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.

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

 

 

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.

Эффект многолучевости возникает в результате многочисленных переотражений от различных стен, зданий, встречающихся на пути радиосигнала при его следовании к приемнику. Многолучевость  является одной из важных проблем беспроводных систем связи. 

На данный момент существуют различные методы борьбы с данным эффектом, например:

1)Помехоустойчивое кодирование с премежением

2)Сигналы с расширенным спектром – технологии DSSS и FHSS

3)Особый вид модуляции - технология OFDM

    Каждый из способов борьбы находит свое широкое применение в различных средах. В данной курсовой работе, будет использовано помехоустойчивое кодирование с перемежением в связи с тем, что все объекты сети при работе находятся в неподвижном состоянии относительно друг друга, а эффект многолучевости опасен в большей степени для нестационарных систем.

    Поскольку в сети передается относительно небольшой объем информации фиксированного размера, то нет необходимости использовать различные профили передачи данных, так же на это влияет то, что терминалы и точка доступа неподвижны и отношение сигнал/шум будет изменятся в небольшом диапазоне.   

В своей радиосети, я буду использовать BPSK модуляцию, которая является самым помехозащищенным видом модуляции.


2.8.2. Пояснение способа обеспечения частотной и временной синхронизации.

При пояснении способа обеспечения частотной и временно синхронизации необходимо понимать, что это необходимо с целью получения высокой помехоустойчивости. Как известно, синхронизация осуществляется в двух областях:

-во временной области

 -в частотной области

     В моей работе я буду использовать временную синхронизацию.


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


 Рис. 1.Структура полей пакетов


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 передачи пакетов L1 уровня

    Скорость кодирования составляет 1/2.

    Один таймслот -1мс, тогда длина кадра составляет 13мс, тогда скорость передачи данных :

28*2+40*2+15*2+7*2*10=306 - бит в кадре, 0,013с*306бит=23500 кбит/с.

При использовании модуляции BPSK получим требуемую полосу не менее 23,5 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.

 

    В связи с решением Государственной комиссии по радиочастотам при Минкомсвязи России от 21 декабря 2011 г. N 10-49-34 " Об утверждении Таблицы распределения полос радиочастот между радиослужбами Российской Федерации и признании утратившими силу некоторых постановлений Правительства Российской Федерации " для любительской радиосвязи отведены конкретные частотные диапазоны, поэтому выберем несущую частоту – 2375МГц (диапазон 2300-2450 МГц).


    В связи с тем, что использование данной радиосети предполагается внутри помещения, поэтому для расчета потерь при распространении радиоволн воспользуюсь стандартизированной Международным союзом электросвязи моделью ITU-R 1238, которая предполагает расчет потерь для частот в диапазоне от 900 МГц до 100 ГГц.


Модель потерь имеет следующий вид:

Ltotal=20 log10 f + N log10 d + Lf(n) – 28, дБ, где 

N - дистанционный коэффициент потерь мощности;

f - частота (МГц);

d - расстояние разнесения (м) между точкой доступа и терминалом (где > 1 м);

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

– максимальное количество этажей между точкой доступа и терминалами;


Исходные данные:
N=28 
f=2375 МГц – частота несущего колебания;
d=100 м – по заданию к курсовой работе;
Lf= 15+4(n-1)=19 (n=2-число пройденных этажей: предполагается такое размещение точки доступа, что терминал может располагаться через этаж как над, так и под точкой доступа) 

Тогда потери:

Ltotal= 20*log10 (2375) + 28* log10(100) - 28 = 95,51 дБ

Таким образом, уровень потерь на границе зоны радиопокрытия  составляет 95,51 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 BPSK  без помехоустойчивого кодирования воспользуемся утилитой bertool, входящую в состав программ среды MATLAB


Рис. 3.Зависимость битовой ошибки от ОСШ с учетом помехоустойчивого кодирования и без него.


    Как видно из графика при заданной битовой ошибке Р=10-4 при использовании помехоустойчивого кодирования выигрыш в ОСШ составляет 1,9 дБ. Заданная вероятность ошибки достигается при ОСШ=6,5 дБ.  

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


Рис. 4. Временной масштаб


Преамбула - CAZAC последовательность длиной 96 бит. Кадр состоит из 28 тайм слотов по 1мс, первые 4 таймслота отведены под преамбулу, крайние 4 под пакеты BCCH.

Длина кадра 28мс.


Рис. 5. Размерность полей.

Пакет канала TCH L2 уровня фрагментируется на 6 пакетов L1 уровня 

Пакет канала CCH L2 уровня фрагментируется на 4 пакета L1 уровня

Пакет канала RACH L2 уровня фрагментируется на 1 пакет L1 уровня 

Пакет канала BCCH L2 уровня фрагментируется на 4 пакета L1 уровня 

Будет использоваться блочное кодирование БЧХ на скорости 1/2



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.

Произведем оценку уровня мощности передачи для ВPSK:

Шумовая полоса приемника:

Δfш = 1,1* Δf = 1,1*23,5 = 28,85 кГц.


Pш k*T* Δfш = 1,23*10-23*295*29*103=1,05*10-16 Вт=-159,79 дБ. 

В данном выражении k = 1,23*10-23 Дж/К – постоянная Больцмана; 

T=295 К – шумовая температура.


Аналоговое ОСШ (SNR) для ВPSK:

Eb/N0= 6,55 дБ;

SNR = Eb/N+ 10*lg (Δf/ Δfш) = 6,55 + 10*lg ((23,5*103)/(28,85*103)) = 5,66 дБ

Чувствительность приемника:

Pпрм = Pш Nk SNR.

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

Pпрм = -159,79 + 3 + 5,66 = - 151,13 дБ

Расчитаем мощность излучения подвижной станции:

Pизл = Pпрм + Ltotal – Gt – Gr;

Ltotal = 95.51 дБ – cуммарные потери на трассе распространения сигнала (рассчитанные в п. 2.8.5);

Gt = 3 дБ – КНД передающей антенны;

Gr = 3 дБ – КНД приемной антенны;

Pизл = -151,13 + 95,51 – 3 – 3 = - 61,62 дБ = 68 мкВт

2.8.9. Построение функциональной схемы разработанного физического уровня



Рис. 6. Функциональная схема физического уровня. 


В конечном итоге, на уровне L1 будут передаваться следующие виды пакетов :

- BCCH

- RACH

- TCH

- CCH 

Данные пакеты  претерпевают различного рода преобразований:

-подвергаются блочному кодированию со скоростью 1/2.

-подвергаются перемежению

-подвергаются модулированию BPSK.

Пакеты поступившие с канального уровня  на уровень L1, проходят этап фрагментации, а затем блочного кодирования. Кодирование осуществляется блочным кодером БЧХ со скоростью 1/2. Затем закодированные пакеты поступают на вход блочного перемежителя. В конце, осуществляется модулирование передаваемых данных. После модуляции, происходит добавление преамбулы, осуществляющей временную синхронизацию. На выходе получается готовый, для  передачи пакет физического уровня. На приемной стороне осуществляется процесс синхронизации, демодуляции, деперемежения и декодирования.


Список источников:

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

2. http://omoled.ru/publications/view/1203

3. http://omoled.ru/publications/view/1209

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