3. Разработка канала передачи данных (L2).

3.1. Пояснение идеи логического соединения L2 уровня: назначение, основание для установления, контроль функционирования, завершения соединения. Виды логических соединений в проектируемой радиосети.

 

                L2 уровень предназначен для установления логических соединений. На этом уровне происходит адресация сообщений, то есть при формировании сообщений L2 уровня вносятся дополнительные адресные поля, в которых указываются идентификаторы сетевых объектов: кто передает и кому передается, то есть адрес отправителя и адрес получателя. Также на данном уровне решается задача организации доступа к физическому каналу связи на основании установленных правил, а также задача надежной доставки сообщений, то есть на этом уровне происходит обнаружение и исправление ошибок.

Основной задачей же данного уровня является установление логического соединения между терминалом и ТД. Для данной сети логическое соединение – это декларация о том, как должна быть осуществлена передача сообщений между терминалом и ТД. Основанием для установления логического соединения является необходимость передачи данных от терминала к ТД или от ТД к терминалу – однонаправленная передача информации, либо между терминалом и ТД – двунаправленная передача информации. Завершение соединения происходит после передачи необходимой информации.

В данной сети можно выделить следующие виды логических каналов:

·       канал BCCH – широковещательный канал;

·       канал ACH – канал случайного доступа;

·       канал AGCH – канал разрешенного доступа

·       канал DCH (Data CHannel) – канал передачи данных.

 

3.2. Задачи службы передачи данных канального уровня в виде пояснения обработки информационных и служебных сообщений на L2 уровне: фрагментация/дефрагментация сообщений, нумерация блоков данных L2 уровня, обеспечение целостности и определение назначения блоков и т.п..

 

         Основной службой канального уровня является служба передачи данных. Она осуществляет фрагментацию сообщений, разделение их на пакеты, обеспечивает целостность и надежность передачи.

         3.2.1. Фрагментация/дефрагментация сообщений.

         В службу передачи данных, расположенной на L2 уровне поступают служебные сообщения с L3 уровня и с плоскости управления L2 уровня, а также информационный трафик, подлежащий кодированию и шифрованию. Пакеты L2 уровня имеют заранее заданный размер, поэтому может случиться такая ситуация, что пришедшее сообщение не может полностью поместиться в пакет L2 уровня. Для решения этой задачи используется фрагментация сообщений, состоящая в том, что сообщения, которые пришли в службу передачи данных L2 уровня разделяются на фрагменты (блоки), которые могут поместиться полностью в пакеты L2 уровня.

         Стоит отметить, что служебные сообщения, как правило, имеют маленький объем и полностью помещаются в пакеты L2 уровня, а вот трафик, то есть данные телеметрии с терминалов или текстовые сообщения с пункта охраны могут иметь гораздо больший объем, нежели позволяет вместить в себя пакет L2 уровня, поэтому они подвергаются фрагментации.

         На приеме происходит обратная операция – дефрагментация. Из принимаемых пакетов L2 уровня извлекаются блоки сообщений и собираются воедино.

         3.2.2. Нумерация блоков данных L2 уровня.

             На передаче после прихода на L2 уровень данные подвергаются фрагментации, как было рассказано выше, на приеме же происходит обратная операция. Для того, чтобы понять как из полученных фрагментов сообщения собрать целое сообщение, блоки нумеруются и при приеме собираются в соответствии с нумерацией. Также в первом сообщении указывается количество фрагментов данного сообщения.

              Также при передаче некоторые блоки могут быть переданы с ошибками, которые восстановить не удастся. В таком случае необходимо отправить запрос на повторную передачу ошибочных блоков. Чтобы пересылать не все информационное сообщение заново, на передаче при фрагментации сообщений блоки нумеруются. Вследствие этого приемник, принимая информацию о количестве блоков и их номерах, отправляет на приемник информацию о неверно принятых блоках.

         3.2.3. Обеспечение целостности и определение назначения блоков.

         В задачи L2 уровня также входит обеспечение надежной передачи сообщений. Для выполнения этой задачи в данной системе используется циклический избыточный код (CRC), который позволяет на основании контрольной суммы, рассчитываемой на приемнике, убедится в достоверности передаваемого сообщения. В системах телекоммуникаций довольно широко применяется код CRC-16, на его выборе и остановимся.

         Также из всего выше сказанного можно сделать вывод, что в пакетах L2 уровня есть информационное поле для передачи блоков сообщений, поступающих на этот уровень, а также поле, в котором указывается номер пакета. Однако приходящие на этот уровень информационные сообщения могут быть как информационным трафиком, так и служебными сообщениями для L3 уровня, поэтому необходимо также в пакеты L2 уровня внести поле, показывающее, куда необходимо доставить данное сообщение, то есть назначение сообщения. 

3.2.4. Задачи дополнительных служб, введённых на канальном уровне в п.2.

          Помимо описанных выше задач в задачи службы передачи данных в данной сети относятся: обеспечение доступа к канальным ресурсам; передача общей информации о сети; контроль качества передачи данных; повторная отправка ошибочных сообщений.

          Обеспечением доступа к канальным ресурсам занимается служба доступа. На ТД данная служба решает, которому терминалу выделить физический ресурс, а на терминале данная служба управляет процессом получения доступа к физическим ресурсам, решением коллизий, возникающих при попытке терминалов получить доступ. Сценарий работы данной службы достаточно хорошо прописан в пункте 2.5.1.

          Передачей общей информации о сети занимается служба общей информации о сети. На ТД она формирует сообщения для канала BCCH. Данные сообщения предназначены для терминалов, чтобы они понимали в зоне действия какой ТД они сейчас находятся, для того чтобы при необходимости послать запрос на оказание ТК услуги.

          Контроль качества передачи данных необходим для борьбы с возникающими помехами. Данная служба контролирует уровень ОСШ, измеряемое на L1 уровне и при необходимости принимает решение о перестройке физического уровня на более помехоустойчивый профиль. Сценарий работы службы контроля качества передачи данных описан в пункте 2.5.2.

          Повторная передача ошибочно принятых сообщений реализуется службой ARQ. Данная служба контролирует достоверность принятых сообщений. Если сообщение принято с ошибками, то данная служба после передачи данных запросит повторную передачу ошибочных пакетов. Сценарий работы данной службы был рассмотрен в п.2.5.2. Также данная служба будет более детально рассматриваться в п.3.5.

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.

 

         3.3.1. Характеристика информационного трафика, поступающего на L2 уровень, виды сигнальных сообщений плоскости управления.

На L2 уровень в данной системе поступают следующие информационный трафик и сигнальные сообщения плоскости управления:

Информационный трафик:

1.    Данные телеметрии с датчиков охранников;

Данные телеметрии собираются в буфер терминала, а затем передаются на точку доступа со скоростью 500 кбит/с.

2.    Текстовые сообщения для охранников, посылаемые с пункта охраны.

Текстовые сообщения передаются с пункта охраны на терминалы через ТД со скоростью 10 кбит/с.

 

 

Сигнальные сообщения:

1.     1. Службы общей информации о сети.

Они передаются в канале BCCH для предоставления информации о ТД, в зоне радиопокрытия которой оказался терминал.

2.    2.Службы управления доставкой данных;

Данные сообщения требуются для установления сессии, для уведомлении о начале передачи трафика и для уведомления о завершении сессии.

3.    3.Службы контроля качества передачи данных;

Данные сообщения необходимы для осуществления совместной перестройки профилей физического уровня на сетевых объектах, между которыми ведется обмен информацией.

4.    4.Службы ARQ;

Данные сообщения несут информацию об ошибочно переданных пакетах.

5.    5.Службы управления мобильностью.

В данных сообщениях содержится информация о ТД, в зоне действия которой терминал сейчас находится. Эти сообщения предназначаются для L3 уровня пункта охраны.

 

          Представлю пример формата сообщения L3 уровня, то есть сообщения для службы управления мобильностью. Данное сообщение представлено на рисунке 1. Оно состоит из номера терминала, от которого посылается сообщение и номера ТД, в зоне действия которой сейчас находится терминал. Решение о том, в зоне действия какой ТД находится терминал, он принимает на основании поиска лучшей BCCH, то есть допустимого уровня сигнала от конкретной ТД. Уже из сообщений канала BCCH, терминал извлекает идентификатор ТД и вставляет его в служебное сообщение для службы управления мобильностью. Таким образом пункт охраны всегда сможет понимать, в зоне действия какой ТД находится терминал и отправлять ему сообщения.

Рисунок 1. Формат сообщения службы управления мобильностью

 

3.3.2. Обоснованный анализ необходимых логических каналов (ЛКС), оценка пропускной способности ЛКС в обоих направлениях.

 

В данной сети предусмотрено четыре логических канала: BCCH, AGCH, ACH, DCH.

Широковещательный канал BCCH используется для обозначения присутствия точки доступа в пределах ее зоны обслуживания. Эти каналы сканирует терминал в пассивном режиме. В данном канале передается информация о ТД, а именно ее идентификационный номер, а также информация о рядом расположенных ТД.

Канал AGCH используется для сообщения терминалу о выделенных канальных ресурсах, когда ТД необходимо передать терминалу сообщение с пункта охраны, либо когда терминал подал запрос на выделение канала трафика.

Канал ACH служит для обратной связи терминала с ТД. По этому каналу передаются лишь запросы на предоставление ТК услуги. Терминал посылает по этому каналу сообщения только в случае, когда необходимо передать данные телеметрии или сменить зону обслуживания ТД. В сообщениях канала ACH передается адрес терминала, который запрашивает ТК услугу, адрес ТД, которой принадлежит это сообщение, а также возможные профиля настройки и номера алгоритмов шифрования доступные терминалу.

Канал DCH необходим для передачи трафика, а также для передачи служебных сообщений между терминалом и ТД в случае установленного двунаправленного логического соединения между ТД и терминалом.

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.

3.4.1. Выделение типов сообщений L2 уровня, анализ их атрибутов (адресные/широковещательные, уведомительные или требующие обязательного ответа/шифрования, служебное/информационное и т.п).

 

Рассмотрим сообщения канала BCCH. Эти сообщения являются широковещательными, служебными и не требуют ответа, то есть являются уведомительными. Они  имеют структуру, указанную на рисунке 1.  В данных сообщениях содержится идентификатор точки доступа, поле данных, в котором указываются номера каналов BCCH соседних ТД, и CRC, для контроля достоверности передачи.

 

Структура сообщений L2 уровня каналов ACH и AGCH представлена на рисунке 2. Сообщение канала

ACH является адресным и служебным, оно требует ответа от ТД. В данном сообщении передается идентификатор ТД, которой предназначено это сообщение, идентификатор терминала, которому необходимо предоставить ТК услугу в виде выделения канала трафика, и поле CRC. В поле данных содержится информация о доступных терминалу профилях настройки физического уровня и также о номерах доступных алгоритмов шифрования.

Сообщение канала AGCH является адресным, служебным и требует ответа от терминала. Данное сообщение ТД может отправить в двух случаях, когда терминал запросил ТК услугу для передачи данных и, когда пришло сообщение для терминала с пункта охраны.

Рисунок 2. Структура сообщений канала ACH и AGCH

Канал передачи данных DCH является двунаправленным логическим каналом, и структура его сообщений представлена на рисунке 4. Сообщения данного канала являются адресными, как правило, требуют ответа, а также могут быть как служебными, так и информационными. В сообщениях данного канала присутствуют следующие поля:

·        поле флага P, которое указывает на тип передаваемого сообщения, если 1- сообщение трафика, если 0 – служебное сообщение.

·        Поле адресата, в котором указывается кому принадлежит данное сообщение;

·        Поле отправителя;

·        Поле NP, в котором указывается номер передаваемого фрагмента сообщения. Количество фрагментов сообщения указывается в поле данных, при передаче первого фрагмента.

·        Поле данные, в котором могут содержаться как сообщения трафика, так и служебные сообщения для различных служб управления (сигнализации).

·        Поле CRC необходимо для контроля достоверности передаваемых сообщений.

Рисунок 4. Структура сообщений канала DCH

 

3.4.2. Обоснование гарантированной/негарантированной доставки указанных видов сообщений.

Стоит отметить, что сообщения канала BCCH вещаются периодически через определенные промежутки времени. Данные сообщения признаны для обозначения присутствия ТД. Приняв данные сообщения, терминал будет понимать, в зоне действия какой ТД он находится, а также при необходимости будет посылать данной ТД запрос на оказание ТК услуги. Таким образом, сообщения данного канала не подлежат гарантированной доставке, так как повторяются через промежутки времени и носят широковещательный характер.

Сообщения каналов ACH и AGCH подлежат для подачи запроса терминалом или для ответа на запрос ТД. Данные сообщения являются адресными и должны быть доставлены до адресата. Для гарантированной доставки сообщений по этим каналам данные сообщения могут повторяться несколько раз, до тех пор, пока адресат не ответит отправителю.

Сообщения канала DCH обязаны обладать гарантированной доставкой. Для этого используется служба ARQ, которая будет рассмотрена в следующем пункте 3.5.

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

Служба ARQ расположена на подуровне управления канального уровня. Она контролирует обмен информацией между ТД и терминалом в канале передачи данных DCH. Если при передаче сообщений некоторый пакет был принят с ошибками, то служба ARQ запросит повторную передачу ошибочно принятого пакета. Стоит отметить, что служба должна как то указать какой пакет необходимо передать повторно. При передаче трафика сообщения подвергаются фрагментации и соответственно в поле NP будут указаны номера фрагментов. Данные номера и будут являться номерами пакетов трафика. На основании данных номеров служба ARQ сможет определить, какие пакеты необходимо передать повторно. Например, пришел пакет с фрагментом номер 4, затем пришло несколько ошибочных пакетов, после которых был зарегистрирован безошибочный прием пакета с фрагментом номер 7. На основании этой информации служба ARQ поймет, что пакеты с фрагментами 5 и 6 были переданы ошибочно, и необходимо отправить запрос на повторную их передачу.

Другая ситуация обстоит с сигнальными сообщениями, передаваемыми по каналу DCH. Они не фрагментируются, а значит, в поле NP остается 00000. В поле флага соответственно будет стоять 0. Стоит отметить, что сигнальные сообщения, передаваемые в канале DCH, требуют ответа от получателя. В таком случае при ошибочном приеме сигнальных сообщений сразу же будет работать служба ARQ, уведомляющая о необходимости повторной передачи последнего переданного сообщения.

Когда же служба управления доставкой данных сообщит о начале передачи информационно трафика, то служба ARQ будет накапливать номера ошибочно принятых пакетов. После завершения передачи трафика служба ARQ сформирует запрос на повторную передачу ошибочно принятых пакетов и отправит его на передающую сторону. Далее данная операция повторится вновь.

На основании выше сказанного можно увидеть, что возможно ситуация с зацикливанием процесса ARQ, когда безошибочно данные все-таки передать не удастся. Для такого случая в данной сети предусмотрено, что служба ARQ может запрашивать повторную передачу одних и тех же сообщений два раза. Если после двух раз повторного запроса сообщения все-таки не удалось передать безошибочно, будет осуществлена службой контроля качества передачи данных попытка перестройки физического уровня на более помехоустойчивый профиль. Если даже в данном случае не удалось добиться безошибочной передачи данных с использованием службы ARQ, то обмен данными прекращается и сессия завершается. Через некоторое время будет осуществлена повторная попытка передачи данных.

3.6. 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.

3.6.1. Обоснованный выбор алгоритма доступа к канальным (физическим) ресурсам. Пояснение структуры физических ресурсов

В данной сети будет осуществляться временное разделение ресурсов. Под каждый логический канал будет выделен свой промежуток времени. Данные промежутки времени будут чередоваться, то есть в следующем порядке будет выделяться время для различных каналов: BCCH, ACH, AGCH, DCH. После одного цикла процедура повторяется. В дальнейшем пункте 3.6.2 будет рассмотрено, какой процент времени будет отводиться на каждый из каналов.

3.6.2. Описание стратегии планирования распределения канальных ресурсов.

         Канальные ресурсы в данной сети распределены в соответствии с таблицей 1, указанной в п.3.3.2. Таким образом, канальные ресурсы разделены во времени в следующем процентном соотношении: каналу BCCH отводится 10% времени, каналу ACH и AGCH по 5 %, а каналу DCH 80% времени. Такой выбор основывается на том, что по каналу BCCH будут также вещаться пакеты синхронизации, что будет рассмотрено при разработке L1 уровня. По каналам же ACH и AGCH вещаются короткие сообщения запросов и ответов. В связи с этим и выбрано время для канала BCCH больше, чем для ACH и AGCH. Канал же DCH предназначен для обмена данными между ТД и терминалом, здесь будут передаваться самые большие объемы трафика, поэтому этому каналу выделено 80 % времени.

3.6.3. Анализ предлагаемого алгоритма доступа к ресурсам на предмет возникновения коллизий и пояснение решения по их устранению.

В данной сети может возникнуть коллизия при попытке получить доступ к канальным ресурсам, когда запросы от двух и более терминалов пришли одновременно на ТД, в результате чего ТД не смогло понять от кого пришли запросы. В такой ситуации терминалы будут выжидать некоторое случайное время, и будут пытаться передавать повторный запрос. На основании того, что время выжидания каждый терминал выбирает случайно, то следующий повторный запрос будет с большей вероятностью послан неодновременно с другим терминалом и соответственно ТД выберет того, чей запрос придет первый и выделит ему канальный ресурс.

Данный алгоритм повторяется до тех пор, пока канальный ресурс не будет занят одним из терминалов. После освобождения канального ресурса остальные терминалы снова попытаются получить доступ к нему.

 

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

        Временная диаграмма, отражающая использование физических ресурсов  для логических каналов, изображена на рисунке 6. Здесь рассмотрен процесс передачи терминалом данных телеметрии. Сначала терминала принимает сообщение BCCH, в котором содержится информация о ТД. Затем по каналу доступа  ACH терминал заявляет о необходимости выделения канала трафика. По каналу разрешенного доступа AGCH ТД сообщает терминалу о выделении ему ресурсов, а также профиль настройки физического уровня. После перехода на выделенный канал, терминал заявляет об успешном переходе и ТД отвечает о готовности приема данных телеметрии. Терминал передает данные телеметрии и ожидает подтверждение приема данных от ТД. После подтверждения приема, терминал освобождает физический канал. 

Рисунок 5. Временная диаграмма использования физических ресурсов логическими каналами в процессе передачи данных телеметрии

 

 

 

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

Размерности полей сообщений канального уровня подробно приведены на рисунках 1 -4  пункта 3.4.1. Рассмотри подробно размерности некоторых полей:

·        Поле идентификатора ТД состоит из 4 бит, в связи с этим максимальное количество ТД может быть не больше 16. Если будет необходимо увеличить количество ТД, то это поле также будет необходимо расширить.

·        Поле идентификатора Т состоит из 6 бит, то есть количество охранников может быть не более 64. При необходимости увеличения количества охранников также необходимо увеличить размер данного поля.

·        Поле тип службы выбирается в соответствии с количеством служб управления, в данной сети выделены 6 служб, соответственно необходимо 3 бита.

Пакеты L2 уровня каналов BCCH, AGCH, ACH имеют достаточный объем, чтобы передать полностью информационные сообщения для служб управления. Транспортные же возможности пакетов канала DCH могут быть недостаточны для передачи сообщений трафика, поэтому в данном канале при передаче трафика происходит фрагментация поступивших сообщений и нумерация фрагментов, то есть одно сообщение разбивается на несколько пакетов L2 уровня.

Также рассмотри случай, когда передается служебное сообщение по каналу DCH, но оно занимает не весь объем информационного поля, а часть. В данной ситуации поле “тип службы”, которое сообщит, для какой службы предназначено это сообщение, и определит какое количество первых бит в информационном поле и необходимо отправить в данную службу. Остальные же биты будут лишними. В результате использования данного метода, при передаче в канале DCH сигнальных сообщений от разных служб, имеющих соответственно различный объем, не будет возникать ошибка из-за передачи лишних “ненужных” бит в различные службы.

3.9. Разработка функциональной схемы L2 уровня.

Функциональная схема L2 уровня на передаче приведена на рисунке 7. На первом этапе осуществляется шифрование передаваемых сообщений с целью обеспечения информационной скрытности. Затем происходит фрагментация сообщений, в случае если это сообщения трафика. Если это служебные сообщения, то их фрагментация не происходит, так как их объем достаточен, чтобы передаваться в пакетах L2 уровня. После идет добавление служебных полей в виде номера фрагмента, если была произведена фрагментация, идентификатора Т и ТД. В заключении пакеты поступают на циклический кодер и формируется контрольная сумма CRC.

         Также стоит отметить, что на канальном уровне реализованы следующие службы:

1) служба ARQ, которая следит за гарантированной доставкой сообщений. С циклического декодера в данную службу приходит информация об ошибочно принятых пакетах. Здесь формируется запросы на повторную передачу ошибочных пакетов;

2) служба контроля качества передачи данных, в которую поступает информация об ОСШ с L1 уровня;

3) служба управления доставкой данных;

         4) служба общей информации о сети;

         5) служба доступа.

На приемной стороне происходят обратные операции. Функциональная схема L2 уровня на приеме приведена на рисунке 8.

 

Рисунок 6. Функциональная схема L2 уровня на передаче

Рисунок 7. Функциональная схема L2 уровня на приеме

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

 

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

 

 

Каждый охранник двигается со скоростью примерно 5 км/ч. Зона радиопокрытия ТД 300 м. Значит, каждый охранник в зоне радиопокрытия одной ТД будет находиться примерно 17 минут.

Терминал же начинает передачу данных только при достижении  объема данных порогового значения в 0.1 Мбит (рассмотрено в п. 1.2.2.). Терминал собирает данные с датчиков каждые 15 секунд. За один сеанс связи терминала с датчиками терминал получает 5000 бит. После 20 сеансов связи терминала с датчиками объем накопленной информации будет равен 0.1 Мбит. В этот момент терминал будет пытаться передать данные на пункт охраны. 20 сеансов связи терминала с датчиками будет осуществляться за 300 секунд или за 5 минут. То есть в среднем за время нахождения терминала в зоне обслуживания одной ТД, он будет стараться три раза передать данные телеметрии.

Помимо передачи данных телеметрии с терминала на пункт охраны, с пункта охраны может осуществляться передача сообщений на терминал. Передача сообщений на терминал производится при необходимости по решению оператора пункта охраны. Таким образом, количество сеансов связи для передачи сообщений с пункта охраны на терминал носит случайный характер. Предположим, что передача сообщений будет не часто, то есть примерно один раз за время нахождения терминала в зоне обслуживания одной ТД.

Таким образом, подытожив все выше сказанное, за время нахождения одного терминала в зоне обслуживания ТД ему необходимо предоставить возможность 4 сеансов связи. Для запаса следует взять в расчет 5 сеансов связи одного терминала с ТД.

В зоне обслуживания одной ТД в штатном режиме будут находиться двое охранников, однако при усиленном режиме патрулирования их число может увеличиться до 30 (число в соответствии с выданным заданием).

Тогда время на один терминал получается равным: 17минут/(30 терминалов* 5 сеансов связи) = 0.11 минуты.

Основной объем информации передаваемый по L2 уровня состоит из трафика, размер которого составляет 0.1Мбит, также есть служебные сообщения и избыточные биты, вносимые на L2 уровне. Рассчитаем необходимую скорость передачи для основного трафика объемом 0.1Мбит. Тогда минимальная скорость передачи полезной информации равна 0.1 Мбит/0.11 минуты =100 кбит/6.6 секунды = 15.15 кбит/с = 16 кбит/с. В процентном соотношении полезные данные составляют 83 % от размера канального уровня, значит скорость передачи должна быть на 17% выше, т. е. 18.7 кбит/с. Данная скорость учитывает избыточность, вносимую на L2 уровне.

В следующем пункте будет рассмотрен выбор частотного диапазона для функционирования сети. Центральная частота будет находится в районе 435 МГц. Отношение полосы результирующего радиосигнала к центральной частоте передачи нежелательно допускать меньше 1*10^(-4). Поэтому увеличим скорость передачи до 100 кбит/с. Отношение полосы радиосигнала к центральной частоте тогда равно 100/435000=2.3*10^(-4). Что является допустимым.

Рассчитаем пропускную способность для каждого ЛКС:

·       канал BCCH: 100*0.1 = 10 кбит/с;

·       канал ACH: 100*0.05 = 5 кбит/с;

·       канал AGCH: 100*0.05 = 5 кбит/с;

·       канал DCH: 100*0.85 = 85 кбит/с.

 

4.2. Обоснованный выбор частотного диапазона (на основании документов ГКРЧ); аргументированный выбор модели оценки потерь распространения радиоволн, расчет уровня потерь.

В решении ГКРЧ при Минкомсвязи РФ от 21.12.2011 №1049-34 «Об утверждении Таблицы распределения полос радиочастот между радиослужбами Российской Федерации и признании утратившими силу некоторых постановлений Правительства Российской Федерации» в примечании №135 указано следующее: “ Полосы радиочастот 390 - 394 МГц, 417 - 422 МГц, 430 - 440 МГц, 447 - 450 МГц, 458,45 - 460 МГц и 468,45 - 469 МГц могут использоваться средствами диспетчерской и производственно-технологической радиосвязи, производственной радиотелеметрии, охраны и пожарной сигнализации при соблюдении территориальных ограничений и условий использования полос радиочастот совместно с другими РЭС. ”

В соответствии с указанным документом выберу для функционирования моей сети полосу частот 430-440 МГц.

Оценку уровня потерь осуществим, используя модель предсказания Окамуры-Хата, так как данная модель применима в данном диапазоне и адаптирована под разные типы местности. При рассмотрении данной сети я предусматривал, что она будет разворачиваться в лесистой местности для обеспечения большей скрытности, то есть местность не является открытой. С учетом того, что эффективная высота передающей антенны меньше 200 м и эффективная высота приемной антенны меньше 10 м, то можем использовать модель Окамуры-Хата для сельской местности.

Общие потери рассчитаем по формуле (1).

 

В формуле (1) и (2) представлены следующие параметры: f-несущая, МГц; r- расстояние между антенной точки доступа и антенной терминала, км; h_БС – высота антенны точки доступа, м; h_АС – высота антенны терминала, м; α(h_АС) – поправочный коэффициент для терминал, дБ, рассчитываемый по формуле (3).

Для данной сети будут выбраны следующие параметры: f=435 МГц; r=0.3 км; h_БС=5 м, h_АС=0.05 м.

С учетом выбранных параметров, получил следующие значения:α(h_АС)= -3.2 дБ;L_гор = 111 дБ; L = 103 дБ.

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.

Для обмена информацией между ТД и терминалом необходимо их синхронизация по времени и частоте. Также стоит заметить, что в данной сети не предусмотрена передача трафика реального времени, поэтому синхронизацию между терминалами можно не обеспечивать. 

Временную синхронизацию между ТД и терминалом можно обеспечить путем передачи в начале пакетов преамбулы, состоящей из двух CAZAC-последовательностей, она и будет обозначать начало пакета. Преамбула будет состоять из 64 битов. Частотную синхронизацию можно обеспечить путем передачи пакета частотной синхронизации FB, состоящего из 70 нулевых бит.

Борьба с многолучевым распространением будет осуществляться путем применения адаптивных настраиваемых фильтров-эквалайзеров. Для настройки фильтров-эквалайзеров в канале будет передаваться настроечная последовательность TRAINING длиной 26 бит.

Избыточность, вносимая необходимостью передачей пакетов временной и частотной синхронизации, а также настроечной последовательности для фильтра-эквалайзера будет равна 160 битам.

В результате помех в канале связи возникают ошибки при передаче. Для их исправления на L1 уровне будет предусмотрено использование помехоустойчивого кодирования. В данной работе предусмотрим использование сверточного кодирования, вносящего необходимую избыточность в передаваемое сообщение для обеспечения его безошибочного приема. Сверточное кодирование будет характеризоваться скоростью кодирования – это отношение количества бит, пришедших на кодер, к количеству бит получившихся на его выходе. В данной работе базовой скоростью кодирования будет 3/4, а при необходимости увеличения помехоустойчивости будет использоваться скорость кодирования 1/2. Смену скоростей кодирования будет осуществлять служба контроля качества передачи данных. Основанием для переключения будет являться недостаточное ОСШ на приеме. Более детально сценарий работы данной службы был рассмотрен в пункте 2.5.2.

Помимо использования сверточных кодов в данной работе будут использоваться два различных вида модуляции – QPSK и PSK-8. Модуляция QPSK обладает меньшей скоростью передачи и меньшей вероятностью битовой ошибки, а PSK-8 наоборот обладает большей скоростью передачи и большей вероятностью ошибки.

Для увеличения помехоустойчивости будет осуществляться согласованная смена скорости помехоустойчивого кодирования и вида модуляции. На основании принятых решений по обеспечению помехоустойчивости будут реализованы два профиля настройки физического уровня. Профиль 0 будет представлять собой использования модуляции PSK-8, а также сверточного кодирования со скоростью 3/4. Профиль 1 будет представлять собой более помехоустойчивую настройку физического уровня. В профиле 1 будет использоваться скорость сверточного кодирования  1/2, а также модуляция QPSK.

Смена профилей работы будет осуществляться службой контроля качества передачи данных, рассмотренной в пункте 2.5.2. Данная служба будет следить за отношением сигнал/шум на входе приемника. Когда ОСШ превысит допустимый уровень, данная служба подаст команду на перестройку физического уровня.

 

          

 

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

В соответствии с вносимой избыточностью на L1 уровне оценим пропускную способность канала.

          В п.4.3. было рассмотрено, что дополнительная избыточность будет вноситься путем добавления пакетов временной, частотной синхронизации и настроечной последовательностью фильтра-эквалайзера. Общая избыточность для данных пакетов будет составлять 160 бит. Информационная часть же пакета физического уровня представляет собой пакет L2 уровня, размерность которого может быть 240 бит. Помимо этого избыточность будет вноситься использованием помехоустойчивого кодирования. Таким образом, размерность пакета физического уровня может варьироваться в зависимости от выбранного профиля настройки физического уровня.

          Если скорость кодирования выбрана ½, то количество избыточных бит достигает до 240+160=400 при 240 информационных битах. Таким образом скорость передачи потребуется увеличить в 640/240=2.66 раза.

          Если скорость кодирования выбрана ¾, то количество информационных бит в пакете L1 уровня будет составлять до 240 бит, а количество избыточных бит до 60+160=240. Таким образом скорость передачи потребуется увеличить в 480/240=2 раза.

          Помимо избыточных бит в пакетах L1 уровня в процессе передачи может возникать необходимость посылки сообщений ARQ для повторной передачи ошибочно принятых пакетов. Тогда повторно переданные пакеты, а также сообщения ARQ являются избыточными. С условием того, что запрос ARQ на одни и те же пакеты может осуществляться до двух раз, а также, что вероятность ошибки с учетом задания должна быть 2*10^(-7), то можно предположить, что ошибочно принятых пакетов в процессе передачи данных телеметрии будет не больше одного, так как сам максимальный объем данных телеметрии составляет 0.1 Мбит, а одна ошибка будет появляться на переданных 5 Мбит. Даже, если учитывать всю избыточность, вносимую на L2 и L1 уровнях, данный объем не достигнет 5 Мбит. С учетом тог, что количество ошибочных пакетов может быть больше из-за появления помех, необходимо внести запас, поэтому будет предусмотрено до 6 повторно переданных пакетов, а также 2 сообщения ARQ. Сообщения канала DCH составляют 240 бит на L2 уровне, таким образом необходимо предусмотреть передачу 8*240=1920 бит.

          С учетом того, что полезные данные телеметрии составляют 0.1 Мбит, а избыточность, вносимая на L2 уровне, составляет 17 % от длины пакета, то количество передаваемых бит увеличивается до 0.117 Мбит. С учетом кодирования количество передаваемых бит будет отличаться.

          Для профиля настройки 0 (скорость кодирования ¾) количество передаваемых бит равно 0.117*2=0.234 Мбит.

          Для профиля настройки 1 (скорость кодирования ½) количество передаваемых бит равно 0.117*2.66=0.311 Мбит.

          С учетом работы службы ARQ количество передаваемых бит возрастет до 0.31314 Мбит для скорости кодирования ½, а также до 0.23592 Мбит при скорости кодирования ¾.

          Данный объем информации необходимо передать за 0.11 мин, как было рассчитано в п.4.1. Отсюда можем найти необходимые скорости передачи с учетом, вносимой на L1 уровне, избыточности:

          Для профиля настройки 0:

0.23592Мбит/0.11 мин=235920 бит/6.6 сек=35.8 кбит/с

Для профиля настройки 1:

0.31314 Мбит/0.11 мин =313140 бит/6.6 сек =47.5 кбит/с

          В пункте 4.1 была выбрана скорость передачи 100 кбит/с из условия, что отношение полосы радиосигнала к центральной частоте должна быть больше 1*10^(-4) для избегания проблем на приеме. Выбранная скорость значительно выше необходимых скоростей, полученных при учете избыточности, вносимой на L1 уровне, и при действии службы ARQ. Таким образом, можно оставить, выбранную в пункте 4.1, скорость передачи без изменений и равной 100 кбит/с.

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 битовой ошибки Pb = 2*10^-7. Для определения ОСШ, требуемого для обеспечения заданной вероятности ошибки, используем инструмент bertool, входящий в состав Matlab.

 

 

Рисунок 8. Зависимости вероятности битовой ошибки от ОСШ для QPSK и PSK-8 без помехоустойчивого кодирования.

 

По графикам на рисунке 8 можно определить, что при модуляции QPSK заданная вероятность битовой ошибки обеспечивается при ОСШ 11.6 дБ, а при модуляции PSK-8 данная вероятность ошибки обеспечивается при ОСШ равном 14.2 дБ.

        Теперь построим графики отношения вероятности битовой ошибки от ОСШ при использовании сверточного кодирования (рисунок 9).

 

Рисунок 9. Зависимости вероятности битовой ошибки от ОСШ для QPSK и PSK-8 c помехоустойчивым кодированием.

 

По графикам на рисунке 9 видно, что при модуляции QPSK с использованием помехоустойчивого кодирования заданная вероятность ошибки обеспечивается при ОСШ равном 7.8 дБ, а при использовании модуляции PSK-8 с помехоустойчивым кодированием при ОСШ равном 10.5 дБ.

        Таким образом, выигрыш в ОСШ при использовании помехоустойчивого кодирования для модуляции QPSK составляет 3.8 дБ, а для модуляции PSK-8 составляет 3.7 дБ. Для большей наглядности приведем все четыре кривые на одном графике (рисунок 10), а полученные значения сведем в таблицу 2.

Рисунок 10. Зависимости вероятности битовой ошибки от ОСШ для QPSK и PSK-8 c помехоустойчивым кодированием и без помехоустойчивого кодирования

Вид модуляции	ОСШ без кодирования (дБ)	ОСШ с кодированием (дБ)	Выигрыш (дБ)
QPSK	11.6	7.8	3.8
PSK-8	14.2	10.5	3.7

Таблица 2. Полученные ОСШ для QPSK и PSK-8 видов модуляции с использованием и без использования помехоустойчивого кодирования.

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

Рассмотрим пакет L1 уровня, передаваемый по каналу BCCH. Он изображен на рисунке 11.

Рисунок 11. Пакет L1 уровня канал BCCH.

   В данном пакете имеются следующие поля:

·        В поле преамбула передаются две последовательности CAZAC;

·        В поле FB – пакет частотной синхронизации;

·        В поле TRAINING – настроечная последовательность для фильтра-эквалайзера;

·       В информационной части расположен пакет L2 уровня, а также избыточные биты, полученные в результате сверточного кодирования;

·    Последнее поле является битами заполнения, которые необходимы для приведения размерности пакета кратной 2^k, где k – позиционность модуляции (для QPSK k=2, а для PSK -8 k=3).

   Информационное поле имеет различные размерности в зависимости от скорости помехоустойчивого кодирования.

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 QPSK:

Скорость передачи в системе: 100 кбит/с;

Эффективная полоса Δf =R/log2(M) = 50 кГц

Шумовая полоса приемника:

Δf_ш = 1.1* Δf = 1,1*50 = 55 кГц.  (4)

 

Мощность шума на выходе приемника:

 

Pш = k*T*Δfш = 1,23*10^-23*296*55*10³ = 20024*10^-20 Вт = -157 дБВт = -127 дБм, (5)

где k = 1,23*10^-23 Дж/К – постоянная Больцмана, T = 296 К – шумовая температура.

 

Аналоговое отношение сигнал/шум на основе полученного в ОСШ (для QPSK – E_b/N0 = 7,8 дБ):

 

SNR = E_b/N₀ + 10*lоg(Δf/Δf_ш) = 7,8 + 10*log ((50*10³)/(55*10³)) = 7,39 дБ. (6)

 

Коэффициент шума первых каскадов приемника примем равным N_k = 5 дБ.

 

Тогда чувствительность приемника:

 

Pпрм = Pш + N_k + E_b/N0 = -157 + 5 + 7,39 = -144.61 дБВт. (7)

 

Мощность излучения подвижной станции вычисляется по следующей формуле:

 

Pизл = Pпрм + L – G_T – G_R , (8)

 

L = 103дБ – суммарные потери на трассе распространения сигнала.

G_T = 0 дБ – КНД передающей антенны;

G_R = 0 дБ – КНД приемной антенны;

 

P_Σизл = P_прм + L – G_T – G_R = –144,61 + 103 = -41,61 дБВт =69 мкВт

 

 

2)Произведем оценку уровня мощности передачи для PSK-8:

Скорость передачи в системе: 100 кбит/с;

Эффективная полоса Δf =R/log2(M) = 25 кГц

Шумовая полоса приемника:

Δf_ш = 1.1* Δf = 1,1*25 = 27.5 кГц.

 

Мощность шума на выходе приемника:

 

Pш = k*T*Δfш = 1,23*10^-23*296*27.5*10³ = 10012*10^-20 Вт = -160 дБВт = -130 дБм,

где k = 1,23*10^-23 Дж/К – постоянная Больцмана, T = 296 К – шумовая температура.

 

Аналоговое отношение сигнал/шум на основе полученного в ОСШ (для PSK-8 – E_b/N0 = 10.5 дБ):

 

SNR = E_b/N₀ + 10*lоg(Δf/Δf_ш) = 10.5 + 10*log ((50*10³)/(55*10³)) =10 дБ.

 

Коэффициент шума первых каскадов приемника примем равным N_k = 5 дБ.

 

Тогда чувствительность приемника:

 

Pпрм = Pш + N_k + E_b/N0 = -160 + 5 + 10 = -145 дБВт.

 

Мощность излучения подвижной станции вычисляется по следующей формуле:

 

Pизл = Pпрм + L – G_T – G_R ,

 

L = 103дБ – суммарные потери на трассе распространения сигнала.

G_T = 0 дБ – КНД передающей антенны;

G_R = 0 дБ – КНД приемной антенны;

 

P_Σизл = P_прм + L – G_T – G_R = –145 + 103 = -42 дБВт =63 мкВТ

Полученные в результате расчетов значения излучаемой мощности подвижной станции с большим запасом удовлетворяет указанному в ТЗ условию P_Σизл < 150 мВт.

 

Произведем оценку мощности передатчика базовой станции для обеспечения уверенного приема сигнала с вероятностью PR = 90% на границе зоны радиопокрытия, радиус которой указан в ТЗ и равен 300 м.

 

Рассчитаем вероятность выполнения условий уверенного приема:

x₉₀=90/100=0.9

По таблице функций Лапласа вычислим аргумент при котором:

x₉₀ - 0.5=F(-W)

F(-W₉₀)=x₉₀-0.5=0.4 

W₉₀= -1.28

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

 

Определим радиус зоны радиопокрытия (PR=90%):

r₉₀=10^((W₉₀*σ)/(10*n))*r_{50  ,}   (10)

 

где W – функция Лапласа, σ – дисперсия по местоположению, n – коэффициент потерь, r₅₀ – радиус зоны радиопокрытия с вероятностью уверенного приема сигнала PR = 50%. r₅₀ возьмем равным 300 метрам.

 

r₉₀=10^((-1.28*7)/(10*3))*0.3= 150 м.

 

4.8. Разработка и описание функциональной схемы L1 уровня.

         Учитывая все функции L1 уровня можно разработать функциональную схему L1 уровня. Данная схема представлена на рисунке 12. Рассмотрим ее более подробно. На передающей стороне первым делом сообщения с L2 уровня подвергаются помехоустойчивому кодированию с использованием БЧХ кодов. Затем закодированные сообщения поступают в блок формирования пакетов физического уровня. В данном блоке осуществляются следующие функции:

·                ·        Происходит добавление пакетов временной и частотной синхронизации;

·               ·  Добавление настроечной последовательности TRAINIG для фильтра-эквалайзера

·             ·  Доведение размера пакета до кратного 2^k путем добавления битов заполнения;

После окончания формирования пакетов L1 уровня происходит QPSK или PSK-8 модуляция и передача IQ символов в канал связи.

 

         На приемной стороне сигнал поступает на фильтр-эквалайзер и после происходит демодуляция принятого сигнала. Затем осуществляется декодирование полей физического уровня. Рассмотрим, какие функции реализует этот блок:

·          ·    Происходит извлечение пакетов временной и частотной синхронизации. Затем данные пакеты затем отправляются в блок временной и частотной синхронизации;

·                ·   Извлекается настроечная последовательность для фильтра-эквалайзера. Этот блок сообщения попадает в блок расчета коэффициентов фильтра-эквалайзера;

·                           ·  Убираются биты заполнения.

Затем пакеты отправляются на помехоустойчивое декодирование, на выходе которого будут пакеты L2 уровня. 

Рисунок 12. Функциональная схема L1 уровня

Библиографический список:

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

1. Виноградов Н. С. - Радиосеть сбора данных с ПО. Часть 1

2. Виноградов Н. С. - Радиосеть сбора данных с ПО. Часть 2

2. И.Г. Фадькин - Радиосеть сбора данных с подвижных станций.  Часть 3