1.8. Разработка физического уровня системы.
1.8.1. Расчёт полной пропускной способности физического КС соединения «терминал-БС».
  Этот пункт был рассмотрен при описании построения канального уровня системы, где была задана скорость передачи битового потока на физическом уровне – 32 кбит/с.
1.8.2. Анализ и обоснованный выбор мер по защите физического уровня от многолучёвости.
  Воздействие помехи на сигнал как правило не обратимо. Многолучёвость заключается в том, что в точку приёма приходит множество переотражённых лучей от местных предметов, где лучи имеют различные фазы и амплитуды, а также доплеровские сдвиги частот. Согласно свойствам многолучевого канала искажения могут быть разделены на быстрые и медленные замирания. Быстрые замирания вызваны преимущественно движением радиомаяка, медленные - временем когерентности, которое больше времени канала. Эффективным средством уменьшения влияния многолучёвости в условиях медленных замираний является перемежение с избыточным кодированием. Для борьбы с быстрыми замираниями используется разнесённый приём. Из всех типов разнесённого приёма предпочтительным является пространственное разнесение (частотное, временное, многолучёвое т поляризационное не подходят по ряду требований КП).
Применение блочного кодера вносит избыточность, а блок перемежитель (составной компонент помехоустойчивого кода) предназначен для борьбы с пакетными ошибками путём их разнесения во времени. Существует два типа устройств перемежения – периодические и псевдослучайные. Воспользуемся блоковым периодическим перемежением – запись данных осуществляется по столбцам, а считывание по строкам (метод транспонированной матрицы).
Однако основная роль в борьбе с многолучёвостью возлагается на эквалайзер приёмника (узла сбора данных),который применяется в системах TDMA для уменьшения межсимвольных искажений. Фактически эквалайзер представляет собой адаптивный фильтр, настраиваемый таким образом, чтобы компенсировать АЧХ канала.
Рисунок 1. Принцип работы эквалайзера
Для правильной работы устройства необходима передача настроечных последовательностей по каналу синхронизации. Периодичность настройки зависит от местности проведения соревнований. Достаточным будет передавать последовательность в каждом кадре от разных радиомаяков.
1.8.3. Энергетический расчёт системы: выбор частотного диапазона (документ ГКРЧ); оценка уровня потерь; обоснование выбора модуляции; расчёт ОСШ для Рb.
  Выбор частотного диапазона производится на основании документа ГКРЧ «О выделении полос радиочастот устройствам малого радиуса действия» от 29 октября 2010 г. № 10-09-03:
«Указанным решением ГКРЧ были выделены полосы радиочастот для устройств малого радиуса действия с определёнными техническими характеристиками, что дало возможность разработки, производства и применения на территории страны значительного количества разнообразных типов маломощных устройств без получения отдельных решений ГКРЧ.»«Утвердить результаты научно-исследовательских и экспериментальных работ по разработке и уточнению условий совместного использования полос радиочастот 402-405 МГц, 76-77 ГГц и 77-81 ГГц устройствами малого радиуса действия с РЭС различного назначения.»
Тогда используемая полоса частот будет 402-405 МГц, а несущей частотой 403 МГц.
Расчёт системы:
Принято использовать модель Окамура-Хата с диапазоном 150-1500 МГц, что удовлетворяет частоте несущей (403 МГц). Считаю, что трассу с некоторыми возвышениями и небольшими постройками можно рассматривать как холмистую местность. В городской местности, при высоте базовой станции 30 - 200 м и приёмной антенны 1- 10 м медианные потери:
L= 69,65+26,16*lg(f)-13,83*lg(HБС)-a(HПРМ)+(44,9–6,55*lg(HБС))*lg(r) (дБ);
где а - поправочный коэффициент, определяемый для малых и средних городов при f>200 МГц:
а(НПРМ)= (1,11*lg(f)-0,7)*HПРМ-(1,56*lg(f)-0,8) (дБ),
Условие
квазигладкой поверхности - трасса протяженностью в несколько километров, на которой средняя высота неровностей не превышала бы 30 м.
НБС= 5 м;
НПРМ= 1,7 м;
r= 90 м= 0,09 км (в учебных пособиях написано, что в логарифм формулы надо подставлять число в км)
f= 403*106 Гц;
а(НПРМ)= (1,11*lg(403)-0,7)*1,7-(1,56*lg(403)-0,8)= 3,72-3,26=0,46 дБ;
L= 69,65+26,16*lg(403)-13,83*lg(5)-0,43+(44,9–6,55*lg(5))*lg(0,09)= 69,65+68,15-9,66-0,46-42,13= 85,55 дБ
;
Тогда в сельской местности: LC= L-4.78*(lg(f))2+18.31*lg(f)-40.94 дБ,
LC
= 85,55-32,44+47,70-40.94= 59,87 дБ.
Теперь сравним полученный результат со значением, рассчитанным с помощью модели потерь в свободном пространстве (применяемые формула взяты из слайдов прошлого семестра):
LLOS(r,f)= 27,56-20lg(403)-20lg(r) (дБ), где rвыражено в метрах, f – в МГц; тогда:
LLOS(r,f)=
27,56-52,1-20,9=|45,44| дБ.
Вывод: LLOS(r,f)<L– верно.
Выбор модуляции:
  По требованию КП вероятность ошибки на бит Pb: 10-5, анализируя графики зависимости символьной ошибки от ОСШ, принято решение использовать следующие виды модуляции:
BPSK– самая простая форма фазовой манипуляции. Эта модуляция является самой помехоустойчивой, каждый символ несёт только один бит информации, что обуславливает наименьшую скорость передачи.
Вероятность символьной ошибки: PE(M)=2*Q*(√(2*ES/N0)*sin(pi/M)),
где ES=EB*(log2M) – энергия на символ, M- размер множества символов;
функция Q(х)= 1/2*erfc(x/√(2)) (использована erfc– комплементарная функция ошибки);
(в пакете Matlabя воспользовался командой bertool, поэтому обошлось без скриптов программ, по требованию преподавателя могу предоставить такой вариант)
Рисунок 2. График зависимости символьной ошибки от ОСШ для BPSK
С помощью функции Selection Styleподбираем по оси Y значение вероятности ошибки 10-5, по оси X величина ОСШ Eb/N0=9.5 дБ.
8-PSK– используется 8 разных сдвигов фаз и может кодировать 3 бита в символе, увеличивая скорость передачи. Вероятность символьной ошибки имеет схожую форму записи. Если подставить размер множества символов М=8, то выражение примет вид:
PE(8)=2*Q(√(2*log2(8)*Eb/N0)*sin(pi/8));
Рисунок 3. График зависимости символьной ошибки от ОСШ для 8-PSK
По оси X величина ОСШ Eb/N0=12.93 дБ.
1.8.4. Обоснованный выбор метода помехоустойчивого кодирования, перемежения, деперемежения, оценка эффективности кодирования.
  Канальное кодирование представляет собой класс преобразований сигнала, выполняемых для повышения качества связи. В системе используется блоковый код для определения и коррекции ошибок.
Требуется закодировать всё сообщение, передаваемое в канале связи. Подсчёт числа бит при передаче данных составил 49 бит –(кодируемое поле данных, один пакет физического уровня – одно кодовое слово). Значит блок из kинформационных бит отображается в кодовое слово длины n – (n,k). Используя команду bchnumerr в пакете Matlab, определяется размерность блокового кода. Из таблицы возможных вариантов выбираются следующие:
размер кодового слова – 63, кодируемое слово - 45, количество исправляемых ошибок – 3;
размер кодового слова – 63, кодируемое слово - 36, количество исправляемых ошибок – 5;
Оценка эффективности кодирования определяется энергетическим выигрышем: для этого в команде bertoolукажем поле канального кодирования Block и введём требуемые параметры.
Модуляция BPSK:
Рисунок 4. График зависимости символьной ошибки от ОСШ для BPSK
код (63, 45) –9,05 дБ, код (63, 36) – 8,8 дБ, без кодирования 9,5 дБ;
Модуляция 8-PSK:
Рисунок 5. График зависимости символьной ошибки от ОСШ для 8-PSK
код (63, 45) – 12,33 дБ, код (63, 36) – 12,03 дБ, без кодирования 12,93 дБ;
выбор схемы перемежения:
Производится изменение порядка следования символов информационной последовательности (стоящие рядом символы оказываются разделёнными несколькими другими). Перемежение обеспечивает преобразование групповых ошибок в канале связи в одиночные. Воспользуемся блочным перемежением. Обозначение (K,J), К – количество бит во входном информационном блоке, J– количество бит, на которое разносятся соседние для входного блока биты. Соответствие битов выходного блока входной последовательности - b(k) = b(i) (i = 1, 2,..,K-1) по методу: k = 1 + ((J·i) mod K).
1.8.5. Оценка уровня мощности излучения излучения передающего устройства, сравнение с заданным значением
Pизл АС. Расчёт чувствительности приёмников АС (БС).
Модуляция BPSK:
∆f= Rb*1/log2M= 32000*1/log222=32000*1/2=16 кГц;
Шумовая полоса на входе приёмника: Пш=∆f*1,1=17,6 кГц;
Nш= 10 дБ - коэффициент шума первых каскадов приемника, максимальная мощность теплового шума на входе приёмника равна:
PШ= NШ*k*T*ПШ, где k (постоянная Больцмана) = 1.38*10-23 Дж/К или Вт/КГц.
Эталонная шумовая температура To= 290 К – это значение является приближенной оценкой температуры источника большинства каналов связи.
PШ= NШ*k*T*ПШ= 10*1,38*10-23*290*17,6*103=
0,7*10-15 Вт,
PШ, дБ= 10*lgPШ
= -151,5 дБ*Вт;
Максимальная чувствительность приемника:
PПМ= PШ, дБ+ Nш+ С/N= PШ, дБ+(PC/PШ)*(1/log2(M))+ 10*log2(Rb/ ПШ)= -151,5+8,8+2,6= -140,1 дБ;
Мощность передатчика:
PПД= PПМ+LС+GT+GR= -140,1+59,87-2-1= -83,23 дБ
где LС - затухание сигнала в канале связи, GT= 2 дБ, GR= 1 дБ - коэффициент усиления приёмной и передающей антенны;
PПД Вт= 10дБ/10= 4,75*10-9 Вт; рассчитанное значение меньше исходного требования КП PИЗЛ< 30 мВт.
Модуляция 8-PSK:
∆f= Rb*1/log2M=32000*1/log223= 32000*1/3= 10, 66 кГц;
Пш= ∆f*1,1= 11,73 кГц
;
PШ= NШ*k*T*ПШ=10*1,38*10-23*290*11,73*1030,47*10-15 Вт
,
PШ, дБ= 10*lgPШ= -153,28 дБ*Вт
;
PПМ= PШ, дБ+(PC/ PШ)*(1/log2(M))+ 10*log(Rb/ ПШ)= -153,28+12,03*1/3+4,36= -144,91 дБ;
Мощность передатчика:
PПД= PПМ+LС+GT+GR= -134,91+59,87-2-1= -78,04 дБ.
PПД Вт= 10дБ/10= 1,57*10-8 Вт (затраты на модуляцию 8-PSK оказались выше).
1.8.6. Пояснение структурной схемы физического уровня системы.
Приведём подробную структурную схему терминала на основе выполненных пунктов.
Рисунок 6. Структурная схема терминала
  На передающей стороне буфер предназначен для накопления определённого размера данных, что важно при последовательной работе блочного кодера и перемежителя, который является составной частью кодера. Блок управления поддерживает связь с кодером, с целью отправки команд о смене метода кодирования. В перемежители происходит разнесение информационных бит с известной последовательностью перемежения. Блок формирования пакетов также связан с блоком управления, который выносит решение о типе формируемого пакета. Служебные сообщения учитывают режим сбоя работы терминала (рисунок 7, п.1.5.). Затем данные поступают на модулятор BPSKили 8-PSK в зависимости от профиля работы и качества канала связи. В передающем устройстве происходит требуемое усиление сигнала, и передача с телеметрического порта в канал связи. В устройство приёма заложена ФАПЧ, эквалайзер выравнивает частотную характеристику канала связи. Работа на приём в дальнейших блоках происходит в обратном порядке соответственно типу передачи.
Реализация режима конкурентного доступа на физическом уровне:
  Развитие этой темы будет присутствовать в первой переработанной статье, разбирая ошибки, и прочитав методичку «Основы построения беспроводных сетей стандарта 802.11», могу сказать, что в структурной схеме должен появиться такой блок, который будет связан с блоком формирования пакетов, ведь у разных терминалов могут быть разные режимы работы и это надо учитывать.
1.8.7. Обоснование видов и назначения логических каналов связи, используемых на физическом уровне.
  В системе сбора данных каждый кадр (рисунок 2, п.1.4.) содержит блок передаваемых данных. Эти блоки с помощью временного разделения передаются в определённый временной промежуток. Каждый временной интервал это один логический канал связи физического уровня. Виды логических каналов: канал частотной коррекции, канал тактовой синхронизацииОбоснование: канал коррекции частоты и канал синхронизации используются для синхронизации терминала со структурой временных слотов, посредством определения границ пакетов и нумерации тайм слотов.
1.8.8. Определение типов пакетов физического уровня, обоснование структуры полей пакетов каждого типа, оценка размеров полей, длительности пакета.
  Пакеты физического уровня должны передаваться в малый промежуток времени при регистрации или запросе канала, это будет рассматриваться как ещё вариант уменьшения вероятности коллизий. Рисунок пакета взят из иерархической модели системы (рисунок 3, п.1.4.).
Рисунок 7. Пакет данных
Обоснование полей: поле коррекции частоты, поле параметров синхронизации, Data (пакеты канального уровня, с использованием блочного кода), защитный интервал взят из стандартных размеров КП – 3 бита, для определения границ передаваемого пакета.
  Как уже было отмечено в пункте 1.8.2. «Для правильной работы эквалайзера необходима передача настроечных последовательностей по каналу синхронизации». В п.1.8.7. наличие канала тактовой синхронизации, подразумевает эту передачу. 
При сложении полей размер пакета 93 бита при установленной скорости передачи 32 кбит/с требуется временной интервал 3 миллисекунды.
Оценка пропускной способности ЛКС:
  Итак, скорость передачи данных 32 кбит/с, это гарантируемая скорость физического уровня. Без избыточных данных, при условии передачи информации от одного радиомаяка, минимальная пропускная способность логических каналов 21 кбит/с. Основным каналом является канал трафика. Значит, по этому каналу будет передаваться, при установленном первоначально значении 50 бит, 420 сообщений в секунду. Для BCCH – 1050 сообщений.
Список используемой литературы:
1)  КП «Система сбора данных с подвижных станций» п. 1.1.-1.3.;
2)  КП «Система сбора данных с подвижных станций» п. 1.4.-1.6.;
3)  КП «Система сбора данных с подвижных станций» п.1.7.;
4)  Лекции по дисциплине ОТССПО;
5)Электронный ресурс: http://www.rfs-rf.ru/grfc/index.htm, ФГУП «ГРЧЦ»;
6)Б. Скляр “Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение”, Москва - Санкт-Петербург- Киев: изд. дом “Вильямс”, 2003;
7)Электронный ресурс: http://www.cs.vsu.ru/~kas/doc/infonets/infonets04.pdfBPSK модуляция;
8)  Слайды по дисциплине ССПО, "Эмпирическая формула потерь Окамура-Хата";