Курсовая работа по дисциплине

  «Системы и сети связи с подвижными объектами».

Тема: «Радиосеть сбора данных»

Часть 2

 

 

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

связанных с обеспечением синхронизации сетевых устройств на физическом уровне.

Физический уровень решает две глобальные задачи: организация физических каналов связи (ФКС), ровно столько, сколько необходимо для работы системы, и безошибочная передача/прием потока битов.  Для эффективной реализации поставленных задач необходимо оптимальным образом подобрать параметры функционирования системы связи на физическом уровне.

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

На основании  п 1.5.2 http://omoled.ru/publications/view/1049 требуется обеспечить 4 физических канала:

 

1)    Канал  BCCH, в котором ТД формирует и передает широковещательное сообщение, содержащее в себе информацию о ней и о сети.

2)    Канал вызова PCH, по которому ТД поочерёдно опрашивает терминалы на предмет активности, чтобы они прошли регистрацию в сети;

3)    Канал доступа SACCH, по которому Т заявляет о себе, чтобы ТД могла передать информацию об активных терминалах на рабочее место оператора;

4)    Канал трафика TCH для передачи трафика (видеопотока).

 

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

Явление многолучёвости возникает при условии существования в точке приема радиосигнала не только прямого, но и одного или нескольких отражённых лучей (от земной поверхности, зданий, строений и прочих объектов). Для уменьшения негативного влияния, одним из методов  борьбы с многолучёвостью  является введение помехоустойчивого кодирования. В рассматриваемом случае будем использовать блочное кодирование. К тому же временнаая синхронизация тоже дает нам выигрыш в борьбе с многолучевостью.

Стоит отметить, что чаще всего используются методы, приведенные ниже:

1)Помехоустойчивое кодирование с премежением

2)Сигналы с расширенным спектром – технологии DSSS и FHSS

3)Особый вид модуляции - технология OFDM

 

В данной работе мы будем использовать помехоустойчивое кодирование с перемежением для борьбы с пакетами ошибок в системе и технологию ортогонального частотного мультиплексирования (OFDM) для устранения последствий интерференции и многолучёвости.

 

 

1.6.2. Пояснение способа реализации проведения радиоизмерений на физическом уровне.

 С целью достоверного приёма в системе, на физическом уровне, постоянно проводятся радиоизмерения, которые производятся терминалом с самого первого сообщения от ТД (Рис.1). Результаты проведения анализа качества поступают на уровень принятия решений. На этом уровне определяется, стоит ли отправлять сообщение другому устройству о корректировке мощности. Если такая необходимость есть, формируется сообщение, которое поступает на канальный уровень, а затем по радиоканалу передаётся устройству. По принятым требуемым корректировкам мощности точка доступа устанавливает нужный уровень сигнала, который сохраняется в течение всего сеанса связи с конкретным терминалом.


 

Рис. 1 Сценарий 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.

В разрабатываемой радиосистеме в качестве способа организации ФКС выбрано TDMA. И тогда для организации дуплексной связи необходимо симплексные ФКС, соответствующие направлению передачи от ТД к Т и от Т к ТД, разнести по времени. Для симплексного канала (ВССН, PCH/SACCH), соответствующие направлению передачи от ТД к Т (DownLink),  выделены 1 и 2 слоты в каждом кадре. Для каналов трафика (TCH), соответствующие передачи от Т к ТД, выделены слоты с 3 по 7 в каждом кадре. Таким образом, самой «крупной» единицей радиоинтерфейса является «мультикадр» длиной 3584 бит. Мультикадр включает 2 кадра по 1792 бит. Каждый кадр включает в себя 7 слотов по 256 бит.  Получившаяся структура приведена на Рис. 2.

 


 

 

Рис. 2. Структура радиоинтерфейса.

*DL – Downlink (прием), UL – Uplink (передача).

 

В зависимости от качества канала связи предусматривается 2 профиля функционирования физического уровня. В разрабатываемой радиосистеме будет использоваться QPSK и QAM-16 модуляции. Выбор QAM-16 модуляции  связан с эффективным использованием отводимой полосы частот и, как следствие, высокой скоростью передачи. Для каналов с низким качеством связи будет использоваться QPSK т.к. этот вид модуляции характеризуется малой вероятностью возникновения ошибок по сравнению с QAM-16.

 

Пакет физического уровня в общем случае будет состоять из двух полей: поля преамбулы и поля данных. Преамбула предназначена для временной и частотной синхронизации. Преамбула будет передаваться посредством двух символов OFDM с использованием QPSK модуляции.

 

Поле данных будет содержать закодированные помехоустойчивым кодером данные, и иметь длину, равную 255 битам. Сообщение, приходящее с КУ, проходит процедуру помехоустойчивого кодирования с использованием кода  BCH (255, 187).  Далее, к этому сообщения добавляется нулевой бит, для приведения длины пакета кратности степени 2. Это сообщение подается на перемежитель. Таким образом, сообщение ФУ имеет длину равную 256 бит.

 

При использовании профиля с модуляцией  QPSK число битов, передаваемых в одном OFDM символе, будет соответствовать 32 IQ-символам (или 64 бита) пакета физического уровня. Всего будет передаваться 4 OFDM символа. Для временной и частотной синхронизации приемных устройств необходимо предусмотреть специальное поле – преамбула, которое стоит из одного OFDM символа короткой преамбулы, и одного OFDM символа длиной преамбулы.

 

При использовании профиля с модуляцией  QAM-16 битов, передаваемых в одном OFDM символе, будет соответствовать 32 IQ-символам (или 128 битам) пакета физического уровня. Всего будет передаваться 2 OFDM символа. Для временной и частотной синхронизации приемных устройств необходимо предусмотреть специальное поле – преамбула, которое стоит из одного OFDM символа короткой преамбулы, и одного OFDM символа длиной преамбулы.

 

Пакет ФУ для передачи сообщений каналов ВССН, PCH(SACCH), TCH будет состоять из двух 2 OFDM символов преамбулы и 2 OFDM символов данных (Рис.3).

 


 

Рис. 3. Структура пакетов физического уровня и формирование OFDM сигнала.

 

В итоге что за мультикадр будет реализовано:

Профиль QPSK

  • ·        в канале BCCH – 4 символа преамбулы и 8 символов OFDM;
  • ·        в канале PCH/SACCH - 12 символов OFDM;
  • ·        в канале TCH - 60 символов OFDM;

Таким образом, при использовании QPSK модуляции мультикадр будет состоять из 2 символов преамбулы и  80 символов  OFDM.

Профиль QAM-16

  • ·        в канале BCCH – 4 символа преамбулы и 4 символа OFDM;
  • ·        в канале PCH/SACCH - 6 символов OFDM;
  • ·        в канале TCH - 30 символов OFDM;

Таким образом, при использовании QPSK модуляции мультикадр будет состоять из 2 символов преамбулы и  40 символов  OFDM.

 

1.6.4. Пояснение способа обеспечения частотной и временной синхронизации.

 

Специальных каналов для частотной подстройки и временной синхронизации, необходимые для синхронизации ТД и терминалов не требуется. Это объясняется тем, что в разрабатываемой радиосети будет использоваться технология OFDM, в этой технологии предусмотрены специальные поля, выполняющие функцию синхронизации.

 

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

 

В соответствии с п. 1.5.8 http://omoled.ru/publications/view/1049 при учете сжатия 15:1 необходимая  скорость передачи сообщения:

184320000/15 = 9830400 бит/c = 9,83 Мбит/с.

Это сообщение поступает на физический уровень, где над ним осуществляется канальное кодирование по скорость 0.733 (255,187) и скорость передачи увеличивается до 13.41 Мбит/с.

 

 Поскольку в качестве метода борьбы с многолучевостью используется технология OFDM, то в итоговой пропускной способности необходимо учитывать OFDM-символы приходящиеся на преамбулу. Из п.1.6.3 видно, что из всего количества OFDM-символов, входящих в мультикадр, доля, приходящаяся на преамбулу, составляет 0.143 и доля, приходящаяся на данные, составляет 0.857. Если 0.857 это 13.41 Мбит/с, то пропускная способность с учетом преамбулы увеличит до 15.65 Мбит/с.

 

 

 

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 решением ГКРЧ при Минкомсвязи РФ от 15.07.2010 № 10-07-01 «О выделении полос радиочастот для радиоэлектронных средств любительской и любительской спутниковой служб» выберем для функционирования разрабатываемой радиосети полосу частот 1260-1300 МГц. Этот диапазон предназначен для любительской и любительской спутниковой служб.

 Произведем оценку уровня потерь при распространении радиоволн между Т и ТД в выбранном диапазоне частот. Разрабатываемую систему видеонаблюдения предполагается использовать в условиях городской застройки.

Для оценки потерь в городской застройке воспользуемся моделью Окамуры-Хата. Потери при распространении рассчитываются по следующей формуле:

L=69.55+26.16*lg(f)-13.82*lg(hтд)-3.2*(lg(11.75*hт))2-4.97+(44.9-6.55*lg(hтд))*lg(d),

где f – частота (МГц), d – расстояние разнесения (м) между ТД и Т, hтд – высота антенны ТД (м), hт – высота антенны Т (м).

Для расчета потерь определимся со следующими параметрами:

hтд = 3м, hт = 2м, d=250м (дано в  ТЗ), тогда

L=69.55+26.16*lg(1300)-13.82*lg(3)-3.2*(lg(11.75*2))2-4.97+(44.9-6.55*lg(3))*lg(0.250)=108.28 (дБ)

 

 

1.6.7. Расчет отношения сигнал/шум, требуемого для обеспечения заданной вероятности битовой ошибки для выбранного вида и типа модуляции/демодуляции. Обоснование выбора метода помехоустойчиво-

го кодирования, перемежения/деперемежения, расчет эффективности кодирования. Коррекция данных расчета отношения сигнал/шум с учетом метода помехоустойчивого кодирования. Окончательная

оценка требуемых частотных ресурсов.

Из приведенной зависимости вероятности битовой ошибки от ОСШ (Рис. 4) можно сделать вывод о том, что для достижения необходимой вероятности ошибки на бит РВ=5е-6 , нужно обеспечить ОСШ равный 8.8 дБ для QPSK модуляции и ОСШ равный 12.6 дБ для QAM-16.


 

Рис. 4. Зависимости вероятностей битовой ошибки от ОСШ для QPSK и QAM-16 модуляций.

 

Для борьбы с пакетами ошибок в системе используется блочное перемежение. В данной системе исходная закодированная последовательность размером 255 бит. К закодированной последовательности размером 255 бит добавляется один нулевой бит.

Таким образом, сообщения физического уровня имеет следующую структуру:

- информационная часть DATA_L2 – это сообщение, пришедшее с канального уровня, размерность 182 бита;

- избыточная часть FEC, необходима для реализации кода BCH (255, 187);

- нулевой бит, для приведения размера сообщения к числу кратному 2 или 4 (следует из определения позиционности QPSK и QAM-16 модуляции ).

 Такую структуру имеют все пакеты физического уровня вне зависимости от назначения и профиля функционирования. Полученный пакет из 256 бит поступает на вход блочного перемежителя. Далее, происходит сама процедура перемежения. Максимальное расстояние, на которое разносятся соседние символы, называется глубиной перемежения. Если время, в течение которого происходил сбой сигнала, меньше глубины перемежения, то любой пакет ошибок будет преобразован в группу из M одиночных ошибок, которые легко устраняются блоковым кодом. Для оценки глубины перемежения необходимо определить длительность одного бита. Для нахождения длительности 1бита умножим размер слота (256) на количество слотов, содержащих данные от одного и того же терминала и разделим на пропускную способность одного ФК (13.41Мбит/с). Итого получается что длительность 1 бита равна 0.47 мс. Для оценки глубины перемежения необходимо определить время когерентности канала связи. Время когерентности определяется по формуле:



где f0=1300МГц – несущая частота, с=3*10^8 – скорость распространения радиоволн(скорость света), Vdmax=20км/ч=5,56м/c – максимальная скорость движения, которую могут развить автомобили на автодроме.

Таким образом:

ΔFd= 24,093 Гц

ТКОГ= 0.0351 c

Таким образом, глубина перемежение находится, как  ТКОГ поделенное на длительность одного бита, и глубина перемежения равна:

 0.0351/0.47e-3=74,68.

Для обеспечения такой глубины перемежения блочный код должен имеет размеры 16 строк на 8 столбцов. Следует сказать, сказать что размеры блочного перемежителя должны быть согласованы с размером сообщения физического уровня (сообщение с выхода кодера + нулевой бит), для этого размеры блочного перемежителя примем 32 строки на 8 столбцов.

 

В качестве  метода помехоустойчивого кодирования будут использоваться коды Боуза-Чоудхури-Хоквенгейма (Bose-Chadhuri-Hocquenghem – BCH, БЧХ), являющиеся результатом обобщения кодов Хэмминга, которое позволяет исправлять множественные ошибки. Они составляют мощный класс циклических кодов, который обеспечивает достаточную свободу длины блока, степени кодирования, размеров алфавита и возможностей коррекции ошибок. При блоках, длина которых равна порядка несколько сотен, коды БЧХ превосходят своими качествами все другие блочные коды с той же длиной блока и степенью кодирования.

 

Известно, что относительно широкий максимум эффективности кодирования, в зависимости от степени кодирования при фиксированном n, для кодов БЧХ находится примерно между степенью 1/3 и 3/4. В разрабатываемой системе будет использовать одна модификация кода и это код (255, 187), исправляющий 9 ошибок.


 


Рис. 5. Зависимости вероятностей битовой ошибки от ОСШ для QPSK и QAM-16 модуляций при использовании помехоустойчивого кодирования.

 

Таким образом, при использовании помехоустойчивого кодирования достигается энергетический выигрыш в ОСШ для QPSK с кодом (255, 187)  – 1.7 дБ и для QAM-16 с кодом (255, 187)  – 1.9 дБ.

 

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.

 

Оценим уровень мощности передающего устройства Pпрд. Мощность передатчика рассчитывается по формуле:

Pпрд=Рпрм+L-Gт-Gr,                (1)

где Рпрм – чувствительность приемника, L=108.28 дБ – затухание в радиоканале, Gт=2 дБ – коэффициент усиления передающей антенны, Gr=2 дБ – коэффициент усиления приемной антенны.

 

Чувствительность приемника равна:

Pпрм=Рш+Nk+C/N,               (2)

где    Рш – мощность шума на входе приемника, Nk =10 дБ – коэффициент шума первых каскадов приемника, C/N – аналоговое ОСШ.

 

Мощность шума равна:

 

Рш=k*T*Пш,                        (3)

где  k=1.38*10-23 Дж/K – постоянная Больцмана, Т=293К – шумовая температура, Пш – шумовая полоса приемника, которая равна

Пш= Δf*1.1, где Δf – эффективная полоса пропускания.

 

Аналоговое ОСШ определяется как:

C/N=Eb/N0+10*lg((Rn/Пш),                    (4)

где Eb/N0 – цифровое ОСШ, Rn – скорость передачи данных.

 

Минимальная полоса пропускания будет определяться исходя из канальной скорости передачи данных и количества поднесущих сигнала OFDM, использующихся для передачи данных. Для передачи данных будет использоваться 32 поднесущих. Отсюда следует, что скорость передачи данных по каждому из 32-х параллельных каналов будет равна:

 

Rn=Rc/32, где Rc – скорость передачи данных на выходе помехоустойчивого кодера.

 

Скорость передачи данных на выходе помехоуствойчивого декодера определяется как:

Rc=R*n/k,                    (5)

где n-размер сообщения на выходе канального кодера, k – размер сообщения, приходящего с КУ, R – скорость передачи данных на выходе ФУ.

 

Эффективная ПП вычисляется как:

Δf=Rn/log2(M),                    (6)

где М – позиционность модуляции.

 

Общая пропускная способность ФКС рассчитывается по формуле:

Сск= Δf*log2(1+C/N),                  (7)

 

 

Проведем расчет мощность ПРД и чувствительности ПРМ для профиля QPSK с кодом BCH(255,187).

 

Rn=15.65/32=489.1 кбит\с.

Δf=489.1*103/log2(4)=244.55 кГц.

Пш=244.55*103*1.1=269 кГц.

Рш=1.38*10-23*293*269000=-150 дБ.

C/N=7.1+10*lg(244.55/269)=6.686 дБ.

Рпрм=-150+10+6.686=-133.314 дБ=4.66e-14 Вт.

Рпрд=-133.314+108.28-2-2=-29.034 дБ=1.25e-3 Вт.

Сск=244.55*103*log2(4+1)=567.845 бит/с.

Проведем расчет мощность ПРД и чувствительности ПРМ для профиля QAM-16 с кодом BCH(255,187).

 

Rn=15.65/32=489.1 кбит\с.

Δf=489.1*103/log2(16)=122.275 кГц.

Пш=122.275*103*1.1=134.5 кГц.

Рш=1.38*10-23*293*134500=-153 дБ.

C/N=10.7+10*lg(122.275/134.5)=10.286 дБ.

Рпрм=-153+10+10.286=-132.714 дБ=5.35e-14 Вт.

Рпрд=-132.714+108.28-2-2=-28.434 дБ=1.43e-3 Вт.

Сск=122.275*103*log2(16+1)=499.738 бит/с.

 

Требование по мощности излучения подвижной станции (< 0.2 Вт) соблюдается в обоих профилях.

 

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

 


 

Рис.6. Блок-схема алгоритма приема сообщений.


Рис.7. Блок-схема алгоритма передачи сообщений.

 

 

 

Список используемой литературы:

  1. Бакке А. В. "Лекции по курсу: Системы и сети связи с подвижными объектами"
  2. http://omoled.ru/publications/view/1018
  3. http://omoled.ru/publications/view/1049
  4. http://omoled.ru/publications/view/339
  5. http://omoled.ru/publications/view/447