Рисунок 1. Структура L2 уровня

3.3. Характеристика информационного трафика, поступающего на L2 уровень, виды сигнальных сообщений плоскости управления. Обоснованный анализ необходимых логических каналов (ЛКС), оценка пропускной способности ЛКС в обоих направлениях.

В данной радиосети к информационному трафику, поступающему на L2 уровень, относятся данные телеметрии, GPS и команды управления. Служебные (сигнальные) сообщения включают в себя сообщения, предназначенные L3 уровню, таких сообщений два типа, а именно, сообщения для службы установления соединения и сообщение для службы ARQ, более подробно об этом говорилось ранее.

Рассмотрим четыре логических канала, которые были введены ранее в данной части работы:

Широковещательный канал (BCCH) - предназначен для вещания широковещательного сигнала, с помощью которого УУ обозначает свое присутствие в пределах её зоны обслуживания (именно этот канал пытается обнаружить ПО). То есть будут передаваться сведенья об УУ.

Канал получения доступа (RACH) - предназначен для передачи запроса на регистрацию, в нашей радиосети запрос на регистрацию будет отправлять ПО.

Канал разрешенного доступа (AGCH) – предназначен для передачи ответа от УУ на запрос на регистрацию от ПО.

Канал трафика (TCH) - служит для передачи данных от УУ к ПО и наоборот от ПО к УУ.

Так как основная часть всех сообщений, передаваемых между УУ и ПО, - это сообщения трафика, то есть передача данных телеметрии и GPS, а также команды управления, то на канал трафика будет отводиться 98% пропускной способности. Под широковещательный канал будет отводиться большая часть пропускной способность, по сравнению с каналом полученного доступа и каналом разрешенного доступа, так как широковещательные сообщения должны передаваться постоянно с некоторым интервалом времени, а запрос на регистрацию будет отправлен лишь раз и ответ на запрос тоже будет отправлен единожды. Таким образом, для широковещательного канала будет отводиться 1% пропускной способности, для канала полученного доступа 0.5% пропускной способности и для канала разрешенного доступа тоже будет отводиться  0.5% пропускной способности.

На основании выше сказанного изобразим таблицу логических каналов связи с их пропускной способностью (Таблица 1).

3.4. 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. Назначение ЛКС к типам сообщений L2 уровня (результаты п.3.2,3.3 свести в таблицу).

Широковещательные сообщения передаются по каналу BCCH в прямом направлении (от УУ к ПО) и содержат информацию о УУ (подробно про BCCH говорилось ранее). ПО при обнаружении широковещательного сообщения, отправит сообщение о запросе на организацию соединения (регистрацию) по каналу RACH. Сообщение о запросе на регистрацию, является адресным и будет требовать обязательного ответа от УУ. Таким образом, УУ, получив запрос на регистрацию от ПО, отправит ответное сообщение по каналу AGCH, содержащие информацию о подтверждении или отказе в регистрации. Такое сообщение тоже будет являться адресным, но обязательного ответа не требует. В случае подтверждения в регистрации, будет установлено соединение между УУ и ПО, а так как в данной радиосети предполагается наличие всего двух сетевых объектов (УУ и ПО), то дальнейшие передаваемые по каналу TCH сообщения трафика и служебные не будут являться адресными, но будут требовать обязательного ответа.

Таким образом, широковещательное сообщение всегда вещается гарантированно и не требует ответа. В свою же очередь сообщение запроса на организацию соединения, сообщение трафика и служебное сообщение для гарантированной доставки сообщения требуют обязательный ответ от принимающего терминала, то есть если такого ответа не последует в течение определенного промежутка времени, то будет осуществлена повторная передача сообщения. Также может существовать ситуация приема сообщения с ошибками, поэтому нам потребуется повторная передача этого сообщения (ARQ), данное событие более подробно будет рассмотрено в пункте 3.8. 

3.5. 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. Формирование правила распределения физических ресурсов между ЛКС (п.3.4).

Алгоритм доступа к канальным (физическим) ресурсам в данной радиосети будет предполагать, в соответствии с ТЗ, использование OFDM. В нашей радиосети физический ресурс можно интерпретировать аналогично TDMA. То есть алгоритм доступа к канальному ресурсу будет основан на кадровой структуре и  для каждого логического канала будет выделен определенный тайм-слот в кадре. Таким образом, в каждый момент времени только одна служба L2 уровня будет использовать логический канал, что предотвратит возникновение коллизий.  

         В нашей кадровой структуре предполагается использование мультикадра, состоящего из кадров, которые в свою очередь состоят из тайм-слотов. А так как в данной радиосети предполагается передача ассиметричного трафика, то есть в направлении УУ – ПО будут передаваться команды управления, а в направлении ПО – УУ будут передаваться данные телеметрии, GPS и видеопоток в реальном масштабе времени. Поэтому размерность мультикадра в направлении УУ-ПО будет отличаться от размерности мультикадра направления ПО-УУ.

         Таким образом, в направлении УУ – ПО будет передаваться мультикадр состоящий из 11 (0-10) кадров, которые будут состоять из 12 (0-11) тайм-слотов. Причем последний кадр (10) не содержит передаваемых данных и используется для радиоизмерений. Нулевой тайм-слот будет выделяться под BCCH, первый под AGCH, а  остальные десять (со второго по одиннадцатый) под сообщения трафика (TCH). На основании выше сказанного изобразим структуру мультикадра в направлении УУ – ПО (Рисунок 2).

Рисунок 2. Структура мультикадра в направлении УУ – ПО.

Рассмотрим структуру мультикадра в направлении ПО – УУ. Мультикадр в направлении ПО-УУ будет состоять из 51 кадра (0-50), которые будут состоять из 12 (0-11) тайм-слотов. При этом первые 10 (0-9) кадров будут отводиться для сообщений L2 уровня, а 40 кадров будут резервироваться под L1 уровень, так как через L1 уровень передается видеопоток, минуя L2 уровень. Таким образом, кадры с 10 по 49 будут заполняться на L1 уровне, а последний кадр (50) предназначен для радиоизмерений. Нулевой тайм-слот будет выделяться под RACH, а остальные двенадцать (с первого по одиннадцатый) под сообщения трафика (TCH). На основании выше сказанного изобразим структуру мультикадра в направлении ПО – УУ (Рисунок 3).

Рисунок 3. Структура мультикадра в направлении ПО – УУ.

Размеры передаваемых сообщений будут иметь 128 бит, более подробно об этом будет говориться в пункте 3.8. Ранее было сказано, что  алгоритм доступа к канальным (физическим) ресурсам в данной радиосети предполагает использование OFDM, таким образом, OFDM символу будет соответствовать один кадр, более подробно про технологию OFDM будет говориться в четвертой части работы. На основании всего выше сказанного в данном пункте изобразим структуру OFDM символа в направлении УУ-ПО (Рисунок 4) и направлении ПО-УУ (Рисунок 5).

Рисунок 4. Кадр OFDM символа в направлении УУ-ПО.

Рисунок 5. Кадр OFDM символа в направлении ПО-УУ.

3.6. Построение временной диаграммы, отражающей использование физических ресурсов для L2 соединений (логических каналов).

Рассмотрим использование физических ресурсов для L2 соединений. По каналу BCCH УУ будет вещать широковещательное сообщение, при обнаружении ПО «необходимого» широковещательного сообщения по каналу RACH будет отправлен запрос на регистрацию. УУ, получив запрос на регистрацию, отправит по каналу AGCH сообщение, содержащие ответ на запрос на регистрацию. После чего по каналу TCH начнется обмен сообщениями трафика. На основании выше сказанного построим временную диаграмму, отражающую использование физических ресурсов для L2 логических каналов (Рисунок 6).

Рисунок 6. Временная диаграмма, отражающая использование физических ресурсов для L2 соединений.

3.7. Пояснение назначения и размерности полей пакетов канального уровня (п.3.4,3.5). Согласование транспортных возможностей пакетов и информационной емкости сообщений.

Ранее было отмечено, что объем передаваемых пакетов будет составлять 128 бит, в данном пункте рассмотрим более подробно размерности полей канального уровня.

Первым будем рассматривать структуру сообщения BCCH. Данное сообщения является не адресным, поэтому поля адреса в данном сообщении не будет. Так как обнаружение данного сообщения является основанием для установления соединения, то есть УУ и ПО будут заранее понимать, что данное сообщение является служебным. Таким образом необходимость в однобитовом флаге P отпадает. Для проверки целостности сообщения будет необходимо поле CRC, занимаемое 16 бит. Также будет еще одно поле, самое главное – информационное поле. Информационное поле будет занимать оставшиеся 112 бит, но для сообщения BCCH данный объём является большим, который он полностью не будет занимать. Поэтому в информационном поле предполагается использования некоторого флага S, то есть до флага S будет содержаться информационная часть сообщения, а после будет осуществляться заполнение нулевыми битами. Таким образом, сообщение BCCH имеет следующий вид (Рисунок 7).

Рисунок 7. Структура сообщения BCCH.

Рассмотрим структуру сообщения RACH и AGCH. Сообщение RACH и AGCH будут содержать поле адреса отправителя (SA - sender address) и поле адреса получателя (RA - recipient address), так как соединение между УУ и ПО еще не установлено, то нам необходимо будет осуществить подключение именно между нашими сетевыми объектами. То есть если осуществлять передачу данных сообщений без указания адреса, то можно осуществить подключение к такому же УУ (в случае отправки без адреса сообщения RACH) или ПО(в случае отправки без адреса сообщения AGCH)  находящемуся в зоне действия. Поле адреса отправителя и поле адреса получателя будет занимать по 4 бита. Процесс установки соединения подразумевает обмен служебными сообщениями, поэтому ПО и УУ будут заранее знать, что сообщения тип RACH и AGCH являются служебными, поэтому нет необходимости в однобитовом флаге P. Для проверки целостности сообщения будет необходимо поле CRC, занимаемое 16 бит. Также будет еще одно поле, самое главное – информационное поле. Информационное поле будет занимать оставшиеся 104 бита, но для сообщений RACH и AGCH данный объём является большим, который они полностью не будет занимать. Поэтому в информационном поле предполагается использования некоторого флага S, то есть до флага S будет содержаться информационная часть сообщения, а после будет осуществляться заполнение нулевыми битами.. Исходя из выше сказанного сообщения RACH и  AGCH имеют следующий вид (Рисунок 8).

Рисунок 8. Структура сообщений RACH и  AGCH.

Рассмотрим структуру сообщения TCH. Данное сообщение будет содержать в себе однобитовые флаг P, который будет использоваться для определения типа сообщения, а именно, является ли данной сообщение информационным или служебным. Также будет содержать поле номера сообщения NP размерностью 6 бит и поле CRC размерностью 16 бит. Оставшиеся 105 бит будет занимать информационное поле. При этом передаваемая информационная часть может занимать не все информационное поле, в таком случае как было сказано ранее в информационном поле будет флаг S. Таким образом, сообщение TCH имеет следующий вид (Рисунок 9) в случае когда информационная часть занимает все поле и (Рисунок 10) когда есть нулевые биты.

Рисунок 9. Структура сообщения TCH когда только информационная часть .

Рисунок 10. Структура сообщения TCH когда есть нулевые биты.

3.8. Проработать сценарий гарантированной доставки сообщений одного из ключевых ЛКС в виде повторной передачи неверно принятого сообщения (ARQ).

Рассмотрим более подробно работу службы ARQ. При приеме сообщения службой ARQ будет осуществлена проверка кадра, входящего в структуру OFDM символа, структура которого показана в пункте 3.6. То есть будет проверено пришло ли сообщение с ошибкой. В случае нахождения ошибки, произойдет фиксация номера данного сообщения. Далее службой ARQ также будут проверяться сообщения и фиксироваться номера ошибочных сообщений. При накоплении 4 ошибочных сообщений, службой ARQ будет сформировано сообщение с просьбой о повторной передачи ошибочных сообщений и передано на передающее устройство, если передача идет с УУ, то данное сообщение поступит на УУ, если с ПО, то такое сообщение поступит на ПО. Тогда ПО, получив сообщение с просьбой о повторной передачи ошибочно принятых сообщений, вновь передаст данные сообщения. УУ, получив сообщения, которые ранее были переданы с ошибкой, вновь с помощью службы ARQ осуществит их проверку на ошибки. Таким образом, благодаря службе ARQ в данной радиосети осуществляется гарантированная доставка сообщений.

3.9. Разработка функциональной схемы L2 уровня.

Рассмотрим сначала функциональную схему L2 уровня передающего тракта. Будут поступать сообщения с приложения или с службы управления, содержащие команды управления, данные телеметрии или GPS, либо будут поступать сообщения с L3 уровня, который является подуровнем L2 уровня. Первое, что будет происходить с данными сообщениями это сборка L2 сообщения, которая будет в себя включать добавление необходимых полей к данному сообщению. После чего будет рассчитываться контрольная сумма CRC и добавлена к данному сообщению. Затем сообщение L2 уровня поступит на физический уровень. Видеопоток будет сразу поступать на физический уровень. Таким образом, функциональная схема передающего тракта L2 уровня примет следующий вид (Рисунок 11). 

Рисунок 11. Функциональная схема передающего тракта L2 уровня.

Рассмотрим функциональную схему L2 уровня принимающего тракта. Видеопоток будет сразу поступать в приложение. У остальных же сообщений сперва будет осуществляться проверка целостности, то есть проверка CRC. Далее будет разборка сообщений L2 уровня, после чего данные сообщение отправятся либо на L3 уровень, либо на приложение или службу управления. Таким образом, функциональная схема принимающего тракта L2 уровня примет следующий вид (Рисунок 12).

Рисунок 12. Функциональная схема принимающего тракта L2 уровня.

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

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

Ранее в пункте 3.3 было произведено разделение пропускной способности между логическими каналами в процентном соотношении, опираясь на эти данные, получим пропускную способность выраженную в кбит/с. В первой части работы было сказано, что для передачи команд управления, данных телеметрии и GPS потребуется 96 кбит/с, то есть гарантируемая скорость передачи данных составляет 96 кбит/с. В пункте 3.3 было сказано, что пропускная способность канала BCCH составляет 1%. То есть пропускная способность канала BCCH составляет 0.96 кбит/с. Также в пункте 3.3 говорилось о том, что пропускная способность канала RACH составляет 0.5% и канала AGCH тоже составляет 0.5%. Таким образом, их пропускная способность 0.48 кбит/с для каждого. Оставшиеся 94.08 кбит/с будут использоваться каналом трафика. При этом в нашей радиосети еще передается видеопоток через физический уровень. Как было сказано ранее в первой и второй части работы, видеопоток передается со скоростью 9 Мбит/с и со скоростью 4 Мбит/с, при этом передача осуществляется через L1 уровень минуя L2 уровень. Таким образом, пропускная способность составит 4 Мбит/с и 94.08 кбит/с   (суммарно = 4.09408 Мбит/с)  при работе профиля 0 и соответственно 9 Мбит/с и 94.08 кбит/с (суммарно = 9.09408 Мбит/с) при работе профиля 1, подробнее о профилях 0 и 1 будет сказано в последующих пунктах.

4.2. Обоснованный выбор частотного диапазона (на основании документов ГКРЧ); аргументированный выбор модели оценки потерь распространения радиоволн, 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 1270 до 1290 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 по формуле:

L= L_город -2 (lg(f / 28))² - 5,4 

Здесь L_город  характеризует потери в условиях плотной городской застройки формула:

L_город = 69,55 +26,16 lg(f)-13,82 lg(h_БС)-α(h_AC)+(44,9 – 6,55 lg(h_БС))*lg (R) 

В данной формуле:

f  = 1280 МГц – несущая частота;

R = 800 м = 0,8 км – дальность связи, то есть радиус зоны обслуживания (в соответствии с ТЗ).

h_БС = высота подъема антенны ПО, которая будет равняться 1,5 м.

h_AC = 0,5 м – типовая высота антенны УУ;

α(h_AC) – поправочный коэффициент, учитывающий высоту антенны абонентской станции в зависимости от местности. 

Рассчитаем поправочный коэффициент по формуле:

α (h_AС) = 3,2lg(11,75* h_AC)² – 4,97            

α (h_AС) = 3,2(lg(11,75*0,5))² – 4,97 = - 3,08 

Рассчитаем потери:

L_город =69,55 + 26,16 lg(1280) – 13,82 lg(1,5) + 3,08 + (44,9 – 6,55 lg(1,5)) *lg (0,8) =147 (дБ)

Теперь  рассчитаем потери для сельской местности:

L=147-2 (lg(f / 28))^2 - 5,4= 136 (дБ)

Таким образом, уровень потерь на границе зоны радиопокрытия в условиях сельской местности в выбранном частотном диапазоне от 1270 до 1290 МГц составляет

4.3. 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 (п.2.5). Оценка требуемой избыточности, вносимой указанными факторами.

В ТЗ сказано, что проектируемая радиосеть будет использоваться в пригороде или сельской местности, то есть присутствует риск многолучевости. Таким образом, в качестве борьбы с многолучевыми распространениями радиоволн целесообразно использовать технологии OFDM, о которой говорилось уже ранее. Технология OFDM позволяет распределять поток передаваемых данных по множеству частотных ортогональных каналов (Рисунок 13). 

Рисунок 13. Частотные ортогональные каналы.

Применение данной технологии позволит избежать использования в реализуемой системе сложных и дорогостоящих адаптивных фильтров-эквалайзеров, недостатком которых является 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.

         Временная синхронизация шкалы времени УУ и ПО будет осуществляться при передаче каждого пакета физического уровня. Каждый блок OFDM символов будет дополняется преамбулой, с помощью которой осуществляется частотная и временная синхронизация.

         В канале связи могут возникнуть помехи, поэтому для борьбы с помехами необходимо реализовать помехоустойчивое кодирование. В данной работе  предположим использование сверточного кодирования, вносящего необходимую избыточность в передаваемое сообщение, для обеспечения его безошибочного приема. Избыточность будет определяться скоростью кодирования, то есть отношением числа бит, поступивших на вход кодера, к числе бит, получаемых для данной входной последовательности на выходе кодера.  

         Как было замечено ранее в пункте 2.5 у нас будет несколько профилей работы, то есть в данной работе будут реализованы следующие два профиля работы физического уровня: QPSK (профиль 0) и QAM-16 (профиль 1). Модуляция QPSK обладает более низкой скоростью и меньшей вероятностью ошибки, а QAM-16, соответственно, более высокой скоростью, но и большей вероятностью ошибки. Рассмотрим же подробнее смену профилей работы, которая будет основываться на измерении ОСШ. То есть, будет задано какое-то пороговое значение ОСШ и при его превышении будет осуществлен переход на QAM-16, а если измеряемое ОСШ равно пороговому значению или ниже порогового значения, то будет использоваться QPSK.

4.4. Оценка пропускной способности физического канала с учетом избыточности, вносимой на L1 уровне.

Как было сказано ранее будет использоваться сверточное кодирование, вносящее необходимую избыточность в передаваемое сообщение.  Сверточное кодирование будет использоваться со скоростью 1/2 количество бит – полускоростное сверточное кодирование. Таким образом, с учетом вносимой избыточности при полускоростном сверточном помехоустойчивом кодировании пропускная способность увеличивается в 2 раза. Для профиля 0 составит 8.18816 Мбит/с, а для профиля 1 составит 18.18816 Мбит/с.

Для QAM-16 модуляции одна поднесущая OFDM будет переносить 4 бита информации. Таким образом, для обеспечения работы потребуется 384 поднесущих. Также необходимо добавить пилот-сигналы и защитные интервалы. Для них потребуется 128 поднесущих, чтобы суммарное число было кратно 2. Исходя из выше сказанного, один OFDM символ будет состоять из 512 поднесущих. При использовании полускоростного кодирования потребуется 2 OFDM символа для передачи 1 пакета данных.

         Для QPSK одна поднесущая будет переносить 2 бита. То есть для передачи одного пакета при модуляции QPSK нам потребуется 4 OFDM символа.

На основании выше сказанного структура OFDM символа будет включать в себя защитные интервалы (GI), 12 информационных полей (D) и из 11 пилот-сигналов (PS) (Рисунок 14).

Рисунок 14. Структура OFDM символа.

4.5. Расчет отношения сигнал/шум, требуемого для обеспечения необходимого качества приема без помехоустойчивого кодирования. Обоснованный выбор метода и скорости помехоустойчивого кодирования, расчет эффективности кодирования, пояснение влияния выбора на структуру пакета L1 уровня. 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. Для определения ОСШ, требуемого для обеспечения заданной вероятности ошибки, иcпользуем инструмент bertool, входящий в состав Matlab. 

Рисунок 15. Зависимость вероятностей битовой ошибки от ОСШ для QPSK и QAM-16 без помехоустойчивого кодирования.

Были построены зависимости вероятностей битовой ошибки от ОСШ для QPSK и QAM-16 без помехоустойчивого кодирования (Рисунок 15). По данному рисунку можно сделать вывод о том, что при модуляции QPSK заданная вероятность битовой ошибки обеспечивается при 11.3 дБ, а при модуляции QAM-16 при 15.2 дБ.

Как уже было сказано в 4.3 помехоустойчивое кодирование будет реализовано с помощью сверточного кода со скоростью 1/2, 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.

Построим зависимости вероятностей битовой ошибки от ОСШ для QPSK и QAM-16 уже с помехоустойчивым кодированием (Рисунок 16).

Рисунок 16. Зависимость вероятностей битовой ошибки от ОСШ для QPSK и QAM-16 с помехоустойчивым кодированием.

По данному рисунку можно сделать вывод о том, что при модуляции QPSK заданная вероятность битовой ошибки обеспечивается при 7.8 дБ, а при модуляции QAM-16 при 11.4 дБ.

Таким образом, выигрыш при использовании помехойстойчивого кодирования при модуляции QPSK составляет 3.5 дБ, а при использовании модуляции QAM-16 составляет 3.8 дБ. Для наглядности построим четыре графика в одной плоскости (Рисунок 17), а полученные значения для наглядности занесем в таблицу (Таблица 2). 

Рисунок 17. Зависимость вероятностей битовой ошибки от ОСШ для QPSK и QAM-16 с помехоустойчивым кодированием и без помехоустойчивого кодирования.

Полосу частот, которая была определена в пункте 4.2 оставим без изменений.

4.6. Определение структуры и расчет размерности полей пакетов L1 уровня.

Рассмотрим структуру и размерности полей пакетов L1 уровня. Как было сказано ранее в пункте 4.3 каждый блок OFDM символов будет дополняться преамбулой, для передачи которой потребуется 10 OFDM символов. Данная преамбула будет осуществлять частотную и временную синхронизацию. Так же нам понадобится некое поле, которое будет содержать информацию о профиле работы, для такого поля будет достаточно одного OFDM символа. Далее будет поле передачи потока данных, то есть будут передаваться OFDM символы.  OFDM символ в своем составе будет содержать информационное поле (Data), которое в связи с использованием сверточного кодирования будет иметь размерность 2048 - 4096 бит. Также будет содержаться поле добавления дополнительных нулевых битов, необходимое для приведения размера пакета к числу, кратному 2. Такое поле будет называться – биты заполнения. Таким образом, на основании выше сказанного изобразим структуру сообщения L1 уровня (Рисунок 18).

Рисунок 18. Структура сообщения 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 расчет для работы профиля 0 (QPSK модуляция).

Эффективная полоса: Δf =R/log₂(M) = 4.21 МГц + защитный интервал OFDM(примем 10%) = 4.63 МГц

  Произведем расчет шумовой полосы приемника:

Δf_ш = 1,1* Δf = 5.1 МГц.

Мощность шума на входе приемника:                                                 

P_ш = k*T* Δf_ш = 1850.54*10^-17 Вт=-127.33 дБВт.            

Где k = 1,23*10^-23 Дж/К – постоянная Больцмана;  T=295 К – шумовая температура.

Чувствительность приемника:

P_прм = P_ш + N_к + SNR.

Eb/N0= 7.8 дБ;

SNR =  E_b/N₀+10*lоg(Δf/Δf_ш)= 10.97 дБ ( с учетом запаса в 4дБ)

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

P_прм = P_ш + N_k + SNR  = -127.33+ 3 + 10.97 = - 113.36 дБ

Рассчитаем мощность излучения подвижного объекта:

P_изл = P_прм + L – G_t – G_r;

L = 136 дБ – рассчитано в п.4.2

Gt = 1.5 дБ – КНД передающей антенны;

Gr = 1.5 дБ – КНД приемной антенны;

P_изл = - 113.36 + 136 -3  = 19.64 дБ = 0.092 Вт

В результате было получено расчетное значение мощности, которое удовлетворяет указанному в задании к курсовой работе условию: Pизл < 0.3 Вт.

Произведем оценку уровня мощности передачи для QAM-16:

Эффективная полоса: Δf =R/log2(M) = 4.552 МГц + защитный интервал OFDM(примем 10%) = 5.01 МГц

Шумовая полоса приемника: 

Δf_ш = 1,1* Δf = 5.511 МГц.

Мощность шума на входе приемника: 

 P_ш = k*T* Δf_ш = 1999.66*10^-17 Вт = -127 дБ.            

Чувствительность приемника:

P_прм = P_ш + Nk + SNR.

Eb/N0= 11.4 дБ;

SNR = Eb/N0 + 10*lg (Δf/Δf_ш) = 14.98 дБ (с учетом запаса в 4дБ)

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

P_прм = -127 + 3 + 14.98 = - 109.02 дБ

Рассчитаем мощность излучения подвижного объекта:

P_изл = P_прм + L – Gt – Gr;

L = 136 дБ

Gt = 1.5 дБ – КНД передающей антенны;

Gr = 1.5 дБ – КНД приемной антенны;

P_изл = - 109.02 + 136 -3 = 23,98 дБ = 0.25 Вт.

В результате было получено расчетное значение мощности, которое удовлетворяет указанному в задании к курсовой работе условию: P_изл < 0.3 Вт.

Произведем оценку мощности, для обеспечения уверенного приема сигнала с вероятностью PR = 70% на границе зоны радиопокрытия, радиус которой указан в ТЗ и равен 800 м. Согласно ТЗ можно взять при PR = 50%,    r₅₀ = 800м.

Рассчитаем вероятность выполнения условий уверенного приема:

x₇₀=70/100=0.7

По таблице функций Лапласа вычислим аргумент при котором:

x₇₀ - 0.5=F(-W)

F(-W₇₀)=x₇₀-0.5=0.2 

W₇₀= -0.52

Так как анализируемая система будет функционировать в условиях пригорода или сельской местности, примем σ = 7 и n = 3

Определим радиус зоны радиопокрытия (PR=70%):

r₇₀=10^((W₇₅*σ)/(10*n))*r₅₀

r₇₀=10^((-0.52*7)/(10*3))*0.8= 605 м

4.8. Разработка и описание функциональной схемы L1 уровня.

Резюмируя о том, что было сказано в предыдущих пунктах, можно разработать функциональную схему. Рассмотрим сначала передающий тракт. Сперва сообщение будет подвергаться сверточному кодированию со скоростью 1/2.  Далее будет осуществлять перемежение, которое предназначено для борьбы с замираниями и как следствием возникновением пакетов ошибок. После чего будет выполнена соответствующая модуляция QPSK или QAM-16, о которых говорилось ранее. Информация о профиле работы поступает на блок выбора профиля работы, на котором соответственно исходя из полученной информации будет выбран профиль работы. После чего информация о виде модуляции поступит уже на блок модуляции, в принимающем тракте будет выполняться аналогичная операция. Затем будет формирование OFDM символов. Далее будет произведена сборка пакетов  и отправка в радиоканал. 

Рассмотрим принимающий тракт. На самом первом этапе будет осуществляться частотная и временная синхронизация. Затем будет производиться выделение  OFDM символов и преамбулы. После чего осуществится демодуляция и деперемежение. Последним этапом будет являться сверточное декодирование. На основании выше сказанного изобразим функциональную схему L1 уровня (Рисунок 19).

Рисунок 19. Функциональная схема L1 уровня.

Библиографический список 

• Бакке А.В. – лекции по курсу "Системы и сети связи с подвижными объектами". 
• Антонов Д.В.-КП на тему «Радиосеть управления подвижными объектами» Часть 3. Исправленная
  
• Баранова.А.В. - КП на тему «Радиосистема управления беспилотными объектами» Часть3,4. 
• Мичугин М. - КП на тему  "Радиосистема управления  подвижными объектами" 
• Рихард А.И. - КР на тему «Радиосистема управления подвижными объектами». Часть 1 (Исправленная 2)
• Рихард А.И. - КР на тему «Радиосистема управления подвижными объектами». Часть 2 (Исправленная)