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.

Задачи службы передачи данных канального уровня:

-Управление доступом к физическому ресурсу

-Исправление ошибок

-Адресная доставка сообщений L3 уровня

Подуровни канального уровня:

1)MAC – отвечает за формирование сообщений и адресацию.

2)CAC – отвечает за доступ к физическому каналу.

Характеристика видов сообщений:

Служебные сообщения:

1) Широковещательные сообщения. Передаются БС всем терминалам сети, являются неадресными.

2) Сообщения, содержащие заявки на предоставление канала, существуют только в направлении Т-БС.

3) Сообщения вызова, формируемые БС (направление БС-Т).

Информационные сообщения:

К ним можно отнести все сообщения, передаваемые по каналу SDCCH как в направлении Downlink, так и в Uplink:

-        согласование параметров связи

-        информация о вызывающем абоненте

-        передача терминалом номера вызываемого абонента

К информационным можно отнести сообщения медленного совмещенного канала:

1) Передача БС терминалам информации об изменении уровня излучаемой мощности

2) Обмен данными радиоизмерений в обоих направлениях

Речевая информация в разрабатываемой сети является приоритетной. Т.к. речевой трафик является трафиком реального масштаба времени, то имеет смысл при генерации трафика направлять его сразу на физический уровень. За отдельным терминалом закрепляется выделенный канал, поэтому нет необходимости присваивать адрес получателя каждому пакету.

 

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.

В разрабатываемой сети сообщения L2 уровня могут быть 2-х видов: широковещательные и адресные. Широковещательное сообщение передается по каналу BCCH и предназначено для передачи сведений о БС всем терминалам, таких как идентификатор точки доступа, профиль настройки физического уровня, пакеты временной и частотной синхронизации, номер цикла передачи.

Адресными сообщениями будут являться сообщения трафика и управления. Сообщения трафика передаются в направлении от Т на БС и от БС к Т. В случае приема сообщений с ошибками БС или Т формирует запрос на повторную передачу (ARQ) каждого ошибочно принятого пакета, содержащие номера данных пакетов. В случае организации сквозного соединения ARQ не используется, т.к. голосовая связь является трафиком реального масштаба времени. И при организации голосовой связи не используются адреса, поскольку организуемый канал уже подразумевает адресность (канал назначается конкретному терминалу).

        В свою очередь, если говорить о сообщениях, передаваемых в условиях нереального масштаба времени (служебные и информационные) их целесообразно закрывать CRC кодом и как следствие уместно применять службу ARQ. В структуре пакетов L2 – уровня будет присутствовать 32-битное CRC поле для такого рода сообщений.

 

 

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.

Физические каналы в проектируемой системе образованы методом TDMA, то есть для передачи сообщений каждому терминалу отведен свой временной интервал – таймслот. В отведенной полосе частот предусмотрено наличие 12 физических каналов, один из которых выполняет функции канала управления. Рассмотрим подробнее структуру канального ресурса. Правило размещения сообщений логических каналов отражаются мультикадром. В состав мультикадра входят 8 кадров, его структура может быть различной в зависимости от направления передачи. Нечетные мультикадры передаются в направлении вниз, а четные в направлении вверх, тем самым обеспечивая дуплексный режим работы. Четные и нечетные мультикадры объединяются суперкадром.

    Возможен случай, когда несколько терминалов одновременно послали заявку на предоставление канала по RACH. Передаваемые блоки данных от разных терминалов в данном случае «смешиваются», накладываются друг на друга и возникают коллизии. Чтобы их избежать, применим в системе алгоритм множественного доступа к каналу RACH. В условиях нашей системы, когда по каналу RACH передаются очень короткие прерывистые заявки на предоставление индивидуальных каналов, целесообразнее всего использовать метод ALOHA, основанный на следующем сценарии. Пусть два терминала одновременно решили сделать заявку к БС и одновременно захватывают канал RACH , отправляя по нему заявку. После отправки заявок оба терминала следят за каналом AGCH и ждут подтверждения от БС принятия заявки. При этом, базовая станция не смогла правильно принять ни одну заявку из-за возникших коллизий и ничего не отвечает терминалам по каналу AGCH. Не получив положительного ответа, терминалы выжидают в течение случайного времени и снова пытаются сделать заявку. Если время ожидания терминалов оказывается разным, то коллизий в канале RACH не возникает, а следовательно БС реагирует на запросы каждого терминала положительным ответом и выделяет каждому терминалу запрашиваемый канал связи.

 

 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).

Типы логических каналов, используемых в проектируемой сети:

1) BCCH  – Канал передачи общей информации о сети. Служит для передачи широковещательной информации от БС к Т, а именно – ID БС и передачи параметров доступа к каналу RACH.

2) RACH – Канал случайного доступа. Служит для запросов терминалами индивидуального канала с целью регистрации или осуществления сеанса связи.

3) AGCH – Канал разрешенного доступа. Предназначен для передачи БС номера индивидуального канала. 

4) PCH – Канал вызова. Передача БС сигнала вызова.

5) SDCCH – Индивидуальный канал управления. Обмен информации, необходимой для осуществления сеанса связи (передача номера абонента, информация о вызывающем абоненте, согласование параметров связи).

6) SACCH – Медленный совмещенный КУ. Служит для обмена информацией о радиоизмерениях, а также для передачи команд БС, адресованных терминалам об изменении уровня мощности передаваемого сигнала.

7) TCH – канал трафика. Обмен голосовой информации в двух направлениях. 

 

Рисунок 1 Структура мультикадра для нулевого физического канала


Рис. 2 Структура мультикадра для i-ого физического канала

Сформируем полученные результаты в одной таблице. ( таблица 1).

Наименование

Назначение

Тип КС

Пропускная способность

Канал вызова (PCH)

Передача БС сигнала вызова

Вниз

800 бит/с

Канал трафика (TCH)

Обмен информации в двух направлениях

Вверх/Вниз

11*6.4 кбит/с

Канал разрешенного доступа (AGCH) 

Передача БС номера ИК

Вниз

800 бит/с

Канал случайного доступа (RACH)

Канал для запроса терминалами ИК

Вверх

3.2 кбит/с

Индивидуальный канал управления (SDCCH)

Обмен информацией для предоставления сеанса связи

Вверх/Вниз

1.6 кбит/с

Медленный совмещенный КУ (SACCH)

Информация о радиоизмерениях, команд от БС

Вверх/Вниз

1.6 кбит/с

BCCH 

Широковещательная трансляция информации о сети

Вниз

800 бит/с

Таблица 1. Сводная таблица ЛКС.

 

3.5. Пояснение назначения и размерности полей сообщений канального уровня.


Рисунок 3 Пакеты L2 уровня

·        На рисунке 1 представлены структуры пакетов сообщений L2 уровня. Пакет речевого трафика представлен только информационной частью т.к. речевой трафик является трафиком реального масштаба времени. Длительность одного пакета составляет 15 мс. При скорости передачи 6.4 кбит/с размер пакета составит 96 бит.

·        Структура сообщений SDCCH, SACCH, PCH, AGCH совпадает и включает в себя:

1)    Адрес источника

2)    Адрес получателя

3)    Информационная часть

4)    Поле CRC

 

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

В данной системе применяется метод TDMA, т.о. каждому терминалу отводится свой временной интервал – таймслот. Правила размещения сообщений логических каналов отражены мультикадром

В состав мультикадра входят 8 кадров, его структура может быть различной в зависимости от направления передачи. Нечетные мультикадры передаются в направлении вниз, а четные в направлении вверх, тем самым обеспечивая дуплексный режим работы. Четные и нечетные мультикадры объединяются суперкадром. Ниже рассмотрена структура, при которой осуществляется передача каналов управления, для их передачи полностью зарезервирован нулевой физический канал. Таким образом, нулевой физический канал в зависимости от номера кадра может нести в себе информацию: 1 – канала синхронизации, 2 – информацию канала BCCH, 3 – информацию AGCH и. т. д. В обратном направлении: 1, 2, 3, 4 о канале RACH; 5,6 – сообщения SDCCH и. т. д. 

 

                        

 

Рисунок 4 Временная диаграмма, отражающая использование физических ресурсов для сообщений L2 уровня.



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

Схема обмена сообщениями представлена на следующем рисунке. Данная схема иллюстрирует содержимое пункта 2.4 с учетов использования описанных ранее логических каналов.


Рисунок 5 Схема обмена сообщениями L2 уровня

Базовая станция передает широковещательное сообщение и обозначает себя. Далее терминалы посылают запрос на предоставление индивидуального канала по каналу  случайного доступа RACH, после назначения БС приступает к вызову второго терминала и вместе с тем предоставляет ему канал трафика. Терминал 2 сообщает о готовности к ведению связи. Сеанс связи запущен.

3.8. Разработка функциональной схемы L2 уровня.


Рисунок 6 Функциональная схема L2 уровня

На рисунке 4 изображена функциональная схема L2 уровня.

Стрелки символизируют взаимодействие входящих в данную схему блоков. Таким образом, она этапе сбора пакетов также заполняются поля адресов. Для этого в данной схеме предусмотрен блок адресации. Блок CRC при отправке прикрепляет к пакету расчет контрольной суммы, а при чтении проверяется целостность сообщения. Из всего перечисленного видно, что MAC подуровень в данной системе реализует адресную передачу сообщений, осуществляет проверку целостности сообщений, а также собирает и разбирает пакеты канального уровня. CAC подуровень в свою очередь отвечает за доступ к физическому каналу.


4. Разработка физического уровня (L1). Реализация необходимых уровню L2 физических ресурсов.

4.1. Расчет характеристик требуемых физических ресурсов (пропускная способность, качество доставки).

Оценим долю каналов в разрабатываемой системе.

На канал трафика отводится 91% пропускной способности, на ИКУ и медленный совмещенный КУ- приблизительно 2% на каждый, на канал случайного доступа примерно 4%, а на остальные меньше одного процента.

 

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.

Так как система функционирует в условиях передачи информации реального масштаба времени, необходимо четко синхронизировать терминалы по частоте и времени. В направлении downlink в нулевом кадре, нулевом физическом канале передается пакет синхронизации. Таким образом, при появлении терминала в зоне обслуживания ему необходимо принять единый пакет подстройки частоты и времени, транслируемый БС широковещательно, после его декодирования мобильной станцией и как следствие – синхронизации с сетью, уже в следующем кадре сможет принять широковещательное BCCH-сообщение и выполнять свои функции в сети.

Бороться с многолучевостью предполагается с помощью фильтра- эквалайзера (т.е. выравниванием характеристик канала на приемной стороне). Т.к. характеристика канала меняется со временем, фильтр должен приспосабливаться к этим изменениям. Для его работы в систему необходимо внедрить обучающую последовательность в пакете физического уровня.

Терминал контролирует качество сигнала от БС. От сети по каналу SACCH передается уровень сигнала Т. Терминал передает результаты измерений BCCH. После чего происходит оценка ОСШ. Затем данные передаются на L3 уровень и сеть передает Т информацию о возможных сбоях в работе, после чего БС увеличивает мощность излучения или выбирает другой профиль.

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

Кодек G.723.1 формирует речевой поток со скоростью 6.4 кбит/с. Примем скорость сверточного кодированияV=1/2, в связи с этим скорость увеличивается до значения 12,8 кбит/с. Прибавим к этому избыточность в 10%, вносимую полем настроечной последовательности фильтра-эквалайзера и полями вставочных битов ( «Хвостовые биты», защитный интервал). На выходе получим: 6.4 (кбит/с)*2+0,1*12,8 (кбит/с) ≈ 14 (кбит/с) в одном направлении для одного физического канала.

Расчитаем общую пропускную способность для всех 12 физических каналов: 14 (кбит/с)*12=168 (кбит/с) в одном направлении, следовательно в прямом и обратном: 168 (кбит/с)*2=336 (кбит/с). Для передачи сообщений канала управления или использования профиля №1 (модуляция QPSK) необходимая полоса частот составит не менее 336 кГц.

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

На основании таблицы распределения частот ГКРЧ (Постановление Правительства РФ от 21 декабря 2011 г. №1049-34 «Об утверждении Таблицы распределения полос радиочастот между радиослужбами Российской Федерации и признании утратившими силу некоторых постановлений Правительства Российской Федерации») выберем несущую частоту равной 2400 МГц (в диапазоне 2300 МГц-2450 МГц, отведенном для любительской и радиолокационной связи), при использовании первого профиля занимаемая полоса частот будет больше и составит от 2232 МГц до 2568 МГц. При QAM-16 модуляции она будет уже в два раза и составит от 2316 МГц до 2484 МГц.

Необходимо выбрать такую модель предсказания потерь, которая смогла бы учесть большое количество стен, наличие нескольких этажей и наличие большого количества препятствий на пути распространения сигнала. Таким образом, для расчета будет использован метод предсказания потерь ITU-R 1238.

Модель потерь имеет следующий вид:

Ltotal=20 log10 f + N log10 d + Lf(n) – 28, дБ

N - дистанционный коэффициент потерь мощности;

f - частота (МГц);

d - расстояние разнесения (м) между базовой станцией и переносным терминалом (где > 1 м);

Lf - коэффициент потерь за счет прохождения сигнала через пол (дБ);

– максимальное количество этажей между БС и терминалами .



Таблица 1. Коэффициенты потери мощности, N, используемые при расчете потерь передачи внутри помещения


Таблица 2. Коэффициенты при прохождении сигнала через пол, Lf (дБ), где n – число пройденных этажей, используемые при расчете потерь передачи внутри помещений


Радиотелефонная система будет функционировать в условиях производственных помещений в пределах 3 этажей.

Исходные данные:

N=22 – дистанционный коэффициент потерь мощности для промышленного здания;

f=2,4 ГГц – частота несущего колебания;

d=600 м – дальность связи (радиус зоны покрытия БС);

Lf=12 – коэффициент потерь за счет прохождения сигнала через пол (дБ);

n=3 – максимальное количество этажей между БС и терминалами;

Тогда потери:

Ltotal=20 log10 f + N log10 d + Lf(n) – 28 = 20*log10 (2400) + 20* log10(600) + 12 - 28 = 108,36 дБ

Таким образом, уровень потерь на границе зоны радиопокрытия базовой станции в условиях производственных помещений составляет 108,36 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.

Для определения отношения сигнал/шум, требуемого для обеспечения заданной вероятности битовой ошибки для модуляции QPSK (профиль №1 и сообщения КУ) и модуляции QAM-16 (профиль №2) без помехоустойчивого кодирования воспользуемся утилитой bertool, входящую в состав программ среды MATLAB. На рис. 5 изображен график зависимости PB от ОСШ для двух видов модуляции. 


Рисунок 7


Проанализировав полученный график можно сделать вывод, что указанная в задании к курсовой работе вероятность битовой ошибки PB=10-4 достигается при ОСШ: 1) для QPSK – 8,3 дБ; 2) для QAM-16 – 12,1 дБ.

Помехоустойчивое кодирование будет реализовано с помощью сверточного кода со скоростью ½, где каждому биту на входе соответствует 2 бита на выходе.

Декодирование сверточных кодов будет осуществляться по алгоритму Витерби, который пытается восстановить переданную последовательность согласно критерию максимального правдоподобия.

Для борьбы с групповыми ошибками в системе предусматривается использование сверточного алгоритма перемежения/деперемежения битов.

Вновь построим зависимость вероятности битовой ошибки от ОСШ, но уже с учетом помехоустойчивого кодирования


Рисунок 8


Как видно из рисунка, использование сверточного кодирования для заданного значения PB позволяет снизить значения ОСШ: 1) для QPSK – 5,8 дБ; 2) для QAM-16 – 9,1 дБ. Следовательно при использовании избыточного кодирования энергетический выигрыш составляет для QPSK – 2,5 дБ, для QAM-16 – 3 дБ.

Посчитанную требуемую полосу частот оставим без изменений:

1) Для QPSK Δf=336 кГц; 2) Для QAM-16  Δf=168 кГц

 

4.6. Расчет структуры полей пакетов L1 уровня.

Рассмотрим структуру пакета физического уровня с помощью которого будут передаваться сообщения всех логических каналов, рис. 1.


                                            Рис. 9 Структура L1 - пакета

Поля Fl. «Хвостовые биты», располагаются в начале и конце пакета, защищают информацию при сдвиге слота.

Поле DataПредставляет собой L2-сообщение соответствующего логического канала и вносимые сверточным кодером избыточные биты.

Поле настройки фильтра эквалайзера необходимо для оценки импульсной характеристики канала связи. В данном поле передается обучающая последовательность, необходимая на приемной стороне для настройки фильтра-эквалайзера. Она используется для борьбы с многолучевостью.

Поле сброса свёрточного кодера необходим при использовании блочного кода.

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:

Шумовая полоса приемника:

Δfш = 1,1* Δf = 1,1*336 = 369,6 кГц.

Мощность шума на выходе приемника:

Pш = k*T* Δfш = 1,23*10-23*295*369*103=1,33*10-15 Вт=-148,73 дБ. В данном выражении = 1,23*10-23 Дж/К – постоянная Больцмана; T=295 К – шумовая температура.

Аналоговое ОСШ (SNR) для QPSK:

Eb/N0= 5,8 дБ;

SNR = Eb/N0 + 10*lg (Δf/ Δfш) = 5,8 + 10*lg ((336*103)/(369,6*103)) = 5,38 дБ

Чувствительность приемника:

Pпрм = Pш + Nk SNR.

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

Pпрм = -148,73 + 3 + 5,38 = - 140,35 дБ

Расчитаем мощность излучения подвижной станции:

Pизл = Pпрм + Ltotal – Gt – Gr;

Ltotal = 112.72 дБ – cуммарные потери на трассе распространения сигнала;

Gt = 3 дБ – КНД передающей антенны;

Gr = 3 дБ – КНД приемной антенны;

Pизл = -140,35 + 108,36 – 3 – 3 = - 37,99 дБ = 158,85 мкВт

В результате было получено расчетное значение мощности, которое удовлетворяет указанному в задании к курсовой работе условию:

Pизл < 0.2 Вт.

Оценим область уверенного приема в 85% точек. Расчет зоны радиопокрытия осуществляется по следующей формуле:

 

Определим значения сигма и n. В связи с тем, что сеть функционирует в условиях многочисленных производственных помещений значение дисперсии по местоположению примем σ=9 и коэффициент потерь n=2.

По графику определим значение r50 – радиус зоны радиопокрытия при L=50%, r50= 0,66. 


Рисунок 10 Определение площади уверенного приема


Определим значение функции Лапласа по таблице:

PR=85%; W((100-85)/100) = W(0.08) = 0.2

Таким образом, зона радиопокрытия при PR=85%:

 

 

 

4.8. Разработка и описание функциональной схемы L1 уровня.


Рисунок 11 Функциональная схема физического уровня


На сверточный кодер с L2-уровня поступают пакеты канала управления (BCCH,PCHRACHAGCHSDCCHSAСCH), также на кодер поступают пакеты пользовательского трафика непосредственно с кодека. Правило очередности следования пакетов регламентируются структурой мультикадра, пришедшие пакеты подвергаются избыточному кодированию (V=1/2). Перед передачей пакетов по радиоканалу необходимо полностью сформировать пакет физического уровня, а именно: добавить битовые флаги, защитный интервал и поле настройки фильтра эквалайзера. В зависимости от помеховой обстановки в системе предусмотрено два профиля кодирования (QPSKQAM-16), команда о смене профиля исходит от соответствующей службы L3-уровня.

Отдельно стоит сказать о синхронизации, на L2 уровне предусмотрен общий канал синхронизации по частоте и времени. Пакет такого канала сразу поступает на блок сборки, подвергается модуляции и передается по радиоканалу. Отмечу, что такой пакет передается один раз в мультикадр и только в направлении БС-Т.

Для приема сигнала с минимальными ошибками в системе предусмотрено следующее: блок оценки ИХ вычисляет корреляцию принимаемого сигнала с обучающими последовательностями, полученная оценка подается на эквалайзер, где происходит компенсация искажений. Далее происходят обратные операции. 

Список используемой литературы:

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

2.http://omoled.ru/publications/view/1209

3.http://omoled.ru/publications/view/1207

4.http://omoled.ru/publications/view/1288

5.http://omoled.ru/publications/view/1314