная информация управляет процессом передачи и

служит для контроля его успешности и достоверности. В случае возникновения проблем может быть сделана попытка их уладить на том уровне, где они обнаружены, если уровень не может решить проблему, он сообщает о ней на

его вышестоящий уровень.

Сервисы по передачи данных могут быть гарантированными и не гарантированными. Гарантированный сервис на вызов ответит сообщением об успешности или неуспешности операции. Негарантированный сервис сообщит только о выполнении операции, а дошли ли данные до получателя, при этом

неизвестно. Контроль достоверности и обработка ошибок может выполняться на разных уровнях и инициировать повтор передачи блока, Как правило, чем

ниже уровень, на котором контролируются ошибки, тем быстрее они обрабатываются.

Стандарты на различные технологии и протоколы распространяются, как правило, на один или несколько смежных уровней. Комплекты протоколов нескольких смежных уровней, пользующихся сервисами друг друга (сверху

вниз), называют протокольными стеками. Пример протокольного стека, широко используемого в современных сетях, – TCP/IP.

1.3.1 Уровни модели OSI

Уровни модели рассмотрим сверху вниз.

7. Прикладной уровень – высший уровень модели. Он обеспечивает

пользовательской прикладной программе доступ к сетевым ресурсам.

Примеры задач уровня:

- Передача файлов;

- Электронная почта;

- Управление сетью.

Примеры протоколов прикладного уровня:

- FTAM (File Transfer, Access and Management) – удаленное

манипулирование файлами.

- FTP (File Transfer Protocol) – пересылка файлов.

- X.400 – передача сообщений и сервис электронной почты.

- CMIP (Common Management Information Protocol) – управление сетью в

стандарте ISO.

- SNMP (Simple Network Management Protocol) – управление сетью не в

стандарте ISO.

- Telnet – эмуляция терминала и удаленная регистрация.

6. Уровень представления данных – обеспечивает преобразование кодов

(например, побайтная перекодировка), форматов файлов, сжатие и распаковку,

шифрование и дешифрование данных. Пример протокола – SSL (Secure Socket Layer), обеспечивающий конфиденциальность передачи данных в cтеке TCP/IP.

5. Сеансовый уровень – обеспечивает инициацию и завершение сеанса –

диалога между устройствами, синхронизацию и последовательность пакетов в сетевом диалоге, надежность соединения до конца сеанса (обработку ошибок,

повторные передачи).

Примеры протоколов сеансового уровня:

- NetBios (Network Basic Input/Output System) – именование узлов,

негарантированная доставка коротких сообщений без установления соединений, установление виртуальных соединений и гарантированная доставка сообщений, общее управление. Протокол распространяется еще и на

6-й, и на 7-й уровни.

- NetBEUI (Network Basic Extended User Interface) – расширение NetBios

фирмой Microsoft.

4. Транспортный уровень – поддерживает два режима установления

связи: установлением соединения и без установления соединения. Каждый из режимов идентифицируется своим протоколом (Protocol).

В стандартах Интернет принято кодирование в шестнадцатеричном коде. Первый режим используется модулем TCP, имеющий код протокола 6 (в

шестнадцатеричном коде – 0x06)

TCP (Transmission Control Protocol) – протокол управления передачей с

гарантией доставки дейтаграмм, он вначале устанавливает виртуальное соединение между двумя абонентами, а потом по этому пути передает их

пакеты. Связь по TCP – дуплексная и без ошибок. По сути дела, протокол TCP

позволяет в стеке TCP/IP совмещать две разные технологии: датаграммную и

виртуального соединения.

Каждый передаваемый пакет снабжается порядковым номером и должен быть подтвержден приемной стороной о его правильном приеме. На этом уровне определяются пути передачи, которые для соседних пакетов могут быть и разными. На приемной стороне пакеты собираются и в должной

последовательности передаются на сеансовый уровень.

Второй режим используется модулем UDP без гарантии доставки информации получателю (гарантия доставки обеспечивается приложением).

Протокол UDP имеет код 17 (в шестнадцатеричном коде – 0x11).

3. Сетевой уровень – обеспечивает перемещение информации в виде

пакетов между сетями (интерфейсами канального уровня), используя сетевой адрес. Семейство протоколов третьего уровня нижележащими уровнями

идентифицируется типом протокола (ICMP – типом 0x0001, IP – типом 0x800, ARP – типом 0x0806). Связка «номер порта – сетевой адрес» называется сокетом. Пара сокетов – на передаче и приеме однозначно определяет установленное соединение.

Адрес назначения каждого пакета, попавшего в модуль IP, анализируется, чтобы понять, куда его следует дальше направить: в собственное приложение

или переместить на другой интерфейс для дальнейшей транспортировки по сети.

Уровень отвечает за адресацию (трансляцию физических и сетевых адресов, обеспечение межсетевого взаимодействия);

Примеры протоколов сетевого уровня:

- ARP (Address Resolution Protocol) – взаимное преобразование

аппаратных и сетевых адресов.

- IP (Internet Protocol) – межсетевой протокол. Обеспечивает доставку пакетов в IP-сети в соответствии с адресом назначения, протокол доставки дейтаграмм, основа стека TCP/IP. При этом условия гарантии доставки пакетов в IP не заложены. IP – это протокол негарантированной

доставки пакетов. Сам пакет прокладывает себе путь через цепочку маршрутизаторов, выбирая для данного момента самый благоприятный

маршрут.

- ICMP (Internet Control Message Protocol). Протокол межсетевых

управляющих сообщений. Является составной частью IP модуля и служит для извещения друг друга об ошибочных ситуациях при транспортировке пакетов

по сети. Протокол осуществляет:

- поиск пути от источника к получателю или между двумя промежуточными устройствами;

- установление и обслуживание логической связи между узлами для установления связи как ориентированной, так и не ориентированной на соединение;

- форматирование данных в соответствии с коммуникационной технологией (локальные сети, глобальные сети);

- идентификацию абонентов, проверку на легальность, приоритеты;

- передача управления при перемещении абонентов;

- взаимодействие с другими сетями.

2. Канальный уровень – называемый также уровнем звена данных.

Обеспечивает формирование фреймов – кадров, передаваемых через

физический уровень, контроль ошибок и управление потоком данных. Уровень

скрывает от вышестоящих подробности технической реализации сети.

Уровень осуществляет:

- контроль ресурсов каналов связи;

- установление процедуры передачи и приема;

- разрешение конфликтов доступа к среде;

- контроль состояния канала связи;

- формирование команд управления аппаратурой.

При взаимодействии с канальным уровнем другого узла осуществляет:

- кодирование – декодирование информации для обеспечения помехоустойчивости канала связи;

- интерливинг – деинтерливинг символов сообщений для исключения

влияния быстрых флуктуаций сигнала в канале (замирания сигнала,

импульсные помехи);

- контроль качества передачи сообщений, формирование требований на повторную передачу;

- выбор скорости передачи сообщений.

IEEE в сетевой модели IEEE 802 ввел дополнительное деление

канального уровня на два подуровня.

Подуровень LLC (Logical Link Control – управление логической связью)

является стандартным (IEEE 802.2) интерфейсом с сетевым уровнем,

независимым от сетевых технологий.

Подуровень МАС (Media Access Control) – управление доступом к среде –

осуществляет доступ к уровню физического кодирования и передачи сигналов.

Применительно к технологии Ethernet МАС – уровень передатчика укладывает

данные, пришедшие с LLC, в кадры, пригодные для передачи. Далее,

дожидаясь освобождения канала, он передает кадр на физический уровень и

следит за результатом работы физического уровня. На приемной стороне МАС

– уровень принимает кадр, проверяет его на отсутствие ошибок и, освободив его от служебной информации своего уровня, передает на LLC.

На канальном уровне осуществляется коммутация пакетов в локальной

сети. Существует много технологий канальных уровней – Ethernet, Token Ring, FDDI и другие.

Каждая из технологий рассчитана на определенную топологию: Ethernet –

на подключение всех узлов к общей шине, а Token Ring и FDDI имеют

кольцевую топологию.

1. Физический уровень – обеспечивает физическое кодирование бит кадра

в электрические (оптические) сигналы и передачу их по линиям связи.

Осуществляет:

- преобразование пользовательской информации из программного (цифрового) представления в физическое (цифровой сигнал);

- модуляцию сигнала и его передача через среду;

- прием и демодуляцию физического сигнала;

- восстановление сообщения из демодулированного сигнала.

Интерфейс с канальным уровнем осуществляет:

- уплотнение данных в соответствии с методом уплотнения;

- уплотнение каналов в среде передачи сигнала;

- извлечение данных для передачи на канальный уровень;

- формирование сообщений на канальный уровень о состоянии канала (занятость, уровень помех в канале связи, состояние аппаратуры и т.д.);

- прием данных от канального уровня на установку параметров или

режимов работы аппаратуры.

В настоящее время, несмотря на несомненную полезность модели OSI, не

существует ни одной телекоммуникационной системы, структурированной в

соответствии со всеми семью уровнями этой модели.

1.4 Методы доступа к среде передачи в сетях радиодоступа

Одна из основных проблем построения беспроводных систем – это

решение задачи доступа многих пользователей к ограниченному ресурсу среды

передачи [1, 22]. Существует несколько базовых методов множественного доступа (MA – multiple access), основанных на разделении между станциями

таких параметров, как пространство, время, частота и код. Задача

множественного доступа – выделить каждому каналу связи пространство,

время, частоту и/или код с минимумом взаимных помех и максимальным

использованием характеристик передающей среды [1, 2, 5, 6, 11].

Всего известно шесть возможных вариантов множественного доступа или

разделения каналов пользователей:

1. Множественный доступ с частотным разделением каналов (Frequency

Division Multiple Access – FDMA). Распределяются определенные поддиапазоны используемой полосы частот.

2. Множественный доступ с временным разделением каналов (Time Division

Multiple Access – TDMA). Пользователям выделяются периодические

временные интервалы, т.е. ограниченное время для связи, иногда время доступа

пользователей к ресурсу определяется динамически.

3. Множественный доступ с мультиплексированием ортогонально частотно

разделенных каналов (OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access). При использовании OFDMA центральное устройство в сети назначает набор поднесущих каждому устройству.

4. Множественный доступ с кодовым разделением каналов (Code Division

Multiple Access – CDMA). Выделяются определенные элементы набора

ортогонально (либо почти ортогонально) распределенных спектральных кодов,

каждый из которых использует весь используемый диапазон частот.

5. Множественный доступ с пространственным разделением каналов (Space

Division Multiple Access – SDMA), или многолучевое многократное

использование частоты. С помощью антенн с узкой диаграммой направленности радиосигналы разделяются и направляются в разные стороны

от базовой станции.

6. Множественный доступ с поляризационным разделением каналов

(Polarization Division Multiple Access – PDMA), или двойное поляризационное

многократное использование частоты. Для разделения сигналов применяется ортогональная поляризация, что позволяет использовать один частотный

диапазон.

При использовании всех перечисленных способов множественного доступа необходимо обеспечить допустимый уровень интерференционных (взаимных) помех между передаваемыми сигналами. Интерференционные (взаимные) помехи между множеством используемых сигналов допустимы до тех пор, пока сигналы одного канала незначительно увеличивают вероятность

появления ошибок в другом канале. Избежать взаимных помех между

передаваемыми сигналами позволяет использование в разных каналах

ортогональных (разделимых) сигналов.

Далее проанализируем все варианты множественного доступа.

1.4.1 Множественный доступ с частотным разделением

Множественный доступ с частотным разделением, или множественный доступ с разделением каналов связи по частоте (FDMA), – наиболее простой из

всех методов множественного доступа как по своей идее, так и по возможности

реализации.

Распределение ресурса системы связи для данного метода

многостанционного доступа в виде частотно-временной зависимости приведено на рисунке 1.2.

Из рисунка 1.1 следует, что в системе связи может одновременно

использоваться несколько каналов, разнесенных по частоте. Первый частотный

канал использует полосу частот между

, второй – между

и т.д.

10k

f f f = −

(1.6)

Области частот, находящиеся между используемыми частотными каналами

f

, называют защитными полосами частот

f

. Защитные полосы

обеспечивают снижение интерференционных помех между соседними по

частоте каналами, т.е. они обеспечивают ортогональность (разделимость) сигналов, разнесенных по частоте (1.2).

Полоса частот 1

Полоса частот 2

Полоса частот 3

Полоса частот 4

Защитная полоса

Δf

Рисунок 1.2 – Метод FDMA в координатах время-частота

При реализации множественного метода доступа с частотным

разделением каналов (FDMA) возможно использование как частотного разделения дуплекса (FDD – Frequency Division Duplex), так и временного разделения дуплекса (TDD – Time Division Duplex). При этом полное

обозначение множественного доступа с учетом разделения дуплекса выглядит

следующим образом: FDMA/FDD; FDMA/TDD.

1.4.2 Множественный доступ с временным разделением каналов

TDMA предполагает разделение канала на временные канальные интервалы КИ

(или временные слоты – TS

). Каждый временной интервал используется для передачи информации определенному устройству, при этом количество переданной информации одному устройству пропорционально

количеству выделенных временных интервалов.

Множественный доступ с временным разделением каналов TDMA , или множественный доступ с разделением каналов связи по времени, также достаточно прост по идее, но значительно сложнее в реализации, чем FDMA. Суть метода TDMA заключается в том, что каждый частотный канал

f

разделяется на кадры

, которые в свою очередь делятся на временные слоты

, по очереди предоставляемые пользователям. Это соответствует

возможности реализации нескольких физических каналов в одном частотном. При этом каждому из пользователей на время

предоставляется весь спектр

канала

f

. Для обеспечения ортогональности (разделимости) каналов (1.1),

занимающих соседние тайм слоты

k k k

TS TS TS

−+

, вводятся защитные

временные интервалы

t

, которые уменьшают взаимные

(интерференционные) помехи между каналами (рисунок 1.3).

TS...

Защитный интервал

ΔT

Δf

Δf...

Δf

Рисунок 1.3 – Множественный доступ TDMA

В данной схеме каналы распределяются по времени, т.е. каждый

передатчик транслирует сигнал на одной и той же частоте, но в различные

промежутки времени (как правило, циклически повторяющиеся) при строгой

синхронизации процесса передачи.

Подобная схема достаточно удобна, так как временные интервалы могут

динамично перераспределяться между устройствами сети. Устройствам с

большим трафиком назначаются более длительные интервалы, чем устройствам

с меньшим объемом трафика.

Однако метод временного уплотнения не может использоваться в чисто

аналоговых сетях – даже если исходные данные аналоговые (например, речь),

он требует их оцифровки и разбиения на пакеты. Скорость передачи отдельного

пакета, как правило, существенно превосходит скорость передачи исходных

оцифрованных данных. Характерный пример применения временного уплот-

<<< < Предыдущая 12 / 142 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]