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

В пункте 3.5 курсовой работы были обозначены размерности логических каналов связи. Исходя из предложенных размерностей полей в сообщениях, рассчитаем необходимую пропускную способность для каждого канала. Необходимо напомнить, что на канал трафика отводится примерно 99,9% предполагаемой пропускной способности, тогда как на BCCH, SACCH и RACH – по 0,0025% предполагаемой пропускной способности. Размерность логических каналов: 53 бита на BCCH, 58 бит – на SACCH, 125 бит – на RACH, 225 бит – на TCH. Опираясь на формат TDMA-кадра системы стандарта GSM-900 и ее пропускных способностей по радиоканалу (например скорость передачи 270 кбит/с), примем для разрабатываемой системы в качестве гарантированной скорости передачи данных значение 64 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.

Так как разрабатываемая система не является стационарной, то необходимо применить меры для борьбы с многолучевостью. Можно использовать технологию мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM). Также для обеспечения синхронизации кадр L1 уровня будет содержать преамбулу длинной 96 бит. Для борьбы с помехами на физическом уровне разумно использовать сверточное кодирование, которое будет вносить необходимую избыточность в передаваемое сообщение для его безошибочного приема. В системе предполагается два профиля ее функционирования на физическом уровне: c модуляцией 8-PSK и BPSK. Процессом переключения между профилями занимается обозначенная ранее служба контроля радиосоединения на L3 уровне. Профиль BPSK будет использоваться при значительном уровне помех, а 8-PSK – при нормальном функционировании системы и ОСШ выше порогового уровня (при котором происходит переключение на другой профиль).

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

Как было заявлено в предыдущем пункте работы, для обеспечения необходимой избыточности будет использоваться сверточное кодирование. Скорость кодирования составит 1/2. Это означается, что одному входному биту будут соответствовать два выходных. Соответственно пропускная способность увеличится в два раза и будет составлять 128 кбит/с Для передачи сообщений в сети используется технология OFDM – на физическом уровне с помощью OFDM-символов. Таким образом, после преамбулы, которая будет обеспечивать синхронизацию, передается информация о текущем профиле физического уровня. После поля с информацией о профиле работы сети следуют OFDM-cимволы с пакетами канального уровня. Обобщенная структура пакета физического уровня изображена на рисунке ниже.


Рис. 1. Структура пакета L1 уровня.

Примем количество поднесущих равным 108. Число пилотных поднесущих примем равным 10 (10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100).

Для 8-PSK будет следующее распределение канального ресурса. После модуляции на каждый символ отводится три бита. Кол-во информационных поднесущих в данной сети – 98. Таким образом, один OFDM-cимвол в данном режиме работы будет представлен 294 битами. А для передачи пакета пользовательского трафика при сверточном полускоростном кодировании (размер инф. части = 225*3=675 бит) потребуется 3 OFDM-символа. При BPSK-модуляции на каждый символ после модуляции отводится один бит, тогда один OFDM-cимвол в этом режиме работы представляется 98 битами. Соответственно для передачи пакета пользовательского трафика понадобится 7 OFDM-cимволов.

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 при Минкомсвязи РФ от 21 декабря 2011 г. №1049-34 «Об утверждении Таблицы распределения полос радиочастот между радиослужбами Российской Федерации» выберем несущую частоту равной 431 МГц (диапазон 430-432 МГц отведен для любительской связи и радиолокации).

После консультации со старшим преподавателем кафедры ТОР РГРТУ, было принято решение взять за модель оценки уровня потерь статистическую модель One slope, которая описывает зависимость увеличения потери мощности сигнала с расстоянием, с усредненным учетом препятствий.


Где do = 1м (по условию модели),

d расстояние между передающей и приемной стороной ( с учетом заданного в исходных данных к проекту радиуса зоны обслуживания 70м, примем значение dза среднее расстояние на котором может находиться ПО от АР ~ 30м)

n коэффициент уменьшения мощности, зависящий от типа помещения, кол-ва препятствий и их материала. Для условий непрямой видимости оптимальным является значение 4 или 5. (Возьмем значение 4).

LFS – потери в свободном пространстве на расстоянии do.

Рассчитаем потери в свободном пространстве по формуле:


Где f – несущая частота (МГц), d расстояние между передающей и приемной стороной (км) (берем значение do по условию модели)

Тогда рассчитаем общие потери:


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 условию исходных данных к проекту нужно обеспечить вероятность ошибки 10^(-5). С помощью среды MATLAB покажем зависимости вероятностей битовой ошибки от ОСШ c применением помехоустойчивого кодирования и без него для выбранных типов модуляции – 8-PSK и BPSK. В качестве помехоустойчивого кодирования будем использовать сверточное кодирование 1/2.


Рис. 2а. Зависимость вероятности битовой ошибки от ОСШ для 8-PSK и BPSK модуляции.


Рис. 2б. Зависимость вероятности битовой ошибки от ОСШ для 8-PSK и BPSK модуляции (увеличенное изображение).


Рис. 3а. Зависимость вероятности битовой ошибки от ОСШ для 8-PSK и BPSK модуляции с использованием сверточного кодирования.


Рис. 3б. Зависимость вероятности битовой ошибки от ОСШ для 8-PSK и BPSK модуляции с использованием сверточного кодирования (увеличенное изображение).

Как видно из изображений использовние помехоустойчивого кодирования дает выигрыш в ОСШ.

При модуляции 8-PSK этот выигрыш составляет 3,3 дБ (12,9 дБ – без кодирования; 9,6 дБ – с кодированием), а при модуляции BPSK выигрыш в ОСШ составляет 2,9 дБ (9,6 дБ – без кодирования; 6,7 дБ – с кодированием).

 

4.6. Расчет структуры полей пакетов L1 уровня.

Вспомним изображение из пункта 4.3 и опишем расскажем подробнее о структуре полей пакетов L1 уровня.


Рис. 4 Структура полей пакетов L1 уровня.

Первый символ – преамбула, являющаяся синхропоследовательностью для частотной синхронизации. Далее следует символ, передающий сервисную информацию о профиле работы сети. Далее необходимо добавить добавочные биты для дополнения пакета для достижения его кратности, их можно назвать избыточностью. Далее идут OFDM-cимволы, передающие информационный поток. Как было рассчитано ранее, при профиле работы BPSK один OFDM-символ представлен 98 битами, тогда как в профиле 8-PSK один символ располагает 294 битами. Как и символ с профилем работы, данные OFDM-символы дополняются добавочными битами. Ранее в курсовой работе была выбрана скорость передачи данных 64 кбит/с. С учетом вносимой избыточности при полускоростном сверточном помехоустойчивом кодировании пропускная способность увеличивается в 2 раза – 128 кбит/с. С учетом необходимой скорости передачи длительность передачи одного фрагмента составит 0,7 мс.

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.

1. Произведем оценку уровня мощности передачи для 8-PSK и BPSK:

Скорость передачи в системе: 128 кбит/с или 64 кбит/с

Эффективная полоса: 

А) Для 8-PSK

Δf =R/log2(M) = 42,6 кГц + защитный интервал OFDM (примем 10%) = 46,9 кГц

Б) Для BPSK

Δf =R/log2(M) = 64 кГц + защитный интервал OFDM (примем 10%) = 70,4 кГц

 

Шумовая полоса приемника:

А) Для 8-PSK

Δfш = 1,1* Δf = 51,6 кГц

Б) Для BPSK

Δfш = 1,1* Δf = 77,44 кГц

Мощность шума на входе приемника:

А) Для 8-PSK

 Pш = k*T* Δfш = 5*10^(-16) Вт=-153дБВт

Б) Для BPSK

 Pш = k*T* Δfш = 1,68*10^(-15) Вт=-147,7дБВт    

В данном выражении k = 1,23*10^(-23) Дж/К – постоянная Больцмана; T=295 К – шумовая температура.

Чувствительность приемника:

Pпрм = Pш + Nk + SNR.

А) Для 8-PSK

Eb/N0= 9,6 дБ;

SNR = Eb/N0 + 10*lоg (Δf / Δfш) = 9,18 дБ

Б) Для BPSK

Eb/N0= 6,7 дБ;

SNR = Eb/N0 + 10*lоg (Δf / Δfш) = 6,28 дБ

Коэффициент шума первых каскадов приемника примем равным Nk = 2,

А) Для 8-PSK

Pпрм = -153+ 2 + 9,18 = - 141,82 дБ

Б) Для BPSK

Pпрм = -147,7+ 2 + 6,28 = - 139,42 дБ

Рассчитаем мощность излучения подвижной станции:

Pизл = Pпрм + L – Gt – Gr;

L = 84 дБ – рассчитано в п.4.4

Gt = 1,5 дБ – КНД передающей антенны;

Gr = 1,5 дБ – КНД приемной антенны;

А) Для 8-PSK

Pизл = - 141,82 + 84, -3 = -60,82 дБ = 0,000000827 Вт

Б) Для BPSK

Pизл = - 139,42 + 84, -3 = -58,42 дБ = 0,0000014 Вт

В результате были получены расчетные значения мощностей, которые удовлетворяет указанному в задании к курсовой работе условию: Pизл. < 0.05 Вт.

Произведем оценку мощности передатчика базовой станции для обеспечения уверенного приема сигнала с вероятностью PR = 95% на границе зоны радиопокрытия, радиус которой указан в исходных данных к проекту и равен 70 м.

Радиус зоны радиопокрытия рассчитывается по следующей формуле:

r95 = 10^((W*σ)/(10^n))*r50,

где W – функция Лапласа, σ – дисперсия по местоположению, n – коэффициент потерь, r50 – радиус зоны радиопокрытия с вероятностью уверенного приема сигнала PR = 50%. Так как анализируемая система будет функционировать в помещении, примем σ = 6 и n = 4.

Значение функции Лапласа определяется по таблице значений функций Лапласа. В данном случае W((100 – PR)/100) = W(0,05) = 0,0199 согласно таблице значений функций Лапласа.

Радиус зоны радиопокрытия при PR = 50% согласно формуле:

r50 = 70/10^((-0,0199*6)/(10^4)) = 70,001 м.

r95 = 10^((-0,0199*6)/(10^4))*70,001 = 69,999 м.

4.8. Разработка и описание функциональной схемы L1 уровня.

Приведем графическое изображение и опишем функциональную схему L1.


Рис. 5 Функциональная схема L1 уровня.

На стороне передатчика данные с уровня выше поступают на фрагментацию, после которой осуществляется сверточное кодирование со скоростью 1/2 для помехоустойчивости. Далее происходит перемежение битов и модуляция потока битов по выбранному профилю – BPSK или 8-PSK. Затем на модуляторе OFDM происходит формирование OFDM-символов, к которым добавляется преамбула с целью синхронизации.  Полученная последовательность передается по радиоканалу к приемной стороне. Здесь происходят уже обратные передающей стороне операции.

 

Список используемых источников:

1. Cтруктура TDMA кадров и формирование сигналов в стандарте GSM

http://kunegin.com/ref/gsm/1_6.htm

2. МОДЕЛИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОСИГНАЛА WI-FI C.C. Старцев НГАСУ (Сибстрин)

http://conf.nsc.ru/files/conferences/MIT-2013/fulltext/146127/151267/Startsev.pdf

3. Трубников В. Радиосеть сбора данных. Часть 2 - физический уровень (Переисправленная)

http://omoled.ru/publications/view/1057

4. Дмитриев Е. Радиотелефонная сеть связи. Часть 2. Канальный уровень.

http://omoled.ru/publications/view/1033

5. Волков И. Низкоскоростная сеть передачи данных. Часть 1. Переисправленная

http://omoled.ru/publications/view/881

6. Дворянков Д. Информационная радиосеть (часть 4)

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

7. Тверитнева И. Голосовая радиопочта (часть3)

http://omoled.ru/publications/view/1323

8. Антонов Д. Радиосеть управления подвижными объектами» Часть 3. Исправленная

http://omoled.ru/publications/view/1332

9. Карев А. Радиосистема пошагового управления подвижным объектом. (Часть 1)(исправленная)

http://omoled.ru/publications/view/1317

10. Карев А. Радиосистема пошагового управления подвижным объектом. Часть 2. Исправленная

http://omoled.ru/publications/view/1328

11. Карев А. Радиосистема пошагового управления подвижным объектом. Часть 3.

 http://omoled.ru/publications/view/1335