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

4. Разработка физического уровня (L1). Реализация необходимых уровню L2 физических ресурсов.        
        4.1. Расчет характеристик требуемых физических ресурсов (пропускная способность, качество доставки).
        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.  
    4.3. Оценка пропускной способности физического канала связи с учетом избыточности, вносимой на L1- уровне.         
       4.4. Обоснованный выбор частотного диапазона (на основании документов ГКРЧ); аргументированный выбор модели оценки потерь при распространении радиоволн выбранного диапазона, расчет уровня потерь.
  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.         
       4.6. Расчет структуры полей пакетов L1 уровня.
     4.7. Оценка уровня мощности передачи с учетом необходимого запаса мощности сигнала для его уверенного приема с вероятностью PR% на границе радиопокрытия, оценка размера зоны радиопокрытия.
       4.8. Разработка и описание функциональной схемы L1 уровня.

 

4.1. Расчет характеристик требуемых физических ресурсов (пропускная способность, качество доставки).
Также включает пункт 4.3. Оценка пропускной способности физического канала связи с учетом избыточности, вносимой на L1- уровне.

Для определения долевой оценки пропускной способности и полного канала трафика разделим физический канал на долевые интервалы, выраженные в процентах. Начнем с того, что примем пропускную способность всего физического канала связи за 100%. На широковещательный канал ВССН и канал синхронизации SCH отведем по 1% от пропускной способности всего физического канала связи. На канал случайного доступа RACH отведем 2% от пропускной способности всего физического канала связи. На канал разрешенного доступа AGCH также отведем 2% от пропускной способности всего физического канала связи. В результате на канал передачи данных остаётся 94 % от пропускной способности всего физического канала связи.       
       Выберем в качестве значения гарантированной скорости передачи данных значение максимальной пропускной способности среди ЛКС (2,78 Мбит/с). Пропускная способность канала трафика (TCH) складывается из гарантируемой скорости передачи данных и 20 % от общей гарантируемой скорости, которая приходится на канальный уровень (CRC, адресацию и др.). Следовательно, получаем пропускную способность 3,34 Мбит/с. Учитывая также использования помехоустойчивого кодирования со скоростью ½ (об этом подробнее в пункте 4.5), получаем возрастание пропускной способности вдвое – 6,68 Мбит/с. Также необходимо прибавить 10 % от гарантированной  скорости, которые затрачиваются на реализацию некоторых полей физического уровня (см. пункт 4.6). Суммарно получаем, что пропускная способность канал трафика составляет  7 Мбит/с, а так как это 94% процента от общей пропускной способности L1, получаем, что она равна 7,4 Мбит/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.         

Исходя из задания курсового проекта разрабатываемая система может  использоваться  в пригороде, то есть будет существовать риск многократного переотражения радиоволн на пути от передатчика к приёмнику от различных препятствий (жилые дома, деревья, производственные здания). В результате на приемную сторону придут несколько отраженных волн с разной фазой, что может привести к снижению мощности принимаемого сигнала на заранее неопределенную величину и замираниям. В качестве средств по борьбе с многолучевым распространением радиоволн используют эквалайзеры или технологию OFDM.  В рамках данной курсовой работы целесообразным методом борьбы с многолучевостью будет являться применение технологии OFDM, которая позволяет распределять поток передаваемых данных по множеству частотных ортогональных друг другу подканалов (рис. 17). Применение данной технологии позволит избежать использования в реализуемой системе сложных и дорогостоящих адаптивных фильтров-эквалайзеров, недостатком которых является, очевидно, необходимость в резервировании широкой полосы частот, что в условиях загруженности радиочастотного ресурса усложняет выбор частоты несущего колебания и повышает стоимость лицензии на использование радиочастотного ресурса.

рис.17 – подканалы OFDM

Меры по обеспечению синхронизации уже были рассмотрены в рамках третьего пункта данной курсовой работы, поэтому подробно останавливаться здесь на них не будем.         
Из-за того, что в разрабатываемой сети предполагается использование трёх видов трафика, введём три профиля физического уровня: профиль 1 – для передачи текста, профиль 2 – для передачи изображений и профиль 3 – для передачи видео.

4.4. 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 431 МГц (диапазон 430-432 МГц отведен для любительской связи и радиолокации), соответственно занимаемая полоса частот составит от 430,872 МГц до 431,128 МГц. Стоит также отметить, что в числе установленных ГКРЧ ограничениях присутствует запрет на излучение радиоэлектронных средств любительской службы в зоне радиусом 350 км от центра г. Москва, из этого можно сделать вывод о невозможности применения разрабатываемой сети в Рязанской области (рис. 18).

рис.18 – расстояние от Рязани до центра Москвы

В качестве модели оценки потерь выберем модель Окамуры-Хата, поскольку эта модель в числе прочего обеспечивает достаточно высокую точность определения потерь при распространении радиоволн в условиях сельской местности. В соответствии с выбранной моделью потери при распространении радиоволн выбранного частотного диапазона будут определяться по формуле (1):

Здесь L_город характеризует потери в условиях плотной городской застройки (формула 2).

В данной формуле:

f  = 431 МГц – несущая частота;

r = 300 м - расстояние между базовой станцией и терминалом. Примем это расстояние максимально возможным в соответствии с заданием к курсовой работе.

h_БС = 30 м – высота антенны базовой станции. Предположим, что антенна установлена, например, на ветрогенераторе;

h_АС = 1,5 м – типовая высота антенны абонентской станции;

α(h_АС) – поправочный коэффициент, учитывающий высоту антенны абонентской станции в зависимости от местности.

Рассчитаем его по формуле (3).

 

В итоге получим:        
          

Рассчитаем потери по формуле (2):

L_город=69,55+26,16*lg(431)-13,82*lg(30)+(44,9-6,55*lg(30))*lg(0,3)-0,34=99,3 (дБ)

Теперь вернёмся к формуле (1) и рассчитаем потери для сельской местности:

L=99,29578-(4,78*lg(431)^2)+18,33*lg(431)-40,94=73,47 (дБ)

Таким образом, уровень потерь на границе зоны радиопокрытия базовой станции в условиях сельской местности  в выбранном частотном диапазоне от 430,744 МГц до 431,256 МГц составляет 73,47 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.

Выберем количество поднесущих OFDM равным 64. Из них 58 будут использоваться для передачи информации, остальные для пилот-сигналов. При этом каждая поднесущая может быть модулирована BPSK или QAM-16.

Рассчитаем отношение сигнал-шум для заданной вероятности ошибки на бит: P_b=10^-6, используя встроенные средства среды MATLAB (рис.19).

рис.19 – зависимость битовой ошибки от ОСШ без кодирования

В результате по графикам определили, что ОСШ для обеспечения требуемого качества приёма без помехоустойчивого кодироввание будет равно:
      для BPSK -  10,50 дБ
      для QAM-16 -  14,38 дБ

Использование системы будет неэффективным, если не предпринять меры для увеличения ОСШ. С этой целью будем использовать свёрточное кодирование со скоростью 1/2, где каждому информационному биту на входе соответствует два избыточных бита на  выходе.  Снова воспользуемся средством bertool среды Matlab: для свёрточного кодирования запишем порождающий многочлен (171,133), который был найден Р. Оденвальдером на заре эры активного освоения техники свёрточного кодирования. Этот код вошел во многие стандарты связи и в настоящее время широко используется во многих телекоммуникационных системах. Результаты можно наблюдать на рис.20.

рис.20– зависимость битовой ошибки от ОСШ без кодирования

В результате по графикам определили, что ОСШ для обеспечения требуемого качества приёма с использованием помехоустойчивого кодироввание будет равно:
      для BPSK -  8,076 дБ
      для QAM-16 -  10,700 дБ

      Таким образом, используя помехоусточивое кодирование, можно добится выигрыша в 2,4 дБ и 3,7 дБ для BPSK и          QAM-16 соответственно.    

      С учётом двухкратной избыточности, вносимой при применении алгоритма сверточного кодирования, получаем в         2 раза большую полосу используемых частот: от 430,744 МГц до 431,256 МГц, то есть ширина полосы равна 512 к     Гц.

 

4.6. Расчет структуры полей пакетов L1 уровня.

Для передачи пакетов используется OFDM с модуляцией поднесущих BPSK и QAM-16 в зависимости от типа профиля: QAM-16 для профиля 3, BPSK для профилей 1 и 2. Пакет физического уровня в общем случае будет состоять из трех полей: поля преамбулы, служебного поля и поля данных. Структура полей представлена на рис.21.      
         Для BPSK модуляции преамбула состоит из 12 OFDM символов и предназначена для временной и частотной синхронизации, а также для работы подсистемы радиоизмерений. Сервисное поле будет содержать информацию о параметрах пакета, например, об используемом виде модуляции. Это поле будет содержать 8 бит и передаваться посредством одного символа OFDM. Напомним, что в одном символе OFDM содержится 64 поднесущих: 58 информационных и 6 для передачи пилот-сигналов необходимых для синхронизации.  Поле данных и поле «избыточные биты» передаются с помощью 11 OFDM символов. Эти поля необходимы для непосредственной передачи пользовательской информации и исправления ошибок в процессе передачи. Поле данных будет содержать закодированные данные, отведём для этого поля 250 бит. Тогда поле «избыточных битов» также будет иметь длину 250 бит, т.к. скорость кодирования 1/2 (на каждый информационный бит приходится 2 избыточных). Поле служебной информации и преамбула передаются с помощью BPSK модуляции с целью повышения помехоустойчивости. Вид модуляция последующих символов зависит от содержания служебного поля.       
         Для QAM-16 модуляции структура пакета физического уровня будет схожа со структурой, представленной на рис. 21, за исключение того, что в поле «сервис» будет передана информация о другом виде модуляции, и поле данных вместе с полем избыточных будут переданы по средствам 3 OFDM символов. Так как при QAM-16 на каждую поднесущую будет приходиться в 4 раза больше бит, чем при BPSK.

рис.21 – структура полей физического уровня

 4.7. Оценка уровня мощности передачи с учетом необходимого запаса мощности сигнала для его уверенного приема с вероятностью PR% на границе радиопокрытия, оценка размера зоны радиопокрытия.

Указанный в задании размер зоны радиопокрытия составляет 300 м.

Ширина полосы пропускания была получена выше и составляет Δf = 512 кГц.

Шумовая полоса приемника:

Δf_ш = 1,1 * Δf = 1,1 * 512 = 563,2 кГц.        (4)
        

Мощность шума на выходе приемника:

Pш = k *T * Δfш = 1,23*10^-23*296 * 563,2*10³ = 2,05*10^-15 Вт = -146,9 дБвт. (5)

 Т = 296 К – шумовая температура.

 

Аналоговое отношение сигнал/шум на основе полученного в п. 4.5 ОСШ для BPSK  (E_b/N₀ = 8,076 дБ):

SNR_BPSK=E_b/N₀+10*lоg(Δf/Δf_ш)=8,076+10*log((512*10³)/(563,2*10³))=7,66(дБ)         (6)

 

Аналоговое отношение сигнал/шум на основе полученного в п. 4.5 ОСШ для QAM-16  (E_b/N₀ = 10,7 дБ):

SNR_QAM-16=E_b/N₀+10*lоg(Δf/Δf_ш)=10,7+10*log((512*10³)/(563,2*10³))=10,29(дБ)       (7)

 

 

Коэффициент шума первых каскадов приемника примем равным N_k = 2. Тогда чувствительность приемника:

 

P_{прм_BPSK} = P_ш + N_k + SNR_BPSK = -146,9 + 2 + 7,66 = -137,2 дБ.    (8)  для BPSK
P_прм = P_ш + N_k + SNR_QAM-16= -146,9 + 2 + 10,29 = -134,6 дБ.   (9)  для QAM-16

 

Мощность излучения подвижной станции рассчитывается по формуле (10):

P_изл = P_прм + L - G_T - G_R ,          (10)

где L - затухание в радиоканале, рассчитанное в п.4.4, G_T и G_R - коэффициенты усиления передающей и принимающей антенн. Примем их равными G_T = 7 дБ, G_R = 0 дБ. Так как расчет проводился для всей полосы частот, получим суммарную излучаемую мощность:

P_{Σизл_BPSK}=P_{прм_BPSK}+L-G_T-G_R=-137,2+73,47-7-0=-70,7 дБ = 0,085 мкВт. (11) для BPSK

P_{Σизл QAM-16}=P_{прм QAM-16}+L-G_T-G_R=-134,6+73,47-7-0=-68,1 дБ = 0,15 мкВт. (12) для QAM-16

 

Полученное в результате расчетов значение излучаемой подвижной станцией мощности с большим запасом удовлетворяет указанному в задании к курсовой работе условию P_Σизл < 0,2 Вт.

Далее необходимо произвести оценку мощности передатчика базовой станции для обеспечения уверенного приема сигнала с вероятностью PR = 80% на границе зоны радиопокрытия, радиус которой указан в задании к курсовой работе и равен 300 м.

Радиус зоны радиопокрытия рассчитывается по формуле (13):

Здесь W – функция Лапласа, σ – дисперсия по местоположению, n – коэффициент потерь, r₅₀ – радиус зоны радиопокрытия с вероятностью уверенного приема сигнала PR = 50%. Так как анализируемая система может функционировать в условиях сельской местности либо пригороде, примем σ = 7 и n = 5.

Значение функции Лапласа определяется по соответствующей таблице. В данном случае W((100 – PR) / 100) = W(0,2) = 1,1 согласно таблице значений функции Лапласа.

Тогда радиус зоны радиопокрытия при PR = 50% согласно формуле (13):

 

 4.8. Разработка и описание функциональной схемы L1 уровня.

Функциональная схема физического уровня представлена на рис.22. Пакеты канального уровня поступают свёрточный кодер, в нём осуществляется помехоустойчивое кодирование (пункт 4.5). Далее производится перемежение битов пакета и модуляция. В разработанной сети предусмотрено два вида модуляции BPSK и QAM-16 (пункты 4.5, 4.6). После добавления преамбулы с целью синхронизации (пункт 4.6) полученная последовательность передаётся по радиоканалу на приёмную сторону. На приёмной стороне производятся обратные действия соответствующими блоками.

рис.22 –функциональная схема физического уровня

Список используемых источников: 

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

     2.  Валуйский Д. Интерактивная радиосеть мультимедийного вещания. Часть 3. Проработка задач физического уровня. Исправленная ещё раз от 19.12.17 [электронный ресурс]. http://omoled.ru/publications/view/1195

     3. Минаев И. Разработка модели физического уровня OFDM модема [электронный ресурс]. http://omoled.ru/publications/view/2