Интерактивная радиосеть мультимедийного вещания. Программный модуль.

В данной статье рассмотрены следующие пункты задания к курсовой работе:

   3.1. Разработка и описание блок-схемы алгоритма передачи сообщений L2 уровня по каналу связи в одном направлении
   3.2. Разработка программной модели по блок-схеме п.3.1
   3.3. Исследование качества работы модели на предмет соответствия п.2.7, 2.8.

3. Экспериментальная часть. Разработка и экспериментальное исследование программной модели канала передачи данных.

3.1. Разработка и описание блок-схемы алгоритма передачи сообщений L2 уровня по каналу связи в одном направлении.

Разработанный программный модуль иллюстрирует процесс передачи базовой станцией одного пакета мультимедийного трафика по каналу TCH 2, и процесс приема и декодирования этого пакета на стороне терминала.

На канальном уровне сообщение трафика дополняется полем размерностью 2 бита, содержащим информацию о номере канала. Так как у терминала отсутствует возможность запросить повторную передачу пакета мультимедийного трафика, поле CRC к пакету не добавляется.

На физическом уровне производятся операции сверточного кодирования по Витерби, сверточного перемежения битов, модуляции QPSK и формирования OFDM символов. Диаграмма, иллюстрирующая работу передающей части БС представлена на рис. 3. 1.

Рис. 3. 1. Диаграмма передачи сообщения трафика БС.

Код функции настройки параметров модели:

function set = initSettings()

% параметры модели

% позиционность модуляции QPSK

set.mPos = 4;

%размер сообщения каналького уровня

set.lenght_traffic=96;

end

Код функции передатчика:

function [phy_frame] = Transmitter (message_traffic);

% Установка параметров модели

st=initSettings();

global Nc

global pilotIndexes

global ns;

disp('===============================================');

disp('сообщение, передаваемое Т');

disp('передаваемое сообщение:'); disp(message_traffic);

bit_number = 1;

symbol_number = 1;

DATA_2 = double(message_traffic);

DATA = dec2bin(DATA_2);

f = numel(DATA);

for i = 1:f

if bit_number == 8

bit_number = 1;

symbol_number = symbol_number + 1;

end;

DATA_1 (i) = str2num(DATA(symbol_number,bit_number));

bit_number = bit_number + 1;

end

%DATA_3 = bin2dec(DATA_1);

% ================== Канальный уровень ================================

% сборка части L2-сообщения

DATA_4 = DATA_1(1:126);

% DATA_1 = message_traffic;

channel_num = [0 1]; %для примера возьмем номер мультимедийного канала - 2

msg_Lev2 = [channel_num DATA_4];

% ================== Физический уровень ================================

%% Помехоустойчивое кодирование

%Сверточное кодирование

trellis = poly2trellis(7,[171 133]);

code = convenc(msg_Lev2,trellis);

%Длина сообщения на выходе сверточного кодера

msg_lenght = length (code);

%сверточное перемежение

code = convintrlv(code, 4, 3);

% номера пилотных поднесyщих в OFDM-символе

pilotIndexes = [10 20];

% количество неиспользуемых поднесущих и приходящихся на защитные интервалы

Ngr = 0;

% Размерность OFDM-символа

Nc = 36;

% количество поднесущих с данными

Ndata = Nc - (length(pilotIndexes));

% количество битов, передаваемых в одном OFDM-символе

s_length = Ndata * log2(st.mPos);

% Количество OFDM-символов

ns = floor(length(code)/s_length);

% Параметры модуляции

% h - модем QPSK с позиционностью mPos

h = modem.pskmod(st.mPos);

h.inputtype = 'bit';

IQ_signal = modulate(h, code');

% построение СКС

plot(IQ_signal,'xr');

ylim([-3.1 3.1]);

xlim([-3.1 3.1]);

title('Сигнально-кодовое созвездие, полученное в передатчике базовой станции');

%формирование OFDM-символов

ofdmFrame = makeOfdmFrame(IQ_signal, ns);

% Дополнение пакета синхросимволом - преамбулой.

% Преамбула состоит из 2-х идентичных частей,

% представляющих собой последовательности CAZAC.

seq_blk = cazac_seq(48,1);

sync = [seq_blk seq_blk];

%Пакет физического уровня (символ преамбулы и OFDM-символы)

phy_frame = [sync ofdmFrame];

figure;

plot(abs(phy_frame));

end

В передатчике осуществляется формирование OFDM символов. Код функции формирования OFDM символов:

function ofdmFrame = makeOfdmFrame(dataMod, Nofdm)

global pilotIndexes;

global Nc;

global len_cp;

global len_ofdmSymbol;

global len_ofdmFrame;

%символы пилотных поднесущих промодулированы псевдослучайным кодом (для

%примера, код Баркера), как результат - BPSK

seqBarker = [-1 -1 -1 1 1 1 -1 1 1 -1 1]*4/3;

ofdmSymbol = [];

ofdmFrame = [];

indexOfPilot = 1;

indexOfData = 1;

for i=1:Nofdm

for j=1:Nc % собираются IQ-символы будущего OFDM-символа

if (j==pilotIndexes(indexOfPilot))

ofdmSymbol(j)=seqBarker(indexOfPilot);

indexOfPilot=indexOfPilot+1;

if indexOfPilot == 3

indexOfPilot = 1;

end;

else

ofdmSymbol(j) = dataMod(indexOfData);

indexOfData=indexOfData+1;

end

indexOfPilot=1;

ofdmSymbol = ifft(ofdmSymbol);

%формирование циклического префикса, как часть OFDM-символа,

%используется 1/4 часть символа

cp = ofdmSymbol(Nc-floor(Nc/4)+1:Nc);

%длина циклического префикса

len_cp=length(cp);

% добавление ЦП в начало OFDM-символа (64 IQ-символа)

ofdmSymbol=[cp ofdmSymbol];

%длина OFDM-символа

len_ofdmSymbol=length(ofdmSymbol);

% Сборка информационных OFDM-символов пакета физического уровня

ofdmFrame=[ofdmFrame ofdmSymbol];

ofdmSymbol=[];

end

len_ofdmFrame = length (ofdmFrame);

end

На приемной стороне осуществляются процессы, обратные происходящим на передающей стороне. Соответственно производится выделение полезной информации из OFDM символов, демодуляция QPSK сигнала, деперемежение и декодирование по Витерби, после чего на канальном уровне осуществляется выделение номера канала трафика и информационной части сообщения. Диаграмма, иллюстрирующая процесс приема пакета трафика по каналу TCH 2 приведена на рис. 3.2.

Рис. 3. 2. Диаграмма приема пакета мультимедийного трафика.

Код функции приемника:

function [addr, message] = Receiver ( phy_frame );

global pilotIndexes

global Nc

global ns;

global len_cp;

global len_ofdmSymbol;

global len_ofdmFrame;

%% Установка параметров модели

st=initSettings();

% ================== Физический уровень ================================

% Выделение преамбулы, и поля данных

ofdmFrame_Rec = phy_frame(97:length(phy_frame));

ofdmFrame_Rec = ofdmFrame_Rec(1:end);

figure;

hold on;

%for i=1:4

%ofdmFrame_R((i-1)*Nc:(i-1)*Nc+Nc)=ofdmFrame_Rec(1+(i-1)*len_ofdmSymbol:len_ofdmSymbol*i);

%end;

%Выделение промодулированных данных из принятого

% OFDM сигнала

% Удаление циклического префикса из OFDM символов

n=1;

%ofdmFrame_R = ofdmFrame_Rec(1+(i-1)*len_ofdmSymbol:len_ofdmSymbol*i);

%ofdmSymbol(i:i+Nc-1) = ofdmFrame_R(n+len_cp:n+len_ofdmSymbol-1);

for b=1:Nc:ns*Nc-Nc+1

ofdmSymbol(b:b+Nc-1) = ofdmFrame_Rec(n+len_cp:n+len_ofdmSymbol-1);

n=n+len_ofdmSymbol;

end

%БПФ,перевод сигнала в частотную область

for i=1:Nc:ns*Nc-Nc+1

ofdmSymbol_ifft = ofdmSymbol(i:i+Nc-1);

ofdmSymbol(i:i+Nc-1) = fft(ofdmSymbol_ifft);

end

% Удаление пилот сигналов

indexOfPilot=1;

k=0;

for i=1:Nc:ns*Nc-Nc+1

IQ_signal = ofdmSymbol(i:i+Nc-1);

for j = 1:Nc

if j == (pilotIndexes(indexOfPilot));

indexOfPilot = indexOfPilot+1;

if indexOfPilot == 3

indexOfPilot = 1;

end;

else

Q_signal_2 = IQ_signal(j);

k=k+1;

IQ_signal_3(k) = IQ_signal_2;

end

indexOfPilot=1;

end

IQ_signalr = IQ_signal_3;

plot(IQ_signalr,'x');

title('Сигнально-кодовое созвездие, полученное в приемнике терминала');

% % Параметры демодуляции

h = modem.pskdemod(st.mPos);

h.OutputType = 'bit';

% собственно демодуляция

data_r = demodulate(h,IQ_signalr);

deintrlved_bits = reshape(data_r,numel(data_r),1);

deintrlved_bits = deintrlved_bits';

% Сверточное деперемежение

deintrlved_bits = convdeintrlv(deintrlved_bits, 4, 3);

%Устранение задержки, полученной при сверточном деперемежении

d = 4*(4-1)*3;

received_L1=deintrlved_bits(d+1:end);

% Помехоустойчивое декодирование

% Декодирование по Витерби

trellis = poly2trellis(7,[171 133]);

decode_word = vitdec(received_L1,trellis,34,'cont','hard');

received_mes_L1 = decode_word';

received_mes_L1 = received_mes_L1(34:length(received_mes_L1));

% ================== Канальный уровень ================================

% выделение номера канала

addr = received_mes_L1(1:2);

% выделение полезной информации

message_1 = received_mes_L1(3:length(received_mes_L1));

message = dec2bin(message_1);

symbol_number=1;

for i=1:7:(length(message)-7)

for bit_number=0:6

signal_ascii_bin(symbol_number,bit_number+1)=message(i+bit_number);

end;

symbol_number=symbol_number+1;

end;

signal_ascii=bin2dec(signal_ascii_bin);

message_final=char(signal_ascii);

%end;

%вывод результатов

disp('принято сообщение:'); disp(message_final');

disp('номер канала:'); disp(addr);

disp('===============================================');

end

Функции приемника и передатчика вызываются из главной части программного стенда. Код главной части программного стенда Main.m:

clear;%очистка рабочей области

clc; %очистка командного окна

% Установка параметров модели

st=initSettings();

%message_traffic = randint(1,96);

message_traffic = ('radiostation 2 chan');

%% Передатчик БС

phy_frame_1 = Transmitter (message_traffic);

%% Наложение шума на сигнал

% В роли ОСШ выступает случайная величина

SNR=randi(16);

phy_frame_R_1=awgn(phy_frame_1,SNR,'measured');

%% Приемник Т

[address, message] = Receiver (phy_frame_R_1);

3.2. Исследование качества работы модели на предмет соответствия п.2.7, 2.8.

В качестве примера сообщения мультимедийного трафика используем сообщение «radiostation 2 chan». При передаче этого сообщения в передатчике БС будет сформировано сигнально-кодовое созвездие, представленное на рис. 3.3.

Рис. 3. 3. СКС передатчика базовой станции.

В результате формирования OFDM символов посредством добавления циклического префикса, равного ¼ передаваемого символа, получим следующий вид OFDM символов во временной области (рис. 3.4):

Рис. 3. 4. OFDM символы.

В результате приема сообщения терминалом получим сигнально-кодовое созвездие, представленное на рис. 3.5.

Рис. 3. 5. СКС приемника терминала.

Итоговый результат выполнения программного модуля (рис. 3.6):

Рис. 3. 6. Результат работы программного модуля.

Как видно по результатам выполнения, алгоритм работы программного модуля реализован верно, и причина неправильного приема информационной части связана со сложными шумовыми условиями в канале (ОСШ = 3дБ), при этом номер канала мультимедийного трафика был принят верно.

Список используемых источников:

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

2) Wikipedia. Статья "OFDM".

3) Wikipedia. Статья "Сверточный код".

4) Wikipedia. Статья "Алгоритм сверточного кодирования Витерби".

5) Wikipedia. Статья "Многолучевое распространение".

6) Статья "OFDM модуляция".

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

8) КР "Высокоскоростной радиомост". Часть 2. Физический уровень.

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

10) Методические указания к лабораторной работе №1: "Исследование принципов организации канала передачи данных"

11) Радиосистема дистанционного видеоконтроля (Часть 4).