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.
Канальный уровень (L2) предназначен для
организации логического соединения между СС и Т. Логическое соединение (ЛС)
необходимо для того, чтобы сетевые объекты договорись о неких правилах передачи
данных от Т к СС.
Основанием для установления
логического соединения является вещание широковещательного сообщения(BCCH) от СС, отправка которого начинается после включения
приложения на сканере сети. Завершением соединения является отправка
специального сообщения от сканера сети терминалу с целью завершения сеанса. За
контролем функционирования сети отвечает служба ARQ, действия которой были описаны в предыдущих пунктах работы.
Виды логических каналов в сети: BCCH (широковещательный
канал), RACH (канал случайного доступа), AGCH (канал разрешенного доступа), DCH (Data channel (канал вызова)).
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.
Канальный уровень предназначен для организации доступа
к физической среде, а также осуществление контроля за ошибками, которые могут
возникнуть, за это отвечает метод измерения контрольной суммы CRC.
На канальном уровне происходит обмен сообщениями как
информационными, так и служебным, под информационным трафиком понимается
передача данных от Т к СС, под служебными сообщениями подразумевается сообщения
службам L3
уровня, для того чтобы различать данные типы сообщений необходимо ввести
дополнительное поле P
в структуре сообщения, которое будет являться идентификатором, если P=0, то сообщение информационное, если
Р=1, то служебное. Помимо поля тип сообщения необходимы следующие поля: A –
адресат, требуется указывать к какому из терминалов предназначено сообщение при
передаче сообщений от СС, также поле S-
источник сообщения, то есть поле, указывающее от какого терминала, приходит
сообщение на СС, поле адресат в этом случае не нужно, так как получатель один-
сканер сети. Стоит отметить, что фрагментация на L2 уровне не предусмотрена, так как
объем передаваемых сообщений небольшой.
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.
Под информационным
трафиком в данной сети подразумеваются данные с датчиков поступающие на L2 уровень терминала. Сигнальные
сообщения в данной сети адресуются службам L3 уровня, это службы опроса данных и
служба ARQ,
а также службе контроля качества активного соединения. Сообщения службе опроса
данных необходимы для установления соединения и формирования команд опроса,
сообщения службе ARQ
для
отчета о непринятые сообщения, а сообщения службе качества активного соединения
необходимы для регулировки мощности передачи.
Рассмотрим логические каналы, которые необходимы в
нашей радиосети:
1) Широковещательный канал (BCCH)-предназначен для вещания
широковещательного сообщения, тем самым обозначает присутствие СС.
2) Канал случайного доступа (RACH)- канал, предназначен для отправления запроса
терминалом на регистрацию в сети.
3) Канал разрешенного доступа(AGCH)-по этому каналу передается ответ на
запрос сканером сети.
4)DCH-
канал вызова, предназначенный для опроса терминалов.
На рисунке представлен формат сообщения L3 уровня, а именно сообщения службы
контроля качества соединения. Данное сообщения отправляет СС конкретному
терминалу (для этого есть поле идентификатор Т) информацию о том, что нужно
увеличить мощность передачи (для этого есть информационное поле), таким образом
при приема этого сообщения терминал будет передавать следующие сообщения с
увеличенной мощностью.
Рисунок
1. Формат сообщения службы контроля качества активного соединения.
Большая часть трафика уходит на передачу данных с датчиков между Т и СС, поэтому канал DCH занимает 83 % пропускной способности. Также достаточная часть трафика уходит на канал случайного доступа, потому что одновременно на СС может поступать несколько заявок от терминала, каналы BCCH и AGCH используют по 1 % трафика.
|
Название |
Обозначение |
Пропускная
способность |
|
Широковещательный
канал |
BCCH |
1% |
|
Канал
случайного доступа |
RACH |
15% |
|
Канал
разрешенного доступа |
AGCH |
1% |
|
Канал
вызова |
DCH |
83% |
Таблица
1. Пропускная способность ЛКС.
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).
На L2 уровне происходит передача
широковещательного сообщения от СС к Т по каналу BCCH, данное сообщение не является
адресным, так как это сообщение вещается всем терминалам в зоне обслуживания, а
не конкретному Т. СС сообщением BCCH
сообщает
о наличии сети в зоне покрытия, терминал обнаруживая широковещательное
сообщение подает запрос на регистрацию в сети , на этот запрос СС должен
ответить терминалу(данное сообщение адресное) об успешном/неудачном подключении
к сети, как правило, данное сообщение передается по каналу AGCH и обязательного ответа не требует.
Дальнейшие сообщения связаны с передачей команд от СС к Т, которые являются
адресными и требуют ответа в виде сообщений трафика, которые являются не
адресными.
Сообщения BCCH гарантированного ответа не требуют, а сообщения по каналу RACH и AGCH требуют обязательного ответа, в случае если с первого раза не были доставлены эти сообщения, то передающий сетевой объект повторит их через некоторый промежуток времени. Для гарантированной доставки информационных сообщений используется служба ARQ и служба контроля качества активного соединения ( принцип действия которых рассмотрим позднее).
3.5.
Проработать сценарий гарантированной доставки сообщений одного из ключевых ЛКС
в виде повторной передачи неверно принятого сообщения (ARQ).
За гарантированную доставку
сообщений отвечает служба ARQ
расположенная в уровне L3,
который является подуровнем L2.
Данная служба, как описывалось ранее, необходима для контроля принятых
сообщений. Принцип работы данной службы состоит в том, что СС проверяет целостность принятого
сообщения и если одно из сообщений было принято неверно, то происходит отправка
сообщения NAK,
с целью повтора передачи непринятого сообщения, а если сообщение принято без
ошибок то отправляется сообщение ACK.
Аналогичным образом служба работает и с сигнальными сообщениями, они как и
сообщения DCH
не
требуют фрагментации в связи с их небольшим объемом, то при ошибочном приеме
сработает служба ARQ
и
запросит последнее отправленное сообщение.
Стоит отметить, что
повторная передача осуществляется не сразу, а через некоторый промежуток
времени, то есть тем самым накапливает ошибочные сообщения, а затем производит
запрос на повторную передачу.
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.
Формирование правила распределения физических ресурсов между ЛКС (п.3.4).
Алгоритм доступа к
физическим ресурсам будет основан на технологии TDMA. Данная технология подходит для моей
сети в связи с тем, что СС необходимо опросить в порядке очереди терминалы для
избежание коллизий данная технология подходит в самый раз, то есть для каждого
терминала будет выделен свой тайм-слот. Таким образом, только один из
терминалов будет иметь полный доступ к физической среде. Нулевой тайм слот
выделяется под BCCH,
второй под AGCH,
а со второго по 10 для DCH
такая совокупность тайм слотов образует кадр, второй кадр будет идентичен
первому. Канальные ресурсы распределены по таблице 1, где каналу BCCH отводится
1%, RACH-15%,
AGCH-1%,
DCH-83%.
Рассмотрим такую
ситуацию, что при ответе на регистрацию в сети терминалы не “услышали” своих
номеров, то тогда они ждут следующий этап RACH и
снова пытаются заявить о себе.
3.7.
Построение временной диаграммы, отражающей использование физических ресурсов
для L2
соединений (логических каналов).
На рисунке 2 представлена
временная диаграмма в соответствии с пунктом 3.6.
Рисунок
2. Временная диаграмма отражающая использование физических ресурсов для L2
соединений.
Сканер сети по каналу BCCH вещает широковещательное
сообщение, терминалы обнаруживая его подают запрос на подключение к сети по
каналу RACH, затем по каналу AGCH сканер сообщает терминалам о подключении к
сети, таким образом в СС сформируется список активных терминалов, исходя из
которого будет произведен опрос следующим образом: по каналу DCH поочередно
будут вызываться терминалы для сбора данных, порядок очереди вызова был описан
в п 1.2. После 8 фаз опроса, снова будет выделен физический ресурс под канал BCCH и
цикл повторится. В случае если несколько терминалов подали заявку на
регистрацию, то терминал чей запрос был не услышан СС, то он дождется
следующего цикла RACH
и
отправит повторный запрос, если таких терминалов два , то другой подаст запрос
через цикл RACH.Если
при передаче данных возникли ошибки, то СС в следующем цикле опроса снова
вызовет данный терминал, если же повторная передача не принесла успехов, то СС
через цикл вызовет снова этот терминал но в сообщении вызова будет указано
увеличь мощность передачи.
3.8.
Пояснение назначения и размерности полей пакетов канального уровня (п.3.4,3.5).
Согласование транспортных возможностей пакетов и информационной емкости
сообщений.
Рисунок 3. Структура сообщения BCCH.
На рисунке 3 представлена структура сообщения BCCH, как говорилась ранее это сообщение служебное и не
является адресным, поэтому поле адресат отсутствует, как и поле тип сообщения.
В данном структуре нам необходимы поля CRC , которое занимает 16 бит , также
стоит отметить что поле Data делится на 2 части , то есть до флага L будет информационная часть , а после
будет заполнение 0 битами.
Рисунок
5.
Структура сообщения AGCH.
На рисунке 6 и 7 представлены структуры сообщений DCH от
сканера сети и терминала. В этих них входят следующие поля: P- тип сообщение указывающие каким
является передаваемое сообщение служебное или информационное. В сообщении от СС
необходимо указывать кому предназначается сообщение для этого присутствует поле
A,а
в структуре сообщения от терминала необходимо указывать от кого приходит
сообщение для этого есть поле S-
источник сообщения. Также в структуру сообщений входят поля DATA и CRC.
Рисунок 6. Структура сообщения DCH
СС.
Рисунок 7. Структура сообщения DCH
T.
3.9. Разработка функциональной схемы L2 уровня.
Функциональная схема L2 уровня передающего тракта изображена на рисунке 8.
На L2 уровень будут поступать сообщения с L3 уровня, который является подуровнем L2, а также данные с датчиков. Сначала будет
происходить сборка сообщений L2 уровня,
после рассчитывается контрольная сумма CRC и
добавляется в структуру сообщения и затем сообщение L2 уровня поступит на L1 уровень.
Рисунок 8. Функциональная схема L2 уровня передающего тракта.
Функциональная схема L2 уровня принимающего тракта выглядит следующим образом (рисунок 9). Здесь происходит обратные действия по сравнению с передающим трактом, сначала происходит проверка CRC, затем произойдет разборка сообщений, после данные поступают на L3 уровень либо данные отображаются в интерфейсе СС.
Рисунок 9. Функциональная схема L2 уровня принимающего тракта.
4.
Разработка физического уровня (L1). Реализация необходимых уровню L2 физических
ресурсов.
4.1.
Обоснование характеристик требуемых физических ресурсов (пропускная
способность, качество доставки).
В пункте 3.3 я разделил пропускную способность между логическими каналами. Максимальный объем данных передаваемых от терминала к сканеру сети составляет 500 бит, также стоит учитывать, что сбор данных ведется поочередно поэтому, для передачи всех видов сообщений необходима скорость 64 кбит/с, исходя из этого можно посчитать пропускную способность для каждого канала выраженную в кбит/с. Канал BCCH занимает 1% пропускной способности если выразить в кбит/с то это-0.64 кбит/с. Аналогичным образом можно посчитать и для других каналов: для AGCH пропускная способность составляет 0.64 кбит/с, для RACH – 9.6 кбит/с, оставшаяся пропускная способность предназначена для канала трафика и составляет 53.12 кбит/с.
4.2. Обоснованный выбор частотного диапазона (на основании документов ГКРЧ); аргументированный выбор модели оценки потерь распространения радиоволн, расчет уровня потерь.
На основании постановления правительства РФ от 21
декабря 2011 г. N 1049-34 “ Об утверждении таблицы распределения полос
радиочастот между радиослужбами Российской Федерации и признании
утратившими силу некоторых постановлений
правительства Российской Федерации” предусмотрено использование частотного
диапазона 2300-2450 МГц для любительских служб, этот диапазон и будет рабочим
для моей сети с несущей частотой 2375МГц.
Для оценки потерь воспользуемся рекомендацией МСЭ-R P.1238-5 “Данные о распространении
радиоволн и методы прогнозирования для планирования систем радиосвязи внутри
помещений и локальных зоновых радиосетей в частотном диапазоне 900 МГц – 100
ГГц”, в связи с тем что работа радиосети предусмотрена внутри помещения.
Модель потерь имеет следующий вид:
Ltotal=20log10f+Nlog10d+Lf(n)-28
дБ, где
f-
несущая частота;
N-дистанционный
коэффициент потерь мощности;
d-расстояние разнесения (м) между базовой станцией и
переносным терминалом (где d > 1 м);
Lf-коэффициент потерь за счет прохождения сигнала
через пол (дБ);
n-количество этажей между базовой станцией и
переносным терминалом (n ≥ 1).
Исходные данные:
N=22;
f=2375
МГц;
d=
400м;
Lf(n)=6+3(n-1)=6+3(1-1)=6, где n=1- число пройденных этажей.
Тогда Ltotal=20log10(2375)+22 log10(400)+6-28=102,764 Дб.
Потери при распространении радиоволн составляют 102,764 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.
Так как проектируемая радиосеть находится внутри
помещения, то нужно учитывать влияние интерференционных помех и явление
многолучевости, для этого как говорилось ранее используется технология TDMA, а также будем использовать
помехоустойчивое кодирование с перемежением на основе сверточного кодирования
со скоростью кодирования 1/2.
Помимо защиты от помех и многолучевости, необходимо
обеспечить синхронизацию для этого каждый кадр L1 уровня будет включать в себя
преамбулу для временной и частотной синхронизации. Так как обмен информацией
происходит не в реальном масштабе времени и передается небольшой объем
информации, то нет необходимости применять различные профили работы. В данной
сети будем использовать модуляцию BPSK так как она обладает
более высокой помехоустойчивостью.
4.4.
Оценка пропускной способности физического канала с учетом избыточности,
вносимой на L1 уровне.
В п. 4.3 сказано что скорость кодирования составляет
1/2 , соответственно будет вносится избыточность т.е если информационная часть
пакета L1
уровня составляла 128 бит(пакет L2
уровня) , то теперь будет составлять 128+ 64=192 бита и следовательно необходимо
будет увеличить скорость передачи в 320/128=2.5 раза, таким образом для канала
трафика скорость передачи будет составлять 132.8 кбит/с.
Необходимая минимальная полоса для BPSK:
Δf
= R / log2n = 132.8× 10^3 / log22=132.8 кГц.
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 заданию из ТЗ требуется обеспечить вероятность
ошибки на бит 10^(-6).
Для определения отношения сигнал/шум будем
использовать программу matlab
в
которой есть инструмент bertool.
Рисунок 10. Зависимость вероятностей битовой ошибки от ОСШ для модуляции BPSK с
кодированием и без.
На рисунке 10 представлены зависимости битовой ошибки
от ОСШ для модуляции BPSK
с
кодированием и без кодирования, исходя из этого рисунка видно что для
обеспечения требуемой ошибки 10^(-6) требуется ОСШ 10.5 Дб, а с помехоустойчивым
кодированием 7.4 Дб, следовательно выигрыш составляет около 3 Дб.
В качестве помехоустойчивого кодирования используется
сверточное кодирование со скоростью 1/2 , где каждому биту на входе соответствует 2 бита на выходе, сравним с блочным
кодирование , с той же скоростью.
Рисунок
11. Зависимость вероятностей битовой ошибки от ОСШ для модуляции BPSK с кодированием и без.
На рисунке видно, что блочное кодирование со скоростью
1/2 не дает выигрыш что по сравнению со
светочным кодированием является наиболее худшим, поэтому остановимся на выборе
сверточного кодирования со скоростью 1/2.
4.6.
Определение структуры и расчет размерности полей пакетов L1 уровня.
Рисунок 12. Структура пакета L1 уровня.
На рисунке 12 изображена структура пакета L1 уровня. С L2
уровня поступает пакет размерностью 128 бит,
на L1
уровне происходит добавление преамбулы служащей для частотной и временной
синхронизации, также за счет сверточного кодирования к информационной части
добавляется избыточная часть тем самым пакет L1 уровня увеличивается более чем в 2
раза.
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:
1) Эффективная полоса : Δf =R/log2(M)=132.8
кГц.
2)Шумовая полоса приемника: Δfш
= 1.1* Δf=1.1*132.8=146.08 кГц.
3)Мощность шума на выходе приемника: Pш
= k*T*Δfш=
=1,23*10-23*296*146.6*10^3=53375*10^(-20) Вт=-153 Дб,
где
где k = 1,23*10-23 Дж/К – постоянная Больцмана, T =
296 К – шумовая температура.
4) Чувствительность приемника: Pпрм = Pш + Nк + SNR
Eb/N0= 7.4 дБ
SNR =
Eb/N0+10*lоg(Δf/Δfш)=7 дБ.
Коэффициент шума первых каскадов приемника примем
равным Nk = 4 дБ.
Pпрм =-153 +7.4+7=-138.6 дБ.
5) Рассчитаем мощность излучения подвижного объекта:
Pизл = Pпрм + Ltotal – Gt – Gr;
Gt
= 0 дБ – КНД передающей антенны;
Gr
= 0 дБ – КНД приемной антенны;
Ltotal=102,764
Дб.(из п.4.2).
Pизл=-138.6+102.764=-35.836
дБ=0.3мВт
В результате мощность излучения получилась меньше
требуемого, чем в ТЗ (0.1Вт).
Произведем оценку мощности передачи для обеспечения
уверенного приема с вероятностью PR=80%
на границе зоны обслуживания и радиусом 400 м.
Рассчитаем вероятность выполнения условий уверенного
приема:
X80=80/100=0.8
По таблице функций Лапласа вычислим аргумент при
котором:
X80 -
0.5=F(-W)
F(-W80)=x80-0.5=0.3
W80= -0.84
Так как анализируемая система будет функционировать
внутри зданий , то n=3,
σ = 5.
Определим радиус зоны радиопокрытия (PR=80%):
r80=10^((W80*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%. r50 возьмем равным 200 метрам.
R80=10^((-0.84*5)/(10*3))*0.2= 192 м.
4.8.
Разработка и описание функциональной схемы L1 уровня.
Функциональная схема L1 уровня представлена на рисунке:
Рисунок
13. Функциональная схема L1
уровня.
Данная схема отображает все функции L1 уровня, на передающей стороне осуществляется сверточное
кодирование, затем для борьбы с замираниями происходит перемежение , после
осуществляется модуляция, а также важной функцией является частотная и
временная синхронизация в итоге будет собран пакет L1 уровня готовый к отправке в
радиоканал. На приемной стороне осуществляются обратные действия: демодуляция,
деперемежение, декодирование.
Библиографический список
Бакке А.В. – лекции по курсу "Системы и сети связи с подвижными объектами".
·
Калюшина
М.- КП
на тему “Радиосеть сбора данных.”
http://omoled.ru/publications/view/1326
И.Г. Фадькин гр. 519- КП на тему “Радиосеть сбора данных с подвижных
станций (часть 3). http://omoled.ru/publications/view/1300
Рихард А.И Курсовая работа на тему : «Радиосистема управления подвижными
объектами». Часть 3. http://omoled.ru/publications/view/1397
Королев М.Д – кп на тему “Радиосеть сбора данных.Часть1 (исправленная 2) http://omoled.ru/publications/view/1404
Королев М.Д – кп на тему “Радиосеть сбора данных.Часть2( исправленная) http://omoled.ru/publications/view/1404