Радиосеть передачи данных. Физический уровень. Часть 2 (Исправленная исправленная)

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.

В системе будет использоваться множественный доступ с разделением по TDMA с целью использования минимальной полосы частот.

В соответствии с п 1.5.2 http://omoled.ru/publications/view/1047 требуется обеспечить 4 физических канала, из которых 2 - канала TCH для передачи и ретрансляции трафика (1268 канальных интервала), 1 - широковещательный канал BCCH для временной синхронизации терминалов (100 канальных интервалов), 1 - канал для передачи команд управления SACCH (50 канальных интервалов).

Рис.1. Структура каналов физического уровня

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

Для борьбы с многолучевостью использоваться выравнивание характеристик канала на приемной стороне. 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 во время приема сообщений посредством измерения BCCH каждого терминала. Если это значение первое или отличается от предыдущего на величину отличную от установленного порога, то уровень принятия решений Т формирует сообщение и отправляет его на смежный Т, который принимает решение об изменении уровня мощности сигнала.

Рисунок 2 – Общий вид радиоизмерений физического уровня

1.6.3. Проработка структуры радио интерфейса 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, декодирование и выделение адреса на L2, затем вместе с радиоизмерениями поступают на уровень L3.

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

Так как в нашей системе строгая временная синхронизация, профили физического уровня для команд управления, синхронизации, и трафика будут фиксированными. Иначе построение системы будет невозможно в следствии рассогласования временных шкал терминалов.

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

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

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.

Поле данных для настройки фильтра эквалайзера

Поле Sinhro для временной синхронизации

Рисунок 3 – Общий вид структуры пакета трафика и команд управления физического уровня.

Рисунок 4 – Общий вид структуры пакета BCCH.

1.6.4. Пояснение способа обеспечения частотной и временной синхронизации.

В нашей системе частотная и временная синхронизация обеспечивается широковещательным каналом BCCH. А именно полем Sinhro состоящем из 342 бит (684 символа).

Терминал прослушивая канал, и не обнаружив широковещательное сообщение, занимает фиксированный КИ соответствующий ему(1-50), и передает BCCH сообщение. Тем самым организуя сеть базирующуюся на шкале времени терминала. Поле Sinhro заполнится 336 нулевыми битами, а 6 бит выделяется на указание порядкового номера терминала. В свою очередь другой терминал, обнаружив последовательность из 336 нулевых бит, формирует сообщение BCCH с полем Sinhro заполненным 336 единичными битами, тем самым показывая новым терминалам, что является участником сети, к которой они обязаны подсоединиться.

В случае пересечение уже сформированных сетей, происходит перестройка временной шкалы под сеть с наибольшим количеством активных терминалов.

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

Оценка пропускной способности физического канала связи с учетом избыточности, вносимой на L1-уровне:

1268*342=433656 бит- трафик в мультикадре

50*342=17100 бит – команды управления

50*684=34200 бит – синхронизация

С учетом помехоустойчивого кодирования со скоростью ½ (сверточное кодирование)

R_Nт =43365*2=867312 бит - трафик в мультикадре

R_Nу =17100*2=34200 бит - команды управления

R_Nс =34200*2=68400 бит - синхронизация

Проведем расчет необходимой минимальной полосы, с учетом того что для трафика используется профиль QAM-16, а для команд управления и синхронизации BPSQ:

Δf = R_Nт / log₂16+ R_Nу / log₂2+R_Nс / log₂2=433656/4+68400+34200=216828+48400+34200=0,31928 МГц

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 0,26МГц. В соответствии с «Приложением к решению ГКРЧ от 10 марта 2011 г. №11-11-03» уточним выбранный диапазон: 1279– 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.

Предполагаем, что терминалы находятся в плотной городской застройке. В качестве модели потерь выберем модель для широкополосных систем связи 3-го поколения: она подходит для использования в нашей сети, потому что у нас небольшая зона радиопокрытия в условиях городской застройки, вследствие чего расстояние между терминалами меняется в пределах километра, что не совсем подходит для использования других моделей оценки потерь.

Математическая модель имеет вид:

L = 49 + 40 lg R + 30 lg f₀, где R - расстояние между терминалами, f₀ - несущая частота.

Для расчёта расстояние между терминалами выберем равным 0,08 км. В таком случае получим:

L = 49 + 40 lg (0,08) + 30 lg (1280) = 98,4дБ

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.

Для расчета ОСШ, требуемого для обеспечения заданной вероятности битовой ошибки, используем утилиту BER Analysis Tool, входящую в состав пакета прикладных программ MATLAB. По техническому заданию необходимо обеспечить вероятность ошибки на бит не более, чем Pb: 10^-6. В результате исследования были получены графики, представленные на рисунке.

Рис.5- Зависимость вероятности битовой ошибки от ОСШ (без кодирования)

Основываясь на полученном графике, можно сделать вывод, что для обеспечения заданной ошибки необходимое ОСШ составит: 14,7 дБ для 16QAM и 10,7дБ для BPSK.

Для увеличения порога ОСШ добавим избыточность посредством сверточного кодирования.

Рис.6 -Зависимость вероятности битовой ошибки от ОСШ (без кодирования и с применением кодирования)

Исходя из изображенных графиков (рис. 6), можно сделать вывод, что для обеспечения заданной вероятности битовой ошибки требуется ОСШ равное:

7,577 дБ для модуляции BPSK, что на 10,7 – 7,577 = 3,123 дБ эффективнее по сравнению с передачей без кодирования;

10,75 дБ для модуляции 16QAM, что на 14,7 – 10,75 = 3,95 дБ эффективнее по сравнению с передачей без кодирования;

Сверточное кодирование является мощным средством борьбы с одиночными ошибками. Идея сверточного кодирования заключается в следующем: входящая последовательность информационных бит преобразуется в специальном сверточном кодере таким образом, чтобы каждому входному биту соответствовало более одного выходного. Сверточный код - непрерывный код, здесь нет деления на кодовые комбинации, при одинаковой сложности кодирующих и декодирующих устройств такое кодирование просто в реализации.

Из-за того, что закодированная информация не группируются в блоки, обнаружение и исправление ошибок выполняется непрерывно, и именно в этом состоит преимущество сверточных кодов.

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 правдоподобия.

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:

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 = 98.4 дБ;

Необходимая минимальная полоса Δf=0,24 Мгц;

Скорость передачи данных после кодирования R = 933352бит/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 = 0,32 * 1,1 = 0,352 Мгц

Мощность шума:Pш = k ∙ T ∙ П_ш = 1,38 * 10^-23 * 296 ∙ 0,352 * 10⁶ = 1,43*10^-16 Вт = -158,4дБВт

Аналоговое отношение сигнал/шум:C/N = (E_b / N0) + 10 log(R / П_ш) = 10,75 + 10log(1/0,264) = 16,5 дБ

Чувствительность приемника: Pпрм = Pш + Nk + C/N = -158,4 + 2 + 16,5 = -138,9дБ =

=1,28*10^-14Вт

Мощность передачи: Pизл = Pпрм + L – G_T – G_r = -138,9 + 98.4 - 2 - 2= -44.5 дБ =0. 036мВт

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