1.6. Обоснование и подробное описание задач, выполняемых на физическом уровне.

Проработка вопросов,связанных с обеспечением синхронизации сетевых устройств на физическом уровне.

Назначение физического уровня было описано ранее  в п.1.2.  В соответствии с п.1.5 требуется обеспечить 10000 физических каналов, из которых 2 - TCH для команд управления и передачи системной информации и телеметрии, в 9998 - для передачи видеопотока.

 Рис.1. Структура каналов физического уровня

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

Для также воспользуемся помехоустойчивым сверточным кодом. Помехоустойчивый кодер добавляет к информационным битам сообщения дополнительные избыточные биты, чтобы на приемной стороне была возможность исправления возникших в ходе передачи ошибок.

1.6.2. Пояснение способа реализации проведения радиоизмерений на физическом уровне.

Как было сказано в п. 1.4 терминал производит радиоизмерения в момент приёма сообщений посредством измерения преамбулы. Если это значение первое или отличается от предыдущего на величину отличную от установленного порога, то уровень принятия решений Т формирует сообщение и отправляет его ТД, которая вносит его в базу(если сообщение первое) или принимает решение об изменении уровня мощности сигнала.

 Рис.2. Алгоритм проведения радиоизмерений

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.

Сообщения, поступающие на уровень L1, проходят этап радиоизмерений, демодуляцию, декодирование и выделение адреса на L2, затем вместе с радиоизмерениями поступают на уровень L3, где уже предпринимаются дальнейшие решения о их судьбе.

Для упрощения работы системы длина пакетов сообщения L2 уровня всегда остается неизменной. Формирование структуры пакетов физического уровня приводится ниже.

Рис.3. Структура пакетов физического уровня

Мы используем три профиля физического уровня, QPSK модуляцию для передачи команд управления, BPSK модуляцию для передачи телеметрии и QAM-16 для передачи видео.

      Количество бит на IQ-символ (квадратурный символ) различно в зависимости от выбранного профиля: для BPSK-1 бит на IQ-символ, QPSK-2 бита на IQ-символ, для QAM-16-4 бит на IQ-символ. Преамбула модулируется QAM-16 с целью повышения помехоустойчивости и состоит из 12 OFDM символов. Модуляция последующих символов зависит от содержания служебного поля.

Соответственно, для QAM-16 информационная часть после кодирования будет состоять минимум из 256*2/4 =  128 символов, для BPSK из 256*2=512 символов, для QPSK из 256*2/2=256 символов. Следовательно, при передаче каждой поднесущей одного символа модуляции, для оптимальной передачи одного пакета (без заполнения OFDM-символов незначащими IQ-символами) количество информационных поднесущих должно равняться 128. Тогда, для QAM-16 один пакет будет передаваться ровно 2-мя OFDM-символами, для BPSK 8-ю OFDM-символами, для QPSK 4-мя OFDM-символами. 

 Рис.4. Структура поднесущих

D - данные;

I - поднесущие защитного игнтервала;

P - пилот-сигнал.

1.6.4. Пояснение способа обеспечения частотной и временной синхронизации.

Для радиоинтерфейса OFDM необходима высокая синхронизация частоты и времени, в нашей системе она обеспечивается добавлением преамбулы из 12 OFDM символов. Преамбула представляет из себя 10 «укороченных» по времени и 2 полных OFDM символа.

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

Исходя из п.1.8 требуемая пропускная способность физического канала приблизительно равна R=19,71 Мбит/с. С учетом внесенной избыточности получим (74/186)*1,1= 0,438,  что является долей преамбулы и избыточности. Следовательно 0,562/19,67=28,57 Мбит/с.

Необходимую минимальную полосу для модуляции QAM-16 можно рассчитать по формуле: 

R_c=(n/k)*R=(133/171)*28,57=22.22 мбит/с - скорость передачи на выходе кодера

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

Для БПЛА целесообразным является выбор диапазона СВЧ, при котором возможно создать антенну малых размеров. Одним из подходящих частотных диапазонов является диапазон 2,4 ГГц. Для этого диапазона полоса занимаемых частот по уровню -3 дБ не должна превышать 15 МГц, а по нулям спектра – не более 22 МГц, что удовлетворяет нашей полосе.

Уровень потерь можно найти по формуле: L=20log₁₀(4πD/λ)=20log10(4*3,14*4000/0,125)=112.1 дБ, где D – расстояние между приемником и передатчиком, м; λ – длина волны, м.

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 BPSK, а также сверточный код со скоростью 1/2. ОСШ при заданной вероятности ошибки должно быть не менее 10,7 дБ для 16QAM и 4,772 дБ для BPSK.

Рис. 5. ОСШ

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.

Т.к. 99% передаваемой в системе информации это видео, то для упрощения расчетов примем всю передаваемую информацию как видеопоток.

Исходя из предыдущих пунктов получаем:

Для 16QAM:

Осш E_b/N0 = 10,7 дБ;

Коэффициент усиления передающей антенны G_T=2 дБ;

Коэффициент усиления принимающей антенны G_r=2 дБ;

Затухания в канале связи L = 112,1 дБ;

Необходимая минимальная полоса Δf=0,174 Мгц;

Скорость передачи данных после кодирования R = 28,42 Мбит/с;

Шумы каскадов: Nk = 10 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 = 7,1 * 1,1 = 0,1914 Мгц

Мощность шума:Pш = k ∙ T ∙ П_ш = 1,38 * 10^-23 * 296 * 0,1914 * 10⁶  = 8,3 * 10^-20 Вт = -190.95 дБ 

Аналоговое отношение сигнал/шум:C/N = (E_b / N₀) + 10 log(R_N / П_ш) = 10,7 + 10 log(0,694/0,1914) = 29,283 дБ 

Чувствительность приемника:Pпрм = Pш + Nk + C/N = -190.95 + 10 + 29,283 = -151,667

  дБ = 6,81*10^-16 Вт 

Мощность передатчика по одному каналу:P₁ = (Pпрм  + L – G_T – G_r) = (-151,667 + 112,1 - 2 - 2)= -43,567 дБ = 0,000044 Вт 

Оценим область уверенного приема при Pr=90%.

Вероятность приема в 90% точек: χ = PR/100 = 90/100 = 0,9.

По таблице функции Лапласа определяется W, ближайщее к 0,1.

Рис.6. Таблица функции Лапласа.

W = 1,28

Рис. 7. Определение площади уверенного приема

Примем σ = 7 – дисперсия по месту, n = 5 – коэффициент потерь.

Имея отношение σ/n=1,4 получаем r50=0.83.

Тогда область радиопокрытия в 90% точек:

R90 = 10^(-Wσ / 10n) * r50 = 10 ^ (-8,96 / 50) * 0,83 = 0,55 км

Тогда затухания в канале связи: 

L=20log10(4*3,14*550/0,125)= 94.8 дБ

Требуемая для обеспечения PR = 90% в радиусе 4 км. мощность излучения равна:

P₁ = -151,667 + 94,8 - 2 - 2= -60,867 дБ= 82 мкВт

1.6.9. Построение блок-схем алгоритмов приема/передачи сообщений физического уровня.

C канального уровня поступает поток битов, затем кодируется сверточным кодом со скоростью 1/2. Далее эта последовательность формируется в пакет физического уровня и к ней добавляется FEC код и преамбула для  временной и частотной синхронизации. Затем данные поступает на блок модуляции,  где они преобразуются в модулированные символы, которыми  модулируются информационные поднесущие OFDM сигнала в блоке ОFDM модулятора и  передаются в канал.

На приемной стороне алгоритм отличается тем, что после демодуляции сообщения системой проведения радиоизмерений замеряется сигнал и его величина отправляется на уровень принятия решений, для возможных изменений уровня передаваемого сигнала для более точного приёма. Также во время разборки демодулированного пакета приемник синхронизируется с передатчиком по преамбуле. Остальные операции дублируют передатчик в обратном направлении.

Рис.8. Алгоритм передачи сообщений

Рис.9. Алгоритм приёма сообщения

Список литературы:
1.Бакке А. В. "Лекции по курсу: Системы и сети связи с подвижными объектами"

2.http://radio-systems.org/uav_communications_links
3.http://omoled.ru/publications/view/447

4.http://omoled.ru/publications/view/931

5. https://ru.wikipedia.org