Радиосеть сбора данных с подвижных станций (часть 3).  Исправленная

И.Г. Фадькин гр. 519

3. Разработка канала передачи данных (L2).

3. Разработка канала передачи данных (L2).

3.1. Задачи службы передачи данных канального уровня: пояснение механизма обработки информационных и служебных сообщений на L2 уровне (подготовка к доставке сообщений: фрагментация/дефрагментация сообщений, нумерация блоков данных L2 уровня, обеспечение целостности и определение назначения блоков и т.п.). Характеристика служебного и информационного трафика, поступающего на L2 уровень.

На L2 уровне имеется служба целостности сообщения. Данная служба осуществляет проверку достоверности принимаемых сообщений канального уровня на основании расчета контрольных сумм CRC. В системах телекоммуникации в основном используется код CRC-12, поэтому остановимся на выборе именно этого кода. Для службы передачи данных канального уровня можно выделить следующие задачи: формирование пакетов, адресация сообщений, организация доступа к физическому каналу. На канальный уровень могут поступать информационные или служебные сообщения. Для различия этих сообщений в структуре сообщения предусмотрено двухбитовое поле, принимающее различные значения в зависимости от назначения передаваемого сообщения. Любое сообщение, служебное или информационное, поступает на канальный уровень. Служебным трафиком, поступающим на канальный уровень, являются небольшие сообщения, направленные службе установления и контроля соединения. Информационными сообщениями являются данные телеметрии.

3.2. Выделение типов сообщений L2 уровня, анализ их атрибутов (адресные/широковещательные, уведомительные или требующие обязательного ответа/шифрования, служебное/информационное и т.п). Обоснование гарантированной/негарантированной доставки указанных видов сообщений.

Сообщения L2 уровня могут быть широковещательными и адресными. Широковещательные сообщения передаются по каналу BCCH в прямом направлении (от ТД к Т) и содержат информацию о ТД.

Адресными сообщениями будут являться сообщения трафика и управления. Сообщения трафика передаются в направлении от Т на ТД и требуют обязательного ответа о получении ТД. К сообщениям управления отнесем уведомления о принятии сообщений, о низком уровне сигнала и т.д. По каналу управления так же будет передаваться тестовый сигнал. Таким образом, сообщения трафика – адресные информационные сообщения, требующие обязательного ответа – сообщения уведомления. В случае приема сообщений с ошибками ТД формирует запрос на повторную передачу (ARQ) каждого ошибочно принятого пакета, содержащие номера данных пакетов.

3.3. Обоснованный выбор алгоритма доступа к канальным (физическим) ресурсам, пояснение структуры физических ресурсов. Описание стратегии планирования распределения канальных ресурсов. Анализ предлагаемого алгоритма доступа к ресурсам на предмет возникновения коллизий и пояснение решения по их устранению.

Алгоритм доступа к канальным (физическим) ресурсам будет построен на основе конкурентной борьбы (TDMA). В системе существует единственный широкополосный канал связи, который может быть занят только одним передающим устройством в течение установленного интервала времени – канального интервала. в конкретный момент времени только один терминал будет обладать полным доступом к физической среде и проблемы, связанные с появлением коллизий, не возникнут.

Рассмотрим режим идентификации Т в сети. Терминал, приняв ШВС, в следующем временном отрезке передает на ТД информацию о себе и запрос канального ресурса. В случае, если в зоне покрытия данной ТД появилось одновременно несколько Т, то возрастает риск возникновения коллизий. Тогда Т1 загадывает случайным образом время задержки, т.е. число канальных интервалов в диапазоне от 1 до N, в течение которых воздерживается от передачи, при этом постоянно опрашивая службу радиоизмерений на предмет незанятости канала связи. По истечении загаданного времени задержки и незанятости канала связи, терминал незамедлительно по каналу случайного доступа отправляет на точку доступа свой идентификатор и запрос ресурса.

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 разрабатываемой сети будет 3 вида ЛКС: широковещательный (BCCH), канал случайного доступа (RACH), канал управления (DCCH) и канал трафика (TCH).

Широковещательный канал – предназначен для передачи сведений о точке доступа всем терминалам, таких как идентификатор точки доступа, профиль настройки физического уровня, пакеты временной и частотной синхронизации, номер цикла передачи.

Канал случайного доступа – отправки на точку доступа заявки о предоставлении индивидуального канала и для передачи информации, содержащей уникальный идентификатор терминала, посылающего заявку.

Канал управления – предназначен для передачи команд управления и оповещения с точки доступа на терминал.

Сумма всех интервалов, приходящихся на каждый ЛКС, равна 100%. Для долевой оценки отведем каждому интервалу свое процентное соотношение:

·       на широковещательный канал отводится 5 % от всей пропускной способности физического канала;

·       на канал случайного доступа отводится – 3 %

·       на канал управления отводится – 3 %

·       на канал трафика – 89%

Данное распределение целесообразно, так как основная часть всех сообщений, передаваемых между Т и ТД, – это сообщения трафика, то есть передача телеметрии. Под широковещательный канал отводится большая часть пропускной способности, по сравнению с каналом оповещения, так как в общем случае сообщение уведомления передается один раз для каждого Т (в случае безошибочного приема), а ШВС должны передаваться постоянно с некоторым интервалом времени.

Таблица 1. Сводная таблица ЛКС.

Наименование	Назначение	Тип КС	Пропускная способность
BCCH	Передача информации о ТД	Вниз	5%
RACH	Идентификация	Вверх	3%
DCCH	Передача команд и уведомлений	Вниз	3%
TCH	Передача подготовленного сообщения в сеть	Вверх	89%

3.5. Пояснение назначения и размерности полей сообщений канального уровня.

Сообщения канального уровня могут предназначаться конкретному терминалу, либо быть адресованы всем терминалам сети данной ТД. Для этого пакет канального уровня в своем составе имеет поле «Тип сообщения», значение которого может быть либо равно 0, либо равно 1. Если оно установлено в 1, то сообщение отправляется определенному терминалу, если же он установлен в 0, то сообщение является широковещательным.

Поле адреса заполняется получателя при передаче в прямом направлении заполняется в зависимости от поля «Тип сообщения». Если поле «Тип сообщения» равно 0, то есть сообщение является широковещательным, то поле адреса заполняется единицами, в противном случае поле адреса заполняется адресом (идентификатором) объектов системы. Участников соревнования может быть не больше 50, следовательно, необходимо 2⁶ значений, чтобы у каждого участника был свой адрес (идентификатор). Из всего вышесказанного поле адреса возьмем длиной 6 бит.

Рис. 1.  Структура пакета канального уровня.

Структура пакета канального уровня состоит из следующих полей:

Поле «Тип сообщения» предназначено для указания типа сообщения, адресное или широковещательное.

Поле «Адрес получателя» содержит адрес Т (в прямом направлении) или адрес ТД (в обратном).

Поле «Тип канала» содержит информацию о том, какие сведения передаются: служебная или пользовательская информация.

Поле «Адрес отправителя» содержит адрес ТД (в прямом направлении) или адрес Т (в обратном).

Поле «Профиль функционирования» – информация о том, на каком профиле в данный момент идет работа системы.

Поле данных содержит непосредственно информацию, которую необходимо передать.

Поле CRC – контроль целостности пакета.

Рассмотрим канал трафика. В поле «Тип сообщения» указывается значение 1, означающее что сообщение адресное, в поле адреса получателя устанавливается значение идентификатора точки доступа, в зоне обслуживания которой находится терминал, в поле «тип канала» указывается порядковый номер в двоичном виде канала (TCH – 00, BCCH – 01, RACH –10, DCCH – 11), в поле адреса отправителя – идентификатор Т. Рассчитаем значение поля данных:

·       на данные о времени пересечения контрольной точки отведем 2 байта;

·       на данные со скоростью движения отведем 1 байт;

·       на данные о пульсе –  1 байт;

·       на температуру тела – 1 байт;

·       на температуру двигателя – 1 байт;

·       на давление в шинах – 1 байт;

В результате получается общих размер поля данных составляет 7 байт, или же 56 бит.

Рис. 2 Структура сообщения RACH

Канал широковещательных сообщений. В поле «Тип сообщения» указывается значение 0, означающее что сообщение широковещательное, поле адреса терминала заполняется последовательностью из 8 единиц. В поле «тип канала» указывается порядковый номер в двоичном виде канала. В поле адреса ТД записывается идентификатор точки доступа в двоичном виде.

Рис. 3 Структура сообщения BCCH.

Канал управления. Содержит поле подтверждения доставки – 1 бит. Если 1 успешная доставка сообщения, если значение 0, то данное поле не используется.

3.6. Построение временной диаграммы, отражающей использование физических ресурсов для сообщений L2 уровня.

Рис. 5. Организация доступа к физическому каналу.

На рис. 5 представлена временная диаграмма, на которой изображен обмен сообщениями между Т и ТД. На данной диаграмме изображена ситуация, когда Т зафиксировал снижение уровня сигнала ниже порогового, перестроение Т и ТД на другой профиль физического уровня. Данные телеметрии в случае, изображенном на рисунке, успешно приняты ТД.

3.8. Разработка функциональной схемы L2 уровня.

Рис.6. Функциональная схема L2 уровня

На рис. 6 изображена функциональная схема L2 уровня. Стрелками показано взаимодействие блоков уровня. На этапе сборки пакетов с помощью службы адресации заполняются поля адреса отправителя и получателя. Расчет контрольной суммы добавляет к пакету блок CRC, а при разборке пакетов – осуществляет проверку целостности сообщения.

Таким образом, как было сказано ранее, на МАС подуровне реализуются адресная передача сообщений, проверка целостности, на основе расчета контрольных сумм CRC, сбор и разбор пакетов канального уровня.

4. Разработка физического уровня (L1). Реализация необходимых уровню L2 физических ресурсов.

4.1. Расчет характеристик требуемых физических ресурсов (пропускная способность, качество доставки).

Как было сказано в п.3.4, сумма всех интервалов, приходящихся на каждый ЛКС, равна 100%. Для долевой оценки отведем каждому интервалу свое процентное соотношение:

·       на широковещательный канал отводится 5 % от всей пропускной способности физического канала;

·       на канал случайного доступа отводится – 3 %

·       на канал управления отводится – 3 %

·       на канал трафика – 89%

Рассчитаем пропускную способность.

В данной системе каждому терминалу будет доступно 20 циклов передачи с целью обеспечения максимальной вероятности успешной передачи и приема сообщения. Время нахождения терминала в зоне радиопокрытия при средней скорости в 125 км/ч составляет 23 секунды. Но так как терминал начинает передачу сообщения только после пересечения КТ, то время нахождения Тв зоне радиопокрытия будет 11.5 с.  В системе число терминалов может достигать не более 50. Тогда время на каждый терминал получается равно 11.5с/(50Т*20циклов) = 0.0115 сек. Тогда минимальная скорость передачи полезной информации равна 88 бит/0.0115 сек = 8 кбит/сек. Увеличим скорость передачи в 10 раз, т.е. равной 80 кбит/с. Полезные данные одного терминала составляет 88 бит. В процентном соотношении полезные данные составляют 69% от размера канального уровня (127 бит). Значит, скорость передачи должна быть на 31% выше, т.е. 104.8 кбит/с. [3]

Рассчитаем пропускную способность для каждого ЛКС:

-      BCCH: 104.8*0.05 = 5.24 кбит/с;

-      RACH: 104.8*0.03 = 3.144 кбит/с;

-      DCCH: 104.8*0.03 = 3.144 кбит/с;

-      TSH: 104.8*0.89 = 93.272 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 системе существует два профиля настройки физического уровня. 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.

Для устранения последствий многолучевого приема в составе приемника имеется фильтр эквалайзер, работа которого связана с передаваемой настроечной последовательностью.

Как было сказано в 1 статье, Т и ТД синхронизированы по времени: Т получает информацию о точном времени от НКА, а ТД – от ЦСИ. Для дополнительной синхронизации ТД передает в составе сообщения BCCH пакет временной синхронизации SB в поле SCH. Частотная синхронизация означает согласованность генераторов устройств сети по частоте, т.е. все генераторы работают с одинаковой частотой. Это достигается путем передачи от ТД на Т пакета FB в поле FCCH в составе сообщения BCCH.

Ошибки, возникающие в канале связи с шумом, могут быть исправлены до необходимого уровня, без снижения скорости передачи информации, путем введения избыточности. 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 – 88 бита. 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. [3]

4.3. Оценка пропускной способности физического канала связи с учетом избыточности, вносимой на L1-уровне.

Учтем избыточность, вносимую кодером. Для профиля 0 кодирование снижает скорость передачи в n/k = 127/92 = 1.38 раза, т.е. скорость должна быть равна 145 кбит/с. Для профиля 1 n/k = 127/99 = 1.28 раз, скорость равна 134.1 кбит/с. [3]

Скорость передачи в системе:

Для профиля 1 - 160/128*134.1 кбит/с ≈ 168 кбит/с.

Для профиля 0 - 160/128*145 кбит/с ≈ 181 кбит/с.

4.4. 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 (без оформления отдельных решений ГКРЧ для каждого конкретного типа РЭС.

Оценку уровня потерь осуществим, используя модель предсказания Хата, т.к. данная модель применима в данном диапазоне частот и адаптирована под разные типы местности.

Общие потери рассчитаем по формуле:

 (1)

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

 (2)

Примем значение несущей частоты f = 406 МГц, d = 0.4 км; h_AP = 5 м;     h_AC = 1 м. Общие потери распространения:

L = 113.072 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.

По техническому заданию необходимо обеспечить вероятность ошибки на бит Pb = 10^-7. Как видно из рисунка 7, при модуляции 16-QAM заданная вероятность битовой ошибки обеспечивается при 14.6 дБ, а при модуляции QPSK – 10.7 дБ.

Рис. 7. Зависимость вероятностей битовой ошибки от ОСШ для QPSK и 16-QAM.

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 – 88 бита. 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. [3]

Для обеспечения требуемой вероятности ошибки на бит (рис. 8), при модуляции QPSK это достигается при 7.9 дБ, а при модуляции 16-QAM – 10.6 дБ. Таким образом, выигрыш для профиля 1 составляет 2.1 дБ, а для профиля 0 – 3 дБ.

 

Рис. 8. Зависимости вероятностей битовой ошибки от ОСШ для QPSK и 16-QAM модуляций при использовании помехоустойчивого кодирования.

4.6. Расчет структуры полей пакетов L1 уровня.

Рис.9 Структура пакета L1 уровня

8-битовые флаги обозначают начало и окончание пакета L1 уровня. Поле эквалайзер – настроечная последовательность фильтра-эквалайзера, необходимая для коррекции амплитудных и фазовых изменений, вызываемых замираниями в радиоканале. [3]

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.

Произведем оценку уровня мощности передачи для QPSK [3]:

Скорость передачи в системе: R=168 кбит/с;

Эффективная полоса:

Δf =R/log₂(M) = 84 кГц

Шумовая полоса приемника:

Δfш = 1,1* Δf = 92.4 кГц.

Мощность шума на входе приемника:                                                         Pш = k*T* Δfш = 3.353*10^-16 Вт=-154.75 дБ.            

 В данном выражении k = 1,23*10-23 Дж/К – постоянная Больцмана; T=295 К – шумовая температура.

Чувствительность приемника:

Pпрм = Pш + Nk + SNR.

Eb/N0= 7.9 дБ;

SNR = Eb/N0 + 10*lg (R/ Δfш) = 16.496 дБ (с учетом запаса в 6 дБ).

Коэффициент шума первых каскадов приемника примем равным Nk = 5 дБ,

Pпрм = -154.75 + 5 + 16.496 = - 166.254 дБ

Расчитаем мощность излучения подвижной станции:

Pизл = Pпрм + L – Gt – Gr;

L = 113.072 дБ – суммарные потери на трассе распространения сигнала.

Gt = 0 дБ – КНД передающей антенны;

Gr = 0 дБ – КНД приемной антенны;

Pизл = - 133.254 + 113.072= -20.182 дБ = 9.6 мВт

В результате было получено расчетное значение мощности, которое удовлетворяет указанному в задании к курсовой работе условию: Pизл < 250 мВт.

Произведем оценку уровня мощности передачи для QAM-16:

Скорость передачи в системе: R=181 кбит/с;

Эффективная полоса:

Δf =R/log2(M) = 45.25 кГц

Шумовая полоса приемника:

Δfш = 1,1* Δf = 49.78 кГц.

Мощность шума на входе приемника:                                                         Pш = k*T* Δfш = 1.806*10^-16 Вт=-157.432 дБ.            

 В данном выражении k = 1,23*10-23 Дж/К – постоянная Больцмана; T=295 К – шумовая температура.

Чувствительность приемника:

Pпрм = Pш + Nk + SNR.

Eb/N0= 10.6 дБ;

SNR = Eb/N0 + 10*lg (R/ Δfш) = 10.6 + 5.61 = 22.21 дБ (с учетом запаса в 6дБ)

Коэффициент шума первых каскадов приемника примем равным Nk = 5 дБ,

Pпрм = -157.432 + 5 + 22.21 = - 130.22 дБ

Расчитаем мощность излучения подвижной станции:

Pизл = Pпрм + L – Gt – Gr;

L = 113.072 дБ – суммарные потери на трассе распространения сигнала.

Gt = 0 дБ – КНД передающей антенны;

Gr = 0 дБ – КНД приемной антенны;

Pизл = - 130.22 + 113.22 = -17.148 дБ = 19.3 мВт

4.8. Разработка и описание функциональной схемы L1 уровня.

Рис. 10. Функциональная схема L1 уровня

Функциональная схема L1 уровня (рис. 10) состоит из следующих функциональных блоков:

-      перемежитель/деперемежитель – предназначен для борьбы с замираниями и как следствием возникновением пакетов ошибок с помощью процедуры перемежения. Выбор глубины перемежения зависит от двух факторов. С одной стороны, чем больше расстояние между соседними символами, тем большей длины пакет ошибок может быть исправлен. С другой стороны, чем больше глубина перемежения, тем сложнее аппаратно-программная реализация оборудования и больше задержка сигнала;

-      кодер/декодер – кодирование сообщений с целью повышения помехоустойчивости;

-      система радиоизмерений – необходима для управления профилем физического уровня. С помощью радиоизмерений появляется возможность адаптации к помеховой обстановке в канале связи и обеспечения передачи данных с необходимым качеством. На основании результатов измерения мощности радиосигнала осуществляется выбор профиля настройки физического уровня. При обнаружении ухудшения качества канала связи, система радиоизмерений посылает сообщение на уровень управления Уровень управления формирует сообщение управления и отправляет его системе управления профилями;

-      система управления профилями изменяет модуляцию, кодирование, перемежение на более или менее помехозащищенный, в зависимости от ситуации в канале связи;

-      сборка/разборка пакетов – формирование пакетов канального уровня;

-      синхронизация – обеспечение согласованной работы точки доступа и терминала;

-      фильтр-эквалайзер – устранение последствий интерференции и многолучевости.

 

Список используемых источников:

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

2. П.Б. Никишкин - КП "Система сбора данных с подвижных станций". Часть 2. URL:http://omoled.ru/publications/view/433

3. П.Б. Никишкин - КП "Система сбора данных с подвижных станций". Часть 3 URL:http://omoled.ru/publications/view/448

4. И.Г. Фадькин - Радиосеть сбора данных с подвижных станций. Часть 1 URL:http://omoled.ru/publications/view/1278

5. И.Г. Фадькин - Радиосеть сбора данных с подвижных станций. Часть 2 URL:http://omoled.ru/publications/view/1293