Курсовая работа

по дисциплине "ССПО"


Тема работы:

"Радиосистема управления беспилотными объектами"


Часть 4

Разработка физического уровня (L1). 

Реализация необходимых уровню L2 физических ресурсов


                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                         Выполнила: 

                                                                          ст.гр. 519

                                                                      РГРТУ

                                                                                  Баранова.А.В.


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%. Рассмотрим ПС в прямом направлении. Исходя из п.3.3 и п.3.4 получаем: на широковещательный канал ВССН, канал временной синхронизации SCH, канал частотной синхронизации FCCH, канал разрешенного доступа AGCH отводим по 3% от пропускной способности всего физического канала связи. В результате на канал передачи данных остаётся 88 % от пропускной способности всего физического канала связи. Оценим ПС в обратном направлении также, исходя из п.3.3 и п.3.4: на канал разрешенного доступа AGCH отводим 12.5% от пропускной способности всего физического канала связи, тогда на канал передачи данных остаётся 87.5 %.
       Выберем в качестве значения гарантированной скорости передачи данных значение максимальной пропускной способности среди ЛКС (2,5 Мбит/с для обратного направления и 600бит/с – для прямого). 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 Мбит/с и 720бит/c соответственно.

 

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 будет 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 OFDMкоторая позволяет распределять поток передаваемых данных по множеству частотных ортогональных друг другу подканалов (рис. 1). 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.1 – Подканалы OFDM

Для обеспечения синхронизации будем использовать каналы временной и частотной синхронизации, о чем уже шла речь в 3 пункте данной курсовой. В п.2.4. предполагается использование нескольких видов профилей сетевого протокола, для простоты выберем только два профиля. 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.

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). Код способен исправить 9 ошибок в блоке данных. Для профиля 0, используется код (127,99,9). Данный код также способен исправлять 9 ошибок.

 

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. Для профиля 1 n/k = 127/99 = 1.28 раз.

Скорость передачи в системе:

Для профиля 0 – 1.38*3 Мбит/с ≈ 4.14 Мбит/с; 1.38*720бит/с ≈ 993.6 бит/с

Для профиля 1 – 1.28*3 Мбит/с ≈ 3.84 Мбит/с; 1.28*720бит/с ≈ 921.6бит/с.

 

 

4.4. Обоснованный выбор частотного диапазона (на основании документов ГКРЧ); аргументированный выбор модели оценки потерь при распространении радиоволн выбранного диапазона, расчет уровня потерь.

В соответствии с решением ГКРЧ при Минкомсвязи РФ от 15.07.2010 № 10-07-01 «О выделении полос радиочастот для радиоэлектронных средств любительской и любительской спутниковой служб» выберем для функционирования разрабатываемой радиосети полосу частот 1260-1300 МГц с несущей частотой 1280 МГц. Этот диапазон предназначен для любительской и любительской спутниковой служб. Занимаемая полоса составит от 1277.93 до 1282.07 МГц.

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


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

 

В данной формуле:

f  = 1280 МГц – несущая частота;

d= 7000 м – max расстояние между ТП и ТБПЛА (в соответствии с ТЗ).

hАР = 1000 м – высота антенны БПЛА.

hАС = 1,5 м – типовая высота антенны ТП;

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


Рассчитаем поправочный коэффициент а(hАС):

а(hАС)=(1.1*lg(1280)-0.7)*1.5-(1.56*lg(1280)-0.8)=0.02965

 

Рассчитаем потери по формуле (2):

Lгород=69,55+26,16*lg(1280)-13,82*lg(1000)-0.02965+(44,9-6,55*lg(1000))*

*lg(7000)=78,5 (дБ)

 

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

L=78,5-4,78*lg(1280)^2+18,33*lg(1280)-40,94=48,4 (дБ)

 

Таким образом, уровень потерь на границе зоны радиопокрытия в условиях сельской местности  в выбранном частотном диапазоне от 1277.93 до 1282.07 МГц составляет 48,4 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 2, при модуляции 16-QAM заданная вероятность битовой ошибки обеспечивается при 14.6 дБ, а при модуляции QPSK – 10.7 дБ.


Рис.2- 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). Код способен исправить 9 ошибок в блоке данных. Для профиля 0, используется код (127,99,9). Данный код способен исправлять 9 ошибок.

Для обеспечения требуемой вероятности ошибки на бит (рис. 3), 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.3- 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.4 – Сообщение и пакет канального уровня

На рис.4 сверху представлено сообщение канального уровня с применением кодирования (247 бит) и оно представляет собой информационную часть пакета L1 уровня, подробнее об этом шла речь в п.3.5. Пакет L1 уровня (снизу) с учетом помехоустойчивого кодирования (8 бит) и дополнительного нулевого бита составляет 256 бит. Нулевой бит требуется для выполнения позиционности модуляции.

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 7000 м.

Ширина полосы пропускания была получена выше и составляет Δf =4.14 МГц (примем наибольшую величину).

Шумовая полоса приемника:

Δfш = 1,1* Δf = 4.6 МГц.

Мощность шума на входе приемника:                                                 

        Pш = k*T* Δfш = 16.691*10-14 Вт=-117.77 дБВт.            

 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*lоg(Δffш)= 10.14 дБ.

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

Pпрм = Pш Nk SNR  = -117.77 + 5 + 10.14 = - 102.63 дБ

Расчитаем мощность излучения подвижной станции:

Pизл = Pпрм + L – Gt – Gr;

L = 48.4 дБ –затухание в радиоканале.

Gt = 0 дБ – КНД передающей антенны;

Gr = 0 дБ – КНД приемной антенны;

Pизл = - 102.63 + 48.4= -54.23 дБ = 3.77 мкВт

В результате было получено расчетное значение мощности, которое удовлетворяет указанному в задании к курсовой работе условию: Pизл < 2Вт.

 

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 7000 м.

Радиус зоны радиопокрытия рассчитывается по формуле (13):


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 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.


Рис.5 - 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 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 для формирования сообщения L2 уровня.

Список используемых источников:

1. А.В. Бакке – лекции и лабораторные работы по курсу "Системы и сети связи с подвижными объектами".

2. Макаркин Илья - Радиосистема управления беспилотным аппаратом (часть 3)

http://omoled.ru/publications/view/1215

4. Дворянков Дмитрий – информационная радиосеть (часть 4)

http://omoled.ru/publications/view/1302

5.  Б. Скляр. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр. Пер. с англ. — М. : Издательский дом “Вильямс”, 2003. — 1104 с.

6. К. Весоловский. Системы подвижной радиосвязи / Пер. с польск. И. Д. Рудинского; под ред. А. И Ледовского. - М.: Горячая линия-Телеком, 2006. - 536 с.