Радиосеть передачи данных. Часть 2. Физический уровень (исправленный)

1.6. Обоснование и подробное описание задач, выполняемых на физическом уровне. Проработка вопросов, связанных с обеспечением синхронизации сетевых устройств на физическом уровне.

Физический уровень - нижний уровень модели, основная задача которого – достоверная передача потока битов, поступающего с верхнего, канального уровня, посредствам радиоканала физическому уровню другого узла сети.

Проведем оценку полного трафика системы.

Для использования логических каналов управления, например – BCCH, SACCH выделяются отдельные физические каналы.

1.6.1. Анализ и обоснованный выбор мер по защите физического уровня от многолучевости.

Для борьбы с многолучевостью может использоваться выравнивание характеристик канала на приемной стороне. Использование методов, собирающих рассеянную энергию символа в ее исходный временной интервал позволит избавиться от проблем многолучевости. Поскольку в мобильных системах характеристика канала меняется со временем, выравнивающий фильтр должен изменяться или приспосабливаться к нестационарным характеристикам канала. В проектируемой системе будем использовать фильтр – эквалайзер. Для его работы необходимо наличие обучающей последовательности, следовательно в структуре сообщения физического уровня будем учитывать поле настройки фильтра эквалайзера.

1.6.2. Пояснение способа реализации проведения радиоизмерений на физическом уровне.

Терминал производит радиоизмерения сигнал\шум во время приема сообщений. Физический уровень, измерив эту величину, отправляет информацию на L3, где сравниваются с пороговым значением. После чего, сетевой уровень отправляет на L1 информацию о мощности сигнала, требуемой для качественной передачи, и в сообщении L3 записывает передаваемый параметр. Таким образом, терминал принявший сигнал, распаковав сообщение L3, определяет уровень мощности, с которым сигнал был передан терминалом-передатчиком, а информация, полученная со службы L1 предоставляет возможность сравнить заявленную мощность с полученной и на основании чего получить данные о наличии/отсутствии препятствий, на пути прохождения радиосигнала.

1.6.3. Проработка структуры радиоинтерфейса L1-уровня, обеспечивающего двусторонний обмен пакетами физического уровня. Проработка профилей физического уровня и сценария их выбора. Определение типов пакетов физического уровня, обоснование структуры полей пакетов каждого типа, оценка размеров полей.

В нашей сети используется 4 физических канала:

1-й канал для передачи BCCH.

2-й канал для передачи SACCH.

3-й канал для передачи трафика.

4-й канал для ретрансляции трафика.

В работе используются два профиля передачи данных: BPSK и QAM-16.

BPSK – используется для передачи служебных сообщений, для обеспечения высокой достоверности передаваемых сообщений.

QAM-16 - используются для передачи трафика для обеспечения высокой скорости.

Количество бит на символ различно в зависимости от выбранного профиля: для BPSK-1 бит на символ, а для QAM-16-4 бит на символ.

Поле данных необходимо для непосредственной передачи трафика или команд управления.

FEC (блок избыточных разрядов) для исправления ошибок в процессе передачи.

В работе системы присутствует эквалайзер, значит, имеет место быть поле настройки фильтра. эквалайзера.

Так же в структуре пакета присутствуют флаги начала, конца пакета FL.

Рисунок 1 – Общий вид структуры пакета физического уровня.

Соответственно, для QAM-16 информационная часть после кодирования будет состоять минимум из 342*2/4 = 171 символов, а для BPSK из 342*2=684 символов.

1.6.4. Пояснение способа обеспечения частотной и временной синхронизации.

В нашей системе частотная и временная синхронизация обеспечивается широковещательным каналом BCCH см. пункт 1.5.2

1.6.5. Оценка пропускной способности физического канала связи с учетом избыточности, вносимой на L1-уровне. Оценка требуемых частотных ресурсов.

Исходя из п.1.5.8 требуемая пропускная способность физического канала приблизительно равна 0,98 Мбит/с.

С учетом внесенной избыточности на обслуживание каналов BCCH и SACCH требуется:

((342)*50)+60=17160 [бит]- на обслуживание канала BCCH

((342)*50)+60=17160 [бит]- на обслуживание канала CACCH

С учетом внесенной избыточности на обслуживание каждого канала трафика требуется:

409600/324*342=432356[бит]

С учетом помехоустойчивого кодирования со скоростью ½, пропускная способность должна быть увеличена вдвое. Таким образом, пропускная способность физических каналов должна быть не менее:

17160*2=34320 [бит/c]- на обслуживание канала BCCH

17160*2=34320 [бит/c] - на обслуживание канала CACCH

432356*2=864712 [бит/c]- на обслуживание канала трафика

общая пропускная способность каналов трафика:

864712+34320+34320+864712=1798064[бит/c]

Необходимую минимальную полосу можно рассчитать по формуле:

Δf1 = R / log₂n = 34320/ log₂4=17,2 КГц - для каналов с BPSK модуляцией

Δf2= R / log₂n = 864712/ log₂16=0,22 МГц - для каналов с 16QAM модуляцией

Следовательно Δf= 2(Δf1+Δf2)=0,48МГц

1.6.6. Обоснованный выбор частотного диапазона(на основании документов ГКРЧ); аргументированный выбор модели оценки потерь при распространении радиоволн выбранного диапазона, расчет уровня потерь.

В соответствии с приложением «Инструкции о порядке регистрации и эксплуатации любительских радиостанций»: полоса частот 1260-1300 МГц может использоваться любительской службой с мощностью передатчика до 5 Вт на вторичной основе. Ширина используемого канала 0,48МГц. В соответствии с «Приложением к решению ГКРЧ от 10 марта 2011 г. №11-11-03» уточним выбранный диапазон: 1279 1280– 1281 МГц, предназначенный для всех видов модуляции и использования с уровнем излучаемой мощности до 5 Вт.

Принято решение выбрать диапазон УВЧ, потому что распространение волн данного типа возможно только в пределах прямой видимости, практически полностью отсутствуют явления интерференции волн, следовательно, искажения сообщений. Так же важным преимуществом для данного диапазона является использование антенн малых размеров.

Уровень потерь можно найти по формуле: L=20log10(4πD/λ)=20log10(4*3,14*80/0,23)= 72,80 дБ, где D – расстояние между приемником и передатчиком, м; λ – длина волны, м.

Для оценки потерь внутри помещения лучше подойдет модель ITU –R-1238, которая учитывает потери при многократном прохождении сигнала через пол, что позволяет предусмотреть такие характеристики, как повторное использование частоты на различных этажах здания.

Ltotal = 20 log10 f + N log10 d + Lf (n)

N=28 – Дистанционный коэффициент потерь мощности.

f – Частота (МГц).

d – Расстояние разнесения (м) между базовой станцией и переносным терминалом (где d > 1 м).

Lf – Коэффициент потерь за счет прохождения сигнала через пол (дБ).

n – Максимальное количество этажей между точкой доступа и терминалами (n >1)

Пусть n=3, тогда Lf =27.

Ltotal = 130,503 дБ

Расчёт представлен в курсовом проекте: http://omoled.ru/publications/view/613

1.6.7. Расчет отношения сигнал/шум, требуемого для обеспечения заданной вероятности битовой ошибки для выбранного вида и типа модуляции/демодуляции. Обоснование выбора метода помехоустойчивого кодирования, перемежения/деперемежения, расчет эффективности кодирования. Коррекция данных расчета отношения сигнал/шум с учетом метода помехоустойчивого кодирования. Окончательная оценка требуемых частотных ресурсов.

По техническому заданию вероятность ошибки на бит Pb: 10^-6. Мы используем модуляции 16QAM и BPSKОСШ при заданной вероятности ошибки должно быть не менее 10,75 дБ для 16QAM и 7,577дБ для BPSK.

Рисунок 2 – определение площади уверенного приема

1.6.8. Оценка уровня мощности передачи с учетом необходимого запаса мощности сигнала для его уверенного приема с вероятностью PR % на границе радиопокрытия, оценка размера зоны радиопокрытия.

Исходя из предыдущих пунктов получаем:

Для 16-QAM:

Осш E_b/N0 = 10,75 дБ;

Коэффициент усиления передающей антенны G_T=2 дБ;

Коэффициент усиления принимающей антенны G_r=2 дБ;

Затухания в канале связи L = 130 дБ;

Необходимая минимальная полоса Δf=0,22 Мгц;

Скорость передачи данных после кодирования R = 864712бит/с;

Шумы каскадов: Nk = 2 дБ;

Постоянная Больцмана: k = 1,38 * 10^-23 Дж/К;

Шумовая температура (нормальные условия): Т = 296 К.

Шумовая полоса одного канала:П_ш = Δf * 1,1 = 0,22 * 1,1 = 0,242 Мгц

Мощность шума:Pш = k ∙ T ∙ П_ш = 1,38 * 10^-23 * 296 ∙ 0,242 * 10⁶ = 0,98 * 10^-16 Вт = -160дБ

Аналоговое отношение сигнал/шум:C/N = (E_b / N0) + 10 log(R / П_ш) = 10,75 + 10log(1/0,242) = 16,9 дБ

Чувствительность приемника: Pпрм = Pш + Nk + C/N = -160 + 2 + 16,9 = -141,1дБ =

=7,76*10^-15Вт

Мощность передачи по одному каналу трафика :Pизл = Pпрм + L – G_T – G_r = -140.143 + 103,5 - 2 - 2= -37,37 дБ =0.17мВт

Для BPSK:

Осш E_b/N0 = 7.577 дБ;

Коэффициент усиления передающей антенны G_T=2 дБ;

Коэффициент усиления принимающей антенны G_r=2 дБ;

Затухания в канале связи L =103,5дБ;

Необходимая минимальная полоса Δf=17,2 Кгц;

Скорость передачи данных после кодирования R = 34320бит/с;

Шумы каскадов: Nk = 2 дБ;

Постоянная Больцмана: k = 1,38 * 10^-23 Дж/К;

Шумовая температура (нормальные условия): Т = 296 К.

Шумовая полоса одного канала:П_ш = Δf * 1,1 = 17,2 * 1,1 = 18,92Кгц

Мощность шума:Pш = k ∙ T ∙ П_ш = 1,38 * 10^-23 * 296 ∙ 18,92 * 10⁶ = 7728 * 10^-17 Вт = -131 дБ

Аналоговое отношение сигнал/шум:C/N = (E_b / N0) + 10 log(R / П_ш) = 7,577 + 10log(34320/18920) = 10,2 дБ

Чувствительность приемника:Pпрм = Pш + Nk + C/N = -131 + 2 + 10,2 =-118,8дБ = 1,3*10^-12 Вт

Мощность передатчика по одному каналу управления :Pизл = Pпрм + L – G_T – G_r = -118,8 + 103,5 - 2 - 2= 19,3дБ = 0,0117Вт

Мощность передатчика:

Pизл=0,0117*2+0,000017*2=0,024Вт

Оценим область уверенного приема в 75% точек. Для этого воспользуемся формулой:

В таблице функций Лапласа найдем значение, ближайшее к ((100 - 75) / 100) = 0,25 и получим W = 0,68. Примемσ = 10 и n = 5, так как наша сеть мобильна и может находиться в плотной городской застройке.

По графику на рисунке 7 мы определяем искомое значение r75