В рамках данной статьи рассмотрены следующие пункты задания к курсовой работе:

         2.8.1. Анализ и обоснованный выбор мер по защите приема от многолучевости, искажений и помех в канале связи. При необходимости, проработка профилей физического уровня и сценария их выбора.

        2.8.2. Пояснение способа обеспечения частотной и временной синхронизации.

        2.8.3. Определение типов пакетов физического уровня, пояснение структуры полей пакетов каждого типа.

        2.8.4. Построение временной диаграммы, отражающей двустороннюю доставку всех видов пакетов L1 уровня. Оценка пропускной способности физического канала связи с учетом избыточности, вносимой на L1-уровне. Оценка требуемой полосы частот.

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

        2.8.6. Расчет отношения сигнал/шум, требуемого для обеспечения заданной вероятности битовой ошибки для выбранного вида и типа модуляции/демодуляции без помехоустойчивого кодирования. Обоснование выбора метода помехоустойчивого кодирования, перемежения/деперемежения, расчет эффективности кодирования. Повторный расчет отношения сигнал/шум с учетом метода помехоустойчивого кодирования. Окончательная оценка требуемой полосы частот.

        2.8.7. Обоснование размерности полей пакетов каждого типа. Расчет временного масштаба, отражающего двустороннюю доставку всех видов пакетов L1 уровня (п.2.8.4).

        2.8.8. Оценка уровня мощности передачи с учетом необходимого запаса мощности сигнала для его уверенного приема с вероятностью PR% на границе зоны радиопокрытия, оценка размера зоны радиопокрытия.

        2.8.9. Построение функциональной схемы разработанного физического уровня.



         2.8. Проработка задач физического уровня. Решение вопросов, связанных с обеспечением синхронизации сетевых устройств на физическом уровне.

         2.8.1. Анализ и обоснованный выбор мер по защите приема от многолучевости, искажений и помех в канале связи. При необходимости, проработка профилей физического уровня и сценария их выбора.

         В задании к курсовой работе указано, что проектируемая сеть должна функционировать в условиях городской застройки. Это означает необходимость применения серьезных мер по борьбе с многолучевостью, неизбежной при распространении радиосигнала в указанных условиях.

         В рамках данной курсовой работы целесообразным методом борьбы с многолучевостью является применение технологии OFDM, позволяющей эффективно бороться как с возникающей вследствие многолучевого распространения межсимвольной интерференцией (МСИ), так и с возникающими по той же причине замираниями. Применение данной технологии позволит избежать использования в реализуемой системе сложных и дорогостоящих адаптивных фильтров-эквалайзеров и широкополосных сигналов, недостатком которых является, очевидно, необходимость в резервировании широкой полосы частот, что в условиях загруженности радиочастотного ресурса усложняет выбор частоты несущего колебания и повышает стоимость лицензии на пользование радиочастотным ресурсом. На данном этапе можно предположить число поднесущих в OFDM равным сорока восьми: четыре группы по десять поднесущих будут использоваться для осуществления широковещательной трансляции по четырем мультимедийным каналам, одна группа из восьми поднесущих будет отведена для передачи служебных и информационных сообщений.

         Методом борьбы с возникающими при распространении сигнала по радиоканалу помехами является применение помехоустойчивого кодирования. В рамках реализуемой сети целесообразно применять сверточное кодирование, вносящее необходимую для безошибочного приема сигнала избыточность. Вносимая избыточность определяется скоростью сверточного кодирования, то есть отношением числа бит, поступивших на вход кодера, к числу бит, получаемых для данной входной последовательности на выходе сверточного кодера. Скорость кодирования и метод сверточного кодирования будет определен позднее при рассмотрении требуемого отношения сигнал/шум для заданной вероятности ошибки, размерности полей пакетов физического уровня и временной диаграммы передачи пакетов физического уровня.

         В проектируемой сети нет необходимости в реализации нескольких профилей физического уровня, так как сеть осуществляет передачу только одного вида трафика – аудиопотока, а передача служебных и информационных сообщений производится существенно реже по сравнению с передачей трафика и не требует реализации отдельного профиля физического уровня.

         2.8.2. Пояснение способа обеспечения частотной и временной синхронизации.

         Поскольку в проектируемой сети отсутствует необходимость соединения пользователей для передачи речевого трафика в реальном времени, процедура временной синхронизации может быть несколько упрощена. Временная синхронизация в рамках реализуемой сети необходима для обеспечения обмена служебными и информационными сообщениями между терминалами пользователей и базовой станцией. С учетом того, что в некоторых случаях передача служебных и информационных сообщений в направлении «терминал – базовая станция» может осуществляться транзитом через другие терминалы, временные шкалы всех терминалов должны быть синхронизированы между собой, однако такая синхронизация сложна в реализации. В данном случае, поскольку все терминалы подключаются к одной базовой станции и синхронизируют свои временные шкалы с временной шкалой одной базовой станции, можно утверждать, что временные шкалы всех подключенных к БС терминалов будут синхронизированы друг с другом. Временная синхронизация терминалов и базовой станции будет осуществляться при передаче каждого пакета физического уровня. Каждый пакет будет содержать в своем составе преамбулу, с помощью которой будет осуществляться частотная и временная синхронизация терминалов с базовой станцией.

2.8.3. Определение типов пакетов физического уровня, пояснение структуры полей пакетов каждого типа.

На физическом уровне будут использоваться два вида пакетов: пакет передачи мультимедийного трафика (MB) и пакет случайного доступа (AB).

Структура пакета передачи мультимедийного трафика представлена на рис. 3.1.

Рис. 3. 1. Структура пакета MB физического уровня.

         Как видно из рис. 3.1, пакет MB состоит из поля преамбулы, содержащего последовательность CAZAC, и собственно информационной части, содержащей сообщение мультимедийного трафика L2 уровня. Поле FEC содержит избыточные биты, полученные в результате прохождения пакетом L2 уровня процедуры сверточного кодирования. Наличие преамбулы позволит приемнику осуществить временную синхронизацию и устранить частотное рассогласование. Пакеты MB разных мультимедийных каналов образуют каналы TCH.

         Структура пакета случайного доступа представлена на рис. 3.2.        

Рис. 3. 2. Структура пакета AB физического уровня.

         Фактически, структура пакета случайного доступа имеет тот же вид, что и структура пакета мультимедийного трафика. Разница заключается в размерности полей, которая будет более подробно рассмотрена в п. 2.8.7. Кроме того, у пакета AB будет присутствовать поле защитного интервала, так как необходимо обеспечить согласование по задержке на 800 метров (радиус зоны радиопокрытия базовой станции в соответствии с заданием к курсовой работе).

         Источником пакетов MB может быть только базовая станция, пакеты AB передаются как терминалами (запросы услуг по каналу RACH), так и базовой станцией (ответы на запросы терминалов по каналу AGCH).

         2.8.4. Построение временной диаграммы, отражающей двустороннюю доставку всех видов пакетов L1 уровня. Оценка пропускной способности физического канала связи с учетом избыточности, вносимой на L1-уровне. Оценка требуемой полосы частот.

         Так как в проектируемой сети для передачи сообщений будет использоваться технология OFDM, необходимо определить вид модуляции, используемый для каждой поднесущей. Используем модуляцию QPSK, тогда на каждый символ после модуляции будет отводиться 2 бита. Так как в проектируемой сети достаточно сорока восьми поднесущих OFDM, размер одного OFDM символа составит 48*2 = 96 битов.

         Таким образом, для передачи одного пакета мультимедийного трафика при его сверточном полускоростном кодировании (размер информационной части пакета – 960*2 = 1920 битов) потребуется как минимум 20 OFDM символов.

         Потеря пакетов AB, содержащих пакеты служебных и информационных сообщений L2 уровня, поэтому разумно увеличить вносимую кодером избыточность. На данном этапе установим предположительную скорость кодирования 1/8, отсюда получим размер информационной части пакета AB 55*8 = 440 битов. Точный расчет необходимой вносимой избыточности будет произведен в рамках п. 2.8.6 при расчете требуемого отношения сигнал/шум для выбранного вида модуляции.

         Для оптимизации использования канального ресурса разумно использовать планировщик, который в соответствии с заданным алгоритмом будет осуществлять распределение канального ресурса между различными пакетами передаваемых сообщений. Возможный вариант распределения канального ресурса с помощью планировщика представлен на рис. 3.3.


Рис. 3. 3. План распределения канального ресурса.

         На рис. 3.3 представлен вариант планирования использования канального ресурса в случае, когда активны все 4 канала мультимедийного трафика. Тогда планировку можно осуществить в соответствии со структурой мультикадра канального уровня. В течение первых 20 OFDM символов все поднесущие отведены для передачи пакетов MB первого мультимедийного канала, затем в рамках следующих 20 символов передаются пакеты MB второго мультимедийного канала, затем третьего и четвертого. Затем в рамках следующих 5 OFDM символов передается служебное или информационное сообщение (логические каналы RACH или AGCH в зависимости от номера кадра в составе мультикадра, пакеты AB физического уровня).

         При оценке требуемой пропускной способности следует исходить из того, что паузы между передаваемыми пакетами мультимедийного трафика не должны быть заметны для пользователя. Таким образом, выберем временной интервал между передачей двух пакетов мультимедийного трафика равным   15 мс. Тогда пропускная способность физического канала связи, с учетом размера одного OFDM символа, равного 96 битам, может быть рассчитана следующим образом: 96 бит * 85 / 15 мс = 544 кбит/с. Соответственно на основании этой информации можно оценить необходимую для передачи полосу частот: не менее 544 кГц.

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

На основании таблицы распределения частот ГКРЧ (Постановление Правительства РФ от 21 декабря 2011 г. №1049-34 «Об утверждении Таблицы распределения полос радиочастот между радиослужбами Российской Федерации и признании утратившими силу некоторых постановлений Правительства Российской Федерации») выберем несущую частоту равной 431 МГц (диапазон 430-432 МГц отведен для любительской связи и радиолокации), соответственно занимаемая полоса частот составит от 430,728 МГц до 431,272 МГц.

         В качестве модели оценки потерь выберем модель Окамуры-Хата, поскольку эта модель обеспечивает достаточно высокую точность определения потерь при распространении радиоволн в условиях плотной городской застройки. В соответствии с выбранной моделью потери при распространении радиоволн выбранного частотного диапазона будут определяться по формуле (1):


         В данной формуле:

f  = 431 МГц – несущая частота;

r – расстояние между базовой станцией и терминалом. Примем это расстояние максимально возможным в соответствии с заданием к курсовой работе: 0,8 км.

hБС = 35 м – высота антенны базовой станции. Предположим, что антенна расположена на крыше многоэтажного здания;

hАС = 1,5 м – типовая высота антенны абонентской станции;

α(hАС) – поправочный коэффициент, учитывающий высоту антенны абонентской станции в зависимости от местности.

         Рассчитаем поправочный коэффициент:


         Рассчитаем потери:


         Таким образом, уровень потерь на границе зоны радиопокрытия базовой станции в условиях городской застройки в выбранном частотном диапазоне от 430,728 МГц до 431,272 МГц составит 113,6 дБ.

         2.8.6. Расчет отношения сигнал/шум, требуемого для обеспечения заданной вероятности битовой ошибки для выбранного вида и типа модуляции/демодуляции без помехоустойчивого кодирования. Обоснование выбора метода помехоустойчивого кодирования, перемежения/деперемежения, расчет эффективности кодирования. Повторный расчет отношения сигнал/шум с учетом метода помехоустойчивого кодирования. Окончательная оценка требуемой полосы частот.

         Для определения отношения сигнал/шум, требуемого для обеспечения заданной вероятности битовой ошибки для модуляции QPSK без помехоустойчивого кодирования воспользуемся утилитой bertool среды Matlab. Полученный график зависимости вероятности битовой ошибки от отношения сигнал/шум приведен на рис. 3.4. На основании полученного графика можно сделать вывод, что указанная в задании к курсовой работе вероятность битовой ошибки Pош = 10-5 достигается при ОСШ = 9,5 дБ.


Рис. 3.4. Зависимость вероятности битовой ошибки от ОСШ без помехоустойчивого кодирования.

         В анализируемой системе будет использоваться помехоустойчивое сверточное декодирование по алгоритму Витерби, так как этот метод позволяет существенно снизить вероятность ошибки за счет внесения в передаваемые сообщения избыточности, и сверточный алгоритм перемежения и деперемежения битов, преимущество которого перед блочным алгоритмом заключается во вдвое меньших затратах памяти на реализацию алгоритма.

         Вновь с помощью утилиты bertool построим зависимость вероятности битовой ошибки от ОСШ с учетом используемого алгоритма помехоустойчивого кодирования (рис. 3.5).


Рис. 3. 5. Зависимость вероятности битовой ошибки от ОСШ с учетом сверточного кодирования.

         Как видно из рисунка 3.5, использование помехоустойчивого кодирования по алгоритму Витерби позволяет снизить требуемое отношение сигнал/шум до 6,5 дБ для обеспечения указанной в задании к курсовой работе вероятности ошибки.

         Для окончательной оценки требуемой полосы частот рассмотрим распределение частотного ресурса при использовании технологии OFDM   (рис 3.6).


Рис. 3. 6. Распределение частот при использовании OFDM.

         При использовании 48 поднесущих и скорости передачи в 544 кбит/с каждой поднесущей отводится полоса в 11,3 кГц. Чтобы обеспечить запас по пропускной способности, отведем для каждой поднесущей полосу шириной в 12 кГц, тогда для 48 поднесущих потребуется полоса в 48*12 = 576 кГц. Добавим защитный интервал для обеспечения лучшей электромагнитной совместимости с другими радиоэлектронными средствами, функционирующими на территории радиопокрытия базовой станции анализируемой системы. Примем защитный интервал равным по 12 кГц с каждой стороны. Тогда получим общую требуемую полосу пропускания равной 600 кГц. Это с учетом защитного интервала соответствует пропускной способности канала 576 кбит/с, что с запасом удовлетворяет полученным в п. 2.8.5 предположительным результатам.

         2.8.7. Обоснование размерности полей пакетов каждого типа. Расчет временного масштаба, отражающего двустороннюю доставку всех видов пакетов L1 уровня (п.2.8.4).

         Размерность полей пакета MB L1 уровня приведена на рис. 3.7.


Рис. 3. 7. Размерность полей пакета MB.

         Информационная часть содержит пакет мультимедийного трафика L2 уровня размерностью 960 битов, поле FEC, содержащее вносимые сверточным кодером избыточные биты, также имеет размерность 960 битов, поскольку выбранная скорость сверточного кодирования составляет 1/2. Поле преамбулы содержит CAZAC последовательность длиной 96 битов. Размерность этого поля определяется в соответствии с тем, чтобы пакет передавался целым числом OFDM символов. Широковещательное сообщение канала BCCH с информацией о сети передается таким же физическим пакетом, как и сообщения каналов TCH.

         Размерность полей пакета AB L1 уровня приведена на рис. 3.8.


Рис. 3. 8. Размерность полей пакета AB.

         Содержащаяся в преамбуле CAZAC последовательность имеет ту же длительность, что и для пакета MB, информационная часть содержит пакет информационного или служебного трафика размерностью 55 битов, в поле FEC содержатся избыточные биты, вносимые сверточным кодером, который для данного пакета работает на скорости 100/594. Отсюда число вносимых избыточных битов равно 327. Поле защитного интервала G необходимо для обеспечения согласования по задержке распространения сигнала на расстояние 800 м, являющееся радиусом зоны радиопокрытия базовой станции. Для обеспечения согласования по задержке для такого расстояния достаточно защитного интервала длиной в 2 бита.

         Необходимо доработать представленную на рис. 3.3 временную диаграмму передачи пакетов L1 уровня в соответствии с определенными выше размерностями полей этих пакетов.

         Так как установлено, что для передачи одного пакета MB требуется 21 OFDM символ ((96+960+960) / 96 = 21), а не 20, как предполагалось в п. 2.8.4, для передачи пакетов всех четырех каналов мультимедийного трафика требуется теперь 84 OFDM символа. Пакет AB, как и предполагалось ранее, требует для передачи 5 OFDM символов. При той же длительности интервала между двумя пакетами трафика одного канала получим скорость передачи равной 96 бит * 89 / 15 мс = 570 кбит/с. Длительность одного OFDM символа при этом составит 15 000 мкс / 89 = 169 мкс. Полученная на основе рис. 3.3 и представленных выше расчетов временная диаграмма передачи сообщений представлена на рис. 3.9.


Рис. 3. 9. Частотно-временная диаграмма доставки сообщений L1 уровня.

         2.8.8. Оценка уровня мощности передачи с учетом необходимого запаса мощности сигнала для его уверенного приема с вероятностью PR% на границе зоны радиопокрытия, оценка размера зоны радиопокрытия.

         Указанный в задании размер зоны радиопокрытия составляет 800 м.

         На основании полученной в п. 2.8.7 скорости передачи данных получим эффективную полосу пропускания Δf = 570 кГц.

         Шумовая полоса приемника:

         Δfш = 1,1 * Δf = 1,1 * 570 = 627 кГц.                                                         (4)

         Мощность шума на выходе приемника:

Pш = k *T * Δfш = 1,23 * 10-23 * 296 * 627 * 103 = 2,28*10-15 Вт = -146,4 дБ.    (5)

Здесь k = 1,23 * 10-23 Дж/К – постоянная Больцмана, Т = 296 К – шумовая температура.

         Аналоговое отношение сигнал/шум на основе полученного в п. 2.8.6 ОСШ (для QPSK - Eb/N0 = 6,5 дБ):

SNR = Eb/N0 + 10 * lоg (Δf / Пш) = 6,5 + 10 * log ((570 * 103) / (627 * 103))= = 6,1 дБ.                                                                                                                   (6)

Коэффициент шума первых каскадов приемника примем равным Nk = 2. Тогда чувствительность приемника:

Pпрм = Pш + Nk + Eb/N0 = -146,4 + 2 + 6,1 = -138,3 дБ.                                (7)

Мощность излучения подвижной станции рассчитывается по формуле (8):

Pизл = Pпрм + L - GT - GR                                                                                 (8)

 где L - затухание в радиоканале, рассчитанное в п. 2.8.5, GT и GR - коэффициенты усиления передающей и принимающей антенн. Примем их равными GT = GR = 7 дБ. Так как расчет проводился для всей полосы частот, включающей 48 поднесущих OFDM, получим суммарную излучаемую мощность:

PΣизл = Pпрм + L - GT - GR = -138,3 + 113,6 - 7 - 7 = -38,7 дБ = 134,9 мкВт.         (9)

Полученное в результате расчетов значение излучаемой подвижной станцией мощности с большим запасом удовлетворяет указанному в задании к курсовой работе условию PΣизл < 0,15 Вт.

Далее необходимо произвести оценку мощности передатчика базовой станции для обеспечения уверенного приема сигнала с вероятностью PR = 70% на границе зоны радиопокрытия, радиус которой указан в задании к курсовой работе и равен 800 м.

Радиус зоны радиопокрытия рассчитывается по формуле (10):


Здесь W – функция Лапласа, σ – дисперсия по местоположению, n – коэффициент потерь, r50 – радиус зоны радиопокрытия с вероятностью уверенного приема сигнала PR = 50%. Так как анализируемая система будет функционировать в условиях городской застройки, примем σ = 10 и n = 5.

Значение функции Лапласа определяется по соответствующей таблице. В данном случае W((100 – PR) / 100) = W(0,3) = 0,85 согласно таблице значений функции Лапласа.

Тогда радиус зоны радиопокрытия при PR = 50% согласно формуле (10):


Мощность передатчика при PR = 50% равна пороговому значению уровня принимаемого сигнала, тогда:

Pm(r50) = Pпрм = -138,3 дБ.                                              (11)

         Мощность передатчика рассчитывается по формуле (12):

Pпер = Pm(r50) + L = -138,3 + 113,6 = -24,7 дБ = 3,39 мВт.             (12)

         Таким образом, мощность передатчика БС для обеспечения уверенного приема сигнала на границе зоны обслуживания с вероятностью PR = 70% составляет 3,39 мВт.

        

2.8.9. Построение функциональной схемы разработанного физического уровня.

Функциональная схема физического уровня реализуемой системы приведена на рис. 3. 10.

Рис. 3. 10. Функциональная схема физического уровня сети.

         Приведенная на рис. 3. 10 функциональная схема физического уровня сети является обобщением пп. 2.8.1 – 2.8.8. Рассмотрим функционирование L1 уровня в соответствии с этой схемой.

         Пакеты канального уровня на физическом уровне подвергаются помехоустойчивому кодированию со скоростью, определяемой типом поступившего на L1 уровень пакета. Кодирование осуществляет сверточный кодер Витерби. Затем производится перемежение битов пакета, и осуществляется QPSK модуляция. Из промодулированного QPSK сигнала модулятором OFDM формируется OFDM сигнал с 48 поднесущими в полосе 570 кГц. К полученному OFDM сигналу добавляется преамбула в виде 96 – битной последовательности CAZAC, которая одинаково формируется для приемной и передающей части сетевого устройства. В результате добавления преамбулы получается пакет физического уровня, пригодный для передачи по радиоканалу.

         На приемной стороне производится обратный процесс. Блок синхронизации осуществляет обнаружение преамбулы на основе генерируемой формирователем в составе приемного устройства CAZAC последовательности, затем происходит демодуляция OFDM символов и демодуляция QPSK сигнала, деперемежение битов и сверточное декодирование декодером Витерби. Полученные в результате описанных выше преобразований пакеты L2 уровня передаются на канальный уровень для дальнейших преобразований.

    Список используемых источников:

1) Бакке А.В. - лекции по курсу «Системы и сети связи с подвижными объектами».

2) https://ru.wikipedia.org/wiki/OFDM

3) https://ru.wikipedia.org/wiki/Сверточный_код

4) https://ru.wikipedia.org/wiki/Алгоритм_сверточного_декодирования_Витерби

5) https://ru.wikipedia.org/wiki/Многолучевое_распространение

6) https://nag.ru/articles/article/32365/prosto-o-slojnom-ofdm-modulyatsiya.html

7) http://www.techeducator.ru/dexius-1216-1.html

8) http://omoled.ru/publications/view/811

9) Методические указания к лабораторной работе №4: "Исследование методов обработки сигналов в приемнике стандарта GSM"

Ссылки на предыдущие публикации и соответствующий раздел форума:

1) http://radiolay.ru/viewtopic.php?f=83&t=457

2) http://omoled.ru/publications/view/1159

3) http://omoled.ru/publications/view/1183

4) http://omoled.ru/publications/view/1187

5) http://omoled.ru/publications/view/1188