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.

3.3. 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.

В данной сети будем использовать алгоритм множественного доступа с временным разделением каналов (TDMA). Благодаря этому, в конкретный момент времени только один терминал будет обладать полным доступом к физической среде и проблемы, связанные с появлением коллизий, не возникнут.

Так как на физический канал могут одновременно претендовать несколько терминалов, необходимо реализовать алгоритм множественного доступа – предоставление физических каналов по требованию. Чтобы лучше представить данную задачу в рамках нашей системы, опишем следующую ситуацию, представляющую собой фрагмент сценария работы системы. УУ непрерывно передает широковещательную информацию по каналу BCCH, в состав которой помимо другой служебной информации входит номер канала случайного доступа (RACH).  Зарегистрированные в сети терминалы вступают в конкурентную борьбу за канал передачи данных по каналу RACH.

Терминал, 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. У первого терминала это число равно, например, 2, у второго и третьего - 7 и 5 соответственно. Терминал Т1 победит на первом этапе, так как его задержка наименьшая.  По истечении загаданной времени задержки и в случае незанятости канала связи, терминал незамедлительно по каналу RACH отправляет на УУ свой идентификатор и текущие данные, необходимые для передачи. Остальные терминалы ждут, пока передает информацию первый.

По окончании этой процедуры УУ на основе запросов от терминалов формирует пакет оповещения, который передает всем терминалам по каналу разрешенного доступа AGCH. Данный пакет содержит идентификатор терминала, одержавшего победу в борьбе, а также время, в течение которого этот терминал будет осуществлять передачу данных. Все остальные терминалы переходят в спящий режим на протяжении данного интервала. По завершении передачи УУ отправляет подтверждение об успешной операции передающему терминалу, после чего последний переходит в спящий режим. Если он не получил такого сообщения, то терминал заново вступает в конкурентный доступ за канал. Отсутствие сообщения подтверждения об успешной передачи может свидетельствовать о коллизии. Это может происходить вследствие равенства количества канальных интервалов у конкурирующих терминалов. В этом случае терминалы пропускают 3 цикла передачи от текущего номера цикла передачи, затем генерируют новое число и снова вступают в конкурентную борьбу. Если при второй попытке у терминала снова возникает коллизия, то он пропускает 2 цикла, и снова повторяет описанную выше операцию.

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 случайного 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 разрешенного доступа. Необходим для оповещения о предоставлении индивидуального канала связи.

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.

3.5. Пояснение назначения и размерности полей сообщений канального уровня.

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

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.

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.

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, отображающая победу терминала 1 в борьбе за физический канал. 

В интервале времени 1 УУ проводит широковещательную рассылку, означающую разрешение терминалам начать конкурентную борьбу за канал (интервал 2). Затем УУ в интервале 3 оповещает терминалы о том, что победил конкретный терминал с определенным ID, и он будет передавать определенное количество данных (в интервале 4), на протяжении передачи которых все терминалы уйдут в спящий режим.

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

На данном рисунке изображена схема обмена сообщениями по ЛКС в режиме передачи данных терминалом на УУ. Все пояснения приведены на рисунке.

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.

Стоит обратить внимание, что канальный ресурс является разделяемым (делится между всеми активными участниками сети). 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; h_AP – высота антенны УУ; h_AC – высота антенны терминала; a(h_AC) – поправочный коэффициент для терминала.

Примем значение несущей частоты f = 406 МГц, d = 0.05 км; h_AP = 0,5 м;     h_AC = 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:P_b=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.18.       
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: 6 и 5 краевых поднесущих не используются (защитный интервал). Из оставшихся 53, 48 поднесущих используются для передачи данных, 4 для пилот-сигналов, 32-я не используется (для компенсации постоянной составляющей). Структура OFDM-символа изображена на рисунке 17. 

рис.17. Структура OFDM-символа

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. 18, 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.