Локальная радиосеть. Часть 3
Сафронов П.Н. гр.519

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 канальном уровне имеется служба целостности сообщения. Данная служба осуществляет проверку достоверности принимаемых сообщений канального уровня на основании расчета контрольных сумм CRC. 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 L3 уровня, которые отвечают за качество соединения между устройством управления и терминалом, а именно регулируют мощность передаваемого сигнала, а так же L2 уровню для регулировки чувствительности терминалов. Информационными сообщениями являются данные аудиотрафика.

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 канального уровня могут быть широковещательные и адресные. Широковещательные сообщения может передавать только устройство управления по каналу BCCH. Это сообщение получают все терминалы, оно содержит информацию о данной сети. Получение такого сообщения требует от терминала отправки ответного сообщения. В качестве ответного все терминалы отправляют информационное сообщение, в котором содержатся данные аудиотрафика. Такое сообщение является адресным и направлено устройству управления.  Адресные сообщения УУ отправляет нужному терминалу при передаче команд управления, эти сообщения также являются информационными и могут быть адресованы как одному терминалу, так и сразу группе терминалов, в последнем случае сообщение является многоадресным.

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 устройства 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 УУ отправляет терминалам сообщение запроса телеметрии, также по каналу вызова УУ вызывает терминал, которому необходимо передать команду управления.

4.      Канал трафика. По данному каналу в прямом направлении (от УУ к терминалам) предаются непосредственно команды управления, в обратном направлении (от терминалов к УУ передаётся аудиотрафик).

Таблица 1. Пропускная способность ЛКС.

Название канала

Обозначение

Пропускная способность

Широковещательный

BCCH

90 бит/с

Доступа

RACH

110 бит/с

Вызова

PCH

100 бит/с

Трафика

TCH

В прямом направлении 110 бит/с

В обратном - 256 кбит/с

 

3.5. Пояснение назначения и размерности полей сообщений канального уровня.

Структура полей информационных и служебных сообщений  одинакова и представлена на рис. 10.

7 бит

7 бит

1 бит

32 бита

Адрес отправителя

Адрес получателя

Тип сообщения

CRC

Рисунок 10. Структура информационных и служебных сообщений

Поле адреса отправителя содержит уникальный идентификатор терминала или УУ в радиосети. На основе сведений об идентификаторе терминала сервис осуществляет проверку запроса терминала и принимает решение о предоставлении или непредоставлении услуги. Размер поля адреса равен 7 битам, поскольку максимальное число пользователей в сети, согласно заданию к курсовой работе – 120, соответственно 7 бит хватит для того, чтобы каждый терминал имел свой уникальный адрес-идентификатор.

Поле адреса получателя содержит адрес УУ. Размер поля, как и для поля адреса-отправителя, равен 7 битам.

В поле типа сообщения указывается, информационным или служебным является передаваемое сообщение. В случае если в этом поле указана единица, сообщение считается информационным, если в поле указан ноль, сообщение служебное.

Поле CRC кода содержит 32-битный циклический избыточный код, предназначенный для обеспечения гарантированной доставки сообщения.

Для сообщений – ответов сервиса на запросы терминала структура сообщения будет такой же, как структура, изображенная на рис. 10.  С разницей в том, что в поле адреса получателя будет указываться идентификатор терминала, которому адресовано сообщение. В поле адреса отправителя всегда будет указан идентификатор УУ, а в поле типа сообщения будет указано решение мультимедийного сервиса: «1» - доступ к запрашиваемому каналу разрешен, «2» - в доступе к запрашиваемому каналу отказано. Структура сообщений аудиотрафика и широковещательных сообщений с информацией о сети представлена на рис.11 и рис.12.

2 бита

958 бит

Адрес УУ

Аудиотрафик

Рис. 11. Структура сообщений аудиотрафика.

Сообщения аудиотрафика не требуют обеспечения гарантированной доставки, поэтому в их состав, помимо поля собственно мультимедийных пакетов размером 958 бит достаточно включить поле с адресом УУ. Размерность этого поля, как было указано выше, достаточно задать равной 2 битам.

960 бит

Информационная часть

Рис. 12. Структура  BCCH сообщений.

Для BCCH сообщения не требуется ни обеспечения гарантированности доставки, ни адресной доставки, поэтому фактически все сообщение является информационной частью, в которой содержится информация об идентификаторе сети, предоставляемых сетью услугах, количестве доступных каналов и т.д. Размерность сообщений BCCH и мультимедийного трафика выбрана равной 960 битам.

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


Рис. 13. Организация доступа к физическому каналу.

На рис. 13 представлена временная диаграмма, на которой изображен обмен сообщениями между Т и УУ. На данной диаграмме изображена ситуация, когда Т получил команду управления, а УУ получает эту команду. Аудиотрафик при этом успешно принимается УУ.

3.7. Разработка схемы обмена сообщениями L2 уровня по ЛКС для одного из режимов (п.2.3, 2.4)


Рисунок 14. Схема обмена сообщениями по ЛКС

УУ передает широковещательные сообщения, после чего новые терминалы имеют возможность для регистрации в сети. Далее УУ начинает приём аудиотрафика, для чего посылает группе терминалов по каналу вызова сообщение запроса, а терминалы в свою очередь посылают аудиотрафик по каналу трафика. При необходимости передачи команд управления, УУ вызывает терминал, которому предназначаются команды, получив ответ от терминала, УУ 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 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 отведем 3% от пропускной способности всего физического канала связи. На канал случайного доступа RACH отведем 2% от пропускной способности всего физического канала связи. На канал вызова также отведем 2% от пропускной способности всего физического канала связи. В результате на канал передачи данных остаётся 93 % от пропускной способности всего физического канала связи.        
       Выберем в качестве значения гарантированной скорости передачи данных значение максимальной пропускной способности среди ЛКС (256 кбит/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 307,2  кбит/с. Учитывая также использования помехоустойчивого кодирования со скоростью ½ ,  получаем возрастание пропускной способности вдвое – 614,4 кбит/с. Также необходимо прибавить 10 % от гарантированной  скорости, которые затрачиваются на реализацию некоторых полей физического уровня. Суммарно получаем, что пропускная способность канал трафика составляет  640 кбит/с, а так как это 93% процента от общей пропускной способности L1, получаем, что она равна 684 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 рамках данной курсовой работы целесообразным методом борьбы с многолучевостью является применение технологии OFDM, позволяющей эффективно бороться как с возникающей вследствие многолучевого распространения межсимвольной интерференцией (МСИ), так и с возникающими по той же причине замираниями. Применение данной технологии позволит избежать использования в реализуемой системе сложных и дорогостоящих адаптивных фильтров-эквалайзеров и широкополосных сигналов, 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 пользование радиочастотным ресурсом.

Методом борьбы с возникающими при распространении сигнала по радиоканалу помехами является применение помехоустойчивого кодирования. В рамках реализуемой сети целесообразно применять сверточное кодирование, вносящее необходимую для безошибочного приема сигнала избыточность. Вносимая избыточность определяется скоростью сверточного кодирования, то есть отношением числа бит, поступивших на вход кодера, к числу бит, получаемых для данной входной последовательности на выходе сверточного кодера.

Поскольку все терминалы подключаются к УУ и синхронизируют свои временные шкалы с временной шкалой УУ, можно утверждать, что временные шкалы всех подключенных к УУ терминалов будут синхронизированы друг с другом. Временная синхронизация терминалов и УУ будет осуществляться при передаче каждого пакета физического уровня.

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

При использовании 53 поднесущих и скорости передачи в 512 кбит/с каждой поднесущей отводится полоса в 9,6 кГц. Чтобы обеспечить запас по пропускной способности, отведем для каждой поднесущей полосу шириной в 10 кГц, тогда для 53 поднесущих потребуется полоса в 53*10 = 530 кГц. Добавим защитный интервал для обеспечения лучшей электромагнитной совместимости с другими радиоэлектронными средствами, функционирующими на территории радиопокрытия точки доступа анализируемой системы. Примем защитный интервал равным по 10 кГц с каждой стороны. Тогда получим общую требуемую полосу пропускания равной 550 кГц. Это с учетом защитного интервала соответствует пропускной способности канала 530 кбит/с. Обратный канал имеет пропускную способность 640 бит/с, или, с учетом помехоустойчивого кодирования, 2240 кбит/с, то есть займет полосу в 2,24 кГц. 

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:


В данной формуле: f – несущая частота, МГц; d–расстояние между антенной УУ и антенной терминала; hAP – высота антенны УУ; hAC – высота антенны терминала; a(hAC) – поправочный коэффициент для терминала.


Примем значение несущей частоты f = 406 МГц, d = 0.05 км; hAP = 0,5 м;     hAC = 0,1 м. Общие потери распространения:

L = 83.867 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.

Для определения отношения сигнал/шум, требуемого для обеспечения заданной вероятности битовой ошибки для модуляции  без помехоустойчивого кодирования воспользуемся утилитой bertool среды Matlab. Полученный график зависимости вероятности битовой ошибки от отношения сигнал/шум приведен на рис. 15. Рассчитаем отношение сигнал-шум для заданной вероятности ошибки на бит:Pb=10-7.


Рис. 15. Зависимость вероятностей битовой ошибки от ОСШ для BPSK и 16-QAM без кодирования

Как видно из рисунка 15, при модуляции 16-QAM заданная вероятность битовой ошибки обеспечивается при 14.6 дБ, а при модуляции BPSK – 10.7 дБ.

Очевидно, что использование системы будет неэффективным, если не предпринимать меры для увеличения отношения сигнал/шум. С этой целью в системе используется сверточный кодер со скоростью 1/2, где каждому информационному биту на входе соответствует два избыточных бита на  выходе. Построим графики, аналогичные рис. 15, но уже с кодированием и оценим выигрыш в ОСШ.


Рис. 16.  Зависимость вероятности битовой ошибки от ОСШ для BPSK и QAM-16 модуляции с кодированием и без

Был использован метод сверточного кодирования со значением порождающего многочлена (171, 133), установленного в «Matlab bertool» по умолчанию.
Для 
BPSK с кодированием ОСШ = 7.7 дБ, выигрыш составляет 3 дБ.

Для QAM-16 с кодированием ОСШ = 11.4 дБ, выигрыш составляет 3,2 дБ.

4.6. Расчет структуры полей пакетов L1 уровня.

Для передачи пакетов используется OFDM с модуляцией поднесущих BPSK или QAM-16. Пакет физического уровня в общем случае будет состоять из трех полей: поля преамбулы, служебного поля и поля данных. Структура полей представлена на рис.17.       
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. 17, 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.17. 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.

Шумовая полоса приемника:

Δfш = 1,1 * Δf =563,2 кГц.                

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.

Здесь k = 1,23 * 10-23 Дж/К – постоянная Больцмана,       

 Т = 296 К – шумовая температура.

Аналоговое отношение сигнал/шум на основе полученного в п. 4.5 ОСШ для BPSK  (Eb/N0 = 7.7 дБ):

SNRBPSK=Eb/N0+10*lоg(Δffш)=7.7+10*log((512*103)/(563,2*103))=7.66(дБ)    

Аналоговое отношение сигнал/шум на основе полученного в п. 4.5 ОСШ для QAM-16  (Eb/N0 = 11.4 дБ):

SNRQAM-16=Eb/N0+10*lоg(Δffш)=11.4+10*log((512*103)/(563,2*103))=10,29(дБ)    

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

Pпрм_BPSK = Pш + Nk + SNRBPSK = -146,9 + 2 + 7,66 = -137,2 дБ.   для BPSK
Pпрм = Pш + Nk + 
SNRQAM-16= -146,9 + 2 + 10,29 = -134,6 дБ.   для QAM-16 

Мощность излучения подвижной станции рассчитывается по формуле:

Pизл = Pпрм + L - GT - GR ,   

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

PΣизл_BPSK=Pпрм_BPSK+L-GT-GR=-137,2+73,47-7-0=-70,7 дБ = 0,085 мкВт.  для BPSK

PΣизл QAM-16=Pпрм QAM-16+L-GT-GR=-134,6+73,47-7-0=-68,1 дБ = 0,15 мкВт. для QAM-16 

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

Далее необходимо произвести оценку мощности передатчика базовой станции для обеспечения уверенного приема сигнала с вероятностью PR = 90% на границе зоны радиопокрытия, радиус которой указан в задании к курсовой работе и равен 500 м.

Радиус зоны радиопокрытия рассчитывается по формуле:


Здесь W – функция Лапласа, σ – дисперсия по местоположению, – коэффициент потерь, r50 – радиус зоны радиопокрытия с вероятностью уверенного приема сигнала PR = 50%. Так как анализируемая система функционирует в условиях помещения, примем σ = 5 и n = 4.

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:

4.8. Разработка и описание функциональной схемы L1 уровня.

Функциональная схема физического уровня представлена на рис.18. Пакеты канального уровня поступают на свёрточный кодер, в нём осуществляется помехоустойчивое кодирование. Далее производится перемежение битов пакета и модуляция. В разработанной сети предусмотрено два вида модуляции BPSK и QAM-16. После добавления преамбулы с целью синхронизации полученная последовательность передаётся по радиоканалу на приёмную сторону. На приёмной стороне производятся обратные действия соответствующими блоками.


рис.18. Функциональная схема физического уровня

Список используемых источников:

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

2. Сафронов Павел - Локальная радиосеть. Часть 1 http://omoled.ru/publications/view/1281

3. Сафронов Павел - Локальная радиосеть. Часть 2 http://omoled.ru/publications/view/1304

4.       Митрохина Дарья - Часть 3. Локальная радиосеть. Канальный уровень. http://omoled.ru/publications/view/1003

5.       Савко Виктор КП "Локальная радиосеть".Часть 3  http://omoled.ru/publications/view/587