Курсовая работа по дисциплине:

«Системы и сети связи cподвижными объектами»

на тему:

«Радиосеть управления подвижными объектами» Часть 3.

Выполнил: ст. гр. 519

                                                                                           Антонов Д.В.

Целью работы является разработка радиосети, предназначенной для радиоуправления различными наземными подвижными платформами. На подвижной платформе размещается оборудование, которое может быть также объектом управления или являться источником информационных сообщений для центра управления (телеметрические данные, аудио/видео поток и т.п.). В прямом направлении на подвижный объект поступают команды управления движением и запросы для размещенного на платформе оборудования, в обратном – различные информационные сообщения .

Исходные данные к проекту

 Радиус зоны обслуживания: 500 м (PR=85% покрытие на границе обслуживания)

Тип местности: пригород, сельская местность

Скорость передачи данных: определяется контекстом прикладного решения

Вероятность ошибки на бит Pb: 10-6

Мощность излучения подвижной станции Ризл: < 0.4 Вт

Радиоинтерфейс: OFDM

Диапазон частот, вид модуляции выбирается самостоятельно.

 

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 канальный уровень поступают как информационные сообщения, так и сообщения управления для формирования и доставки сообщений. Данный уровень реализует фрагментирование и разделение сообщений по целевым службам, для чего в его составе имеются поля P и S. Так же на L2 уровне формируется и добавляется контрольная сумма CRC , для проверки целостности переданного сообщения на приемной стороне. К информационным сообщениям относятся сообщения видеотрафика, данные телеметрии и GPS, команды управления. Служебные сообщения включают в себя сообщения установления соединения  (служба управления радиоресурсом).

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.

Для осуществления реализации услуги сети потребуется возможность на передачу сообщения, уведомляющего ПБ о необходимости подключится к сети. Данное сообщение должно быть широковещательным и будет передаваться по соответствующего каналу BCCH. 

При получении данного сообщения ПБ запускает процедуру регистрации, передавая на БС  регистрационные данные (МП и данные телеметрии). Данное сообщение будет передаваться по каналу RACH, где для исключения коллизий используется протокол S-Aloha.

При прохождении регистрации БС передает на ПБ сообщение, содержащие профиль работы и номер закрепленного канала. Для передачи такого сообщения потребуется выделить отдельный канал - SACCH.

Для осуществления передачи данных между ПБ и БС так же потребуется выделить канал - TCH.

Пакеты всех каналов дополняются контрольной суммой - CRC 12 , для проверки на приемной стороне правильности принятого пакета. В случае неверного принятия сообщения формируется запрос на повторную передачу ARQ.

 

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.

Поскольку в разрабатываемой системе предполагается использование TDMA , то после выполнения данной процедуры каждой ПБ выделяется и закрепляется за ней тайм-слот. Сообщения установления соединения передаются один раз за суперкадр. В случаях , когда соединение установлено и не требуется подключить дополнительные ПБ сообщение BCCH передается пустым . Сообщение SACCH так же передается 1 раз за суперкадр, и передает в своем составе профиль работы, который будет поддерживается, до приема следующего сообщения данного канала . Так же по каналу SACCH осуществляется передача команд управления ПБ.  Поскольку в данной системе имеется разделение типа данный на видеопоток и данные телеметрии (которые представленны в текстовом формате), то необходимо определить соотношение тайм-слотов видео и текста. В разрабатываемой сети предполагается вся работа планируется вестись в рамках супер-кадра . Структура суперкадра выполнена следующим образом: В составе одного мультикадра имеется 50 кадров, а в составе суперкадра - 50 мультикадров. Таким образом мы получаем 2500 кадров на один супер кадр. 1 кадр суперкадра используется для передачи данных телеметрии и использует для своих нужд канал RACH . Далее весь обьем трафика отдается под канал TCH , который передает видеопоток и уведомления, о принятии пакета.


Рис.1 Структура кадров БС


рис.2 Структура мультикадров ПБ

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).

Для разрабатываемой сети можно выделить следующие логические каналы:

1.     Широковещательный канал - предназначен для обозначения необходимости зарегистрироваться в сети и профиль работы в данной сети.

2.     Канал случайного доступа - данный канал ПБ используют для передачи запроса на регистрацию . Захват происходит согласно алгоритму случайного доступа.

3.     Канал, ассоциированный с каналом доступа - используется для передачи параметров выделенного физического канала и команд управления ПБ. Сообщение кодируется согласно МП, установленному в целевом ПБ.

4.     Канал трафика - по этому каналу ПБ передают на БС сформированный поток данных.

 

 

Таблица 1. Пропускная способность ЛК.

Наименование

Обозначение

Пропускная способность

Широковещательный канал

BCCH

0,0004%

Канал доступа

RACH

0,0004%

Ассоциированный канал доступа

SACCH

0,0004%

Канал трафика

TCH

~99%

 

3.5. Пояснение назначения и размерности полей сообщений канального уровня.

Рассмотрение сообщений канального уровня начнем с сообщения широковещательного канала(рис.3). Поскольку при подключении к сети терминалы могут обнаружить соседние сети в состав широковещательного сообщения входит идентификатор, по которому они определяют,  что сообщение принадлежит к их сети. Поскольку данное сообщение несет информацию только о необходимости подключения и профиле работы , то для организации данного сообщения нет необходимости в большом размере информационной части


Рис.3. Структура широковещательного сообщения

Далее рассмотрим сообщение канала доступа. Для исключения приема сообщения БС соседних сетей в состав данного сообщения включено поле с идентификатором сети . Для  подключения терминал должен осуществить передачу своих данных телеметрии. Идентификатор передающей данное сообщение ПБ содержится в информационной части сообщения.


Поскольку сообщение ассоциированного канала содержит информацию  профиле соединения и текстовые данные команд управления от БС, то для его организации нет необходимости выделять большую информационную часть, и само сообщение будет аналогично широковещательному. 

рис.5 Структура сообщения ассоциированного канала доступа

Основной поток информации будет содержатся в канале трафика, т.к. данное сообщение содержит либо текст, либо видео трафик, в зависимости от целевой службы. Исходя из этого необходимо выделить достаточно большую информационную часть.


Все пакеты сообщений должны содержать в своем составе контрольную сумму, для проверки целостности передачи сообщения. Так же некоторые сообщения могут содержать флажки - P , либо S, либо оба. Флажок P предназначен для указания типа сообщения- информационное либо служебное. Флажок S предназначен для идентификации целевой службы, которой предназначено данное сообщение.

 

 

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

На основании описанных выше каналов связи и процедуры поведения сетевых обьектов можно составить следующую схему поведения сетевых обьектов:

БС передает широковещательное сообщение, уведомляющее ПБ о необходимости осуществить подключение. ПБ , прослушивают BCCH , и при обнаружении передают по каналу доступа сообщение, содержащие данные для осуществления регистрации. Канал доступа ПБ захватывают согласно алгоритму случайного доступа S-Aloha.  В ответ на данное сообщение БС передает данные канала , по которому осуществляется дальнейшая работа и команды управления ПБ (маршрут движения) . После получения данных закрепленного канала ПБ переходит в установленный режим работы и ассоциированный с ним канал.

На рисунке 6 изображена схема доступа логических каналов к физическому ресурсу.

Здесь:

·        ШС- широковещательное сообщение

·        ПС - прослушивание сообщений

·        ПР - передача регистрационных данных

·        ПД - передача данных

·        ПК - профиль канала

·        ПУ - передача уведомление.

·        BC - BCCH

·        TC - TCH

·        SA - SACCH

RA - RACH


рис.6. Организация доступа к физическому каналу

3.8. Разработка функциональной схемы L2 уровня.

Разработку функциональной схемы L2 уровня начнем с проработки передающего тракта (рис.7.) . На данном рисунке изображено поэтапное формирование сообщений на L2 уровне. Первоначально происходит формирование службами информации, предназначенной для передачи. После этого информация фрагментируется, поскольку размер информации многократно превышает размер пакетов . Далее фрагментированные данные дополняются ID сети ( с целью адресации именно своей сети), и добавление "флажков" с целью идентификации целевой службы и вида передаваемой информации. Последним этапом в тракте выступает формирование контрольной суммы, с целью проверки целостности сообщения на принятого сообщения. Информация о порядковом номере фрагмента сообщения так же закладывается в информационную часть пакета.


рис.7. Тракт передачи

Приемный тракт будет выполнен аналогично передающему,  в его составе можно выделить следующие этапы:

·        Проверка CRC- проверка правильности принятого фрагмента сообщения

·        Дефрагментация- сборка из фрагментов изначальное сформированное сообщение.

·        Идентификация и адресация- определения из сообщений для какой службы L3 уровня предназначено данное сообщение и направление к соответствующей службе

 

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).

Для того, что бы рассчитать пропускную способность разрабатываемой сети используем скорость передачи видеопотока 640x480 fps 25 H.264 . Для такой конфигурации потребуется канал с пропускной способностью 0,27 Мбит/с. Это скорость необходимая для передачи информационной части. Общая скорость для передачи сообщений канала трафика составит 0.3Мбит/с.

При использовании сверточного кодирования со скоростью 1/2 количество бит увеличится в 2 раза , что так же потребует увеличения пропускной способности до 0.6Мбит/с .

При применении QAM-16 предполагается передавать видеопоток лучшего качества- 976x572 fps 25 H.264 . Для таки параметров скорость передачи возрастает до 0,54 , что с учетом избыточности и сверточного кодирования возрастает до 1,2 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.

Для обеспечения синхронизации предполагается использование преамбулы , размером 96 бит в составе L1 кадра , задача которой - это обеспечение временной и частотной синхронизации.

В качестве помехоустойчивого кодирования на L1 уровне будет применятся сверточное кодирование со скоростью 1/2 , в котором каждому входному биту будет соответствовать 2 выходных.

Для борьбы с многолучевостью распространения будем использовать OFDM. Это позволит не включать в систему сложные фильтры-эквалайзеры, что позволит нам отказаться от резервирования широких частотных полос, требуемых для их функционирования, что в свою очередь позволит избежать проблем с лицензированием частотных полос.

Предполагается наличие в системе 2-х профилей соединения. Это связано с потенциально возможным снижением качества соединения. Профили работы будут отличатся различными видами модуляции :QPSK и QAM-16.

QAM-16 позволяет эффективно использовать полосу частот, а значит и имеет высокую пропускную способность. QPSK в свою очередь обладает низкой вероятностью ошибки, что будет необходимо при ухудшении помеховой обстановки.

Выбор профиля работы выполняет L3 служба управления радиоресурсом, которая формирует и отправляет сообщение о смене профиля работы.

 

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

В качестве избыточности, вносимой на L1 уровне, у нас будет выступать преамбула. Так же помимо видеотрафика необходимо учитывать передачу данных телеметрии , команд управления и сообщений BCCH.  Исходя из скорости передачи, разделения тайм слотов  и вносимой избыточности можно рассчитать пропускную способность канала связи на L1 уровне, которая составляет примерно 0,75 Мбит/с и 1.5 Мбит/с для QPSK и QAM-16 соответственно

 

Исходя из ТЗ в качестве радиоинтерфейса предполагается использование OFDM.

В таком случае сначала будет передаватся преамбула , а затем OFDM-символы, содержащие информационное сообщение .

 

Для QAM-16 будет следующее распределение канального ресурса:

 

Для данного вида модуляции 1 поднесущая OFDM будет переносить 4 бита информации . Таким образом, для обеспечения работы потребуется 56 поднесущих .Так же необходимо добавить пилоты и защитные интервалы, суммарное количество которых примем 8, что бы добиться кратности 2. Таким образом один OFDM-символ должен состоять из 64 поднесущих. При использовании полускоростного кодирования потребуется 2 OFDM- символа для передачи 1 пакета данных.

 

Для QPSK будет следующее распределение канального ресурса:

 

Для QPSK 1 поднесущая OFDM переносит 2 бита. Из этого следует , что для передачи одного пакета данных после кодирования потребуется 4 OFDM-символа.

 

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 службы. Занимаемая полоса составит от 1279 до 1281 МГц.

В качестве модели оценки потерь выберем модель Окамуры-Хата, поскольку

эта модель обеспечивает достаточно высокую точность определения потерь

при распространении радиоволн в условиях сельской местности. В соответствии с выбранной моделью потери при распространении радиоволн можно рассчитать затухание сигнала:

 

Lгород=69,55+26,16lg(f) - 13,82lg (hб)+(44,9-6,55lg(hпб))*lg(R)

Lс=Lгород-4,78lg(f)2+18.33lg(f)-40.94

 - здесь :

f- рабочая частота, которая равна 1280 МГц.

hб- высота подьема антенны БС, выберем ее равной 5 м для лучшей видимости с ПБ .

hпб - высота антенны ПБ, выберем ее равной 1,5м , такого размера достаточно для работы и исключения задевания различных предметов на пути.

R - дальность связи , по ТЗ оно равно500м

Lгород= 128 дБ

Lс= 84,6 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.


рис.8. Графики зависимостей вероятностей ошибки от ОСШ

 

На рисунке 8 приведены графики зависимостей вероятности ошибки от ОСШ для QPSK и QAM-16 модуляций. Исходя из ТЗ вероятность ошибки должная составлять 10-6. Исходя из графика выше можно сказать, что для QPSK потребуется 10,5 дБ, а для QAM-16 14,5 дБ.

В качестве помехоустойчивого кодирования будем использовать сверточное кодирование 1/2 (рис.9),что позволит снизить требования к уровню ОСШ до 7дБ для QPSK, и 11 дБ для QAM-16.


рис.9. Графики зависимостей вероятностей ошибки от ОСШ при использовании FEC

 

 

 

4.6. Расчет структуры полей пакетов L1 уровня.

 

рис.10. структура полей пакетов L1 уровня.

Для передачи сообщения в зависимости от вида модуляции необходимо применить 2 либо 4 OFDM-символа соответственно. Так же необходимо добавить в состав сообщения L1 уровня преамбулу, которая необходима для осуществления временной и частотной синхронизации между приемной и передающей сторонами. Преамбула подлительности меньше OFDM символов, и необходима для частотного согласования БС и ПБ, вызванного движением обектов.

 

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=0,75 мбит/с;

Эффективная полоса: Δ=R/log2(M) = 0,375МГц  +  защитный интервал OFDM (примем 10%) = 0,41 МГц

Шумовая полоса приемника: Δfш = 1,1* Δf = 0,45 МГц.

Мощность шума на входе приемника:                                                

Pш = k*T* Δfш = 1,63*10-15 Вт=-118дБ.           

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 дБ;

SNR = Eb/N0 + 10*lg (R/ Δfш) = 15,2 дБ (с учетом запаса в 6 дБ).

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

Pпрм = -118+ 5 + 15,596 = - 97.4 дБ

Рассчитаем мощность излучения подвижной станции:

Pизл = Pпрм + L – Gt – Gr;

L = 84,6 дБ – рассчитано в п.4.4

Gt = 1,5 дБ – КНД передающей антенны;

Gr = 1,5 дБ – КНД приемной антенны;

Pизл = - 97.4 + 84,6 -3  = -15.8 дБ = 0,00002 Вт

В результате было получено расчетное значение мощности, которое удовлетворяет указанному в задании к курсовой работе условию: Pизл < 0.4 Вт.

Произведем оценку уровня мощности передачи для QAM-16:

Скорость передачи в системе: R=1,5 мбит/с;

Эффективная полоса: Δf =R/log2(M) = 0,375 МГц + защитный интервал = 0,42

Шумовая полоса приемника: Δfш = 1,1* Δf = 0,46 МГц.

Мощность шума на входе приемника:  Pш = k*T* Δfш = -120 дБ.            

Чувствительность приемника: Pпрм = Pш + Nk + SNR.

Eb/N0= 11 дБ;

SNR = Eb/N0 + 10*lg (R/ Δfш) = 22 дБ (с учетом запаса в 6дБ)

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

Pпрм = -120 + 5 + 22 = - 93дБ

Рассчитаем мощность излучения подвижной станции:

Pизл = Pпрм + L – Gt – Gr;

L = 84,6 дБ – суммарные потери на трассе распространения сигнала.

Gt = 1,5 дБ – КНД передающей антенны;

Gr = 1,5 дБ – КНД приемной антенны;

Pизл = - 93 + 84,6 -3 = -11,4 дБ = 0.00007 Вт.

Произведем оценку мощности передатчика базовой станции для обеспечения уверенного приема сигнала с вероятностью PR = 85% на границе зоны радиопокрытия, радиус которой указан в ТЗ и равен 500 м.

w-функция Лапласа, значение которой w(0,15) согласно таблице равно 0,0596

Так как анализируемая система может функционировать в условиях сельской местности либо пригороде, примем σ = 7 и n = 5.

r50=499.99 м

r85= 498 м


 

4.8. Разработка и описание функциональной схемы L1 уровня.


рис.11 Функциональная схема L1 уровня

Данная схема иллюстрирует задачи L1 описанные в рамках 4 пункта КР .

Информационные данные поступают на 1 блок схемы, где выполняется сверточное кодирование со скоростью 1/2. Далее поток бит поступает на перемежитель битов. Следующий блок - модулятор, выполняет преобразование потока в символы IQ и управляется службами L3 уровня, которые указывают профиль работы. Далее происходит модуляция OFDM символов, к которым затем добавляется преамбула. Завершает схему блок передатчик, который усиливает сигнал и передает его по каналу связи на приемную сторону.

 

Список используемой литературы

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

 

2.Мичугин М.-КП на тему  "Радиосистема управления подвижными объектами ".

http://radiolay.ru/viewtopic.php?f=83&t=458

 

3.Антонов Д.-КП на тему "Радиосеть управления подвижными объектами" Часть 1.

http://omoled.ru/publications/view/1286

 

4.Антонов Д.-КП на тему "Радиосеть управления подвижными объектами" Часть 2.

http://omoled.ru/publications/view/1316