В данной статье рассмотрены следующие пункты курсовой работы:

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. 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.

Многолучевость возникает в случае, если радиоволны приходят в точку приема, предварительно отразившись от различных препятствий. В результате сигналы, пришедшие по разным путям, имеют разную задержку. В итоге могут возникнуть замирания результирующего сигнала, что приведет к увеличению вероятности битовой ошибки. В соответствии с заданием к курсовой работе Вероятность ошибки на бит должна быть не более 3*10^-6.

Проектируемая радиосеть функционирует в внутри помещения, то есть нужно учесть хаотичные перемещения абонентов, приводящие к постоянно меняющимся помехам. Для их компенсации мы будем использовать адаптивную фильтрацию. Смысл адаптивной фильтрации следующий – по каналу передается полезный сигнал и обучающая последовательность, заранее известная и на передающей и на приемной стороне. Помеха действует как на полезный сигнал, так и на обучающую последовательность. На приемной стороне находится фильтр-эквалайзер, который представляет собой адаптивный фильтр, коэффициенты которого должны регулироваться обучающей последовательностью. После обучения фильтра последовательностью эквалайзером осуществляется изменение полезного сигнала.

В данной радиосети будет использовано сверточное кодирования, так как необходимо обеспечить передачу сообщений с минимальным количеством ошибок.

В проектируемой сети нет необходимости в реализации нескольких профилей физического уровня, так как сеть осуществляет передачу только одного вида трафика – данных. Этот профиль подразумевает использование квадратурной амплитудной модуляции QAM-16.Я выбрал QAM-модуляцию, потому что она позволяет получить большую скорость передачи и спектральную эффективность в отличие от других модуляций.

2.8.2. Пояснение способа обеспечения частотной и временной синхронизации.

Проектируемая система работает в условиях передачи данных реального масштаба времени, нужно точно синхронизировать терминалы по частоте и времени. Для этого введем на физическом уровне пакет синхронизации. Он будет передаваться в начале каждого мультикадра и обеспечивать подстройку частоты приемопередающей аппаратуры терминалов и синхронизацию временных шкал терминалов.

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

                               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. Имеем поток данных со скоростью 15 кбит/c, так как скорость сверточного кодирования V=1/2,то скорость будет равна 30 кбит/c. Добавим избыточность 10%,которую вносят поля хвостовых битов и поле обучающей последовательности для фильтра эквалайзера. В итоге получим скорость приблизительно равную 33 кбит/c.

Общая пропускная способность для всех ФК: 33 кбит/c * 35 =1155 кбит/c. Необходимая полоса частот для QAM-16 составит 555 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 5651,508  МГц.

В качестве модели оценки потерь выберем модель Кинана-Мотли, так как эта модель обеспечивает высокую точность определения потерь внутри зданий. В соответствии с моделью потери будут определяться по формуле:

   

Здесь λ – длина волны излучения, d – расстояние между приемником и передатчиком, F и W – ослабление сигнала при прохождении потолочных перекрытий и стен соответственно, k и p – число потолочных перекрытий и стен на пути прямого луча, примем несущую частоту f=5651МГц.

Длина волны излучения:

  

Возьмём значения параметра d для трёх точек приёма.

Параметр W примем равным 2,1 дБ (соответствует ослаблению для стен в здании офиса в модели Кинана-Мотли).

Параметр p = 0,1,2 для 1-й, 2-й и 3-й точек соответственно.

Параметры F и k в данном случае не требуются, так как ни для одной из трех точек приема сигнал не проходит через потолочные перекрытия.

  

На пути в точку 2 прямой луч проходит сквозь одну стену. Расчет потерь сигнала в точке 2:

 

  

На пути в точку 3 прямой луч проходит сквозь две стены. Расчет потерь сигнала в точке 3 на границе зоны обслуживания:

Т.е. уровень потерь на границе зоны радиопокрытия в частотном диапазоне от 5650,953 МГц до 5651,508 МГц составит 73,27 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 без 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 Pош = 3*10-6

достигается при ОСШ = 14,42 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.