СПОСОБ СИНХРОНИЗАЦИИ В МНОГОУРОВНЕВОЙ СЕТИ СВЯЗИ, СЕТЬ СВЯЗИ И УЗЕЛ СЕТИ
METHOD FOR SYNCHRONISING IN MULTI-LEVEL COMMUNICATION NETWORK, COMMUNICATION NETWORK AND NETWORK NODE

Изобретение относится к области связи и может найти применение в иерархически организованных системах радиосвязи с множественным доступом к каналу для фиксированного числа абонентов с гарантированной полосой пропускания на каждого абонента.
Известен множественный доступ с временным разделением (TDMA) к каналу связи, подробно описанный в литературе, в частности в [1] с.728, [2] с.429-431.
Известен множественный доступ с временным разделением (TDMA) к каналу связи с фиксированным распределением каналов, подробно представленный в литературе, в частности в [3] с.683-705.
Недостатком известных способов является наличие только двух уровней иерархии (одна основная, или базовая, станция и подчиненные ей станции).
Способы случайного доступа к каналу подробно описаны в литературе, в частности в [1] с.746-755.
Недостатками данных способов являются снижение пропускной способности канала связи при высокой интенсивности информационного обмена и большом количестве абонентов; наличие только двух уровней иерархии (одна основная, или базовая, станция и подчиненные ей станции).
Известен способ синхронизации соединений при осуществлении связи в мобильной системе связи [4], в соответствии с которым осуществляется связь с мобильными станциями по системным каналам многостанционного доступа с временным разделением каналов. Упомянутые каналы включают каналы управления и каналы графика, частоты обратной и прямой линий связи которых разделены на кадры, часть из которых может быть определена динамически путем определения начального кадра.
Недостатками данного способа являются необходимость наличия выделенного канала для управления; наличие только двух уровней иерархии (одна основная, или базовая, станция и подчиненные ей станции).
Известен способ, устройство и сеть связи [5], в соответствии с которыми предотвращение конфликтов между передачами по восходящей и нисходящей линиям связи достигается в системе дуплексной связи с временным разделением каналов путем выявления временного сегмента, используемого в первом направлении связи, и выполнения на его основе выбора для второго направления связи такого временного сегмента, который не будет накладываться на временной сегмент, используемый в первом направлении связи.
Недостатками данного способа являются отсутствие гарантированной пропускной способности, предоставляемой каждому абоненту (запрос на выделение дополнительных интервалов для обмена может быть отклонен); невозможность организации многоуровневой иерархической системы связи; наличие только двух уровней иерархии (одна основная, или базовая, станция и подчиненные ей станции).
Известен способ организации беспроводной сети с формированием дерева связности для использования при определении маршрута соединения между беспроводными устройствами [6].
Недостатком данного способа является отсутствие гарантированной пропускной способности, предоставляемой каждому абоненту (запрос на выделение дополнительных интервалов для обмена может быть отклонен).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ управления соединением связи в дуплексной системе связи с временным уплотнением [7].
Способ-прототип заключается в следующем. В дуплексном режиме с временным уплотнением для каждого соединения связи между мобильными приемо-передающими устройствами и/или стационарными приемо-передающими устройствами пару временных интервалов, включающую в себя временной интервал прямой линии связи и временной интервал обратной линии связи, выбирают таким образом, что промежуток между временным интервалом прямой линии связи и временным интервалом обратной линии связи, которые отнесены к одинаковой или различным несущим частотам, равен доле длительности кадра временного уплотнения и имеет постоянное или переменное значение.
Недостатками способа-прототипа являются:
- необходимость динамической конфигурации и реконфигурации сети;
- наличие системной помехи (все станции одновременно работают в одном диапазоне, что является причиной взаимных помех);
- отсутствие однозначности в иерархическом построении сети - подчиненность станций зависит от условий среды и может меняться в течение работы (одноуровневая сеть с функцией ретрансляции).
Задача предлагаемого способа - создание способа синхронизации для сети связи с несколькими уровнями иерархии с гарантированной пропускной способностью для каждого абонента и минимальными требованиями к аппаратным ресурсам.
Для решения поставленной задачи в способе синхронизации в многоуровневой сети связи, основанной на временном уплотнении между мобильными и/или стационарными приемо-передающими устройствами, причем предварительно заданные для системы связи несущие частоты распределяют по некоторому количеству временных интервалов с предварительно определенной длительностью таким образом, что система связи имеет возможность работы в дуплексном режиме с временным уплотнением, во временных интервалах и соответственно частотных диапазонах системы связи имеется возможность одновременной установки максимально предварительно заданного количества двусторонних соединений связи в прямом и обратном направлениях между пользователями мобильных приемо-передающих устройств или стационарными приемопередающими устройствами системы связи, согласно изобретению организацию связи осуществляют в нескольких иерархически организованных уровнях с синхронизацией узлов нижестоящего уровня к вышестоящему; подчиненный узел выполнен с возможностью иметь подчиненные ему узлы, для которых он является вышестоящим; за каждым узлом закрепляют выделенный ему временной интервал приема и передачи; обмен между вышестоящими и подчиненными узлами осуществляют в повторяющемся кадре, в течение которого производится обмен со всеми подчиненными узлами; временные интервалы передачи и приема предварительно распределяют в кадрах каждого уровня сети; подчиненные узлы первого уровня, не имеющие собственных подчиненных узлов, а также подчиненные узлы других уровней, не имеющие собственных подчиненных узлов, синхронизируются к вышестоящему узлу поиском и приемом синхрокода на одной из предварительно заданных частот в течение интервала, превышающего длительность кадра вышестоящего узла с последующей периодической сменой частоты при отсутствии приема синхрокода; подчиненные узлы второго уровня, имеющие собственные подчиненные узлы, осуществляют работу со своими подчиненными узлами в кадре второго уровня длительностью Т2, отличающегося от длительности кадра вышестоящего третьего уровня Т3, с поиском синхрокода вышестоящего узла в предварительно заданных интервалах с периодическим изменением частоты поиска синхрокода через интервалы, достаточные для обнаружения синхрокода, и с изменением длительности кадра на Т3 при обнаружении синхрокода и синхронизации циклов обмена; подчиненные узлы третьего уровня, имеющие собственные подчиненные узлы, осуществляют работу с подчиненными узлами, причем интервалы обмена данного подчиненного узла и вышестоящего узла распределены таким образом, что при любом взаимном расположении циклов обмена подчиненным узлом будет принято от вышестоящего узла не менее одного синхрокода за длительность одного цикла обмена, а после обнаружения синхрокода осуществляют синхронизацию; вышестоящий узел четвертого уровня, имеющий собственные подчиненные узлы и не имеющий вышестоящих узлов, осуществляет работу со всеми подчиненными узлами в заранее определенном цикле обмена.
Описание предлагаемого способа иллюстрируется схемой иерархической системы связи, приведенной на фиг.1; примеры структуры временного цикла (кадра) обмена между станциями (узлами) связи приведены на фиг.2.
Информация передается пакетным способом. Информационная часть пакета включает управляющие заголовки (преамбулу) и информацию пользователя. Преамбула содержит известный код с достаточно высокими корреляционными свойствами. Этот код (синхрокод) используется по всей сети. Возможно использование нескольких синхрокодов, как на одном, так и на различных уровнях. Информация включает в себя идентификатор станции (узла), передающей данный пакет. Возможно использование различных синхрокодов для идентификации станций (узлов).
Центральной станцией (ЦС) называется станция, к которой могут быть подключены, а следовательно, и синхронизированы станции нижестоящего уровня иерархии. Абонентской станцией (АС) называется станция, которая подключена к вышестоящей станции (ЦС), но не имеет подключенных к ней нижестоящих станций. ЦС, в свою очередь, может быть подключена к ЦС вышестоящего уровня (подчиненная ЦС). В этом случае для вышестоящего уровня она выступает в роли АС.
ЦС и АС имеют только один приемопередатчик, который не может передавать и принимать данные одновременно.
Например, на фиг.1, станции 4, 3.1, 3.m являются ЦС, а станции 1.1, 1.n, 2.n, 3.k являются АС.
Связь между ЦС и подчиненными станциями (АС и ЦС) осуществляется в периодически повторяющемся временном цикле - кадре (Тк). В течение одного кадра ЦС осуществляет обмен данными (передачу и прием) со всеми подчиненными станциями.
Кадр ЦС состоит из интервалов обмена со всеми подчиненными станциями, а также включает в себя интервалы обмена/синхронизации с вышестоящей ЦС.
Кадр АС состоит из интервалов обмена/синхронизации с вышестоящей ЦС и может включать в себя интервалы ожидания (отсутствия обмена или синхронизации).
Распределение частотно-временного ресурса, в случае работы по радиоканалу, производится следующим образом.
Каждой ЦС выделяется набор частот и определяется структура кадра, достаточные для организации связи с подчиненными АС и синхронизации с вышестоящей ЦС. Для ЦС, не имеющей вышестоящей ЦС, временные интервалы для синхронизации с вышестоящим уровнем в кадре не выделяются. При выполнении алгоритма синхронизации с вышестоящей ЦС, определенного для АС или ЦС, осуществляется работа в соответствующих интервалах кадра на частотах вышестоящей ЦС.
В качестве среды передачи может выступать также проводная или оптоволоконная линия связи. В этом случае роль частотного разделения уровней сети выполняют различные сегменты сети, подключение к которым осуществляется попеременно в соответствии со структурой кадра.
На фиг.2 показаны: Тк - длительность кадра; Тпрд - интервалы передачи ЦС; Тпрм - интервалы приема ЦС; Тпс - интервалы поиска и приема синхрокода от вышестоящей ЦС; Тпрд цс - интервалы передачи на вышестоящую ЦС; Тпрм цс - интервалы приема от вышестоящей ЦС.
Длительности указанных интервалов могут быть выбраны произвольными и, в общем случае, не равны между собой.
Интервал поиска синхрокода - это интервал, в течение которого станция производит поиск (прием) синхрокода от вышестоящей ЦС в канале связи. При приеме синхрокода и, при необходимости, информационной части пакета на подчиненной ЦС принимается решение о синхронизации собственного цикла обмена с циклом обмена вышестоящего уровня (подстройка цикла обмена подчиненной ЦС под цикл обмена вышестоящей ЦС с целью совпадения интервалов обмена между ними).
Синхронизация с вышестоящей ЦС на подчиненной ЦС может осуществляться:
- в специально выделенных для этого интервалах, как предназначенных для обмена с вышестоящей ЦС (до обнаружения синхрокода - показано на фиг.2), так и дополнительно выделенных для поиска синхрокода;
- в свободных (не занятых для обмена с АС и подчиненными ЦС) интервалах;
- в интервалах Тпрм, если в начале данного слота не обнаружено преамбулы от соответствующей АС или подчиненной ЦС (интервал не занят - соответствующая АС или подчиненная ЦС не активна);
- в интервалах Тпрд, если известно, что соответствующая АС или подчиненная ЦС не активна.
Для одновременной работы всех уровней системы связи и организации взаимодействия всех станций необходимо, чтобы циклы обменов вышестоящих и нижестоящих ЦС были совмещены (синхронизированы). Для этого в предлагаемой иерархической многоуровневой системе связи применяется совокупность алгоритмов синхронизации уровней системы связи, описанных ниже.
Алгоритм синхронизации сети связи для АС
АС осуществляет прием синхрокода на одной из назначенных частот в течение временного интервала, превышающего длительность кадра вышестоящей ЦС.
Для случая работы на фиксированной частоте (ФЧ) прием ведется постоянно, время ожидания приема синхрокода в интервалах ожидания синхрокода (время, требуемое на синхронизацию) определяется с использованием соотношения
Ki
где Т - длительность цикла обмена ЦС i-го уровня соответственно;
ФЧ АС
К - коэффициент, учитывающий необходимое избыточное время ожидания, обеспечивающее заданный уровень вероятности приема синхрокода для режима ФЧ.
ОЖ ОЧ
При работе в канале с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ) прием синхрокода осуществляется на одной из частот набора ППРЧ. Если за интервал Т приема синхрокода не произошло, то частота считается «пораженной помехой» и производится перестройка приемника на следующую частоту из набора частот ППРЧ.
Таким образом, для случая работы в канале с ППРЧ время ожидания синхрокода (время, требуемое на синхронизацию) определяется с использованием соотношения
f
где N - число используемых частот в одном коде;
ППРЧ AC
К - коэффициент, учитывающий необходимое избыточное время ожидания, обеспечивающее заданный уровень вероятности приема синхрокода для режима ППРЧ.
По приему синхрокода АС синхронизирует свой кадр под вышестоящую ЦС и осуществляет работу согласно назначенной структуре кадра.
Алгоритм синхронизации сети связи для ЦС с фиксированным кадром
ЦС осуществляет передачу и прием данных с АС и подчиненными ЦС согласно назначенной структуре кадра. Поиск синхрокода вышестоящей ЦС осуществляется в интервалах, свободных от интервалов приема и передачи - интервалах ожидания синхрокода.
Последовательность интервалов приема и передачи в кадрах ЦС и вышестоящей ЦС назначается таким образом, чтобы независимо от взаимного положения кадров как минимум один синхрокод (или, при необходимости, пакет), передаваемый вышестоящей ЦС, будет обязательно совпадать с интервалом ожидания приема синхрокода (находиться внутри интервала ожидания синхрокода) на ЦС.
Для случая работы на фиксированной частоте время ожидания приема синхрокода в интервалах ожидания синхрокода определяется с использованием соотношения:
Ki
где Т - длительность цикла обмена ЦС i-го уровня, соответственно;
ФЧ ФК
К - коэффициент, учитывающий необходимое избыточное время ожидания, обеспечивающее заданный уровень вероятности приема синхрокода для режима ФЧ.
Для случая работы в канале с ППРЧ время синхронизации определяется с использованием соотношения:
f
где N - число используемых частот в одном коде;
ППРЧ ФК
K - коэффициент, учитывающий необходимое избыточное время ожидания, обеспечивающее заданный уровень вероятности приема синхрокода для режима ППРЧ.
При приеме синхрокода ЦС синхронизирует свой кадр под вышестоящую ЦС. Перед синхронизацией кадра ЦС, при необходимости, сообщает подчиненным ЦС и АС о предстоящем «сдвиге» кадра.
Алгоритм синхронизации сети связи для ЦС с кадром переменной длительности
ЦС осуществляет передачу и прием информации с подчиненными станциями циклично кадрами.
Для ЦС назначаются два предопределенных типа кадра - кадр основной и кадр поиска. Длительность кадра основного равна (или кратна) кадру вышестоящей ЦС. Длительность кадра поиска выбирается таким образом, что при любом взаимном начальном временном положении кадра вышестоящей ЦС и кадра поиска ЦС через интервал времени, не более заданного, как минимум один интервал передачи вышестоящей ЦС совпадет с интервалом поиска ЦС. Назовем данный интервал времени интервалом синхронизации (Тсинхр). Обмен с подчиненными ЦС и АС осуществляется и в кадре основном и в кадре поиска.
При отсутствии синхронизации с вышестоящей ЦС, ЦС осуществляет обмен с подчиненными станциями в кадре поиска. ЦС осуществляет поиск синхрокода на одной из заданных частот в течение временного интервала, превышающего Тсинхр. Поиск синхрокода осуществляется в интервалах поиска (Тпс) кадра.
При обнаружении (приеме) синхрокода от вышестоящей ЦС на ЦС производится синхронизация с кадром вышестоящей ЦС и переключение в основной кадр.
При потере связи с вышестоящей ЦС, ЦС снова переходит в кадр поиска.
Для случая работы на фиксированной частоте (ФЧ) время ожидания приема синхрокода (время на синхронизацию) определяется с использованием соотношения
СИНХРi
где T - длительность интервала времени синхронизации ЦС i-го уровня соответственно;
ФЧ ПК
К - коэффициент, учитывающий необходимое избыточное время ожидания, обеспечивающее заданный уровень вероятности приема синхрокода для режима ФЧ.
Для случая работы в канале с ППРЧ время ожидания синхрокода (время, требуемое на синхронизацию) определяется с использованием соотношения
f
где N - число используемых частот в одном коде;
ППРЧ ПК
К - коэффициент, учитывающий необходимое избыточное время ожидания, обеспечивающее заданный уровень вероятности приема синхрокода для режима ППРЧ.
ОЖ ФЧ ПК
ОЖ ППРЧ ПК
Таким образом, за время, не превышающее Т (Т) с момента начала синхронизации, осуществляется синхронизация работы ЦС с вышестоящей ЦС.
Дополнительно в служебной информации может передаваться длительность текущего цикла (тип кадра). Подчиненными ЦС и АС при приеме синхропосылки со служебными данными данная информация может быть использована для выбора длительности текущего рабочего кадра.
Алгоритм синхронизации сети связи для ЦС с перестановкой слотов
ЦС осуществляя обмен со своими подчиненными ЦС и АС в назначенном кадре выполняет перестановку интервалов передачи и приема информации в последовательных кадрах таким образом, что слоты Тпс в каждом следующем кадре меняют свое положение относительно начала кадра. Перестановка осуществляется таким образом, чтобы за конечное число циклов обмена N, как минимум один синхрокод вышестоящей ЦС совпали с интервалом Тпс (оказался внутри интервала Тпс). После обнаружения синхрокода осуществляется подстройка цикла обмена под вышестоящую ЦС и выполнение перестановки интервалов прекращается.
При работе в системе с ППРЧ, через интервал времени Т≥N Тк,
где Тк - длительность кадра, осуществляется смена частоты поиска (приема) синхрокода.
Алгоритм начальной синхронизации сети связи для ЦС
f
Подчиненная ЦС до начала организации обмена (например, после включения) с подчиненными ЦС и АС осуществляет поиск синхрокода в течение периода времени Тнач, после которого, при отсутствии приема синхрокода от вышестоящей ЦС, осуществляет работу в заданном кадре. Длительность Тнач определяется достаточной для обнаружения синхрокода от вышестоящей ЦС при условии, что она активна (передает синхрокод на подчиненные ЦС и АС). При работе в режиме ППРЧ поиск ведется последовательно на конечном количестве частот, меньшем или равном N.
Для системы связи, приведенной на фиг.1, алгоритмы синхронизации распределяются следующим образом:
- для всех АС уровней 1, 2, 3 используется алгоритм синхронизации сети связи для АС;
- для ЦС уровня 2 используется алгоритм синхронизации сети связи с кадром переменной длительности;
- для ЦС уровня 3 используется алгоритм синхронизации сети связи с фиксированным кадром;
- для ЦС уровня 4 осуществляется алгоритм работы в заранее определенной структуре кадра без синхронизации под вышестоящие уровни. Технический результат заключается в следующем:
- обеспечение иерархической многоуровневой (более двух уровней) системы связи при возможности работы отдельных уровней и частей сети автономно с интеграцией в общую сеть при активации (включении, восстановлении работоспособности и пр.) других иерархических уровней или частей системы связи;
- повышение эффективности использования аппаратных ресурсов, что снижает сложность, габариты, энергопотребление и стоимость системы;
- повышение эффективности использования частотного ресурса при гарантированной полосе пропускания на каждого абонента (не требуется выделение специальных каналов управления);
- повышение устойчивости системы связи к сбоям, в т.ч. преднамеренным.
Таким образом, в предлагаемом способе синхронизации исключен дуплексный режим работы, исключено кодовое разделение каналов, сняты ограничения со способа распределения временных каналов, в т.ч. и ограничение на взаимное расположение прямого и обратного интервалов связи, введено предварительное распределение каналов по пользователям, введены несколько иерархических уровней связи с их взаимной синхронизацией.
Известна беспроводная сеть для соединения устройств беспроводным путем [6], содержащая ведущее устройство и подчиненные устройства и средство для осуществления связи с ведущим устройством посредством виртуального канала со скачкообразным изменением частоты, при этом последовательность скачкообразного изменения частоты виртуального канала является функцией адреса ведущего устройства.
К недостаткам известного устройства относятся:
- высокая вероятность взаимных помех при одновременной работе множества устройств;
- требуется начальный цикл оргавизации сети;
- канал не является свободным от конкуренции;
- обязательно использование ППРЧ.
Известна мобильная система связи [4], осуществляющая связь с мобильными станциями по системным каналам многостанционного доступа с временным разделением каналов.
К недостаткам данной системы связи относятся:
- наличие только двух уровней иерархии (одна основная, или базовая, станция и подчиненные ей станции);
- необходимость в выделенном канале управления;
- необходимость в постоянно обновляемой базе абонентов. Известна телекоммуникационная сеть [5], содержащая узел поддержки, базовую станцию и подвижную станцию сети подвижной связи, средства для обнаружения первого канала, используемого в первом направлении связи, путем выявления опознавательного кода подвижной станции из сообщения, полученного от подвижной станции, средства для выбора второго канала, временной сегмент которого не будет перекрывать временной сегмент первого канала.
К недостаткам данной сети относятся:
- необходимость в выделенном канале управления;
- наличие только двух уровней иерархии (одна основная, или базовая, станция и подчиненные ей станции);
- канал не является свободным от конкуренции.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой является беспроводная сеть [8], принятая за прототип.
На фиг.3 приведена схема беспроводной сети-прототипа с множеством узлов сети, где обозначено:
1 - главный узел сети; 2, 3, 4 - вторичные узлы связи дистанционного класса RDC (1); 5, 6, 7, 8 - вторичные узлы связи дистанционного класса RDC (2); 9, 10, 11, 12 - вторичные узлы связи дистанционного класса RDC (3); 24 - дистанционный класс RDC (0); 25 - дистанционный класс RDC (1); 26 - дистанционный класс RDC (2); 27 - дистанционный класс RDC (3).
Беспроводная сеть-прототип содержит множество узлов 1-12 сети. Узлы 1-12 сети обмениваются соответствующими полезными данными, данными управления и данными синхронизации через радиоканалы. Узлы 1-12 сети синхронизированы с главными тактовыми импульсами, которые подаются узлом 1 сети. Этот узел сети назначен в качестве главного узла 1 сети.
Главный узел сети 1 передает синхронизирующую комбинацию через беспроводную среду, причем эта синхронизирующая комбинация пересылается вторичными узлами сети в различных дистанционных классах так, что вторичный узел сети иерархически более низкого дистанционного класса косвенно синхронизируется тактовыми импульсами источника тактовых импульсов главного узла сети 1.
В случае движущегося вторичного узла сети и/или главного узла сети 1 дистанционный класс вторичного узла сети подлежит изменению.
Синхронизирующие комбинации каждого дистанционного класса различны.
В беспроводной сети формируется иерархическая структура узлов сети с дистанционными классами RDC(i). Только главный узел 1 сети принадлежит к дистанционному классу RDC(O). Все вторичные узлы сети, которые синхронизируются непосредственно главным узлом 1 сети, принадлежат к дистанционному классу RDC(1). Все вторичные узлы сети, которые синхронизируются непосредственно одним или более вторичными узлами сети класса RDC(1), принадлежат к дистанционному классу RDC(2). Члены дистанционного класса RDC(i) формируются всеми вторичными узлами сети, которые синхронизируются одним или более вторичными узлами сети дистанционного класса RDC(i-1).
Вторичные узлы 2, 3 и 4 сети в примере осуществления беспроводной сети, как показано на фиг.3, принадлежат к дистанционному классу RDC(1), потому что эти вторичные узлы 2, 3 и 4 сети могут принимать оцениваемые как надежные радиосигналы от главного узла 1 сети. Внешний предел дистанционного класса RDC(1) показан эллипсом 25. Эллипс 24 показывает дистанционный класс RDC(O). Дистанционный класс RDC(2) содержит вторичные узлы 5-8 сети. Предполагается, что вторичный узел 5 сети синхронизируется непосредственно вторичным узлом 2 сети, вторичные узлы 6 и 7 сети синхронизируются непосредственно вторичными узлами 3 и 4 сети, а вторичный узел 8 сети синхронизируется непосредственно вторичным узлом 4 сети. Внешний предел дистанционного класса RDC(2) показан эллипсом 26. Дистанционный класс RDC(3) включает вторичные узлы 9-12 сети. Предполагается, что вторичный узел 9 сети синхронизируется непосредственно вторичными узлами 7 и 8 сети, вторичный узел 10 сети синхронизируется непосредственно вторичным узлом 5 сети, вторичный узел 11 сети синхронизируется непосредственно вторичным узлом 6 сети, а вторичный узел 12 сети синхронизируется непосредственно вторичными узлами 6 и 7 сети. Эллипс 27 показывает внешний предел дистанционного класса RDC(3).
По меньшей мере, в уровне УДС также осуществляется использование кадрово-синхронизированного, сигнала PC (рекомендуемого стандарта) для радиопередачи данных между главным и вторичными узлами 1-12 сети. Этот кадр содержит несколько временных интервалов для данных синхронизации, данных управления и полезных данных. Длительность кадра здесь и далее будет представлена буквой D.
На фиг.4 показана схема передачи для синхронизирующих комбинаций, предаваемых радиоустройством.
Главный узел 1 сети сначала передает свою синхронизирующую комбинацию Р(0). Длительность синхронизирующей комбинации равна Тр. За этим следует период ожидания Та, который должен быть выбран таким, чтобы радиоустройства 13 всех вторичных узлов сети дистанционного класса RDC(1) имели достаточно времени для переключения из режима приема в режим передачи. Все вторичные узлы сети дистанционного класса RDC(1) затем передают синхронизирующую комбинацию Р(1) длительностью Тр. Каждый вторичный узел сети дистанционного класса RDC(2) принимает синхронизирующую комбинацию Р(1) от одного или более вторичных узлов сети дистанционного класса RDC(1). После последующего периода ожидания длительностью Та каждый вторичный узел сети дистанционного класса RDC(2) имеет таким образом синхронизированными свои вторичные тактовые импульсы с вторичными тактовыми импульсами дистанционного класса RDC(1). Поскольку вторичные тактовые импульсы дистанционного класса RDC(1) синхронизированы с главными тактовыми импульсами дистанционного класса RDC(0), вторичные тактовые импульсы дистанционного класса RDC(2) таким образом, косвенно синхронизированы с главными тактовыми импульсами дистанционного класса RDC(0). Все вторичные узлы сети дистанционного класса RDC(2) затем передают свою синхронизирующую комбинацию Р(2). Эти операции синхронизации продолжаются до тех пор, пока вторичные тактовые импульсы будут косвенно синхронизированы с главными тактовыми импульсами для всех вторичных узлов сети в самом удаленном дистанционном классе RDC(n).
Для передачи синхронизирующей комбинации P(i) используется канал синхронизации.
Недостатками сети-прототипа являются:
- отсутствие закрепленной иерархии между радиостанциями,
- необходимость динамической реконфигурации сети в процессе работы,
- неэффективность использования пропускной способности канала из-за расходов на периодическую передачу служебной информации о конфигурации сети,
- необходимость наличия отдельного канала синхронизации,
- работа только в беспроводной сети.
Задача предлагаемой сети связи - создание сети с несколькими уровнями иерархии с гарантированной пропускной способностью для каждого абонента и минимальными требованиями к аппаратным ресурсам.
Для решения поставленной задачи в многоуровневую сеть связи, содержащую множество узлов, причем узел сети, который обозначают как главный узел сети, предназначают для передачи синхронизирующей комбинации всем остальным узлам сети, обозначенным как вторичные узлы сети, при этом вторичные узлы сети предназначают для передачи синхронизирующей комбинации, каждый вторичный узел сети предназначают для синхронизации принятой синхронизирующей комбинации - синхрокода, согласно изобретению введено несколько иерархически организованных уровней с синхронизацией узлов нижестоящего уровня к вышестоящему; подчиненный узел имеет подчиненные ему узлы, для которых он является вышестоящим; за каждым узлом закреплен выделенный ему временной интервал/интервалы приема и передачи; обмен между вышестоящими и подчиненными узлами осуществляют в повторяющемся кадре, в течение которого производят обмен со всеми подчиненными узлами; временные интервалы передачи и приема предварительно распределяют в кадрах каждого уровня сети; подчиненные узлы первого уровня, не имеющие собственных подчиненных узлов, а также подчиненные узлы других уровней, не имеющие собственных подчиненных узлов, синхронизируют к вышестоящему узлу поиском и приемом синхрокода на одной из предварительно заданных частот в течение интервала, превышающего длительность кадра вышестоящего узла с последующей периодической сменой частоты при отсутствии приема синхрокода; подчиненные узлы второго - вышестоящего над нижним, уровня, имеющие собственные подчиненные узлы, осуществляют работу со своими подчиненными узлами в кадре второго уровня длительностью Т2, отличающегося от длительности кадра вышестоящего - третьего уровня Т3, с поиском синхрокода вышестоящего узла в предварительно заданном интервале/интервалах с периодическим изменением частоты поиска синхрокода через интервалы, достаточные для обнаружения синхрокода, и с изменением длительности кадра на Т3 при обнаружении синхрокода и синхронизации циклов обмена; подчиненные узлы третьего уровня, имеющие собственные подчиненные узлы, осуществляют работу с подчиненными узлами, причем интервалы обмена данного подчиненного узла и вышестоящего узла распределены таким образом, что при любом взаимном расположении циклов обмена подчиненным узлом будет принято от вышестоящего узла не менее одного синхрокода за длительность одного цикла обмена, а после обнаружения синхрокода осуществляют синхронизацию; вышестоящий узел четвертого уровня, имеющий собственные подчиненные узлы и не имеющий вышестоящих узлов, осуществляет работу со всеми подчиненными узлами в заранее определенном цикле обмена.
Пример организации сети показан на фиг.5, где станции (узлы) 1, 3.3, 2.3 являются центральными станциями (ЦС), а станции (узлы) 3.1, 3.2, 2.1, 2.2, 1.2, 1.1 являются абонентскими (АС). Станцию (узел) 1 назначают главной станцией (узлом).
В сети назначаются ЦС, к которым могут быть подключены, а следовательно от них и синхронизированы, станции нижестоящего уровня. АС называется станция, которая подключена к вышестоящей станции (ЦС), но не имеет подключенных к ней нижестоящих станций. ЦС, в свою очередь, может быть подключена к ЦС вышестоящего уровня (подчиненная ЦС). В этом случае для вышестоящего уровня она выступает в роли АС.
Связь между ЦС и подчиненными станциями (АС и ЦС) осуществляется в периодически повторяющемся кадре Тк.
Пример организации кадра показан на фиг.2. На фиг.2 показаны: Тк - длительность кадра, Тпрд - интервалы передачи ЦС, Тпрм - интервалы приема ЦС, Тпс - интервалы поиска и приема синхрокода от вышестоящей ЦС, Тпрд цс - интервалы передачи на вышестоящую ЦС, Тпрм цс - интервалы приема от вышестоящей ЦС. Длительности интервалов могут быть выбраны произвольными и, в общем случае, не равны между собой. В течение одного кадра ЦС осуществляет обмен данными (передачу и прием) со всеми подчиненными станциями. Кадр ЦС состоит из интервалов обмена со всеми подчиненными станциями, а также включает в себя интервалы обмена/синхронизации с вышестоящей ЦС. Кадр АС состоит из интервалов обмена/синхронизации с вышестоящей ЦС и может включать в себя интервалы ожидания (отсутствия обмена или синхронизации).
Работает предлагаемая сеть следующим образом. В среде передачи организуется многоуровневая иерархическая система связи. Информация передается пакетами. Информационная часть пакета включает управляющие заголовки (преамбулу) и информацию пользователя. Преамбула содержит известный код с достаточно высокими корреляционными свойствами. Этот код (синхрокод) используется по всей сети. Возможно использование нескольких синхрокодов как на одном, так и на различных уровнях. Информация включает в себя идентификатор станции (узла), передающей данный пакет. Возможно использование различных синхрокодов для идентификации станций (узлов).
Распределение частотно-временного ресурса производится следующим образом - каждой ЦС выделяется набор частот и определяется структура кадра, достаточные для организации связи с подчиненными АС и синхронизации с вышестоящей ЦС. Для ЦС, не имеющей вышестоящей ЦС, временные интервалы для синхронизации с вышестоящим уровнем в кадре не выделяются. При выполнении алгоритма синхронизации с вышестоящей ЦС, определенного для АС или ЦС, осуществляется работа в соответствующих интервалах кадра на частотах вышестоящей ЦС.
Интервал поиска синхрокода Тпс - это интервал, в течение которого станция производит поиск и прием синхрокода от вышестоящей ЦС в канале связи. При приеме синхрокода и, при необходимости, информационной части пакета на подчиненной ЦС принимается решение о синхронизации собственного цикла обмена с циклом обмена вышестоящего уровня (подстройка цикла обмена подчиненной ЦС под цикл обмена вышестоящей ЦС с целью совпадения соответствующих интервалов обмена).
Синхронизация с вышестоящей ЦС на подчиненной ЦС может осуществляться:
- в специально выделенных для этого интервалах - как предназначенных для обмена с вышестоящей ЦС (до обнаружения синхрокода - показано на фиг.2), так и дополнительно выделенных для поиска синхрокода;
- в свободных (не занятых для обмена с АС и подчиненными ЦС) интервалах;
- в интервалах Тпрм, если в начале данного слота не обнаружено преамбулы от соответствующей АС или подчиненной ЦС (интервал не занят - соответствующая АС или подчиненная ЦС не активна);
- в интервалах Тпрд, если известно, что соответствующая АС или подчиненная ЦС не активна.
Для одновременной работы всех уровней системы связи и организации взаимодействия всех станций необходимо, чтобы циклы обменов вышестоящих и нижестоящих ЦС были синхронизированы. Для этого применяется комплексная комбинация алгоритмов организации связи, описанных ниже. Для системы связи, приведенной на фиг.1, предлагаемые алгоритмы могут быть распределены следующим образом:
- для всех АС уровней 1, 2, 3 используется алгоритм организации сети связи для АС;
- для ЦС уровня 2 используется алгоритм организации сети связи с кадром переменной длительности;
- для ЦС уровня 3 используется алгоритм организации сети связи с фиксированным кадром;
- для ЦС уровня 4 осуществляется алгоритм работы в заранее определенной структуре кадра без синхронизации под вышестоящие уровни.
Синхронизация станций в сети осуществляется описанными ранее алгоритмами синхронизации.
Предлагаемая сеть связи может использовать различные средства передачи сигналов, например радио, проводную связь или оптоволоконную связь. Обязательным условием является наличие связи между ЦС и подчиненными ей ЦС и АС.
В предлагаемой сети в отличие от устройства-прототипа параметром, определяющим алгоритм синхронизации, является не дистанционный класс, который является функцией расстояния до главного узла, а назначенный каждому узлу уровень иерархии, а следовательно, структура кадра и частотный диапазон (для радиосвязи). Он назначается на этапе развертывания сети и не подлежит изменению в процессе работы.
Технический результат состоит в следующем:
- нет необходимости устанавливать соединение - устройство, которое распознает свой адрес, просто принимает сообщение, в то время как все другие устройства игнорируют его;
- повышение эффективности использования аппаратных ресурсов (работа в сети осуществляется одним приемно-передающим устройством;
- отсутствует необходимость одновременной работы на прием и на передачу), что снижает сложность, габариты, энергопотребление и стоимость системы;
- повышение эффективности использования частотного ресурса при гарантированной полосе пропускания на каждого абонента (не требуется выделение специальных каналов управления);
- повышение устойчивости системы связи сбоям, в т.ч. преднамеренным (работоспособность системы связи и ее частей при выходе из строя отдельных узлов, обеспечивается устойчивость системы связи к сбоям, отказам оборудования и помехам в канале связи);
- обеспечение иерархической (многоуровневой) системы связи при возможности работы отдельных уровней и частей сети автономно с интеграцией в общую сеть при активации (включении, восстановлении работоспособности и пр.) других иерархических уровней или частей системы связи.
Таким образом, в предлагаемой сети связи дистанционный класс RDC(0) исключен, дистанционные классы RDC(1), RDC(2), RDC(3) заменены соответственно на Сеть 3, Сеть 2 и Сеть 1; изменен способ синхронизации сети; исключена динамическая реконфигурация сети; введена назначаемая структура сети.
Известно устройство для двусторонней связи с временным разделением каналов с подвижной станцией в телекоммуникационной сети [5], в которой предотвращение конфликтов между передачами по восходящей и нисходящей линиями связи достигается путем выявления временного сегмента, используемого в первом направлении связи, и выполнения на его основе выбора для второго направления связи такого временного сегмента, который не будет накладываться на временной сегмент, используемый в первом направлении связи.
К недостаткам данного устройства относятся:
- отсутствие гарантированной пропускной способности, предоставляемой каждому абоненту (запрос на выделение дополнительных интервалов для обмена может быть отклонен);
- наличие только двух уровней иерархии (одна основная, или базовая, станция и подчиненные ей станции).
Известен интерфейс радиосвязи для дуплексной системы связи с временным уплотнением с беспроводной связью [7], в котором для каждого соединения связи пару временных интервалов из предварительно заданного количества временных интервалов выбирают таким образом, что промежуток между временным интервалом прямой линии связи и временным интервалом обратной линии связи равен доле длительности кадра временного уплотнения.
К недостаткам данного интерфейса относятся:
- необходимость динамической конфигурации и реконфигурации сети;
- отсутствие однозначности в иерархическом построении сети - подчиненность станций зависит от условий среды и может меняться в течение работы.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является узел сети беспроводной сети [8], принятый за прототип.
На фиг.6 представлена блок-схема устройства-прототипа, где обозначено: 14…17 - электрические устройства, 18 - шина, 19 - схема интерфейса, 20 - устройство протокола, 21 - модем, 22 - высокочастотная (ВЧ) схема, 23 - антенна.
Устройство-прототип включает в себя несколько электрических устройств 14-17 и систему 18 шины. Электрические устройства 14-17 обмениваются полезными данными, данными управления и данными синхронизации через шину 18.
Схема 19 интерфейса радиоустройства 13 подсоединена к шине 18 и принимает данные, предназначенные для радиоустройства 13, от шины 18 и подает эти данные, возможно, после адаптации формата к устройству протокола 20 радиоустройства 13. Схема 19 интерфейса подает данные, выдаваемые устройством 20 протокола, к шине 18. Радиоустройство 13 включает в себя также модем 21, схему 22 высокой частоты и антенну 23. Схема 22 высокой частоты подает данные, принятые антенной 23, к устройству 20 протокола через модем 21.
Устройство 20 протокола формирует блоки пакетов из данных, подаваемых схемой 19 интерфейса, или формирует данные, подходящие для обработки схемой интерфейса, из пакетных блоков, подаваемых модемом 21. В дополнение к принятым данным пакетный блок также содержит управляющую информацию, которая формируется устройством 20 протокола. Устройство 20 протокола использует протоколы для уровня УЛК (управление логическим каналом) и уровня УДС (управление доступом к среде). Уровень УДС управляет множественным доступом к среде радиопередачи радиоустройства 13, а уровень УЛК выполняет контроль потока и ошибок.
Для передачи синхронизирующей комбинации P(i) используется канал синхронизации.
Измерение качества приема выполняется модемом 21. Процедура измерения, однако, управляется относящимся к нему связанным устройством 20 протокола. Более того, устройство 20 протокола сравнивает результаты измерения с пороговым значением и выполняет соответствующие управляющие операции в зависимости от результата сравнения.
Устройство 20 протокола во вторичном узле сети оценивает сигнал импульсной формы, подаваемый связанным коррелятором, для определения момента синхронизации.
Недостатками устройства-прототипа являются:
- отсутствие закрепленной иерархии между радиостанциями;
- необходимость динамической реконфигурации сети в процессе работы;
- неэффективность использования пропускной способности канала из-за расходов на периодическую передачу служебной информации о конфигурации сети;
- необходимость наличия отдельного канала синхронизации;
- работа только в беспроводной сети.
Задача - создание узла для сети с несколькими уровнями иерархии с гарантированной пропускной способностью для каждого абонента и минимальными требованиями к аппаратным ресурсам, поддерживающего синхронизацию с назначенным узлом связи вышестоящего уровня и обеспечивающего синхронизацию для узлов нижестоящего уровня.
Для решения поставленной задачи в узел сети, содержащий устройство протокола, интерфейс и оконечное устройство, согласно изобретению введены устройство физического интерфейса, устройство доступа к среде, устройство интерфейсов, состоящее из n(n≥1) интерфейсов, к которым подключены соответственно n оконечных устройств.
Блок-схема предлагаемого узла сети приведена на фиг.7, где обозначено: 100 - устройство доступа к среде, 101 - устройство логического канала, 20 - устройство протокола, 102 - устройство интерфейсов, 103 - оконечные устройства, 104 - устройство физического интерфейса.
Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные устройство физического интерфейса 104, устройство доступа к среде 100, устройство логического канала 101, устройство протокола 20, устройство интерфейсов 102. К устройству интерфейсов 102 подключены соответствующие оконечные устройства 103.
Работает предлагаемое устройство следующим образом.
При передаче информации информация с оконечных устройств 103 поступает на устройство интерфейсов 102. В устройстве интерфейсов 102 поступающая информация преобразуется, при необходимости, к цифровому виду, буферизируется (накапливается) и в соответствующем представлении поступает в устройство протокола 20. В устройстве протокола 20 поступающая информация распределяется по соответствующим блокам информации (буферам), которые поступают на устройство логического канала 101. Устройство логического канала 101 обеспечивает контроль потока и ошибок. В устройстве логического канала 101 поступающие информационные блоки распределяются по соответствующим каждому направлению связи (абоненту) логическим буферам, откуда в соответствии с алгоритмом работы передаются в устройство доступа к среде 100. Устройство доступа к среде 100 обеспечивает алгоритм множественного доступа к среде передачи информации. Сформированные соответствующим образом блоки данных поступают в среду передачи через устройство физического интерфейса 104.
При приеме информации устройство доступа к среде 100 через устройство физического канала 104 синхронизируется и принимает данные из канала передачи.
Принятые устройством доступа к среде 100 данные поступают в устройство логического канала 101, где они распределяются на соответствующие информационные блоки, которые поступают на устройство протокола 20. В устройстве протокола 20 поступившая информация согласно реализованному протоколу распределяется на последовательности данных (потоки), соответствующие каждому оконечному устройству 103. Потоки данных буферизируются и поступают в устройство интерфейсов 102. В устройстве интерфейсов 102 данные преобразуются в соответствующие сигналы (в т.ч. в аналоговые, при необходимости) и поступают в оконечные устройства 103.
Таким образом, в предлагаемом узле сети радиоустройство заменено на устройство физического интерфейса и устройство доступа к среде, устройство протокола выведено из состава радиоустройства в отдельный блок, между устройством доступа к среде и устройством протокола введено устройство управления логическим каналом, схема интерфейса заменена на устройство интерфейсов, электрические устройства заменены на оконечные устройства, шина исключена.
Устройство доступа к среде 100, устройство управления логическим каналом 101 и устройство протокола 102 или их отдельные части могут быть реализованы одним из следующих способов:
- в виде микропроцессорных устройств (или в виде единого микропроцессорного устройства) с соответствующим программным обеспечением, например процессора серии TMS320VC5416 фирмы Texas Instruments,
- в виде программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), с соответствующим программным обеспечением, например ПЛИС XCV400 фирмы Xilinx,
- в виде специализированных микросхем.
Технический результат - расширение функциональных возможностей:
- в качестве среды передачи используют радио, проводную или оптоволоконную сеть;
- отсутствует необходимость для узла сети устанавливать соединение - узел сети, который распознает свой адрес, принимает сообщение, в то время как все другие узлы сети игнорируют его;
- повышение эффективности использования аппаратных ресурсов узла сети - работа в сети осуществляется одним приемно-передающим устройством (не требуется одновременная работа на прием и на передачу), что снижает сложность, габариты, энергопотребление и стоимость узлов сети;
- повышение эффективности использования частотного ресурса при гарантированной полосе пропускания на каждого абонента (не требуется выделение специальных каналов управления);
- повышение устойчивости системы, построенной на предлагаемых узлах сети, к сбоям (отказам оборудования и помехам в канале связи), при выходе из строя отдельных узлов обеспечивается работоспособность остальных узлов сети;
- обеспечение многоуровневой реконфигурируемой системы связи при использовании унифицированных узлов сети, возможности работы узлов сети в отдельных уровнях и частях сети автономно с интеграцией в общую сеть при активации других уровней или частей системы связи.
Источники информации
[1] Прокис Джон. Цифровая связь. - Пер. в англ. / Под ред. Д.Д.Кловского. - М.: Радио и связь. 2000. - 800 с.
[2] Феер К. Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра. - Пер. с англ. / Под ред. В.И.Журавлева. - М.: Радио и связь, 2000. - 520 с.
[3] Скляр, Бернард. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер с англ. - М.: Издательский дом «Вильяме», 2003. - 1104 с.
[4] RU 97107339 A, 27.05.1999.
[5] RU 2201035 C2, 2003.03.20.
[6] RU 2201034 C2, 1998.09.16.
[7] RU 2193280 C2, 2002.11.20 - прототип для способа.
[8] RU 2233545 C2, 1999.10.11 - прототип для сети, узла.