Курсовая работа

по дисциплине "ССПО"


Тема работы:

"Радиосистема управления беспилотными объектами"


Часть 3

Разработка канала передачи данных (L2)


Часть 4

Разработка физического уровня (L1). 

Реализация необходимых уровню L2 физических ресурсов


                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                         Выполнила: 

                                                                          ст.гр. 519

                                                                      РГРТУ

                                                                                  Баранова.А.В.

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.

Основной службой канального уровня является служба передачи данных. В задачи этой службы входит осуществление передачи информационных сообщений на заданной скорости, соответствующей требованиям качества связи. Задачами этой службы являются: обнаружение и исправление ошибок, организация и управление доступом к физическим каналам (ФК), формирование и выделение пакетов из потока бит. На канальный уровень могут поступать информационные сообщения для служб уровня L4 или служебные сообщения, направленные соответствующей службе L3 уровня. Для различия этих сообщений в структуре сообщения предусмотрено однобитовое поле, принимающее различные значения в зависимости от назначения передаваемого сообщения. Любое сообщение, служебное или информационное, поступает на канальный уровень. На канальном уровне осуществляется фрагментация полученного сообщения на блоки, каждый из которых нумеруется, это необходимо для приведения полученного сообщения к виду, соответствующему сообщению канального уровня.

В направлении передачи «ТП – ТБПЛА» передаются короткие информационные сообщения, содержащие команды управления и служебные сообщения, соответственно необходимость в широком радиоканале, способном обеспечить высокую скорость передачи, не возникает. Предварительно пропускная способность 1.2кбит/с сможет обеспечить нужную скорость передачи.

 

В направлении «ТБПЛА – ТП» передаются мультимедийный трафик, а именно телеметрия и видео данные. Предварительно на уровне L4 эти потоки данных мультиплексируются, протокол данного уровня обеспечивает механизм управления потоками данных и гарантирует достоверность принятых данных. Основной профиль протокола передачи данных для мультимедийного трафика предполагает передачу на скорости 2,5 Мбит/с, что соответствует видео с разрешением 720p. Для служебных сообщений будет достаточно скорости 600бит/c. Т.к данная система работает с непрерывным потоком данных (работа в реальном масштабе времени), то использование CRC-кода не имеет смысла. Для обнаружения и исправления ошибок, информационные и служебные сообщения будут кодированы помехоустойчивым кодированием.

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.

Рассмотрим   типы сообщений, передача которых будет осуществляться в рамках разрабатываемой сети. Все типы сообщений можно для удобства разделить на сообщения от ТП и сообщения от ТБПЛА.


         Сообщения от ТП могут быть следующих видов:

1.  Сообщение BCCH (широковещательное сообщение) содержит информацию о системе и передаётся непрерывно. За формирование и передачу пакетов L2 уровня сообщений BCCH отвечает служба предоставления информации о системе. Этот вид сообщений не адресный и не требует ответа;

2. Сообщение - ответ на запрос ТБПЛА на организацию соединения является адресным (адресованы пославшему запрос терминалу), в нем содержатся параметры сессии. На данное сообщение подразумевается ответ ТБПЛА о принятии параметров;

3. Сообщения трафика содержат команды управления и также являются адресными и требуют ответа.


Сообщения от ТБПЛА могут быть следующих видов:

1.                Сообщение - запрос на организацию соединения. Эти сообщения являются адресными, и требуют обязательного ответа;

2. Сообщение - отчет о принятии параметров сессии. Являются адресными и ответа не требует;

3. Сообщения трафика являются ответом на полученные команды управления и также являются адресными и не требуют ответа.

 Для всех сообщений, служебных и информационных, необходима гарантия корректной доставки, следовательно, примем максимально возможную вероятность ошибки на бит равной Pb = 10-7, что соответствует техническим требованиям, обозначенным в исходных данных курсовой работы.

 

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.

 

Для доступа к ФК будем использовать технологию OFDM. Сигнал OFDM представляет собой сумму нескольких ортогональных поднесущих, на каждой из которых передаваемые на основной частоте данные независимо модулируются (в данной работе будем использовать два типа модуляции: QPSK и 16-QAM). Далее этим суммарным сигналом модулируется радиочастота. Так как потоки промодулированных данных независимы, то способ модуляции и, следовательно, количество бит на символ в каждом потоке могут быть разными. Следовательно, разные потоки могут иметь разную битовую скорость. Этот фактор позволяет организовать передачу данных с сильно разными скоростями, что имеет место быть в данной работе.

В то же время, основным преимуществом OFDM по сравнению со схемой с одной несущей является её способность противостоять сложным условиям в канале. Например, бороться с узкополосными помехами и частотно-избирательным затуханием, вызванным многолучевым характером распространения, без использования сложных фильтров-эквалайзеров. Канальная эквализация упрощается вследствие того, что OFDM сигнал может рассматриваться как множество медленно модулируемых узкополосных сигналов, а не как один быстро модулируемый широкополосный сигнал. Низкая символьная скорость делает возможным использование защитного интервала между символами, что позволяет справляться с временным рассеянием и устранять межсимвольную интерференцию (МСИ).

Подробный пример организации доступа ЛК к ФК можно наблюдать в п.3.6. данной статьи.

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).

Проведём классификацию видов логических каналов (ЛКС), используемых в рамках разрабатываемой сети.

Канал трафика (TCH) - для передачи команд управления (от ТП к ТБПЛА) и мультимедиа (от ТБПЛА к ТП);

Далее приведем каналы управления.

Канал широковещательный (BCCH) – для осуществления широковещательной трансляция информации о сети;

Канал управления соединением (CCCH) – для установления соединения; в прямом направлении служит для обмена сообщениями с ТБПЛА и синхронизации, в обратном - для обмена сообщениями с ТП;

Таблица 2. Пропускная способность ЛКС.

 

Название канала

Обозначение

Пропускная способность

Широковещательный

BCCH

От ТП к ТБПЛА 600 бит/с

Канал управления соединением

CCCH

От ТП к ТБПЛА - 1800 бит/с

От ТБПЛА к ТП – 600 бит/с

Трафика

TCH

От ТП к ТБПЛА - 600 бит/с

От ТБПЛА к ТП – 2.5 Мбит/с

 

3.5. Пояснение назначения и размерности полей сообщений канального уровня.


Рис.1 – Сообщение и пакет канального уровня

На рис.1 сверху представлено сообщение канального уровня (247 бит), в него входят следующие поля: поле P – для обозначения типа сообщения -трафик/ служебное (1 бит), поле NP – номер сообщения (2 бита), поле Data – информационное сообщение (244 бита). Получившееся сообщение составляет информационную часть пакета L1 уровня (снизу), о нем речь пойдет в п.4.6.

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

 

 

Рис.2-Доступ к физическим ресурсам

Для организации физических ресурсов выделим 512 поднесущих, из них 12 – защитные интервалы, еще 20 – выделим для пилот сигналов. Таким образом для передачи полезной информации остается 480 поднесущих. На рис.2 видно, что первый временной интервал предназначен для передачи в прямом направлении (от ТП к ТБПЛА), оставшиеся интервалы – для обратного направления. Рассчитаем физические ресурсы для профиля с QPSK модуляцией (для 16-QAM - аналогично). Первый временной интервал будет использован как для КУ, так и для КТ, их общая скорость составляет 2.5 ксим/с. Последующие временные интервалы также будут использованы как для КУ, так и для КТ в обратном направлении, их общая скорость составляет 2 Мсим/с (с округлением). Расчет скоростей был произведен в п.4. На каждый OFDM символ приходится 480 символов данных. Рассчитаем необходимый интервал повторения передачи в прямом направлении для обеспечения скорости 2500 сим/с решая пропорцию (2500 символов за секунду, следовательно, каждые 0.2 секунды по 480 символов) и получим требуемый интервал повторения 0.2с, как и показано на рисунке. Далее рассчитаем, сколько OFDM символов требуется для передачи в обратном направлении: 2 000 000 сим/с разделим на 480 и получим 4313 OFDM символов. Тогда за 0.2 секунды уместим 4314*0.2=863 OFDM символа в обоих направлениях. Определим длительность OFDM символа Tofdm: 0.2/863=0.23 мс.

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

Схема рис.3 иллюстрирует обмен сообщениями L2 уровня с учетом введенных в п.3.4 ЛК. ТП передает широковещательное сообщение с параметрами сети, после осуществления временной и частотной синхронизации ТБПЛА отправляет сообщение с запросом на организацию соединения. ТП в ответ передает параметры сессии и дожидается ответа ТБПЛА о принятии, после чего осуществляется обмен сообщениями трафика.


Рис.3 – Обмен сообщениями L2 уровня

3.8. Разработка функциональной схемы L2 уровня.

Данная схема рис.4 иллюстрирует поэтапное формирование сообщения L2 уровня для КУ и КТ и ассоциирована с п.3.5 и, полагаю, не требует более подробного объяснения.


Рис.4 - Функциональная схема L2 уровня

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%. Рассмотрим ПС в прямом и обратном направлении исходя из п.3.4. Таким образом, имеем: для КУ в прямом направлении отводим 0.1% (2.4 кбит/с) от пропускной способности всего физического канала связи, для КТ – 0.04% (600 бит/с); в обратном направлении: на КУ – 0.04% (600 бит/с) от пропускной способности всего физического канала связи, для КТ – 99.81% (2.5 Мбит/с).
       Выберем в качестве значения гарантированной скорости передачи данных значение максимальной пропускной способности в обоих направлениях (2,5 Мбит/с для обратного направления и 3кбит/с для прямого). Пропускная способность канала складывается из гарантируемой скорости передачи данных и 20 % от общей гарантируемой скорости, которая приходится на канальный уровень (
FEC, адресацию и др.). Следовательно, получаем пропускную способность 3 Мбит/с и 3.6 кбит/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 0), 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 1), 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:

В прямом направлении: 1.38*3 Мбит/с ≈ 4.14 Мбит/с;

В обратном направлении: 1.38*3.6 кбит/с ≈ 5 кбит/с

Для профиля 1:

В прямом направлении: 1.28*3 Мбит/с ≈ 3.84 Мбит/с;

В обратном направлении: 1.28*3.6 кбит/с ≈ 4.5 бит/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 1279 до 1281 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):

 

L= Lгород -4,78*lg(f)^2+18,33*lg(f)-40,94 (1)

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

L город= 69,55 + 26,16 lg (f)-13,82 lg (hАР)-a(hAС) + (44,9 – 6,55 lg hАР)*lg (R) (2)

 

В данной формуле:

f  = 1280 МГц – несущая частота;

R = 7000 м – дальность связи (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 по формуле:

a(hAС) = 3,2lg(11,75*hАС)2 – 4,97       (3)

a(hAС) = 3,2lg(11,75*1,5)2 – 4,97 = 25,6

 

Рассчитаем потери по формуле (2):

Lгород=69,55 + 26,16 lg (1280) – 13,82 lg (1000) – 3,005 + (44,9 – 6,55 lg 1000) *lg (7000) =181 (дБ)

 

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

L=181-4,78*lg(1280)^2+18,33*lg(1280)-40,94=151 (дБ)

 

Таким образом, уровень потерь на границе зоны радиопокрытия в условиях сельской местности в выбранном частотном диапазоне от 1279 до 1281 МГц составляет 151 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 0 составляет 2.8 дБ, а для профиля 1 – 4 дБ.


Рис.3- Зависимости вероятностей битовой ошибки от ОСШ для QPSK и 16-QAM модуляций при использовании помехоустойчивого кодирования.

 

Скорость передачи в системе после модуляции:

Для профиля 0 (QPSK):

в прямом направлении: 4.14/2 = 2.07 Мсим/с;

в обратном направлении: 5/2 = 2.5 ксим/с

Для профиля 1 (16-QAM):

в прямом направлении: 3.84/4 = 0.96 Мсим/с;

в обратном направлении: 4.5/4 = 1.2 ксим/с.

 

 

4.6. Расчет структуры полей пакетов L1 уровня.


Рис.4 –Пакет L1 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. Произведем расчет для 0 профиля.

Ширина полосы пропускания была получена выше и составляет Δf =2 МГц (с округлением).

Шумовая полоса приемника:

Δfш = 1,1* Δf = 2.2 МГц.

Мощность шума на входе приемника:                                                 

        Pш = k*T* Δfш = 798*10-17 Вт=-141 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= 7.9 дБ;

SNR =  Eb/N0+10*lоg(Δffш)= 7.5 дБ.

Коэффициент шума первых каскадов приемника примем равным Nk = 3 дБ,

Pпрм = Pш Nk SNR  = -141+ 3 + 7.5 = - 130.5 дБ

Расчитаем мощность излучения подвижной станции:

Pизл = Pпрм + L – Gt – Gr;

L = 174 дБ –затухание в радиоканале.

Gt = 10 дБ – КНД передающей антенны;

Gr = 10 дБ – КНД приемной антенны;

Pизл = - 130.5 + 151 – 10 – 10 = 0.5 дБ = 1.12 Вт

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 рис.5 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, кодирование БЧХ кодами, перемежение, модуляция QPSK или QAM-16 (в зависимости от профиля), модуляция OFDM и синхронизация (добавление преамбулы и пилотов). После чего пакет физического уровня проходит по каналу связи и поступает на приемную сторону, где решаются следующие задачи: синхронизация (поиск преамбулы и пилотов), демодуляция OFDM, , демодуляция QPSK или QAM-16, деперемежение, декодирование, накопление пакетов L1 уровня для формирования сообщения L2 уровня.

 

Список используемых источников:

1.     Баранова Анастасия - радиосистема управления беспилотным аппаратом (часть 2) и (часть 1)

http://omoled.ru/publications/view/1305

http://omoled.ru/publications/view/1273

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

3.      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.