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 сеть должна функционировать в условиях городской застройки. Исходя из этого необходимо обеспечить серьезные меры по борьбе с многолучевым распространением радиосигналов, неизбежным в указанных условиях.

           В рамках данной курсовой работы методом борьбы с многолучевостью является применение технологии OFDM, которая является эффективной в вопросе борьбы с замираниями и межсимвольной интерференцией, возникающими в результате многолучевого распространения радиоволн. При применении OFDM использование дополнительных мер защиты от многолучевости не требуется.

           Для борьбы с различного вида помехами в канале связи реализуется помехоустойчивое кодирование. В данной работе будет использоваться сверточное кодирование, вносящее необходимую избыточность в передаваемое сообщение, для обеспечения его безошибочного приема. Избыточность определяется скоростью кодирования – отношением числа бит, поступивших на вход кодера, к числу бит, получаемых для данной входной последовательности на выходе кодера.

           В данной работе реализуем два профиля физического уровня:

           - BPSK;

           - 8-PSK.

           Переключение между профилями физического уровня происходит исходя из измерения уровня принимаемого сигнала, а именно отношения сигнал/шум (ОСШ):

           - при ОСШ < ОСШ_{пороговое} используется BPSK;

           - при ОСШ > ОСШ_{пороговое} используется 8-PSK.

           На основании радиоизмерений устройство управления дает команду радиомодулю о переходе на другой профиль физического уровня.

           2.8.2.Пояснение способа частотной и временной синхронизации.

           Временная синхронизация будет достигнута следующим образом. Шкалы времени всех терминалов будут синхронизированы со шкалой времени базовой станции. Так как в проектируемой сети отсутствует трафик реального времени необходимость синхронизации каждого терминала между собой является не оправданной. Временная синхронизация шкал времени терминалов и базовой станции будет осуществляться при передаче каждого пакета физического уровня. Каждый блок OFDM символов дополняется преамбулой, с помощью которой осуществляется частотная и временная синхронизация терминалов и базовой станции.

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

           На физическом уровне будут использоваться два типа пакетов физического уровня:

           - пакеты служебного трафика;

           - пакеты пользовательского трафика.

           Оба типа пакетов будут иметь одинаковую структуру:

Рисунок 1. Структура пакета физического уровня.

           Пакет физического уровня состоит из двух частей:

           - информационной части, которая содержит часть пакета L2-уровня и избыточные биты, вносимые сверточным помехоустойчивым кодером;

           - преамбулы, которая предназначена для частотной и временной синхронизации.

           При использовании сверточного помехоустойчивого кодера биты внутри пакета перемешиваются, следовательно, фактически пакет физического уровня состоит из одного поля.

           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.

           В проектируемой сети для передачи сообщений будет использоваться технология OFDM. При передаче сообщений могут использоваться три профиля физического уровня (п.2.8.3). При использовании технологии OFDM будем использовать, так называемый, планировщик, который будет распределять канальный ресурс между различными пакетами передаваемых сообщений.

           Примем количество поднесущих равным 128, так как ОБПФ эффективно работает с массивами данных кратных степени двойки.

           Число пилотных поднесущих примем равным 12 (10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120).

           Рассмотрим планы распределения частот для двух профилей физического уровня.

План распределения канального ресурса для профиля с 8-PSK-модуляцией.

           На каждый символ после модуляции будет отводиться три бита. Количество информационных поднесущих в проектируемой сети – 116, следовательно, 1 OFDM-символ будет представлен 116*3 = 348 битами.

           Для передачи одного пакета пользовательского трафика при сверточном полускоростном кодировании (размер информационной части – 580*3 = 1740 бита) потребуется 5 OFDM-символов.

           Для передачи одного пакета служебного трафика при сверточном полускоростном кодировании (размер информационной части – 116*3 = 348 битов) будет достаточно одного OFDM-символа.

План распределения канального ресурса для профиля с BPSK-модуляцией.

           На каждый символ после модуляции отводится один бит, следовательно, в данном профиле размер одного OFDM-символа будет представлен 116 битами.

           Для передачи одного пакета пользовательского трафика (1160 бита) потребуется 10 OFDM-символов.

           Для передачи пакета служебного трафика (232 битов) – необходимо 2 OFDM-символа.

 

Рисунок 2. План распределения канального ресурса.

           Как видно из рисунка 2, при профиле физического уровня с использованием BPSK модуляции, для передачи сообщений требуется в два раза большее количество OFDM-символов. Планировка осуществлена в соответствии со структурой мультикадра.

Оценка пропускной способности физического канала связи.

           Во второй части данной курсовой работы была выбрана скорость передачи данных для применяемых каналов связи:

           - для канала трафика – 128 кбит/с;

           - для остальных каналов (широковещательного, случайного доступа, разрешенного доступа, вызова) – 600 бит/с.

           С учетом вносимой избыточности при полускоростном сверточном помехоустойчивом кодировании пропускная способность увеличивается в 2 раза – 256 кбит/с и 1,2 кбит/с, соответственно. Общая пропускная способность сети с учетом каналов доступа и канала BCCH составляет 259,6 кбит/с.

           Соотношение для данных скоростей – 1:214 – на один пакет каналов доступа, вызова и BCCH приходится 214 пакетов трафика. Требуемая пропускная способность для профиля с BPSK будет составлять 1+214 = 215 OFDM-символов. Следовательно, за период передается 215*116 = 24940 битов. Период передачи – 24940/259600 = 96,1 мс. Требуемая полоса частот будет составлять 260 кГц.

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

           В соответствии, с постановление ГКРЧ при Минкомсвязи РФ от 21 декабря 2011 г. №1049-34 «Об утверждении Таблицы распределения полос радиочастот между радиослужбами Российской Федерации» выберем несущую частоту равной 431 МГц (полоса 430 – 432 МГц отведена для любительской связи и радиолокации). Занимая полоса частот составит 430,8705 – 431,1295 МГц.

           В задании к курсовой работе указано, что сеть функционирует в условиях городской застройки. Для оценки потерь при распространении радиоволн используем модель Окамуры-Хата, она обеспечивает высокую точность при определении потерь в различных условиях, а также для указанной в задании зоны радиопокрытия (3000 м), выбранного диапазона частот и указанного типа местности.

           В выбранной модели затухание сигнала описывается следующей формулой:

L = 69,55 + 26,16 lg (f) – 13,82 lg (h_БС) – a(h_AС) + (44,9 – 6,55 lg h_БС)lg (R) (1)

           f  – несущая частота, 431 МГц;

           h_БС – высота подъема антенны БС, 40 м, допустим антенна БС расположена на крыше 10-этажного здания;

           h_АС – высота подъема антенны АС, высоту антенны примем равной эталонной высоте в 1,5 м;

           R – дальность связи, 3 км;      

           a(h_AС) – поправочный коэффициент.

           Определим поправочный коэффициент по формуле:

a(h_AС) = 3,2lg(11,75h_АС)² – 4,97 = 3,2lg(11,75*1,5)² – 4,97 = 3,01 (2)

           Определим потери:

L = 69,55 + 26,16 lg (431) – 13,82 lg (40) – 3,01 + (44,9 – 6,55 lg 40)lg (3) =

= 69,55 + 68,92 – 22,14 – 3,01 + 16,42 = 129,74 дБ (3)

           Уровень потерь на границе зоны радиопокрытия базовой станции в условиях городской застройки в выбранном диапазоне частот составляет 129,74 дБ.

           2.8.6.Расчет отношения сигнал/шум, требуемого для обеспечения заданной вероятности битовой ошибки для выбранного вида 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 при модуляциях 8-PSK и BPSK без помехоустойчивого кодирования воспользуемся инструментом BERtool среды MATLAB.

Рисунок 3. Зависимость вероятности битовой ошибки от отношения сигнал/шум без помехоустойчивого кодирования.

           Как видно из полученного графика для 8-PSK заданная вероятность битовой ошибки P_ош = 5*10^-6 обеспечивается при ОСШ = 13,2 дБ, а при BPSK ОСШ = 9,88 дБ.

           В данной системе будет применено сверточное кодирование Витерби, так как оно позволяет существенно снизить вероятность битовой ошибки за счет внесения в передаваемое сообщение избыточности, а также сверточное перемежение/деперемежение битов, преимущество которого перед блочным заключается в вдвое меньших затратах памяти на реализацию.

Рисунок 4. Зависимость вероятности битовой ошибки от отношения сигнал/шум с помехоустойчивым кодированием.

           Как видим из полученного графика помехоустойчивое кодирование позволяет обеспечить требуемую вероятность битов ошибки при ОСШ равном 6 дБ для BPSK и 9,6 дБ для 8-PSK. Обеспечиваемый выигрыш приблизительно составляет 4 дБ.

           Скорость передачи данных в данной сети, как было определено ранее (п.2.8.5.), составляет 259,6 кбит/с, следовательно, необходимая ширина полосы частот с учетом защитных интервалов равных 15 кГц составляет 289,6 кГц. Ширина полосы каждой поднесущей равна 2,028 кГц.

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

           Определим размерность полей пакета физического уровня. Для борьбы с быстрыми замираниями необходимо обеспечить выполнение условия T_ког > T_сим. Время когерентности канала связи примем равным 500 мкс, время передачи одного OFDM-символа равно 446,9 мкс. При скорости передачи 259,6 кбит/с длина пакета будет равна 117 битов. Следовательно, один пакет пользовательского трафика L2-уровня будет передаваться пятью пакетами L1-уровня, каждый из которых передается одним OFDM символом, а сообщения служебного трафика L2-уровня будут передаваться одним пакетом L1-уровня.

Рисунок 5. Размерность полей пакета L1-уровня.

           Каждый пакет L2-уровня, фрагментированный на 5 пакетов L1-уровня, дополняется преамбулой длиной в 1 OFDM символ.

           В связи с тем, что для передачи одного пакета пользовательского трафика L2-уровня требуется передать 6 пакетов L1-уровня, то есть 6 OFDM-символов, а для сообщений служебного трафика 2 OFDM-символа. Для передачи всех пакетов, приведенных на рис. 2 потребуется 40 OFDM-символов. Следовательно, частотно-временная диаграмма примет следующий вид:

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

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

           Размер зоны радиопокрытия указанный в задании к курсовой работе 3000 м. Определим эффективную полосу пропускания:

Δf = 2,028 кГц.

           Шумовая полоса приемника:

ΔП_ш = 1.1* Δf = 1,1*2,028 = 2,2308 кГц. (4)

           Мощность шума на выходе приемника:

Pш = k*T*Δf_ш = 1,23*10^-23*296*2,2308*10³ = 8,12*10^-18 Вт = -170,9 дБ, (5)

где k = 1,23*10^-23 Дж/К – постоянная Больцмана, T = 296 К – шумовая температура.

           Аналоговое отношение сигнал/шум на основе полученного в п.2.8.6 ОСШ (для 8-PSK – E_b/N₀ = 9,6 дБ):

SNR = E_b/N₀ + 10*lоg(Δf/П_ш) = 9,6 + 10*log ((2,028*10³)/(2,2308*10³)) =

= 9,2 дБ. (6)

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

P_прм = P_ш + N_k + E_b/N₀ = -170,9 + 2 + 9,2 = -159,7 дБ. (7)

           Мощность излучения подвижной станции вычисляется по следующей формуле:

P_изл = P_прм + L – G_T – G_R , (8)

где L – затухание в радиоканале, рассчитанное в п.2.8.5, G_T и G_R – коэффициенты усиления передающей и приемной антенн. Примем их равными G_T = G_R = 5 дБ. Так как расчет проводился для всей полосы частот, включающей 128 поднесущих OFDM, получим суммарную излучаемую мощность:

P_Σизл = P_прм + L – G_T – G_R = –159,7 + 129,74 – 5 – 5 = –40 дБ = 0,1 мВт.

           Полученное в результате расчетов значение излучаемой мощности подвижной станции с большим запасом удовлетворяет указанному в задании к курсовой работе условию P_Σизл < 0,3 Вт.

           Произведем 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 3000 м.

           Радиус зоны радиопокрытия рассчитывается по следующей формуле:

r₇₀ = 10^((W*σ)/(10^n))*r₅₀, (10)

где 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 таблице значений функций Лапласа. В данном случае W((100 – PR)/100) = W(0,3) = 0,85 согласно таблице значений функций Лапласа.

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

           r₅₀ = 3000/10^((-0,85*10)/(10^5)) = 3006 м.

           2.8.9.Построение функциональной схемы разработанного физического уровня.

Рисунок 7. Функциональная схема физического уровня сети.

           Схема, приведенная на рис. 7, представляет из себя обобщение п.2.8.1 – 2.8.8. Рассмотрим функционирование L1-уровня сети в соответствии с этой схемой.

           Пакеты канального уровня фрагментируются на физическом уровне, после чего поступают на сверточный кодер со скоростью ½. Кодирование осуществляется кодером Витерби. Затем биты пакета подвергаются перемежению и поступают на модулятор. Решение об используемой модуляции 8-PSK или BPSK принимается на основании радиоизмерений, а именно порогового ОСШ. Из модулированного сигнала модулятором OFDM формируются OFDM-сигнал, состоящий из 128 поднесущих в полосе 289,6 кГц. К сформированному OFDM-сигналу добавляется преамбула в виде 117-битной последовательности CAZAC, которая одинаково формируется для приемной и передающей частей сетевого устройства. После добавления преамбулы формируется пакет L1-уровня пригодный для передачи по радиоканалу.

           На приемной стороне происходят обратные операции. Блок синхронизации осуществляет поиск преамбулы, на основе генерируемой формирователем последовательности CAZAC в составе приемного устройства. Далее проводится демодуляция OFDM-символов и демодуляция 8-PSK/BPSK, деперемежение битов и сверточное декодирование декодером Витерби. После чего пакеты дефрагментируются. Полученные в результате преобразований пакеты L2-уровня передаются на канальный уровень для дальнейшей обработки.

           Список используемой литературы:

           1.Курс лекций по дисциплине «Системы и сети связи с подвижными объектами» Бакке А.В., 2017 год.

        2.Постановление Правительства РФ от 21 декабря 2011 г. N 1049-34 "Об утверждении Таблицы распределения полос радиочастот между радиослужбами Российской Федерации и признании утратившими силу некоторых постановлений Правительства Российской Федерации" (выписка).

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