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. 

Чаще всего используются методы кодирования, приведенные ниже:

1)Помехоустойчивое сверточное кодирование

2)Сигналы с расширенным спектром – технологии DSSS и FHSS

3)Особый вид модуляции - технология OFDM

 

В данной работе мы будем использовать помехоустойчивое сверточное кодирование 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.

 

Сообщение, приходящее с КУ, будет иметь длину, равную 120 битам. Это сообщение проходит процедуру помехоустойчивого кодирования с использованием сверточного кодера.  Далее, к этому сообщения добавляются 16 нулевых битов, для приведения длины пакета кратности степени 2. 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 8 OFDM символов. 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 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.

 

Пакет ФУ для передачи сообщений каналов ВССН, PCH(SACCH), TCH будет состоять из двух 2 OFDM символов преамбулы и 8(4) OFDM символов данных (Рис.3).

 

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


Передача одного OFDM символа будет осуществляться с использованием 32 поднесущих: 22 поднесущие для передачи данных, 4 – для пилот сигнала, 5 – для использования защитных интервалов и 1 нулевая поднесущая для идентификации нулевой частоты OFDM сигнала. Структура поднесущих изображена на Рис. 4.




                                                        Рис. 4. Структура поднесущих (OFDM символов). 


В итоге что за мультикадр будет реализовано:

1)    Профиль QPSK

  • ·        в канале BCCH – 4 символа преамбулы и 16 символов OFDM;
  • ·        в канале PCH/SACCH - 24 символов OFDM;
  • ·        в канале TCH - 120 символов OFDM;

Таким образом, при использовании QPSK модуляции мультикадр будет состоять из 4 символов преамбулы и  160 символов  OFDM.

2)    Профиль QAM-16

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

Таким образом, при использовании QPSK модуляции мультикадр будет состоять из 4 символов преамбулы и  80 символов  OFDM.

 

1.6.4. Пояснение способа обеспечения частотной и временной синхронизации.

 

В разрабатываемой системе радиоизмерения проводятся непосредственно на терминале(т.к. ТД работает при постоянных параметрах, и радиоизмерения для нее не требуются)  при помощи преамбулы сообщения физического уровня и пилот-сигналов, равномерно распределенных по поднесущим OFDM.

 

Результаты измерений делятся на 3 вида:

  1. мощность сигнала;
  2. передаточная функция канала;
  3. сигнально-кодовое созвездие принятого сигнала.

 

1) Результаты измерений мощности сигнала  получаются путем прямого измерения мощности принимаемого сигнала (в дБм). Передаточная функция канала определяется на основе известных позиций пилот-сигналов и, с помощью интерполяции, получается вектор полной частотной характеристики для всех поднесущих. На основе полученной передаточной функции в приемнике настраивается фильтр-эквалайзер, который производит компенсирование неравномерности АЧХ канала связи.

 

На основе анализа дисперсии различных символов сигнально-кодового созвездия можно оценить отношение сигнал-шум. Чем больше дисперсия символа, тем меньше ОСШ и наоборот.


 

Рис.5 - сценарий взаимодействия Т-ТД. 

 

 

2) При приеме сообщения L1 физический уровень производит описанные выше процедуры. Все полученные данные, за исключением интерполированной АЧХ канала связи, ФУ передает на уровень управления сетевым соединением (L3) для последующего анализа. Интерполированная АЧХ канала связи «остается» на ФУ и используется только для компенсации нелинейности АЧХ канала связи.

3) L3-уровень формирует выводы о том, на сколько дБм передатчику терминала следует уменьшить/увеличить мощность излучения.

На основании сценария взаимодействия Т-ТД можно привести способ проведения радиоизмерений: непосредственно в момент  приема BCCH терминал проводит радиоизмерения,  на основании полученых измерений он принимает решение о выборе профиля передачи и формирует служебное сообщение о выбранном профиле, который отправляется непосредственно с первым пакетом трафика физического уровня.

 

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.

С учетом того, что далее осуществляется помехоустойчивое кодирование со скоростью 1/2, то скорость передачи сообщения возрастет до 18.75 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 18.75 Мбит/с, то пропускная способность с учетом преамбулы увеличит до 21.88 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. 6) 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. 6. Зависимости вероятностей битовой ошибки от ОСШ для QPSK и QAM-16 модуляций.

 

Для борьбы с пакетами ошибок в системе используется сверточный кодер. 

Таким образом, сообщения физического уровня имеет следующую структуру:

- информационная часть DATA_L2 – это сообщение, пришедшее с канального уровня, размерность 120 бит;

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

С учетом кодирования со скоростью 1\2 и добавления нулевых битов для приведения размера сообщения к числу, кратному 2, сообщение ФУ будет иметь размер:

120(бит)*2+16(нулевых битов)=256 бит.

Такую структуру имеют все пакеты физического уровня вне зависимости от назначения и профиля функционирования. 

Далее найдем ОСШ с учетом кодирования:




Рис. 7. Зависимости вероятностей битовой ошибки от ОСШ для QPSK и QAM-16 модуляций при использовании помехоустойчивого кодирования.

 

Исходя из изображенных графиков (рис. 7), можно сделать вывод, что для обеспечения заданной вероятности битовой ошибки требуется ОСШ равное:

  • 7.1 дБ для модуляции QPSK, энергетический выигрыш составит 8.8-7.1=1.7 (дБ).
  • 10.6 дБ для модуляции QAM-16, энергетический выигрыш составит 12.6-10.6=2 (дБ).

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 (8, [255 240]) 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.

 

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

Pпрдпрм+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:

Pпрмш+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.

Rn=21.88/32=684 кбит\с.

Δf=684*103/log2(4)=342 кГц.

Пш=342*103*1.1=376.2 кГц.

Рш=1.38*10-23*293*376200=-148 дБ.

C/N=7.1+10*lg(342/376.2)=6.69 дБ.

Рпрм=-148+10+6.69=-131.31 дБ=7.40e-14 Вт.

Рпрд=-131.31+108.28-2-2=-27.03 дБ=1.98e-3 Вт.

Сск=342*103*log2(1+6.69)=1.007*103 бит/с.

Проведем расчет мощность ПРД и чувствительности ПРМ для профиля QAM-16 .

Rn=21.88/32=684 кбит\с.

Δf=684*103/log2(16)=171 кГц.

Пш=171*103*1.1=188.1 кГц.

Рш=1.38*10-23*293*188100=-222 дБ.

C/N=10.7+10*lg(171/188.1)=10.286 дБ.

Рпрм=-222+10+10.286=-201.714 дБ=6.74e-21 Вт.

Рпрд=-201.714+108.28-2-2=-97.434 дБ=1.81e-10 Вт.

Сск=171*103*log2(10.286+1)=597.8*103 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.8. Блок-схема алгоритма приема сообщений.



Рис.9. Блок-схема алгоритма передачи сообщений.


 

 

 

Выполнил: ст. гр.319 Арефьев Д.В.

 

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/324
  5. http://www.mathworks.com/help/comm/ref/bchenc.html