Курсовая работа по дисциплине
«Системы и сети связи с подвижными объектами».
Тема: «Голосовая радиопочта»
Выполнили:
студенты группы 319
Клычникова Н.В., Лукашова Е.В.
Целью данного курсового проекта является проектирование системы голосовой почты, предназначенной для объединения в единую сеть мобильных терминалов с целью доставки речевых сообщений другим пользователям сети в пределах ограниченной территории.
Основные требования к системе:
- off-line доставка сообщений: при отсутствии в сети адресата сообщение должно быть доставлено позже;
- возможность доставки голосовых сообщений абонентам других подобных сетей.
Исходные данные к проекту:
· Максимальное количество абонентов в сети: 700;
· Радиус зоны радиопокрытия: 5000 м;
· Гарантируемая (минимальная) скорость передачи данных: 256Kбит/с;
· Тип местности: городская застройка;
· Вероятность ошибки на бит Pb: 5*10-7;
· Мощность излучения подвижной станции Ризл : < 0.5 Вт ;
· Рекомендуемая технология передачи: OFDM PR: 75%;
· Диапазон частот, вид модуляции выбирается самостоятельно.
1.1. Обоснование архитектуры решения, пояснение задач и схемы взаимодействия "пользователь - радиосеть - другие пользователи". Проработка состава сетевого терминала (выделенного узла сети), отражающего выполнение возлагаемых на объект задач. Характеристика и пояснение практической реализации следующих задач точки доступа: "организация сети мобильных терминалов с целью доставки подготовленных речевых сообщений другим пользователям сети; анализ возможности доставки голосовых сообщений абонентам других подобных сетей " - пояснение стратегии по отношению к терминалам "обнаружил сеть/получил сведения/зарегистрировался/приступил к исполнению задач пользователя", анализ предполагаемых видов сообщений, способов отправки и получения сообщений; проработка примера подготовки речевого письма.
Основная услуга беспроводной сети – адресная доставка сообщений между пользователями сети.
Архитектуру решения поставленной задачи создания данной системы можно описать подобным образом: (рис.1):
Система состоит из ТД и множества мобильных терминалов, то есть для реализации системы был выбран структурированный вариант построения сети - обмен информацией ведется через точку доступа (ТД), которая реализует большинство процедур, связанных с управлением передачей данных, оставляя терминалам только простую обработку сигналов. Такой способ организации сети позволяет упростить управлением доступом к сети.
Обмен данными между терминалами различных ТД происходит с помощью единого информационного хранилища.
Единое информационное хранилище данных – файловая сеть, для хранения данных и их совместного использования клиентами хранилища. Клиенты хранилища используют сетевые протоколы на базе IP для сохранения и извлечения данных.
Рисунок 1. Архитектура решения поставленной задачи.
Взаимодействие всех узлов сети осуществляется посредством единого набора правил передачи сообщений – радиоинтерфейса.
Сеть передает свои параметры по широковещательному каналу. Для передачи информации пользовательские терминалы, находясь в радиусе действия радиосети, посылают запрос точке доступа (А1) о регистрации в сети. Вместе с ответом на запрос им присваивается индивидуальный номер (идентификатор), который начинается с номера точки доступа (А11-А1n). ТД производит аутентификацию абонента и заносит терминал в журнал активных абонентов.
Один из терминалов передает голосовое сообщение, ТД извещает терминал получателя о наличии данных для него. Если терминал, для которого адресовано сообщение, находится в сети, ТД отправляет данные, если же он отключен или занят, то данные остаются в информационном хранилище и через каждый период Т (сек) точка доступа повторно отправляет извещение о наличии сообщения этому терминалу и, при получении ответа о готовности принять сообщение, отправляет данные. После передачи данных ТД оповещает терминал на передающей стороне о том, что данные приняты (это происходит в том случае, если пользователь при отправке сообщения указал, что желает получить отчет о доставке).
Для связи абонентов с абонентами других подобных сетей точка доступа будет обеспечивать соединение с др. точками доступа через единое информационное хранилище. Каждая ТД посылает запрос в хранилище – «имеются ли данные для нее?» И если имеются – получает эти данные.
ТД выполняет следующие задачи:
· Передачу ID сети по каналу;
· Оповещения абонентов о новом сетевом объекте и наоборот;
· Организация соединения между терминалами;
· Аутентификация и идентификация абонентов;
· Ведение журнала абонентов;
· Сбор статистики;
· Организация подключения терминалов к внешней сети.
Рассмотрим состав сетевого терминала (выделенного узла сети): (рис.2)
Рисунок 2. Состав сетевого терминала (выделенного узла сети).
Радиомодуль отвечает за формирование радиосигнала и достоверный прием потока битов. Представляет собой небольшое USB-устройство (брелок-флешку), которое подключается к терминалу.
Информационная система – содержит: статистику (время работы абонента в сети, входящий и исходящий трафик); сетевой адрес; персональный идентификатор ID.
Блок управления - формирует запросы на передачу информации, принимает решение об изменение своего режима работы.
Сетевой контроллер - периферийное устройство, обеспечивающее соединение с ТД.
Кодер - устройство кодирования/декодирования информации из цифрового представления в аудиосообщение.
1.2. Анализ видов информационных сообщений, выделение источника каждого конкретного сообщения и получателя. Подробный анализ "жизненного цикла" сообщений - от события, инициирующего появление сообщения, до момента его исполнения на приемной стороне. Проработка структуры информационных сообщений.
Рисунок 3. Виды информационных сообщений.
Терминал пользователя отправляет 2 вида сообщений: (рис.3)
- служебные, предназначенные для ТД (запрос о регистрации, телеметрия, сообщения о активном/неактивном статусе терминала);
- сообщения для других терминалов (голосовые сообщения).
Рассмотрим подробный анализ «жизненного цикла» сообщений: (рис.4)
Рисунок 4. «Жизненный цикл» сообщения.
В приложении «Голосовая почта» на мобильном устройстве пользователю доступен журнал зарегистрированных абонентов. Пользователь терминала А11 (далее т.А11) решил отправить сообщение пользователю терминала А18 (далее т.А18) и записывает для него аудиосообщение с помощью микрофона. Кодер кодирует сигнал в поток битов, информационная система добавляет к этим битам дополнительные биты, в которых закодирована информация для обработки и доставки данного сообщения. Сетевой контроллер обеспечивает соединение с ТД, блок управления терминалом формирует запрос на передачу информации, а радиомодуль формирует радиосигнал.
Радиомодуль ТД принимает сигнал, который поступает на блок управления и одновременно сохраняется в единое информационное хранилище, которое с помощью журнала абонентов сети определяет терминал, которому предназначены данные и отправляет их ТД, взаимодействующей с терминалом-получателем. ТД отправляет т.А18 извещение о наличии данных для него, получив ответ о готовности принятия – отправляет сообщение из хранилища, а т. А11 в свою очередь получает отчет о доставке.
На стороне получателя происходят те же манипуляции с сигналом, что в т.А11, только в обратном порядке. Голосовое сообщение воспроизводится с помощью динамика мобильного устройства т.А18.
Проработка структуры сообщений: (рис.5)
Рисунок 5. Структура сообщений.
Голосовые сообщения и сообщения-сессии имеют различную структуру и передаются раздельно без потери информации. Это увеличивает производительность. В сообщениях сессии указываются адреса терминалов, опции доставки голосового сообщения и другая информация для обработки и хранения сообщений. А в голосовых сообщениях передается только поток битов, который кодирует само аудио-сообщение, номер его фрагмента и номер сессии, которой сообщение принадлежит.
Когда сообщение служебное, его структура остается прежней, меняется только F(процедура обработки).
· Поле «A1» - содержит адрес передатчика;
· Поле «A2» - содержит адрес приемника;
· Поле «F» несет информацию о том, какому кодеку предназначено сообщение;
· Поле «Servise» содержит служебную информацию (свойства доставки сообщения);
· Поле «Date1» содержит дату отправки сообщения;
· Поле «Date2» содержит дату, когда желательно достать сообщение из информационного хранилища и доставить его;
· Поле «КС» содержит контрольную сумму (CRC-код) служит для определения целостности пакета;
· Поле «S» несет в себе номер сессии, нужно при сборке фрагментов в одно сообщение;
· Поле «№» - номер фрагмента сообщения;
· Поле «Info» содержит само голосовое сообщение или его фрагмент.
1.3.-1.4. Краткая характеристика целевого ПО терминала (выделенного узла сети), пользовательского интерфейса (интерфейса взаимодействия с внешним объектом). Построение обобщенной иерархической схемы радиосети, отражающей схему взаимодействия "пользователь - радиосеть - объект управления".
Рассмотрим характеристику целевого ПО терминала и пользовательского интерфейса: (рис.6)
Рисунок 6. Характеристика ПО терминала и пользовательского интерфейса.
Радиомодуль – неотъемлемая часть, предназначенная для организации передачи-приема сообщений по радиоресурсу. В нем реализуется функциональность L1, L2 уровней (физического и канального).
Сетевой контроллер – подчиняется заранее проработанному сценарию взаимодействия, исполнение которого основывается на диалоге сетевых устройств. Диалог же требует установления канала передачи данных, таким образом в составе ТД должен быть особый модуль (уровень L3), выполняющий управление поведением сетевого узла.
Основная цель работы сети - передача голосовых сообщений между пользователями сети. Это будет осуществляться посредством применения радиомодуля, подключенного к каждому терминалу, и специально установленного приложения "Голосовая почта". Пользователь записывает голосовое сообщение, затем выбирает команды, заложенные в программном обеспечении(ПО). Под контролем ПО происходит передача команд на радиомодуль через USB. Радиомодуль обрабатывает полученные данные и отправляет ТД. ТД принимает, обрабатывает их и передает соответствующему терминалу - получателю.
Интерфейс взаимодействия с пользователем должен обеспечивать:
1)переводить команды управления в сообщения.
2)принимать голосовое сообщение и предоставлять его пользователю.
3)отражать журнал зарегистрированных в сети пользователей .
1.5. Канальный уровень: разработка подсистемы управления доступом к среде, проработка процедур гарантированной/негарантированной доставки служебных и информационных сообщений.
1.5.1. Определение и краткая характеристика возможных режимов работы терминала разрабатываемой радиосети (на основании п.1.1-1.4). Выделение активного и пассивного состояний терминала, характеристика задач,выполняемых терминалом в этих состояниях. Анализ возможных решений по обеспечению энергосбережения.
Основываясь на идеях и решениях, изложенных в первой части курсовой работы, осуществим проработку концепта схемы "точка-многоточка" (рисунок 7) и обоснование идеи множественного доступа:
Система состоит из ТД и множества мобильных терминалов, то есть для реализации системы был выбран структурированный вариант построения сети - обмен информацией ведется через точку доступа (ТД), которая реализует большинство процедур, связанных с управлением передачей данных, оставляя терминалам только простую обработку сигналов. Такой способ организации сети позволяет упростить управлением доступом к сети.
Взаимодействие всех узлов сети осуществляется посредством единого набора правил передачи сообщений – радиоинтерфейса.
Сеть передает свои параметры по широковещательному каналу. Для передачи информации пользовательские терминалы, находясь в радиусе действия радиосети, посылают запрос точке доступа (А1) о регистрации в сети. Вместе с ответом на запрос им присваивается индивидуальный номер (идентификатор), который начинается с номера точки доступа (А11-А1n). ТД производит аутентификацию абонента и заносит терминал в журнал активных абонентов.
Один из терминалов передает голосовое сообщение, ТД извещает терминал получателя о наличии данных для него. Если терминал, для которого адресовано сообщение, находится в сети, ТД отправляет данные, если же он отключен или занят, то данные остаются в информационном хранилище и через каждый период Т (сек) точка доступа повторно отправляет извещение о наличии сообщения этому терминалу и, при получении ответа о готовности принять сообщение, отправляет данные. После передачи данных ТД оповещает терминал на передающей стороне о том, что данные приняты (это происходит в том случае, если пользователь при отправке сообщения указал, что желает получить отчет о доставке).
Рисунок 7. Архитектура решения поставленной задачи.
В сети планируется реализация 100 каналов трафика в обоих направлениях. Для обеспечения выбранной стратегии доступа в системе основную роль должна выполнять ТД. С этой целью в сценарии взаимодействия Т-ТД должны быть выделены следующие режимы:
Режим регистрации
После включения устройства происходит поиск сети, информацию о которой точка доступа передает по широковещательному каналу BCCH (широковещательный канал управления). Если сеть не найдена, то терминал переходит в спящий режим и через некоторое время осуществит поиск сети снова. Если терминал находится в зоне действия какой-либо ТД, то она, получив запрос на регистрацию, должна отправить терминалу сигнал подтверждения регистрации. Если терминал такого сигнала не получает, то он вновь осуществляет поиск сети. При успешной регистрации терминал записывает в свою память идентификатор сети ID ТД, который необходим для последующего доступа в сеть без прохождения процедуры регистрации.
После успешного вхождения в сеть, терминал сообщает ТД о том, с каким периодом он будет просыпаться, чтобы та в свою очередь с этим периодом отправляла в ВВСН уведомление о наличии сообщений для него. А далее терминал может работать в режиме передачи или приема данных, а может вернуться в спящий режим.
Пассивный режим (спящий)
При получении отчета о доставке терминал переходит в спящий режим, т.е. переходит в режим пониженного энергопотребления, в котором находится большую часть времени. Из этого режима терминал выходит периодически для того, чтобы уведомить ТД о своей активности и получить или отправить сообщение.
Необходимо учесть режим завершения сеанса связи. ТД сама принимает решение о выходе терминала из сети. Такое решение принимается в трех случаях:
1) терминал самостоятельно покинул сеть;
2) терминал потерял связь с точкой доступа (долгое время не заявлял о своей активности);
3) терминал внезапно потерял энергообеспечение (например, «сел» или был вынут аккумулятор), в этом случае терминал так же долгое время не будет выходить на связь, и ТД перенесет данный терминал в список не активных.
Выход терминала из сети осуществляется, например, простым выключением питания или выходом за пределы радиуса действия ТД.
Режим передачи данных
Передача данных, в отличие от передачи речи, не требует предоставления непрерывного канала на все время сеанса связи и тем самым предполагается использование нескольких каналов трафика. Прошу учесть, что голосовые сообщения – это не непрерывная речь в реальном времени, а предварительно записанное речевое сообщение, которое в дальнейшем передается по каналам связи, но оно может быть тоже сколь угодно большим и передавать только одно сообщение за один сеанс связи – не рационально. Перед посылкой данных другому участнику сети терминал накапливает пакеты, требуемые к отправке, после чего он приступает к передаче запроса на предоставление канала трафика по каналу RACH (транспортный канал случайного доступа). Получив канал трафика - передает данные точке доступа. По окончании передачи терминал ожидает подтверждение. Получив его, терминал переходит обратно в пассивный режим.
Режим приема данных
ТД в широковещательном сообщении, оповещает терминал о том, что для него есть данные. Таким образом, она переводит терминал из пассивного режима в активный. Терминал отправляет точке доступа сообщение о готовности к приему данных. Далее ТД начинает передачу данных. Если данные успешно приняты, то их хранение в информационном хранилище больше не нужно – они удаляются. Если данные не были приняты, ТД необходимо повторить передачу. После получения данных терминал формирует отчет о доставке и возвращается в спящий режим. Если у точки доступа есть еще сообщения для терминала, она уведомит его об этом в процессе обмена и терминал, не дожидаясь сообщения BCCH, вновь приступит к процедуре приема данных от ТД.
Рисунок 8. Диаграмма состояний терминала.
Представленная на рисунке 8 диаграмма состояний отражает основные режимы работы, которые были описаны выше.
Анализ возможных решений по обеспечению энергосбережения.
Одним из наиболее важных способов по обеспечению энергосбережения является уменьшение времени работы терминала. Терминалу не требуется работать постоянно, т.к. передача и прием информации не происходят непрерывно. Следовательно, на какое-то время терминал может отключаться, тем самым экономя электроэнергию (что важно в случае мобильности терминала) ценой небольших задержек передачи сообщения.
Это достигается тем, что терминал прослушивает BCCH (в котором хранятся данные о терминалах, для которых у ТД есть сообщение) не постоянно, а через определенные промежутки времени. Увеличение этого промежутка увеличивает задержку между передачей и приемом сообщения, но уменьшает затраты энергии. По умолчанию этот промежуток одинаковый для всех терминалов.
А так же, если терминалу требуется передать сообщение, но все каналы трафика ТД уже заняты, он засыпает на время, пока один из каналов не освободиться, затем снова повторяет запрос. Это время узнается терминалом в ответном сообщении от ТД, которое она отправляет с разрешением/не разрешением занять канал трафика, т.к. вместе с запросом на канал каждый терминал отправляет ТД время, которое потребуется ему для передачи данных в этот раз.
Обеспечение энергоэффективности и энергосбережения на физическом уровне достигается следующими путями:
· увеличение КПД радиомодуля (например, УВЧ и антенны);
· уменьшение мощности излучения до минимально необходимого уровня;
· использование более энергоэффективных видов кодирования и модуляции.
1.5.2. Обоснование назначения, способа реализации и основных параметров физических каналов связи. Аргументированный выбор способа организации доступа к физическим каналам, подробное пояснение алгоритма множественного доступа. Анализ возможных причин возникновения коллизий в радиосети и пояснение решения по их устранению.
Физическим каналом в разрабатываемой сети является радиоканал с определенной полосой частот. Чтобы улучшить производительность сети и разрешить проблему возникновения коллизий (+ снизить вероятность второй коллизии во время повторной передачи) выберем в качестве способа реализации совместного использования полосы частот алгоритм множественного доступа с прослушиванием несущей и разрешением коллизий – CSMA/CD.
Коллизия (англ. collision — ошибка наложения, столкновения) — в терминологии компьютерных и сетевых технологий, наложение двух и более кадров от станций, пытающихся передать кадр в один и тот же момент времени в среде передачи коллективного доступа.
Множественный доступ с прослушиванием несущей и разрешением коллизий (CSMA/CD)
Этот методом устанавливает следующий порядок:
· Если терминал хочет воспользоваться сетью для передачи данных, он сначала должен проверить состояние канала: начинать передачу терминал может, если канал свободен.
· Если возникает конфликт из-за того, что два терминал пытаются занять канал, то ТД выдает в сеть специальный сигнал, и оба терминала одновременно прекращают передачу.
· Принимающая ТД отбрасывает частично принятое сообщение, а все терминалы, желающие передать сообщение, в течение некоторого, случайно выбранного промежутка времени выжидают, прежде чем начать передачу.
Обнаружение коллизий. Коллизии могут быть обнаружены сравнением передаваемой и получаемой информации. Если она различается, т.е. другая передача накладывается на текущую (возникла коллизия), то передача прерывается немедленно. Посылается сигнал, что вызывает задержку передачи всех терминалов на произвольный интервал времени, снижая вероятность коллизии во время повторной попытки.
Рисунок 9. Организация доступа к физическому каналу связи.
1) На промежутке времени t0 – t1 точка доступа рассылает широковещательное сообщение BCCH, содержащее ее ID, список активных терминалов и список терминалов, для которых у ТД есть сообщение.
2) Под канал случайного доступа RACH выделен промежуток времени t1 – t2. Терминал посылает запрос – сигнал, содержащий данные о времени, на которое он хочет занять канал и ID адресата сообщения.
3) Затем по каналу разрешенного доступа AGCH (t2 – t3) точка доступа отвечает терминалу, чье сообщение приняла первой, может/не может он занять канал. А так же, в этом сообщении содержится следующая информация: время, на которое он занимает канал, кому адресована передача. Терминалы, кому не досталось свободного канала трафика, засыпают на указанное время – это является одним из путей увеличения энергоэффективности терминала. В следующий раз эти терминалы начнут передачу тогда, когда освободиться хотя бы один канал трафика (как говорилось выше, они узнают об этом в сообщении AGCH от ТД).
4) Терминалы занимают каналы трафика TCH (t3 – t4) и производят в них обмен данными. После получения подтверждения о приеме, терминалы переходят в пассивный режим до следующей передачи или следующего прослушивания BCCH, что так же является одним из путей увеличения энергоэффективности терминала. Если терминал не получил подтверждение, либо обмен производился в направлении ТД – Т (в этом случае в процессе передачи точка доступа может сообщить терминалу о наличии для него других сообщений) терминал снова приступает к приему.
5) На промежутке времени t4 – t5 точка доступа снова рассылает широковещательное сообщение, и описанный алгоритм повторяется.
1.5.3. Пояснение способа двустороннего обмена сообщениями по радиоинтерфейсу.
Радиоинтерфейс будет организован следующим образом: время работы сети делится на мультикадры, которые в свою очередь разбиваются на некоторое количество кадров. В рамках одного кадра происходит передача широковещательной информации, запрос на предоставление канала, результат запроса (ответ от ТД) и передача данных. Соответственно каждый кадр должен быть разделен на временные слоты, в каждом из которых происходит передача сообщений определенных типов.
Для объяснения способа обмена сообщениями по радиоинтерфейсу рассмотрим диаграмму работы сети (рисунок 10) на примере передачи и приема голосового сообщения терминалами, подключенными к одной ТД. Допустим, у терминала А11 есть сообщение для А12. Все устройства сети, по заданию, мобильны и энергосбережение для них крайне важно, поэтому они прослушивают не каждую ВССН.
Рисунок 10. Взаимодействие абонентских терминалов с точкой доступа.
Изначально А11 накапливает пакеты для передачи. Следом отправляет свой запрос ТД на предоставление ему канала трафика для передачи по каналу RACH . Далее в канале AGCH А11 оповещается ТД о том, что имеется свободный для него канал и он может приступить к передаче. А11 передает свое сообщение по каналу трафика TCH ТД, ТД отвечает – сообщение принято.
Важно! В данной курсовой работе требуется предусмотреть обмен данными между терминалами различных ТД. Этот обмен будет происходить аналогичным образом, только данные из единого информационного хранилища будут отправляться не на ту же ТД, откуда поступили, а на другую, адрес терминала которой указан в специальном поле сообщения как получатель.
1.5.4. Обоснование необходимости и пояснение способа контроля качества радиоканала. Пояснение сценария контроля качества канала связи, реакция сценария на ключевые состояния качества радиоканала.
Система состоит из ТД и множества мобильных терминалов, которые находятся в различных условиях с точки зрения помех. Так же из-за того, что терминалы подвижны, возникает проблема многолучевого распространения сигналов, которое делает невозможной нормальную передачу информации без использования специальных средств борьбы. Делаем вывод, что в системе необходимо заложить работу двух профилей физического уровня: для подканалов с высоким и низким качеством. Эти профили будут отличаться видом модуляции сообщений. Целесообразно для подканалов с плохим качеством использовать модуляцию с малой позиционностью, а для каналов с высоким качеством – модуляцию с высокой позиционностью. Выбор того или иного профиля осуществляет модуль управления на основании результатов работы подсистемы радиоизмерений, расположенной на физическом уровне.
Рисунок 11. Схема проведения радиоизмерений.
В системе планируется использование OFDM-модуляции. В OFDM-символ будут включены пилот-сигналы и настроечная последовательность.
Результаты измерений мощности сигнала - получаются путем прямого измерения мощности принимаемого сигнала (в дБм).
Физический уровень L1 передает данные радиоизмерений на уровень L3 (уровень, где хранятся сценарии взаимодействия сетевых объектов), который анализирует их и возвращает на физический уровень команды о смене профиля и (или) изменении мощности излучения, что в конечном итоге положительно сказывается на энергоэффективности сети.
Так как радиоизмерения проводятся с приходом каждого пакета уровня L1, то управление профилями происходит достаточно оперативно. По умолчанию можно установить профиль с высокой помехозащищенностью передачи данных. Информация о профиле функционирования терминала, передается по каналу RACH вместе с запросом на предоставление индивидуального канала связи. Информация о профиле функционирования ТД, передается по каналу AGCH в пакете оповещения. Прежде чем осуществить передачу данных, терминал и ТД должны настроиться на одинаковый профиль функционирования физического уровня.
Сетевой узел-отправитель(ТД) передает сообщение сетевому узлу-получателю(терминалу А11). Физический уровень
получателя производит процедуры радиоизмерений, настраивает эквалайзер и передает на уровень управления сетевым
соединением полученные в ходе радиоизмерений данные. L3-уровень, анализирует полученные от физического уровня данные
радиоизмерений, записывает их и передает L1 рекомендуемый профиль передачи. Когда на L3 формируется сообщение ARQ, в
него, помимо самого отчета, включается информация о профиле передачи и о регулировке мощности излучения передатчика.
Данное сообщение, проходя путь любого другого служебного сообщения), оказывается на уровне управления сетевым
соединением узла-отправителя. Полученные из него корректировки профиля и мощности излучения записываются в
информационную систему отправителя. В следующий раз, когда сетевому узлу-отправителю снова понадобится отправить
сообщение получателю, уровень управления сетевым соединением, загрузив данные из информационной системы, настроит
модуляцию и мощность излучения физического уровня в соответствии с полученными ранее параметрами.
Если получатель сообщения является терминалом, рекомендуемый профиль передачи отправляется на физический уровень, который устанавливает тип модуляции согласно выбранному профилю. Если же получателем сообщения является точка доступа, профиль передачи и уровень мощности для каждого терминала выбирается непосредственно перед началом передачи, поскольку для каждого получателя (терминала) они будут своими.
1.5.5. Построение сценария установления соединения и доставки сообщений верхнего уровня. Пояснение диаграммы состояний сетевого узла, отражающей основные элементы разрабатываемого сценария.
Режим регистрации
Рисунок 12. Сценарий режима регистрации терминала в сети.
1. Терминал прослушивает радиоканал в поисках BCCH сообщения и при его нахождении принимает его.
2. Приняв BCCH, терминал получает канал RACH, по которому отправляет запрос на регистрацию и свой ID.
3. Точка доступа сообщит о готовности принять данные о терминале на регистрацию по каналу AGCH.
4. Терминал передает точке доступа информацию о себе, необходимую для проведения аутентификации.
5. ТД проверяет информацию (процесс аутентификации) и подтверждает (или не подтверждает) регистрацию.
После успешной регистрации терминал может перейти в режим передачи или приема и в пассивный режим, что мы можем пронаблюдать на рисунке 1 («Диаграмма состояний терминала»). Процесс регистрации будет повторяться периодически, т.е. точка доступа будет иметь обновляющейся список активных терминалов, который включается в широковещательное сообщение.
Режим передачи данных
Рисунок 13. Сценарий режима передачи данных терминала.
1. При необходимости передать сообщение терминал отправляет запрос на передачу по каналу RACH;
2. Точка доступа объявляет по AGCH может ли терминал занять один из каналов, если может, то какой и время, на которое он может занять этот канал.
3. Терминал, получая сообщение AGCH, приступает к передаче сообщения ТД.
4. ТД извлекает из принятого сообщения информацию, определяет получателя и отправляет ему сообщение, если же сообщение нужно отправить не сейчас, а позже или терминал-получатель вдруг находится в режиме off-line, то сообщение хранится в информационном хранилище до следующей отправки.
Режим приема данных
Рисунок 14. Сценарий режима приема данных терминала.
1. Терминал просыпается, прослушивает BCCH и узнает, есть ли для него сообщения. Если их нет, он засыпает снова.
2. Если имеются сообщения, терминал отправляет уведомление о готовности к приему.
3. Точка доступа объявляет доступный для этого Т канал трафика посредствам AGCH и время, на которое терминал занимает канал. Терминалы, которые не получили канал, засыпают на время, пока хотя бы один из TCH не освободится.
4. Точка доступа начинает передачу данных терминалу.
6. Если в буфере точки доступа есть еще сообщения для терминала, она извещает его об этом специальным сообщением после передачи данных.
7. Терминал анализирует принятые данные и проверяет правильность их приема. Если сообщение принято правильно он формирует подтверждение правильности приема (ARQ-сообщение), которое отправляет точке доступа. ТД по получению этого ARQ-сообщения, удаляет отправленное сообщение из информационного хранилища. Если сообщение принято не правильно, то оно не удаляется, т.е. терминал вновь может попробовать принять его.
В спящем режиме работа осуществляется следующим образом: когда терминал находится в пассивном режиме, возникает проблема принятия сигналов от ТД. Решение - периодическая активация терминала для принятия сигналов. В этих сигналах ТД сообщает терминалу о том, есть ли для него информация. Активируясь, терминал связывается с ТД и сообщает о том, с каким интервалом будет прослушивать канал связи. Пока терминал находится в спящем режиме, данные для него записываются в информационное хранилище.
1.5.6. Анализ задач, выполняемых на канальном уровне. Выделение типов логических каналов связи (ЛКС), которые будут использоваться на канальном уровне, и краткое пояснение назначения сообщений ЛКС.
Способы обеспечения достоверности принимаемых сообщений в каждом ЛКС,анализ необходимости подтверждения доставки сообщений и механизма ARQв процессе передачи.
Задачи, выполняемые на канальном уровне:
ü определение типа передаваемого сообщения: адресное или широковещательное;
ü указание адреса терминала;
ü обеспечение надежной доставки (CRC) - проверка достоверности принятого сообщения;
ü организация доступа к физическому каналу связи (ФКС).
Рассмотрим логические каналы связи, используемые в данной системе на канальном уровне на основе изложенных ранее сценариев:
1. BCCH (Broadcast Control Channel) - широковещательный канал, предназначенный для неадресной рассылки общей информации о сети. Содержит всю информацию о сети, а также идентификатор точки доступа, предназначенные для всех терминалов, находящихся в зоне обслуживания AP.
2. RACH (Random Access Channel) -транспортный канал случайного доступа. Используется для передачи запросов на подключение к сети, для восстановления синхронизации "вверх".
3. AGCH (Access Grant Channel) - канал разрешенного доступа, по которому передаются пакеты оповещения точки доступа, включающие в себя ID терминала, выигравшего конкурентную борьбу, а также время, занимаемое передачей сообщения этого терминала.
4. TCH (Traffic Channel) - предназначен для непосредственной передачи данных, а также передачи пакетов подтверждения передачи или приема.
В пакете каждого логического канала предполагается использование циклического избыточного кодирования – CRC-16 – алгоритма нахождения контрольной суммы. Для этого в пакете канального уровня следует учесть 16-битное поле для передачи контрольной суммы. Во время приема будет рассчитываться контрольная сумма для принятых данных, и сравниваться с полученной контрольной суммой. На основании этого делается вывод о правильности или неправильности приема пакета.
Если пакет был принят правильно/неправильно, то формируется соответствующее сообщение отправителю, в котором указывается номер неправильно принятого пакета. В случае неправильного приема отправителю следует повторить передачу в следующем кадре. Таким образом, можно сказать, что в разрабатываемой сети реализован механизм ARQ-сообщений, что в совокупности с использованием CRC-16 сильно повышает достоверность передачи сообщений в сети.
1.5.7. Проработка протокола передачи данных канального уровня: пояснение правила передачи сообщений различных ЛКС, обоснование структуры полей сообщений канального уровня, построение блок-схем алгоритмов приема/передачи сообщений.
Приведем структуры пакетов канального уровня для разрабатываемой сети.
Рисунок 15. Пакет канального уровня для передачи информационных и сообщений.
В сообщениях сессии указываются адреса терминалов, опции доставки голосового сообщения и другая информация для обработки и хранения сообщений. А в голосовых сообщениях передается только поток битов, который кодирует само аудио-сообщение, номер его фрагмента и номер сессии, которой сообщение принадлежит.
Рисунок 16. Пакет канального уровня для передачи широковещательных сообщений.
Рисунок 17. Пакет канального уровня для передачи служебных сообщений.
Когда сообщение служебное, его структура остается прежней, меняется только F(процедура обработки).
В состав пакета канального уровня входят следующие поля:
· Поле «A1» - содержит адрес передатчика;
· Поле «A2» - содержит адрес приемника;
· Поле «F» несет информацию о том, какому кодеку предназначено сообщение;
· Поле «КС» содержит контрольную сумму (CRC-код) служит для определения целостности пакета;
· Поле «S» несет в себе номер сессии;
· Поле «type» несет в себе тип широковещательного сообщения – от этого зависит как часто оно будет транслироваться по каналу ВССН;
· Поле «№» - номер фрагмента сообщения;
· Поле «Info» содержит само голосовое сообщение или его фрагмент.
Рассмотрим примера обработки терминалом сообщений различных ЛКС:
1. В интервале времени t0 – t1 осуществляется широковещательная рассылка от ТД пакета, содержащего служебную информацию, отраженную в полях пакета канального уровня (Рисунок 10): поле «F» = 11 - указывает на то, что пакет несет широковещательную информацию, поле «type» указывает как часто данное сообщение должно транслироваться, а поле «Info» содержит информацию, передаваемую с помощью сообщений BCCH.
2. В интервале времени t1 – t2 терминалы отправляют служебные сообщения о запросе на предоставление физического канала в свое распоряжение на время передачи, что отражается в «Info», а поле «F» = 01 в данном случае сигнализирует о том, что с помощью этого пакета терминал запрашивает канал.
3. В момент t3 – t4 ТД отправляет служебное сообщение, содержащее информацию о том, какой терминал получил доступ к каналу связи и на какое время. «F» = 01 - указывает на то, что пакет несет AGCH-информацию, а «Info» - содержит информацию, необходимую для терминалов.
4. В интервале времени t4 терминал осуществляет передачу пакетов трафика и после этого получает отчета о состоянии доставки от принимающего терминала. («F» = 00 - указывает на то, что данное сообщение является пакетом трафика, а «Info» - содержит пользовательскую информацию).
С учетом того, что длительность голосовых сообщений может быть довольно большой, сообщения трафика делятся на несколько фрагментов и передаются раздельно, но собираются в приемнике согласно номеру сессии. Также для этого предусмотрено 100 каналов трафика, чтобы множество терминалов могли одновременно обмениваться сообщениями.
Алгоритм передачи и приема представлен в виде блок-схемы на рисунке 18.
Рисунок 18. Алгоритм передачи и приема на КУ.
Передача:
Сверху, с уровня принятия решений передается информационный блок, определяется и добавляется к пакету тип (поле F) и адреса получателя и отправителя. Далее добавляется служебная часть. Если сообщение голосовое, то оно делится на фрагменты, каждому из которых присваивается порядковый номер и номер сессии, которой он принадлежит. В итоге для полученного пакета выполняется расчет CRC-16, для проверки в приемной стороне произошла ошибка или нет. В самом конце происходит компоновка фрейма и пакет отправляется на физический уровень.
Прием:
В полученном пакете выделяется адресная часть, затем рассчитывается СRC. В случае, если сообщение принято с ошибкой – уведомление об этом формируется и отправляется обратно. Далее происходит повторный прием. Если СRC-код совпал, то определяем тип сообщения – если сообщение служебное – выделяем тип команды и отправляем на уровень L3, если это сообщение трафика – отправляем на L2. Затем формируется отчет об успешной доставке.
1.5.8. Расчет пропускной способности канала трафика, вспомогательных каналов. Оценка требуемой пропускной способности физического канала.
По требованию технического задания, скорость передачи трафика должна составлять не менее 256 кбит/с от общей скорости. На обслуживание каналов BCCH, RACH, AGCH иTCH требуется:
200*3+200*100= 600+20000=20600 [бит] = 20,6 [кбит] (1)
- где 200 – длина сообщения канального уровня , 100 – число каналов TCH в одном кадре.
Пропускная способность на один мультикадр (длительностью примерно 1с) будет составлять
256+20,6 = 276,6 [кбит/с] (2)
С учетом помехоустойчивого кодирования со скоростью ½, пропускная способность должна быть увеличена вдвое, т.е.
2*276,6= 553,2 [кбит/с] (3)
Дополнительно, 10% на преамбулу и защитные интервалы
553,2+(276,6*0,1) = 580,86[кбит/с] (4)
Таким образом, пропускная способность физического канала должна быть не менее 0,6 [Мбит/c].
1.6. Обоснование и подробное описание задач, выполняемых на физическом уровне. Проработка вопросов, связанных с обеспечением синхронизации сетевых устройств на физическом уровне. Обоснование структуры полей пакета физического уровня.
Физический уровень -
1.6.1. Анализ и обоснованный выбор мер по защите физического уровня от многолучевости.
Для борьбы с многолучевым распространением будем использовать сигналы с ортогональной частотной модуляцией (OFDM) и перемежения потока битов. Технология OFDM построена таким образом, что сама по себе является эффективной мерой защиты физического уровня от многолучевости. Поэтому разработка дополнительных мер по борьбе с многолучевым распространением не требуется.
Суть технологии OFDM заключается в применении большого числа параллельных потоков передачи данных, разнесенных по поднесущим. В результате на передачу одного символа на каждой отдельной несущей может быть отведено большее время,чтобы сделать передачу каждого символа независимой от наличия отраженных сигналов, возникающих при многолучевом распространении.
Применение данной технологии изменит структуру символа, а также внесет дополнительную избыточность по частоте ( например, пилот-сигналы, они не несут информативной составляющей, но для их передачи все равно будет затрачиваться частотный).
Для уменьшения последствий возникновения многолучевости будем использовать помехоустойчивое кодирование. Его суть заключается в том, что на передающей стороне добавляются избыточные биты, позволяющие исправить возникающие в канале ошибки на приёмной стороне.
Применение такого кодирования отразится на структуре сообщений физического уровня, а именно внесёт дополнительную избыточность – поле FEC. Подробнее об этом будет говориться в п1.6.3 .
1.6.2. Пояснение способа реализации проведения радиоизмерений на физическом уровне.
Радиоизмерения проводятся при помощи преамбулы сообщения физического уровня и пилот-сигналов, равномерно распределенных по поднесущим OFDM.
Результаты измерений делятся на 3 вида:
1)Результаты измерений мощности сигнала - получаются путем прямого измерения мощности принимаемого сигнала (в дБм).
2) Передаточная функция канала - определяется на известных позициях пилот-сигналов и, с помощью использования интерполяции, получается вектор полной частотной характеристики для всех поднесущих. На основе полученной передаточной функции происходит настройка фильтра-эквалайзера, который производит компенсирование неравномерности АЧХ канала связи.
3)дисперсия различных символов сигнально-кодового созвездия - позволяет оценить отношение сигнал-шум и выбрать соответствующий профиль передачи. Чем больше дисперсия символа, тем меньше ОСШ и наоборот.
Рассмотрим реализацию радио измерений в случаи, когда терминал захотел передать сообщение(рисунок 19) .Прежде чем осуществить передачу данных, терминал и ТД должны настроиться на одинаковый профиль функционирования физического уровня.
Рисунок 19. Схема проведения процесса радиоизмерений при установлении сеанса связи.
Терминал посылает ТД запрос на предоставление канала по RACH и в этом же запросе содержится его профиль передачи. На приемной стороне подсистема радиоизмерений отправляет служебные сообщения, содержащие в своем составе информацию о проведенных радиоизмерениях, на сетевой уровень. На сетевом уровне полученные данные анализируются и принимается решение о выборе рекомендуемого профиля передачи. ТД в ответ по каналу AGCH вместе с сообщением о предоставлении канала отправляет информацию о профиле передачи и о регулировке мощности излучения передатчика. Как только подстройка профилей закончится начинается передача сообщений от терминала.
Так же необходимо рассмотреть организацию радио измерений во время проведения сеанса связи( на примере передачи сообщения от терминала к ТД), т.к. в условиях мобильности абонентов помеховая обстановка постоянно изменяется. В этом случае информация о профиле передачи может передаваться по каналу TCH вместе с сообщением трафика. На приемной стороне информация о проведенных радиоизмерениях так же передается на L3уровень, на нем принимается решение об измерении профиля передачи и о регулировки мощности передатчика. Выбранные параметры профиля передаются терминалу вместе с отчетом о получении (не получении)сообщения (или его фрагмента) по каналу TCH.
При поступлении сообщения на физическом уровне вычисляется мощность принятого сигнала ( изменение уровня мощности для обеспечения энергосбережения, для достижения уверенного приёма и для предотвращения переусиления ). дисперсия различных символов СКС (для вычисления ОСШ и принятии решения о выборе профиля передачи) и передаточная функция КС (для настройки фильтра- эквалайзера).
Информация о дисперсии и мощности сигнала передается на L3 уровень для принятия соответствующих решений .
В системе планируется использование OFDM-модуляции. На известных позициях пилот-сигналов, входящих в состав OFDM символа, с помощью использования интерполяции, получается вектор полной частотной характеристики для всех поднесущих. Это и есть передаточная функция необходимая для настройки эквалайзера, который производит компенсирование неравномерности АЧХ канала связи.
При прохождении через КС с неравномерной АЧХ, в ОFDM символ вносятся искажения. После приёма OFDM символа и прохождение его через эквалайзер, изменяется уровень пилот-сигналов (после проведения эквалайзинга уровень пилотов будет одинаковым).
1.
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.
Радиоинтерфейс физического уровня организован таким образом, что интервалы времени передачи данных от терминалов и ТД представляют собой мультикадр, каждый из которых разбивается на некоторое количество кадров. В рамках одного кадра происходит передача широковещательной информации, происходит запрос на канал и предоставление его, передача данных и передача пакета подтверждения принятия. Соответственно, каждый кадр разделен на временные слоты, в каждом из которых происходит передача сообщений определенных типов одним из терминалов или ТД. Количество временных слотов было выбрано в соответствии со статьей "Голосовая радиопочта" Часть 2 (канальный уровень) исправленная п.1.5.2 и отображено на рисунке 20 .
Рисунок 20. Организация двухстороннего обмена пакетами L1 уровня.
В сети планируется реализация 100 каналов трафика TCH в обоих направлениях.
В сети используется временное разделение каналов.
Проработка профилей физического уровня и сценария их выбора :
В разрабатываемой сети предполагается использование двух профилей передачи данных: профиль QPSK (базовая скорость передачи данных) и профиль QAM-16 (увеличенная скорость передачи данных).
Выбор того или иного профиля осуществляется точкой доступа на основании результатов работы подсистемы радиоизмерений .По умолчанию устанавливается профиль с низкой скоростью и высокой помехозащищенностью передачи данных – QPSK. При выявлении улучшения или ухудшения качества канала связи, уровень управления сетевым соеденением формирует команду на смену профиля функционирования.
В случае, если измеренные параметры обеспечивают необходимое качество передачи, узел связи переключится на профиль передачи с повышенной скоростью QAM-16.
Если позже, из-за подвижности терминалов, изменится помеховая обстановка и окажется, что рекомендуемой мощности и вида модуляции будет недостаточно для уверенного приема сигнала (отправитель не сможет с первого раза правильно передать сообщение), то уровень управления сетевым соединением установит модуляцию QPSK и максимальную для нее мощность. Эти параметры затем снова скорректируются в ходе радиоизмерений.
Таблица1.Сравнение профилей передачи QPSK и QAM-16.
Профиль | Скорость кодирования | Скорость передачи, Мбит/с | Количество бит на поднесущую | Выигрыш в ОСШ при применении кодирования, дБ | Требуемый уровень мощности, мВт |
QPSK | 1/2 | 30,7 | 2 | 3,7 | 4 |
QAM-16 | 1/2 | 61,4 | 4 | 3,6 | 19.1 |
Исходя из задач физического уровня, можно представить структурную схему сообщения L1 (Рисунок 21), представляющую собой последовательность символов OFDM. Сообщение физического уровня состоит из нескольких полей: преамбулы, служебного поля и поля данных.
Рисунок21.Структура сообщения физического уровня
· Преамбула (8бит)предназначена для временной и частотной синхронизации, а также для работы подсистемы радиоизмерений. В преамбуле использованы 10 «укороченных» по времени и 2 полных OFDM символа.
· Служебное поле содержит номер используемого профиля передачи (1 бит) .Оно подвергается сверточному кодированию со скоростью ½ (размер поля становиться равным 2 бита).
· Поле FEC (8бит) - поле избыточных битов, используется для исправления ошибок при приеме
· Поле данных необходимо для непосредственной передачи данных и исправления ошибок в процессе передачи. Поле данных содержит закодированные и перемеженные со скоростью ½ пакеты L2 объемом 800 бит каждый ( 400 до кодирования) в случае передачи пакета трафика и широковещательных сообщений и 400 (200) бита в случае служебного сообщения.
Учитывая структуру сообщения в п.1.2 (Рисунок 5) одно сообщение физического уровня может содержать несколько пакетов данных L2-уровня. Общая длинна поля данных равняется произведению количества пакетов в сообщении L1 и размерности закодированного пакета L2 (800 бит для пакетов трафика и широковещательных пакетов и 400 бита для служебных) . Минимальная длинна: 1 * 200 = 200 бита. Максимальная: 32* 800 = 25600 бит.
Количество бит на IQ-символ (квадратурный символ) различно в зависимости от выбранного профиля:
· для QPSK: 2 бита на IQ-символ;
· для QAM-16: 4 бит на IQ-символ.
Поле служебной информации и преамбула модулируются QAM-16 с целью повышения помехоустойчивости. Модуляция последующих символов зависит от содержания служебного поля.
Соответственно, для QAM-16 информационная часть будет состоять минимум из 800/4 = 200 символов, а для QPSK из 800/2 = 400 символов. Следовательно, при передаче каждой поднесущей одного символа модуляции, для оптимальной передачи одного пакета трафика (без заполнения OFDM-символов незначащими IQ-символами) количество информационных поднесущих должно равняться 50. Тогда, для QAM-16 один пакет трафика будет передаваться ровно 4-мя OFDM-символами, а для QPSK 8-ю OFDM-символами, в том числе для широковещительных сообщений. В случае передачи служебных сообщений для QAM-16 информационная часть будет состоять из 200/4 = 50 символов, а для QPSK из 200/2 = 100 символов. Они будут передаваться 1-м и 2-мя OFDM-символами соответственно.
Из-за того, что для формирования OFDM-сигнала используется ДПФ, желательно чтобы число поднесущих было кратно степени двойки, тогда вместо ДПФ можно использовать его более эффективный аналог – БПФ.
Зададим количество поднесущих равное 26 = 64. Распределим их следующим образом:
· 50 поднесущих содержат информацию;
· по 4 поднесущим передается пилот-сигнал для проведения радиоизмерений;
· 10 поднесущих по краям OFDM-символа являются защитными интервалами.
Структура поднесущих представлена на (Рисунок 22)
Рисунок22. Структура поднесущих.
1.6.4. Пояснение способа обеспечения частотной и временной синхронизации.
В разрабатываемой системе выберем для использования алгоритмы временной и частотной синхронизации, использующие для своих целей специальные вспомогательные символы. Это обосновано тем, что применение вспомогательных символов позволяет избавиться от негативного воздействия многолучевого распространения при оценке частотного и временного рассогласований. В роли этих вспомогательных символов выступает преамбула в составе сообщения физического уровня.
Преамбула состоит из набора укороченных OFDM-символов, которые используются для грубой частотной и временной синхронизации, а так же для обнаружения OFDM-сигнала, и двух полных OFDM-символов, представляющих собой настроечные последовательности, используемые для точной частотной подстройки.
Оценка временного рассогласования при применении вспомогательных символов вычисляется путем определения минимума среднеквадратичного отклонения между двумя блоками отсчетов.
Задача оценки частотного рассогласования так же будет решаться при помощи вспомогательных символов. Этот способ заключается в передаче в составе преамбулы двух идентичных OFDM символов.
1.6.5. Оценка пропускной способности физического канала связи с учетом избыточности, вносимой на L1-уровне. Оценка требуемых частотных ресурсов.
Оценка пропускной способности производилась "Голосовая радиопочта" Часть 2 (канальный уровень) исправленная п.1.5.8. В ней были учтены затраты на сверточное кодирование, синхронизацию, защитные интервалы и др.Из этого следует что значение пропускной способности физического канала связи должна быть не менее 0,6 [Мбит/c].
Основываясь на выбранной стратегии организации дуплекса в п.1.6.3 , нужно удвоить пропускную способность физического канала в 2 раза. Таким образом она станет равной 0,6*2 = 1,2 [Мбит/c].
На основании полученного значения оценим минимально необходимую полосу частот. Для QPSK , минимально необходимая (эффективная) полоса сигнала:
Δf = R / log2n = 1,2 × 106 / 2 = 0,6 МГц (5)
где: R – скорость передачи бит/с, n – кратность модуляции.
где: Δf – эффективная полоса сигнала для QPSK для 1 КС, n – кратность модуляции
Если учить, что используется OFDM модуляция и то, что нужно организовать 100 каналов трафика, эффективная полоса будет рассчитываться :
ΔfOFDM= Δf / m * M, где m - количество информационных OFDM поднесущих, М - общее количество OFDM поднесущих
ΔfOFDM = 0,6 * 106 /50 * 64 = 0,768 МГц (6)
скорость передачи по 1 КС для QAM-16:
R = Δf ∙ log2n = 0,768 × 4 × 106 = 3,072 Мбит/с (7)
где: Δf – эффективная полоса сигнала 1 КС для QPSK, n – кратность модуляции.
1.6.6. Обоснованный выбор частотного диапазона (на основании документов ГКРЧ); аргументированный выбор модели оценки потерь при распространении радиоволн выбранного диапазона, расчет уровня потерь.
На основании Постановления Правительства Российской Федерации от 25 июля 2007 г. № 476 ("О внесении изменений в постановление Правительства Российской Федерации от 12 октября 2004 г. № 539 "О порядке регистрации радиоэлектронных средств и высокочастотных устройств"), предусмотрено свободное использование частотного диапазона 446 МГц с мощностью излучения до 0,5 Вт включительно и выберем рабочую полосу частот: 446-446,1 МГц.
Проектируемая радиосеть будет работать в условиях городской застройки. Основная часть потери сигнала будут возникать при переотражении радиоволн от зданий. Для расчета потерь воспользуемся моделью Окамуры — Хата, полученной в итоге многолетних измерений поля в Токио.
В рамках этой модели потери L для случая квазиплоского города рассчитывается следующим образом:
(8)
Где hB — эффективная высота установки антенны БС в диапазоне(30 - 200)м; R — расстояние от БС (базовая станция) до АС (абонентская станция) в диапазоне (1 - 10) км; f— частота излучения БС, МГц; k — поправочный коэффициент, учитывающий протяженность трассы; a(hM) — поправочный коэффициент, зависящий от высоты мобильной антенны hM и для большого города при f > 400 МГц, определяемый как
Данные для расчета: Частота излучения БС: f=446,5 МГц. Пусть антенна базовой станции размещена на 9-этажном здании высотой около 25 м. Для обеспечения устойчивой связи антенна приподнята на 10 м над уровнем крыши. Следовательно, можно считать hB=35 м. Абонентские терминалы преимущественно размещаются на улицах (hM = 1,5 м). Расстояние от базовой станции до терминалов будет определяться радиусом зоны обслуживания – R=5 км. К=1 приR<20 км.
Тогда потери L для модели Окамура — Хаты рассчитываются следующим образом:
(9)
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
Расчет необходимого отношения сигнал/шум производился в утилите BER Analysis Tool из пакета программ Matlab. Согласно ТЗ необходимо обеспечить вероятность битовой ошибки менее 5×10-7. В ходе анализа были получены следующие зависимости, для двух видов модуляции (Рисунок23).
Исходя из изображенных графиков (Рисунок 23), можно сделать вывод, что для обеспечения заданной вероятности битовой ошибки требуется ОСШ равное:
· 11,5 дБ для профиля QPSK;
· 15,2 дБ для профиля QAM-16.
Очевидно, что в условиях низкого отношения сигнал-шум данная система будет работать неэффективно. Для увеличения порога ОСШ в системе используется добавление определенной избыточной информации к исходной последовательности.
Оценим необходимое для выполнения ТЗ ОСШ, с учетом сверточного кодирования, по умолчанию выставлен порождающий многочленом (171, 133), для двух профилей передачи (Рисунок 24).
Исходя из изображенных графиков (Рисунок 24), можно сделать вывод, что для обеспечения заданной вероятности битовой ошибки требуется ОСШ равное:
· 7,8 дБ для модуляции QPSK, что на 3,7 дБ эффективнее по сравнению с передачей без кодирования;
· 11,6 дБ для модуляции QAM-16, что на 3,6 дБ эффективнее по сравнению с передачей без кодирования.
В разрабатываемой системе применяется сверточный код с параметрами (7, [171 133]) и жестким декодированием по Витерби, что позволяет декодировать полученную последовательность кодовых слов с большой степенью правдободобия.
Перемежение в данной сети используется для обеспечения борьбы с пакетными ошибками. Оценка минимально необходимой полосы производилась в пункте 1.6.5 и коррекции не требует.
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.
Перед началом расчетов зададимся некоторыми параметрами среды и системы:
· Кол-во поднесущих OFDM: 64;
· Коэффициент усиления передающей антенны: GT = 13 дБ;
· Коэффициент усиления приемной антенны: GR = 13 дБ;
· Цифровое отношение сигнал/шум исходя из п. 1.6.7:
· для QPSK Eb/N0 = 7,8 дБ;
· для QAM-16 Eb/N0 = 11,6 дБ;
· Затухания в канале связи из п. 1.6.6: L = 147,64 дБ;
· Скорость передачи данных после кодирования из п. 1.5.8:
· для QPSK RC = 1.536 Мбит/с;
· для QAM-16 RC = 3.072 Мбит/с;
· Шумы каскадов: Nk = 2 дБ;
· Резерв мощности из-за замираний в канале связи: Pз = 2 дБ;
· Постоянная Больцмана: k = 1,38 × 10-23 Дж/К;
· Шумовая температура (нормальные условия): Т = 296 К.
Энергетический расчет
Расчет уровня мощности передачи для профиля QPSK. Сначала расчет ведется для одной информационной поднесущей.
Скорость передачи данных по каждому из параллельных каналов OFDM:
RN = RC / 50 = 1,536 × 106 / 50 = 15,6 × 103 бит/с = 30,72 кбит/с (10)
Минимально необходимая полоса пропускания одного OFDM канала:
Δf = RN / log24 = (30,72 × 103) / log24 = 15,36 × 103 Гц = 15,36 кГц (11)
Шумовая полоса одного OFDM канала:
Пш = Δf × 1,1 = 15,36 × 103 × 1,1 = 16,9 × 103 Гц = 16,9 кГц (12)
Мощность шума:
Pш = k ∙ T ∙ Пш = 1,38 × 10-23 ∙ 296 ∙ 16,9 × 103 = 6,9× 10-17 Вт = -162 дБ (13)
Аналоговое отношение сигнал/шум:
C/N = (Eb / N0) + 10 log(RN / Пш) = 7,8 + 10 log(30,72/ 16,9) = 10,39 дБ (14)
Чувствительность приемника:
Pпрм = Pш + Nk + C/N = -162 + 2 + 10,39 = -149,6 дБ (15)
Мощность передатчика (на один канал OFDM):
Pизл = Pпрм + Pз + L – GT – GR = -149,6 + 2 + 147,64 – 13–13 = -25,96 дБ = 2540 мкВт (16)
Суммарная мощность передатчика (с учетом 50-х информационных и 4-х пилотных поднесущих):
PизлСУМ = (50 + 4) × 2540× 10-6 = 137.16 мВт (17)
137,16 мВт < 0,5 Вт что с существенным запасом удовлетворяет требованиям технического задания. 137.16 мВт < 0,5 Вт что так же, с запасом, удовлетворяет требованиям законодательства РФ
Расчет уровня мощности передачи для профиля QAM-16. Сначала расчет ведется для одной информационной поднесущей.
Скорость передачи данных по каждому из параллельных каналов OFDM:
RN = RC / 50 = 3,072× 106 / 50 = 31,2× 103 бит/с = 61,4 кбит/с (18)
Минимально необходимая полоса пропускания одного OFDM канала:
Δf = RN / log2(16 )= (61,4 × 103) / 4 = 15,35 к Гц (19)
Шумовая полоса одного OFDM канала:
Пш = Δf × 1,1 = 15,35× 103 × 1,1 = 16,88 к Гц (20)
Мощность шума:
Pш = k ∙ T ∙ Пш = 1,38 × 10-23 ∙ 296 ∙ 16,88× 103 = 6,89× 10-17 Вт = -162 дБ (21)
Аналоговое отношение сигнал/шум:
C/N = (Eb / N0) + 10 log(RN / Пш) = 11,6 + 10 log(61,4 / 16.88) = 17,207 дБ (21)
Чувствительность приемника:
Pпрм = Pш + Nk + C/N = -162+ 2 + 17,207= -142,793 дБ (22)
Мощность передатчика (на один канал OFDM):
Pизл = Pпрм + Pз + L – GT – GR = -142,793 + 2+ 147,64 – 13 – 13= -19,153 дБ = 12200 мкВт (23)
Суммарная мощность передатчика (с учетом 50-х информационных и 4-х пилотных поднесущих):
PизлСУМ = (50 + 4) × 12200 ×10-6 = 658,8 мВт (24)
658.8 мВт < 0,5 Вт что с существенным запасом удовлетворяет требованиям технического задания. 658.8 мВт < 0,5 Вт что так же, с запасом, удовлетворяет требованиям законодательства РФ
По ТЗ PR = 75%.
Оценим область уверенного приема в соответствии с ТЗ.
Вероятность приема в 75% точек:
χ = PR/100 = 75/100 = 0,75 (25)
По таблице функции Лапласа определяется W:
F(-W) = χ – 0,5 = 0,75 – 0,5 = 0,25, W = - 0,68 (26)
значение r50 оценим по графику, представленному на рисунке 25:
Рисунок25. Определение площади уверенного приема.
Тогда область радиопокрытия в 75% точек:
r75 = 10^(Wσ / 10n) × r50 = 10 ^ (-6,8 / 50) × 0,78 = 5,7 км (27)
где σ = 10 – дисперсия по месту, n = 5 – коэффициент потерь
Тогда затухания в канале связи:
(28)
Произведя перерасчет мощности излучения по описанным выше формулам, и в соответствии с пересчитанным затуханием в канале связи, получим, что требуемая для обеспечения PR = 85% в радиусе 5 км мощность излучения (на один канал OFDM) равна:
· для QPSK: -23,98 дБ = 4 мВт;
· для QAM-16: -17,173 дБ = 19.1 мВт.
·
1.6.9. Построение блок-схем алгоритмов приема/передачи сообщений физического уровня.
Исходя из всего вышесказанного, можно построить алгоритм передачи сообщения физического уровня (Рисунок 26).
Рисунок 26. Алгоритм передачи сообщений физического уровня.
Представленный алгоритм передачи можно разделить на 5 этапов:
1. Инициализация и расчет параметров передачи. На данном этапе физический уровень получает от верхних уровней информацию о виде модуляции, мощности излучения, количестве пакетов L2 для передачи и соответствующим образом производит настройку своих блоков;
2. Формирование информационного поля сообщения ФУ. На этом этапе физический уровень производит канальное кодирование (сверточное кодирование + перемежение) и накопление поступающих пакетов L2. Затем накопленные пакеты L2 проходят квадратурную модуляцию и образуют одно информационное поле сообщения L1;
3. Формирование служебного поля сообщения ФУ. Этот этап заключается в формировании, сверточном кодировании и квадратурной модуляции служебного поля, состоящего из профиля передачи и значения количества пакетов L2 в сообщении L1;
4. Этап формирования OFDM-символов. На данном этапе происходит процесс OFDM-модуляции, на основе полученных в предыдущих этапах IQ-символов;
5. Этап окончательной сборки сообщения и передачи. В ходе выполнения этого этапа формируются символы преамбулы, к которым затем присоединяется служебное и информационное поля. После этих преобразований, окончательно сформированное сообщение физического уровня усиливается и излучается в радиоканал.
Блок схема алгоритма приема сообщения представлена на рисунке 27:
Рисунок 27. Алгоритм приема сообщений физического уровня
1.7. Построение результирующих иерархических моделей терминала и выделенных узлов сети (в соответствии с концепцией OSI) с отражением путей доставки служебных, так и информационных сообщений.
Модель OSI описывает схему взаимодействия сетевых объектов, определяет перечень задач и правила передачи данных. Эталонная модель OSI включает в себя семь уровней:
- физический (Physical);
- канальный (Data-Link);
- сетевой (Network);
- транспортный (Transport);
- сеансовый (Session);
- представления данных (Presentation);
- прикладной (Application).
Иерархическая модель OSI отражает поэтапную реализацию услуги: от интерфейса пользователя до физического уровня. Каждый уровень модели предназначен для выполнения ряда задач. Для решения каждой задачи используются службы. Каждая служба определенного уровня обращается с запросом к службам нижестоящего уровня. Результат выполнения задач предоставляется службам вышестоящего уровня.
Канальный уровень:
Рисунок 28. Иерархическая модель системы на примере двух терминалов и точки доступа.
Для выполнения задач поставленных перед разрабатываемой сетью (подробнее см. статью №1) , на основе эталонной модели синтезирована иерархическая модель узлов сети (рисунок 28), включающая в себя следующие уровни:
· физический уровень;
· канальный уровень с двумя подуровнями: подуровень управления доступом к среде МАС и подуровень управления доступом к каналу САС;
· верхний уровень (уровень принятия решений).
Физический уровень – это самый нижний уровень системы, который отвечает за непосредственный передачу (прием) сигнала в (из) радиоканал(а). Здесь же определяются требования к соединениям, разъёмам, электрическому согласованию, заземлению, защите от помех.
Канальный уровень отвечает за формирование пакетов стандартного вида, адресную доставку сообщений и контроль правильности приема. Здесь производится управление доступом к сети, обнаруживаются ошибки передачи.
МАС-подуровень реализует набор протоколов, которые обеспечивают безопасность, маршрутизацию, энергосберегающие функции и обмен данными с протоколами вышележащих уровней. САС-подуровень описывает процедуру доступа к общему каналу связи.
Сначала МАС-уровень формирует и передает пакет L1 уровню САС. Уровень CAC начинает процедуру конкурентной борьбы и получения доступа к физическому каналу связи. В разрабатываемой сети доступ к КС осуществляется на основе протокола CSMA (см. пункт 1.5.2).
Уровень принятия решений является управляющим ядром узла сети. Он обрабатывает данные полученные с нижних уровней и принимает решения на основе анализа этих данных. Например, он обрабатывает данные радиоизмерений и передает на физический уровень команды о выборе профиля передачи и регулировки мощности. И на ряду с пользовательским устройством, он может являться источником служебных сообщений.
Рисунок 29. Иерархическая модель терминала сети.
Физический уровень:
К Основный задачам, выполняемым на физическом уровне, относится сформирование необходимого для L2 уровня количество/тип ФК и обеспечение достоверной доставки битов по назначению.
Для выполнения задачи достоверной доставки применяются меры:
· синхронизация;
· помехоустойчивое кодирование;
· модуляция;
· применение технологии OFDM;
· эквалайзинг.
На Рисунке 30 представлена результирующая иерархическая модель сети в соответствии с концепцией OSI
Рисунок30 - Иерархическая модель системы
Физический уровень – это самый нижний уровень системы, который отвечает за непосредственный передачу (прием) сигнала в (из) радиоканал(а). Основная задача уровня – сформировать необходимое для L2 уровня количество/тип ФК и обеспечить достоверную доставку битов по назначению
Канальный уровень отвечает за формирование пакетов стандартного вида, адресную доставку сообщений и контроль правильности приема. Здесь производится управление доступом к сети, обнаруживаются ошибки передачи.
Уровень принятия решений является управляющим ядром узла сети. Он обрабатывает данные полученные с нижних уровней и принимает решения на основе анализа этих данных. Например, он обрабатывает данные радиоизмерений и передает на физический уровень команды о выборе профиля передачи и регулировки мощности. А так же, на ряду с пользовательским устройством, он может являться источником служебных сообщений.
С уровня принятия решений на физический уровень поступают результаты радиоизмерений (профиль передачи и мощность излучения) и информация о том, по какому каналу будет происходить передача. От канального уровня на физический поступают пакеты L2 и информация об их количестве. Пакеты L2 проходят через следующие процедуры: канальное кодирование, квадратурная модуляция, OFDM-модуляция и образуется информационное поле сообщения физического уровня.
Буфер накопления пакетов L2 предназначен для накопления нескольких пакетов, чтобы между потоком пакетов разместить служебное поле для корректировки правильности действий на приемной стороне.
На основе профиля передачи, типа сообщения, извлеченного из первого пакета L2 и значения количества пакетов в сообщении ФУ, поступившего от L2, формируется служебное поле. Служебное и информационное поля объединяются с заранее сформированной (а так же записанной в память, поскольку она всегда имеет одинаковый вид) преамбулой и образуют полное сообщение физического уровня. Оно усиливается до необходимого уровня и излучается в радиоканал.
На приемной стороне происходят аналогичные преобразования, которые так же отображены на рисунке30.
Для физического уровня разделения на служебные сообщения и сообщения трафика не существует, принятые сообщения будут подвергаться одинаковым преобразованиям.
2. Экспериментальная часть. Разработка и экспериментальное исследование программной модели канала
передачи данных.
2.1. Разработка и описание блок-схемы алгоритма модели.
Канальный уровень:
Разрабатываемая модель будет осуществлять передачу информационного сообщения по каналу TCH, необходимому для непосредственной передачи данных, от терминала к ТД.
Рисунок 31. Блок-схема приёма/передачи сообщений радиосети.
Физический уровень:
На рисунке 32 и рисунке 33 представлены блок схемы алгоритмов передающей и приемной части системы, основанные на алгоритмах , проработанных во второй части (физический уровень).
Рисунок 32 - Блок-схема передающей части модели
Рисунок 33 - Блок- схема приемной части модели
Передающая часть модели.
Сначала происходит определение параметров профиля передачи, таких как: мощность передачи, тип модуляции и др. Далее происходит формирования служебного поля, выбор вида модуляции в зависимости от помеховой обстановки и кодирование служебного поля. Служебное поле всегда модулируется QPSK для лучшей защищенности.
После того как служебное поле закодировано начинается цикл канального кодирования каждого L2 пакета и их накопление для последующих преобразований.
Затем символы OFDM проверяется на полноту и если это не так, то они дополняются нулями. Дальше происходит квадратурная модуляция, которая выбирается в зависимости от флага (если флаг равен нулю, то QPSK модуляция, если нет - QAM16), и цикл сборки OFDM символов.
В составе первого OFDM символа передается информация об их количестве.
После этого служебное и информационное поля объединяются, формируется преамбула и происходит сборка сообщения L1 уровня.
Приемная часть модели.
При приеме сообщения сначала происходят определение преамбулы, первичные радиоизмерения и выделение полей сообщения и преамбулы.
Далее происходит квадратурная демодуляция и канальное декодирование служебного поля и извлечение из него информации о профиле передачи, типе сообщения и количестве пакетов L2.
Затем начинается цикл чтения OFDM- символов и извлечение из них пилот сигналов, настройка фильтра эквалайзера и формирование потока данных из поднесущих.
Важно! Информация о количестве OFDM- символов передается в первой символе.
После формирования потока данных осуществляется квадратурная демодуляция ( в зависимости от значения флага: 0- QPSK , 1- QAM-16), определение СКО и, наконец, происходит сравнение длины информационного поля на передающей и приемной стороне (FEC). Здесь возможны несколько вариантов: если длины больше - лишние биты убираются, если длина поля меньше - устанавливается флаг об ошибке, если длина соответствует - начинается дальнейшее преобразование сообщения.
Если ошибки обнаружены - происходят оповещение КУ, если же ошибки не обнаружены начинается цикл чтения пакетов L2 и их декодирование.
2.2. Разработка программных модулей передачи и приема сообщений канального уровня.
Канальный уровень:
Программный модуль состоит из Matlab-функций имитирующих работу ФУ и КУ, функции предназначенной для непосредственного формирования OFDM-символов, а так же скрипта отражающего часть сценария работы сети, а именно - передача псевдослучайного сообщения трафика (состоящего из одного пакета) от терминала к точке доступа.
Рисунок 34. Структура передаваемого сообщения.
start.m – часть сценария работы сети, частично затрагивает работу канального уровня сети;
· l2_func.m – функция отражающая работу канального уровеня системы;
· phy_lvl.m – функция отражающая работу физического уровня системы;
· makeOfdmFrame.m –функция для формирования OFDM-символа.
Рисунок 35. Блок-схема алгоритма функции l2_func.m.
Листинг №1:
function [ type_rcv, adrt_rcv, adrr_rcv, num_rcv, data_rcv, crcFlag ] = l2_func( type, adrt, adrr, num, data )
%%
% type - Тип сообщения
% adrt - Адрес отправителя
% adrr - Адрес получателя
% num - Номер пакета
% data - Информация
% _rcv - принятые поля
% crcFlag - флаг результата проверки контрольной суммы
% 1 - CRC совпадают, 0 - CRC не совпадают
%% Инициализация параметров
% Параметры для ФУ (см. функцию ФУ для описания)
global mProfile; % Профиль передачи
global SN; % ОСШ
global showImg; % Показ изображений
% Полином CRC-16 кода
poly = [ 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 ];
%== Канальный уровень передатчика ==%
%% Формирование полей пакета L2
fl = [ 1 0 1 0 1 ]; % Начало пакета L2
if type == [ 0 0 0 0 ] % Определение базового типа сообщения для ФУ
basicType = 0;
else
basicType = 1;
end;
inf_block = [ type adrt adrr num data ];
crc = [ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ]; % Подготовка поля CRC
tail = [ 0 0 0 0 0 0 0 ]; % Поле нулей для сверточного кодера
% Расчет CRC
[ z, x ] = deconv( [ inf_block crc ], poly );
x = mod( abs( x ), 2 );
crc = x( (end - length( crc ) + 1):end );
% Окончательное формирование пакета L2
L2_msg = [ fl inf_block crc tail ];
%%
%== Физический уровень ==%
[ L2_msg_rcv ] = phy_lvl( L2_msg, basicType, mProfile, SN, showImg );
%%
%== Канальный уровень приемника ==%
% Выделение пакета L2
L2_msg_rcv = L2_msg_rcv( 8:end );
fl_rcv = L2_msg_rcv( 1:length( fl ) );
inf_block_rcv = L2_msg_rcv( length( fl ) + ( 1:length( inf_block ) ) );
crc_rcv = L2_msg_rcv( length( fl ) + length( inf_block ) + ( 1:length( crc ) ) );
%% Проверка пакета на наличие ошибок
[ z x ] = deconv( [ inf_block_rcv crc_rcv ], poly );
% Проверка остатка
x = mod( abs( x ), 2 );
if x == zeros( 1, length( [ inf_block_rcv crc_rcv ] ) )
% 'Сhecksum correct.'
crcFlag = 1;
else
% 'Сhecksum incorrect.'
crcFlag = 0;
end;
%% Выделение информационного блока
type_rcv = inf_block_rcv( ( 1:length( type ) ) ); % Тип сообщения
adrt_rcv = inf_block_rcv( length( type ) + ( 1:length( adrt ) ) ); % Адрес отправителя
adrr_rcv = inf_block_rcv( length( type ) + length( adrt ) + ( 1:length( adrr ) ) ); % Адрес получателя
num_rcv = inf_block_rcv( length( type ) + length( adrt ) + length( adrr ) + ( 1:length( num ) ) ); % Номер пакета
data_rcv = inf_block_rcv( length( type ) + length( adrt ) + length( adrr ) + length( num ) + ( 1:length( data ) ) ); %Информация
end
Физичекий уровень:
Элемент сценария описываемый в модели представляет собой передачу сообщения трафика между терминалом и точкой доступа. В ответ на получение сообщения точка доступа формирует ARQ-отчет, в котором сообщает о правильном\не правильном приеме сообщения. В случае не правильного получения сообщения точкой доступа терминал повторяет передачу. Если первичная попытка передачи осуществлялась с помощью профиля QAM-16 и была провальной, профиль передачи меняется на более помехоустойчивый - QPSK.
В модели присутствует возможность регулирования ОСШ в КС (переменная SN) и количества попыток после которого считается что сообщения передать не удалось (переменная iMax). По умолчанию эти значения равны 15 и 5. А так же, имеется возможность включения/отключения вывода в консоль результатов радиоизмерений (флаг rMeasure): мощности принятого сигнала и максимального СКО среди символов принятого СКС и включения/отключения отображения графиков при работе ФУ (флаг showImg).
Программный модуль состоит из Matlab-функций имитирующих работу ФУ и КУ, функции предназначенной для непосредственного формирования OFDM-символов, функции для определения максимального СКО среди символов СКС принятого сигнала, а так же скрипта отражающего часть сценария работы сети, а именно - передача псевдослучайного сообщения трафика (состоящего из одного пакета) от терминала к точке доступа.
· start.m – часть сценария работы сети, частично затрагивает работу канального уровня сети;
· l2_func.m – функция отражающая работу канального уровня системы;
· phy_lvl.m – функция отражающая работу физического уровня системы;
· makeOfdmFrame.m – функция для формирования OFDM-символа;
· IQ_maxSKO.m – функция для определения максимального СКО среди символов СКС принятого сигнала.
Рисунок 36. Пример работы модуля start.m
Рисунок 37- Структуры сообщений канального и физического уровней
Рисунок 38- Структура сигнала
Листинг №2 функции физического уровня
Графики, полученные в ходе выполнения программы представлены на рисунках 39-41.
Рисунок 39- Временная реализация сообщения физического уровня для QPSK
Рисунок 40- Временная реализация сообщения физического уровня для QAM-16
Рисунок 41- Интерполированная АЧХ КС
2.3 Исследование процедуры тактовой (символьной) синхронизации физического уровня.
В ходе моделирования прохождения сигнала по каналу связи приемная часть не знает точного времени прихода OFDM-сигнала. Процесс синхронизации в коде модели представляет собой процесс обнаружения OFDM-сигнала с помощью скользящего по сигналу окна размером 320 отсчетов (как и преамбула) и последующего определения минимума СКО между окном и преамбулой
Листинг №3
Рисунок 42- минимумы СКО
2.4. Исследование качества приема сообщений по различным каналам связи.
Пронаблюдаем прохождения сообщения по каналу связи для различных условий в канале. При ОСШ = 20 дБ рисунок 43 и рисунок 44 сообщения приняты правильно при обоих профилях передачи.
Рисунок 43- СКС принятого сигнала при ОСШ = 20 дБ и модуляции QPSK
Рисунок 44- СКС принятого сигнала при ОСШ = 20 дБ и модуляции QAM-16
Постепенно снижая ОСШ найдем для каждого профиля модуляции такое значение ОСШ, при котором начинают появляться ошибки. В результате получаем 4 дБ для QPSK рисунок45 и 11 дБ для QAM-16 рисунок46.
Рисунок 45 - СКС принятого сигнала при ОСШ = 4 дБ и модуляции QPSK
Рисунок 46- СКС принятого сигнала при ОСШ = 11 дБ и модуляции QAM-16
В процессе уменьшения ОСШ было получено критическое значение равное 3дБ, при котором сообщение с наиболее помехоустойчивой модуляцией ( QPSK) не удалось передать.
Рисунок47. Консоль Matlab при проведении эксперимента по передачи с малыми ОСШ
Сравнение теоретических ОСШ, полученных в в пункте 1.6.7. , с практическими представлено в таблице2
Таблица2 - Сравнение ОСШ для различных профилей
Выводы:
Моделирование передачи пакета трафика канального уровня показало, что система может передавать сообщения даже при малых значениях ОСШ (п. 2.4). Рассматривая таблицу1, делаем выводы что выигрыш в отношении сигнал/шум почти в 2 раза больше в ходе выполнения программных модулей, по сравнению с теоретическими. Отличие состоит в том, что в данной части работы моделировалась передача нескольких пакетов L2уровня, что позволило произвести более точные расчеты. Моделирования передачи нескольких пакетов L2 требуется внесение изменений в код канального и верхнего уровней системы (код физического уровня подготовлен к приему/передачи сообщений из нескольких пакетов L2).
Список используемой литературы:
1. Бакке А.В. «Лекции по курсу ССПО»
2. http://omoled.ru/publications/view/306
3. Пример иллюстраций к первому выступлению https://yadi.sk/i/ZQnkNiWWw5W5R
4. Материал из Википедии «Файловая сеть»
https://ru.wikipedia.org/wiki/Файловая_сеть#NAS
5. Блог про GSM технологии и 3G «BCCH и SDCCH каналы» http://pro3gsm.com/bcch-i-sdcch-kanalyi/
6. Omoled.ru «Разработка модели физического уровня OFDM модема» http://omoled.ru/publications/view/2
7. Севостьянова Кристина «Переисправленная часть 2. Локальная радиосеть (канальный уровень). »
http://omoled.ru/publications/view/831
8. Генеральский Д. «Радиосеть передачи данных Часть 3»
http://omoled.ru/publications/view/613
10. Переисправленная часть 1. «Локальная радиосеть». Волков И.Ю., Севостьянова К.В.;
12. "Голосовая радиопочта" статья1 (исправленная)
13. "Голосовая радиопочта" Часть 2(канальный уровень) исправленная
14. "Голосовая радиопочта" Часть3 (канальный уровень)
15. «Голосовая радиопочта».Часть 2: Физический уровень.(исправленная)
16. «Голосовая радиопочта» Часть 3 – Физический уровень уровень.(исправленная)
1.