Радиосистема управления беспилотным аппаратом .Часть 3: Проработка задач физического уровня

В рамках данной статьи рассмотрены следующие вопросы:

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 L1уровня. 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

Прежде всего необходимо разобраться с выбором мер по борьбе с многолучевостью. Нежелательный эффект замираний, а также межсимвольная интерференция, наблюдаемые при этом процессе, в рамках моей курсовой работы будут устраняться путем применения технологии OFDM. Она построена таким образом, что сама по себе является эффективной мерой защиты физического уровня от многолучевости. Поэтому разработка дополнительных мер по борьбе с многолучевым распространением не требуется.

Для борьбы с различными помехами и искажениями в канале связи будут применены помехоустойчивое кодирование и два профиля функционирования: с модуляциями QPSK и QAM-16. Процесс выбора и перехода на один из профилей контролируется с помощью диалога, осуществляемого только между АР и радиомодулем БПЛА, где блок «Измеритель мощности» проводит постоянные измерения мощности принимаемого сигнала от БПЛА и рассчитывает отношение сигнал/шум. На основе этих измерений по каналу CCH/notice передается сообщение о переходе ,например, на более помехоустойчивый профиль с QPSK модуляцией. 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.

2.8.2. Пояснение способа обеспечения частотной и временной синхронизации.

Использование частотной и временной синхронизации позволяет получить высокую помехоустойчивость передаваемого сигнала при применении OFDM.

Для временной и частотной синхронизации приемных устройств необходимо предусмотреть специальное поле, называемое преамбулой.

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

В разрабатываемой системе будет применятся два типа пакетов физического уровня: пакет видеоданных и пакет команд управления и BCCH. Эти два типа пакета имеют одинаковую структуру, которая представлена на рисунке 1:

Рис.1 Общая структура пакетов физического уровня.

Как видно из рисунка 1,каждый пакет физического уровня состоит из двух частей: поле преамбулы и поле данных. Поле данных содержит закодированные с помощью помехоустойчивого кодера данные и иметь длину , равную 255 битам. Это связано с использованием помехоустойчивого кодирования с применением кодов Боуза-Чоудхури-Хоквенгейма (255,187).Приходящее с канального уровня сообщение проходит процедуру помехоустойчивого кодирования с применением как раз этого кода. Также, необходимо привести длину пакета так, чтобы он был кратен степени 2.С этой целью к сообщению добавим нулевой бит. Таким образом, сообщение физического уровня будет иметь размерность 256 бит, где 255 бит-данные с выхода помехоустойчивого кодера и 1 бит-нулевой.

Преамбула в свою очередь будет передаваться с помощью одного OFDM-символа с использованием QPSK модуляции. Более подробно структура пакетов будет описана в пункте 2.8.7.

Для организации двусторонней доставки всех видов пакетов L1 уровня в разрабатываемой системе выбрано TDMA. Соответственно, процесс доставки сообщений от АР к БПЛА будет занимать один временной интервал, а от БПЛА к АР-другой. Поясним процесс двусторонней доставки сообщений с помощью следующего рисунка (рис.2):

Рис.2 Двусторонняя доставка пакетов физического уровня

Таким образом ,имеем два симплексных направления:

-Прямое , соответствующее направлению передачи от АР к БПЛА. Его особенностью является то, что в поле, предназначенном для передачи информации каналов CCH и BCCH ,находятся данные, соответствующие текущему этапу сеанса соединения. Так, для этапа регистрации в данном поле передается информация канала BCCH, для этапа непосредственной передачи видеопотока это поле занимают данные 3-х каналов управления;

-Обратное, соответствующее направлению передачи от БПЛА к АР. Здесь заложен тот же принцип, что и для прямого направления. То есть на этапе регистрации поле данных, которое на активном этапе предназначено для передачи видеопотока по каналу DTCH,здесь несет в себе ответы на ШС. Более подробно с указанием количества OFDM-символов данная структура будет рассмотрена позднее.

Оценим приблизительно пропускную способность ФКС. Во второй части моей курсовой работы я приблизительно выбрал скорость для каждого канала : 1.4 Мбит/с для канала DTCH и 600бит/с для каналов управления CCH и BCCH. C учетом выбранного помехоустойчивого кодирования БЧХ со скоростью 187/255=0.733 и добавления на канальном уровне полей CRC и OK ( см.структуру сообщений канального уровня) ,пропускная способность увеличивается до 1.91 Мбит/с. Также добавим к этой скорости скорость ,приходящаяся на 3 канала КУ и канал BCCH ,то есть 3.2 кбит/с (уже с учетом избыточности). Итого получаем 1.9132 Мбит/с или,округляя,2 Мбит/с.

Необходимо отметить следующее:

Скорость передачи КУ и BCCH- 3.2 кбит/с

Скорость передачи видеотрафика-2 Мбит/с

Найдем соотношение данных скоростей-1:625. Это значит ,что на один пакет КУ приходится 625 пакетов видеотрафика.

В моей системе я буду использовать 128 информационных поднесущих. Таким образом ,при использовании QPSK модуляции размер одного OFDM символа будет равен 128*2=256 бит.Следовательно ,с помощью одного символа можно передать 1 пакет физического уровня. Значит, за период будет передаваться 1+625=626 пакетов или 626 OFDM символов. Необходимо добавить еще один пакет для передачи КУ на случай, если пришло не подтверждение в первом пакете трафика команды управления. Тогда за период получаем: 627*256=160512 бит.

Можем теперь посчитать сам период при заданной скорости и размере пакетов:

160512 бит/ 2 Мбит/с=80.2 мс

Требуемая полоса, согласно посчитанной скорости передачи и выбранной модуляции QPSK,будет составлять 2МГц.

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 с несущей частотой 1280 МГц. Этот диапазон предназначен для любительской и любительской спутниковой служб . Занимаемая полоса составит от 1279 до 1281 МГц.

В качестве модели оценки потерь выберем модель Окамуры-Хата, поскольку эта модель обеспечивает достаточно высокую точность определения потерь при распространении радиоволн в условиях не только плотной городской застройки, но и, согласно моему техническому заданию ,в условиях сельской местности. В соответствии с выбранной моделью потери при распространении радиоволн выбранного частотного диапазона будут определяться по формуле:

Здесь введены следующие обозначения:

- Среднее затухание радиосигнала в городских условиях;

f- рабочая частота, МГц; у нас это значение равно 1280 МГц

hr- высота антенны БПЛА. Возьмем это значение равным 20м.

ht- высота антенны АР. (2 м)

d- расстояние между АР и антенной БПЛА. Примем это расстоние максимально возможным согласно заданию к курсовой работе, то есть 6 км.

Подставив данные значения в выражения, получим: Lгород=166.25 дБ,

Lc=166.25-4.78*lg(1280)^2+18.33*lg(1280)-40.95=136.11 дБ

Таким образом, уровень потерь на границе зоны радиопокрытия в условиях сельской местности или пригорода в выбранном частотном диапазоне от 1279 МГц до 1281 МГц составит 136.11 дБ

Для расчета отношения сигнал/шум, требуемого для обеспечения заданной вероятности битовой ошибки для модуляций QPSK и QAM-16 без помехоустойчивого кодирования необходимо воспользоваться утилиту BER Analysis Tool, входящую в состав программ среды MATLAB. Согласно моему техническому заданию вероятность ошибки на бит, не более Pb: 10^-6

На рисунке 3 изображен график зависимости вероятности битовой ошибки от ОСШ для двух видов модуляции.

Рис.3 Зависимость вероятности битовой ошибки от ОСШ без помехоустойчивого кодирования.

Из приведенных зависимостей вероятностей битовой ошибки от ОСШ можно сделать вывод о том, что для достижения необходимой вероятности ошибки на бит Р_В=1е-6 , нужно обеспечить ОСШ равный 10.6 дБ для QPSK модуляции и ОСШ равный14.5 дБ для QAM-16.

В разрабатываемой системе будет использовать одна модификация кода БЧХ и это код (255, 187), исправляющий 9 ошибок.

Рис.4 Зависимости вероятностей битовой ошибки от ОСШ для QPSK и QAM-16 модуляций при использовании помехоустойчивого кодирования.

Из зависимостей, показанных на Рис. 4, видно, что для QPSK с кодом (255, 187) необходимо обеспечить ОСШ равное 7.8 дБ, для QAM-16 с кодом (255, 187) ОСШ равное 11.5 дБ. Таким образом, при использовании помехоустойчивого кодирования достигается энергетический выигрыш в ОСШ для QPSK с кодом (255, 187) –2.8дБ и для QAM-16 с кодом (255, 187) –3 дБ.

Произведем повторный расчет отношения сигнал/шум, но уже с учетом помехоустойчивого кодирования.

В пункте 2.8.4. было рассчитано ,что скорость передачи, которая будет реализовываться в нашей радиосети, составляет 2 Мбит/с, соответственно, необходимая ширина полосы пропускания должна составлять порядка 2 МГц. В виду использовании технологии OFDM,имеем 128 информационных поднесущих. Можно подсчитать ширину полосы, которую занимает каждая из поднесущих:

2МГц/128=15.625 кГц

Более подробное описание размерностей полей пакета физического уровня представлена на рисунке 5.

Рис.5 Общая структура пакета ФУ

Стоит отметить ,что в направлении от АР к БПЛА в поле ДАННЫЕ передается информация всех трех каналов управления, а на этапе регистрации это место занимает информация канала BCCH.

Преамбула ,предназначенная для временной и частотной синхронизации, представляет собой CAZAK последовательность длиной 256 битов. Это позволяет передать ее с помощью 1 OFDM символа при QPSK модуляции. Теперь с учетом преамбулы пакет физического уровня будет иметь длину 256+256=512 и будет передаваться с помощью 2 OFDM символов при QPSK модуляции и 1ого при использовании QAM-16.

Вновь обратимся к пункту 2.8.4. С учетом периода передачи найдем новое значение пропускной способности :

Для QAM-16 остается такой же, как для QPSK без учета длины преамбулы, то есть 627 OFDM символов. Для QPSK модуляции это значение теперь удвоится,так как один пакет теперь передается с помощью 2 OFDM символов, то есть 627*2=1254 .

Итого получаем: 1254*256=321024 бит за период

4002793 бит/с ≈ 4 Мбит/с скорость передачи общего трафика.

Соответственно ,по найденной скорости определим необходимую для передачи полосу частот: 4 МГц

Теперь каждая поднесущая занимает следующую полосу:

Зная период передачи 80.2 мс и общее количество OFDM символов 1254, можно посчитать длительность одного символа следующим образом:

Теперь занимаемая полоса составит от 1278 МГц до 1282 МГц. Необходимо ввести также защитный разнос с каждой стороны, то есть между 1-ой поднесущей и нижним краем общей полосы пропускания и между последней 141-ой поднесущей( уже с учетом пилот-поднесущих в количестве 12 и 1ой нулевой ) и верхним краем полосы пропускания. Возьмем его равным 40 кГц.

Тогда: 4 МГц+ 40кГц*2=4.08 МГц- конечная полоса пропускания( от 1277.96 МГц до 1282.04 МГц)

В результате выполнения данного пункта, можно скорректировать рисунок 2 отображающий двустороннюю доставку пакетов физического уровня, согласно новым значениям полученным в результате расчета.

Рис.6. Частотно-временная диаграмма доставки сообщений L1 уровня.

За первый период 80.2 мс происходит этап регистрации, где пакет КУ используется для передачи от АР к 5-ти БПЛА широковещательного сообщения по каналу BCCH, а роль ответов на ШС выполняют пакеты видеоданных(было описано в п.2.8.4.). Если «наш» БПЛА не будет найден за первый период, то могут потребоваться еще.

В активном этапе в пакете КУ передаются данные трех каналов управления . В начале первого пакета видеоданных, как было введено на уровне L2,присутствует поле OK ,которое может потребовать повторной передачи команд управления. В этом случае в данную диаграмму встроится еще один пакет КУ,о чем говорилось ранее. Остальные 625 пакетов за период предназначены для передачи от БПЛА к АР видеоданных. По истечению периода описанный выше цикл повторяется.

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.

Согласно моему техническому заданию ,радиус зоны радиопокрытия составляет 6000м.

В пункте 2.8.7. была рассчитана окончательная скорость передачи данных, которая составляет 4 Мбит/с, соответственно эффективная полоса пропускания равна ∆f=4 МГц.

Рассчитаем шумовую полосу приемника:

∆fш=1.1*∆f=1.1*4Мгц=4.4 МГц

Произведем расчет мощности шума на выходе приемника:

Pш = k * T *∆fш =(1,38 * 10^-23) * 296 * (4.4 * 10⁶) = 1.797* 10^-14 Вт = -137.4 дБ

k = 1,38 * (10 ^-23) Дж/К - постоянная Больцмана

T = 296 К - шумовая температура.

Рассчитаем аналоговое сигнал/шум на основе полученного в п. 2.8.6. ОСШ (для QPSK - E_b/N0 = 7.8 дБ)

SNR = E_b/N₀+ 10* log(∆f /∆fш) = 7.8+ 10*log((4*10⁶)/ (4.4* 10⁶))=

= 7.38 дБ

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

Pпрм = Pш + Nk + Eb/N0= -137.4 дБ + 2 + 7.8 дБ = -127.6 дБ

Мощность излучения подвижной станции:

Pизл = Pпрм + L - G_T - G_R

L - затухание в радиоканале, которое рассчитано в пункте 2.8.5.

G_T и G_R- коэффициенты усиления передающей и принимающей антенн

Примем G_T = G_R= 12 дБ.

Получим суммарную излучаемую мощность, с учетом того, что расчет проводился для всей полосы частот , включающей 141 поднесущих OFDM.

P_Σизл = P_прм + L - G_T - G_R = -127.6 дБ+ 136,11дБ – 12дБ – 12дБ = -15.49 дБ=0.028 Вт

В результате получили значение излучаемой мощности подвижной станции, удовлетворяющее условию Ризл<2 Вт, изложенному в техническом задании к курсовой работе.

Далее в этом пункте необходимо выполнить анализ оценки мощности передатчика терминалов для обеспечения уверенного приема сигналов с вероятностью PR = 90% на границе зоны радиопокрытия, радиус которой составляет 6000м. Радиус зоны радиопокрытия рассчитывается по формуле :

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 сельской местности, примем σ = 4 и n = 2.

Значение функции Лапласа определяется по соответствующей таблице. В данном случае W((100 – PR) / 100) = W(0,1) = 0,25 согласно таблице значений функции Лапласа.

Тогда радиус зоны радиопокрытия при PR = 50% согласно формуле ,приведенный выше:

2.8.9. Построение функциональной схемы разработанного физического уровня

Рисунок 7. Функциональная схема физического уровня реализуемой системы

Поступающее с канального уровня сообщение проходит процедуры помехоустойчивого кодирования с использованием кода BCH (255, 187), далее, осуществляется блочное перемежение и модуляция. Вид модуляции зависят от выбранного системой профиля функционирования (QPSK или QAM-16).

Профиль функционирования выбирается исходя из качества КС. Качество связи оценивает приемной частью АР, для этого в АР реализована подсистема радиоизмерений. Подсистема радиоизмерений сообщает уровню принятия решений о качестве КС. Если необходима смена модуляции, то на модулятор с уровня принятия решений приходит соответствующая команда.

С выхода модулятора сообщение поступает на вход формирователя OFDM сигналов, где оно разбивается на блоки равной длины. Далее, к полученным символам с помощью блока синхронизации и формирователя последовательности CAZAC добавляется перамбула. Передающая часть БПЛА выполнена таким же образом.

Приемная часть выполняет обратные функции: демодулирование OFDM – сигнала, демодулирование согласно выбранной модуляции, деперемежение, декодирование. Приемная часть БПЛА отличается отсутствием подсистемы радиоизмерений.

Список литературы:

1) РЕКОМЕНДАЦИЯ МСЭ-R P.1238-5: «Данные о распространении радиоволн и методы прогнозирования для планирования систем радиосвязи внутри помещений и локальных зоновых радиосетей в частотном диапазоне 900 МГц – 100 ГГц».

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

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

4) http://omoled.ru/publications/view/1190

5) Б. Скляр. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр. Пер. с англ. — М. : Издательский дом “Вильямс”, 2003. — 1104 с.

6) К. Весоловский. Системы подвижной радиосвязи / Пер. с польск. И. Д. Рудинского; под ред. А. И Ледовского. - М.: Горячая линия-Телеком, 2006. - 536 с.

7) http://omoled.ru/publications/view/447