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.

Физический уровень  - нижний уровень модели OSI, назначение которого – достоверная передача потока битов, поступающего с верхних L2 и L3 уровней. На физическом уровне могут быть реализованы любые технические решения, направленные на повышение достоверности приема битов.

В нашей системе к ним относятся:

1) модуляция и демодуляция – заключается в переносе сигнала на несущую радиочастоту для передачи по радиоканалу;

2)помехоустойчивое кодирование и декодирование – необходимо для обнаружения и исправления ошибок, соответственно для повышения помехоустойчивости системы;

В разрабатываемой системе имеем один профиль с использованием модуляции BPSK.

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.

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, однако в моей работе они не используются:

1)Помехоустойчивое кодирование с премежением

2)Сигналы с расширенным спектром – технологии DSSS и FHSS

3)Особый вид модуляции - технология OFDM

2.8.2. Пояснение способа обеспечения частотной и временной синхронизации.

Синхронизация в нашей системе необходима в силу применения системы TDMA. То есть временная синхронизация осуществляется посредством преамбулы - синхросимвола, что позволяет определить начало пакета сообщения.(17бит CAZAC последовательность).

 

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

              Рисунок 1. Структура пакета физического уровня.

Структура пакета физического уровня состоит из информационной части, которая содержит части пакетов информационного или служебного трафика L2 уровня и избыточные биты, полученные в результате прохождения пакетом L2 уровня процедуры блочного кодирования. Также будет присутствовать преамбула для частотной и временной синхронизации в сети. Пакет физического уровня будет оставаться всегда одного и того же размера и все его отдельные поля так же неизменны - для универсальности. Подробное описание размерностей полей данного пакета будет рассмотрено в пункте 2.8.7.

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.

Все сообщения, приходящие на L1 уровень после выделения преамбулы, подвергаются демодуляции , декодированию и выделению адресной части на L2, которая будет отправлена на L3 для сопоставления адресов и дальнейших действий (Рисунок 2).

         На рисунке 2 представлена временная диаграмма, на которой изображен обмен сообщениями в двух направления для получения информации от одного датчика с каждого терминала. Детализированное представление временной диаграммы с максимальной нагрузкой информационных каналов (от всех имеющихся датчиков, присоединенных к терминалам) будет показано в пункте 2.8.7.


Рисунок 2. Временная диаграмма.

 

Двусторонний обмен сообщениями разного типа максимально составляет 15 пакетов L1 сообщений  (3 датчика по 5 пакетов каждый)  по 80 бит каждый. Итого 1200 бит – максимальное количество данных по обмену с одним терминалом. С учётом того, что за одну секунду ведётся опрос примерно 100 терминалов. Сделаем примерный расчёт пропускной способности физического канала связи:

 

R = 1200 (бит)*100/ 1(с) =120000 бит/с = 15000 байт/с, что примерно равно 15 кбайт/с.

 

Расчёт выполнен с условием того, что учтён двусторонний обмен, наличие преамбулы и защитных интервалов, наличие избыточности, CRC адресов и других полей сообщения L2 уровня.

 R= 120 (Кбит/с).

Для BPSK минимальная необходимая полоса по формуле ниже:

Δf = R / log2n = 120 × 103 / log22= 120( КГц)

 

где: R – скорость передачи бит/с,  n– кратность модуляции.

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 Постановления Правительства Российской Федерации от 25 июля 2007 г. № 476 ("О внесении изменений в постановление Правительства Российской Федерации от 12 октября 2004 г. № 539 "О порядке регистрации радиоэлектронных средств и высокочастотных устройств"), предусмотрено свободное использование частотного диапазона 446-446.1МГц для портативных радиостанций с мощностью излучения не более 0.5 Вт.

Согласно Постановлению правительства выберем рабочую полосу частот при центральной частоте 446.05 МГц: 446.02- 446.98 (МГц).

Предполагаем, что терминалы находятся в плотной городской застройке. В качестве модели потерь выберем модель для широкополосных систем связи 3-го поколения: она подходит для использования в нашей сети, потому что у нас небольшая зона радиопокрытия в условиях городской застройки, вследствие чего расстояние между ТСД и Т меняется в пределах километра, что не совсем подходит для использования других моделей оценки потерь.

Возьмем модель для транспортных средств из слайдов Бакке А.В. ( наша ТСД – подвижна) и примем в модели hбс(высоту установки антенны БС) равную 0.5м.

L=80+40*(1-0.004*hбс )*lgR-18lghбс +21lgf0 , где R-данное по ТЗ расстояние 0.25км, а f0 - несущая частота,

тогда потери в канале связи:

= 80+40*(1-0.004*0.5)*lg(0.25)-18lg(0.5)+21lg(446.05)= 117,4 (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.

Расчет необходимого отношения сигнал/шум производился в утилите BER Analysis Tool из пакета программ Matlab. Согласно ТЗ необходимо обеспечить вероятность битовой ошибки менее  3*10-6. В ходе анализа были получены следующие зависимости:

1)для 2 типов модуляции- BPSK и 8-PSK для сравнения эффективности (Рисунок 3)



Рисунок 3 – сравнительная характеристика BPSK и 8-PSK

Видим из рисунка, что при заданной Pош имеем ОСШ 10.5дБ для BPSK и 14дБ для 8-PSK. То есть обоснуем наш выбор так: для BPSK требуется меньшее ОСШ в канале для обеспечения требуемой Pош.

2)Для уменьшения негативного влияния, одним из методов  борьбы с многолучёвостью  является введение помехоустойчивого кодирования. Это будет отражаться на структуре сообщения добавлением к нему поля ”FEC”. Его суть заключается в том, что на передающей стороне добавляются избыточные биты, позволяющие исправить возникающие в канале ошибки на приёмной стороне. В рассматриваемом случае будем использовать блочное кодирование в силу того, что нельзя использовать свёрточное кодирование или перемежение, потому что отдельные части сообщения нужны сразу (такие как адрес) и остаются без изменений при блочном, имеем только добавочное поле “FEC”, о котором говорилось ранее.

Остаётся теперь только выбрать тип блочного кодирования.  Я остановился на коде Боуза-Чоудхури-Хоквингема 63/57 ( Рисунок 4)



Рисунок 4 – сравнительная характеристика BPSK,BPSK+код Хемминга,BPSK+код БЧХ.

Видим, что применение кодирование типа БЧХ при заданной вероятности ошибки возможно при минимальном ОСШ равном 7.577(дБ) - минимальном из всех приведенных.

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

         Ранее в пункте 2.8.4. было сказано о том, что пакет физического уровня будет иметь одинаковую размерность. Ниже пошагово приведем структуру формирования L1 – сообщения (Рисунок 5).


Рисунок 5.  Диаграмма формирования L1-сообщения.

         Сформированное сообщение L2 уровня размером в 57 бит поступает на физический уровень, затем к этому сообщению во время процедуры блочного кодирования прибавляется избыточность размером в 6 бит. Далее происходит BPSK-модуляция, в результате чего получается промодулированное сообщение в 63 бита 57+6=63 бита и на заключительном этапе к промодулированному сообщению добавляется преамбула в виде 17 – битной последовательности CAZAC. В результате добавления преамбулы получается пакет физического уровня, пригодный для передачи по радиоканалу, размерность которого составляет 63+17=80 бит.


 

Рисунок 6. Временная диаграмма.

         На рисунке 6 приведена временная диаграмма, показывающая расчет временного масштаба, отражающая двустороннюю доставку всех видов пакетов L1 уровня. Обмен данными с каждым терминалом заключается в передаче данными от каждого датчика, подключенного к терминалу по команде управления от ТСД. От каждого датчика терминал передает пакеты CCCH, TCH, ACK все пакеты одной длинны по 80 бит. Время передачи одного такого пакета составляет 80(бит)/120000(бит/с)=0.66(мс),где 120000бит/с это скорость передачи данных. Так как с  каждого терминала передается информация от 3-х датчиков, то общее время передачи с одного терминала составит 0.66*4=2.64мс для одного датчика, для 3-х датчиков: 2.64*3=7.92мс, плюс пакеты синхронизации и пакет завершения работы терминала: 0.66*2=1.32мс итого: 7.92+1.32=9.24мс. Общая длительность работы ТСД с заданным количеством терминалов равным 100 составит: 9.24мс*100+0.66мс=924.66мс.

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.

 Перед началом расчетов зададимся некоторыми параметрами среды и системы:

·        Цифровое отношение сигнал/шум исходя из п. 2.8.6:

·        для BPSK+BChH Eb/N0 = 7.577 дБ;

·        Затухания в канале связи из п. 2.8.5: L = 117,4 дБ;

·        Скорость передачи данных после кодирования: RC = 120 Кб/с;

·        Шумы каскадов: Nk = 3 дБ;

·        Резерв мощности из-за замираний в канале связи: Pз = 3 дБ;

·        Постоянная Больцмана: k = 1,38 × 10-23 Дж/К;

·        Шумовая температура (нормальные условия): Т = 296 К.

Расчет уровня мощности передачи для профиля BPSK:

1.     Шумовая полоса одного  канала:

            Пш = Δf × 1,1 = 120 × 1,1 = 132 Кгц

2.     Мощность шума:

Pш = k ∙ T ∙ Пш = 1,38 × 10-23 ∙ 296 ∙ 132× 103  = 5.4 × 10-16 Вт = -152.67 дБ 

3.     Аналоговое отношение сигнал/шум:

C/N = (Eb / N0) + 10 log(RN / Пш) = 7.577 + 10 log(1/1.1) = 7,163 дБ 

4.     Чувствительность приемника:

Pпрм = Pш + Nk + C/= -152.67 + 3 + 7.163 = -142,507 дБ = 5.6 × 10-15 Вт 

5.     Мощность передатчика:

Pизл = Pпрм + Pз + L = -142,507 + 3 + 117,4 = -22,107 дБ = 6,16 мВт 

6,16 мВт < 0,1 Вт что с существенным запасом удовлетворяет требованиям технического задания 6,16 мВт < 0.5  Вт что так же, с запасом, удовлетворяет требованиям законодательства РФ.

Данный расчет справедлив для области уверенного приема в 50% точек наблюдения.

Проведем расчет для 80% точек наблюдения, необходимых по ТЗ.

Имеем формулу для расчета:




В которой WL- есть функция Лапласа от ((100-90)/100),так как по ТЗ имеем 80%, σ - дисперсия по местоположению, варьируемая от 4 до 10 дБ, n- коэффициент потерь, r50 -радиус зоны радиопокрытия, при котором обеспечивается уверенный прием в 50% точек наблюдения.

На рисунке 7 приведена таблица функций Лапласа найдем значение ближайшее к 0.1 и получим W=0.25. Для целочисленного отношения σ/n, которое будем смотреть по графику и принятых условий застройки, необходимых по ТЗ, выберем σ=10 , n=5.


Рисунок 7 - вырезка из таблицы функций Лапласа.

По графику на рисунке 8 мы определяем искомое значение r50.



Рисунок 8.  Определение площади уверенного приема.

Имея отношение σ/n=2 получаем r50=0.78.

Теперь можем вычислить площадь уверенного приема в 80% точек:

R80 = (10 ^ ((-0,25 * 10) / (10 * 5))) * 0,78 = 0,695 км

Соответственно необходим перерасчет по модели из п.2.8.5, в котором получим L=134,746(ДБ), что будет соответствовать мощности передатчика при перерасчете по пункту 2.8.8 Pизл=266мВт, что так же удовлетворяет ТЗ.

 

2.8.9. Построение функциональной схемы разработанного физического уровня.


Рисунок 9. Функциональная схема разработанного физического уровня.

         Пакеты канального уровня после фрагментации на физическом уровне подвергаются блочному кодированию со скоростью, определяемой типом поступившего на L1 уровень пакета. Кодирование осуществляет блочный кодер Боуза-Чоудхури-Хоквингема 63/57. Затем осуществляется BPSK модуляция. К промодулированному сигналу добавляется преамбула в виде 17 – 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 BPSK сигнала, блочное декодирование декодером Боуза-Чоудхури-Хоквингема 63/57. Принятые пакеты накапливаются, пока не будет полностью принят пакет L2 уровня. После этого пакеты дефрагментируются. Полученные в результате описанных выше преобразований пакеты L2 уровня передаются на канальный уровень для дальнейших преобразований.

 

Список используемой литературы:

1.Бакке А. В. "Лекции по курсу: Системы и сети связи с подвижными объектами"

2. http://omoled.ru/publications/view/840

3. Б.Скляр "Цифровая связь"

4. Постановление Правительства Российской Федерации от 25 июля 2007 г. № 476 ("О внесении изменений в постановление Правительства Российской Федерации от 12 октября 2004 г. № 539 "О порядке регистрации радиоэлектронных средств и высокочастотных устройств").