В рамках данной статьи рассмотрены следующие пункты задания к курсовой работе:

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 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.


2.8. Проработка задач физического уровня. Решение вопросов, связанных с обеспечением синхронизации сетевых устройств на физическом уровне.

Физический уровень - нижний уровень модели OSI, назначение которого – достоверная передача потока битов, поступающего с верхних L2 и L3 уровней. На физическом уровне могут быть реализованы любые технические решения, направленные на повышение достоверности приема битов.

В нашей системе к ним относятся:

1) модуляция и демодуляция – заключается в переносе сигнала на несущую радиочастоту для передачи по радиоканалу;

2)помехоустойчивое кодирование и декодирование – необходимо для обнаружения и исправления ошибок, соответственно для повышения помехоустойчивости системы;

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.

Явление многолучёвости возникает при условии существования в точке приема радиосигнала не только прямого, но и одного или нескольких отражённых лучей (от земной поверхности, зданий, строений и прочих объектов). В данной радиосети, с целью возможности исправления ошибок на приемной стороне будет использоваться помехоустойчивое кодирование. Также можно применить блочное кодирование в силу того, что нельзя использовать свёрточное кодирование или перемежение, потому что отдельные части сообщения нужны сразу (такие как адрес) и остаются без изменений при блочном, а также блочное кодирование позволяет увеличить вероятность исправляемых ошибок.

Так как данная система достаточно проста, из этого следует, что нет необходимости вводить различные профили настроек физического уровня, можно ограничиться одним. Использовать будем QPSK и QAM-16 -модуляции, для разных профилей системы.

2.8.2. Пояснение способа обеспечения частотной и временной синхронизации.

Поскольку данная система должна функционировать в условиях передачи информации реального масштаба времени, необходимо точно синхронизировать все терминалы, находящиеся в зоне обслуживания, с точкой сбора данных по времени. Для этого на физическом уровне к сформированному сообщению L2 уровня будет добавляться поле для временной синхронизации.

Синхронизация в нашей системе необходима в силу применения системы TDMA. То есть временная синхронизация осуществляется посредством преамбулы - синхросимвола, что позволяет определить начало пакета сообщения. 

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

Пакет физического уровня имеет следующую структуру:


 Рисунок 1. Структура пакета физического уровня.

Структура пакета физического уровня состоит из информационной части, которая содержит части пакетов информационного или служебного трафика L2 уровня и избыточные биты, полученные в результате прохождения пакетом L2 уровня процедуры блочного кодирования. Также будет присутствовать преамбула для частотной и временной синхронизации в сети. Пакет физического уровня будет оставаться всегда одного и того же размера и все его отдельные поля так же неизменны - для универсальности.

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.


Рисунок 2. Организация доступа к физическому каналу.

На рисунке 2 представлена временная диаграмма, на которой изображен обмен сообщениями в двух направления для получения информации от датчиков с каждого терминала.

Двусторонний обмен сообщениями разного типа максимально составляет 18 пакетов L1 сообщений  (6 датчиков по 3 пакета каждый)  по 100 бит каждый. Итого 1800бит – максимальное количество данных по обмену с одним терминалом. С учётом того, что за одну секунду ведётся опрос примерно 100 терминалов. Сделаем примерный расчёт пропускной способности физического канала связи: 

R = 1800 (бит)*100/ 1(с) =18000 бит/с = 180 кбит/с.

Для передачи сообщений необходимая полоса частот составит не менее 180 кГц.

Расчёт выполнен с условием того, что учтён двусторонний обмен, наличие преамбулы, наличие избыточности, CRC адресов и других полей сообщения L2 уровня. 

Сообщения всех логических каналов, имеют одинаковый размер. Скорость передачи в канале случайного доступа равно 180 кбит/сек. Количество бит, содержащегося в сообщении равно 100. Таким образом время передачи равно 55мсек. Данное значение делим на N (100 терминалов), и получаем время одного канального интервала равно 550 мксек.

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

Для работы нашей системы целесообразно использовать диапазон 403-410 МГц, так как согласно решению ГКРЧ от 11.12.2006, данный диапазон выделяется гражданам Российской Федерации и российским юридическим лицам для разработки, производства и модернизации радиоэлектронных средств фиксированной и подвижной радиосвязи гражданского назначения без оформления отдельных решений ГКРЧ для каждого конкретного пользователя РЭС.

В соответствие с техническим заданием оценку уровня потерь осуществим, используя модель предсказания Хата. Общие потери рассчитаем по формуле 1.


В данной формуле: f – несущая частота, МГц; d–расстояние между антенной точки доступа и антенной терминала; hAP – высота антенны точки доступа; hAC – высота антенны терминала; a(hAC) – поправочный коэффициент для терминала (в диапазоне высот от 1 м до 10 м):


Примем значение несущей частоты f = 408 МГц, d = 0.3 км; hAP = 8 м; hAC = 1.5 м. Подставив выбранные значения в формулы 1 и 2, получим общие потери распространения.

 L = 130.9 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.

В системе существует два профиля настройки физического уровня, определимся с модуляцией, используемой на каждом профиле. В канале с низким качеством будет использоваться модуляция QPSK (профиль 1), данный вид модуляции характеризуется малой вероятностью возникновения ошибок и сравнительно небольшой скоростью передачи данных. В канале с хорошим качеством будем использовать модуляцию QAM-16 (профиль 0), более высокая скорость передачи, но и высокая вероятность возникновения ошибок


Рисунок 3. Зависимость вероятностей битовой ошибки от ОСШ для QPSK и 16-QAM.

По техническому заданию необходимо обеспечить вероятность ошибки на бит Pb = 5*10-6. Как видно из рисунка 3, при модуляции 16-QAM заданная вероятность битовой ошибки обеспечивается при 14,8 дБ, а при модуляции QPSK –10,8  дБ.

Ошибки, возникающие в канале связи с шумом, могут быть исправлены до необходимого уровня, без снижения скорости передачи информации, путем введения избыточности. Но скорость передачи информации остается ниже пропускной способности канала .

Т.к. физический уровень работает с блоками данных, то удобно использовать БЧХ коды. Они составляют мощный класс циклических кодов, который обеспечивает достаточную свободу длины блока. Для профиля 1 будет использоваться код (127,92,9). Данный код имеет размерность блока до кодирования такую же, что и пакет канального уровня – 78 бит. Размер блока после кодирования составляет 127 бит. Код способен исправить 9 ошибок в блоке данных. Для профиля 0, используется код (127,99,9). Данный код способен исправлять 9 ошибок.


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


Для обеспечения требуемой вероятности ошибки на бит, при модуляции QPSK это достигается при 7.6 дБ, а при модуляции 16-QAM – 10.8 дБ. Таким образом, выигрыш для профиля 1 составляет 3.2 дБ, а для профиля 0 – 4 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).

 

Из рассмотренных ранее сценариев, для уверенности в том, что сообщение будет успешно передано, на каждый терминал отведем по 10 циклов передачи. Время нахождения терминала в зоне радиопокрытия при скорости в 125 км/ч составляет 4 секунды. В системе число терминалов обычно равно 100. Тогда время на каждый терминал получается равно 4 сек. / (100 терминалов * 10 циклов передачи) = 0,004 секунды(4мс). Тогда скорость передачи полезной информации равна 78 бит/0.004 сек = 19,5 кбит/сек. Что не соответствует условию ∆f/f ≥ 10-6, увеличении скорости передачи в 2 раза является на грани допустимой реализации, что тоже не подходит.

Для того чтобы соответствовать условию скорость передачи полезной информации выберем в 4 раза больше исходной (19,5кбит/сек), т.е. равной 78 кбит/с. Полезные данные одного терминала составляет 78 бит. В процентном соотношении полезные данные составляют 70% от размера канального уровня. Значит, скорость передачи должна быть на 30% выше, т.е. 101.4 кбит/с. Учтем избыточность вносимую кодером. Для профиля 1 кодирование снижает скорость передачи в n/k = 127/92 = 1.38 раза, т.е. скорость должна быть равна 140 кбит/с. Для профиля 0 n/k = 127/99 = 1.28 раз, скорость равна 130 кбит/с.

 

Тогда скорость передачи в системе будет:

Для профиля 0 (QAM-16): 100/78*130кбит/с ≈ 167 кбит/с.

Для профиля 1 (QPSK): 100/78*140 кбит/с  ≈ 180 кбит/с.

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 QPSK:

Эффективная полосаΔf =180кГц

Шумовая полоса приемника:

Δfш = 1,1* Δf = 1,1*180 = 198 кГц.

Мощность шума на выходе приемника:

Pш = k*T* Δfш = 1,23*10-23*295*198*103=0,72*10-15 Вт=-151.43 дБ. В данном выражении = 1,23*10-23 Дж/К – постоянная Больцмана; T=295 К – шумовая температура.

Аналоговое ОСШ (SNR) для QPSK:

Eb/N0= 7.6 дБ;

SNR = Eb/N0 + 10*lg (Δf/ Δfш) = 7,6 + 10*lg ((180*103)/(198*103)) = 7,14 дБ

Чувствительность приемника:

Pпрм = Pш + Nk SNR.

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

Pпрм = -151,43 + 3 + 7,14 = - 141,29 дБ

 

Расчитаем мощность излучения подвижной станции:

Pизл = Pпрм + Ltotal – Gt – Gr;

Ltotal = 130.9 дБ – cсуммарные потери на трассе распространения сигнала (расчитанные в п. 2.8.5);

Gt = 3 дБ – КНД передающей антенны;

Gr = 3 дБ – КНД приемной антенны;

Pизл =  - 141,29 + 130,9 – 3 – 3 = -16,39 дБ = 22,96 мВт

В результате было получено расчетное значение мощности, которое удовлетворяет указанному в задании к курсовой работе условию:

Pизл < 150 мВт.

Произведем оценку уровня мощности передачи для QAM-16:

Эффективная полосаΔf =167кГц

Шумовая полоса приемника:

Δfш = 1,1* Δf = 1,1*167 кГц = 183.7 кГц.

Мощность шума на выходе приемника:

Pш = k*T* Δfш = 1,23*10-23*295*183.7*103=6.7*10-16 Вт=-151.74дБ. В данном выражении = 1,23*10-23 Дж/К – постоянная Больцмана; T=295 К – шумовая температура.

Аналоговое ОСШ (SNR) для QAM-16:

Eb/N0= 10.8 дБ;

SNR = Eb/N0 + 10*lg (Δf/ Δfш) = 10 .8+ 10*lg ((167*103)/(183,7 *103)) = 10.39дБ

Чувствительность приемника:

Pпрм = Pш + Nk SNR.

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

Pпрм = -151,74 + 3 + 10.39 = -138,35 дБ

Расчитаем мощность излучения подвижной станции:

Pизл = Pпрм + Ltotal Gt Gr;

Ltotal = 130.9 дБ – cуммарные потери на трассе распространения сигнала (расчитанные в п. 2.8.5);

Gt = 3 дБ – КНД передающей антенны;

Gr = 3 дБ – КНД приемной антенны;

Pизл = -138,35 + 130.9 – 3 – 3 = -13.45 дБ = 45.19 мВт

При использовании другого вида модуляции излучаемая терминалом мощность изменилась примерно в 2 раза, при этом условие Pизл < 150 мВт все также сохраняется.

Оценим область уверенного приема в 95% точек. Расчет зоны радиопокрытия осуществляется по следующей формуле:

R95 = 10(W*σ)/(10*n)*r50

Определим значения σ и n. В связи с тем, что сеть функционирует в условиях принятой застройки значение дисперсии по местоположению примем  σ =10 и коэффициент потерь n=5.

По графику определим значение r50 – радиус зоны радиопокрытия при L=50%, r50= 0,78. 


 Рисунок 5.  Определение площади уверенного приема.

Определим значение функции Лапласа по таблице:

ПР=95%; Ж((100-95)/100) = ВТ(0.05) = 0.2

Зона при радиопокрытии при PR=95%:

Р95 = 10((Ш*σ)/(10*п))*р50=10^((0.2*10)/(10*5))*0.78=0,86 км=860м

 

 

fш

Pш

ШУМ

Pпрм

Лобщая

Pизл

Р50

Вт

Р95

Проф. 1

198кГц

-151,43дБ

7,14дБ

-141,29 дБ

130,9 дБ

22,96 мВт

780м

0.2

860м

Проф. 0

184кГц

-151.74дБ

10.39дБ

-138,35 дБ

130,9 дБ

45.19 мВт

Таблица 1. Энергетический расчет.


2.8.9. Построение функциональной схемы разработанного физического уровня.

 

Рисунок 6. Функциональная схема разработанного физического уровня.




Список литературы:

1) Бакке А.В. , лекции по курсу  “Системы и сети связи с подвижными объектами”