Радиотелефонная сеть связи. Часть 3. Проработка задач физического уровня

В данной статье 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, отражающей 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 радиопокрытия, оценка размера зоны радиопокрытия.

2.8.9. Построение функциональной схемы разработанного физического уровня.

В соответствии с заданием к курсовой работе проектируемая радиотелефонная система функционирует в условиях многочисленных производственных помещений. Следует учесть, что при перемещении абонентов по территории предприятия характеристики канала связи постоянно меняются, в результате на практике сталкиваются с помехой постоянно меняющейся по мощности, фазе, частоте и ширине спектра. Поэтому необходимо использовать какой-то механизм, который бы позволял компенсировать эти вредные воздействия.

Для борьбы с «быстрыми» изменениями шумовой обстановки используется, так называемая, адаптивная коррекция. Ее суть заключается в том, что вместе с полезным сигналом по каналу передается тестовая последовательность (training sequence), которая заранее известна отправителю и получателю. Во время передачи помеха будет действовать не только на полезный сигнал, но и на тестовую последовательность. Фильтр-эквалайзер в приемнике будет представлять собой адаптивный фильтр, коэффициенты которого будут регулироваться обучающей последовательностью. В результате после «обучения» фильтра тестовой последовательностью эквалайзер осуществляет изменение полезного сигнала.

Применяя адаптивную фильтрацию, необходимо учесть соответствующее поле обучающей последовательности в пакетах физического уровня.

Поскольку для пакетов речевого трафика не используются инструменты канального уровня (CRC, ARQ), следовательно необходимо обеспечить транспортировку сообщений с минимальным количеством ошибок, в связи с этим необходимо применение помехоустойчивого кодирования. Считаю целесообразным применение сверточного кодирования.Подробнее о кодировании будет сказано в п. 2.8.6.

В зависимости от помеховой обстановки, а именно от порогового значения ОСШ (обозначим его q_пор) возможно применение двух профилей работы, применяться они будут исключительно для пакетов речевого трафика.

Первый подразумевает использование модуляции QPSK. Если текущее ОСШ падает ниже порогового уровня, то принимается решение использование профиля №1.

Второй профиль работы подразумевает использование квадратурной амплитудной модуляции, а именно QAM-16. Если при существующих условиях распространения сигналов текущее ОСШ > q_пор применятся будет профиль №2. QAM-модуляция позволяет добиться большей спектральной эффективности и большей скорости передачи (в 2 раза выше чем у QPSK)

Каким образом будет происходить смена профиля?

Высокая мобильность терминалов может значительно изменить помеховую обстановку, возникает необходимость оперативной смены профиля физического уровня. В процессе ведения связи терминал постоянно измеряет уровень принимаемого сигнала от БС. Измерив уровень принимаемого сигнала, Т по каналу SACCH передает результат проведённых измерений. В случае значительного спада/увеличения ОСШ (текущий q< q_порили q>q_пор) БС в следующем мультикадре по медленному совмещенному каналу дает команду терминалу о смене профиля.

Для сообщений других логических каналов (BCCH, PCH, SDCCH, RACH, AGCH, SACCH) будет использоваться только модуляция QPSK.

2.8.2 Пояснение способа обеспечения частотной и временной синхронизации.

Так как система функционирует в условиях передачи информации реального масштаба времени, необходимо четко синхронизировать терминалы по частоте и времени. Во второй части курсовой работы была представлена структура мультикадра, согласно которой в направлении downlink в нулевом кадре, нулевом физическом канале передается пакет синхронизации. Таким образом, при появлении терминала в зоне обслуживания ему необходимо принять единый пакет подстройки частоты и времени, транслируемый БС широковещательно, после его декодирования мобильной станцией и как следствие – синхронизации с сетью, уже в следующем кадре сможет принять широковещательное BCCH-сообщение и выполнять свои функции в сети.

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

Рассмотрим структуру пакета физического уровня с помощью которого будут передаваться сообщения всех логических каналов, рис. 1.

Рис. 1 Структура L1 - пакета

Поясним назначение полей пакета:

Поля Fl. «Хвостовые биты», располагаются в начале и конце пакета, защищают информацию при сдвиге слота.

Поле Data. Представляет собой L2-сообщение соответствующего логического канала и вносимые сверточным кодером избыточные биты.

Поле настройки фильтра эквалайзера необходимо для оценки импульсной характеристики канала связи. В данном поле передается обучающая последовательность, необходимая на приемной стороне для настройки фильтра-эквалайзера.

Поле G(защитный интервал). Его присутствие в пакете обязательно с целью обеспечения согласования по задержке на 400 метров (радиус зоны радиопокрытия базовой станции в соответствии с заданием к курсовой работе).

Для синхронизации используется специальный пакет, размерность которого совпадает со структурой, описанной выше. Передается такой пакет один раз в мультикадр (направление downlink). Прием такого пакета позволит мобильной станции синхронизироваться с сетью по частоте и времени.

Рассмотрим временную диаграмму обмена пакетами L1 – уровня в пределах нулевого ФК, рис 1.

Рис. 2 Временная диаграмма пакетами L1-уровня для 0 ФК

В соответствии со структурой мультикадра, обмен пакетами в обоих направлениях осуществляется по очереди. В нечетных кадрах передает БС (принимает терминал), в четном кадре принимает БС (передает терминал). В соответствии с п. 2.8.3 пакет физического уровня будет одинаковым для всех логических каналов (кроме пакета синхронизации). С учетом того, что в системе реализуется 12 физических каналов, процесс обмена пакетами можно проиллюстрировать следующим образом, рис. 3.

Рис. 3 Обмен пакетами во всех 12-ти ФК

Приблизительно оценим пропускную способность ФКС. Кодек G.723.1 формирует речевой поток со скоростью 6.4 кбит/с. Примем скорость сверточного кодирования V=1/2, в связи с этим скорость увеличивается до значения 12,8 кбит/с. Прибавим к этому избыточность в 10%, вносимую полем настроечной последовательности фильтра-эквалайзера и полями вставочных битов ( «Хвостовые биты», защитный интервал). На выходе получим: 6.4 (кбит/с)*2+0,1*12,8 (кбит/с) ≈ 14 (кбит/с) в одном направлении для одного физического канала.

Расчитаем общую пропускную способность для всех 12 физических каналов: 14 (кбит/с)*12=168 (кбит/с) в одном направлении, следовательно в прямом и обратном: 168 (кбит/с)*2=336 (кбит/с). Для передачи сообщений канала управления или использования профиля №1 (модуляция QPSK) необходимая полоса частот составит не менее 336 кГц. Для QAM-16 модуляции полоса будет вдвое меньше и составит 168 кГц.

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 2400 МГц (в диапазоне 2300 МГц-2450 МГц, отведенном для любительской и радиолокационной связи), при использовании первого профиля занимаемая полоса частот будет больше и составит от 2232 МГц до 2568 МГц. При QAM-16 модуляции она будет уже в два раза и составит от 2316 МГц до 2484 МГц.

Необходимо выбрать такую модель предсказания потерь, которая смогла бы учесть большое количество стен, наличие нескольких этажей и наличие большого количества препятствий на пути распространения сигнала. Таким образом, для расчета будет использован метод предсказания потерь ITU-R 1238.

Модель потерь имеет следующий вид:

L_total=20 log₁₀ f + N log₁₀ d + L_f(n) – 28, дБ

N - дистанционный коэффициент потерь мощности;

f - частота (МГц);

d - расстояние разнесения (м) между базовой станцией и переносным терминалом (где d > 1 м);

Lf - коэффициент потерь за счет прохождения сигнала через пол (дБ);

n – максимальное количество этажей между БС и терминалами (n ³ 1).

Таблица 1. Коэффициенты потери мощности, N, используемые при расчете потерь передачи внутри помещения

Таблица 2. Коэффициенты при прохождении сигнала через пол, Lf (дБ), где n – число пройденных этажей, используемые при расчете потерь передачи внутри помещений (n ³ 1)

Радиотелефонная система будет функционировать в условиях производственных помещений в пределах 3 этажей.

Исходные данные:

N=22 – дистанционный коэффициент потерь мощности для промышленного здания;

f=2,4 ГГц – частота несущего колебания;

d=400 м – дальность связи (радиус зоны покрытия БС);

L_f=12 – коэффициент потерь за счет прохождения сигнала через пол (дБ);

n=3 – максимальное количество этажей между БС и терминалами;

Тогда потери:

L_total=20 log₁₀ f + N log₁₀ d + L_f(n) – 28 = 20*log₁₀ (2400) + 22* log₁₀(400) + 12 - 28 = 108,85 дБ

Таким образом, уровень потерь на границе зоны радиопокрытия базовой станции в условиях производственных помещений составляет 108,85 дБ.

Для определения отношения сигнал/шум, требуемого для обеспечения заданной вероятности битовой ошибки для модуляции QPSK (профиль №1 и сообщения КУ) и модуляции QAM-16 (профиль №2) без помехоустойчивого кодирования воспользуемся утилитой bertool, входящую в состав программ среды MATLAB. На рис. 4 изображен график зависимости P_B от ОСШ для двух видов модуляции.

Рис. 4 Зависимость битовой ошибки от ОСШ без помехоустойчивого кодирования

Проанализировав полученный график можно сделать вывод, что указанная в задании к курсовой работе вероятность битовой ошибки P_B=10^-5 достигается при ОСШ: 1) для QPSK - 9,56 дБ; 2) для QAM-16 – 13,40 дБ.

Как уже было сказано в п.2.8.1 помехоустойчивое кодирование будет реализовано с помощью сверточного кода со скоростью ½, где каждому биту на входе соответствует 2 бита на выходе.

Декодирование сверточных кодов будет осуществляться по алгоритму Витерби, который пытается восстановить переданную последовательность согласно критерию максимального правдоподобия.

Для борьбы с групповыми ошибками в системе предусматривается использование сверточного алгоритма перемежения/деперемежения битов.

Вновь построим зависимость вероятности битовой ошибки от ОСШ, но уже с учетом помехоустойчивого кодирования, рис 5.

Рис. 5 Зависимость битовой ошибки от ОСШ с учетом кодирования

Как видно из рисунка, использование сверточного кодирования для заданного значения P_Bпозволяет снизить значения ОСШ: 1) для QPSK – 6,5 дБ; 2) для QAM-16 – 10 дБ. Следовательно при использовании избыточного кодирования энергетический выигрыш составляет для QPSK – 3,06 дБ, для QAM-16 – 3,40 дБ.

Посчитанную в пункте 2.8.4 требуемую полосу частот оставим без изменений: 1) Для QPSK Δf=336 кГц; 2) Для QAM-16 Δf=168 кГц

Структура пакета L1 была описана ранее, здесь же необходимо определиться с точными размерами. В пункте 2.8.4 было установлено, что пропускная способность одного физического канала составляет 14 кбит/с в одном направлении. Предполагаем, что один пакет физического уровня будет нести в себе информацию 15 мс отрезка речи. Следовательно размер пакета составит: 14 (кбит/с)*15 (мс)=210 бит. Ввиду того, что в системе используется сверточное кодирование (V=1/2), поле Data будет содержать: 96 бит речевого трафика + 96 бит избыточных кодов, следовательно Data = 192 бита. Распределим оставшиеся 18 бит следующим образом:

10 бит будет содержать поле настройки фильтра-эквалайзера
Поле Fl, располагающиеся в начале и конце L1-пакета будут иметь размер - по 2 бита каждый
Оставшиеся 4 бита будут отведены под защитный интервал G

Таким образом структура пакета будет следующей, рис 6.

Рис. 6 Структура L1-пакета c учетом размеров

С целью обеспечения минимальной задержки передачи речи, зададим длительность кадра - 30 мс. Следовательно пакет L1-уровня в пределах таймслота будет иметь длительность 2,5 мс. Таким образом диаграмма обмена пакетами L1-уровня для нулевого ФК с учетом временного масштаба примет следующий вид, рис. 7.

Рис. 7 Диаграмма обмена с учетом временных масштабов для 0 ФК

Так как под КУ отведен один физический канал, для доставки пакета в пределах всех двенадцати таймслотов составит 2.5 мс * 12 = 30 мс. Весь цикл доставки сообщений канала управления составит с учетом обратного направления составит: 30 мс * 8 кадров * 2 =480 (мс).

Временной масштаб таймслотов с учетом прямого и обратного направления представлен ниже, рис 8.

Рис. 8 Диаграмма обмена пакетами с учетом временного масштаба для всех 12-ти таймслотов в прямом и обратном направлениях

В п. 2.8.6 окончательно было установлено, что эффективная полоса для модуляции QPSK Δf = 336 кГц, для QAM16 Δf = 168 кГц

Произведем оценку уровня мощности передачи для QPSK:

Шумовая полоса приемника:

Δf_ш= 1,1* Δf = 1,1*336 = 369,6 кГц.

Мощность шума на выходе приемника:

P_ш= k*T* Δf_ш= 1,23*10^-23*295*369*10³=1,33*10^-15 Вт=-148,73 дБ. В данном выражении k = 1,23*10^-23 Дж/К – постоянная Больцмана; T=295 К – шумовая температура.

Аналоговое ОСШ (SNR) для QPSK:

E_b/N₀= 6,5 дБ;

SNR = E_b/N₀+ 10*lg (Δf/ Δf_ш) = 6,5 + 10*lg ((336*10³)/(369,6*10³)) = 6.09 дБ

Чувствительность приемника:

P_прм = P_ш+ N_k+ SNR.

Коэффициент шума первых каскадов приемника примем равным N_k = 3 дБ.

P_прм = -148,73 + 3 + 6,09 = - 139,64 дБ

Расчитаем мощность излучения подвижной станции:

P_изл= P_прм+ L_total – G_t – G_r;

L_total= 108.85 дБ – cуммарные потери на трассе распространения сигнала (расчитанные в п. 2.8.5);

G_t= 3 дБ – КНД передающей антенны;

G_r= 3 дБ – КНД приемной антенны;

P_изл= -139,64 + 108,85 – 3 – 3 = - 36,79 дБ = 209,41 мкВт

В результате было получено расчетное значение мощности, которое удовлетворяет указанному в задании к курсовой работе условию:

P_изл < 0.3 Вт.

Произведем оценку уровня мощности передачи для QAM-16:

Шумовая полоса приемника:

Δf_ш= 1,1* Δf = 1,1*168 кГц = 184.8 кГц.

Мощность шума на выходе приемника:

P_ш= k*T* Δf_ш= 1,23*10^-23*295*184.8*10³=6.71*10^-16 Вт=-151,73 дБ. В данном выражении k = 1,23*10^-23 Дж/К – постоянная Больцмана; T=295 К – шумовая температура.

Аналоговое ОСШ (SNR) для QPSK:

E_b/N₀= 10 дБ;

SNR = E_b/N₀+ 10*lg (Δf/ Δf_ш) = 10 + 10*lg ((168*10³)/(184,8 *10³)) = 9,59 дБ

Чувствительность приемника:

P_прм = P_ш+ N_k+ SNR.

Коэффициент шума первых каскадов приемника примем равным N_k = 3 дБ.

P_прм = -151,73 + 3 + 9,59 = -139,14 дБ

Расчитаем мощность излучения подвижной станции:

P_изл= P_прм+ L_total – G_t – G_r;

L_total= 108.85 дБ – cуммарные потери на трассе распространения сигнала (расчитанные в п. 2.8.5);

G_t= 3 дБ – КНД передающей антенны;

G_r= 3 дБ – КНД приемной антенны;

P_изл= -139,14 + 108,85 – 3 – 3 = -36,29 дБ = 234,96 мкВт

При использовании другого вида модуляции излучаемая терминалом мощность изменилась незначительно, при этом условие P_изл < 0.3 Вт все также сохраняется.

Оценим область уверенного приема в 92% точек. Расчет зоны радиопокрытия осуществляется по следующей формуле:

Определим значения и n. В связи с тем, что сеть функционирует в условиях многочисленных производственных помещений значение дисперсии по местоположению примем σ=9 и коэффициент потерь n=2.

По графику определим значение r₅₀ – радиус зоны радиопокрытия при L=50%, r₅₀= 0,66.

Рис. 9 Определение площади уверенного приема

Определим значение функции Лапласа по таблице:

PR=92%; W((100-92)/100) = W(0.08) = 0.2

Таким образом, зона радиопокрытия при PR=92%:

2.8.9. Построение функциональной схемы разработанного физического уровня.

Функциональная схема физического уровня изображена на рис.10.

Рис. 10 Функциональная схема физического уровня

На сверточный кодер с L2-уровня поступают пакеты канала управления (BCCH, PCH, RACH, AGCH, SDCCH, SAСCH), также на кодер поступают пакеты пользовательского трафика непосредственно с кодека. Правило очередности следования пакетов регламентируются структурой мультикадра, которая была описана в п. 2.7.2, пришедшие пакеты подвергаются избыточному кодированию (V=1/2). Для устранения возможных групповых ошибок, сформированные биты подвергаются перемежению. Перед передачей пакетов по радиоканалу необходимо полностью сформировать пакет физического уровня, а именно: добавить битовые флаги, защитный интервал и поле настройки фильтра эквалайзера. В зависимости от помеховой обстановки в системе предусмотрено два профиля кодирования (QPSK, QAM-16), команда о смене профиля исходит от соответствующей службы L3-уровня.

Отдельно стоит сказать о синхронизации, во 2 части курсовой работы в п. 2.7.3 было сказано, что на L2 уровне предусмотрен общий канал синхронизации по частоте и времени. Пакет такого канала сразу поступает на блок сборки, подвергается модуляции и передается по радиоканалу. Отмечу, что такой пакет передается один раз в мультикадр и только в направлении БС-Т.

Для приема сигнала с минимальными ошибками в системе предусмотрено следующее: блок оценки ИХ вычисляет корреляцию принимаемого сигнала с обучающими последовательностями, полученная оценка подается на эквалайзер, где происходит компенсация искажений. Далее происходят обратные операции.

Список источников:

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

2. http://omoled.ru/publications/view/1196

3. http://omoled.ru/publications/view/1195

4. http://omoled.ru/publications/view/1207

5. http://omoled.ru/publications/view/811

6. http://omoled.ru/publications/view/331

7. http://omoled.ru/publications/view/346