Рис.1 Структура пакета L1 уровня

С помощью пакета L1 уровня будут передаваться сообщения всех ЛК.

Назначение полей пакета L1 уровня:

Поля FL

Хвостовые биты, которые располагаются в начале и конце пакета, защищают информацию при сдвиге слота.

Поле Data+FEC

Представляет собой L2-сообщение соответствующего ЛК  и вносимые сверточным кодером избыточные биты.

 Поле обучающей последовательности для фильтра эквалайзера

Служит для оценки ИХ канала связи. В этом поле передается обучающая последовательность, необходимая для настройки фильтра-эквалайзера на приемной стороне.

Для синхронизации используется определенный пакет, размерность которого совпадает со структурой, описанной выше. Передается такой пакет один раз в мультикадр. Прием такого пакета позволит всем терминалам синхронизироваться по частоте и времени.

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.

 Рис. 2 Временная диаграмма обмена пакетами L1-уровня

В начале каждого мультикадра передается пакет синхронизации, потом передается пакет BCCH для того, чтобы терминалы стали полноправными участниками сети ,также в рамках мультикадра выделены слоты под служебные сообщения и сообщений трафика. В соответствии с предыдущим пунктом пакет L1 уровня будет одинаковым для всех ЛК (кроме пакета синхронизации).

Оценим пропускную способность ФКС. Выбранный кодек GSM FR формирует речевой поток со скоростью 13 кбит/c, так как скорость сверточного кодирования V=1/2,то скорость будет равна 26 кбит/c. Добавим избыточность 10%,которую вносят поля хвостовых битов и поле обучающей последовательности для фильтра эквалайзера. В итоге получим скорость приблизительно равную 29 кбит/c.

Общая пропускная способность для всех ФК: 29 кбит/c * 45 =1305 кбит/c. Необходимая полоса частот для QAM-16 составит 653 кГц.

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 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 5651 МГц (в диапазоне 5650 МГц - 5725 МГц, отведенном для любительской и радиолокационной связи),при использовании первого профиля,т.е. при QAM-16 модуляции занимаемая полоса частот составит от 5650,953 МГц до 5651,606  МГц.

В качестве модели оценки потерь выберем модель Окамуры-Хата, так как эта модель обеспечивает высокую точность определения потерь в условиях плотной городской застройки. В соответствии с моделью потери будут определятся по формуле:

Где f  = 5651 МГц – несущая частота;

r – расстояние между терминалом-источником и терминалом-получателем. Примем это расстояние максимально возможным в соответствии с техническим заданием - 0,6 км.

hт1 = 1,6 м – высота антенны терминала-источника;

hт2= 1,6 м – типовая высота антенны терминала-получателя;

α(hАС) – поправочный коэффициент, учитывающий высоту антенны  в терминала-получателя зависимости от местности.

Рассчитаем поправочный коэффициент:

Рассчитаем потери:

Т.е. уровень потерь на границе зоны радиопокрытия в частотном диапазоне от 5650,953 МГц до 5651,606  МГц составит 154,6 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.

Для определения отношения сигнал/шум, требуемого для обеспечения заданной вероятности битовой ошибки для модуляции QAM-16 бех помехоустойчивого кодирования воспользуемся утилитой bertool, входящую в состав программ среды MATLAB. 

Рис. 3 Зависимость битовой ошибки от ОСШ без помехоустойчивого кодирования

На основании графика получим, что вероятность битовой ошибки P_ош = 10^-6

достигается при ОСШ = 14,4 дБ.

В данной системе будет использоваться помехоустойчивое сверточное декодирование по алгоритму Витерби, а также сверточный алгоритм перемежения и деперемежения битов.

Построим зависимость вероятности битовой ошибки от ОСШ с учетом помехоустойчивого кодирования

Рис. 5 Зависимость битовой ошибки от ОСШ с учетом кодирования

Как видно из рисунка, использование сверточного кодирования для заданного значения P_B позволяет снизить значения ОСШ для QAM-16 – 10,7 дБ. 

При использовании избыточного кодирования выигрыш для QAM-16 cоставит 3,7 дБ.

Посчитанную в пункте 2.8.4 требуемую полосу частот оставим без изменений Δf=653 кГц.

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

Пропускная способность одного ФК равна 29 кбит/c. Допустим, что один L1 пакет несет 10 мс речи, соответственно размер этого пакета будет равен 290 бит. Поле Data+FEC будет содержать 130 бит трафика + 130 избыточных битов, т.е. Data+FEC=260 бит. Остается 30 бит, которые нужно распределить. Соответственно, поле обучающей последовательности для фильтра эквалайзера будет содержать 20бит,поля Fl будут иметь размер по 5 бит.

Рис.6 Структура L1-пакета c учетом размеров

Рис.7 Временная диаграмма обмена пакетами L1-уровня с учетом масштаба времени

.Весь цикл доставки сообщений составит 525 мс. Пакет L1-уровня в пределах таймслота будет иметь длительность 2,5 мс.

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.

В п. 2.8.6 было установлено, что эффективная полоса для QAM16 Δf = 653 кГц.

Произведем оценку уровня мощности передачи для QAM-16:

Шумовая полоса приемника:

Δfш = 1,1* Δf = 1,1*653 кГц = 718,3 кГц.

Мощность шума на выходе приемника:

Pш = k*T* Δfш = 1,23*10^-23*295*718,3*10³=2,61*10^-15 Вт=-145,83 дБ.

Где k = 1,23*10^-23 Дж/К – постоянная Больцмана; T=295 К – шумовая температура.

Аналоговое ОСШ (SNR):

E_b/N0= 10,7  дБ;

SNR = E_b/N0 + 10*lg (Δf/ Δfш) = 10,7  + 10*lg ((653*10³)/( 718,3*10³)) = 10,3 дБ

Чувствительность приемника:

Pпрм = Pш + N_k + SNR.

Коэффициент шума первых каскадов приемника примем равным N_k = 5 дБ.

Pпрм = -145,83 + 5 + 10,3 = -130,53 дБ

Расчитаем мощность излучения подвижной станции:

Pизл = Pпрм + L_total – G_t – G_r;

L_total = 154,6 дБ – cуммарные потери на трассе распространения сигнала (расчитанные в п. 2.8.5);

G_t = 2 дБ – КНД передающей антенны;

G_r = 2 дБ – КНД приемной антенны;

Pизл = -130,53 + 154,6 – 2 – 2 = -20,07 дБ = 0,09 Вт

Оценим область уверенного приема в 90% точек. Расчет зоны радиопокрытия осуществляется по следующей формуле:

Примем σ=9 и коэффициент потерь n=4

По графику определим значение r50(r50=0,76)

Определим значение функции Лапласа по таблице:

PR=90%; W((100-90)/100) = W(0,1) = 0,26

Зона при радиопокрытии при PR=90%:

2.8.9. Построение функциональной схемы разработанного физического уровня

Рис.8 Функциональная схема физического уровня

На сверточный кодер с L2-уровня поступают пакеты служебных сообщений, также на кодер поступают пакеты пользовательского трафика непосредственно с кодека. Пришедшие пакеты подвергаются избыточному кодированию, т.е. V=1/2.Сформированные биты подвергаются перемежению, для устранения возможных групповых ошибок. Перед передачей пакетов по радиоканалу необходимо полностью сформировать пакет физического уровня, т.е. добавить поле обучающей последовательности для фильтра эквалайзера и битовые флаги. Пакет синхронизации сразу поступает на блок сборки, подвергается модуляции и передается по радиоканалу. Такой пакет передается один раз в мультикадр.

В системе предусмотрен блок оценки ИХ, для приема сигнала с минимальными ошибками. Он вычисляет корреляцию принимаемого сигнала с обучающими последовательностями, полученная оценка подается на эквалайзер, где происходит компенсация искажений.На приемной стороне происходят обратные операции.

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).

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.