3.4.
Проработка видов логических каналов (ЛКС) L2 уровня, оценка пропускной
способности ЛКС в обоих направлениях (свести в таблицу). Формирование правила
распределения физических ресурсов между ЛКС (п.3.2).
В соответствии с концепцией работы разрабатываемой
сети на L2
уровне можно выделить следующие логические каналы:
1. Широковещательный
канал. Этот канал необходим для передачи широковещательных сообщений,
содержащих информацию о данной сети (список зарегистрированных терминалов,
адрес пульта управления).
2. Канал
доступа. Этот канал необходим для возможности регистрации в сети новых
терминалов. Получив широковещательное сообщение, и не обнаружив свой адрес в
списке зарегистрированных терминалов, терминал по этому каналу передает запрос
на регистрацию, указывая свой адрес.
3. Канал
вызова. С помощью этого канала решаются две важные задачи. По каналу вызова ПУ
отправляет терминалам сообщение запроса телеметрии, также по каналу вызова ПУ
вызывает терминал, которому необходимо передать команду управления.
4. Канал
трафика. По данному каналу в прямом направлении (от ПУ к терминалам) предаются
непосредственно команды управления, в обратном направлении (от терминалов к ПУ
передаются данные телеметрии).
Таблица
1. Пропускная способность ЛКС.
|
Название канала |
Обозначение |
Пропускная способность |
|
Широковещательный |
BCCH |
70 кбит/с |
|
Доступа |
RACH |
30 кбит/с |
|
Вызова |
PCH |
30 кбит/с |
|
Трафика |
TCH |
В прямом направлении 30 кбит/с В обратном - 40 кбит/с |
3.5.
Пояснение назначения и размерности полей сообщений канального уровня.
Структура сообщений канального уровня обязательно
включает в себя в себя поле Р для идентификации служебных и не служебных
сообщений, адрес терминала (группы терминалов) кому оно предназначается или от
кого оно поступило (в случае передачи телеметрии). Далее подробнее рассмотрены
структуры различных сообщений канального уровня.
На следующем рисунке представлена структура
сообщения канала BCCH,
оно содержит идентификатор сети, известный всем терминалам, информационная
часть данного сообщения включает адреса терминалов, зарегистрированных в
сети.
Размерность информационной части не будет
фиксированной и зависит от количества терминалов, зарегистрированных в сети. Адрес
терминала составляет 7 бит поэтому максимальная размерность информационной
части 840 бит.
Рисунок 1. Структура широковещательного сообщения.
На рисунке 2 представлена структура сообщения канала вызова.
Как уже говорилось, это могут быть многоадресные сообщения запроса телеметрии
или сообщения вызова нужного терминала. Различия в структуре будут
характеризоваться различиями в информационной части. В первом случае, в
информационной части содержится информация о том, что терминалам необходимо
предавать телеметрию и в каком порядке ее передавать. Во втором случае - информация о том, что для данного терминала
(группы терминалов) есть команды, которые необходимо принять и исполнить. Размерность
информационной части не будет фиксированной, так же как и размерность поля
адресов терминалов, поскольку различные сообщения адресованы разному числу
терминалов.
Рисунок
2. Структура сообщения канала вызова.
Сообщения канала трафика разделяются на сообщения,
предающие команды управления и сообщения, передающие телеметрию. Оба вида
сообщений имеют одинаковую структуру, при этом отличаются размерностью полей
адреса (сообщения, содержащие команды управления могут передаваться сразу
нескольким терминалам, а сообщения телеметрии приходят по очереди и содержат
адрес одного терминала-отправителя).Так же различия касаются размерности
информационной части: для телеметрии 24 бита-по 8 бит на информацию с каждого
датчика, для команд управления 12 бит.
Рисунок
3. Структура сообщения канала трафика.
Как видно из рисунков,
структуры каждого сообщения содержат поле контрольной суммы CRC для проверки целостности
сообщения.
3.6. Построение временной диаграммы, отражающей использование физических ресурсов для сообщений L2 уровня.
Временная диаграмма отражает интервалы времени,
которые используются определенным логическим каналом для решения поставленных
задач.
Рисунок
4. Временная диаграмма.
На временном промежутке t0-t1 ПУ
ведет передачу широковещательных сообщений, следовательно, задействован канал BCCH. Затем терминалы имеют возможность
зарегистрироваться в сети, поэтому следующий временной интервал выделен каналу
доступа RACH.
Следующий промежуток времени отведен для канала вызова PCH, по данному каналу передаются
сообщения запроса телеметрии. Затем терминалы передают телеметрию по каналу
трафика TCH.
Также важно отметить, что в промежутке t2-t3
может быть выделен интервал для канала трафика, а в промежутке t3-t4 интервал
для канала вызова. Это произойдет при необходимости передачи команд управления.
3.7.
Разработка схемы обмена сообщениями L2 уровня по ЛКС для одного из режимов
(п.2.3, 2.4).
Схема обмена сообщениями представлена на следующем
рисунке. Данная схема иллюстрирует содержимое пункта 2.4 с учетов использования
описанных ранее логических каналов.
Рисунок
5. Схема обмена сообщениями по ЛКС.
ПУ предает широковещательные сообщения, после чего
новые терминалы имеют возможность для регистрации в сети. Далее ПУ начинает
сбор телеметрии, для чего посылает группе терминалов по каналу вызова сообщение
запроса, а терминалы в свою очередь посылают телеметрию по каналу трафика. При
необходимости передачи команд управления, ПУ прерывает свою работу по сбору
телеметрии и вызывает терминал, которому предназначаются команды, получив ответ
от терминала, ПУ передает команды управления, выполнив команды, терминалы
передают отчет о выполнении команд.
4.
Разработка физического уровня (L1). Реализация необходимых уровню L2 физических
ресурсов.
4.1.
Расчет характеристик требуемых физических ресурсов (пропускная способность,
качество доставки).
Для передачи информации логических каналов будем
использовать кадр L1
уровня, который включает в себя сообщения канального уровня всех логических
каналов. Зная размерности сообщений ЛКС можно рассчитать пропускную способность
с учетом того, что длительность кадра составляет 195 мс.
Скорость передачи данных: 6, 99 кбит/с.
4.2.
Обоснование выбора мер по обеспечению синхронизации и по защите приема от
многолучевости и помех в канале связи. При необходимости, проработка профилей
физического уровня и сценария их выбора (служба L3 уровня, п.2.2-2.4). Оценка
требуемой избыточности, вносимой указанными факторами.
В данной сети для обеспечения синхронизации кадр L1
уровня будет содержать преамбулу длинной 96 бит. Для борьбы с многолучевым
распространением и помехами в канале связи 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, 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 изменяться в
небольшом диапазоне.
4.3.
Оценка пропускной способности физического канала связи с учетом избыточности,
вносимой на L1-уровне.
На L1
решается задача помехоустойчивого кодирования, следовательно, вносится
избыточность. Скорость кодирования ½, то есть одному входному биту
соответствует два выходных. В каждый промежуток времени на временной диаграмме будут
передаваться соответствующие пакеты физического уровня, содержащие информацию
логических каналов связи. Длина всего временного интервала, который вместе с
преамбулой является кадром физического уровня, 200 мс.
Скорость передачи данных:
96+862*2+243*2+251*2+7*2=2822 - бит в кадре, 2822 бит/
0,2 с=14,11 кбит/с.
В данной курсовой работе будем использовать BPSK модуляцию, которая является
достаточно помехозащищенным видом модуляции. При использовании модуляции BPSK
получим требуемую полосу не менее 14,11 кГц.
4.4.
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 d > 1 м);
Lf - коэффициент потерь за счет
прохождения сигнала через пол (дБ);
n – максимальное количество этажей между точкой
доступа и терминалами;
Исходные данные:
N=28
f=2375 МГц – частота несущего колебания;
d=300 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 или под точкой доступа).
Тогда потери:
Ltotal= 20*log10 (2375) + 28*
log10(300) - 28 = 127,87 дБ
Таким образом, уровень потерь на границе зоны
радиопокрытия составляет 127,87 дБ.
4.5.
Расчет отношения сигнал/шум, требуемого для обеспечения требуемого качества
приема без помехоустойчивого кодирования. Обоснованный выбор метода
помехоустойчивого кодирования, расчет эффективности кодирования. Повторный
расчет отношения сигнал/шум с учетом метода помехоустойчивого кодирования.
Окончательная оценка требуемой полосы частот.
В данной работе в качестве метода помехоустойчивого
кодирования будем использовать блочное кодирование со скоростью ½ .
Для определения отношения сигнал/шум, требуемого для
обеспечения заданной вероятности ошибки, иcпользуем инструмент bertool, входящий в состав Matlab.
На следующем рисунке представлены зависимости
вероятности ошибки от отношения сигнал/шум для BPSK модуляции
с помехоустойчивым кодированием и без него.
Рисунок
6. Зависимости вероятности ошибки от отношения сигнал/шум для BPSK модуляции с
помехоустойчивым кодированием и без него.
По данному рисунку видно, что для обеспечения заданной вероятности ошибки 10-5 без помехоустойчивого кодирования требуется ОСШ 9,5 дБ. Применение помехоустойчивого кодирования дает выигрыш в отношении сигнал/шум примерно 2,6 дБ. Требуемое ОСШ составляет 6,9 дБ.
4.6.
Расчет структуры полей пакетов L1 уровня.
На следующем рисунке представлена структура пакета
физического уровня.
Рисунок
7. Структура пакета физического уровня.
В связи с размерностями сообщений различных логических каналов можно сказать, что сообщение логического канала BCCH будет фрагментироваться на 123 пакета физического уровня длительностью 1 мс каждый. Сообщение логического канала PCH фрагментируется на 35 пакетов физического уровня, сообщение логического канала TCH фрагментируется на 36 пакетов физического уровня, а сообщение канала RACH представляет один пакет физического уровня. Стоит заметить, что размерности сообщений логических каналов могут различаться, в данном пункте приведены цифры для максимальных размеров сообщений соответствующих ЛКС.
1.7.
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 при ВPSK
модуляции:
Шумовая полоса приемника:
Δfш = 1,1* Δf = 1,1*14,11 = 15,52 кГц.
Pш = k*T* Δfш = 1,23*10-23*295*15,52*103=5,63*10-17
Вт=-162,49 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= 6,9 дБ;
SNR = Eb/N0 + 10*lg (Δf/ Δfш) = 6,9 + 10*lg ((14,11*103)/(15,52*103))
= 6,49 дБ
Чувствительность приемника:
Pпрм = Pш + Nk + SNR.
Коэффициент шума первых каскадов приемника примем
равным Nk = 3 дБ.
Pпрм = -162,49 + 3 + 6,49 = - 153 дБ
Расчитаем мощность излучения подвижной станции:
Pизл = Pпрм + Ltotal – Gt – Gr;
Ltotal = 127,87 дБ – cуммарные потери на
трассе распространения сигнала (рассчитанные в п. 4.4);
Gt = 3 дБ – КНД передающей антенны;
Gr = 3 дБ – КНД приемной антенны;
Pизл = -153 + 127,87 – 3 – 3 = - 31,13 дБ
Pизл =0,7 мВт.
4.8. Разработка и описание функциональной схемы L1 уровня.
Функциональная схема L1
уровня представлена на следующем рисунке.
Рисунок 8. Функциональная схема L1 уровня.
Данная схема иллюстрирует описанные выше задачи,
возложенные на физический уровень. Резюмируя то, о чем сказано в предыдущих
пунктах, можно сделать вывод, что на физическом уровне должны выполняться
следующие действия: фрагментация пакетов L2 уровня, блочное кодирование, перемежение,
модуляция BPSK и синхронизация. После чего пакет физического уровня проходит по
каналу связи и поступает на приемную сторону, где решаются следующие задачи: синхронизация,
демодуляция, деперемежение, декодирование, накопление пакетов L1 уровня.
Список используемых
источников:
1. Д.Р. Золотов - КП " Радиосеть управления
освещением ". Часть 3. URL: http://omoled.ru/publications/view/1233
2. А.В. Бакке –
лекции по курсу «Системы и сети связи с подвижными объектами»
3. А.В. Масленков - КР "Радиосеть управления освещением". Часть 1 (исправленная). URL: http://omoled.ru/publications/view/1275
4. А.В. Масленков - КР "Радиосеть управления освещением". Часть 2. URL: http://omoled.ru/publications/view/1292