Часть 3.

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 L2 уровне происходит добавление к блокам данных, полученным с L3 уровня, CRC. Это необходимо для обеспечения проверки целостности принимаемых сообщений. Так как в данной системе присутствуют служебные сообщения и сообщения трафика, на данном уровне происходит разделение сообщений по соответствующим службам.

 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.

Адресными сообщениями на L2 уровне являются сообщения трафика. Конечным адресатом этих сообщений всегда является командный узел. Для проверки правильности принятия данных осуществляется добавление CRC. Для того чтобы терминал знал о состоянии переданного сообщения в ответ должно поступить адресное служебное сообщение с соответствующим флагом. В случае если сообщение было принято с ошибкой, осуществляется повторная его передача. В противном случае данное сообщение удаляется из буфера.

Широковещательными сообщениями будут являться служебные сообщения, передаваемые с командного узла. Это сообщения с маршрутной картой и сообщения для оценки ОСШ. Первый тип сообщений передаётся в случае, если к сети был подключен или отключен терминал. Второй передаётся в каждом соответствующем временном окне.

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.

В разрабатываемой системе предполагается использование частотно-временного разделения каналов. Доступ к канальным ресурсам терминалами для передачи сообщений трафика осуществляется в одной полосе частот в строго определённые для каждого терминала интервалы. Для передачи служебных сообщений выделяется другая полоса частот. Ею пользуется командный узел, а также терминалы в заданные интервалы времени.

 

 

TCH T1

TCH T2

TCH T30

 

 

Рисунок 1. Структура кадров терминалов для передачи трафика.

SCH

FACCH T1

FACCH T2

FACCH T30

BCCH

 

Рисунок 2. Структура кадров для передачи служебных сообщений

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).

В разрабатываемой сети можно выделить следующие каналы:

Канал синхронизации (SCH) – необходим для точной установки интервалов для каждого терминала.

Канал трафика (TCH) – необходим для передачи данных.

Быстрый совмещённый канал (FACCH) – для передачи служебных сообщений.

Широковещательный канал (BCCH) – для оценки ОСШ и передачи маршрутной карты.

Канал

Направление

Пропускная способность

SCH

Обратное

1/32

TCH

Прямое

1/32

FACCH

Прямое и обратное

1/32

BCCH

Обратное

1/32

 

Каждому терминалу выделяется равный интервал времени в одном частотном канале. Для служебного трафика выделяется другой частотный канал и так же разбивается по времени, но имеет смещение по времени относительно трафика данных.

3.5. Пояснение назначения и размерности полей сообщений канального уровня.

Структура сообщений для всех каналов идентична (рисунок 3). В первом поле содержится идентификатор отправляющей стороны. Во втором – принимающей. Так как служебные сообщения (по каналам SCH, FACCH) могут не нести большого количества информации поле Data может составлять 43 бита. Но если потребуется передать маршрутную карту (по каналу BCCH), то поле будет увеличено до 299 бит. Так же такой размер поля будет и у сообщений трафика (канал TCH).

IDs (5 бит)

IDr (5 бит)

Data (43/299 бит)

CRC (16 бит)

Рисунок 3. Структура сообщений канального уровня.

Так как присутствуют поля IDs (идентификатор передающей стороны) и IDr (идентификатор принимающей стороны), то сообщение будет принято только нужным узлом сети. Так же в сообщениях будет содержаться контрольная сумма (поле CRC). Она необходима для проверки целостности принятого сообщения. Дополнительных полей для обозначения типов передаваемых сообщений не требуется, так как их обозначение содержится в поле Data, а также будет производиться разделение сообщений по физическим каналам.

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

Командный узел передаёт по каналу BCCH маршрутную карту, если есть новый терминал, то при её получении он будет передавать служебные сообщения с запросом о подключении к сети на все терминалы поочерёдно, пока не будет получено ответное сообщение хотя бы от одного соседнего терминала. Затем будет дожидаться новой маршрутной карты, в которую он будет включён. На рисунке 4 изображена временная диаграмма.


Рисунок 4. Временная диаграмма.

SCH соответствует передаче сигнала синхронизации, FACCH – передаче служебной информации от терминалов, BCCH – передаче маршрутной карты, TCH – передаче трафика.

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

Из режимов работы можно подробней остановиться на режиме передачи данных. Он заключается в том, что терминал собирает и сжимает данные, выполняет их фрагментирование, оповещение командного узла и передачу сообщений на него. По каналу FACCH происходит оповещение командного узла о начале/завершении разговора. Также по этому каналу терминал получает ответ от КУ. Это осуществляется в одном таймслоте в одном частотном канале. При передаче сообщений трафика, ответ будет получен в следующем таймслоте. Схема обмена сообщениями L2 уровня показана на рисунке 5. При окончании передачи происходит оповещение КУ по каналу FACCH.


Рисунок 5. Схема обмена сообщениями L2 уровня.

3.8. Разработка функциональной схемы L2 уровня.

В передающем тракте L2 уровня происходит добавление CRC, IDs и IDr.

Добавления дополнительных данных не требуется, так как они были добавлены ранее. Схема работы передающего тракта изображена на рисунке 6.


Рисунок 6. Схема передающего тракта.

Приёмный тракт работает следующим образом:

1)    Происходит проверка IDr. Если IDr соответствует нужному, то происходит переход к следующему этапу. Иначе происходит удаление сообщения.

2)    Происходит проверка CRC. В результате её формируется ответное сообщение. Если сообщение принято без ошибок, то оно передаётся на L3 уровень.

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

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

Скорость передачи данных разных типов, а также служебной информации одинакова и составляет 1 Мбит/с. При этом должна обеспечиваться доставка данных в полном объёме.

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.

Синхронизация производится с помощью отдельного канала. Он выставляет метку начала временного интервала. Все терминалы отсчитывают время до своего таймслота.

Для борьбы с многолучевостью будет использоваться фильтр-эквалайзер. Детерминированая последовательность для его настройки будет передаваться по каналу синхронизации.

В системе предполагается использование профиля 256-QAM. Это позволит передавать данные в 8 раз быстрее.

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

Исходя из скорости передачи данных можно рассчитать пропускную способность необходимую на L1-уровне. Она составляет 1,27 Мбит/с, так как скорость передачи данных (256 бит в пакете) - 1 Мбит/с., а количество передаваемых бит составляет 325.

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 от 1278 до 1282 МГц. Этот диапазон предназначен для

любительской службы. Центральная частота составит 1280 МГц.

По условию LLOS потери составляют 116,12 дБ.

Выберем модель, определяющую потери внутри здания.



d = 500 м        f = 1280 МГц     Lэт = 51     n = 3,2

L = 20*lg(f) + 10*n*lg(d) + Lэт = 62,14 + 86,37 + 9 = 157,51 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 условию исходных данных к проекту нужно обеспечить вероятность ошибки 10-6. С помощью среды MATLAB покажем зависимости вероятностей битовой ошибки от ОСШ без применения помехоустойчивого кодирования для выбранного типа модуляции. В применении помехоустойчивого кодирования нет необходимости. Зависимость битовой ошибки от ОСШ показана на рисунке 7 и составляет 24 дБ.


Рисунок 7. Зависимость битовой ошибки от ОСШ.

4.6. Расчет структуры полей пакетов L1 уровня.

Так как в разрабатываемой системе предусмотрен отдельный канал для синхронизации и все терминалы работают в свои интервалы времени, то дополнительной синхронизации не предполагается. Также не предполагается использование других профилей радиоинтерфейса. В пакете L1 уровня будет только одно поле Data (рисунок 8) равное длине пакета L2 уровня.

Data

Рисунок 8. Структура пакета 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.

Произведем оценку уровня мощности передачи для 256-QAM:

Скорость передачи в системе: R=1,27 Мбит/с;

Эффективная полоса: Δ=R/log2(M) = 0,15875 МГц

Шумовая полоса приемника: Δfш = 1,1* Δf = 0,174625 МГц.

Мощность шума на входе приемника:                                                

Pш = k*T* Δfш = 633,63*10-18 Вт=-152 дБ.        

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= 24 дБ;

SNR = Eb/N0 + 10*lg (Δf/ Δfш) = 23,6 дБ.

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

Pпрм = -152+ 5 + 23,6 = -123,4 дБ

Рассчитаем мощность излучения терминала:

Pизл = Pпрм + L – Gt – Gr;

L = 157,51 дБ – рассчитано в п.4.4

Gt = 20,68 дБ – КНД передающей антенны;

Gr = 20,68 дБ – КНД приемной антенны;

Pизл = -7,25 дБ = 0,188 Вт

В результате было получено расчетное значение мощности, которое удовлетворяет указанному в задании к курсовой работе условию: Pизл < 0,2 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 500 м.

Радиус зоны радиопокрытия рассчитывается по следующей формуле:

r95 = 10((W*σ)/(10^n))*r100,

где W – функция Лапласа, σ – дисперсия по местоположению, n – коэффициент потерь, r100 – радиус зоны радиопокрытия с вероятностью уверенного приема сигнала PR = 100%. 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.

r100 = r95/10((W*σ)/(10^n))=500/1,000028 ≈ 500 м

4.8. Разработка и описание функциональной схемы L1 уровня.

Как говорилось ранее на L1 уровне не требуется дополнительных данных.


Рисунок 9. Функциональная схема L1 уровня

На передающей стороне L1 уровня происходит фрагментация данных, перемежение бит и модуляция. В разрабатываемой системе этих процедур достаточно для подготовки к передаче. На приёмной стороне происходят обратные процедуры.

 Список используемой литературы

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

2. Антонов Д. В. - "Радиосеть управления подвижными объектами. Часть 3" http://omoled.ru/publications/view/1332

3. Карев А. - "Радиосистма пошагового управления подвижным объектом. Часть 4" http://omoled.ru/publications/view/1338